HSC 化学：烃类的 IUPAC 命名法

两个名称都可能用来描述结构 \(\ce{CH3-CH(CH3)-CH=CH-CH3}\)：2-甲基戊-3-烯和4-甲基戊-2-烯。

你会选哪一个？

你可能会想从左边开始编号，因为这样甲基支链就会得到较小的编号 2。但碳碳双键的优先次序更高。从右边开始编号，双键的位置编号会是 2，而不是 3，因此正确的名称是 4-甲基戊-2-烯。

这个判断概括了烃类命名法的一个重要原则：IUPAC 名称不只是碳原子数目的描述，而是一组座标，用来准确指出原子之间的连接方式。

01烃类名称包含哪些资讯？

可以把名称想像成一个地址。母链就像街道，而位置编号就像门牌号码。如果只说「甲基」而没有位置编号，就像告诉别人：「我住在 Parramatta Road 的某个地方。」这确实提供了一些资讯，但不足以准确找到目标。

不过，这个比喻也有局限。碳链实际上并不是一条笔直的街道。它可以弯曲、呈锯齿状，也可以向任何方向分支。选择母链时，应沿著相连的碳原子追踪，而不是单纯选取纸面上看起来最直的那条线。

例如，考虑 4-甲基己-2-炔。

名称中的各部分告诉我们：

• hex- 表示母链含有六个碳原子
• -yne 表示分子中含有碳碳三键
• yne 前面的 2- 表示三键从第 2 号碳原子开始，因此位于第 2 号与第 3 号碳原子之间
• 4-methyl- 表示一个含有一个碳原子的支链连接在第 4 号碳原子上

你应该能够双向运用这些知识：由结构写出名称，也能由名称还原结构。

02C1 至 C8 的碳数词干

母链名称的第一部分会告诉你母链中有多少个碳原子。

接著，名称的字尾会指出碳碳键的种类。

此处的 \(n\) 是整个分子中的碳原子总数，包括所有支链。

这一点很容易令人混淆。具有一个甲基支链的五碳母链，整个分子实际上共有六个碳原子。

以上分子式模式适用于非环状烃，而且分别假设分子没有多重键、含有一个双键，或含有一个三键。这些分子式无法告诉你多重键或支链的具体位置。

例如，\(\ce{C6H12}\) 可以表示某种非环状烯烃的组成，但无法区分不同的结构异构物。

03如何命名烷烃、烯烃或炔烃

命名步骤的先后次序很重要。如果还没决定母链，就先命名支链，很容易得到一个格式整齐、却完全错误的答案。

步骤 1：选择母链

对于烷烃，选择含有最多碳原子的连续碳链。

在本 HSC 课程范围内，对于烯烃或炔烃，母链必须包含 \(\ce{C=C}\) 或 \(\ce{C\bond{#}C}\) 键。接著，选择包含该多重键的最长合适碳链。

不要假设缩写结构式中的水平线就是母链。

例如，一个结构可以写成：

\[ \ce{CH3-CH(CH2CH2CH3)-CH2-CH3} \]

乍看之下，你可能会看到一条水平排列、含有四个碳原子的链，以及一个丙基支链。但如果从左端开始，经过分支点，再沿著含有三个碳原子的支链延伸，就能找到一条含有六个碳原子的碳链。

因此，母链是己烷，而不是丁烷。

步骤 2：为母链编号

对于烷烃，从能让取代基的位置编号组合尽可能小的一端开始编号。

对于烯烃或炔烃，应先让双键或三键取得尽可能小的位置编号。

键的位置编号，是该键中编号较小的碳原子的编号。

例如：

• 己-1-烯的双键位于第 1 号与第 2 号碳原子之间
• 戊-2-烯的双键位于第 2 号与第 3 号碳原子之间
• 己-3-炔的三键位于第 3 号与第 4 号碳原子之间

