Danh pháp IUPAC của ancol, anđehit và xeton đến C8

Xét phân tử \(\ce{CH3CH(CH3)CH2CH(OH)CH3}\). Một học sinh đánh số từ bên trái và thu được 2-methylpentan-4-ol. Một học sinh khác đánh số từ bên phải và thu được 4-methylpentan-2-ol. Cả hai đều sử dụng cùng một mạch năm cacbon. Cả hai đều xác định được cùng một nhánh. Vậy tại sao chỉ có một tên là đúng?

Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán đặc điểm nào được ưu tiên nhận số nhỏ hơn: nhánh methyl hay nhóm \(\ce{-OH}\).

Đó là nhóm \(\ce{-OH}\). Tên đúng là 4-methylpentan-2-ol. Khi xuất hiện một nhóm chức quan trọng, việc đánh số không còn đơn giản là tìm số nhỏ nhất cho nhánh.

Ý tưởng này là chìa khóa để gọi tên ancol, anđehit và xeton một cách đáng tin cậy.

01Nhiệm vụ cơ bản của tên IUPAC

Tên IUPAC là một tập hợp các chỉ dẫn cho phép tái dựng cấu trúc của một phân tử.

Đối với các hợp chất chứa oxy trong hướng dẫn này, bạn cần truyền đạt ba thông tin chính:

• mạch mẹ có bao nhiêu nguyên tử cacbon,
• nhóm chức quan trọng nào có mặt, và
• nhóm chức đó, cùng với các nhánh, nằm ở đâu.

Ví dụ, nếu tên là 4-methylpentan-2-ol:

• pent cho biết mạch mẹ chứa năm nguyên tử cacbon,
• 2-ol cho biết một nhóm \(\ce{-OH}\) gắn với cacbon số 2, và
• 4-methyl cho biết một nhánh methyl gắn với cacbon số 4.

Nếu việc gọi tên mạch cacbon vẫn chưa vững, trước tiên hãy ôn lại quy trình gọi tên IUPAC tổng quát cho các hợp chất hữu cơ đến C8.

02Nhận biết ba nhóm chức chứa oxy

Ancol, anđehit và xeton đều chứa oxy, nhưng nguyên tử oxy được liên kết theo những cách khác nhau.

Một nhóm carbonyl là một nguyên tử cacbon liên kết đôi với oxy, \(\ce{C=O}\).

Vì vậy, điểm khác biệt quan trọng giữa anđehit và xeton không phải là chúng có chứa nhóm carbonyl hay không. Cả hai đều có. Điểm khác biệt là nhóm carbonyl đó nằm ở đâu.

Trong anđehit, cacbon carbonyl nằm ở đầu mạch và liên kết với một nguyên tử hiđro.

Trong xeton, cacbon carbonyl nằm giữa hai nguyên tử cacbon.

03Trước tiên, xác định đúng gốc chỉ số cacbon

Đối với các hợp chất có tối đa tám nguyên tử cacbon, bạn cần ghi nhớ thành thạo các gốc sau.

Tuy nhiên, cần bổ sung một điểm quan trọng cho chỉ dẫn quen thuộc: “tìm mạch dài nhất”.

Bạn cần tìm mạch thích hợp dài nhất có chứa nhóm chức chính.

Nếu bạn chọn được một mạch tám cacbon rất đẹp nhưng lại để nhóm quyết định hậu tố nằm ngoài mạch đó, thì bạn đã chọn sai mạch mẹ.

Hãy hình dung nhóm chức chính như một người nhất quyết phải có mặt trong ảnh chụp nhóm. Việc bạn tìm thấy một nhóm người đông hơn một chút ở nơi khác không quan trọng. Nếu người quan trọng không có trong ảnh thì đó không phải bức ảnh bạn được yêu cầu chụp.

Phép so sánh chỉ dừng ở đó: các phân tử không hề lo lắng về vị trí xã hội của mình. Quy tắc chính xác là cấu trúc mẹ phải chứa nhóm chức được biểu diễn bằng hậu tố.

