酸、胺、醯胺與鹵代化合物的 IUPAC 命名

學生看到 \(\ce{CH3CH(Cl)CH2COOH}\) 時說：「氯比較靠近左端，所以一定是 2-chloro…。」這聽起來很合理。畢竟，有機化合物命名一直強調要使用較小的數字。

但這個化合物是 3-chlorobutanoic acid，不是 2-chlorobutanoic acid。羧酸基會強制從它的碳開始編號，即使這會讓氯得到較大的位置號碼。

這正是這些命名規則真正要解決的問題：當名稱中有多個特徵彼此競爭時，究竟哪一個具有決定權？

01控制名稱的官能基

把一個有機化合物名稱想像成一場稍微混亂的小組報告。其中一個官能基會拿到麥克風。這個官能基決定名稱的字尾，而且通常也決定編號方式。其他所有特徵都必須改以字首表示。

麥克風並不是交給在你的結構圖中最靠近末端的官能基。IUPAC 使用固定的優先次序系統。

對本指南涉及的官能基而言，實用的優先次序是：

\[ \text{羧酸} > \text{醯胺} > \text{胺} > \text{鹵素} \]

這只是 IUPAC 優先次序系統中與本文相關的部分，並不是完整的優先順序。

在這些名稱中，鹵素不會成為字尾。氟、氯、溴和碘分別以 fluoro-、chloro-、bromo- 和 iodo- 作為字首。

不過，這個比喻也有其限度。官能基並不是真的在搶麥克風，這也不是在對它們的化學重要性進行排名。這只是一套命名慣例，讓世界各地的化學家可以根據同一個名稱辨認出同一個結構。

02四種應立即辨認出的結構模式

在開始擔心名稱之前，先訓練自己辨認官能基。如果一開始就認錯官能基，之後每一個命名步驟即使都執行得完全正確，最後仍然會得到錯誤答案。

**位置號碼（locant）**就是用來指出某個基團連接在何處的數字。

因此，在 2-bromobutane 中，2 就是溴的位置號碼。

03羧酸：\(\ce{-COOH}\) 中的碳也要計入

考慮：

\[ \ce{CH3CH2COOH} \]

母鏈中有多少個碳？

很容易只看到 \(\ce{CH3CH2}\) 而回答兩個。但 \(\ce{-COOH}\) 裡面的碳同樣是碳鏈的一部分。總共有三個碳，所以這個化合物是 propanoic acid。

規則是：

1. 找出包含羧基碳的最長碳鏈。
2. 將羧基碳定為第 1 號碳。
3. 將烷烴字尾 -e 改成 -oic acid。

例如：

\[ \ce{CH3CH(CH3)COOH} \]

包含 \(\ce{-COOH}\) 碳的最長碳鏈有三個碳，因此母體是 propanoic acid。甲基支鏈位於第 2 號碳。

名稱是 2-methylpropanoic acid。

請注意，你不會寫成類似 propan-1-oic acid 的形式。羧酸基位於母鏈的末端，因此它的碳自動就是第 1 號碳。

當存在另一個官能基時

假設結構是：

\[ \ce{HOOC-CH(NH2)-CH2-CH3} \]

先預測名稱的字尾。它應該命名為胺，還是羧酸？

羧酸的命名優先次序較高，因此它保留字尾。\(\ce{-NH2}\) 基團則變成字首 amino-。

母鏈有四個碳，而 amino 基位於第 2 號碳，因此名稱為 2-aminobutanoic acid。

這就是為什麼只要看到 \(\ce{-NH2}\) 就立刻寫上 -amine 是很危險的。字尾取決於結構中還存在什麼其他官能基。

04胺：優先給含氮連接位置較小的號碼

對於像下面這樣的簡單一級胺：

\[ \ce{CH3CH2CH2NH2} \]

三碳母體是 propane。\(\ce{-NH2}\) 基團連接在第 1 號碳，因此名稱為 propan-1-amine。

再比較：

\[ \ce{CH3CH(NH2)CH3} \]

母體仍然是 propane，但 amino 基連接在第 2 號碳。名稱是 propan-2-amine。

當胺是主官能基時，要選擇包含與氮相連之碳的母鏈，然後進行編號，使胺得到盡可能小的位置號碼。

這項優先權高於讓甲基或鹵素取得較小號碼的考量。

例如：

\[ \ce{BrCH2CH2CH(NH2)CH3} \]

