HSC 化学：甲基与乙基支链的命名

一个结构可以含有八个碳原子，但它的母链仍可能只有五个碳。另一个同样有八个碳、画法几乎相同的结构，却可能有六个碳的母链。支链命名最常出错的地方就在这里：学生还没判断哪一条碳链才真正算作母链，就开始替支链命名。

想像有一条在纸面上看起来是水平的碳链，旁边垂著一个乙基。你会不会直接把那两个碳的部分叫作乙基支链？不要。先问一个更重要的问题：你能沿著相连的碳原子追踪出的最长连续路径是什么？ 有时候，那个看起来像支链的部分，其实应该包含在母链里。

只要这一步判断正确，甲基与乙基的命名就会变得机械化得多。

01从碳的路径开始，而不是从支链开始

想像每个碳原子都是一个人，正和相邻的碳原子手牵著手。你的任务是找出能沿著这些人追踪出的最长队伍，而且不能跳到没有连接的人身上。

这条线在纸面上不必是直的。它可以转弯，穿过原本看起来像支链的部分。

这个比喻有一个限制：分子实际上并没有偏好的左、右、水平或垂直方向。结构式只是方便我们表示分子的图形。把分子在纸面上旋转，并不会产生另一个不同的分子。

因此，图中看起来像「主线」的部分，不一定就是母链。

对本指南所讨论的简单支链烷烃，请依照以下顺序：

1. 找出最长的连续碳链。
2. 为这条碳链命名。
3. 找出连接在母链上的碳基团。
4. 从能让取代基得到最低可能位次的一端开始为母链编号。
5. 把取代基名称和位次组合起来。

这个顺序很重要。支链位次很低，也不能补救选错母链的问题。

02甲基与乙基到底是什么

假设你已经选好了母链。任何连接在母链上、但没有包含在母链中的碳基团，都是一个取代基。

两种常见的取代基是：

因此，甲基是一个含一个碳的支链。乙基则是一个含两个碳的支链。

关键字眼是在母链选定之后。你不能看到有两个碳向旁边伸出去，就立刻判定它是乙基。如果把这两个碳包括进去能形成更长的连续碳链，那么它们就应该属于母链。

本指南中最常使用的母链名称如下：

如需更全面了解母链与 IUPAC 命名法，请参阅 HSC 化学：C8 以内有机化合物的 IUPAC 命名。

03位次告诉你支链在哪里

位次（locant）就是表示取代基在母链上位置的数字。

假设一个甲基从一端编号时位于第 2 号碳，而从另一端编号时则位于第 4 号碳。

应该从哪个方向编号？

第 2 号碳。我们要从能使取代基得到较低位次的一端开始编号。

因此

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

是 2-甲基戊烷，而不是 4-甲基戊烷。

碳骨架本身完全没有改变。改变的只有编号方向。

如果有多个取代基，就按顺序比较完整的位次组合。选择在两组数字第一次出现差异时具有较小数字的编号方向。

例如，如果两种可能分别是 \(2,3,5\) 和 \(2,4,5\)，就应选择 \(2,3,5\)。第一个位次都是 2，所以相同；下一个比较的是 3 和 4。

不要把位次总和当作一般规则。依序比较位次会更可靠，也符合你需要掌握的命名逻辑。

04最终名称如何组成

母链和位次确定后：

• 位次要直接写在相应的取代基名称之前
• 两个数字之间用逗号分隔
• 数字与文字之间用连字号分隔
• 化学名称内不要加入空格
• 如果同一种取代基出现两次，使用 di-；出现三次则使用 tri-
• 如果存在不同的取代基，要按英文字母顺序排列

