酸、胺、醯胺与卤代化合物的 IUPAC 命名

学生看到 \(\ce{CH3CH(Cl)CH2COOH}\) 时说：「氯比较靠近左端，所以一定是 2-chloro…。」这听起来很合理。毕竟，有机化合物命名一直强调要使用较小的数字。

但这个化合物是 3-chlorobutanoic acid，不是 2-chlorobutanoic acid。羧酸基会强制从它的碳开始编号，即使这会让氯得到较大的位置号码。

这正是这些命名规则真正要解决的问题：当名称中有多个特征彼此竞争时，究竟哪一个具有决定权？

01控制名称的官能基

把一个有机化合物名称想像成一场稍微混乱的小组报告。其中一个官能基会拿到麦克风。这个官能基决定名称的字尾，而且通常也决定编号方式。其他所有特征都必须改以字首表示。

麦克风并不是交给在你的结构图中最靠近末端的官能基。IUPAC 使用固定的优先次序系统。

对本指南涉及的官能基而言，实用的优先次序是：

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

这只是 IUPAC 优先次序系统中与本文相关的部分，并不是完整的优先顺序。

在这些名称中，卤素不会成为字尾。氟、氯、溴和碘分别以 fluoro-、chloro-、bromo- 和 iodo- 作为字首。

不过，这个比喻也有其限度。官能基并不是真的在抢麦克风，这也不是在对它们的化学重要性进行排名。这只是一套命名惯例，让世界各地的化学家可以根据同一个名称辨认出同一个结构。

02四种应立即辨认出的结构模式

在开始担心名称之前，先训练自己辨认官能基。如果一开始就认错官能基，之后每一个命名步骤即使都执行得完全正确，最后仍然会得到错误答案。

**位置号码（locant）**就是用来指出某个基团连接在何处的数字。

因此，在 2-bromobutane 中，2 就是溴的位置号码。

03羧酸：\(\ce{-COOH}\) 中的碳也要计入

考虑：

\[ \ce{CH3CH2COOH} \]

母链中有多少个碳？

很容易只看到 \(\ce{CH3CH2}\) 而回答两个。但 \(\ce{-COOH}\) 里面的碳同样是碳链的一部分。总共有三个碳，所以这个化合物是 propanoic acid。

规则是：

1. 找出包含羧基碳的最长碳链。
2. 将羧基碳定为第 1 号碳。
3. 将烷烃字尾 -e 改成 -oic acid。

例如：

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

包含 \(\ce{-COOH}\) 碳的最长碳链有三个碳，因此母体是 propanoic acid。甲基支链位于第 2 号碳。

名称是 2-methylpropanoic acid。

请注意，你不会写成类似 propan-1-oic acid 的形式。羧酸基位于母链的末端，因此它的碳自动就是第 1 号碳。

当存在另一个官能基时

假设结构是：

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

先预测名称的字尾。它应该命名为胺，还是羧酸？

羧酸的命名优先次序较高，因此它保留字尾。\(\ce{-NH2}\) 基团则变成字首 amino-。

母链有四个碳，而 amino 基位于第 2 号碳，因此名称为 2-aminobutanoic acid。

这就是为什么只要看到 \(\ce{-NH2}\) 就立刻写上 -amine 是很危险的。字尾取决于结构中还存在什么其他官能基。

04胺：优先给含氮连接位置较小的号码

对于像下面这样的简单一级胺：

\[ \ce{CH3CH2CH2NH2} \]

三碳母体是 propane。\(\ce{-NH2}\) 基团连接在第 1 号碳，因此名称为 propan-1-amine。

再比较：

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

母体仍然是 propane，但 amino 基连接在第 2 号碳。名称是 propan-2-amine。

当胺是主官能基时，要选择包含与氮相连之碳的母链，然后进行编号，使胺得到尽可能小的位置号码。

这项优先权高于让甲基或卤素取得较小号码的考量。

例如：

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

从右边开始编号，胺位于第 2 号碳，而溴位于第 4 号碳。若从左边开始，胺则会位于第 3 号碳。

因此正确名称是 4-bromobutan-2-amine。

在这个编号决定中，胺具有优先权。

05醯胺：别漏掉羰基碳

醯胺含有以下基团：

\[ \ce{-CONH2} \]

学生有时看到氮，就把醯胺当成「一个胺连在酮上」。不要这样做。整个 \(\ce{-CONH2}\) 单元才是具有代表性的醯胺官能基。

考虑：

\[ \ce{CH3CH2CONH2} \]

