關于命名術語“母體氫化物”和“特性基團”的探討

李小瑞，趙艷娜，姚團利，南江，張金

陜西科技大學化學與化工學院，西安 710021

自2017年12月中國化學會正式發布《有機化合物命名原則2017》[1](以下簡稱為CCS-2017)以來，國內陸續有對CCS-2017進行解讀或梳理的教學論文[2–13]發表，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注“前綴按照英文字母順序列出”和“官能團位次緊挨在官能團名稱之前”等[2,3,4]格式規定，沒有對“母體氫化物”和“特性基團”這兩個CCS-2017中最重要的改變進行深入的思考和討論，導致產生了“新規則將官能團改稱為特性基團”“特性基團約等于官能團”的誤解以及“為什么新規則中沒有將C＝C和C≡C列入官能團”的疑慮。本文將對“母體氫化物”和“特性基團”的概念、含義及其在有機化合物命名中的重要性進行較為詳細深入的探究。

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)指無分叉的無環結構或環狀結構，以及具有俗名或半系統命名的無環或有環結構，而其上僅連接有氫原子的化合物[1]21,[5,6]。以下主要用基礎有機化學命名教學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、最重要的系統命名，其構成一般為：前綴+母體氫化物+后綴[1]23。這種命名構成具有現代漢語合成詞中只含有一個詞根的附加式構詞法“前綴+詞根+后綴”的特點，從構詞學的角度來講，某個有機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”是有機化合物命名的基礎和出發點[1]44。

表1中化合物1–6是無分叉無環結構作為母體氫化物的具體實例。以C2H5CH(NH2)CH3的命名為例，C2H5CH(NH2)CH3的結構是丁烷分子中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CCS-2017中表4-1和表5-2中關于特性基團的規定，此時應將C2上的―NH2作為后綴，稱為“胺”，則該化合物應該命名為丁烷-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―COOH中含有單個的sp2雜化碳，在確定母體化合物時可認為是―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是無分叉環狀結構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己烯，故被命名為6-甲基環己-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為母體結構的簡單實例。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的化合物。例如，環己醇(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命名。

而化合物10、11則分別是有俗名的無環結構、有俗名的環狀結構為母體氫化物的具體實例。

有機化合物的母體氫化物除了最主要的碳氫化合物(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，根據特性基團優先次序規則，作為后綴的主特性基團應該是－OH，其取代名應該為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反復強調[1]前言,28,44：使用母體氫化物統一處理有機化合物的命名是其最主要的改變，母體氫化物是命名有機化合物的基礎和出發點；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)命名有機物時，首先要確定母體氫化物作為詞根，然后再根據該化合物中所含的取代基和特性基團加上前綴或后綴，用以精確表達由母體化合物到真實化合物之間的結構差異，最后形成有機化合物的命名。

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優先建議的命名，也是基礎有機化學課堂理論教學應該優先講解的命名；(c) 將“胺”字加到取代基R名的后面構成，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。這是因為我們已經習慣了按照官能團命名的思維方式，認為這是一個含有4個碳的、－NH2連在C2上的胺類化合物，采用CCS-2017規定的格式，應該叫做“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＝O所取代所形成的化合物，應該被命名為丁烷-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―OH作為后綴的意思。

中國化學會《有機化學命名原則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化合物時有“確定母體化合物”的說法。但是用CCS-2017命名有機化合物時，首先要確定母體氫化物的結構和名稱，以其作為命名有機物的基礎和出發點[1]44。因此，使用母體氫化物統一處理有機化合物的命名才是CCS-2017最根本的改變。

1.2.2 使用“母體氫化物”可以更加系統地命名有機化合物

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

(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化合物也可以形成“前綴+母體結構+后綴”的構成方式。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構和名稱，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，即使兩個苯環上含有更多的取代基，亦不會產生歧義和疑慮。

1.2.3 使用“母體氫化物”可以更加方便地命名有機化合物

“熳”和“蕃”都是CCS-2017新增補的術語，都屬于“母體氫化物”的范疇。

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

圖1 熳環環系化合物命名舉例

化合物28是一個并環環系化合物，其英文名稱為5,6,7,8,9,10-hexahydrocycloocta[b]pyridine，其中的“cycloocta-”是八元的碳氫熳環的意思[1]48,[8]，故其中文命名為“5,6,7,8,9,10-六氫環辛熳并[b]吡啶”。

