《有機(jī)化合物命名原則2017》在環(huán)狀烴類化合物教學(xué)中的探討?

羅千福 王朝霞

（華東理工大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院化學(xué)系，上海 200237）

“名不正則言不順，言不順則事不成”。正確命名有機(jī)化合物是有機(jī)化學(xué)得以描述、記錄、傳播與交流的基礎(chǔ)和載體，然而，隨著有機(jī)化學(xué)學(xué)科的快速發(fā)展，1980年版 《有機(jī)化合物命名原則》（以下簡(jiǎn)稱 “80版原則”或 “舊原則”）在中文交流與教學(xué)中逐漸顯現(xiàn)出諸多問題［1］，已遠(yuǎn)不能適應(yīng)目前的新需求?；诖耍袊?guó)化學(xué)會(huì)于2017年底正式發(fā)布了新的 《有機(jī)化合物命名原則2017》［2］（以下簡(jiǎn)稱 “新原則” ），不僅增補(bǔ)了多種有機(jī)物結(jié)構(gòu)類型的新名稱，也對(duì)原有的命名原則進(jìn)行了修訂和完善，在方便中文交流的同時(shí)，還易于中英文名稱間的相互轉(zhuǎn)換，便于國(guó)際交流。

眾所周知，基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)中涉及的環(huán)狀烴類化合物包括單環(huán)與螺環(huán)、橋環(huán)、并環(huán)等多環(huán)烴類化合物，它們都屬于2017版命名原則里的母體氫化物 （見圖1）。新原則對(duì)環(huán)狀烴類化合物的命名不僅有修訂，還增補(bǔ)了 “熳”與 “蕃”兩種新名稱，具有一定的代表性［2-3］。

圖1 常見的環(huán)狀烴類化合物

本文圍繞環(huán)烴類化合物的命名，以廣大教師熟悉的80版原則為知識(shí)基礎(chǔ)［4-5］，分析新舊原則的相關(guān)性，對(duì)比其異同點(diǎn)，解讀新名稱，幫助廣大師生溫故知新，以盡快正確地掌握新命名原則，方便有機(jī)物命名新原則的教學(xué)與交流。

一、新版原則的主要修訂

（一）取代基的編號(hào)

對(duì)于帶有多個(gè)取代基的環(huán)烴類化合物而言，首先要求取代基編號(hào)遵循 “最低位次 （組）規(guī)則”，這與80版原則是相同的，但是，如果備選的位次組相同，則以取代基英文字母的先后依次排序編號(hào)。為了便于中英文有機(jī)物命名的相互轉(zhuǎn)換，新原則不再按以往立體化學(xué)里的Cahn-Ingold-Prelog順序規(guī)則 （CIP順序規(guī)則）排序，這一變化需要特別關(guān)注［2］165-169（見圖2）。

依據(jù) “最低位次 （組）規(guī)則”，在圖2化合物1的兩種可能編號(hào)順序中，取代基都在1、4位，即備選位次組相同，若按舊原則的CIP順序，甲基較小，位次應(yīng)盡可能低，因此，甲基、乙基分別定為1和4號(hào)位；現(xiàn)依據(jù)新原則，比較兩個(gè)取代基methyl（甲基）、ethyl（乙基）英文字母的先后順序，e＞m，編號(hào)正好相反，即乙基在前、定為1號(hào)位，甲基定為4號(hào)位。由此可見，熟悉常見取代基的英文表達(dá)是正確使用新原則的必備條件。

同樣道理，對(duì)化合物2和3編號(hào)，三個(gè)取代基在1、3、5位的可能性有多種，依據(jù)新原則，化合物2中，ethyl（乙基）＞methyl（甲基），乙基靠前、定為1號(hào)位；芳烴化合物3中，ethyl（乙基）＞methyl（甲基）＞propyl（丙基），所以乙基、甲基、丙基分別對(duì)應(yīng)1、3、5位；當(dāng)橋環(huán)、螺環(huán)烴類化合物的備選位次組相同時(shí)，同樣遵守這一原則 （化合物4和5）。圖2所示化合物的編號(hào)中，環(huán)內(nèi)為正確編號(hào)，環(huán)外為80版原則的編號(hào)，其余為錯(cuò)誤編號(hào)。

