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。
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)。
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
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]。
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)。
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
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。