Danh pháp IUPAC của axit, amin, amit và hợp chất halogen

Một học sinh nhìn thấy \(\ce{CH3CH(Cl)CH2COOH}\) và nói: “Clo gần phía bên trái hơn, nên chắc chắn phải là 2-chloro…”. Điều đó nghe có vẻ hợp lý. Xét cho cùng, khi gọi tên hợp chất hữu cơ, bạn luôn được nhắc phải dùng các số nhỏ.

Nhưng hợp chất này là 3-chlorobutanoic acid, không phải 2-chlorobutanoic acid. Nhóm axit cacboxylic buộc việc đánh số phải bắt đầu từ nguyên tử carbon của nó, mặc dù điều đó khiến clo nhận số lớn hơn.

Đó mới là vấn đề thực sự mà các quy tắc gọi tên này giải quyết: khi nhiều đặc điểm cùng cạnh tranh để quyết định tên gọi, đặc điểm nào được quyền chi phối?

01Nhóm chức chi phối tên gọi

Hãy hình dung tên của một hợp chất hữu cơ giống như một bài thuyết trình nhóm hơi hỗn loạn. Một nhóm chức được cầm micro. Nhóm đó quyết định phần kết thúc của tên và thường cũng quyết định cách đánh số. Mọi nhóm còn lại phải trở thành tiền tố.

Quyền cầm micro không được trao cho nhóm nào gần đầu mút hình vẽ của bạn nhất. IUPAC sử dụng một hệ thống thứ tự ưu tiên cố định.

Đối với các nhóm chức trong bài này, thứ tự ưu tiên hữu ích là:

\[
\text{axit cacboxylic} > \text{amit} > \text{amin} > \text{halogen}
\]

Đây chỉ là phần của hệ thống thứ tự ưu tiên IUPAC có liên quan ở đây, không phải toàn bộ thứ bậc.

Halogen không bao giờ đảm nhiệm hậu tố trong các tên gọi này. Flo, clo, brom và iot xuất hiện dưới dạng các tiền tố fluoro-, chloro-, bromo- và iodo-.

Phép so sánh này cũng có giới hạn. Các nhóm chức không thực sự tranh nhau một chiếc micro, và mức độ quan trọng về mặt hóa học cũng không được xếp hạng. Đây đơn giản là một quy ước gọi tên giúp các nhà hóa học trên toàn thế giới xác định cùng một cấu trúc từ cùng một tên gọi.

02Bốn dạng cần nhận ra ngay lập tức

Trước khi lo về tên gọi, hãy rèn luyện khả năng nhận biết nhóm chức. Nếu xác định sai nhóm chức, mọi quyết định gọi tên sau đó dù được thực hiện hoàn hảo vẫn có thể cho ra đáp án sai.

Một số chỉ vị trí hay locant đơn giản là con số cho biết một nhóm được gắn ở đâu.

Vì vậy, trong 2-bromobutane, 2 là số chỉ vị trí của brom.

03Axit cacboxylic: carbon của \(\ce{-COOH}\) được tính vào mạch

Xét:

\[
\ce{CH3CH2COOH}
\]

Có bao nhiêu nguyên tử carbon trong mạch mẹ?

Bạn rất dễ nhìn thấy \(\ce{CH3CH2}\) rồi nói là hai. Nhưng carbon nằm trong \(\ce{-COOH}\) cũng là một phần của mạch. Tổng cộng có ba carbon, nên hợp chất là propanoic acid.

Quy trình là:

1. Tìm mạch dài nhất có chứa carbon của nhóm cacboxyl.
2. Tính carbon của nhóm cacboxyl là carbon 1.
3. Thay đuôi -e của alkane bằng -oic acid.

Ví dụ:

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

Mạch dài nhất chứa carbon của \(\ce{-COOH}\) có ba carbon, nên tên mạch mẹ là propanoic acid. Nhánh methyl nằm ở carbon 2.

Tên gọi là 2-methylpropanoic acid.

Lưu ý rằng bạn không viết một tên như propan-1-oic acid. Nhóm axit cacboxylic nằm ở đầu mạch mẹ, nên carbon của nó tự động là carbon 1.

Khi có thêm một nhóm khác

Giả sử cấu trúc là:

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

Hãy dự đoán phần kết thúc của tên. Hợp chất này nên được gọi là amin hay axit cacboxylic?

Axit cacboxylic có ưu tiên gọi tên cao hơn, nên nó giữ hậu tố. Nhóm \(\ce{-NH2}\) trở thành tiền tố amino-.

Mạch mẹ có bốn carbon và nhóm amino nằm ở carbon 2, tạo ra tên 2-aminobutanoic acid.

