大学化学, 2019, 34(6): 66-71 doi: 10.3866/PKU.DXHX201811025

师生笔谈

对《有机化合物命名原则2017》中有关“顺序”问题的思考

赵淑杰,, 李明堂, 朱鹤, 洪波, 刘文丛

Study and Thoughts about the Questions of "Order" for Chinese Nomenclature of Organic Compounds in the 2017 Edition

ZHAO Shujie,, LI Mingtang, ZHU He, HONG Bo, LIU Wencong

通讯作者: 赵淑杰, Email: zhsjlong@163.com

收稿日期: 2018-11-26   接受日期: 2019-01-4  

基金资助: 2018年吉林省高等教育教学改革研究课题
吉林省高等教育学会2017立项资助项目.  JGJX2017D38
吉林农业大学教育教学研究2018重点资助课题.  2018XJZD15

Received: 2018-11-26   Accepted: 2019-01-4  

Fund supported: 2018年吉林省高等教育教学改革研究课题
吉林省高等教育学会2017立项资助项目.  JGJX2017D38
吉林农业大学教育教学研究2018重点资助课题.  2018XJZD15

摘要

在仔细学习《有机化合物命名原则2017》的基础上,将新规定中与1980版相比的主要变化,从主体基团选择顺序、取代基列出顺序、主体结构编号顺序、取代基及主体基团位次编号插入的位置、立体化学中的“顺序规则”等几个方面进行归纳与总结,以简洁明了的方式为有机化学的学习与教学提供一份参考。

关键词: 有机物命名 ; 特性基团 ; 取代基 ; 最低位次组 ; 顺序规则

Abstract

With careful study of the Chinese Nomenclature of Organic Compounds (2017), the major changes in the new regulations compared with the 1980 edition are summarized, including the order of main characteristic groups, the listing order of substituent groups, the numbering order of main structure, the location of substituent group and main group numbering, and the "order rule" in stereochemistry. In order to provide a reference for the study and teaching of Organic Chemistry in a concise and clear way, this paper summarizes the aspects.

Keywords: Organic compounds nomenclature ; Characteristic group ; Substituent group ; The lowest order rule ; Cahn-Ingold-Prelog sequence rule

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本文引用格式

赵淑杰, 李明堂, 朱鹤, 洪波, 刘文丛. 对《有机化合物命名原则2017》中有关“顺序”问题的思考. 大学化学[J], 2019, 34(6): 66-71 doi:10.3866/PKU.DXHX201811025

ZHAO Shujie. Study and Thoughts about the Questions of "Order" for Chinese Nomenclature of Organic Compounds in the 2017 Edition. University Chemistry[J], 2019, 34(6): 66-71 doi:10.3866/PKU.DXHX201811025

有机化学的主要内容为有机化合物(简称“有机物”)的命名、结构和化学性质及其相互转化规律[1],有机物的名称是有机化学中最基本的科技名词,它关系到学生对有机化学知识的学习、文献查阅、论文发表以及化学学科与其他学科之间的交流等。有机物的命名方法随着有机化学的发展在不断地完善,中国依据IUPAC《有机化学命名法》的原则,结合我国文字特点推出过《有机化学命名原则》1960 [2]、1980 [3]年版,此前,我们一直使用的是1980版的有关原则命名有机物。2017年12月中国化学会有机化合物命名审定委员会编著出版了《有机化合物命名原则2017》[4],与1980版相比有了较大改动和补充,2017版更多地遵循了IUPAC历年来推荐的命名原则,因此在今后的教学以及教材的编写中也势必要做出更改。本文在仔细学习《有机化合物命名原则2017》的基础上,将有机物命名中涉及的主体基团选择顺序、取代基列出顺序、主体结构编号顺序、取代基及主体基团位次编号插入位置、立体化学中的“顺序规则”中的新规定等进行归纳与总结,希望以简洁明了的方式为教师应用新版命名原则教学,更是为有机化学的初学者提供一份有益的参考。

1 有机化合物系统名称的基本建构

有机物结构复杂、种类繁多、数量庞大,为了便于学习与交流,因此制定了规则,按照规则即可准确统一地给有机物命名。

有机物命名原则主要是根据化合物的结构本质确定命名的操作方法,新版本建议中主要采用的是取代命名法,还有官能团类别命名法、置换命名法等,其实质就是名称体现结构的系统命名法。有机物名称通常由母体氢化物(烃等)的名称和取代基以及特性基团(官能(基)团)的名称复合而成,因此系统命名法构成形式可简单表示为:前缀-母体氢化物名-后缀;相当于原版的系统命名法:取代基的位次-取代基名称-母体名称,举例进行比较,见图1

图1

图1   1980版与2017版系统命名的比较


可见,系统命名法实施时主要涉及用作后缀的主体基团的确定、用作前缀的取代基的确定及列出顺序、母体氢化物的确定及编号、取代基及主体基团位次插入位置这4个主要模块。由此使复杂的有机物命名变得简洁明了,使学生了解,原来命名就是从这4个方面掌握规则,为后面的具体学习设定了目标。同时也可看出新版命名原则主要在这些模块上有明显变化,以下就主要从这几个模块对命名原则中有变化的地方着重思考、分析总结。