從右邊開始編號，胺位於第 2 號碳，而溴位於第 4 號碳。若從左邊開始，胺則會位於第 3 號碳。

因此正確名稱是 4-bromobutan-2-amine。

在這個編號決定中，胺具有優先權。

05醯胺：別漏掉羰基碳

醯胺含有以下基團：

\[ \ce{-CONH2} \]

學生有時看到氮，就把醯胺當成「一個胺連在酮上」。不要這樣做。整個 \(\ce{-CONH2}\) 單元才是具有代表性的醯胺官能基。

考慮：

\[ \ce{CH3CH2CONH2} \]

羰基碳屬於母鏈的一部分。從它開始計數，共有三個碳：

• 第 1 號碳：羰基碳，
• 第 2 號碳：\(\ce{CH2}\)，
• 第 3 號碳：\(\ce{CH3}\)。

名稱是 propanamide。

現在考慮：

\[ \ce{CH3CH(CH3)CONH2} \]

母鏈有三個碳，而第 2 號碳上有一個甲基取代基。

名稱是 2-methylpropanamide。

和羧酸一樣，醯胺的羰基碳自動是第 1 號碳，所以在這些結構中，-amide 字尾不需要另外標示位置號碼。

一個實用的延伸：連接在氮上的取代基

碳取代基也可以直接連接在醯胺的氮上。

例如：

\[ \ce{CH3CH2CONHCH3} \]

這個甲基並不是連在 propanamide 碳鏈的第 1、2 或 3 號碳上。它是連在氮上。

IUPAC 使用 \(N\) 而不是數字來表示這一點：

N-methylpropanamide

這個 \(N\) 的意思是「連接在氮上」。

當你要判斷某個碳是否應納入主碳鏈時，這點會變得很重要。我們會在最後一道練習題中再次討論。

06鹵代化合物：鹵素的作用如同取代基

你需要知道的四個字首是：

對於

\[ \ce{CH3CH(Br)CH2CH3} \]

要從較靠近溴的一端開始編號。溴連接在第 2 號碳，因此名稱是 2-bromobutane。

當有多個取代基時，在完整名稱中要依英文字母順序排列。

例如，一條 pentane 碳鏈在第 3 號碳上有溴、第 2 號碳上有甲基，其名稱為：

3-bromo-2-methylpentane

按英文字母順序，bromo 排在 methyl 前面。

但要小心：英文字母順序通常是在完成碳鏈編號後，用來排列字首的。它通常不決定哪一端是第 1 號碳。

只有在一般編號規則真的造成平手時，才需要使用進一步的決勝規則。

如果你對選擇母鏈和為支鏈編號的基本規則仍不熟悉，可以複習 HSC 化學：碳數不超過 C8 的有機化合物 IUPAC 命名法 和 HSC 化學：甲基與乙基支鏈的命名。

07在壓力下也可靠的命名方法

當結構變得複雜時，不要試圖從左到右直接「讀出」它的名稱。應該按照固定順序一步步建立名稱。

1. 找出每一個官能基

特別尋找 \(\ce{-COOH}\)、\(\ce{-CONH2}\)、\(\ce{-NH2}\) 和鹵素。

在選擇碳鏈之前先完成這一步。

2. 決定哪個官能基控制字尾

在本文涉及的官能基中：

\[ \text{羧酸} > \text{醯胺} > \text{胺} > \text{鹵素} \]

例如，如果羧酸和胺同時存在，該化合物會按酸來命名，而 \(\ce{-NH2}\) 會變成 amino-。

3. 選擇母鏈

選擇包含主官能基的適當最長碳鏈。

對羧酸或醯胺而言，羰基碳必須包含在母鏈中。

4. 先按照主官能基進行編號

使用字尾的官能基優先於一般取代基。

不要從「視覺上最接近」支鏈的一端開始編號。

5. 標出字首的位置並依字母順序排列

寫出每個 methyl、ethyl、amino 或 halo 取代基的位置號碼。

在最後的名稱中，不同字首要按英文字母順序排列。

6. 加上母體名稱和字尾

檢查標點符號：

• 逗號用來分隔數字，例如 2,3-dibromobutane；
• 連字號用來分隔數字和文字；
• 在 butanoic acid 這類名稱中，兩個單字之間要有空格。

