酸、胺、醯胺與鹵代化合物的 IUPAC 命名
學習如何運用 IUPAC 的官能基優先次序、字首與位置號碼,為羧酸、胺、醯胺及鹵代有機化合物命名。
學生看到 \(\ce{CH3CH(Cl)CH2COOH}\) 時說:「氯比較靠近左端,所以一定是 2-chloro…。」這聽起來很合理。畢竟,有機化合物命名一直強調要使用較小的數字。
但這個化合物是 3-chlorobutanoic acid,不是 2-chlorobutanoic acid。羧酸基會強制從它的碳開始編號,即使這會讓氯得到較大的位置號碼。
這正是這些命名規則真正要解決的問題:當名稱中有多個特徵彼此競爭時,究竟哪一個具有決定權?
01控制名稱的官能基
把一個有機化合物名稱想像成一場稍微混亂的小組報告。其中一個官能基會拿到麥克風。這個官能基決定名稱的字尾,而且通常也決定編號方式。其他所有特徵都必須改以字首表示。
麥克風並不是交給在你的結構圖中最靠近末端的官能基。IUPAC 使用固定的優先次序系統。
對本指南涉及的官能基而言,實用的優先次序是:
\[ \text{羧酸} > \text{醯胺} > \text{胺} > \text{鹵素} \]
這只是 IUPAC 優先次序系統中與本文相關的部分,並不是完整的優先順序。
在這些名稱中,鹵素不會成為字尾。氟、氯、溴和碘分別以 fluoro-、chloro-、bromo- 和 iodo- 作為字首。
不過,這個比喻也有其限度。官能基並不是真的在搶麥克風,這也不是在對它們的化學重要性進行排名。這只是一套命名慣例,讓世界各地的化學家可以根據同一個名稱辨認出同一個結構。

02四種應立即辨認出的結構模式
在開始擔心名稱之前,先訓練自己辨認官能基。如果一開始就認錯官能基,之後每一個命名步驟即使都執行得完全正確,最後仍然會得到錯誤答案。
| 基團 | 結構特徵 | 主要命名形式 | 關鍵編號規則 |
|---|---|---|---|
| 羧酸 | \(\ce{-COOH}\) | -oic acid | 羧基中的碳是第 1 號碳 |
| 胺 | 通常為 \(\ce{-NH2}\) | -amine | 當胺是主官能基時,讓胺取得盡可能小的位置號碼 |
| 醯胺 | \(\ce{-CONH2}\) | -amide | 羰基碳是第 1 號碳 |
| 鹵代化合物 | \(\ce{-F}\)、\(\ce{-Cl}\)、\(\ce{-Br}\) 或 \(\ce{-I}\) | fluoro-、chloro-、bromo-、iodo- | 將鹵素視為取代基 |
**位置號碼(locant)**就是用來指出某個基團連接在何處的數字。
因此,在 2-bromobutane 中,2 就是溴的位置號碼。
03羧酸:\(\ce{-COOH}\) 中的碳也要計入
考慮:
\[ \ce{CH3CH2COOH} \]
母鏈中有多少個碳?
很容易只看到 \(\ce{CH3CH2}\) 而回答兩個。但 \(\ce{-COOH}\) 裡面的碳同樣是碳鏈的一部分。總共有三個碳,所以這個化合物是 propanoic acid。
規則是:
- 找出包含羧基碳的最長碳鏈。
- 將羧基碳定為第 1 號碳。
- 將烷烴字尾
-e改成-oic acid。
例如:
\[ \ce{CH3CH(CH3)COOH} \]
包含 \(\ce{-COOH}\) 碳的最長碳鏈有三個碳,因此母體是 propanoic acid。甲基支鏈位於第 2 號碳。
名稱是 2-methylpropanoic acid。
請注意,你不會寫成類似 propan-1-oic acid 的形式。羧酸基位於母鏈的末端,因此它的碳自動就是第 1 號碳。
當存在另一個官能基時
假設結構是:
\[ \ce{HOOC-CH(NH2)-CH2-CH3} \]
先預測名稱的字尾。它應該命名為胺,還是羧酸?