Đây là lý do tại sao chỉ nhìn thấy một nhóm \(\ce{-NH2}\) rồi lập tức viết -amine là rất nguy hiểm. Hậu tố phụ thuộc vào những nhóm khác cũng có mặt trong phân tử.

04Amin: ưu tiên vị trí mang nitrogen

Đối với một amin bậc một đơn giản như

\[
\ce{CH3CH2CH2NH2}
\]

mạch mẹ ba carbon là propane. Nhóm \(\ce{-NH2}\) gắn với carbon 1, cho tên propan-1-amine.

Bây giờ hãy so sánh:

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

Mạch mẹ vẫn là propane, nhưng nhóm amino gắn với carbon 2. Tên gọi là propan-2-amine.

Khi amin là nhóm chức chính, hãy chọn mạch mẹ chứa carbon liên kết với nitrogen, sau đó đánh số sao cho amin nhận số chỉ vị trí nhỏ nhất có thể.

Ưu tiên này được xét trước việc cố gắng giảm các số chỉ vị trí của nhóm methyl hoặc halogen.

Ví dụ:

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

Đánh số từ bên phải đặt amin ở carbon 2 và brom ở carbon 4. Đánh số từ bên trái sẽ đặt amin ở carbon 3.

Vì vậy, tên đúng là 4-bromobutan-2-amine.

Amin quyết định cách đánh số trong trường hợp này.

05Amit: đừng bỏ sót carbon carbonyl

Một amit chứa nhóm

\[
\ce{-CONH2}
\]

Học sinh đôi khi nhìn thấy nitrogen rồi xem amit như thể nó chỉ là một amin gắn với ketone. Đừng làm vậy. Toàn bộ đơn vị \(\ce{-CONH2}\) là nhóm amit đặc trưng.

Xét:

\[
\ce{CH3CH2CONH2}
\]

Carbon carbonyl thuộc mạch mẹ. Đếm từ carbon này cho ba carbon:

• carbon 1: carbon carbonyl,
• carbon 2: \(\ce{CH2}\),
• carbon 3: \(\ce{CH3}\).

Tên gọi là propanamide.

Bây giờ xét:

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

Mạch mẹ có ba carbon, với một nhóm thế methyl ở carbon 2.

Tên gọi là 2-methylpropanamide.

Cũng như với axit cacboxylic, carbon carbonyl của amit tự động là carbon 1, nên trong những cấu trúc này bạn không cần số chỉ vị trí cho hậu tố -amide.

Một mở rộng hữu ích: nhóm thế gắn với nitrogen

Một nhóm thế carbon cũng có thể gắn trực tiếp với nitrogen của amit.

Ví dụ:

\[
\ce{CH3CH2CONHCH3}
\]

Nhóm methyl không gắn với carbon 1, 2 hay 3 của mạch propanamide. Nó gắn với nitrogen.

IUPAC biểu thị điều này bằng cách dùng \(N\) thay cho một con số:

N-methylpropanamide

\(N\) có nghĩa là “gắn với nitrogen”.

Điều này trở nên quan trọng khi quyết định một carbon có nên thuộc mạch carbon chính hay không. Chúng ta sẽ quay lại vấn đề này trong bài tập cuối.

06Hợp chất halogen hóa: halogen hoạt động như nhóm thế

Bốn tiền tố bạn cần biết là:

Đối với

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

hãy đánh số từ đầu mạch gần brom nhất. Brom gắn với carbon 2, nên tên gọi là 2-bromobutane.

Khi có nhiều nhóm thế, hãy liệt kê chúng theo thứ tự bảng chữ cái trong tên hoàn chỉnh.

Ví dụ, một mạch pentane có brom ở carbon 3 và một nhóm methyl ở carbon 2 là:

3-bromo-2-methylpentane

Bromo đứng trước methyl theo thứ tự bảng chữ cái.

Nhưng hãy cẩn thận: thứ tự bảng chữ cái thường được dùng để sắp xếp các tiền tố sau khi bạn đã đánh số mạch. Nó thường không quyết định đầu nào sẽ là carbon 1.

Chỉ khi các quy tắc đánh số thông thường dẫn đến một trường hợp hòa thực sự thì bạn mới cần thêm một quy tắc phân định.

Nếu các quy tắc nền tảng về lựa chọn mạch mẹ và đánh số nhánh vẫn chưa chắc chắn, hãy ôn lại Danh pháp IUPAC của hợp chất hữu cơ đến C8 cho HSC Chemistry và Gọi tên mạch nhánh methyl và ethyl cho HSC Chemistry.