2 用作后缀的特性基团(主体基团)的选择顺序

在新版命名规则中提出了“特性基团(characteristic groups)”一词,但是并没有给出十分精确的定义,习惯上特性基团是指与母体以非碳-碳键相连的取代基,但也包括―COOH、―CN、―C≡C―等具官能性的基团,简单地说“特性基团”也即1980版所称的“官能(基)团”,只是新版中大多数情况下叫做特性基团,有机化合物主要是按特性基团分类的。

特性基团作为主体基团(类型化合物)的名称及优先次序为:自由基,负离子,正离子,两性离子化合物,―COOH (羧酸),―CO―OOH (过氧酸),―SO3H (磺酸),(酸酐),―COOR (酯),―COX (酰卤),(酰胺),―CN (腈),―CHO (醛),(酮),―OH (醇),Ar―OH (酚),―SH (硫醇),Ar―SH (硫酚),―C≡C― (炔),(烯),(烷),―NH2 (胺),(亚胺),(醚),―X (卤代烃),―NO2 (硝基化合物)。

化合物中如果只含一个特性基团,可以对应地称为某类型化合物;从自由基到醚键,这些基团一般是作为后缀放在母体氢化物后面为母体名称,例如乙酸、苯甲醛、丁-2-烯;氨基(―NH2)、亚氨基()、醚键()可作为后缀,母体名称分别称为胺、亚胺、醚,也可作为取代基以前缀列在主体名称前,例如:环己胺(也称氨基环己烷)、苯甲醚、2-氨基-3-甲基己烷(图2);卤素原子(―X)、硝基(―NO2)在系统命名法中只能作为取代基以前缀列在主体名称前,如2-氯-3-甲基戊烷。

图2

图2   氨基、醚键可作前缀也可作后缀


化合物中如果有多个特性基团时,只能选择一个特性基团作为后缀,此基团称作主体基团,作为主体名称。主体基团的选择按特性基团作为主体基团的优先次序,排在次序前面者为主体基团,其余基团为取代基,作为前缀列在主体名称前。例如图3所列化合物。

图3

图3   多个特性基团时选择一个为主体基团


3 作为前缀的取代基列出顺序

系统命名法中主要采用取代操作命名法,即先确定母体氢化物和主特性基团,其余特性基团作为取代基,以前缀列在主体名称前。2017版命名原则中与1980版最显著的区别之一就是,作为前缀中的各个取代基列出顺序的规定有明显改变。2017版规定:按基团的英文名称由首字母开始按字母顺序由A到Z的顺序依次比较,命名时排在前的先列出。有关“基”的定义与名称在新版书中[4]及文献[5, 6]中都有介绍,而对于大多数普通院校学生先掌握以下常见基团的中、英文名称(列于表1)即可完成有机化学的基本学习,后续学习时学生可根据需要去查阅和增补。

表1   命名中常见基团的中英文名称

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掌握了基团的英文名称,在命名时学生就能清晰理解图1的例子3-氯-4, 7-二甲基壬-2, 8-二醇,其中前缀“氯(chloro)”列在“甲基(methyl)”前。这部分内容可在讲授各类化合物前交待给学生,要求学生掌握。

4 母体结构的编号顺序

总体来看2017版中各类化合物的编号总体规则与1980版变化不大,还是按照已经确定的编号方式进行编号,只是在编号的起点和方向上有不同选择时,有一些新规定。在2017版命名原则中,将原有的“最低系列”改为“最低(小)位次组”,是指在母体编号时,将按照“额外氢、后缀的主体基团、杂原子、不饱和键、取代基”的顺序依次考虑使其有尽量小的位次,当有几种编号可能时,将表示位次的数字组成组,数字组按数字由小及大进行排列,不同组相比较时,由首个位次开始,依次比较至分出大小,最先遇到位次较小者位次组即为“最低(小)位次组”,命名时优先选择此编号顺序。例如图4中“2-氯-3甲基戊烷”的编号是唯一符合最低(小)位次组的编号。

图4

图4   按最低(小)位次组编号实例


编号时优先选择“最低(小)位次组”进行编号,这与原有“最低系列”规则也类似,主要区别是新版中规定“前缀中排列在前的取代基的位次最低(小)”,即在其他情况相同时按照取代基的英文名称字母顺序排在前的基团尽量为最低(小)位次。例如图4中实例:“1-溴-3-氯苯和1-氯-3-溴苯”,“3-乙基-4-甲基己烷和3-甲基-4-乙基己烷”这样的都符合最低(小)位次组时,要优先选择使按取代基英文名称字母顺序排在前的基团位次较低的方式,所以优先使溴(bromo)比氯(chloro)有较低位次,乙基(ethyl)比甲基(methyl)有较低位次的编号。

