關(guān)于命名術(shù)語“母體氫化物”和“特性基團(tuán)”的探討

李小瑞，趙艷娜，姚團(tuán)利，南江，張金

陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，西安 710021

自2017年12月中國化學(xué)會正式發(fā)布《有機(jī)化合物命名原則2017》[1](以下簡稱為CCS-2017)以來，國內(nèi)陸續(xù)有對CCS-2017進(jìn)行解讀或梳理的教學(xué)論文[2–13]發(fā)表，也有按照CCS-2017命名的教材[14–18]出版，對實施CCS-2017起到了積極的推動作用。但這些論文或教材較多關(guān)注“前綴按照英文字母順序列出”和“官能團(tuán)位次緊挨在官能團(tuán)名稱之前”等[2,3,4]格式規(guī)定，沒有對“母體氫化物”和“特性基團(tuán)”這兩個CCS-2017中最重要的改變進(jìn)行深入的思考和討論，導(dǎo)致產(chǎn)生了“新規(guī)則將官能團(tuán)改稱為特性基團(tuán)”“特性基團(tuán)約等于官能團(tuán)”的誤解以及“為什么新規(guī)則中沒有將C＝C和C≡C列入官能團(tuán)”的疑慮。本文將對“母體氫化物”和“特性基團(tuán)”的概念、含義及其在有機(jī)化合物命名中的重要性進(jìn)行較為詳細(xì)深入的探究。

1 母體氫化物的含義及其重要意義

1.1 母體氫化物的含義

母體氫化物(parent hydride)指無分叉的無環(huán)結(jié)構(gòu)或環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以及具有俗名或半系統(tǒng)命名的無環(huán)或有環(huán)結(jié)構(gòu)，而其上僅連接有氫原子的化合物[1]21,[5,6]。以下主要用基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)命名教學(xué)中最重要的取代操作法說明母體氫化物的含義[7]。

取代名是IUPAC命名法和CCS-2017命名原則中最常見、最重要的系統(tǒng)命名，其構(gòu)成一般為：前綴+母體氫化物+后綴[1]23。這種命名構(gòu)成具有現(xiàn)代漢語合成詞中只含有一個詞根的附加式構(gòu)詞法“前綴+詞根+后綴”的特點，從構(gòu)詞學(xué)的角度來講，某個有機(jī)化合物的命名實際上就是一個合成名詞，其詞根是“母體氫化物”。無論英語還是漢語，詞根都是表示詞的基本詞義的語素，因此可以說：“母體氫化物”是有機(jī)化合物命名的基礎(chǔ)和出發(fā)點[1]44。

表1中化合物1–6是無分叉無環(huán)結(jié)構(gòu)作為母體氫化物的具體實例。以C2H5CH(NH2)CH3的命名為例，C2H5CH(NH2)CH3的結(jié)構(gòu)是丁烷分子中C2上的一個氫原子被―NH2取代，因此該化合物的母體氫化物是丁烷(butane)。根據(jù)CCS-2017中表4-1和表5-2中關(guān)于特性基團(tuán)的規(guī)定，此時應(yīng)將C2上的―NH2作為后綴，稱為“胺”，則該化合物應(yīng)該命名為丁烷-2-胺(butan-2-amine)，其英文名稱更清楚地表明該化合物的母體氫化物是“butane”。將“丁烷-2-胺”中的“烷”字省略時，不會引起誤解或混淆，故該化合物也可命名為丁-2-胺。

表1 母體氫化物和官能性母體舉例

CH3CH2CH2―COOH分子中的特性基團(tuán)―COOH中含有單個的sp2雜化碳，在確定母體化合物時可認(rèn)為是―COOH取代了丁烷分子中的末端―CH3[1]212，所以CH3CH2CH2―COOH的母體氫化物是丁烷，取代名是丁酸。同理，CH3CH＝CH―CHO的母體氫化物是CH3CH＝CH―CH3，取代名是丁-2-烯醛。

化合物7和化合物8是無分叉環(huán)狀結(jié)構(gòu)作為母體氫化物的具體實例。以化合物8為例，作為詞根的母體氫化物是環(huán)己烯，故被命名為6-甲基環(huán)己-3-烯-1-胺(注意：這里的編號是被命名化合物整體的編號，而不是母體氫化物的編號)。