羰基碳属于母链的一部分。从它开始计数，共有三个碳：

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

名称是 propanamide。

现在考虑：

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

母链有三个碳，而第 2 号碳上有一个甲基取代基。

名称是 2-methylpropanamide。

和羧酸一样，醯胺的羰基碳自动是第 1 号碳，所以在这些结构中，-amide 字尾不需要另外标示位置号码。

一个实用的延伸：连接在氮上的取代基

碳取代基也可以直接连接在醯胺的氮上。

例如：

\[ \ce{CH3CH2CONHCH3} \]

这个甲基并不是连在 propanamide 碳链的第 1、2 或 3 号碳上。它是连在氮上。

IUPAC 使用 \(N\) 而不是数字来表示这一点：

N-methylpropanamide

这个 \(N\) 的意思是「连接在氮上」。

当你要判断某个碳是否应纳入主碳链时，这点会变得很重要。我们会在最后一道练习题中再次讨论。

06卤代化合物：卤素的作用如同取代基

你需要知道的四个字首是：

对于

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

要从较靠近溴的一端开始编号。溴连接在第 2 号碳，因此名称是 2-bromobutane。

当有多个取代基时，在完整名称中要依英文字母顺序排列。

例如，一条 pentane 碳链在第 3 号碳上有溴、第 2 号碳上有甲基，其名称为：

3-bromo-2-methylpentane

按英文字母顺序，bromo 排在 methyl 前面。

但要小心：英文字母顺序通常是在完成碳链编号后，用来排列字首的。它通常不决定哪一端是第 1 号碳。

只有在一般编号规则真的造成平手时，才需要使用进一步的决胜规则。

如果你对选择母链和为支链编号的基本规则仍不熟悉，可以复习 HSC 化学：碳数不超过 C8 的有机化合物 IUPAC 命名法 和 HSC 化学：甲基与乙基支链的命名。

07在压力下也可靠的命名方法

当结构变得复杂时，不要试图从左到右直接「读出」它的名称。应该按照固定顺序一步步建立名称。

1. 找出每一个官能基

特别寻找 \(\ce{-COOH}\)、\(\ce{-CONH2}\)、\(\ce{-NH2}\) 和卤素。

在选择碳链之前先完成这一步。

2. 决定哪个官能基控制字尾

在本文涉及的官能基中：

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

例如，如果羧酸和胺同时存在，该化合物会按酸来命名，而 \(\ce{-NH2}\) 会变成 amino-。

3. 选择母链

选择包含主官能基的适当最长碳链。

对羧酸或醯胺而言，羰基碳必须包含在母链中。

4. 先按照主官能基进行编号

使用字尾的官能基优先于一般取代基。

不要从「视觉上最接近」支链的一端开始编号。

5. 标出字首的位置并依字母顺序排列

写出每个 methyl、ethyl、amino 或 halo 取代基的位置号码。

在最后的名称中，不同字首要按英文字母顺序排列。

6. 加上母体名称和字尾

检查标点符号：

• 逗号用来分隔数字，例如 2,3-dibromobutane；
• 连字号用来分隔数字和文字；
• 在 butanoic acid 这类名称中，两个单字之间要有空格。