（二）取代基的書寫順序

正確編號(hào)后，在對(duì)多取代環(huán)烴化合物名稱進(jìn)行書寫時(shí)，取代基出現(xiàn)的先后與其所在位次無(wú)關(guān)，新、舊原則對(duì)此都加以認(rèn)同，但二者仍然有區(qū)別，前者規(guī)定取代基按其英文字母先后排序依次出現(xiàn)，后者仍然以簡(jiǎn)單基團(tuán)放前、較優(yōu)基團(tuán)放后的CIP順序?yàn)闇?zhǔn)。

按照新原則，化合物1中乙基、甲基分別編在1、4號(hào)位，但是書寫原則不同，書寫順序也不同，因?yàn)閑thyl＞methyl，所以，書寫時(shí)乙基在前、甲基在后，化合物1命名為1-乙基-4-甲基環(huán)己烷。如果按80版原則，乙基優(yōu)于甲基，似乎應(yīng)該命名為4-甲基-1-乙基環(huán)己烷，然而，這是一種按照新版原則編號(hào)、舊版原則書寫的典型錯(cuò)誤。另一個(gè)易錯(cuò)的例子是化合物6，按照“最低位次 （組）原則”，正確的編號(hào)順序是甲基、乙基、丙基分別對(duì)應(yīng)1、2、4位，而在名稱書寫時(shí)，取代基出現(xiàn)的先后與其位次無(wú)關(guān)，只與其英文字母先后關(guān)聯(lián)，ethyl＞methyl＞propyl，其名稱為2-乙基-1-甲基-4-丙基苯，與80版名稱仍有區(qū)別。由此可見，即便編號(hào)正確，沒有掌握正確的書寫順序，最后仍然會(huì)功虧一簣。

圖2 帶有多個(gè)取代基的環(huán)烴化合物的命名實(shí)例

（三）重鍵的編號(hào)與書寫順序

對(duì)帶有碳碳雙鍵、三鍵等重鍵的環(huán)烴類化合物，如果重鍵不在主環(huán)上，就按取代基處理；如果位于主環(huán)，則需標(biāo)明位次。編號(hào)時(shí)，首先要保證重鍵的位次盡可能小，其次再確保取代基位次（組）盡可能低。名稱書寫時(shí)，重鍵要標(biāo)明位次，插入在后綴 “烯”或 “炔”字之前 （見圖3）。

圖3 帶有重鍵的環(huán)烴化合物的命名實(shí)例

圖3 化合物7中，雙鍵作為取代基處理，ethyl＞methyl＞methylene，正確名稱為2-乙基-5-甲基-3-甲亞基二環(huán)［2.2.1］庚烷。當(dāng)重鍵在主環(huán)上時(shí)，對(duì)比化合物8、9中雙鍵在新、舊原則中的不同表達(dá)，新原則中，雙鍵位號(hào)放在其名稱 “二烯”“烯”之前，表示主環(huán)碳數(shù)的 “壬”“環(huán)己”移至前面，且與前面的名稱間沒有 “-”相連。

教學(xué)過程中，需要關(guān)注與強(qiáng)調(diào)這種新的表達(dá)方式，實(shí)際上，這種表達(dá)方式與IUPAC原則一致［6-8］，易于中英文名稱間的相互轉(zhuǎn)換，便于國(guó)際交流［9-10］。

二、新版原則對(duì)環(huán)烴類化合物的增補(bǔ)

（一）熳環(huán)烴類化合物

對(duì)環(huán)上有重鍵的單環(huán)烴類化合物，命名時(shí)通常將 “環(huán)某烷”中的后綴 “烷”改為 “烯”“炔”或 “烯炔”，如3-甲基環(huán)己烯、環(huán)庚-1，3-二烯、5-甲基環(huán)辛-1-烯-3-炔等。對(duì)含最大非累積雙鍵數(shù)的單環(huán)不飽和烴，若碳數(shù)大于6，我們稱為輪烯， 通式為 CnHn或 CnHn＋1（n＞6），如［12］輪烯、 1H-［9］輪烯等等 （見圖4）。