对 methyl 和 ethyl 而言，按英文字母顺序，ethyl 排在 methyl 前面。

前缀 di- 和 tri- 不会影响英文字母排序。

因此，如果一个化合物在第 3 号碳有一个乙基，在第 2 和第 4 号碳各有一个甲基，名称应写成：

3-乙基-2,4-二甲基己烷

而不是：

2,4-二甲基-3-乙基己烷

数字是由编号规则决定的。之后，取代基名称的书写顺序则由英文字母顺序决定。

05从名称画结构时，步骤正好相反

如果题目给你的是名称而不是结构，不要试图一次把整个分子全部画出来。

要分层建立。

以 3-乙基-2-甲基戊烷为例：

1. 戊烷 告诉你要画一条五个碳的母链
2. 2-甲基 告诉你要在第 2 号碳连接 \(\ce{-CH3}\)
3. 3-乙基 告诉你要在第 3 号碳连接 \(\ce{-CH2CH3}\)
4. 加上足够的氢原子，使每个碳都有四个键

因此母链是：

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

为它编号：

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

然后在指定的位次接上取代基。

例题：画出 3-乙基-2-甲基戊烷

画出 3-乙基-2-甲基戊烷的缩合结构式，并检查题目所指定的母链是否有效。

步骤 1

戊烷 代表五个相连的碳原子：

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

步骤 2

在第 2 号碳接上一个碳。

这会形成一个 \(\ce{-CH3}\) 支链。

步骤 3

在第 3 号碳接上两个彼此相连的碳。

这个支链是 \(\ce{-CH2CH3}\)。

步骤 4

其缩合结构式为：

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

步骤 5

最明显的水平路径含有五个碳。如果改为穿过乙基支链，能不能形成一条六个碳的路径？

从乙基支链的末端开始，朝原本碳链的任一端前进，最多仍然只能得到五个碳。不存在六个碳的连续路径。

所以戊烷确实是一条有效的最长母链。

步骤 6

从所选的一端开始编号，取代基位于第 2 和第 3 号碳。若从另一端开始编号，它们会位于第 3 和第 4 号碳。

较低的一组是 \(2,3\)。

因此正确名称是 3-乙基-2-甲基戊烷。

注意一个看起来稍微奇怪的地方：在写出的名称中，位次 3 出现在位次 2 前面。这没有问题。因为取代基要按英文字母顺序排列，所以 ethyl 要写在 methyl 前面。