04Gọi tên ancol

Ancol chứa nhóm hydroxyl, \(\ce{-OH}\).

Xét:

\[ \ce{CH3CH2CH(OH)CH2CH3} \]

Có năm nguyên tử cacbon trong mạch mẹ, nên gốc là pent-.

Nhóm \(\ce{-OH}\) nằm ở cacbon số 3 bất kể bạn bắt đầu đánh số từ đầu nào. Tên là:

pentan-3-ol

Bây giờ xét:

\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH2CH3} \]

Nếu đánh số từ bên trái, nhóm hydroxyl nằm ở cacbon số 2.

Nếu đánh số từ bên phải, nó nằm ở cacbon số 4.

Nên chọn hướng nào? Cacbon số 2, vì nhóm hydroxyl quyết định cách đánh số trước một nhánh alkyl thông thường.

Tên là pentan-2-ol.

Phương pháp gọi tên ancol

Đối với một ancol đơn giản:

1. Tìm mạch cacbon dài nhất có chứa nguyên tử cacbon liên kết với \(\ce{-OH}\).
2. Đánh số mạch từ đầu sao cho nhóm \(\ce{-OH}\) nhận chỉ số vị trí nhỏ nhất có thể.
3. Gọi tên và xác định vị trí của mọi nhánh.
4. Thay phần kết thúc của alkane bằng -ol, kèm theo chỉ số vị trí của nhóm hydroxyl.

Vì vậy, một mạch mẹ sáu cacbon có \(\ce{-OH}\) ở cacbon số 2 trở thành hexan-2-ol.

Số 2 là một chỉ số vị trí (locant): một con số xác định vị trí trong cấu trúc.

Ví dụ có lời giải: Gọi tên một ancol phân nhánh

Gọi tên \(\ce{CH3CH(CH3)CH2CH(OH)CH3}\).

Bước 1

Mạch thích hợp dài nhất chứa năm nguyên tử cacbon, nên mạch mẹ được xây dựng từ pentane.

Bước 2

Đánh số từ bên phải đặt \(\ce{-OH}\) ở cacbon số 2. Đánh số từ bên trái sẽ đặt nó ở cacbon số 4.

Nhóm hydroxyl phải nhận số nhỏ hơn.

Bước 3

Với cách đánh số đúng, nhánh methyl nằm ở cacbon số 4.

Bước 4

Tên là 4-methylpentan-2-ol.

Tên dễ gây nhầm 2-methylpentan-4-ol cho nhánh một số vị trí đẹp hơn, nhưng lại làm mất chỉ số vị trí nhỏ hơn của hydroxyl. Điều đó đảo ngược thứ tự ưu tiên thực sự.

Nếu các nhánh methyl và ethyl đang gây khó khăn, hướng dẫn gọi tên các mạch phân nhánh methyl và ethyl trình bày riêng phần này.

05Gọi tên xeton

Xeton chứa một nhóm carbonyl nằm bên trong mạch.

Ví dụ:

\[ \ce{CH3COCH2CH3} \]

Mạch mẹ chứa bốn nguyên tử cacbon, và cacbon carbonyl là cacbon số 2.

Tên là butan-2-one.

Không thể có butan-1-one dưới dạng xeton. Nếu cacbon carbonyl nằm ở đầu mạch và liên kết với một nguyên tử hiđro, hợp chất đó sẽ thuộc họ anđehit.

Đối với xeton, quy trình tương tự như cách gọi tên ancol:

1. Tìm mạch dài nhất có chứa cacbon carbonyl.
2. Đánh số sao cho cacbon carbonyl nhận chỉ số vị trí nhỏ nhất có thể.
3. Xác định vị trí và gọi tên các nhánh.
4. Dùng hậu tố -one.

06Gọi tên anđehit

Anđehit có một đặc điểm hữu ích giúp việc đánh số dễ dàng hơn.