化合物9和化合物10是官能性母體[1]22為母體結(jié)構(gòu)的簡單實例。官能性母體可以理解為：具有英文俗名的、含有一個或多個特性基團(tuán)的化合物。例如，環(huán)己醇(cyclohexanol)不能稱為官能性母體，因為“cyclohexanol”不是英文俗名，而是官能化的母體氫化物；英文中乙酸(acetic acid)、苯胺(aniline)、苯酚(phenol)等因采用俗名命名，故也歸于官能性母體，但是這些化合物的中文命名卻使用系統(tǒng)命名。

而化合物10、11則分別是有俗名的無環(huán)結(jié)構(gòu)、有俗名的環(huán)狀結(jié)構(gòu)為母體氫化物的具體實例。

有機(jī)化合物的母體氫化物除了最主要的碳?xì)浠衔?烴)以外，還可以是雜原子的氫化物，如氮烷、氮烯、硅烷等[1]44,173–177。例如，(HOCH2CH2)3N俗稱三乙醇胺(triethanolamine)，如果采用取代操作法，以乙烷為母體氫化物，根據(jù)特性基團(tuán)優(yōu)先次序規(guī)則，作為后綴的主特性基團(tuán)應(yīng)該是－OH，其取代名應(yīng)該為2,2’,2’-氨爪基三(乙烷-1-醇) [2,2’,2’-nitrilotris(ethan-1-ol)]，這個命名顯然有點繁瑣復(fù)雜。但是如果以氮烷(NH3，azane)為母體氫化物[1]44,[11]，將其命名為三(2-羥基乙基)氮烷[tris(2-hydroxyethyl)azane]則更為方便簡單、一目了然。

1.2 “母體氫化物”的重要意義

CCS-2017反復(fù)強(qiáng)調(diào)[1]前言,28,44：使用母體氫化物統(tǒng)一處理有機(jī)化合物的命名是其最主要的改變，母體氫化物是命名有機(jī)化合物的基礎(chǔ)和出發(fā)點；全書花費巨大篇幅[1]44–141專門闡述“母體氫化物以及由此形成的取代基”；貫穿全書的大量實例亦充分表明：按照取代操作法或者其他操作法(如置換法、加合法等等)命名有機(jī)物時，首先要確定母體氫化物作為詞根，然后再根據(jù)該化合物中所含的取代基和特性基團(tuán)加上前綴或后綴，用以精確表達(dá)由母體化合物到真實化合物之間的結(jié)構(gòu)差異，最后形成有機(jī)化合物的命名。

1.2.1 使用“母體氫化物”處理命名是CCS-2017最根本的改變

根據(jù)CCS-2017，以CH3CH2CH(NH2)CH3為例，其命名有三種方法[1]178,[11]：(a) 以氮烷(NH3)為母體氫化物，將其命名為丁-2-基氮烷。此法用得較少；(b) 以丁烷為母體氫化物，將其命名為丁烷-2-胺。此法為IUPAC-2013優(yōu)先建議的命名，也是基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)課堂理論教學(xué)應(yīng)該優(yōu)先講解的命名；(c) 將“胺”字加到取代基R名的后面構(gòu)成，將其命名為丁-2-基胺。

如果沒有母體氫化物的概念，會覺得“丁烷-2-胺”這個命名很別扭。這是因為我們已經(jīng)習(xí)慣了按照官能團(tuán)命名的思維方式，認(rèn)為這是一個含有4個碳的、－NH2連在C2上的胺類化合物，采用CCS-2017規(guī)定的格式，應(yīng)該叫做“丁-2-胺”。但是如果以“母體氫化物”的思維方式來處理該化合物的命名，那么CH3CH2CH(NH2)CH3就應(yīng)該理解為丁烷分子中C2上的一個氫原子被－NH2取代了，“胺”字只是作為后綴，作為詞根的母體氫化物是“丁烷”而不是“丁”，因此CH3CH2CH(NH2)CH3被命名為“丁烷-2-胺”(butan-2-amine)也就順理成章了。