羧酸的命名優先次序較高,因此它保留字尾。\(\ce{-NH2}\) 基團則變成字首 amino-。
母鏈有四個碳,而 amino 基位於第 2 號碳,因此名稱為 2-aminobutanoic acid。
這就是為什麼只要看到 \(\ce{-NH2}\) 就立刻寫上 -amine 是很危險的。字尾取決於結構中還存在什麼其他官能基。
04胺:優先給含氮連接位置較小的號碼
對於像下面這樣的簡單一級胺:
\[ \ce{CH3CH2CH2NH2} \]
三碳母體是 propane。\(\ce{-NH2}\) 基團連接在第 1 號碳,因此名稱為 propan-1-amine。
再比較:
\[ \ce{CH3CH(NH2)CH3} \]
母體仍然是 propane,但 amino 基連接在第 2 號碳。名稱是 propan-2-amine。
當胺是主官能基時,要選擇包含與氮相連之碳的母鏈,然後進行編號,使胺得到盡可能小的位置號碼。
這項優先權高於讓甲基或鹵素取得較小號碼的考量。
例如:
\[ \ce{BrCH2CH2CH(NH2)CH3} \]
從右邊開始編號,胺位於第 2 號碳,而溴位於第 4 號碳。若從左邊開始,胺則會位於第 3 號碳。
因此正確名稱是 4-bromobutan-2-amine。
在這個編號決定中,胺具有優先權。
05醯胺:別漏掉羰基碳
醯胺含有以下基團:
\[ \ce{-CONH2} \]
學生有時看到氮,就把醯胺當成「一個胺連在酮上」。不要這樣做。整個 \(\ce{-CONH2}\) 單元才是具有代表性的醯胺官能基。
考慮:
\[ \ce{CH3CH2CONH2} \]
羰基碳屬於母鏈的一部分。從它開始計數,共有三個碳:
- 第 1 號碳:羰基碳,
- 第 2 號碳:\(\ce{CH2}\),
- 第 3 號碳:\(\ce{CH3}\)。
名稱是 propanamide。
現在考慮:
\[ \ce{CH3CH(CH3)CONH2} \]
母鏈有三個碳,而第 2 號碳上有一個甲基取代基。
名稱是 2-methylpropanamide。
和羧酸一樣,醯胺的羰基碳自動是第 1 號碳,所以在這些結構中,-amide 字尾不需要另外標示位置號碼。
一個實用的延伸:連接在氮上的取代基
碳取代基也可以直接連接在醯胺的氮上。
例如:
\[ \ce{CH3CH2CONHCH3} \]
這個甲基並不是連在 propanamide 碳鏈的第 1、2 或 3 號碳上。它是連在氮上。
IUPAC 使用 \(N\) 而不是數字來表示這一點:
N-methylpropanamide
這個 \(N\) 的意思是「連接在氮上」。
當你要判斷某個碳是否應納入主碳鏈時,這點會變得很重要。我們會在最後一道練習題中再次討論。
06鹵代化合物:鹵素的作用如同取代基
你需要知道的四個字首是:
| 鹵素 | 字首 |
|---|---|
| \(\ce{F}\) | fluoro- |
| \(\ce{Cl}\) | chloro- |
| \(\ce{Br}\) | bromo- |
| \(\ce{I}\) | iodo- |
對於
\[ \ce{CH3CH(Br)CH2CH3} \]
要從較靠近溴的一端開始編號。溴連接在第 2 號碳,因此名稱是 2-bromobutane。
當有多個取代基時,在完整名稱中要依英文字母順序排列。
例如,一條 pentane 碳鏈在第 3 號碳上有溴、第 2 號碳上有甲基,其名稱為:
3-bromo-2-methylpentane
按英文字母順序,bromo 排在 methyl 前面。
但要小心:英文字母順序通常是在完成碳鏈編號後,用來排列字首的。它通常不決定哪一端是第 1 號碳。
只有在一般編號規則真的造成平手時,才需要使用進一步的決勝規則。