Nhóm \(\ce{-CHO}\) của chúng nằm ở đầu mạch mẹ.

Xét:

\[ \ce{CH3CH2CH2CHO} \]

Hãy đếm cẩn thận. Có bốn nguyên tử cacbon, không phải ba.

Nguyên tử cacbon trong \(\ce{-CHO}\) là một phần của mạch mẹ.

Cacbon này tự động là cacbon số 1, vì vậy hợp chất là butanal.

Thông thường bạn không viết butan-1-al. Cacbon anđehit ở đầu một mạch hở không thể nằm ở vị trí khác, vì vậy chỉ số vị trí đó không cung cấp thêm thông tin hữu ích.

Đây là một chỗ rất dễ đếm thiếu một cacbon. Một học sinh nhìn thấy \(\ce{CH3CH2CH2}\), nói “ba cacbon”, rồi xem \(\ce{CHO}\) như một nhóm được gắn thêm vào sau đó. Không phải vậy. Cacbon của anđehit phải được tính.

07Độ ưu tiên của nhóm chức: nếu có nhiều hơn một nhóm thì sao?

Bây giờ đến phần thú vị.

Giả sử một phân tử chứa cả nhóm \(\ce{-OH}\) và nhóm carbonyl của xeton. Nhóm nào sẽ nhận hậu tố?

Bạn không thể tùy ý tạo ra một tên như pentanolone rồi hy vọng mọi người hiểu chuyện gì đã xảy ra.

Một nhóm chức được chọn làm nhóm chức chính. Nhóm này quyết định hậu tố và được ưu tiên khi đánh số mạch.

Đối với ba nhóm trong hướng dẫn này, thứ tự ưu tiên là:

\[ \text{anđehit} > \text{xeton} > \text{ancol} \]

Thứ tự ưu tiên này là một quy tắc gọi tên. Nó không có nghĩa anđehit là “hóa chất quan trọng hơn”, phản ứng mạnh hơn trong mọi phản ứng, hay bằng cách nào đó tốt hơn ancol. Nó cho biết nhóm chức nào kiểm soát tên hệ thống khi các nhóm này cạnh tranh với nhau.

Vì vậy, một ancol thua trong việc cạnh tranh hậu tố không biến mất. Nhóm \(\ce{-OH}\) của nó được mô tả bằng tiền tố hydroxy-.

Tương tự, một nhóm carbonyl của xeton có độ ưu tiên thấp hơn anđehit được mô tả bằng oxo-.

Dự đoán cách đánh số

Xét:

\[ \ce{CH3COCH2CH2OH} \]

Từ bên trái, carbonyl của xeton nằm ở cacbon số 2 và nhóm hydroxyl nằm ở cacbon số 4.

Từ bên phải, nhóm hydroxyl nằm ở cacbon số 1 và carbonyl của xeton nằm ở cacbon số 3.

Ta nên chọn cách đánh số nào?

Việc bắt đầu cạnh nhóm \(\ce{-OH}\) có vẻ hấp dẫn vì số 1 trông rất nhỏ. Nhưng xeton có độ ưu tiên cao hơn ancol.

Do đó, xeton nhận hậu tố và chỉ số vị trí nhỏ hơn.

Hợp chất là 4-hydroxybutan-2-one.

Đây là lý do tại sao “bắt đầu từ đầu mạch tạo ra các con số trông nhỏ nhất” không phải là một phương pháp gọi tên an toàn. Bạn cần biết đặc điểm nào có quyền ưu tiên nhận các số đó.

08Một thứ tự quyết định đáng tin cậy

Khi ancol, anđehit, xeton và các nhánh xuất hiện cùng nhau, hãy sử dụng trình tự sau.

1. Xác định mọi nhóm chức

Đặc biệt tìm:

• \(\ce{-CHO}\): anđehit,
• \(\ce{C=O}\) ở bên trong mạch: xeton,
• \(\ce{-OH}\): ancol.