如果从两端编号时，多重键的位置编号相同，才使用取代基的位置编号来打破平手。

这就是为什么前面介绍的结构应命名为 4-甲基戊-2-烯，而不是 2-甲基戊-3-烯。双键较小的位置编号，优先于甲基较小的位置编号。

步骤 3：辨认支链

含有一个碳原子的支链称为甲基，表示为 \(\ce{-CH3}\)。

含有两个碳原子的支链称为乙基，表示为 \(\ce{-CH2CH3}\)。

每个支链都要标示它所连接的母链碳原子编号。

如果出现多个相同的支链，就使用 di- 或 tri- 等前缀：

• 2,3-二甲基戊烷
• 2,2,4-三甲基戊烷

步骤 4：组合名称

不同的取代基要按英文字母顺序排列。因此，ethyl 排在 methyl 之前。

例如：

3-乙基-2-甲基己烷

使用以下标点规则：

• 两个数字之间使用逗号
• 数字与文字之间使用连字号
• 完整名称内不加空格

di- 等前缀不会改变字母排序。排序时应根据支链名称本身，而不是这些前缀。

如果你经常在支链命名时弄混，可以参阅专门的 HSC Chemistry 甲基与乙基支链命名指南，透过更多练习熟悉这些判断。

04如何由 IUPAC 名称写出分子式

反过来，由名称写出结构同样重要。

假设题目给出 3-甲基戊-1-烯 这个名称。

不要试图一次过想像整个分子。

首先，按照 pent- 写出五个相连的碳原子。

接著，在第 1 号与第 2 号碳原子之间加入双键。

然后，在第 3 号碳原子上接上一个甲基。

最后，加入足够的氢原子，使每个碳原子总共形成四个键。

你会得到：

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

整个分子共有六个碳原子。由于它是含有一个双键的非环状烯烃，因此：

\[ C_nH_{2n}=C_6H_{12} \]

所以，它的分子式是 \(\ce{C6H12}\)。

请注意，这两种式子的用途不同：

• \(\ce{C6H12}\) 是分子式，告诉你分子中有多少个原子。
• \(\ce{CH2=CH-CH(CH3)-CH2-CH3}\) 是缩写结构式，除了表示原子数目，也显示原子之间的连接方式。

你经常需要同时使用这两种式子。

05解题示范：命名支链烯烃

为 \(\ce{CH3-CH=C(CH3)-CH2-CH3}\) 命名，并求出它的分子式。

步骤 1：找出含有双键的最长碳链。

最长的合适母链含有五个碳原子，因此词干是 pent-。

步骤 2：从最接近双键的一端开始编号。

从左边编号时，双键位于第 2 号与第 3 号碳原子之间。从右边编号时，双键则从第 3 号碳原子开始。

因此，我们从左边编号，并使用 pent-2-ene。

步骤 3：确定支链的位置。

第 3 号碳原子上连接著一个甲基。

因此，完整名称是 3-甲基戊-2-烯。

步骤 4：求出分子式。

整个分子共有六个碳原子：母链有五个，甲基支链有一个。

含有一个双键的非环状烯烃符合 \(C_nH_{2n}\) 的关系式。

\[ n=6 \]

\[ C_nH_{2n}=C_6H_{12} \]

因此，分子式是 \(\ce{C6H12}\)。

名称所提供的资讯比单靠分子式更多：它指出双键确切位于第 2 号与第 3 号碳原子之间，而甲基支链则连接在第 3 号碳原子上。

06解题示范：根据名称写出支链炔烃的结构

写出 3-乙基戊-1-炔 的缩写结构式及分子式。

步骤 1：建立含有五个碳原子的母链。

pent- 表示五个碳原子。

pent-1-yne 表示三键位于第 1 号与第 2 号碳原子之间。

在加入支链之前，先写出：

\[ \ce{HC\bond{#}C-CH2-CH2-CH3} \]

步骤 2：在第 3 号碳原子上接上乙基支链。

乙基支链为 \(\ce{-CH2CH3}\)，因此结构变成：

\[ \ce{HC\bond{#}C-CH(CH2CH3)-CH2-CH3} \]

步骤 3：计算所有碳原子的总数。

母链有五个碳原子，乙基支链有两个。

所以 \(n=7\)。

步骤 4：检查分子式。

含有一个三键的非环状炔烃符合 \(C_nH_{2n-2}\) 的关系式。

\[ C_nH_{2n-2}=C_7H_{2(7)-2}=C_7H_{12} \]

