HSC 化學：烴類的 IUPAC 命名法
學習如何為碳數不超過 C8 的烷烴、烯烴及炔烴命名與書寫分子式，包括甲基與乙基支鏈，以及多重鍵的位置編號。
兩個名稱都可能用來描述結構 \(\ce{CH3-CH(CH3)-CH=CH-CH3}\)：2-甲基戊-3-烯和4-甲基戊-2-烯。
你會選哪一個？
你可能會想從左邊開始編號，因為這樣甲基支鏈就會得到較小的編號 2。但碳碳雙鍵的優先次序更高。從右邊開始編號，雙鍵的位置編號會是 2，而不是 3，因此正確的名稱是 4-甲基戊-2-烯。
這個判斷概括了烴類命名法的一個重要原則：IUPAC 名稱不只是碳原子數目的描述，而是一組座標，用來準確指出原子之間的連接方式。
01烴類名稱包含哪些資訊？
可以把名稱想像成一個地址。母鏈就像街道，而位置編號就像門牌號碼。如果只說「甲基」而沒有位置編號，就像告訴別人：「我住在 Parramatta Road 的某個地方。」這確實提供了一些資訊，但不足以準確找到目標。
不過，這個比喻也有局限。碳鏈實際上並不是一條筆直的街道。它可以彎曲、呈鋸齒狀，也可以向任何方向分支。選擇母鏈時，應沿著相連的碳原子追蹤，而不是單純選取紙面上看起來最直的那條線。
例如，考慮 4-甲基己-2-炔。
名稱中的各部分告訴我們：
hex-表示母鏈含有六個碳原子-yne表示分子中含有碳碳三鍵yne前面的2-表示三鍵從第 2 號碳原子開始，因此位於第 2 號與第 3 號碳原子之間4-methyl-表示一個含有一個碳原子的支鏈連接在第 4 號碳原子上
你應該能夠雙向運用這些知識：由結構寫出名稱，也能由名稱還原結構。
02C1 至 C8 的碳數詞幹
母鏈名稱的第一部分會告訴你母鏈中有多少個碳原子。
| 母鏈中的碳原子數 | 詞幹 |
|---|---|
| 1 | meth- |
| 2 | eth- |
| 3 | prop- |
| 4 | but- |
| 5 | pent- |
| 6 | hex- |
| 7 | hept- |
| 8 | oct- |
接著，名稱的字尾會指出碳碳鍵的種類。
| 烴類 | 碳碳鍵結情況 | 字尾 | 非環狀化合物的一般分子式 |
|---|---|---|---|
| 烷烴 | 只有單鍵 | -ane | \(C_nH_{2n+2}\) |
| 烯烴 | 一個雙鍵 | -ene | \(C_nH_{2n}\) |
| 炔烴 | 一個三鍵 | -yne | \(C_nH_{2n-2}\) |
此處的 \(n\) 是整個分子中的碳原子總數，包括所有支鏈。
這一點很容易令人混淆。具有一個甲基支鏈的五碳母鏈，整個分子實際上共有六個碳原子。
以上分子式模式適用於非環狀烴，而且分別假設分子沒有多重鍵、含有一個雙鍵，或含有一個三鍵。這些分子式無法告訴你多重鍵或支鏈的具體位置。
例如，\(\ce{C6H12}\) 可以表示某種非環狀烯烴的組成，但無法區分不同的結構異構物。
03如何命名烷烴、烯烴或炔烴
命名步驟的先後次序很重要。如果還沒決定母鏈，就先命名支鏈，很容易得到一個格式整齊、卻完全錯誤的答案。
步驟 1：選擇母鏈
對於烷烴，選擇含有最多碳原子的連續碳鏈。
在本 HSC 課程範圍內，對於烯烴或炔烴，母鏈必須包含 \(\ce{C=C}\) 或 \(\ce{C\bond{#}C}\) 鍵。接著，選擇包含該多重鍵的最長合適碳鏈。
不要假設縮寫結構式中的水平線就是母鏈。
例如，一個結構可以寫成：
\[ \ce{CH3-CH(CH2CH2CH3)-CH2-CH3} \]
乍看之下，你可能會看到一條水平排列、含有四個碳原子的鏈，以及一個丙基支鏈。但如果從左端開始，經過分支點，再沿著含有三個碳原子的支鏈延伸，就能找到一條含有六個碳原子的碳鏈。
因此，母鏈是己烷，而不是丁烷。
步驟 2：為母鏈編號
對於烷烴，從能讓取代基的位置編號組合盡可能小的一端開始編號。