07Một phương pháp gọi tên hiệu quả khi chịu áp lực

Khi cấu trúc trở nên phức tạp, đừng cố đọc tên của nó từ trái sang phải. Hãy xây dựng tên theo một thứ tự cố định.

1. Xác định mọi nhóm chức

Đặc biệt tìm \(\ce{-COOH}\), \(\ce{-CONH2}\), \(\ce{-NH2}\) và các halogen.

Hãy làm việc này trước khi chọn mạch.

2. Quyết định nhóm nào chi phối hậu tố

Trong phạm vi các nhóm được đề cập ở đây:

\[
\text{axit cacboxylic} > \text{amit} > \text{amin} > \text{halogen}
\]

Ví dụ, nếu một axit cacboxylic và một amin cùng xuất hiện, hợp chất được gọi tên như một axit và \(\ce{-NH2}\) trở thành amino-.

3. Chọn mạch mẹ

Chọn mạch dài nhất thích hợp có chứa nhóm chức chính.

Đối với axit cacboxylic hoặc amit, carbon carbonyl phải được tính vào mạch.

4. Đánh số ưu tiên nhóm chức chính trước

Nhóm tạo hậu tố được ưu tiên hơn các nhóm thế thông thường.

Đừng đánh số từ nhánh “trông có vẻ gần nhất”.

5. Xác định vị trí và sắp xếp các tiền tố theo bảng chữ cái

Viết số chỉ vị trí của từng nhóm thế methyl, ethyl, amino hoặc halo.

Sắp xếp các tiền tố khác nhau theo thứ tự bảng chữ cái trong tên cuối cùng.

6. Thêm mạch mẹ và hậu tố

Kiểm tra dấu câu:

• dấu phẩy ngăn cách các con số, như trong 2,3-dibromobutane;
• dấu gạch nối ngăn cách số với từ;
• có một khoảng trắng trong các tên như butanoic acid.

11Những lỗi gọi tên dễ mắc nhất

Bài học tổng quát là câu quen thuộc “dùng các số nhỏ nhất” chưa đầy đủ. Quy tắc tốt hơn là:

Hãy cho các số nhỏ nhất cho những đặc điểm mà IUPAC quy định là được ưu tiên.

Khi thứ tự đó đã rõ ràng, các con số sẽ không còn có vẻ tùy ý.

12Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Hãy cho tên IUPAC hệ thống của \(\ce{CH3CH(Br)CH2CH3}\).

Lời giải 1

Hợp chất là 2-bromobutane.

Mạch carbon dài nhất có bốn carbon, nên mạch mẹ là butane. Brom được xem là tiền tố bromo-.

Đánh số từ đầu gần hơn đặt brom ở carbon 2:

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

Đánh số từ đầu còn lại sẽ khiến vị trí của brom là carbon 3, nên số chỉ vị trí hợp lệ nhỏ hơn là 2.

Một lỗi dễ mắc là viết 2-bromobut-ane do cố tách phần kết thúc của mạch mẹ. Đối với haloalkane, mạch mẹ vẫn giữ tên alkane thông thường: butane.

Câu hỏi 2

Hãy cho tên IUPAC hệ thống của \(\ce{CH3CH(Cl)CH(CH3)CONH2}\). Giải thích carbon nào bắt buộc phải là carbon 1.

Lời giải 2

Hợp chất là 3-chloro-2-methylbutanamide, và carbon carbonyl của amit bắt buộc phải là carbon 1.

Viết lại mạch bắt đầu từ đầu amit:

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

Mạch mẹ chứa bốn carbon khi tính cả carbon carbonyl, nên nó là butanamide.

Các vị trí là:

• carbon 1: carbon carbonyl của amit,
• carbon 2: nhóm thế methyl,
• carbon 3: nhóm thế chloro,
• carbon 4: \(\ce{CH3}\) ở đầu mạch.

Các tiền tố được viết theo thứ tự bảng chữ cái, nên chloro- đứng trước methyl-, tạo ra 3-chloro-2-methylbutanamide.

Cách làm dễ bị cám dỗ là bắt đầu đánh số từ bên trái vì khi đó clo sẽ có số chỉ vị trí 2. Cách này sai vì amit là nhóm chức chính. Carbon carbonyl của nó cố định carbon 1 trước khi xem xét số chỉ vị trí của các nhóm thế thông thường.

Câu hỏi 3

Hãy cho tên hệ thống của

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

và giải thích vì sao cả amine lẫn bromo đều không tạo phần kết thúc của tên.

Lời giải 3

Hợp chất là 2-amino-3-bromopentanoic acid.