按照“母體氫化物”的思維方式，CH3CH2COCH3是丁烷分子中C2上的兩個氫原子被一個二價的特性基團(tuán)＝O所取代所形成的化合物，應(yīng)該被命名為丁烷-2-酮(butan-2-one)，作為詞根的母體氫化物是丁烷，“酮”在這里只是后綴(＝O)，并不是含有羰基官能團(tuán)的意思。同理，CH2＝CHCH(OH)CH3是CH2＝CHCH2CH3分子中的α-H被―OH取代后所形成的化合物，其母體氫化物是丁烯，故被命名為丁-3-烯-2-醇(but-3-ene-2-ol)，“醇”在這里是以特性基團(tuán)―OH作為后綴的意思。

中國化學(xué)會《有機(jī)化學(xué)命名原則1980》[19](以下簡稱為CCS-1980)中并沒有“母體氫化物”的概念和術(shù)語，只是在命名開鏈化合物時有“選主鏈”以及在命名多官能團(tuán)化合物時有“確定母體化合物”的說法。但是用CCS-2017命名有機(jī)化合物時，首先要確定母體氫化物的結(jié)構(gòu)和名稱，以其作為命名有機(jī)物的基礎(chǔ)和出發(fā)點[1]44。因此，使用母體氫化物統(tǒng)一處理有機(jī)化合物的命名才是CCS-2017最根本的改變。

1.2.2 使用“母體氫化物”可以更加系統(tǒng)地命名有機(jī)化合物

(1) 如果采用“前綴+母體氫化物+后綴”的構(gòu)成方式，以“母體氫化物”的思維方式來處理有機(jī)化合物的命名，可以使有機(jī)化合物的命名更加系統(tǒng)化。表1中列舉的化合物也試圖說明：命名各類有機(jī)化合物時，以母體氫化物的命名為出發(fā)點，經(jīng)過前綴或后綴的修飾，都能夠形成準(zhǔn)確描述被命名化合物結(jié)構(gòu)的取代名。

(2) 除了表1中列出的一些采用取代操作法命名的化合物外，采用其他操作法命名有機(jī)化合物也可以形成“前綴+母體結(jié)構(gòu)+后綴”的構(gòu)成方式。表2是采用其他操作法命名的幾個簡單實例。

表2 其他操作法命名舉例

(3) 根據(jù)CCS-2017，重氮化合物和偶氮化合物的命名亦可用“母體氫化物”來統(tǒng)一處理。命名這類化合物時仍然要首先確定母體氫化物的結(jié)構(gòu)和名稱，然后加以前綴、后綴以及特定用字的修飾，最后形成該化合物的命名。如表3所示。

表3 重氮和偶氮化合物命名舉例

化合物22、23是氨基取代的芳香族重氮化合物，若按照CCS-1980命名這類化合物時很容易產(chǎn)生歧義和疑慮；但是按照CCS-2017命名這兩個化合物，將其視為“丙氮烯”的衍生物，則思維方式非常簡單，很容易處理，即使兩個苯環(huán)上含有更多的取代基，亦不會產(chǎn)生歧義和疑慮。

1.2.3 使用“母體氫化物”可以更加方便地命名有機(jī)化合物

“熳”和“蕃”都是CCS-2017新增補(bǔ)的術(shù)語，都屬于“母體氫化物”的范疇。

(1) 熳環(huán)環(huán)系(mancude-ring systems)是指含有最大非累積雙鍵數(shù)的不飽和環(huán)系[1]48–54,[7,8]。如圖1所示，“熳”屬于無分叉環(huán)狀結(jié)構(gòu)的母體氫化物。環(huán)狀多烯、輪烯、并環(huán)環(huán)系以及含有雙鍵的雜環(huán)化合物等，都可以方便簡捷地用“熳”命名，其中用阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)明的編號是按照熳環(huán)環(huán)系進(jìn)行的編號，斜體氫(H)表示“額外氫”[1]42。