為便于中英文名稱的轉(zhuǎn)換，同時(shí)考慮在多環(huán)體系命名時(shí)的需要，新版原則增補(bǔ)了一個(gè)新的名詞：熳環(huán)環(huán)系 （mancude-ring systems），所謂熳環(huán)是指含最大非累積雙鍵數(shù)的不飽和環(huán)系化合物（英文mancude是指最大非累積雙鍵數(shù)ma ximum n umberofnoncu mulateddoublebond的縮略語(yǔ)［2-3］）。按此原則，環(huán)丙烯、環(huán)丁二烯、環(huán)戊二烯、環(huán)庚三烯、環(huán)辛四烯等即被稱為環(huán)丙熳、環(huán)丁熳、環(huán)戊熳、環(huán)庚熳、環(huán)辛熳等，超過十個(gè)碳的熳環(huán)，如圖4中化合物10為環(huán)十二碳熳。對(duì)熳環(huán)中未連有雙鍵的碳，可視作該位上帶有額外的氫，編號(hào)時(shí)需將其位次盡可能低，采用在其母體名稱前加位次和大寫并斜體的H來(lái)命名。如化合物11，將沒有雙鍵的碳原子編為1號(hào)，命名為1H-環(huán)壬熳。若熳環(huán)結(jié)構(gòu)中氫化狀態(tài)有變化，則在命名時(shí)加前綴 “氫化”（“化”通常省略），如果還有額外氫，則置于其前，因此，化合物12命名為1，2-二氫環(huán)十二碳熳。

圖4 幾個(gè)熳環(huán)烴類化合物的命名實(shí)例

對(duì)單環(huán)多烯類化合物，也可以命名為環(huán)狀多烯，但需注意：當(dāng)以多烯作為后綴時(shí)，化合物的編號(hào)必須確保雙鍵的位次組最低。因此，編號(hào)就可能會(huì)發(fā)生變化。例如化合物11、12分別命名為環(huán)壬-1，3，5，7-四烯和環(huán)十二-1，3，5，7，9-五烯，不僅編號(hào)變了 （圖4環(huán)外數(shù)字為其編號(hào)），而且與熳環(huán)命名相比更顯繁瑣。當(dāng)然，它們還可以命名為1H-［9］輪烯和1，2-二氫-［12］輪烯，相對(duì)也較為簡(jiǎn)捷，但是輪烯這一名稱是有限制的，對(duì)單環(huán)化合物而言，碳數(shù)必須大于6，對(duì)并環(huán)化合物而言，輪烯只能以主體、不能以拼合體的形式出現(xiàn)，熳環(huán)就不一樣了，既可以做主體，也可以做拼合體。因此，熳環(huán)包括了環(huán)狀多烯與輪烯，它的適用范圍更廣，使用起來(lái)也更簡(jiǎn)捷。

值得一提的是，熳環(huán)概念的出現(xiàn)不僅更新了環(huán)狀多烯類化合物，還擴(kuò)展到含有重鍵的雜環(huán)化合物。對(duì)含雜原子的環(huán)狀多烯，原有的命名法及已沿用的嗪、唑等字盡管仍然可以使用，但其專業(yè)性強(qiáng)，不能 “望文生義”，難記，易錯(cuò)。2017版新原則建議優(yōu)先選用熳環(huán)作為后綴，從圖5的實(shí)例我們可以看到，用熳環(huán)命名不僅簡(jiǎn)捷，而且名稱與結(jié)構(gòu)間的對(duì)應(yīng)性強(qiáng)，既不需特別記憶，又方便中英文間的互換，便于交流。

圖5 含雜原子的熳環(huán)化合物

作為一個(gè)新的名稱，熳環(huán)化合物具有適用范圍廣、通用性強(qiáng)、簡(jiǎn)捷、易記等明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，授課教師必須盡可能全面地掌握熳環(huán)類化合物的命名，同時(shí)，選取與基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)關(guān)系密切的結(jié)構(gòu)進(jìn)行講授，并積極推廣這一名稱，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)打下較堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)。