06最容易犯的错：把看得到的乙基直接当成支链

现在比较以下这个结构：

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

很容易把水平线看作戊烷，然后把这个分子命名为 2-乙基-3-甲基戊烷。

这似乎很合理。纸面上横著画了五个碳，而且有两个碳看起来从第 2 号碳垂下来。

但请从那个两碳部分的末端开始，沿著分子追踪：

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

这条路径含有六个碳。

因此，那条五碳链从一开始就不能作为母链。

改用六个碳的母链后，会剩下两个各含一个碳的支链。两者都是甲基，因此名称为：

3,4-二甲基己烷

令人意外的地方是，原本的「乙基」在正确名称中完全消失了。分子里并没有少掉任何东西。我们只是选择了一条更合适的母链。

这可以给你一个很有用的警讯：

如果一个乙基出现在你所提出的母链末端附近，要仔细检查这个乙基是否可以被纳入一条更长的碳链中。

07为什么选择母链要先于考虑低位次

假设其中一条可能的碳链有五个碳，而且会得到像 2 和 3 这样很低的位次。

另一条连续碳链有六个碳，但产生的位次是 3 和 4。

你仍然要选择六个碳的碳链。

优先次序是：

先选最长母链，再进行编号。

在你取得有效的母链之前，不应比较位次。

一个常见错误是选择能得到看起来最小数字的路径。这把逻辑颠倒了。位次是用来决定如何为母链编号，而不是用来决定较短的碳链能不能取代较长的碳链。

08考试中的精简方法

为含甲基或乙基支链的烷烃命名时，可以使用以下顺序。

1. 沿路径追踪，不要只盯著图看

实际用手指或铅笔沿著可能的碳路径追踪。

不要假设最长碳链一定是水平的。

2. 数母链中的碳

把碳数转换成相应的烷烃名称：戊烷、己烷、庚烷，以此类推。

3. 圈出母链之外的碳

一个碳的支链是甲基。

两个碳的支链是乙基。

如果原本看起来像乙基的支链已经成为母链的一部分，就要重新判断剩下的取代基是什么。

4. 从两端都试著编号

在正式决定之前，先写出两种可能的位次组合。

选择在第一个差异处数字较低的方向。

5. 按英文字母顺序写出取代基

Ethyl 排在 methyl 前面。

这一步是在编号决定之后才进行。

6. 检查标点符号

例如：

3-乙基-2,4-二甲基己烷

数字之间用逗号分隔。数字与文字之间用连字号分隔。不要留空格。

09问题与解答

问题 1

为以下化合物命名：

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

解答 1

正确名称是 3-甲基戊烷。

最长的连续碳链含有五个碳，因此母体是戊烷。

这条母链以外唯一的碳是一个 \(\ce{-CH3}\) 基团，所以取代基是甲基。

无论从哪一端开始编号，甲基都位于第 3 号碳：

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

因此位次为 3，得到 3-甲基戊烷。

一个很容易犯的错误是把全部六个碳都数进去，然后试图把母体称为己烷。这是不行的，因为这六个碳无法沿著一条连续且不分叉的路径依次追踪。母链规则取决于原子之间的连接方式，而不是整个分子中碳原子的总数。

问题 2

为以下化合物命名：

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

说明你如何知道那个看起来像乙基的部分不会形成更长的母链。

解答 2

正确名称是 3-乙基-2-甲基戊烷。

首先找出最长的连续碳路径。水平路径含有五个碳。

接著测试穿过那个看起来像乙基支链的可能路径。从它末端的 \(\ce{CH3}\) 开始，你可以依次经过它的 \(\ce{CH2}\)、连接支链的碳，再往原本碳链其中一端前进。这样得到的最长路径仍然只有五个碳。

所以母体仍然是戊烷。

使用水平的五碳母链时，取代基为：

• 第 2 号碳上的甲基
• 第 3 号碳上的乙基

若从另一端开始编号，位次会是 3 和 4，所以 \(2,3\) 较优先。

最后，取代基名称按英文字母顺序排列。Ethyl 排在 methyl 前面。

因此：

3-乙基-2-甲基戊烷

容易出错的想法是：「如果我把乙基支链包括进去，碳链肯定会变长。」把支链纳入的确可能使母链变长，但前提是形成的连续路径真的含有更多碳原子。这里并没有。

问题 3

两位学生写出了以下缩合结构式。

学生 A：

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

学生 B：

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

它们是不同的结构异构物，还是同一个分子的两种写法？请给出正确的 IUPAC 名称，并解释编号的理由。

解答 3

它们是同一个分子，正确名称是 2,3-二甲基己烷。

学生 B 只是从相反方向写出同一条六碳母链。

按照学生 A 的方向，甲基取代基位于第 2 和第 3 号碳：

\[ 2,3 \]

如果从另一端为同一个分子编号，它们会位于第 4 和第 5 号碳：

\[ 4,5 \]

在第一个出现差异的位置比较两组数字。由于 \(2<4\)，所以必须使用 \(2,3\) 的编号。

有两个甲基取代基，因此使用前缀 di-。

所以完整名称是 2,3-二甲基己烷。

容易产生的错误结论是：只要改变缩合结构式的书写顺序，物质就一定会改变。事实并非如此。碳链可以从任一端开始书写。真正重要的是原子之间的连接方式。

一个实用的检查方法，是想像把整个分子实际旋转 \(180^\circ\)。没有任何化学键断裂，因此也没有形成新的结构异构物。

问题 4

比较以下两个化合物。

化合物 A：

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

化合物 B：

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

两者唯一的差别，是看起来像乙基的部分分别连接在水平五碳列的第 3 或第 2 个碳上。

正确命名这两个化合物。然后解释，为什么把看起来像乙基的部分移动一个碳的位置，会使其中一个化合物的母链名称改变。

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。母链会改变，是因为化合物 B 存在一条六个碳的连续路径，而化合物 A 没有。