如果你對選擇母鏈和為支鏈編號的基本規則仍不熟悉,可以複習 HSC 化學:碳數不超過 C8 的有機化合物 IUPAC 命名法 和 HSC 化學:甲基與乙基支鏈的命名。
07在壓力下也可靠的命名方法
當結構變得複雜時,不要試圖從左到右直接「讀出」它的名稱。應該按照固定順序一步步建立名稱。
1. 找出每一個官能基
特別尋找 \(\ce{-COOH}\)、\(\ce{-CONH2}\)、\(\ce{-NH2}\) 和鹵素。
在選擇碳鏈之前先完成這一步。
2. 決定哪個官能基控制字尾
在本文涉及的官能基中:
\[ \text{羧酸} > \text{醯胺} > \text{胺} > \text{鹵素} \]
例如,如果羧酸和胺同時存在,該化合物會按酸來命名,而 \(\ce{-NH2}\) 會變成 amino-。
3. 選擇母鏈
選擇包含主官能基的適當最長碳鏈。
對羧酸或醯胺而言,羰基碳必須包含在母鏈中。
4. 先按照主官能基進行編號
使用字尾的官能基優先於一般取代基。
不要從「視覺上最接近」支鏈的一端開始編號。
5. 標出字首的位置並依字母順序排列
寫出每個 methyl、ethyl、amino 或 halo 取代基的位置號碼。
在最後的名稱中,不同字首要按英文字母順序排列。
6. 加上母體名稱和字尾
檢查標點符號:
- 逗號用來分隔數字,例如
2,3-dibromobutane; - 連字號用來分隔數字和文字;
- 在
butanoic acid這類名稱中,兩個單字之間要有空格。
08範例解析:命名一個有取代基的羧酸
寫出 \(\ce{CH3CH(Cl)CH(CH3)CH2COOH}\) 的系統 IUPAC 名稱。
步驟 1:找出控制名稱的官能基。
分子含有 \(\ce{-COOH}\),因此它是羧酸。這個官能基決定字尾為 -oic acid。
步驟 2:選擇母鏈。
包含羧基碳的最長碳鏈有五個碳。
因此母體是 pentanoic acid。
步驟 3:從羧基碳開始編號。
按編號方向寫出結構:
\[ \ce{HOOC-CH2-CH(CH3)-CH(Cl)-CH3} \]
羧基碳是第 1 號碳。這使甲基位於第 3 號碳,而氯位於第 4 號碳。
步驟 4:排列字首。
按英文字母順序,chloro 排在 methyl 前面。
完整名稱是 4-chloro-3-methylpentanoic acid。
重要的不只是最後的名稱。氯的位置號碼是 4,即使從另一端開始編號看起來可以讓它得到較小的數字。酸基控制編號方式,所以第 1 號碳的位置沒有協商空間。
09範例解析:命名一個帶鹵素的支鏈胺
寫出 \(\ce{CH3CH(Cl)CH(CH3)CH2NH2}\) 的系統 IUPAC 名稱。
步驟 1:找出主官能基。
分子含有胺和一個氯取代基。胺提供字尾,而氯則成為 chloro-。
步驟 2:選擇母鏈。
包含與 \(\ce{-NH2}\) 相連之碳的最長適當碳鏈有四個碳。
因此母體是 butane。
步驟 3:按胺的位置為碳鏈編號。
從 \(\ce{-NH2}\) 一端開始編號,得到:
\[ \ce{H2N-CH2-CH(CH3)-CH(Cl)-CH3} \]
胺位於第 1 號碳,甲基位於第 2 號碳,而氯位於第 3 號碳。
步驟 4:組成名稱。
按英文字母順序,chloro 排在 methyl 前面。
完整名稱是 3-chloro-2-methylbutan-1-amine。
真正關鍵的決定發生在排列字母順序之前:必須先讓胺取得最低的位置號碼。
10範例解析:區分碳取代基與 N-取代基
命名 \(\ce{CH3CH(Cl)CONHCH3}\)。
步驟 1:辨認醯胺。
\(\ce{-CONH-}\) 單元表示這是一個醯胺。羰基碳屬於母鏈,而且是第 1 號碳。
步驟 2:命名碳母體。
包含羰基碳的母鏈有三個碳,所以母體是 propanamide。