Hãy làm việc này trước khi đánh số bất cứ thứ gì.

2. Chọn nhóm chức chính

Trong ba nhóm ở đây:

\[ \text{anđehit} > \text{xeton} > \text{ancol} \]

Nhóm có độ ưu tiên cao nhất cung cấp hậu tố.

3. Chọn một mạch mẹ hợp lệ

Mạch mẹ phải chứa nhóm chức chính.

Sau đó chọn mạch thích hợp dài nhất.

Đừng tự động chọn đường đi cacbon dài nhất ở bất kỳ đâu trong phân tử trước khi kiểm tra nhóm chức.

4. Đánh số theo nhóm chính

Cho nhóm chức chính chỉ số vị trí nhỏ nhất được phép.

Đối với anđehit mạch hở, cacbon của nó tự động là cacbon số 1.

Chỉ sau đó các nhánh và nhóm có độ ưu tiên thấp hơn mới nhận số vị trí.

5. Chuyển các nhóm có độ ưu tiên thấp hơn thành tiền tố

Đối với các tổ hợp được xét ở đây:

• \(\ce{-OH}\) trở thành hydroxy-,
• một carbonyl có độ ưu tiên thấp hơn trở thành oxo-.

6. Thêm các nhánh và ghép tên

Các tiền tố được sắp xếp theo thứ tự bảng chữ cái trong tên cuối cùng. Các chỉ số vị trí bằng số không ảnh hưởng đến thứ tự bảng chữ cái.

Ví dụ, hydroxy đứng trước methyl.

10Những lỗi dễ mắc nhất

Lỗi 1: Cho nhánh số nhỏ nhất

Giả sử một cách đánh số cho:

• hydroxyl ở cacbon số 2,
• methyl ở cacbon số 5.

Cách còn lại cho:

• hydroxyl ở cacbon số 5,
• methyl ở cacbon số 2.

Đối với ancol, hãy chọn hướng thứ nhất. Nhóm \(\ce{-OH}\) chính được ưu tiên trước nhánh.

Lỗi 2: Quên rằng cacbon anđehit cũng được tính

Trong \(\ce{CH3CH2CHO}\), có ba nguyên tử cacbon.

Hợp chất là propanal, không phải ethanal.

Lỗi 3: Gọi mọi hợp chất có \(\ce{C=O}\) là xeton

Một carbonyl ở đầu mạch dưới dạng \(\ce{-CHO}\) xác định một anđehit.

Carbonyl của xeton nằm bên trong khung cacbon, giữa các nhóm cacbon.

Lỗi 4: Chọn mạch mẹ trước khi tìm nhóm chức

“Mạch dài nhất” là một lời khuyên chưa đầy đủ.

Một quy tắc hữu ích là:

Trước tiên hãy tìm nhóm chức chính, sau đó tìm mạch mẹ thích hợp dài nhất có chứa nhóm đó.

Lỗi 5: Cho rằng số nhỏ nhất ở bất kỳ đâu cũng quyết định cách đánh số

Không phải vậy.

Một đặc điểm có độ ưu tiên thấp hơn không thể chiếm một số nhỏ từ một nhóm chức có độ ưu tiên cao hơn.

Một nhóm hydroxy ở cacbon số 1 không được ưu tiên hơn một xeton mà nếu đánh số theo hướng đó sẽ chuyển từ cacbon số 2 sang cacbon số 3.

11Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Cho tên IUPAC của:

\[ \ce{CH3CH2CH(OH)CH2CH3} \]

Lời giải 1

Hợp chất là pentan-3-ol.

Mạch dài nhất có chứa nguyên tử cacbon liên kết với \(\ce{-OH}\) có năm nguyên tử cacbon, tạo gốc pent-.

Nhóm hydroxyl nằm ở cacbon số 3:

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

Đánh số từ đầu nào cũng cho cùng một chỉ số vị trí là 3.