08範例解析：命名一個有取代基的羧酸

寫出 \(\ce{CH3CH(Cl)CH(CH3)CH2COOH}\) 的系統 IUPAC 名稱。

步驟 1：找出控制名稱的官能基。

分子含有 \(\ce{-COOH}\)，因此它是羧酸。這個官能基決定字尾為 -oic acid。

步驟 2：選擇母鏈。

包含羧基碳的最長碳鏈有五個碳。

因此母體是 pentanoic acid。

步驟 3：從羧基碳開始編號。

按編號方向寫出結構：

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

羧基碳是第 1 號碳。這使甲基位於第 3 號碳，而氯位於第 4 號碳。

步驟 4：排列字首。

按英文字母順序，chloro 排在 methyl 前面。

完整名稱是 4-chloro-3-methylpentanoic acid。

重要的不只是最後的名稱。氯的位置號碼是 4，即使從另一端開始編號看起來可以讓它得到較小的數字。酸基控制編號方式，所以第 1 號碳的位置沒有協商空間。

09範例解析：命名一個帶鹵素的支鏈胺

寫出 \(\ce{CH3CH(Cl)CH(CH3)CH2NH2}\) 的系統 IUPAC 名稱。

步驟 1：找出主官能基。

分子含有胺和一個氯取代基。胺提供字尾，而氯則成為 chloro-。

步驟 2：選擇母鏈。

包含與 \(\ce{-NH2}\) 相連之碳的最長適當碳鏈有四個碳。

因此母體是 butane。

步驟 3：按胺的位置為碳鏈編號。

從 \(\ce{-NH2}\) 一端開始編號，得到：

\[ \ce{H2N-CH2-CH(CH3)-CH(Cl)-CH3} \]

胺位於第 1 號碳，甲基位於第 2 號碳，而氯位於第 3 號碳。

步驟 4：組成名稱。

按英文字母順序，chloro 排在 methyl 前面。

完整名稱是 3-chloro-2-methylbutan-1-amine。

真正關鍵的決定發生在排列字母順序之前：必須先讓胺取得最低的位置號碼。

10範例解析：區分碳取代基與 N-取代基

命名 \(\ce{CH3CH(Cl)CONHCH3}\)。

步驟 1：辨認醯胺。

\(\ce{-CONH-}\) 單元表示這是一個醯胺。羰基碳屬於母鏈，而且是第 1 號碳。

步驟 2：命名碳母體。

包含羰基碳的母鏈有三個碳，所以母體是 propanamide。

氯連接在第 2 號碳上。

步驟 3：找出剩下甲基的位置。

最後一個 \(\ce{CH3}\) 直接與氮相連，而不是連在母鏈三個碳中的任何一個上。

因此它的位置標示為 \(N\)，得到 N-methyl。

步驟 4：組合字首與母體。

系統名稱是 2-chloro-N-methylpropanamide。

如果把它稱為 2-chloro-3-methylpropanamide，就會改變原子的連接方式。名稱中的 \(N\) 具有真正的化學意義：它告訴你甲基究竟連接在哪個原子上。

11最容易讓人犯錯的命名想法

整體而言，常聽到的「使用最低的數字」其實並不完整。更好的規則是：

把最低的號碼給 IUPAC 規定具有優先權的特徵。

一旦優先順序清楚，這些數字就不再顯得武斷。

12問題與解答

問題 1

寫出 \(\ce{CH3CH(Br)CH2CH3}\) 的系統 IUPAC 名稱。

解答 1

這個化合物是 2-bromobutane。

最長碳鏈有四個碳，所以母體是 butane。溴視為字首 bromo-。

從較近的一端開始編號，溴位於第 2 號碳：

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

如果從另一端開始編號，溴的位置會是第 3 號碳，所以較小的有效位置號碼是 2。

一個很容易犯的錯誤是寫成 2-bromobut-ane，試圖把母體的字尾另外拆開。對鹵代烷而言，母體仍使用正常的烷烴名稱：butane。

問題 2

寫出 \(\ce{CH3CH(Cl)CH(CH3)CONH2}\) 的系統 IUPAC 名稱。說明哪一個碳必須是第 1 號碳。

解答 2

這個化合物是 3-chloro-2-methylbutanamide，而醯胺的羰基碳必須是第 1 號碳。

從醯胺端開始重寫碳鏈：

\[ \ce{H2NCO-CH(CH3)-CH(Cl)-CH3} \]