氯連接在第 2 號碳上。
步驟 3:找出剩下甲基的位置。
最後一個 \(\ce{CH3}\) 直接與氮相連,而不是連在母鏈三個碳中的任何一個上。
因此它的位置標示為 \(N\),得到 N-methyl。
步驟 4:組合字首與母體。
系統名稱是 2-chloro-N-methylpropanamide。
如果把它稱為 2-chloro-3-methylpropanamide,就會改變原子的連接方式。名稱中的 \(N\) 具有真正的化學意義:它告訴你甲基究竟連接在哪個原子上。
11最容易讓人犯錯的命名想法
| 誘人的想法 | 為什麼聽起來合理 | 實際上由什麼控制名稱 |
|---|---|---|
| 「從能讓第一個支鏈得到最小號碼的一端開始編號。」 | 對很多簡單烷烴而言,這樣做確實有效。 | 酸、醯胺或胺等主官能基具有編號優先權。 |
| 「\(\ce{-COOH}\) 或 \(\ce{-CONH2}\) 裡的碳不是碳鏈的一部分。」 | 它位於官能基的化學式裡,看起來不像普通的 \(\ce{CH2}\)。 | 那個碳屬於母鏈,而且是第 1 號碳。 |
「只要看到 \(\ce{-NH2}\),名稱一定以 -amine 結尾。」 | 胺通常確實使用這個字尾。 | 優先次序更高的官能基可以取得字尾,使 \(\ce{-NH2}\) 變成 amino-。 |
| 「英文字母順序會告訴我該從哪一端開始編號。」 | 在完整名稱中,字首確實按英文字母順序排列。 | 編號規則要先處理。英文字母順序只用來解決某些平手情況。 |
| 「一旦選定母鏈,不論之後如何都繼續使用它。」 | 感覺一個結構應該有一條永久固定的骨架。 | 你必須根據最後得到的結構重新選擇正確的母鏈。新接上的碳可能改變最長母鏈。 |
| 「\(N\)-methyl 基只是另一個有數字位置的 methyl 支鏈。」 | 它和一般甲基一樣都含有碳。 | \(N\)- 表示該基團連接在氮上,而不是某個有編號的母鏈碳上。 |
整體而言,常聽到的「使用最低的數字」其實並不完整。更好的規則是:
把最低的號碼給 IUPAC 規定具有優先權的特徵。
一旦優先順序清楚,這些數字就不再顯得武斷。
12問題與解答
問題 1
寫出 \(\ce{CH3CH(Br)CH2CH3}\) 的系統 IUPAC 名稱。
解答 1
這個化合物是 2-bromobutane。
最長碳鏈有四個碳,所以母體是 butane。溴視為字首 bromo-。
從較近的一端開始編號,溴位於第 2 號碳:
\[ \ce{CH3-CH(Br)-CH2-CH3} \]
如果從另一端開始編號,溴的位置會是第 3 號碳,所以較小的有效位置號碼是 2。
一個很容易犯的錯誤是寫成 2-bromobut-ane,試圖把母體的字尾另外拆開。對鹵代烷而言,母體仍使用正常的烷烴名稱:butane。
問題 2
寫出 \(\ce{CH3CH(Cl)CH(CH3)CONH2}\) 的系統 IUPAC 名稱。說明哪一個碳必須是第 1 號碳。
解答 2
這個化合物是 3-chloro-2-methylbutanamide,而醯胺的羰基碳必須是第 1 號碳。
從醯胺端開始重寫碳鏈:
\[ \ce{H2NCO-CH(CH3)-CH(Cl)-CH3} \]
把羰基碳計入後,母體包含四個碳,所以是 butanamide。
各位置為:
- 第 1 號碳:醯胺的羰基碳,
- 第 2 號碳:methyl 取代基,
- 第 3 號碳:chloro 取代基,
- 第 4 號碳:末端的 \(\ce{CH3}\)。
字首按照英文字母順序排列,因此 chloro- 位於 methyl- 前面,得到 3-chloro-2-methylbutanamide。