分子式是 \(\ce{C7H12}\)。

这项检查很有用，但不能取代建立结构的步骤。许多不同的炔烃都可能具有分子式 \(\ce{C7H12}\)。

07造成看似合理却错误的名称的常见问题

大多数命名错误并非随机发生，而是因为在不适当的时候套用了原本合理的规则。

第三种错误值得仔细看看。

假设一名学生把以下烃类命名为 2-乙基戊烷：

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

这个名称看似合理。结构中有一条含有五个碳原子的水平碳链，而乙基似乎明显连接在第 2 号碳原子上。

但决定哪些碳原子属于母链的，并不是图形的画法。

从看似乙基支链的末端开始，经过分支点，再沿著右侧含有三个碳原子的部分追踪。这条路径共有六个碳原子。

因此，正确的母链是己烷。母链以外剩下的一个碳原子形成甲基支链，名称应为 3-甲基己烷。

这是一个很有用的习惯：命名任何支链之前，先实际沿著母链从一端追踪到另一端。

08考试时可快速使用的判断流程

看到烃类结构时，依照以下次序处理：

1. 找出任何 \(\ce{C=C}\) 或 \(\ce{C\bond{#}C}\) 键。
2. 选择包含该键的最长合适母链。对于烷烃，只需选择最长的碳链。
3. 为母链编号。先让双键或三键取得最小的位置编号，再考虑支链。
4. 辨认甲基与乙基取代基。
5. 检查原本认为是支链的部分，是否其实可以纳入更长的母链。
6. 按照正确的字母顺序及标点组合名称。
7. 如果题目要求分子式，计算所有碳原子的总数，再使用适当的氢原子关系式。
8. 检查碳原子的化合价。这些烃类中的每个中性碳原子，其键级总和都必须为四。

最后这项检查可以找出一些名称看似合理、实际上却无法存在的结构。

09题目与解答

题目 1

为 \(\ce{CH3-CH2-CH=CH-CH3}\) 命名，并写出其分子式。

解答 1

此化合物是戊-2-烯，分子式为 \(\ce{C5H10}\)。

母链含有五个碳原子，因此词干是 pent-。

从右边开始编号，双键会位于第 2 号与第 3 号碳原子之间。若从左边编号，双键的位置编号会是 3，因此必须从右边开始编号。

所以，名称是戊-2-烯。

含有一个双键的非环状分子共有五个碳原子，因此：

\[ C_nH_{2n}=C_5H_{2(5)}=C_5H_{10} \]

分子式是 \(\ce{C5H10}\)。容易犯的错误是直接沿用书写结构式时的编号方向，将它命名为戊-3-烯，而没有从较接近双键的一端重新编号。

题目 2

为 \(\ce{CH3-CH(CH3)-C\bond{#}C-CH2-CH3}\) 命名，并求出其分子式。解释如何决定编号方向。

解答 2

正确名称是2-甲基己-3-炔，分子式为 \(\ce{C7H12}\)。

包含三键的最长碳链有六个碳原子，因此母链是 hex-yne。

三键位于碳链中间。从任一端编号，三键的位置编号都是 3：

\[ \ce{C3\bond{#}C4} \]

因此，多重键的位置无法打破平手。

接著考虑甲基支链。从其中一端编号时，甲基位于第 2 号碳原子；从另一端编号时，则位于第 5 号碳原子。因此，较小的取代基位置编号是 2。

所以，名称是2-甲基己-3-炔。

整个分子共有七个碳原子。对于含有一个三键的非环状烃：

\[ C_nH_{2n-2}=C_7H_{2(7)-2}=C_7H_{12} \]

因此，分子式是 \(\ce{C7H12}\)。

一个容易产生的错误想法是：既然从两端编号时，三键的位置相同，那么任意一个方向都可以接受。事实并非如此。多重键的位置编号打平后，应由取代基的位置编号决定编号方向。

题目 3

一名学生将以下烃类命名为2-乙基戊烷：

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

求出正确的 IUPAC 名称及分子式，并准确解释学生的名称为何错误。

解答 3

正确名称是3-甲基己烷，分子式为 \(\ce{C7H16}\)。

学生的错误在于，没有检查是否存在更长的碳链，就直接把五碳水平部分视为母链。

从看似乙基支链的末端碳原子开始，经过分支点，再朝右侧连续追踪：

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

这样便得到一条含有六个碳原子的母链。

原本画在最左端的碳原子，现在成为一个含有单一碳原子的甲基取代基。从较接近该支链的一端为母链编号时，甲基连接在第 3 号碳原子上。

因此，正确名称是3-甲基己烷。

整个分子共有七个碳原子，而且碳碳键全部都是单键，因此：

\[ C_nH_{2n+2}=C_7H_{2(7)+2}=C_7H_{16} \]

所以分子式为 \(\ce{C7H16}\)。

这种错误其实可以理解，因为分子式中确实有一排明显的五个碳原子。但 IUPAC 命名不会受绘图者所选择的方向影响。母链的选择取决于原子之间的连接方式。

题目 4

一名学生提出 3,5-二甲基己-2-炔 作为某种中性烃的名称。

具有这个名称的分子是否可能存在？

如果把原本应连接在第 3 号碳原子上的甲基移到第 4 号碳原子，而保留第 5 号碳原子上的甲基，请写出新分子有效的 IUPAC 名称、缩写结构式及分子式。

解答 4

不可以。3,5-二甲基己-2-炔无法表示有效的中性烃。将第 3 号碳原子上的甲基移到第 4 号碳原子后，得到的有效化合物是4,5-二甲基己-2-炔，其缩写结构式为 \(\ce{CH3-C\bond{#}C-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3}\)，分子式为 \(\ce{C8H14}\)。