把羰基碳計入後，母體包含四個碳，所以是 butanamide。

各位置為：

• 第 1 號碳：醯胺的羰基碳，
• 第 2 號碳：methyl 取代基，
• 第 3 號碳：chloro 取代基，
• 第 4 號碳：末端的 \(\ce{CH3}\)。

字首按照英文字母順序排列，因此 chloro- 位於 methyl- 前面，得到 3-chloro-2-methylbutanamide。

一個很誘人的做法是從左邊開始編號，因為如此一來氯的位置號碼會是 2。但這是錯的，因為醯胺是主官能基。在考慮普通取代基的位置號碼之前，它的羰基碳就已經固定為第 1 號碳。

問題 3

寫出下列化合物的系統名稱：

\[ \ce{HOOC-CH(NH2)-CH(Br)-CH2-CH3} \]

並解釋為什麼 amine 和 bromo 都不能成為名稱的字尾。

解答 3

這個化合物是 2-amino-3-bromopentanoic acid。

羧酸是結構中優先次序最高的官能基，因此母體必須按照羧酸來命名。它的碳是第 1 號碳。

五碳母體是 pentanoic acid：

\[ \ce{HOOC^{(1)}-CH(NH2)^{(2)}-CH(Br)^{(3)}-CH2^{(4)}-CH3^{(5)}} \]

\(\ce{-NH2}\) 基團不能使用 -amine 作為字尾，因為羧酸已經取得字尾。因此它改為字首 amino-。

在本文涉及的命名中，溴一律以字首 bromo- 表示。

兩個取代基分別位於第 2 和第 3 號碳。在完整名稱中，amino- 按英文字母順序排在 bromo- 前面，因此得到 2-amino-3-bromopentanoic acid。

一個看似合理但錯誤的答案是 3-bromo-2-aminopentanoic acid。它的位置號碼描述的是相同位置，但系統命名中的字首順序要求 amino 排在 bromo 前面。另一種錯誤做法是從烷基端開始編號，使溴成為第 3 號、amino 基成為第 4 號，並把酸基碳當成第 5 號。這忽略了決定性的限制：羧酸的碳必須是第 1 號碳。

問題 4

考慮這個沒有支鏈的化合物：

\[ \ce{CH3-CH(Br)-CH2-CH(NH2)-CH2-CH(Cl)-CH3} \]

無論從哪一端開始編號，胺都位於第 4 號碳，而兩個鹵素的位置號碼集合都是 \(2,6\)。

判斷其首選系統名稱。然後判斷 2-chloro-6-bromoheptan-4-amine 所表示的是另一個不同的結構異構化合物，還是相同的原子連接方式、只是採用了非首選的編號。

解答 4

首選系統名稱是 2-bromo-6-chloroheptan-4-amine，而 2-chloro-6-bromoheptan-4-amine 對應的是相同的分子連接方式，而不是不同的結構異構化合物。

首先，母鏈含有七個碳，所以它是 heptane 的衍生物。無論從哪一端開始編號，胺都位於第 4 號碳：

\[ \text{heptan-4-amine} \]

現在比較兩個方向。

從左邊開始：

• bromo：第 2 號碳，
• amine：第 4 號碳，
• chloro：第 6 號碳。

從右邊開始：

• chloro：第 2 號碳，
• amine：第 4 號碳，
• bromo：第 6 號碳。

通常使用的「最低位置號碼集合」判斷法無法區分兩者。兩個方向都會得到 \(2,4,6\)。

遇到這種真正的平手時，按英文字母順序較先列出的取代基取得較小的位置號碼。Bromo 排在 chloro 前面，因此溴取得第 2 號碳。首選名稱因此是 2-bromo-6-chloroheptan-4-amine。

更深一層的陷阱，是以為把 2-bromo, 6-chloro 換成 2-chloro, 6-bromo，就一定表示另一個結構異構物。先把兩者都畫出來，再下結論。

把七碳鏈反向後，第 2 號碳會對應到第 6 號碳，而中央的第 4 號碳保持不變。因此結構

\[ \ce{CH3-CH(Br)-CH2-CH(NH2)-CH2-CH(Cl)-CH3} \]