Vì nhóm chức chính là ancol, hậu tố là -ol, tạo thành pentan-3-ol.

Một lỗi dễ mắc là chỉ đếm đến khi gặp nhóm \(\ce{-OH}\). Phải đếm toàn bộ mạch mẹ liên tục.

Câu hỏi 2

Cho tên IUPAC của:

\[ \ce{CH3CH2COCH(CH3)CH2CH3} \]

Giải thích vì sao đánh số từ đầu ngược lại là không đúng.

Lời giải 2

Hợp chất là 4-methylhexan-3-one.

Mạch dài nhất chứa cacbon carbonyl có sáu nguyên tử cacbon, vì vậy mạch mẹ là một hexanone.

Đánh số từ bên trái cho:

• carbonyl của xeton ở cacbon số 3,
• nhánh methyl ở cacbon số 4.

Đánh số từ bên phải cho:

• carbonyl của xeton ở cacbon số 4,
• nhánh methyl ở cacbon số 3.

Carbonyl của xeton quyết định cách đánh số trước nhánh methyl. Do đó:

\[ \text{chỉ số vị trí carbonyl }3 < 4 \]

và tên đúng là 4-methylhexan-3-one.

Phương án dễ gây nhầm, 3-methylhexan-4-one, cho nhánh số nhỏ hơn nhưng lại cho nhóm chức chính số lớn hơn. Đó chính là lý do tên này không đúng.

Câu hỏi 3

Một học sinh gọi hợp chất

\[ \ce{CH3CH2CH(CH3)CH2CHO} \]

là 3-methylbutanal vì chỉ đếm bốn nguyên tử cacbon đứng trước nhóm \(\ce{-CHO}\).

Hãy xác định tên đúng và giải thích lỗi.

Lời giải 3

Tên đúng là 3-methylpentanal.

Cacbon anđehit trong \(\ce{-CHO}\) thuộc mạch mẹ. Đếm từ cacbon này cho:

• cacbon số 1: \(\ce{CHO}\),
• cacbon số 2: \(\ce{CH2}\),
• cacbon số 3: \(\ce{CH(CH3)}\),
• cacbon số 4: \(\ce{CH2}\),
• cacbon số 5: \(\ce{CH3}\).

Do đó, mạch mẹ chứa năm nguyên tử cacbon:

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

nên tên anđehit của nó là pentanal.

Nhóm thế methyl nằm ở cacbon số 3, tạo thành 3-methylpentanal.

Lỗi dễ mắc xuất phát từ việc nhìn \(\ce{CHO}\) như thể đó là một nhóm riêng được gắn vào. Về mặt hóa học, cacbon của nó là một phần của khung cacbon và phải được tính.

Câu hỏi 4

Xét:

\[ \ce{CH3CH(OH)CH2COCH(CH3)CH2CH3} \]

Cacbon carbonyl nằm ở cacbon số 4 bất kể chọn đầu nào của mạch bảy cacbon để đánh số.

Một hướng đánh số cho nhóm hydroxyl ở cacbon số 2 và nhóm methyl ở cacbon số 5. Hướng còn lại cho nhóm methyl ở cacbon số 3 và nhóm hydroxyl ở cacbon số 6.

Hãy xác định tên IUPAC đúng và giải thích cách chọn hướng đánh số.

Lời giải 4

Tên đúng là 2-hydroxy-5-methylheptan-4-one.

Trước tiên, phân tử chứa cả ancol và xeton. Xeton có độ ưu tiên cao hơn trong cách gọi tên, nên nó nhận hậu tố -one. Nhóm \(\ce{-OH}\) trở thành tiền tố hydroxy-.

Mạch mẹ có bảy nguyên tử cacbon, và carbonyl của xeton nằm ở cacbon số 4 theo cả hai hướng:

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

Do đó, nhóm chức chính không thể phá thế hòa trong việc đánh số.

Bây giờ ta so sánh chỉ số vị trí của các tiền tố còn lại.

