Funktionelle Gruppe

In der Organischen Chemie versteht man unter einer funktionellen Gruppe (auch charakteristische Gruppe) ein Atom oder eine Atomgruppe, die bei jedem Auftreten auch in verschiedenen Verbindungen ähnliche Stoffeigenschaften und ein ähnliches Reaktionsverhalten zeigen. Die Moleküle werden gedanklich in ein relativ unreaktives Grundgerüst und eine oder mehrere funktionelle Gruppen unterteilt.^[1] In diesem Zusammenhang wird von heterobifunktionalen Molekülen gesprochen (Beispiel: Ethanolamin) bzw. bei mehreren funktionellen Gruppen heteropolyfunktional (Beispiel: Tyrosin). Analog kann bei Molekülen mit mehreren gleichen funktionellen Gruppen von homobifunktional (Beispiel: Ethylenglycol) bzw. homopolyfunktional gesprochen werden (Beispiel: Glycerin).

Verbindungen, die gleiche funktionelle Gruppen, aber unterschiedliche Alkyl- oder Arylreste haben, werden auf Grund ihrer ähnlichen Eigenschaften zu Stoffklassen zusammengefasst.

Funktionelle Gruppen werden anhand der beteiligten Atome in funktionelle Gruppen mit Heteroatomen (meist O, N, S, P, Halogene) und solche ohne Heteroatome (z. B. C=C-Doppelbindungen, C≡C-Dreifachbindungen oder Aromaten) eingeteilt. Auch wenn Letztere manchmal nicht als „vollwertige“ funktionelle Gruppen, sondern nur als Strukturbausteine betrachtet werden, so zeigen sie doch ein besonderes und typisches Reaktionsverhalten, das die Bezeichnung funktionelle Gruppe und die jeweilige Zusammenfassung zu Stoffklassen rechtfertigt.

Im Fall von anorganischen oder metallorganischen Verbindungen werden auch einfache Alkyl- oder Arylgruppen als funktionelle Gruppen angesehen. Alle organischen Seitenketten und funktionellen Gruppen werden dann unter der allgemeinen Bezeichnung Organylgruppe zusammengefasst.

Für funktionelle Gruppen gibt es zur Vereinfachung der Schreibung in Strukturformeln und Texten Abkürzungen, die in der Liste der Abkürzungen in der organischen Chemie aufgelistet sind.

Nach der Definition beeinflusst eine funktionelle Gruppe die chemischen und physikalischen Eigenschaften der sie enthaltenden Ausgangsverbindung meist erheblich. Die Art der Beeinflussung wird am Beispiel des Alkans Butan und drei seiner strukturellen Abkömmlinge mit gleicher Anzahl von C-Atomen vor Augen geführt:

Gemäß Vorgabe der IUPAC ist die substitutive Nomenklatur, die im Folgenden beschrieben wird, zur Benennung von Substanzen heranzuziehen. Nach dieser Nomenklatur ist die funktionelle Gruppe entweder als Vorsilbe (Präfix) oder als Endung (Suffix) im Namen der Gesamtverbindung anzugeben. Die Präfixe und Suffixe einiger funktionelle Gruppen werden aus sauerstoffhaltigen Gruppen abgeleitet, indem das O-Atom mit der funktionellen Ersetzungsnomenklatur verändert wird (z. B. -thiol aus -thio und -ol, das O-Atom wird durch Schwefel ersetzt). Für gewisse Gruppen wurde kein eigenes Präfix festgelegt, sondern es wird aus kleineren, darin enthaltenen Gruppen zusammengesetzt (z. B. bei Amiden, welche mit Präfix -oxo- und -amino- wie ein Keton und ein Amin behandelt werden).