從另一端觀察時，仍然具有相同的原子連接方式。這個特定母體骨架的兩端可藉由反轉彼此對應。

改變的是編號描述，而不是哪些原子彼此相連。

學生可能會很有把握地說：「溴和氯交換了碳的位置，所以化合物改變了。」如果第 2 號碳和第 6 號碳是在一個不對稱母體中具有固定且化學上不同的位置，那麼這個說法會成立。然而在這裡，這些位置標籤取決於你把哪一端稱為第 1 號碳。把整條碳鏈反向，就能把其中一種描述轉換成另一種。

問題 5

從 propanamide 開始：

\[ \ce{CH3CH2CONH2} \]

想像用一個 methyl 基 \(\ce{-CH3}\) 取代一個氫原子，分別採用以下三種方式：

1. 將 methyl 基接到 propanamide 的第 2 號碳；
2. 將它接到 propanamide 末端的第 3 號碳；
3. 將它直接接到醯胺的氮上。

寫出每一種產物的系統名稱。判斷三種產物是否為不同的結構異構物，並解釋為什麼 3-methylpropanamide 不是產物 2 的正確名稱。

解答 5

三種產物分別是 2-methylpropanamide、butanamide 和 N-methylpropanamide，而且它們是三種不同的結構異構物，具有相同的分子式 \(\ce{C4H9NO}\)。

對產物 1 而言，在第 2 號碳加上一個 methyl 基會得到：

\[ \ce{CH3CH(CH3)CONH2} \]

包含醯胺羰基碳的最長碳鏈仍然只有三個碳。新增的碳確實構成第 2 號碳上的一個支鏈。

因此名稱是 2-methylpropanamide。

對產物 2 而言，很容易想沿用原本 propanamide 的編號，寫成 3-methylpropanamide。這等於把原來的母鏈當成永久固定不變。

但當 methyl 基接到末端碳之後，最後的結構是：

\[ \ce{CH3CH2CH2CONH2} \]

現在存在一條包含醯胺羰基碳、連續相接的四碳鏈。IUPAC 命名必須根據最後完成的結構進行，因此較長的碳鏈會成為母鏈。

所以正確名稱是 butanamide，而不是 3-methylpropanamide。

這正是本題的關鍵：位置號碼描述的是最後選出的首選母體結構。它不是用來記錄你先前在某個分子上把東西接到哪裡的歷史紀錄。

對產物 3 而言，將 methyl 基直接接到氮上會得到：

\[ \ce{CH3CH2CONHCH3} \]

這個 methyl 碳不能併入碳母鏈，因為從該碳到羰基碳的路徑會經過氮原子。母體碳鏈必須由彼此直接相連的碳原子組成。

因此三碳母體仍然是 propanamide，而連接在氮上的取代基使用 \(N\) 表示：

N-methylpropanamide。

這三種化合物都含有四個碳、九個氫、一個氮和一個氧，所以它們的分子式都是 \(\ce{C4H9NO}\)。然而，它們的原子連接方式不同：

• 2-methylpropanamide 具有支鏈碳骨架；
• butanamide 具有無支鏈的四碳骨架；
• N-methylpropanamide 有一個 methyl 碳直接與氮相連。

因此，它們是結構異構物。

一個很誘人的結論是：「把同一個 methyl 基加到三個不同位置，應該就只是得到三種 methylpropanamide。」打破這種推理的關鍵限制是母鏈的選擇。其中一種改變會延長碳母鏈，而另一種則因為新碳與氮相連，使它位於該碳鏈之外。每一次都必須從頭根據完成後的分子結構重新命名。

13這些規則接下來能讓你做到什麼

一旦你能辨認主官能基、選出正確母鏈，並按正確的優先順序指定位置號碼，有機化合物名稱就不再只是標籤。你可以從系統名稱反推出唯一的結構式，也可以區分具有相同分子式、但原子連接方式不同的化合物。

當你接著學習結構異構物、反應途徑以及有機反應產物的判讀時，這項能力尤其有用。像 2-methylpropanamide、butanamide 或 N-methylpropanamide 這樣的名稱，在你還沒畫出任何一條鍵之前，就已經告訴你哪些原子必須彼此相連。