Axit cacboxylic là nhóm chức có ưu tiên cao nhất trong số các nhóm có mặt, nên mạch mẹ phải được gọi tên như một axit cacboxylic. Carbon của nó là carbon 1.

Mạch mẹ năm carbon là pentanoic acid:

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

Nhóm \(\ce{-NH2}\) không thể dùng hậu tố -amine vì axit cacboxylic đã chiếm hậu tố. Vì vậy, nó trở thành tiền tố amino-.

Brom luôn được biểu diễn ở đây bằng tiền tố bromo-.

Các nhóm thế nằm ở carbon 2 và 3. Trong tên hoàn chỉnh, amino- được viết trước bromo- theo thứ tự bảng chữ cái, cho 2-amino-3-bromopentanoic acid.

Một đáp án sai nhưng có vẻ hợp lý là 3-bromo-2-aminopentanoic acid. Các số chỉ vị trí của nó mô tả cùng các vị trí, nhưng quy tắc sắp xếp tiền tố hệ thống đặt amino trước bromo. Một cách làm sai khác là đánh số từ đầu alkyl để brom là carbon 3 và nhóm amino là carbon 4, đồng thời xem carbon của axit là carbon 5. Cách đó bỏ qua ràng buộc quyết định: carbon của axit cacboxylic là carbon 1.

Câu hỏi 4

Xét hợp chất mạch thẳng

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

Đánh số từ bất kỳ đầu nào cũng đặt amin ở carbon 4 và cho hai halogen tập hợp số chỉ vị trí \(2,6\).

Hãy xác định tên hệ thống được ưu tiên. Sau đó quyết định xem 2-chloro-6-bromoheptan-4-amine biểu diễn một hợp chất cấu tạo khác hay cùng một kiểu liên kết nhưng được viết với cách đánh số không được ưu tiên.

Lời giải 4

Tên hệ thống được ưu tiên là 2-bromo-6-chloroheptan-4-amine, và 2-chloro-6-bromoheptan-4-amine tương ứng với cùng một kiểu liên kết phân tử chứ không phải một hợp chất cấu tạo khác.

Trước hết, mạch mẹ chứa bảy carbon, nên đây là một dẫn xuất của heptane. Amin nằm ở carbon 4 bất kể chọn đánh số từ đầu nào:

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

Bây giờ so sánh hai hướng.

Từ bên trái:

• bromo: carbon 2,
• amine: carbon 4,
• chloro: carbon 6.

Từ bên phải:

• chloro: carbon 2,
• amine: carbon 4,
• bromo: carbon 6.

Phép kiểm tra “tập hợp số chỉ vị trí nhỏ nhất” thông thường không thể phân biệt hai cách này. Cả hai hướng đều tạo ra \(2,4,6\).

Trong trường hợp hòa thực sự này, nhóm thế được nêu trước theo thứ tự bảng chữ cái nhận số chỉ vị trí thấp hơn. Bromo đứng trước chloro, nên brom nhận carbon 2. Vì vậy, tên được ưu tiên là 2-bromo-6-chloroheptan-4-amine.

Cạm bẫy sâu hơn là nghĩ rằng đổi 2-bromo, 6-chloro thành 2-chloro, 6-bromo chắc chắn phải mô tả một đồng phân cấu tạo thứ hai. Hãy vẽ cả hai trước khi kết luận.

Đảo ngược mạch bảy carbon sẽ ánh xạ carbon 2 thành carbon 6, trong khi carbon 4 vẫn ở chính giữa. Do đó, cấu trúc

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

vẫn có cùng kiểu liên kết khi được nhìn từ đầu đối diện. Hai đầu của khung mạch mẹ cụ thể này có quan hệ với nhau qua phép đảo chiều.

Điều thay đổi là cách mô tả bằng số thứ tự, chứ không phải nguyên tử nào liên kết với nguyên tử nào.

Một học sinh có thể tự tin lập luận rằng “brom và clo đã đổi carbon cho nhau, nên hợp chất đã thay đổi”. Điều đó sẽ đúng nếu carbon 2 và carbon 6 là những vị trí cố định, khác biệt về mặt hóa học trong một mạch mẹ bất đối xứng. Tuy nhiên, ở đây các nhãn vị trí đó phụ thuộc vào đầu nào được gọi là carbon 1. Đảo ngược toàn bộ mạch biến cách mô tả này thành cách mô tả kia.

Câu hỏi 5

Bắt đầu với propanamide:

\[
\ce{CH3CH2CONH2}
\]

Hãy tưởng tượng thay một nguyên tử hydrogen bằng một nhóm methyl, \(\ce{-CH3}\), theo mỗi cách sau:

1. gắn nhóm methyl vào carbon 2 của propanamide;
2. gắn nó vào carbon đầu mút 3 của propanamide;
3. gắn nó trực tiếp vào nitrogen của amit.