08范例解析：命名一个有取代基的羧酸

写出 \(\ce{CH3CH(Cl)CH(CH3)CH2COOH}\) 的系统 IUPAC 名称。

步骤 1：找出控制名称的官能基。

分子含有 \(\ce{-COOH}\)，因此它是羧酸。这个官能基决定字尾为 -oic acid。

步骤 2：选择母链。

包含羧基碳的最长碳链有五个碳。

因此母体是 pentanoic acid。

步骤 3：从羧基碳开始编号。

按编号方向写出结构：

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

羧基碳是第 1 号碳。这使甲基位于第 3 号碳，而氯位于第 4 号碳。

步骤 4：排列字首。

按英文字母顺序，chloro 排在 methyl 前面。

完整名称是 4-chloro-3-methylpentanoic acid。

重要的不只是最后的名称。氯的位置号码是 4，即使从另一端开始编号看起来可以让它得到较小的数字。酸基控制编号方式，所以第 1 号碳的位置没有协商空间。

09范例解析：命名一个带卤素的支链胺

写出 \(\ce{CH3CH(Cl)CH(CH3)CH2NH2}\) 的系统 IUPAC 名称。

步骤 1：找出主官能基。

分子含有胺和一个氯取代基。胺提供字尾，而氯则成为 chloro-。

步骤 2：选择母链。

包含与 \(\ce{-NH2}\) 相连之碳的最长适当碳链有四个碳。

因此母体是 butane。

步骤 3：按胺的位置为碳链编号。

从 \(\ce{-NH2}\) 一端开始编号，得到：

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

胺位于第 1 号碳，甲基位于第 2 号碳，而氯位于第 3 号碳。

步骤 4：组成名称。

按英文字母顺序，chloro 排在 methyl 前面。

完整名称是 3-chloro-2-methylbutan-1-amine。

真正关键的决定发生在排列字母顺序之前：必须先让胺取得最低的位置号码。

10范例解析：区分碳取代基与 N-取代基

命名 \(\ce{CH3CH(Cl)CONHCH3}\)。

步骤 1：辨认醯胺。

\(\ce{-CONH-}\) 单元表示这是一个醯胺。羰基碳属于母链，而且是第 1 号碳。

步骤 2：命名碳母体。

包含羰基碳的母链有三个碳，所以母体是 propanamide。

氯连接在第 2 号碳上。

步骤 3：找出剩下甲基的位置。

最后一个 \(\ce{CH3}\) 直接与氮相连，而不是连在母链三个碳中的任何一个上。

因此它的位置标示为 \(N\)，得到 N-methyl。

步骤 4：组合字首与母体。

系统名称是 2-chloro-N-methylpropanamide。

如果把它称为 2-chloro-3-methylpropanamide，就会改变原子的连接方式。名称中的 \(N\) 具有真正的化学意义：它告诉你甲基究竟连接在哪个原子上。

11最容易让人犯错的命名想法

整体而言，常听到的「使用最低的数字」其实并不完整。更好的规则是：

把最低的号码给 IUPAC 规定具有优先权的特征。

一旦优先顺序清楚，这些数字就不再显得武断。

12问题与解答

问题 1

写出 \(\ce{CH3CH(Br)CH2CH3}\) 的系统 IUPAC 名称。

解答 1

这个化合物是 2-bromobutane。

最长碳链有四个碳，所以母体是 butane。溴视为字首 bromo-。

从较近的一端开始编号，溴位于第 2 号碳：

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

如果从另一端开始编号，溴的位置会是第 3 号碳，所以较小的有效位置号码是 2。

一个很容易犯的错误是写成 2-bromobut-ane，试图把母体的字尾另外拆开。对卤代烷而言，母体仍使用正常的烷烃名称：butane。

问题 2

写出 \(\ce{CH3CH(Cl)CH(CH3)CONH2}\) 的系统 IUPAC 名称。说明哪一个碳必须是第 1 号碳。

解答 2

这个化合物是 3-chloro-2-methylbutanamide，而醯胺的羰基碳必须是第 1 号碳。

从醯胺端开始重写碳链：

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

把羰基碳计入后，母体包含四个碳，所以是 butanamide。

各位置为：

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

字首按照英文字母顺序排列，因此 chloro- 位于 methyl- 前面，得到 3-chloro-2-methylbutanamide。

一个很诱人的做法是从左边开始编号，因为如此一来氯的位置号码会是 2。但这是错的，因为醯胺是主官能基。在考虑普通取代基的位置号码之前，它的羰基碳就已经固定为第 1 号碳。

问题 3

写出下列化合物的系统名称：

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

并解释为什么 amine 和 bromo 都不能成为名称的字尾。

解答 3

这个化合物是 2-amino-3-bromopentanoic acid。

羧酸是结构中优先次序最高的官能基，因此母体必须按照羧酸来命名。它的碳是第 1 号碳。

五碳母体是 pentanoic acid：

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

\(\ce{-NH2}\) 基团不能使用 -amine 作为字尾，因为羧酸已经取得字尾。因此它改为字首 amino-。

在本文涉及的命名中，溴一律以字首 bromo- 表示。

两个取代基分别位于第 2 和第 3 号碳。在完整名称中，amino- 按英文字母顺序排在 bromo- 前面，因此得到 2-amino-3-bromopentanoic acid。

一个看似合理但错误的答案是 3-bromo-2-aminopentanoic acid。它的位置号码描述的是相同位置，但系统命名中的字首顺序要求 amino 排在 bromo 前面。另一种错误做法是从烷基端开始编号，使溴成为第 3 号、amino 基成为第 4 号，并把酸基碳当成第 5 号。这忽略了决定性的限制：羧酸的碳必须是第 1 号碳。

问题 4

考虑这个没有支链的化合物：

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

无论从哪一端开始编号，胺都位于第 4 号碳，而两个卤素的位置号码集合都是 \(2,6\)。

判断其首选系统名称。然后判断 2-chloro-6-bromoheptan-4-amine 所表示的是另一个不同的结构异构化合物，还是相同的原子连接方式、只是采用了非首选的编号。

解答 4

首选系统名称是 2-bromo-6-chloroheptan-4-amine，而 2-chloro-6-bromoheptan-4-amine 对应的是相同的分子连接方式，而不是不同的结构异构化合物。