對於烯烴或炔烴，應先讓雙鍵或三鍵取得盡可能小的位置編號。
鍵的位置編號，是該鍵中編號較小的碳原子的編號。
例如：
- 己-1-烯的雙鍵位於第 1 號與第 2 號碳原子之間
- 戊-2-烯的雙鍵位於第 2 號與第 3 號碳原子之間
- 己-3-炔的三鍵位於第 3 號與第 4 號碳原子之間
如果從兩端編號時，多重鍵的位置編號相同，才使用取代基的位置編號來打破平手。
這就是為什麼前面介紹的結構應命名為 4-甲基戊-2-烯，而不是 2-甲基戊-3-烯。雙鍵較小的位置編號，優先於甲基較小的位置編號。
步驟 3：辨認支鏈
含有一個碳原子的支鏈稱為甲基，表示為 \(\ce{-CH3}\)。
含有兩個碳原子的支鏈稱為乙基，表示為 \(\ce{-CH2CH3}\)。
每個支鏈都要標示它所連接的母鏈碳原子編號。
如果出現多個相同的支鏈，就使用 di- 或 tri- 等前綴：
- 2,3-二甲基戊烷
- 2,2,4-三甲基戊烷
步驟 4：組合名稱
不同的取代基要按英文字母順序排列。因此，ethyl 排在 methyl 之前。
例如：
3-乙基-2-甲基己烷
使用以下標點規則：
- 兩個數字之間使用逗號
- 數字與文字之間使用連字號
- 完整名稱內不加空格
di- 等前綴不會改變字母排序。排序時應根據支鏈名稱本身，而不是這些前綴。
如果你經常在支鏈命名時弄混，可以參閱專門的 HSC Chemistry 甲基與乙基支鏈命名指南，透過更多練習熟悉這些判斷。
04如何由 IUPAC 名稱寫出分子式
反過來，由名稱寫出結構同樣重要。
假設題目給出 3-甲基戊-1-烯 這個名稱。
不要試圖一次過想像整個分子。
首先，按照 pent- 寫出五個相連的碳原子。
接著，在第 1 號與第 2 號碳原子之間加入雙鍵。
然後，在第 3 號碳原子上接上一個甲基。
最後，加入足夠的氫原子，使每個碳原子總共形成四個鍵。
你會得到：
\[ \ce{CH2=CH-CH(CH3)-CH2-CH3} \]
整個分子共有六個碳原子。由於它是含有一個雙鍵的非環狀烯烴，因此：
\[ C_nH_{2n}=C_6H_{12} \]
所以，它的分子式是 \(\ce{C6H12}\)。
請注意，這兩種式子的用途不同：
- \(\ce{C6H12}\) 是分子式，告訴你分子中有多少個原子。
- \(\ce{CH2=CH-CH(CH3)-CH2-CH3}\) 是縮寫結構式，除了表示原子數目，也顯示原子之間的連接方式。
你經常需要同時使用這兩種式子。
05解題示範：命名支鏈烯烴
為 \(\ce{CH3-CH=C(CH3)-CH2-CH3}\) 命名，並求出它的分子式。
步驟 1：找出含有雙鍵的最長碳鏈。
最長的合適母鏈含有五個碳原子，因此詞幹是 pent-。
步驟 2：從最接近雙鍵的一端開始編號。
從左邊編號時，雙鍵位於第 2 號與第 3 號碳原子之間。從右邊編號時，雙鍵則從第 3 號碳原子開始。
因此，我們從左邊編號，並使用 pent-2-ene。
步驟 3：確定支鏈的位置。
第 3 號碳原子上連接著一個甲基。
因此，完整名稱是 3-甲基戊-2-烯。
步驟 4：求出分子式。
整個分子共有六個碳原子：母鏈有五個，甲基支鏈有一個。
含有一個雙鍵的非環狀烯烴符合 \(C_nH_{2n}\) 的關係式。
\[ n=6 \]
\[ C_nH_{2n}=C_6H_{12} \]
因此，分子式是 \(\ce{C6H12}\)。
名稱所提供的資訊比單靠分子式更多：它指出雙鍵確切位於第 2 號與第 3 號碳原子之間，而甲基支鏈則連接在第 3 號碳原子上。
06解題示範：根據名稱寫出支鏈炔烴的結構
寫出 3-乙基戊-1-炔 的縮寫結構式及分子式。
步驟 1：建立含有五個碳原子的母鏈。
pent- 表示五個碳原子。
pent-1-yne 表示三鍵位於第 1 號與第 2 號碳原子之間。