Một hướng cho các chỉ số vị trí 2 và 5:

• 2-hydroxy,
• 5-methyl.

Hướng ngược lại cho các chỉ số vị trí 3 và 6:

• 3-methyl,
• 6-hydroxy.

Tại điểm khác biệt đầu tiên, \(2 < 3\), vì vậy hướng đánh số thứ nhất được ưu tiên.

Cuối cùng, các tiền tố được viết theo thứ tự bảng chữ cái: hydroxy trước methyl.

Kết quả là 2-hydroxy-5-methylheptan-4-one.

Cách làm dễ mắc sai lầm là tập trung vào nhánh methyl vì vị trí của xeton đang hòa nhau. Nhưng khi chỉ số vị trí của nhóm chức chính bằng nhau, phải so sánh các chỉ số vị trí còn lại một cách có hệ thống; không thể đơn giản chọn số của một nhánh riêng lẻ chỉ vì nó trông thuận mắt hơn.

Câu hỏi 5

Một phân tử có cách liên kết như sau:

\[ \ce{OHC-C(OH)(CH2CH3)-CH2-C(=O)-CH3} \]

Một học sinh nhận thấy có thể lần theo một đường liên tục sáu cacbon từ đầu nhóm ethyl, đi qua cacbon trung tâm rồi sang phía chứa xeton của phân tử. Vì vậy, học sinh đó đề xuất dùng một xeton sáu cacbon làm mạch mẹ.

Hãy xác định tên IUPAC đúng. Giải thích vì sao đường sáu cacbon có vẻ dài hơn này không phải là mạch mẹ.

Lời giải 5

Tên đúng là 2-ethyl-2-hydroxy-4-oxopentanal.

Điểm then chốt là phân tử chứa một anđehit, một xeton và một ancol. Thứ tự ưu tiên khi gọi tên là:

\[ \text{anđehit} > \text{xeton} > \text{ancol} \]

Do đó, anđehit phải cung cấp hậu tố.

Điều này ngay lập tức đặt ra điều kiện cho mạch mẹ: mạch đó phải chứa cacbon anđehit.

Bắt đầu từ cacbon anđehit và đi theo đường dài nhất có thể qua phía chứa xeton cho mạch mẹ năm cacbon:

\[ \ce{CHO-C-CH2-CO-CH3} \]

Vì vậy, mạch mẹ là pentanal, với cacbon anđehit được cố định là cacbon số 1.

Sau đó xác định vị trí của các đặc điểm còn lại:

• cacbon số 2 có một nhóm thế ethyl,
• cacbon số 2 có một nhóm \(\ce{-OH}\), trở thành 2-hydroxy,
• cacbon số 4 chứa carbonyl xeton có độ ưu tiên thấp hơn, trở thành 4-oxo.

Sắp xếp các tiền tố theo thứ tự bảng chữ cái cho:

2-ethyl-2-hydroxy-4-oxopentanal

Đường sáu cacbon đó thực sự tồn tại, nhưng nó loại bỏ cacbon anđehit. Vì vậy, nó không phù hợp để làm mạch mẹ của một phân tử mà nhóm chức có độ ưu tiên cao nhất là anđehit.

Đây chính là cái bẫy trong mẹo “luôn chọn mạch dài nhất”. Độ dài mạch chỉ được xét sau khi các yêu cầu của nhóm chức chính đã được thỏa mãn.

Khi hệ thống ưu tiên này đã vững, việc gọi tên các phân tử hữu cơ phức tạp hơn sẽ bớt giống việc phải ghi nhớ hàng loạt quy tắc riêng rẽ. Cùng một trình tự quyết định sẽ lặp đi lặp lại: xác định nhóm kiểm soát tên gọi, chọn mạch mẹ chứa nhóm đó, ưu tiên đánh số cho nhóm đó trước, rồi mô tả mọi đặc điểm còn lại xung quanh nó.