圖1 熳環(huán)環(huán)系化合物命名舉例

化合物28是一個并環(huán)環(huán)系化合物，其英文名稱為5,6,7,8,9,10-hexahydrocycloocta[b]pyridine，其中的“cycloocta-”是八元的碳?xì)潇篆h(huán)的意思[1]48,[8]，故其中文命名為“5,6,7,8,9,10-六氫環(huán)辛熳并[b]吡啶”。

化合物29–33為含雙鍵雜環(huán)化合物的命名實例。盡管化合物30、31仍然可以沿用噁唑、嘧啶等音譯法俗名，但其專業(yè)性很強(qiáng)，不能做到“望文生義”，難記、易錯；化合物32也可以“環(huán)庚-1,3,5-三烯”作為母體氫化物，但是其編號是使雜原子和雙鍵的位次最小，已經(jīng)不同于用熳環(huán)環(huán)系作為母體氫化物時將雜原子和額外氫的編號最小[9]。

顯而易見，用熳環(huán)對含雙鍵雜環(huán)化合物進(jìn)行中文命名[1]50–54,[5,7–9]非常簡捷，命名與結(jié)構(gòu)間的對應(yīng)性強(qiáng)，不需要特別記憶，具有很強(qiáng)的規(guī)律性和系統(tǒng)性；其英文命名很容易根據(jù)CCS-2017表3-3[1]50和表3-5[1]52得到，中英文間的互換非常方便，便于國際交流，授課教師應(yīng)該積極推廣這一名稱。

(2) 多個環(huán)或環(huán)系通過原子鏈連接成鏈或環(huán)者可總稱為蕃，其中成環(huán)者稱為環(huán)蕃[1]115,[5,9]。雖然蕃類化合物的命名也可通過其中的其他環(huán)系母體氫化物進(jìn)行，但一般情況下用“蕃母體氫化物”命名更為簡單明了。蕃命名的要點是先將節(jié)點關(guān)鍵處的環(huán)或環(huán)系簡化為“超原子”，得到容易命名的“簡化骨架名”，然后再引入擴(kuò)展前綴，加上超原子的位次和擴(kuò)展體的接合位次，形成蕃母體氫化物的名稱[1]116。如圖2中化合物34、35的命名所示。

圖2 蕃母體氫化物的簡化與命名

有了蕃母體氫化物，蕃類化合物就很容易命名了[1]115–125，圖3給出了三個環(huán)蕃類化合物的命名。

圖3 環(huán)蕃類化合物的命名舉例

通常情況下，基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的理論課堂不會講授“蕃”。但是，蕃命名很好地說明了用“母體氫化物”來統(tǒng)一處理有機(jī)化合物的命名，可以將那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜有機(jī)化合物的命名簡單化、系統(tǒng)化，有利于有機(jī)化學(xué)的學(xué)科發(fā)展。即使基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)的教學(xué)要求不高，我們?nèi)匀粦?yīng)該教導(dǎo)學(xué)生以母體氫化物的命名為基礎(chǔ)和出發(fā)點，用母體氫化物來統(tǒng)一處理有機(jī)化合物的命名。

2 特性基團(tuán)

2.1 特性基團(tuán)的含義

特性基團(tuán)是加在母體氫化物上的雜原子或含有雜原子的基團(tuán)[1]22,[6,7,10]。常見的特性基團(tuán)如圖4所示。其中含有單個不飽和碳原子的特性基團(tuán)具有一定的特殊性，例如在命名脂肪族羧酸時，是母體氫化物中的末端甲基被羧基取代[1]212。

圖4 常見特性基團(tuán)及其分類

特性基團(tuán)與官能團(tuán)的含義差別不大，且有機(jī)化學(xué)界已高度習(xí)慣使用“官能團(tuán)”這一名稱，故仍可保留兩者同時使用[1]22,[5,10]。但是特性基團(tuán)不能等同于官能團(tuán)，二者的含義相似但不相同。特性基團(tuán)是在命名有機(jī)化合物時使用的專門術(shù)語，必須含有雜原子；官能團(tuán)是決定有機(jī)化合物性質(zhì)的原子或基團(tuán)，不一定含有雜原子[7,14,18]。

