HSC 化學：甲基與乙基支鏈的命名

一個結構可以含有八個碳原子，但它的母鏈仍可能只有五個碳。另一個同樣有八個碳、畫法幾乎相同的結構，卻可能有六個碳的母鏈。支鏈命名最常出錯的地方就在這裡：學生還沒判斷哪一條碳鏈才真正算作母鏈，就開始替支鏈命名。

想像有一條在紙面上看起來是水平的碳鏈，旁邊垂著一個乙基。你會不會直接把那兩個碳的部分叫作乙基支鏈？不要。先問一個更重要的問題：你能沿著相連的碳原子追蹤出的最長連續路徑是什麼？ 有時候，那個看起來像支鏈的部分，其實應該包含在母鏈裡。

只要這一步判斷正確，甲基與乙基的命名就會變得機械化得多。

01從碳的路徑開始，而不是從支鏈開始

想像每個碳原子都是一個人，正和相鄰的碳原子手牽著手。你的任務是找出能沿著這些人追蹤出的最長隊伍，而且不能跳到沒有連接的人身上。

這條線在紙面上不必是直的。它可以轉彎，穿過原本看起來像支鏈的部分。

這個比喻有一個限制：分子實際上並沒有偏好的左、右、水平或垂直方向。結構式只是方便我們表示分子的圖形。把分子在紙面上旋轉，並不會產生另一個不同的分子。

因此，圖中看起來像「主線」的部分，不一定就是母鏈。

對本指南所討論的簡單支鏈烷烴，請依照以下順序：

1. 找出最長的連續碳鏈。
2. 為這條碳鏈命名。
3. 找出連接在母鏈上的碳基團。
4. 從能讓取代基得到最低可能位次的一端開始為母鏈編號。
5. 把取代基名稱和位次組合起來。

這個順序很重要。支鏈位次很低，也不能補救選錯母鏈的問題。

02甲基與乙基到底是什麼

假設你已經選好了母鏈。任何連接在母鏈上、但沒有包含在母鏈中的碳基團，都是一個取代基。

兩種常見的取代基是：

因此，甲基是一個含一個碳的支鏈。乙基則是一個含兩個碳的支鏈。

關鍵字眼是在母鏈選定之後。你不能看到有兩個碳向旁邊伸出去，就立刻判定它是乙基。如果把這兩個碳包括進去能形成更長的連續碳鏈，那麼它們就應該屬於母鏈。

本指南中最常使用的母鏈名稱如下：

如需更全面了解母鏈與 IUPAC 命名法，請參閱 HSC 化學：C8 以內有機化合物的 IUPAC 命名。

03位次告訴你支鏈在哪裡

位次（locant）就是表示取代基在母鏈上位置的數字。

假設一個甲基從一端編號時位於第 2 號碳，而從另一端編號時則位於第 4 號碳。

應該從哪個方向編號？

第 2 號碳。我們要從能使取代基得到較低位次的一端開始編號。

因此

\[ \ce{CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3} \]

是 2-甲基戊烷，而不是 4-甲基戊烷。

碳骨架本身完全沒有改變。改變的只有編號方向。

如果有多個取代基，就按順序比較完整的位次組合。選擇在兩組數字第一次出現差異時具有較小數字的編號方向。

例如，如果兩種可能分別是 \(2,3,5\) 和 \(2,4,5\)，就應選擇 \(2,3,5\)。第一個位次都是 2，所以相同；下一個比較的是 3 和 4。

不要把位次總和當作一般規則。依序比較位次會更可靠，也符合你需要掌握的命名邏輯。

04最終名稱如何組成

母鏈和位次確定後：

• 位次要直接寫在相應的取代基名稱之前
• 兩個數字之間用逗號分隔
• 數字與文字之間用連字號分隔
• 化學名稱內不要加入空格
• 如果同一種取代基出現兩次，使用 di-；出現三次則使用 tri-
• 如果存在不同的取代基，要按英文字母順序排列

對 methyl 和 ethyl 而言，按英文字母順序，ethyl 排在 methyl 前面。

前綴 di- 和 tri- 不會影響英文字母排序。

因此，如果一個化合物在第 3 號碳有一個乙基，在第 2 和第 4 號碳各有一個甲基，名稱應寫成：

3-乙基-2,4-二甲基己烷

而不是：

2,4-二甲基-3-乙基己烷

數字是由編號規則決定的。之後，取代基名稱的書寫順序則由英文字母順序決定。

05從名稱畫結構時，步驟正好相反

如果題目給你的是名稱而不是結構，不要試圖一次把整個分子全部畫出來。

要分層建立。

以 3-乙基-2-甲基戊烷為例：

1. 戊烷 告訴你要畫一條五個碳的母鏈
2. 2-甲基 告訴你要在第 2 號碳連接 \(\ce{-CH3}\)
3. 3-乙基 告訴你要在第 3 號碳連接 \(\ce{-CH2CH3}\)
4. 加上足夠的氫原子，使每個碳都有四個鍵