在加入支鏈之前，先寫出：
\[ \ce{HC\bond{#}C-CH2-CH2-CH3} \]
步驟 2：在第 3 號碳原子上接上乙基支鏈。
乙基支鏈為 \(\ce{-CH2CH3}\)，因此結構變成：
\[ \ce{HC\bond{#}C-CH(CH2CH3)-CH2-CH3} \]
步驟 3：計算所有碳原子的總數。
母鏈有五個碳原子，乙基支鏈有兩個。
所以 \(n=7\)。
步驟 4：檢查分子式。
含有一個三鍵的非環狀炔烴符合 \(C_nH_{2n-2}\) 的關係式。
\[ C_nH_{2n-2}=C_7H_{2(7)-2}=C_7H_{12} \]
分子式是 \(\ce{C7H12}\)。
這項檢查很有用，但不能取代建立結構的步驟。許多不同的炔烴都可能具有分子式 \(\ce{C7H12}\)。
07造成看似合理卻錯誤的名稱的常見問題
大多數命名錯誤並非隨機發生，而是因為在不適當的時候套用了原本合理的規則。
| 容易產生的想法 | 真正決定答案的原則 |
|---|---|
| 從最接近某個支鏈的一端開始編號 | 對於烯烴或炔烴，應先讓多重鍵的位置編號最小 |
| 看起來最直的一排碳原子必定是母鏈 | 沿著相連的碳原子追蹤，找出最長且符合條件的碳鏈 |
| 用括號寫出的乙基必須一直保留為乙基支鏈 | 它可能成為較長母鏈的一部分 |
| 具有相同分子式的兩個結構必定是同一種化合物 | 分子式無法指定原子的連接方式 |
| 寫好碳原子編號後，就可以在任何位置接上支鏈 | 碳原子仍然必須遵守四價原則 |
第三種錯誤值得仔細看看。
假設一名學生把以下烴類命名為 2-乙基戊烷：
\[ \ce{CH3-CH(CH2CH3)-CH2-CH2-CH3} \]
這個名稱看似合理。結構中有一條含有五個碳原子的水平碳鏈，而乙基似乎明顯連接在第 2 號碳原子上。
但決定哪些碳原子屬於母鏈的，並不是圖形的畫法。
從看似乙基支鏈的末端開始，經過分支點，再沿著右側含有三個碳原子的部分追蹤。這條路徑共有六個碳原子。
因此，正確的母鏈是己烷。母鏈以外剩下的一個碳原子形成甲基支鏈，名稱應為 3-甲基己烷。
這是一個很有用的習慣：命名任何支鏈之前，先實際沿著母鏈從一端追蹤到另一端。
08考試時可快速使用的判斷流程
看到烴類結構時，依照以下次序處理：
- 找出任何 \(\ce{C=C}\) 或 \(\ce{C\bond{#}C}\) 鍵。
- 選擇包含該鍵的最長合適母鏈。對於烷烴，只需選擇最長的碳鏈。
- 為母鏈編號。先讓雙鍵或三鍵取得最小的位置編號，再考慮支鏈。
- 辨認甲基與乙基取代基。
- 檢查原本認為是支鏈的部分，是否其實可以納入更長的母鏈。
- 按照正確的字母順序及標點組合名稱。
- 如果題目要求分子式，計算所有碳原子的總數，再使用適當的氫原子關係式。
- 檢查碳原子的化合價。這些烴類中的每個中性碳原子，其鍵級總和都必須為四。
最後這項檢查可以找出一些名稱看似合理、實際上卻無法存在的結構。
09題目與解答
題目 1
為 \(\ce{CH3-CH2-CH=CH-CH3}\) 命名，並寫出其分子式。
解答 1
此化合物是戊-2-烯，分子式為 \(\ce{C5H10}\)。
母鏈含有五個碳原子，因此詞幹是 pent-。
從右邊開始編號，雙鍵會位於第 2 號與第 3 號碳原子之間。若從左邊編號，雙鍵的位置編號會是 3，因此必須從右邊開始編號。
所以，名稱是戊-2-烯。
含有一個雙鍵的非環狀分子共有五個碳原子，因此：
\[ C_nH_{2n}=C_5H_{2(5)}=C_5H_{10} \]
分子式是 \(\ce{C5H10}\)。容易犯的錯誤是直接沿用書寫結構式時的編號方向，將它命名為戊-3-烯，而沒有從較接近雙鍵的一端重新編號。
題目 2
為 \(\ce{CH3-CH(CH3)-C\bond{#}C-CH2-CH3}\) 命名，並求出其分子式。解釋如何決定編號方向。
