HSC 化学：烃类的 IUPAC 命名法
学习如何为碳数不超过 C8 的烷烃、烯烃及炔烃命名与书写分子式，包括甲基与乙基支链，以及多重键的位置编号。
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。
| 母链中的碳原子数 | 词干 |
|---|---|
| 1 | meth- |
| 2 | eth- |
| 3 | prop- |
| 4 | but- |
| 5 | pent- |
| 6 | hex- |
| 7 | hept- |
| 8 | oct- |
接著，名称的字尾会指出碳碳键的种类。
| 烃类 | 碳碳键结情况 | 字尾 | 非环状化合物的一般分子式 |
|---|---|---|---|
| 烷烃 | 只有单键 | -ane | \(C_nH_{2n+2}\) |
| 烯烃 | 一个双键 | -ene | \(C_nH_{2n}\) |
| 炔烃 | 一个三键 | -yne | \(C_nH_{2n-2}\) |
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。
| 容易产生的想法 | 真正决定答案的原则 |
|---|---|
| 从最接近某个支链的一端开始编号 | 对于烯烃或炔烃，应先让多重键的位置编号最小 |
| 看起来最直的一排碳原子必定是母链 | 沿著相连的碳原子追踪，找出最长且符合条件的碳链 |
| 用括号写出的乙基必须一直保留为乙基支链 | 它可能成为较长母链的一部分 |
| 具有相同分子式的两个结构必定是同一种化合物 | 分子式无法指定原子的连接方式 |
| 写好碳原子编号后，就可以在任何位置接上支链 | 碳原子仍然必须遵守四价原则 |
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：
- 找出任何 \(\ce{C=C}\) 或 \(\ce{C\bond{#}C}\) 键。
- 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。
- 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。
- 辨认甲基与乙基取代基。
- 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。
- 按照正确的字母顺序及标点组合名称。
- 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。
- 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：
| 所示结构 | IUPAC 名称 | 相互关系 |
|---|---|---|
| A | 3-乙基戊-1-烯 | 与 B 是同一种化合物 |
| B | 3-乙基戊-1-烯 | 与 A 是同一种化合物 |
| C | 2-甲基己-1-烯 | 与 A 和 B 互为结构异构物 |
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。