Die IUPAC hat für die verschiedenen funktionellen Gruppen eine Rangfolge festgelegt. Die ranghöchste Gruppe wird dabei als Suffix verwendet und alle anderen, alphabetisch geordnet, als Präfixe. Die Ausnahme bilden Radikale und geladene Gruppen, die sogenannte kumulative Suffixe bilden. Die funktionellen Gruppen sind in der folgenden Tabelle nach abnehmender Priorität geordnet. Die Tabelle gibt nicht die vollständige Liste der IUPAC wieder.^[2][3][4]

Siehe auch: Nomenklatur

Es gibt unterschiedliche Bezeichnungen, je nachdem ob das angegebene Kohlenstoffatom einen Teil des Stammsystems darstellt (Darstellung: R-CXYZ) oder nicht (Darstellung: R-CXYZ). Der zweite Fall erhält die höhere Priorität. Auf ggf. notwendige Klammerungen wurde verzichtet.

Verwendete Platzhalter:

• R für einen organischen Rest
• X für Halogenide
• Z für ein beliebiges Atom außer Wasserstoff H
• # für einen Lokanten, wo sinnvoll

Halbstrukturformel	Strukturformel	Stoffklasse	Vorsilbe (Präfix)	Endung (Suffix)	Beispiele
	Z• bzw. Z: Z•− Z•+	Radikale Radikalanionen Radikalkationen	keine (früher Ylo-)	-yl (Verlust eines H•) -yliden (Verlust zweier H•) u. a. m.	(2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxidanyl (TEMPO), Triplett-Carben
	Z−	Anionen	keine	-id (Verlust von H+) -uid (Addition von H−) Als Endung: -at, -it	Ethin-1-id (Acetlyid)
	Z+	Kationen	keine	-ylium (Verlust von H−) -ium (Addition von H+) (früher -onium)	Methanaminium (Methylammonium), kationische Tenside
Säuren
R–COOH R–COOH		Carbonsäuren	Carboxy- Carboxy- (Stammhydrid wird um ein C verkürzt)	-carbonsäure -säure	Butansäure (Buttersäure), Aminosäuren
R–COOOH R–COOOH		Peroxycarbonsäuren	Carbonoperoxoyl- #-hydroperoxy-#-oxo-	-carboperoxosäure -peroxosäure	Ethanperoxosäure (Peroxyessigsäure)
R–CS–OH R–CS–OH R–CO–SH R–CO–SH R–CS–SH R–CS–SH		Thiocarbonsäuren	Hydroxycarbonothioyl- -#-hydroxy-#-sulfanyliden- Sulfanylcarbonyl- -#-oxo-#-sulfanyl- Sulfanylcarbonothioyl- -#-sulfanyl-#-sulfanyliden-	-carbothio-O-säure -thio-O-säure -carbothio-S-säure -thio-S-säure -carbodithiosäure -dithiosäure
R–SO2–OH		Sulfonsäuren	Sulfo-	-sulfonsäure	z. B. Benzolsulfonsäure
R–SO–OH		Sulfinsäuren	Sulfino-	-sulfinsäure
R–COO−M+ R–COO−M+		Carbonsäuresalze	Metallcarboxylato- -	Metall-...-carboxylat Metall-...-oat	z. B. Acetat
R–SO2–O−M+		Sulfonsäuresalze	Metallsulfonato-	Metall-...-sulfonat
R–SO–O−M+		Sulfinsäuresalze	Metallsulfinato-	Metall-...-sulfinat
R–S–O−M+		Sulfensäuresalze	Metallsulfenato-	Metall-...-sulfenat
Anhydride
R1–CO–O–CO–R2		Carbonsäureanhydride	-	...-säure...-säureanhydrid bei gleichen Säuren: ...-säureanhydrid	z. B. Essigsäureanhydrid
Ester
R1–CO–O–R2		Carbonsäureester	(R yl-)oxycarbonyl	(R yl-)...-carboxylat (R yl-)...-oat -	z. B. Ethylacetat
R1–CO–S–R2		Thiolester	R1oyl-thio-	S-R2yl-R1-thioat
R1–SO2–O–R2		Sulfonsäureester	(R yl-)oxysulfonyl-	(R yl-)...-sulfonat
R–O–NO2		Salpetersäureester		-nitrat	z. B. Nitroglycerin, Nitrocellulose
Säurehalogenide und -pseudohalogenide
R–CO–X R–CO–X		Carbonsäurehalogenide	Halogencarbonyl- -	-carbonylhalogenid -oylhalogenid	z. B. Benzoylchlorid
R–SO2–X		Sulfonsäurehalogenide	Halogensulfonyl-	-sulfonylhalogenid
Amide
R–CO–NH2 R–CO–NH2		Carbonsäureamide	Carbamoyl- #-amino-#-oxo-	-carboxamid -amid
R–SO2–NH2		Sulfonsäureamide	Sulfamoyl-	-sulfonamid
Hydrazide
R–CO–NH–NH2 R–CO–NH–NH2		Carbonsäurehydrazide	Hydrazinocarbonyl-	-carbohydrazid -ohydrazid
Imide
R1–CO–NR2–CO–R3		Imide
Nitrile
R–C≡N R–C≡N		Nitrile	Cyan- -	-carbonitril -nitril	z. B. Acetonitril
Aldehyde
R–CO–H R–CO–H		Aldehyde	Formyl- Oxo-	-carbaldehyd -al	z. B. Formaldehyd, Acetaldehyd
R–CS–H R–CS–H		Thioaldehyde	Thioformyl- Thioxo-	-carbothialdehyd -thial
Ketone
R1–CO–R2		Ketone	Oxo-	-on	z. B. Aceton
R1–CS–R2		Thioketone	Thioxo-	-thion -thioketon
Hydroxy-Verbindungen
R1R2–C=N–OH		Oxime	Hydroxyimino-	-aloxim -(carb)aldehydoxim -onoxim
R–OH		Alkohole und Phenole	Hydroxy-	-ol	Alkohole z. B. Methanol, Ethanol, Isopropanol, Phenol
R–SH		Thiole	Sulfanyl- alt: Mercapto-	-thiol -mercaptan	Thioalkohole, Thiophenole z. B. Methylmercaptan
Hydroperoxide
R–OOH		Hydroperoxide	Hydroperoxy-	-peroxol
R–O–SH			OS-Thioperoxy-	-OS-thioperoxol
R–S–OH		Sulfensäuren	SO-Thioperoxy-	-SO-thioperoxol (früher -sulfensäure)
Amine
R–NH2		Amine	Amino-	-amin	z. B. Anilin, Aminosäuren
Imine
R1R2–C=N–R3		Imine	Imino-	-imin
R1R2–C=N–NH2		Hydrazone	Hydrazono-	-alhydrazon -(carb)aldehydhydrazon -onhydrazon