5 命名中位次编号插入的位置

2017版规定:原子和基团位次的标明一律采用位次数字插入代表它们的名称之前,这是与以前的规定有所不同之处。其中前缀取代基位次的插入位置和写法没变,主要的变化是作为后缀的基团的位次插入在基团的名称之前,而不是母体氢化物之前。例如图5所示。

图5

图5   命名时位次编号插入的位置实例


6 立体化学命名中的顺序规则

有机化合物中普遍存在着同分异构现象,包括构造异构和立体异构。立体异构是由于分子内原子或原子团在空间(三维空间)排列的方式不同所引起的异构现象。立体异构包括构型和构象两部分,在有机合成、天然有机化合物、生物化学等的研究方面都有着重要的意义,因此立体化学是有机化学中重要的一部分。有机物命名时,对化合物立体异构体的描述是通过立体化学的术语、符号,以“立体词头”的形式,作为一种前缀置于化合物名称的最前面,这些“立体词头”主要包括标记顺反异构的ZEcis (顺式),trans (反式);r(reference substituent,对照基团),c (与对照基团在同侧,顺式),t (与对照基团在异侧,反式);标记旋光异构的D,L;RSR*S*rs等。与1980版相比,这些词头表示的意义及确定方式没有改变,命名时的主要变化是:

(1)一般双取代的烯烃化合物和单环上两个不同位置的取代基,标记其相对立体异构体关系时用cistrans表示,置于化合物名称之前,并加“-”连接,不用汉字“顺,反”表示,如图6所示。

图6

图6   二取代顺反异构体的标记


(2)环上有两个以上取代基时,则选定其中位次最低者为对照基团,标记“r”,其余取代基用“c”或“t”,表示它们与对照基团的相互立体关系,“r”“c”或“t”分别置于取代基位次后。

(3)关于“对照基团”的选择,在单环化合物同一位置上有两个不同取代基时,则把位次编号最低的,作为名称词尾的取代基定为“对照基团”,如图7中“1, 2-t-二溴环戊烷-1-r-甲酸”的羧基为词尾,所以羧基为对照基团;若无取代基作为名称词尾的,则从编号位次最低(按基团的英文名称字母顺序,使字母顺序靠前的有较小编号。)的一对取代基中,按顺序规则选择“较优先基团”为对照基,如图7中“1-r-溴-1-氯-3-c-乙基-3-t-甲基环己烷”,其中溴(bromo)英文名称字母顺序最前,所以所连碳编号为1,溴原子序数大于氯,为“较优先基团”,因此选择溴为对照基。

图7

图7   多取代顺反异构体的标记


ZErctRS这些立体相对构型的标记需要用到“顺序规则”(sequence rule),也叫优先基团次序规则(Cahn-Ingold-Prelog),用到这一规则进行构型标识的系统方法称为CIP优先系统(CIP priority system)。

“顺序规则”就是把立体异构源上的取代原子或基团按照先后顺序排列的规则。先后顺序最基本的核心就是将原子或基团由与中心原子相连的第一个原子(即“基”直接相连的原子)开始逐层级比较各个原子的原子序数,最先遇到原子序数大者为优先基团,排在先。有机化学中常见的原子优先关系通常表示如下:I > Br > Cl > F > O > N > 14C > 13C > D > H > : (孤对电子看成原子序数为零的“假想原子”),其中符号“ > ”表示“优先于”。

新版命名规则中“顺序规则”的主要内容与旧版相比没有什么变化。总体上记住下列五条“顺序规则”的基本规则,用以对原子或基团逐条依次考察、比较,直至定出按优先次序的排列。(1)原子序数大的优先于小的;(2)原子质量高的优于小的;(3)cis优先于transZ优先于E;(4)R优先于S;(5)RRSS优先于RSSR。例如图8所示化合物系统名称为“2, 3-二氯丁烷”,有两个手性碳,首先按顺序规则比较,标记两个手性碳的构型,按照最低位次组编号则(2R, 3S)和(2S, 3R)都符合最低(小)位次组,再按“顺序规则”R优先于S,所以R构型碳有最低位次编号,因此命名为(2R, 3S)-2, 3-二氯丁烷。

图8

图8   对映异构体的构型标记


顺序规则是立体化学中非常重要的规则,建议在讲到烯烃的顺反异构内容时先讲这一规则,之后再讲构型标记的规则,以应用引出人为规定的“顺序规则”。这样告诉学生只要记住规则(简单来说就是“常见原子的原子序数,逐层比较”)即可,不需要死记硬背各个基团的排列顺序,这样便于学生慢慢消化理解和掌握规则正确命名和标记立体异构。

参考文献

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中国科学院编译出版委员会名词室.有机化学物质的系统命名原则//科学出版社名词室.英汉化学化工词汇.第2版.北京:科学出版社, 1963.

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中国化学会. 有机化学命名原则, 北京: 科学出版社, 1983.

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中国化学会有机化合物命名审定委员会. 有机化合物命名原则, 北京: 科学出版社, 2017.

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孙贺平; 吴毓林. 大学化学, 2014, 29 (5), 47.

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刘强; 史玲; 刘志刚; 蔡双莲. 大学化学, 2018, 33 (5), 44.

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