因此母鏈是：

\[ \ce{C-C-C-C-C} \]

為它編號：

\[ \ce{C1-C2-C3-C4-C5} \]

然後在指定的位次接上取代基。

例題：畫出 3-乙基-2-甲基戊烷

畫出 3-乙基-2-甲基戊烷的縮合結構式，並檢查題目所指定的母鏈是否有效。

步驟 1

戊烷 代表五個相連的碳原子：

\[ \ce{C-C-C-C-C} \]

步驟 2

在第 2 號碳接上一個碳。

這會形成一個 \(\ce{-CH3}\) 支鏈。

步驟 3

在第 3 號碳接上兩個彼此相連的碳。

這個支鏈是 \(\ce{-CH2CH3}\)。

步驟 4

其縮合結構式為：

\[ \ce{CH3-CH(CH3)-CH(CH2CH3)-CH2-CH3} \]

步驟 5

最明顯的水平路徑含有五個碳。如果改為穿過乙基支鏈，能不能形成一條六個碳的路徑？

從乙基支鏈的末端開始，朝原本碳鏈的任一端前進，最多仍然只能得到五個碳。不存在六個碳的連續路徑。

所以戊烷確實是一條有效的最長母鏈。

步驟 6

從所選的一端開始編號，取代基位於第 2 和第 3 號碳。若從另一端開始編號，它們會位於第 3 和第 4 號碳。

較低的一組是 \(2,3\)。

因此正確名稱是 3-乙基-2-甲基戊烷。

注意一個看起來稍微奇怪的地方：在寫出的名稱中，位次 3 出現在位次 2 前面。這沒有問題。因為取代基要按英文字母順序排列，所以 ethyl 要寫在 methyl 前面。

06最容易犯的錯：把看得到的乙基直接當成支鏈

現在比較以下這個結構：

\[ \ce{CH3-CH(CH2CH3)-CH(CH3)-CH2-CH3} \]

很容易把水平線看作戊烷，然後把這個分子命名為 2-乙基-3-甲基戊烷。

這似乎很合理。紙面上橫著畫了五個碳，而且有兩個碳看起來從第 2 號碳垂下來。

但請從那個兩碳部分的末端開始，沿著分子追蹤：

\[ \ce{CH3-CH2-CH-CH-CH2-CH3} \]

這條路徑含有六個碳。

因此，那條五碳鏈從一開始就不能作為母鏈。

改用六個碳的母鏈後，會剩下兩個各含一個碳的支鏈。兩者都是甲基，因此名稱為：

3,4-二甲基己烷

令人意外的地方是，原本的「乙基」在正確名稱中完全消失了。分子裡並沒有少掉任何東西。我們只是選擇了一條更合適的母鏈。

這可以給你一個很有用的警訊：

如果一個乙基出現在你所提出的母鏈末端附近，要仔細檢查這個乙基是否可以被納入一條更長的碳鏈中。

07為什麼選擇母鏈要先於考慮低位次

假設其中一條可能的碳鏈有五個碳，而且會得到像 2 和 3 這樣很低的位次。

另一條連續碳鏈有六個碳，但產生的位次是 3 和 4。

你仍然要選擇六個碳的碳鏈。

優先次序是：

先選最長母鏈，再進行編號。

在你取得有效的母鏈之前，不應比較位次。

一個常見錯誤是選擇能得到看起來最小數字的路徑。這把邏輯顛倒了。位次是用來決定如何為母鏈編號，而不是用來決定較短的碳鏈能不能取代較長的碳鏈。

08考試中的精簡方法

為含甲基或乙基支鏈的烷烴命名時，可以使用以下順序。

1. 沿路徑追蹤，不要只盯著圖看

實際用手指或鉛筆沿著可能的碳路徑追蹤。

不要假設最長碳鏈一定是水平的。

2. 數母鏈中的碳

把碳數轉換成相應的烷烴名稱：戊烷、己烷、庚烷，以此類推。

3. 圈出母鏈之外的碳

一個碳的支鏈是甲基。

兩個碳的支鏈是乙基。

如果原本看起來像乙基的支鏈已經成為母鏈的一部分，就要重新判斷剩下的取代基是什麼。

4. 從兩端都試著編號

在正式決定之前，先寫出兩種可能的位次組合。

選擇在第一個差異處數字較低的方向。

5. 按英文字母順序寫出取代基

Ethyl 排在 methyl 前面。

這一步是在編號決定之後才進行。

6. 檢查標點符號

例如：

3-乙基-2,4-二甲基己烷

數字之間用逗號分隔。數字與文字之間用連字號分隔。不要留空格。

09問題與解答

問題 1

為以下化合物命名：

\[ \ce{CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH3} \]