对化合物 A：

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

水平路径含有五个碳。

现在改为从乙基支链末端的碳开始。你能建立的最长路径仍然只有五个碳原子。

所以使用五个碳的母链是有效的。

编号后，甲基位于第 2 号碳，乙基位于第 3 号碳，因此得到：

3-乙基-2-甲基戊烷

现在考虑化合物 B：

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

如果你立刻接受水平的五碳列作为母链，可能会提出 2-乙基-3-甲基戊烷这个名称。

但请从那个看起来像乙基的支链末端碳开始，依次经过它的第二个碳、支链连接点，再沿著水平碳链较长的一侧前进。

你会得到一条六碳路径：

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

所以戊烷不能作为母体。母体必须是己烷。

选定这条六碳链之后，留在母链之外的碳都是各含一个碳的基团。因此它们是两个甲基取代基。

它们位于第 3 和第 4 号碳，因此得到：

3,4-二甲基己烷

容易产生的错误假设是：把一个支链移动一个位置，应该只会改变一个位次。但母链的选择发生在位次产生之前。改变连接点可能会改变哪些连续路径能够形成，而这又可能改变母链本身。

因此，在命名成为「名称问题」之前，它首先是一个「连接方式问题」。

问题 5

一位学生提出以下一般性说法：

「只要乙基真的连接在碳链的第 2 号碳上，一个开链烷烃的正确 IUPAC 名称就可以包含 2-ethyl-。」

假设所提出的母链含有 \(n\) 个碳原子，其中 \(n\geq4\)，而一个乙基连接在第 2 号碳上。

不要依赖某个特定图形，判断当这条所提出的母链被假定为最长连续碳链时，2-ethyl- 是否可能出现在正确名称中。请透过构造一条更长的碳路径来说明你的答案。

接著运用你的推理，解释为什么即使还没有算出正确名称，也可以先判定 2-乙基-3-甲基戊烷这个名称一定是错的。

解答 5

不可以。对这类开链烷烃而言，如果第 2 号碳上有一个乙基取代基，就证明所提出的母链不是可能的最长碳链。因此，在这种情况下，以 2-ethyl- 开头的名称不能符合最长碳链规则。

假设所提出的母链含有 \(n\) 个碳：

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

连接在第 2 号碳上的乙基另外含有两个彼此相连的碳。把它们称为 \(E_1\) 和 \(E_2\)，其中 \(E_1\) 直接与第 2 号碳相连：

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

现在忽略第 1 号碳，从 \(E_2\) 开始追踪一条新的连续路径。

这条路径包含：

• 乙基中的两个碳 \(E_2\) 和 \(E_1\)
• 第 2 号碳
• 从第 3 号碳一直到第 \(n\) 号碳的所有母链碳

原本所提出的母链含有 \(n\) 个碳。

新的路径用看起来像乙基中的两个碳取代了第 1 号碳。因此它总共含有：

\[ n+1 \]

个碳原子。

这比那条 supposedly 最长的母链多了一个碳。

这就产生矛盾。如果存在更长的碳链，原本那条含 \(n\) 个碳的碳链就不能作为母链。

现在考虑 2-乙基-3-甲基戊烷。

戊烷 这个词表示最长碳链含有五个碳。但 2-乙基 告诉我们，一个两碳支链连接在第 2 号碳上。

只要从那个假定乙基的末端开始，经过第 2 号碳并朝第 5 号碳的方向追踪，就立刻会形成一条六个碳的连续路径。

因此，甚至不需要检查名称的其余部分，就能知道这个名称不成立。

画出结构后，也能确认正确的母体是己烷：

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

使用六碳路径后，留下两个甲基，分别位于第 3 和第 4 号碳。

因此真正的名称是 3,4-二甲基己烷。

原本看似合理的论点是：「乙基确实连接在第 2 号碳上，所以 2-ethyl 能准确描述这幅图。」从局部来看，这个描述是正确的。但从整体命名规则来看，它并不成立，因为把那些碳当作乙基取代基，会舍弃一条可能更长的母链。

这个概念的用途远不只限于甲基和乙基。在为任何支链命名之前，都要先问：这个看起来像支链的部分，有没有一部分或全部其实应该纳入一条更长的母链？一旦选择母链成为你的直觉习惯，之后的有机化学命名就会容易得多，因为官能基、多重键和更复杂的取代基都建立在同一个习惯上：先正确确立母体，再分配位置。