Die folgenden funktionellen Gruppen bestimmen den Namen des Stammsystems. Ihre Rangfolge nimmt in dieser Reihenfolge ab: N (ohne oben genannte funktionelle Gruppen) > P > As > Sb > Bi > Si > Ge > Sn > Pb > B > Al > Ga > In > Tl > O (ohne oben genannte funktionelle Gruppen, Peroxide und Ether) > S (ohne Sulfide und Disulfide) > Se > Te > Halogenverbindungen mit mehr als zwei Atomen in der Kette > C > Ether, Sulfide, Sulfoxide, Sulfone > Peroxide > Halogenverbindungen mit einzelnen Halogenatomen.^[4]

Halbstrukturformel	Strukturformel	Stoffklasse	Stammsystem	Beispiele
R–NH–NH2		Hydrazine	Hydrazin	Methylhydrazin
R1–NN–R2		Azoverbindungen	Diazen	Diphenyldiazen (Azobenzol) Azofarbstoffe
R–C=C–R	Doppelbindung	Alkene	Ethen	Ethen, Buta-1,3-dien
R–C≡C–R	Dreifachbindung	Alkine	Ethin	Ethin

Grundsätzlich nur als Vorsilben (Präfixe) werden folgende funktionelle Gruppen verwendet. Sie haben keine Rangfolge, werden jedoch alphabetisch im Namen eingefügt. Die Tabelle ist nicht vollständig.^[5]