Hãy cho tên hệ thống của từng sản phẩm. Xác định xem ba sản phẩm có phải là các đồng phân cấu tạo khác nhau hay không, và giải thích vì sao 3-methylpropanamide không phải tên đúng cho sản phẩm 2.

Lời giải 5

Ba sản phẩm là 2-methylpropanamide, butanamide, và N-methylpropanamide, và chúng là ba đồng phân cấu tạo khác nhau có cùng công thức phân tử, \(\ce{C4H9NO}\).

Đối với sản phẩm 1, thêm một nhóm methyl vào carbon 2 cho:

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

Mạch dài nhất chứa carbon carbonyl của amit vẫn có ba carbon. Carbon bổ sung thực sự là một nhánh ở carbon 2.

Do đó tên gọi là 2-methylpropanamide.

Đối với sản phẩm 2, rất dễ giữ nguyên cách đánh số propanamide cũ rồi viết 3-methylpropanamide. Điều đó xem mạch mẹ ban đầu như thể nó đã được cố định vĩnh viễn.

Nhưng sau khi nhóm methyl được gắn vào carbon đầu mút, cấu trúc cuối cùng là:

\[
\ce{CH3CH2CH2CONH2}
\]

Lúc này có một mạch liên tục bốn carbon chứa carbon carbonyl của amit. Việc gọi tên theo IUPAC phải được thực hiện trên cấu trúc cuối cùng, nên mạch dài hơn trở thành mạch mẹ.

Vì vậy, tên đúng là butanamide, không phải 3-methylpropanamide.

Đây là điểm then chốt của bài toán: một số chỉ vị trí mô tả cấu trúc mạch mẹ được ưu tiên của sản phẩm cuối cùng. Nó không phải bản ghi lịch sử về việc bạn đã gắn một nhóm vào vị trí nào của một phân tử trước đó.

Đối với sản phẩm 3, gắn nhóm methyl trực tiếp vào nitrogen cho:

\[
\ce{CH3CH2CONHCH3}
\]

Carbon của nhóm methyl không thể được đưa vào mạch carbon mẹ vì đường đi từ carbon đó đến carbon carbonyl phải đi qua nitrogen. Một mạch carbon mẹ phải gồm các nguyên tử carbon liên kết liên tiếp với nhau.

Do đó, mạch mẹ ba carbon vẫn là propanamide, và nhóm thế gắn với nitrogen được biểu thị bằng \(N\):

N-methylpropanamide.

Cả ba hợp chất đều chứa bốn carbon, chín hydrogen, một nitrogen và một oxygen, nên mỗi chất đều có công thức phân tử \(\ce{C4H9NO}\). Tuy nhiên, các nguyên tử của chúng được nối với nhau theo những cách khác nhau:

• 2-methylpropanamide có khung carbon phân nhánh;
• butanamide có khung bốn carbon không phân nhánh;
• N-methylpropanamide có một carbon methyl liên kết trực tiếp với nitrogen.

Vì vậy, chúng là các đồng phân cấu tạo.

Kết luận dễ bị cám dỗ là “thêm cùng một nhóm methyl vào ba vị trí thì đơn giản phải tạo ra ba methylpropanamide”. Ràng buộc phá vỡ lập luận đó là việc lựa chọn mạch mẹ. Một biến đổi làm dài mạch carbon mẹ, trong khi một biến đổi khác đặt carbon mới ra ngoài mạch đó bằng cách liên kết nó với nitrogen. Mỗi lần, bạn phải gọi tên lại toàn bộ cấu trúc phân tử hoàn chỉnh từ đầu.

13Những quy tắc này giúp bạn làm gì tiếp theo

Khi bạn có thể xác định nhóm chức chính, chọn đúng mạch mẹ và gán các số chỉ vị trí theo đúng thứ tự ưu tiên, tên gọi hữu cơ trở thành nhiều hơn những nhãn đơn thuần. Bạn có thể suy ngược từ một tên hệ thống để dựng nên một công thức cấu tạo duy nhất và phân biệt những hợp chất có cùng công thức phân tử nhưng khác nhau về kiểu liên kết.

Điều này đặc biệt hữu ích khi bạn chuyển sang đồng phân cấu tạo, các chuỗi phản ứng và việc giải thích sản phẩm hữu cơ. Một tên như 2-methylpropanamide, butanamide hoặc N-methylpropanamide đã cho bạn biết những nguyên tử nào phải liên kết với nhau trước cả khi bạn vẽ một liên kết đơn nào.