解答 1

正確名稱是 3-甲基戊烷。

最長的連續碳鏈含有五個碳，因此母體是戊烷。

這條母鏈以外唯一的碳是一個 \(\ce{-CH3}\) 基團，所以取代基是甲基。

無論從哪一端開始編號，甲基都位於第 3 號碳：

\[ \ce{CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH3} \]

因此位次為 3，得到 3-甲基戊烷。

一個很容易犯的錯誤是把全部六個碳都數進去，然後試圖把母體稱為己烷。這是不行的，因為這六個碳無法沿著一條連續且不分叉的路徑依次追蹤。母鏈規則取決於原子之間的連接方式，而不是整個分子中碳原子的總數。

問題 2

為以下化合物命名：

\[ \ce{CH3-CH(CH3)-CH(CH2CH3)-CH2-CH3} \]

說明你如何知道那個看起來像乙基的部分不會形成更長的母鏈。

解答 2

正確名稱是 3-乙基-2-甲基戊烷。

首先找出最長的連續碳路徑。水平路徑含有五個碳。

接著測試穿過那個看起來像乙基支鏈的可能路徑。從它末端的 \(\ce{CH3}\) 開始，你可以依次經過它的 \(\ce{CH2}\)、連接支鏈的碳，再往原本碳鏈其中一端前進。這樣得到的最長路徑仍然只有五個碳。

所以母體仍然是戊烷。

使用水平的五碳母鏈時，取代基為：

• 第 2 號碳上的甲基
• 第 3 號碳上的乙基

若從另一端開始編號，位次會是 3 和 4，所以 \(2,3\) 較優先。

最後，取代基名稱按英文字母順序排列。Ethyl 排在 methyl 前面。

因此：

3-乙基-2-甲基戊烷

容易出錯的想法是：「如果我把乙基支鏈包括進去，碳鏈肯定會變長。」把支鏈納入的確可能使母鏈變長，但前提是形成的連續路徑真的含有更多碳原子。這裡並沒有。

問題 3

兩位學生寫出了以下縮合結構式。

學生 A：

\[ \ce{CH3-CH(CH3)-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3} \]

學生 B：

\[ \ce{CH3-CH2-CH2-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3} \]

它們是不同的結構異構物，還是同一個分子的兩種寫法？請給出正確的 IUPAC 名稱，並解釋編號的理由。

解答 3

它們是同一個分子，正確名稱是 2,3-二甲基己烷。

學生 B 只是從相反方向寫出同一條六碳母鏈。

按照學生 A 的方向，甲基取代基位於第 2 和第 3 號碳：

\[ 2,3 \]

如果從另一端為同一個分子編號，它們會位於第 4 和第 5 號碳：

\[ 4,5 \]

在第一個出現差異的位置比較兩組數字。由於 \(2<4\)，所以必須使用 \(2,3\) 的編號。

有兩個甲基取代基，因此使用前綴 di-。

所以完整名稱是 2,3-二甲基己烷。

容易產生的錯誤結論是：只要改變縮合結構式的書寫順序，物質就一定會改變。事實並非如此。碳鏈可以從任一端開始書寫。真正重要的是原子之間的連接方式。

一個實用的檢查方法，是想像把整個分子實際旋轉 \(180^\circ\)。沒有任何化學鍵斷裂，因此也沒有形成新的結構異構物。

問題 4

比較以下兩個化合物。

化合物 A：

\[ \ce{CH3-CH(CH3)-CH(CH2CH3)-CH2-CH3} \]

化合物 B：

\[ \ce{CH3-CH(CH2CH3)-CH(CH3)-CH2-CH3} \]

兩者唯一的差別，是看起來像乙基的部分分別連接在水平五碳列的第 3 或第 2 個碳上。

正確命名這兩個化合物。然後解釋，為什麼把看起來像乙基的部分移動一個碳的位置，會使其中一個化合物的母鏈名稱改變。

解答 4

化合物 A 是 3-乙基-2-甲基戊烷，而化合物 B 是 3,4-二甲基己烷。母鏈會改變，是因為化合物 B 存在一條六個碳的連續路徑，而化合物 A 沒有。

對化合物 A：

\[ \ce{CH3-CH(CH3)-CH(CH2CH3)-CH2-CH3} \]

水平路徑含有五個碳。

現在改為從乙基支鏈末端的碳開始。你能建立的最長路徑仍然只有五個碳原子。

所以使用五個碳的母鏈是有效的。

編號後，甲基位於第 2 號碳，乙基位於第 3 號碳，因此得到：

3-乙基-2-甲基戊烷

現在考慮化合物 B：

\[ \ce{CH3-CH(CH2CH3)-CH(CH3)-CH2-CH3} \]