許多原子或基團(tuán)，如－Cl、－Br、－OH、－NH2、－COOH、－CN等，既是官能團(tuán)，又是特性基團(tuán)。但是，C＝C和C≡C是官能團(tuán)而不是特性基團(tuán)。眾所周知，C＝C和C≡C分別是烯烴和炔烴的官能團(tuán)，但在CCS-2017有關(guān)特性基團(tuán)的表4-1和表5-2中并沒有烯烴和炔烴在列[1]145,146,153,154，說明C＝C和C≡C并不是特性基團(tuán)而只是官能團(tuán)，命名時可將其放在母體氫化物中描述它們的結(jié)構(gòu)。圖5給出了一些表明C＝C和C≡C不是特性基團(tuán)的具體實例。

圖5 C＝C和C≡C不是特性基團(tuán)舉例

特性基團(tuán)不等于官能團(tuán)的另一個典型實例是：O＝(氧亞基)是特性基團(tuán)但不是官能團(tuán)，C＝O (羰基)是官能團(tuán)但不是特性基團(tuán)。在CCS-2017表4-1[1]145,146中，酮(ketone)的結(jié)構(gòu)類別一欄給出的結(jié)構(gòu)式為，同時還特意在表底注明：帶括號的碳原子(C)已包括在母體氫化物的名稱中，并不屬于前綴或后綴所表達(dá)的基團(tuán)(即前綴或后綴所表達(dá)的特性基團(tuán)都是＝O，作前綴時稱為“氧亞基”，作后綴時稱為“酮”，均不包括羰基碳)。換言之：用取代法命名酮時，雖然以“酮(-one)”作為后綴，但“酮”字的含義并不包含碳，僅指結(jié)構(gòu)中的特性基團(tuán)“＝O”。圖6給出了表明＝O是特性基團(tuán)而C＝O是官能團(tuán)的具體實例。

圖6 ＝O是特性基團(tuán)而C=O是官能團(tuán)舉例

以上討論和舉例說明：使用“特性基團(tuán)”代替“官能團(tuán)”來命名有機(jī)化合物，分子中的每個原子只允許被描述一次，避免了重復(fù)描述某個原子的情況，因而能夠更加準(zhǔn)確地命名有機(jī)化合物。

“母體氫化物”和“特性基團(tuán)”是相輔相成的關(guān)系。有了母體氫化物的概念，才能理解為什么要把羰基官能團(tuán)(C＝O)拆開，將其中的碳原子放在母體氫化物中描述，而＝O作為特性基團(tuán)來處理；反過來，理解了特性基團(tuán)不同于官能團(tuán)之后，才能更好地理解為什么要將C＝C和C≡C放在母體氫化物中處理。

2.2 常見特性基團(tuán)用作前綴或后綴時的名稱及其優(yōu)先次序

同一特性基團(tuán)作為前綴或后綴時的名稱并不相同[1]145,146，如表4所示。

命名多官能團(tuán)化合物時，只能選擇一種特性基團(tuán)作為后綴，此基團(tuán)稱為主特性基團(tuán)或主體基團(tuán)[1]153。選擇主特性基團(tuán)要根據(jù)CCS-2017表5-2中的次序確定，排在前面的特性基團(tuán)優(yōu)先作為主特性基團(tuán)(即后綴)。表4是根據(jù)CCS-2017表4-1[1]145,146和CCS-2017表5-2[1]153,154，結(jié)合基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)教學(xué)實際，整理出來的常見特性基團(tuán)用作前綴或后綴時的名稱及其優(yōu)先次序[7,14,18](按優(yōu)先遞降順序排列)。

表4 常見特性基團(tuán)用作前綴或后綴時的名稱及其優(yōu)先次序(按優(yōu)先遞降排列)

在特性基團(tuán)優(yōu)先次序規(guī)則中，排在最后面的―OR、―SR、―X(鹵素)、―NO2等，只能作為前綴，不能作為后綴。例如“甲氧基苯”“硝基甲烷”“硝基苯”“1-溴丁烷”“1-氯-4-甲基苯”“1-甲基-4-硝基苯”等命名，都是將只能作為前綴的特性基團(tuán)名稱放在母體氫化物名稱的前面。對于那些既能作為后綴又能作為前綴的特性基團(tuán)，則根據(jù)被命名化合物的結(jié)構(gòu)和特性基團(tuán)優(yōu)先次序規(guī)則確定主特性基團(tuán)。