（二）蕃烴類化合物

蕃類化合物命名也是新版原則中增補(bǔ)的新名稱。早期被譯作 “環(huán)芳”或 “環(huán)蕃”，其實(shí)，蕃所涉及的結(jié)構(gòu)不是僅指環(huán)狀的環(huán)鏈體系，更不是局限于中文 “環(huán)芳”所意味的芳環(huán)-鏈體系，是指多個(gè)環(huán)或環(huán)系通過原子鏈連接成鏈或環(huán)的化合物，其中成環(huán)者即為環(huán)蕃，對(duì)此類化合物雖可通過其他環(huán)系母體氫化物進(jìn)行命名，但用蕃母體氫化物命名更為簡(jiǎn)單明了［2］115-125。

如圖6所示，命名時(shí)，先把蕃烴化合物a中的兩個(gè)環(huán)狀化合物用兩個(gè)大黑點(diǎn)簡(jiǎn)化成兩個(gè)“超原子”，繼而對(duì)這個(gè) “簡(jiǎn)化的母體骨架”b進(jìn)行命名，b中數(shù)字編號(hào)即是骨架位次，這是蕃母體氫化物命名的基本位次，仍然是遵循最低位次 （組）規(guī)則的，其中1、4位為 “超原子位次”，超原子所代表的兩個(gè)六元環(huán)稱為 “擴(kuò)展體”，以 “擴(kuò)展前綴”的形式進(jìn)行表達(dá)，同時(shí)，它自身也是有編號(hào)的，稱為 “擴(kuò)展體位次”，如a中的小號(hào)數(shù)字，往往將與母體骨架相連處定為1，按最低位次 （組）規(guī)則編號(hào)，確定接合位次，圖6中，上部擴(kuò)展體接合位次為 “1、4”，下部擴(kuò)展體接合位次為 “1、3”。

圖6 環(huán)蕃類化合物的簡(jiǎn)化與命名

命名時(shí)，先確定蕃簡(jiǎn)化母體骨架名，然后引入擴(kuò)展前綴，再加上超原子的位次和接合位次即構(gòu)成 “蕃母體名稱”。表示超原子的擴(kuò)展體如果是環(huán)狀母體氫化物，盡管不含雜原子，但名稱后面仍要加 “雜”構(gòu)成，如化合物17則命名為1 （1， 3）， 4 （1， 4）-二苯雜環(huán)六蕃。 如果擴(kuò)展體接合位次相同，則命名時(shí)接合位次僅需引用一次，置于相應(yīng)超原子編號(hào)組的后面，化合物18就是這樣的情況，擴(kuò)展前綴以 “1，7（1，3）-二苯雜”的形式給出，化合物命名為1，7（1，3）-二苯雜環(huán)十二蕃-2-烯-5-炔。

在蕃母體氫化物中，非擴(kuò)展體的原子編號(hào)就是簡(jiǎn)化蕃骨架的編號(hào)，而擴(kuò)展體上原子的編號(hào)則用上標(biāo)、以復(fù)合編號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí) （見圖7）。化合物19的簡(jiǎn)化骨架名為環(huán)七蕃-2-烯，1、4位為超原子，其上取代基以復(fù)合編號(hào)表示，2位取代基直接表示，所以，化合物19命名為14，15，16， 2， 42， 43-六甲基-1 （1， 3）， 4 （1， 4） -二苯雜環(huán)七蕃-2-烯。

圖7 兩個(gè)環(huán)蕃類化合物的命名

直鏈蕃的簡(jiǎn)化骨架名由詞根 “蕃”加上表示該結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目的中文數(shù)字為前綴所組成，其編號(hào)方式與直鏈烴相似，從一端到另一端，并使超原子的位次組最小，化合物20命名為2，4， 10 （1， 4）， 7 （1， 3） -四苯雜十一蕃。