如果你立刻接受水平的五碳列作為母鏈，可能會提出 2-乙基-3-甲基戊烷這個名稱。

但請從那個看起來像乙基的支鏈末端碳開始，依次經過它的第二個碳、支鏈連接點，再沿著水平碳鏈較長的一側前進。

你會得到一條六碳路徑：

\[ \ce{C-C-C-C-C-C} \]

所以戊烷不能作為母體。母體必須是己烷。

選定這條六碳鏈之後，留在母鏈之外的碳都是各含一個碳的基團。因此它們是兩個甲基取代基。

它們位於第 3 和第 4 號碳，因此得到：

3,4-二甲基己烷

容易產生的錯誤假設是：把一個支鏈移動一個位置，應該只會改變一個位次。但母鏈的選擇發生在位次產生之前。改變連接點可能會改變哪些連續路徑能夠形成，而這又可能改變母鏈本身。

因此，在命名成為「名稱問題」之前，它首先是一個「連接方式問題」。

問題 5

一位學生提出以下一般性說法：

「只要乙基真的連接在碳鏈的第 2 號碳上，一個開鏈烷烴的正確 IUPAC 名稱就可以包含 2-ethyl-。」

假設所提出的母鏈含有 \(n\) 個碳原子，其中 \(n\geq4\)，而一個乙基連接在第 2 號碳上。

不要依賴某個特定圖形，判斷當這條所提出的母鏈被假定為最長連續碳鏈時，2-ethyl- 是否可能出現在正確名稱中。請透過構造一條更長的碳路徑來說明你的答案。

接著運用你的推理，解釋為什麼即使還沒有算出正確名稱，也可以先判定 2-乙基-3-甲基戊烷這個名稱一定是錯的。

解答 5

不可以。對這類開鏈烷烴而言，如果第 2 號碳上有一個乙基取代基，就證明所提出的母鏈不是可能的最長碳鏈。因此，在這種情況下，以 2-ethyl- 開頭的名稱不能符合最長碳鏈規則。

假設所提出的母鏈含有 \(n\) 個碳：

\[ \ce{C1-C2-C3-\dots-C_n} \]

連接在第 2 號碳上的乙基另外含有兩個彼此相連的碳。把它們稱為 \(E_1\) 和 \(E_2\)，其中 \(E_1\) 直接與第 2 號碳相連：

\[ \ce{E2-E1-C2-C3-\dots-C_n} \]

現在忽略第 1 號碳，從 \(E_2\) 開始追蹤一條新的連續路徑。

這條路徑包含：

• 乙基中的兩個碳 \(E_2\) 和 \(E_1\)
• 第 2 號碳
• 從第 3 號碳一直到第 \(n\) 號碳的所有母鏈碳

原本所提出的母鏈含有 \(n\) 個碳。

新的路徑用看起來像乙基中的兩個碳取代了第 1 號碳。因此它總共含有：

\[ n+1 \]

個碳原子。

這比那條 supposedly 最長的母鏈多了一個碳。

這就產生矛盾。如果存在更長的碳鏈，原本那條含 \(n\) 個碳的碳鏈就不能作為母鏈。

現在考慮 2-乙基-3-甲基戊烷。

戊烷 這個詞表示最長碳鏈含有五個碳。但 2-乙基 告訴我們，一個兩碳支鏈連接在第 2 號碳上。

只要從那個假定乙基的末端開始，經過第 2 號碳並朝第 5 號碳的方向追蹤，就立刻會形成一條六個碳的連續路徑。

因此，甚至不需要檢查名稱的其餘部分，就能知道這個名稱不成立。

畫出結構後，也能確認正確的母體是己烷：

\[ \ce{CH3-CH(CH2CH3)-CH(CH3)-CH2-CH3} \]

使用六碳路徑後，留下兩個甲基，分別位於第 3 和第 4 號碳。

因此真正的名稱是 3,4-二甲基己烷。

原本看似合理的論點是：「乙基確實連接在第 2 號碳上，所以 2-ethyl 能準確描述這幅圖。」從局部來看，這個描述是正確的。但從整體命名規則來看，它並不成立，因為把那些碳當作乙基取代基，會捨棄一條可能更長的母鏈。

這個概念的用途遠不只限於甲基和乙基。在為任何支鏈命名之前，都要先問：這個看起來像支鏈的部分，有沒有一部分或全部其實應該納入一條更長的母鏈？一旦選擇母鏈成為你的直覺習慣，之後的有機化學命名就會容易得多，因為官能基、多重鍵和更複雜的取代基都建立在同一個習慣上：先正確確立母體，再分配位置。