Halbstrukturformel	Strukturformel	Stoffklasse	Vorsilbe	Beispiele
R–X		Halogenkohlenwasserstoffe	Halogen-	Fluorchlorkohlenwasserstoffe z. B. Frigen, Chloroform
R1–O–R2		Ether	(R2yl)-oxy- (R = C1 - C4: ohne -yl) Nach radikofunktioneller Nomenklatur: (R1yl)-(R2yl)-ether	Ethoxyethan (Diethylether), Dioxan
R1–S–R2		Thioether	(R2yl)-sulfanyl- (früher -thio-) Nach radikofunktioneller Nomenklatur: (R1yl)-(R2yl)-sulfid	Methylsulfanylmethan (Dimethylsulfid)
R1–SO–R2		Sulfoxide	sulfinyl-	z. B. Dimethylsulfoxid
R1–OO–R2		Peroxide	(R-)dioxy-
R1R2–CNN		Diazoverbindungen	Diazo-	z. B. Diazomethan
R–NCO		Isocyanate	Isocyanato-
R–NCS		Isothiocyanate	Isothiocyanato-
R–NC		Isocyanide	Isocyan-
R–NO		Nitrosoverbindungen	Nitrosyl-
R–NO2		Nitroverbindungen	Nitro-	Nitrite z. B. Trinitrotoluol (TNT)
R–NN+ Z−		Diazoniumsalze	Diazonium-
R–OCN		Cyanate	Cyanato-
R–SCN		Thiocyanate	Thiocyanato-

Neben diesem Nomenklatursystem gibt es noch weitere, weniger gebräuchliche oder veraltete Nomenklatursysteme. Eines davon ist z. B. die radikofunktionelle Nomenklatur, nach der z. B. Chlormethan als Methylchlorid oder Ethanol als Ethylalkohol bezeichnet werden.

• Günter Baars, Roland Franik, Walter Jansen, Hans Pickel, Georg Schwedt, Herbert Sommerfeld: Handbuch der experimentellen Chemie: Sekundarbereich II. Band 10: Funktionelle Gruppen, Fette, Farbstoffe. (Herausgeber: Walter Jansen, Rudolf G Weissenhorn, Wolfgang Glöckner), Aulis, Hallbergmoos 2008, ISBN 978-3-7614-2388-2.
• Dieter Hellwinkel: Die systematische Nomenklatur der organischen Chemie: Eine Gebrauchsanweisung. 4. Auflage. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-63221-2. 

Wikibooks: Organische Chemie für Schüler/ Organische Verbindungen mit funktionellen Gruppen – Lern- und Lehrmaterialien

Wiktionary: funktionelle Gruppe – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Offizielle Seite der International Union of Pure and Applied Chemistry (englisch)
• IUPAC-Regeln zur Nomenklatur in der organischen Chemie (Blue Book) (englisch)

1. ↑ Eintrag zu functional group. In: IUPAC (Hrsg.): Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”. doi:10.1351/goldbook.F02555.
2. ↑ Henri A. Favre, Warren H. Powell (Hrsg.): Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013. Royal Soc. of Chemistry [u. a.], Cambridge 2014, ISBN 978-0-85404-182-4, Kapitel P-33 (englisch, qmul.ac.uk [abgerufen am 18. April 2024]). 
3. ↑ Henri A. Favre, Warren H. Powell (Hrsg.): Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013. Royal Soc. of Chemistry [u. a.], Cambridge 2014, ISBN 978-0-85404-182-4, Kapitel P-35 (englisch, qmul.ac.uk [abgerufen am 18. Dezember 2024]). 
4. ↑ ^{a b} Henri A. Favre, Warren H. Powell (Hrsg.): Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013. Royal Soc. of Chemistry [u. a.], Cambridge 2014, ISBN 978-0-85404-182-4, Kapitel P-41 (englisch, qmul.ac.uk [abgerufen am 11. Januar 2025]). 
5. ↑ Henri A. Favre, Warren H. Powell (Hrsg.): Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013. Royal Soc. of Chemistry [u. a.], Cambridge 2014, ISBN 978-0-85404-182-4, Kapitel P-59 (englisch, qmul.ac.uk [abgerufen am 14. Januar 2025]).