一個很誘人的做法是從左邊開始編號,因為如此一來氯的位置號碼會是 2。但這是錯的,因為醯胺是主官能基。在考慮普通取代基的位置號碼之前,它的羰基碳就已經固定為第 1 號碳。
問題 3
寫出下列化合物的系統名稱:
\[ \ce{HOOC-CH(NH2)-CH(Br)-CH2-CH3} \]
並解釋為什麼 amine 和 bromo 都不能成為名稱的字尾。
解答 3
這個化合物是 2-amino-3-bromopentanoic acid。
羧酸是結構中優先次序最高的官能基,因此母體必須按照羧酸來命名。它的碳是第 1 號碳。
五碳母體是 pentanoic acid:
\[ \ce{HOOC^{(1)}-CH(NH2)^{(2)}-CH(Br)^{(3)}-CH2^{(4)}-CH3^{(5)}} \]
\(\ce{-NH2}\) 基團不能使用 -amine 作為字尾,因為羧酸已經取得字尾。因此它改為字首 amino-。
在本文涉及的命名中,溴一律以字首 bromo- 表示。
兩個取代基分別位於第 2 和第 3 號碳。在完整名稱中,amino- 按英文字母順序排在 bromo- 前面,因此得到 2-amino-3-bromopentanoic acid。
一個看似合理但錯誤的答案是 3-bromo-2-aminopentanoic acid。它的位置號碼描述的是相同位置,但系統命名中的字首順序要求 amino 排在 bromo 前面。另一種錯誤做法是從烷基端開始編號,使溴成為第 3 號、amino 基成為第 4 號,並把酸基碳當成第 5 號。這忽略了決定性的限制:羧酸的碳必須是第 1 號碳。
問題 4
考慮這個沒有支鏈的化合物:
\[ \ce{CH3-CH(Br)-CH2-CH(NH2)-CH2-CH(Cl)-CH3} \]
無論從哪一端開始編號,胺都位於第 4 號碳,而兩個鹵素的位置號碼集合都是 \(2,6\)。
判斷其首選系統名稱。然後判斷 2-chloro-6-bromoheptan-4-amine 所表示的是另一個不同的結構異構化合物,還是相同的原子連接方式、只是採用了非首選的編號。
解答 4
首選系統名稱是 2-bromo-6-chloroheptan-4-amine,而 2-chloro-6-bromoheptan-4-amine 對應的是相同的分子連接方式,而不是不同的結構異構化合物。
首先,母鏈含有七個碳,所以它是 heptane 的衍生物。無論從哪一端開始編號,胺都位於第 4 號碳:
\[ \text{heptan-4-amine} \]
現在比較兩個方向。
從左邊開始:
- bromo:第 2 號碳,
- amine:第 4 號碳,
- chloro:第 6 號碳。
從右邊開始:
- chloro:第 2 號碳,
- amine:第 4 號碳,
- bromo:第 6 號碳。
通常使用的「最低位置號碼集合」判斷法無法區分兩者。兩個方向都會得到 \(2,4,6\)。
遇到這種真正的平手時,按英文字母順序較先列出的取代基取得較小的位置號碼。Bromo 排在 chloro 前面,因此溴取得第 2 號碳。首選名稱因此是 2-bromo-6-chloroheptan-4-amine。
更深一層的陷阱,是以為把 2-bromo, 6-chloro 換成 2-chloro, 6-bromo,就一定表示另一個結構異構物。先把兩者都畫出來,再下結論。
把七碳鏈反向後,第 2 號碳會對應到第 6 號碳,而中央的第 4 號碳保持不變。因此結構
\[ \ce{CH3-CH(Br)-CH2-CH(NH2)-CH2-CH(Cl)-CH3} \]
從另一端觀察時,仍然具有相同的原子連接方式。這個特定母體骨架的兩端可藉由反轉彼此對應。
改變的是編號描述,而不是哪些原子彼此相連。