圖8 鏈狀蕃類化合物的命名

三、新版命名原則對(duì)有機(jī)化學(xué)教學(xué)的影響

2017版命名原則的發(fā)布對(duì)高校有機(jī)化學(xué)的教與學(xué)都是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。首先，對(duì)大多數(shù)教師來(lái)說，曾經(jīng)數(shù)十載的學(xué)習(xí)與教學(xué)生涯使80版命名原則在腦海里根深蒂固，可以說是信手拈來(lái)，但對(duì)2017版中的一些新的原則與規(guī)定則需要重新學(xué)習(xí)和逐漸適應(yīng)，對(duì)其全面理解也難以一步到位。但是新的學(xué)期已經(jīng)到來(lái)，是繼續(xù)沿襲80版教學(xué)，還是吐故納新，棄用80版而講授新版？還是兼而有之？這恐怕是不少高校有機(jī)化學(xué)教學(xué)要面臨的一個(gè)選擇。其次，對(duì)廣大學(xué)生而言，雖然他們接受新事物的能力較強(qiáng)、而且與80版命名原則接觸的時(shí)間也不長(zhǎng)，但是，目前各高校的參考教材與各種教輔書籍和習(xí)題資料更新滯后，僅僅依靠課堂教學(xué)和有限的幾篇解讀文獻(xiàn)，學(xué)生難以達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。最后，對(duì)2017版命名原則自身來(lái)說，由于其系統(tǒng)性和前后連貫性較強(qiáng)，與當(dāng)前高校有機(jī)化學(xué)命名教學(xué)中以官能團(tuán)為主線、分章節(jié)獨(dú)立講授的編排差異較大，學(xué)生難以快速、精準(zhǔn)查找相關(guān)內(nèi)容。而且，該版命名體系里更多地直譯IUPAC的名稱和規(guī)則，故有些基團(tuán)需要掌握英文才能正確編號(hào)命名；有些翻譯諸如 “熳”“蕃”等稱呼也稍顯晦澀。這些都是目前在新版有機(jī)化合物命名的教與學(xué)中面臨的問題和影響。

在此情況下，我們的教學(xué)該如何應(yīng)對(duì)呢？打鐵還需自身硬！作為教師，我們必須與時(shí)俱進(jìn)［11］，潛心學(xué)習(xí)、研究新原則，不斷更新和豐富知識(shí)體系。同時(shí)，我們還要清楚，新原則不是無(wú)源之水、無(wú)本之木，它源于80版原則，二者之間有繼承，有發(fā)展。而80版原則是我們最熟悉的，只有通過對(duì)比、分析，才能盡快地掌握新原則。有了足夠的知識(shí)儲(chǔ)備，該如何展開教學(xué)呢？華東理工大學(xué)在2018年新學(xué)期伊始已經(jīng)開始嘗試新版命名原則的教學(xué)了。鑒于目前處于新、舊命名原則交替時(shí)期，舊原則的使用與交流還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，所以當(dāng)前學(xué)生同時(shí)還得對(duì)舊版原則要有所了解，不然學(xué)生在閱讀現(xiàn)存課外專業(yè)書籍資料時(shí)就很難適應(yīng)。所以我們有機(jī)教研室要求教師在講授新原則的同時(shí)也要兼顧舊原則的教學(xué)。幫助學(xué)生明確二者之間的異同與傳承關(guān)系。另外，教師在對(duì)教學(xué)內(nèi)容編排設(shè)計(jì)的時(shí)候也要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整［12-13］，比如，新原則中烴主鏈的選取與不飽和度無(wú)關(guān)，所以，教學(xué)中也不再按烷烴、烯烴、炔烴的順序，可從鏈狀烴與環(huán)狀烴的角度展開教學(xué)。對(duì)同類化合物的命名，在授課過程中要注重新、舊原則的對(duì)比教學(xué)，往往既便于學(xué)生了解舊原則，又方便學(xué)生掌握新原則，起到較好的教學(xué)效果。此外，在沒有現(xiàn)成題目可用的情況下，我們可以參考、利用一些化學(xué)軟件，如Chemdraw等自編一些典型命名題目，通過有針對(duì)性的練習(xí)，幫助學(xué)生盡快準(zhǔn)確掌握有機(jī)化合物的命名并能熟練運(yùn)用和交流。

總之，有機(jī)化合物浩如煙海，環(huán)烴類化合物種類繁多。本文通過大量實(shí)例，分析、比較了新、舊命名原則中的異同，并詳細(xì)梳理、解讀了新增補(bǔ)的熳環(huán)和蕃類化合物的命名規(guī)則。為新版命名規(guī)則在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用和實(shí)踐提供參考和支持，方便師生盡快掌握和運(yùn)用新版命名規(guī)則，更好地服務(wù)于有機(jī)化學(xué)的教學(xué)和交流。