解答 2
正確名稱是2-甲基己-3-炔，分子式為 \(\ce{C7H12}\)。
包含三鍵的最長碳鏈有六個碳原子，因此母鏈是 hex-yne。
三鍵位於碳鏈中間。從任一端編號，三鍵的位置編號都是 3：
\[ \ce{C3\bond{#}C4} \]
因此，多重鍵的位置無法打破平手。
接著考慮甲基支鏈。從其中一端編號時，甲基位於第 2 號碳原子；從另一端編號時，則位於第 5 號碳原子。因此，較小的取代基位置編號是 2。
所以，名稱是2-甲基己-3-炔。
整個分子共有七個碳原子。對於含有一個三鍵的非環狀烴：
\[ C_nH_{2n-2}=C_7H_{2(7)-2}=C_7H_{12} \]
因此，分子式是 \(\ce{C7H12}\)。
一個容易產生的錯誤想法是：既然從兩端編號時，三鍵的位置相同，那麼任意一個方向都可以接受。事實並非如此。多重鍵的位置編號打平後，應由取代基的位置編號決定編號方向。
題目 3
一名學生將以下烴類命名為2-乙基戊烷：
\[ \ce{CH3-CH(CH2CH3)-CH2-CH2-CH3} \]
求出正確的 IUPAC 名稱及分子式，並準確解釋學生的名稱為何錯誤。
解答 3
正確名稱是3-甲基己烷，分子式為 \(\ce{C7H16}\)。
學生的錯誤在於，沒有檢查是否存在更長的碳鏈，就直接把五碳水平部分視為母鏈。
從看似乙基支鏈的末端碳原子開始，經過分支點，再朝右側連續追蹤：
\[ \ce{CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH3} \]
這樣便得到一條含有六個碳原子的母鏈。
原本畫在最左端的碳原子，現在成為一個含有單一碳原子的甲基取代基。從較接近該支鏈的一端為母鏈編號時，甲基連接在第 3 號碳原子上。
因此，正確名稱是3-甲基己烷。
整個分子共有七個碳原子，而且碳碳鍵全部都是單鍵，因此：
\[ C_nH_{2n+2}=C_7H_{2(7)+2}=C_7H_{16} \]
所以分子式為 \(\ce{C7H16}\)。
這種錯誤其實可以理解，因為分子式中確實有一排明顯的五個碳原子。但 IUPAC 命名不會受繪圖者所選擇的方向影響。母鏈的選擇取決於原子之間的連接方式。
題目 4
一名學生提出 3,5-二甲基己-2-炔 作為某種中性烴的名稱。
具有這個名稱的分子是否可能存在？
如果把原本應連接在第 3 號碳原子上的甲基移到第 4 號碳原子，而保留第 5 號碳原子上的甲基，請寫出新分子有效的 IUPAC 名稱、縮寫結構式及分子式。
解答 4
不可以。3,5-二甲基己-2-炔無法表示有效的中性烴。將第 3 號碳原子上的甲基移到第 4 號碳原子後，得到的有效化合物是4,5-二甲基己-2-炔，其縮寫結構式為 \(\ce{CH3-C\bond{#}C-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3}\)，分子式為 \(\ce{C8H14}\)。
關鍵限制是碳的化合價。
在 hex-2-yne 中，三鍵位於第 2 號與第 3 號碳原子之間：
\[ \ce{C1-C2\bond{#}C3-C4-C5-C6} \]
特別注意第 3 號碳原子。它與第 2 號碳原子之間有一個三鍵，鍵級為 3；它與第 4 號碳原子之間有一個單鍵，鍵級為 1。
因此，其鍵級總和已經是：
\[ 3+1=4 \]
第 3 號碳原子已沒有可用的鍵結位置來連接甲基。如果再接上一個碳原子，就會使第 3 號碳原子的化合價超過正常的四價。
將該甲基移到第 4 號碳原子後，便得到：
\[ \ce{CH3-C\bond{#}C-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3} \]