化合物29–33為含雙鍵雜環化合物的命名實例。盡管化合物30、31仍然可以沿用噁唑、嘧啶等音譯法俗名，但其專業性很強，不能做到“望文生義”，難記、易錯；化合物32也可以“環庚-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，已經不同于用熳環環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，用熳環對含雙鍵雜環化合物進行中文命名[1]50–54,[5,7–9]非常簡捷，命名與結構間的對應性強，不需要特別記憶，具有很強的規律性和系統性；其英文命名很容易根據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，授課教師應該積極推廣這一名稱。

(2) 多個環或環系通過原子鏈連接成鏈或環者可總稱為蕃，其中成環者稱為環蕃[1]115,[5,9]。雖然蕃類化合物的命名也可通過其中的其他環系母體氫化物進行，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點關鍵處的環或環系簡化為“超原子”，得到容易命名的“簡化骨架名”，然后再引入擴展前綴，加上超原子的位次和擴展體的接合位次，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給出了三個環蕃類化合物的命名。

圖3 環蕃類化合物的命名舉例

通常情況下，基礎有機化學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”來統一處理有機化合物的命名，可以將那些結構復雜有機化合物的命名簡單化、系統化，有利于有機化學的學科發展。即使基礎有機化學的教學要求不高，我們仍然應該教導學生以母體氫化物的命名為基礎和出發點，用母體氫化物來統一處理有機化合物的命名。

2 特性基團

2.1 特性基團的含義

特性基團是加在母體氫化物上的雜原子或含有雜原子的基團[1]22,[6,7,10]。常見的特性基團如圖4所示。其中含有單個不飽和碳原子的特性基團具有一定的特殊性，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 常見特性基團及其分類

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

許多原子或基團，如－Cl、－Br、－OH、－NH2、－COOH、－CN等，既是官能團，又是特性基團。但是，C＝C和C≡C是官能團而不是特性基團。眾所周知，C＝C和C≡C分別是烯烴和炔烴的官能團，但在CCS-2017有關特性基團的表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并不是特性基團而只是官能團，命名時可將其放在母體氫化物中描述它們的結構。圖5給出了一些表明C＝C和C≡C不是特性基團的具體實例。

圖5 C＝C和C≡C不是特性基團舉例

特性基團不等于官能團的另一個典型實例是：O＝(氧亞基)是特性基團但不是官能團，C＝O (羰基)是官能團但不是特性基團。在CCS-2017表4-1[1]145,146中，酮(ketone)的結構類別一欄給出的結構式為，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的基團(即前綴或后綴所表達的特性基團都是＝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，僅指結構中的特性基團“＝O”。圖6給出了表明＝O是特性基團而C＝O是官能團的具體實例。

圖6 ＝O是特性基團而C=O是官能團舉例

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

“母體氫化物”和“特性基團”是相輔相成的關系。有了母體氫化物的概念，才能理解為什么要把羰基官能團(C＝O)拆開，將其中的碳原子放在母體氫化物中描述，而＝O作為特性基團來處理；反過來，理解了特性基團不同于官能團之后，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 常見特性基團用作前綴或后綴時的名稱及其優先次序

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

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

表4 常見特性基團用作前綴或后綴時的名稱及其優先次序(按優先遞降排列)

在特性基團優先次序規則中，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，則根據被命名化合物的結構和特性基團優先次序規則確定主特性基團。

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

圖7 確定主特性基團舉例

3 確定母體氫化物的原則及思考順序

主特性基團被確定之后，則需要根據被命名化合物的具體結構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和母體氫化物的實例。

(1) 命名無環化合物時[1]154–158，首先要根據特性基團優先次序規則和該化合物的結構，確定作為后綴的主特性基團。主特性基團確定后，按照下列順序逐條對照(“>”表示“優于”)，依次思考，直到確定母體氫化物：包含主特性基團個數最多的鏈>最長的鏈>匯集重鍵數量最多的鏈>匯集雙鍵數量最多的鏈>作為后綴的主特性基團位次或位次組最低的鏈>前綴中取代基數目最多的鏈>所有取代基的數字位次組最低的鏈>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 確定主特性基團及母體氫化物舉例

(續表5)

(2) 命名環-鏈化合物時[1]159–160，仍然要首先確定主特性基團，選擇帶有最多主特性基團個數的環或鏈作為母體氫化物，且不論環的大小和鏈的長短；當分子中含有多個主特性基團數目相同的鏈或環供選擇時，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) 命名環系化合物時[1]158–159，依然要首先確定主特性基團，然后按照命名環系化合物的有關規則確定母體氫化物。具體實例請參見表5中化合物60、61。

4 結語

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

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