學生可能會很有把握地說:「溴和氯交換了碳的位置,所以化合物改變了。」如果第 2 號碳和第 6 號碳是在一個不對稱母體中具有固定且化學上不同的位置,那麼這個說法會成立。然而在這裡,這些位置標籤取決於你把哪一端稱為第 1 號碳。把整條碳鏈反向,就能把其中一種描述轉換成另一種。
問題 5
從 propanamide 開始:
\[ \ce{CH3CH2CONH2} \]
想像用一個 methyl 基 \(\ce{-CH3}\) 取代一個氫原子,分別採用以下三種方式:
- 將 methyl 基接到 propanamide 的第 2 號碳;
- 將它接到 propanamide 末端的第 3 號碳;
- 將它直接接到醯胺的氮上。
寫出每一種產物的系統名稱。判斷三種產物是否為不同的結構異構物,並解釋為什麼 3-methylpropanamide 不是產物 2 的正確名稱。
解答 5
三種產物分別是 2-methylpropanamide、butanamide 和 N-methylpropanamide,而且它們是三種不同的結構異構物,具有相同的分子式 \(\ce{C4H9NO}\)。
對產物 1 而言,在第 2 號碳加上一個 methyl 基會得到:
\[ \ce{CH3CH(CH3)CONH2} \]
包含醯胺羰基碳的最長碳鏈仍然只有三個碳。新增的碳確實構成第 2 號碳上的一個支鏈。
因此名稱是 2-methylpropanamide。
對產物 2 而言,很容易想沿用原本 propanamide 的編號,寫成 3-methylpropanamide。這等於把原來的母鏈當成永久固定不變。
但當 methyl 基接到末端碳之後,最後的結構是:
\[ \ce{CH3CH2CH2CONH2} \]
現在存在一條包含醯胺羰基碳、連續相接的四碳鏈。IUPAC 命名必須根據最後完成的結構進行,因此較長的碳鏈會成為母鏈。
所以正確名稱是 butanamide,而不是 3-methylpropanamide。
這正是本題的關鍵:位置號碼描述的是最後選出的首選母體結構。它不是用來記錄你先前在某個分子上把東西接到哪裡的歷史紀錄。
對產物 3 而言,將 methyl 基直接接到氮上會得到:
\[ \ce{CH3CH2CONHCH3} \]
這個 methyl 碳不能併入碳母鏈,因為從該碳到羰基碳的路徑會經過氮原子。母體碳鏈必須由彼此直接相連的碳原子組成。
因此三碳母體仍然是 propanamide,而連接在氮上的取代基使用 \(N\) 表示:
N-methylpropanamide。
這三種化合物都含有四個碳、九個氫、一個氮和一個氧,所以它們的分子式都是 \(\ce{C4H9NO}\)。然而,它們的原子連接方式不同:
- 2-methylpropanamide 具有支鏈碳骨架;
- butanamide 具有無支鏈的四碳骨架;
- N-methylpropanamide 有一個 methyl 碳直接與氮相連。
因此,它們是結構異構物。
一個很誘人的結論是:「把同一個 methyl 基加到三個不同位置,應該就只是得到三種 methylpropanamide。」打破這種推理的關鍵限制是母鏈的選擇。其中一種改變會延長碳母鏈,而另一種則因為新碳與氮相連,使它位於該碳鏈之外。每一次都必須從頭根據完成後的分子結構重新命名。
13這些規則接下來能讓你做到什麼
一旦你能辨認主官能基、選出正確母鏈,並按正確的優先順序指定位置號碼,有機化合物名稱就不再只是標籤。你可以從系統名稱反推出唯一的結構式,也可以區分具有相同分子式、但原子連接方式不同的化合物。
當你接著學習結構異構物、反應途徑以及有機反應產物的判讀時,這項能力尤其有用。像 2-methylpropanamide、butanamide 或 N-methylpropanamide 這樣的名稱,在你還沒畫出任何一條鍵之前,就已經告訴你哪些原子必須彼此相連。