六碳母鏈仍然包含三鍵。從左邊編號時，三鍵的位置編號是 2；從另一端編號則是 4。因此，正確名稱是4,5-二甲基己-2-炔。
整個分子含有八個碳原子及一個三鍵：
\[ C_nH_{2n-2}=C_8H_{2(8)-2}=C_8H_{14} \]
因此，分子式是 \(\ce{C8H14}\)。
容易犯的錯誤是把 IUPAC 名稱當成可以任意把支鏈接到任何編號碳原子上的指示。位置編號所描述的結構仍然必須在物理上可行。鍵結能力是另一項必須同時符合的限制。
題目 5
考慮以下三個縮寫結構式。
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 \(\ce{C7H14}\)。
不要單靠分子式判斷，試確定 A、B 和 C 代表一種、兩種還是三種不同的烴。寫出每種不同化合物的 IUPAC 名稱，並解釋為什麼 B 中視覺上最明顯的母鏈具有誤導性。
解答 5
共有兩種不同的烴。A 和 B 是同一個分子的兩種不同畫法，其名稱為3-乙基戊-1-烯。C 則是另一種結構異構物，名稱為2-甲基己-1-烯。
先看 A。
母鏈必須包含雙鍵。從雙鍵末端的 \(\ce{CH2}\) 開始，經過中央碳原子，再沿著兩條含有兩個碳原子的支臂中的任意一條延伸，可以追蹤出一條含有五個碳原子的碳鏈：
\[ \ce{CH2=CH-CH-CH2-CH3} \]
剩下的另一條含有兩個碳原子的支臂，便是連接在第 3 號碳原子上的乙基取代基。
從雙鍵的一端開始編號，烯鍵的位置編號為 1，因此 A 的名稱是3-乙基戊-1-烯。
現在看看 B。它的中央 \(\ce{CH}\) 碳原子連接著三個基團：
- \(\ce{CH=CH2}\)
- \(\ce{CH2CH3}\)
- 另一個 \(\ce{CH2CH3}\)
這與 A 的連接方式完全相同。
B 中的水平碳鏈很容易令人誤以為是一條完整的五碳戊烷母鏈：
\[ \ce{CH3CH2-CH-CH2CH3} \]
但這條路徑沒有包含雙鍵。因此，當存在一條合適的五碳母鏈可以包含 \(\ce{C=C}\) 鍵時，就不能把這條水平路徑用作該烯烴的母鏈。
再次沿著雙鍵追蹤，就會得到一條含有五個碳原子的烯烴母鏈，以及位於第 3 號碳原子上的乙基支鏈。因此，B 的名稱同樣是3-乙基戊-1-烯。
C 則不同。
它所能形成的、包含雙鍵的最長碳鏈有六個碳原子：
\[ \ce{CH2=C-CH2-CH2-CH2-CH3} \]
第 2 號碳原子上有一個甲基支鏈，因此名稱是2-甲基己-1-烯。
因此：
| 所示結構 | IUPAC 名稱 | 相互關係 |
|---|---|---|
| A | 3-乙基戊-1-烯 | 與 B 是同一種化合物 |
| B | 3-乙基戊-1-烯 | 與 A 是同一種化合物 |
| C | 2-甲基己-1-烯 | 與 A 和 B 互為結構異構物 |
這三種表示方式的分子式都是 \(\ce{C7H14}\)，所以無法單靠分子式解決問題。決定性的資訊是原子之間的連接方式。
這正是系統命名法的核心概念。即使從不同方向繪畫、改變碳鏈的彎曲方式，或以不同方式把基團寫在括號內，只要原子的連接方式沒有改變，就不會變成另一種化合物。如果連接方式相同，正確運用 IUPAC 命名程序便會得到相同的名稱。
10接下來可以學習什麼？
當你掌握了母鏈的選擇、正確標示多重鍵的位置編號，以及區分母鏈與甲基、乙基支鏈的方法後，就具備了比較結構異構物的基礎，而不只是辨認分子式的模式。
這些知識也為你命名具有其他官能基的烴類及有機化合物奠定基礎。命名程序會變得更詳細，因為官能基可能影響字尾、編號方式及母鏈的選擇，但基本問題始終相同：這個名稱究竟描述了哪一種確切的結構？
如需了解更廣泛的命名框架，可以繼續閱讀 HSC Chemistry 適用的 C8 以內有機化合物 IUPAC 命名指南。