首先，母链含有七个碳，所以它是 heptane 的衍生物。无论从哪一端开始编号，胺都位于第 4 号碳：

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

现在比较两个方向。

从左边开始：

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

从右边开始：

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

通常使用的「最低位置号码集合」判断法无法区分两者。两个方向都会得到 \(2,4,6\)。

遇到这种真正的平手时，按英文字母顺序较先列出的取代基取得较小的位置号码。Bromo 排在 chloro 前面，因此溴取得第 2 号碳。首选名称因此是 2-bromo-6-chloroheptan-4-amine。

更深一层的陷阱，是以为把 2-bromo, 6-chloro 换成 2-chloro, 6-bromo，就一定表示另一个结构异构物。先把两者都画出来，再下结论。

把七碳链反向后，第 2 号碳会对应到第 6 号碳，而中央的第 4 号碳保持不变。因此结构

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

从另一端观察时，仍然具有相同的原子连接方式。这个特定母体骨架的两端可借由反转彼此对应。

改变的是编号描述，而不是哪些原子彼此相连。

学生可能会很有把握地说：「溴和氯交换了碳的位置，所以化合物改变了。」如果第 2 号碳和第 6 号碳是在一个不对称母体中具有固定且化学上不同的位置，那么这个说法会成立。然而在这里，这些位置标签取决于你把哪一端称为第 1 号碳。把整条碳链反向，就能把其中一种描述转换成另一种。

问题 5

从 propanamide 开始：

\[ \ce{CH3CH2CONH2} \]

想像用一个 methyl 基 \(\ce{-CH3}\) 取代一个氢原子，分别采用以下三种方式：

1. 将 methyl 基接到 propanamide 的第 2 号碳；
2. 将它接到 propanamide 末端的第 3 号碳；
3. 将它直接接到醯胺的氮上。

写出每一种产物的系统名称。判断三种产物是否为不同的结构异构物，并解释为什么 3-methylpropanamide 不是产物 2 的正确名称。

解答 5

三种产物分别是 2-methylpropanamide、butanamide 和 N-methylpropanamide，而且它们是三种不同的结构异构物，具有相同的分子式 \(\ce{C4H9NO}\)。

对产物 1 而言，在第 2 号碳加上一个 methyl 基会得到：

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

包含醯胺羰基碳的最长碳链仍然只有三个碳。新增的碳确实构成第 2 号碳上的一个支链。

因此名称是 2-methylpropanamide。

对产物 2 而言，很容易想沿用原本 propanamide 的编号，写成 3-methylpropanamide。这等于把原来的母链当成永久固定不变。

但当 methyl 基接到末端碳之后，最后的结构是：

\[ \ce{CH3CH2CH2CONH2} \]

现在存在一条包含醯胺羰基碳、连续相接的四碳链。IUPAC 命名必须根据最后完成的结构进行，因此较长的碳链会成为母链。

所以正确名称是 butanamide，而不是 3-methylpropanamide。

这正是本题的关键：位置号码描述的是最后选出的首选母体结构。它不是用来记录你先前在某个分子上把东西接到哪里的历史纪录。

对产物 3 而言，将 methyl 基直接接到氮上会得到：

\[ \ce{CH3CH2CONHCH3} \]

这个 methyl 碳不能并入碳母链，因为从该碳到羰基碳的路径会经过氮原子。母体碳链必须由彼此直接相连的碳原子组成。

因此三碳母体仍然是 propanamide，而连接在氮上的取代基使用 \(N\) 表示：

N-methylpropanamide。

这三种化合物都含有四个碳、九个氢、一个氮和一个氧，所以它们的分子式都是 \(\ce{C4H9NO}\)。然而，它们的原子连接方式不同：

• 2-methylpropanamide 具有支链碳骨架；
• butanamide 具有无支链的四碳骨架；
• N-methylpropanamide 有一个 methyl 碳直接与氮相连。

因此，它们是结构异构物。

一个很诱人的结论是：「把同一个 methyl 基加到三个不同位置，应该就只是得到三种 methylpropanamide。」打破这种推理的关键限制是母链的选择。其中一种改变会延长碳母链，而另一种则因为新碳与氮相连，使它位于该碳链之外。每一次都必须从头根据完成后的分子结构重新命名。

13这些规则接下来能让你做到什么

一旦你能辨认主官能基、选出正确母链，并按正确的优先顺序指定位置号码，有机化合物名称就不再只是标签。你可以从系统名称反推出唯一的结构式，也可以区分具有相同分子式、但原子连接方式不同的化合物。

当你接著学习结构异构物、反应途径以及有机反应产物的判读时，这项能力尤其有用。像 2-methylpropanamide、butanamide 或 N-methylpropanamide 这样的名称，在你还没画出任何一条键之前，就已经告诉你哪些原子必须彼此相连。