如圖7所示，化合物45分子中有四種特性基團(tuán)，其中―Cl只能作為前綴；―COOH、＝O、―OH三種可作后綴的特性基團(tuán)中，―COOH在特性基團(tuán)優(yōu)先次序規(guī)則中排在最前面，故選擇―COOH作為主特性基團(tuán)。其余特性基團(tuán)均作為前綴，按英文字母順序排列。

圖7 確定主特性基團(tuán)舉例

3 確定母體氫化物的原則及思考順序

主特性基團(tuán)被確定之后，則需要根據(jù)被命名化合物的具體結(jié)構(gòu)確定用作詞根的母體氫化物。表5列舉了一些命名具體化合物時如何確定主特性基團(tuán)和母體氫化物的實例。

(1) 命名無環(huán)化合物時[1]154–158，首先要根據(jù)特性基團(tuán)優(yōu)先次序規(guī)則和該化合物的結(jié)構(gòu)，確定作為后綴的主特性基團(tuán)。主特性基團(tuán)確定后，按照下列順序逐條對照(“>”表示“優(yōu)于”)，依次思考，直到確定母體氫化物：包含主特性基團(tuán)個數(shù)最多的鏈>最長的鏈>匯集重鍵數(shù)量最多的鏈>匯集雙鍵數(shù)量最多的鏈>作為后綴的主特性基團(tuán)位次或位次組最低的鏈>前綴中取代基數(shù)目最多的鏈>所有取代基的數(shù)字位次組最低的鏈>按照英文字母順序排列在前面的前綴或取代基的鏈。具體實例參見表5中化合物46–56。

表5 確定主特性基團(tuán)及母體氫化物舉例

(續(xù)表5)

(2) 命名環(huán)-鏈化合物時[1]159–160，仍然要首先確定主特性基團(tuán)，選擇帶有最多主特性基團(tuán)個數(shù)的環(huán)或鏈作為母體氫化物，且不論環(huán)的大小和鏈的長短；當(dāng)分子中含有多個主特性基團(tuán)數(shù)目相同的鏈或環(huán)供選擇時，則需要比較它們的取代程度來確定母體氫化物。具體實例參見表5中化合物57–59。

(3) 命名環(huán)系化合物時[1]158–159，依然要首先確定主特性基團(tuán)，然后按照命名環(huán)系化合物的有關(guān)規(guī)則確定母體氫化物。具體實例請參見表5中化合物60、61。

4 結(jié)語

(1) “母體氫化物”和“特性基團(tuán)”都是僅用于有機(jī)化合物命名的術(shù)語，將它們用來處理命名并不改變有機(jī)化學(xué)中的其他內(nèi)容[1]前言，亦不改變“官能團(tuán)”的含義。例如，C＝C和C≡C仍然是決定烯烴和炔烴主要化學(xué)性質(zhì)的官能團(tuán)；對有機(jī)化合物進(jìn)行分類時，仍然要按照官能團(tuán)分類而不是按照特性基團(tuán)分類。

(2) 用“母體氫化物”和“特性基團(tuán)”來處理有機(jī)化合物的命名，不僅有利于國際交流，有利于系統(tǒng)、精準(zhǔn)、方便地命名有機(jī)化合物，更有利于有機(jī)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。雖然這種處理方法不符合我們長期執(zhí)行CCS-1980所形成的按照官能團(tuán)命名的習(xí)慣，但是我們要以學(xué)生為中心，與時俱進(jìn)，努力克服思維慣性，盡快接受和適應(yīng)CCS-2017。我校自2018年秋季開始采用和實施命名新規(guī)則，根據(jù)教學(xué)情況反饋，學(xué)生普遍認(rèn)為命名新規(guī)則系統(tǒng)性更強(qiáng)，更容易理解和接受，這可能與學(xué)生只是在高中有機(jī)化學(xué)中簡短地學(xué)習(xí)過命名，沒有形成根深蒂固、深入骨髓的思維慣性有關(guān)。