关键限制是碳的化合价。

在 hex-2-yne 中，三键位于第 2 号与第 3 号碳原子之间：

\[ \ce{C1-C2\bond{#}C3-C4-C5-C6} \]

特别注意第 3 号碳原子。它与第 2 号碳原子之间有一个三键，键级为 3；它与第 4 号碳原子之间有一个单键，键级为 1。

因此，其键级总和已经是：

\[ 3+1=4 \]

第 3 号碳原子已没有可用的键结位置来连接甲基。如果再接上一个碳原子，就会使第 3 号碳原子的化合价超过正常的四价。

将该甲基移到第 4 号碳原子后，便得到：

\[ \ce{CH3-C\bond{#}C-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3} \]

六碳母链仍然包含三键。从左边编号时，三键的位置编号是 2；从另一端编号则是 4。因此，正确名称是4,5-二甲基己-2-炔。

整个分子含有八个碳原子及一个三键：

\[ C_nH_{2n-2}=C_8H_{2(8)-2}=C_8H_{14} \]

因此，分子式是 \(\ce{C8H14}\)。

容易犯的错误是把 IUPAC 名称当成可以任意把支链接到任何编号碳原子上的指示。位置编号所描述的结构仍然必须在物理上可行。键结能力是另一项必须同时符合的限制。

题目 5

考虑以下三个缩写结构式。

A：

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

B：

\[ \ce{CH3CH2-CH(CH=CH2)-CH2CH3} \]

C：

\[ \ce{CH2=C(CH3)-CH2-CH2-CH2-CH3} \]

三者的分子式都是 \(\ce{C7H14}\)。

不要单靠分子式判断，试确定 A、B 和 C 代表一种、两种还是三种不同的烃。写出每种不同化合物的 IUPAC 名称，并解释为什么 B 中视觉上最明显的母链具有误导性。

解答 5

共有两种不同的烃。A 和 B 是同一个分子的两种不同画法，其名称为3-乙基戊-1-烯。C 则是另一种结构异构物，名称为2-甲基己-1-烯。

先看 A。

母链必须包含双键。从双键末端的 \(\ce{CH2}\) 开始，经过中央碳原子，再沿著两条含有两个碳原子的支臂中的任意一条延伸，可以追踪出一条含有五个碳原子的碳链：

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

剩下的另一条含有两个碳原子的支臂，便是连接在第 3 号碳原子上的乙基取代基。

从双键的一端开始编号，烯键的位置编号为 1，因此 A 的名称是3-乙基戊-1-烯。

现在看看 B。它的中央 \(\ce{CH}\) 碳原子连接著三个基团：

• \(\ce{CH=CH2}\)
• \(\ce{CH2CH3}\)
• 另一个 \(\ce{CH2CH3}\)

这与 A 的连接方式完全相同。

B 中的水平碳链很容易令人误以为是一条完整的五碳戊烷母链：

\[ \ce{CH3CH2-CH-CH2CH3} \]

但这条路径没有包含双键。因此，当存在一条合适的五碳母链可以包含 \(\ce{C=C}\) 键时，就不能把这条水平路径用作该烯烃的母链。

再次沿著双键追踪，就会得到一条含有五个碳原子的烯烃母链，以及位于第 3 号碳原子上的乙基支链。因此，B 的名称同样是3-乙基戊-1-烯。

C 则不同。

它所能形成的、包含双键的最长碳链有六个碳原子：

\[ \ce{CH2=C-CH2-CH2-CH2-CH3} \]

第 2 号碳原子上有一个甲基支链，因此名称是2-甲基己-1-烯。

因此：

这三种表示方式的分子式都是 \(\ce{C7H14}\)，所以无法单靠分子式解决问题。决定性的资讯是原子之间的连接方式。

这正是系统命名法的核心概念。即使从不同方向绘画、改变碳链的弯曲方式，或以不同方式把基团写在括号内，只要原子的连接方式没有改变，就不会变成另一种化合物。如果连接方式相同，正确运用 IUPAC 命名程序便会得到相同的名称。

10接下来可以学习什么？

当你掌握了母链的选择、正确标示多重键的位置编号，以及区分母链与甲基、乙基支链的方法后，就具备了比较结构异构物的基础，而不只是辨认分子式的模式。

这些知识也为你命名具有其他官能基的烃类及有机化合物奠定基础。命名程序会变得更详细，因为官能基可能影响字尾、编号方式及母链的选择，但基本问题始终相同：这个名称究竟描述了哪一种确切的结构？

如需了解更广泛的命名框架，可以继续阅读 HSC Chemistry 适用的 C8 以内有机化合物 IUPAC 命名指南。