有机化合物的命名与画法：IUPAC 命名法与键线式

碳原子最外层有四个电子。正如共价键页面讲的，它通过共用电子来填满外层，每个电子参与一个共价键，一共四个共价键。氢原子最外层只有一个电子，只形成一个共价键。所以，这一页的每个分子里，每个碳都恰好有四个键，每个氢都恰好有一个键。这条“碳四键”的简单规则，可以用来检查我们画的每一个结构。

第二个事实是：碳原子之间能形成很牢固的键。一个碳可以用四个键中的一个连接另一个碳，那个碳再连接下一个碳，如此下去，形成任意长度的碳链。碳链可以分叉（一个碳连接三个或四个碳），也可以首尾相接形成环。每一种连接方式都是一个不同的分子。这就是碳形成的化合物远远多于其他任何元素的原因。

分子是立体的。正如分子的空间结构页面所示，一个只有单键的碳，四个键指向正四面体的四个顶点，彼此相隔 $109.5^{\circ}$。看下面的模型：甲烷是一个碳连着四个氢；乙烷、丙烷、丁烷里，碳原子连成一条链，由于 $109.5^{\circ}$ 的键角，这条链不是直的，而是锯齿形。灰色小球是碳，白色小球是氢。拖动可以转动分子。

以打火机里的丁烷为例。它有四种常见写法，每一种舍弃的信息多少不同。在下面切换这几种写法，旁边始终保留三维模型作对照。

分子式 $\mathrm{C_4H_{10}}$ 只数原子：四个碳、十个氢。它完全不说明这些原子是怎样连接的。

结构式把每个原子、每个键都画成一条线。它表明原子之间怎样连接，但画起来慢，分子一大就很拥挤。它画在平面上，所以纸面上的角度并不是真实的 $109.5^{\circ}$；只有连接关系才有意义。

结构简式把每个碳和它所连的氢写在一起，沿着链依次写出：$\mathrm{CH_3CH_2CH_2CH_3}$。像 $\mathrm{CH_2}$ 这样的每一组，就是一个碳加上连在它上面的氢。它打字很快，但支链要用括号表示。

键线式是化学家每天都在画的写法。它只保留碳骨架，画成一条锯齿线：线的每一个拐角和每一个端点都是一个碳原子，碳上的氢完全不画。丁烷就只剩下由三段组成的一条锯齿线。看起来信息很少，其实什么也没丢，因为“碳四键”规则告诉我们每个碳必须连几个氢。锯齿也不是装饰：从侧面看，真实的碳链大致就是这个形状，模型可以证明这一点。

读键线式的规则是这样的。第一，没有写元素符号的拐角和自由端点代表碳。若那里已经写了 O 或 Cl，它代表的就是氧或氯，不能再额外数一个碳。第二，两个碳之间的一条线是单键，两条平行线是双键，三条线是三键。第三，除碳和氢以外的原子，比如氧（O）、氯（Cl），用元素符号写出来，连在它们上面的氢也一起写出，比如 $\mathrm{OH}$。第四，每个碳连着足够多的氢，使它的键总数达到四。

所以，一个碳上的氢原子数等于四减去画在它上面的键数，双键算两个，三键算三个。只有一条线的端点碳有 $4 - 1 = 3$ 个氢：它是 $\mathrm{CH_3}$。链中间连两条线的碳有 $4 - 2 = 2$ 个氢：$\mathrm{CH_2}$。连三条线的碳有一个氢，连四条线的碳没有氢。点击下面图中的任意拐角来检查；三维模型里同一个原子会亮起来，可以看到它的氢。

现在来看一个重要的发现。分子式为 $\mathrm{C_4H_{10}}$ 的化合物有两种。丁烷的四个碳连成一条链；另一种是三个碳连成链，第四个碳挂在中间那个碳上，是一条带支链的链。两者都遵守碳四键规则，都有十个氢，却是不同的物质：丁烷的沸点是 $-0.5\,^{\circ}\text{C}$，带支链的那种是 $-11.7\,^{\circ}\text{C}$。分子式相同、结构不同的化合物，叫作同分异构体。

五个碳有三种同分异构体，六个碳有五种，十个碳有 75 种。所以分子式不能当名字用。名字必须描述结构本身，而且要用大家一致认可的方式来描述。这就是 IUPAC 规则的任务，下面我们一条一条建立起来。

我们先看只含碳和氢、并且只有单键的分子，它们叫作烷烃。在不带支链的烷烃里，两个端点碳都是 $\mathrm{CH_3}$，中间的碳都是 $\mathrm{CH_2}$。有 $n$ 个碳时，有两个端点碳和 $n - 2$ 个中间碳，所以氢的个数是 $2 \times 3 + (n-2) \times 2 = 2n + 2$。刚才从两个端点出发的算法，适用于至少两个碳的无支链情况。若要包含支链，可以数全部成键位置：$n$ 个碳共有 $4n$ 个位置。从一个碳开始，每接入一个新碳，就增加一条连接。接入余下 $n-1$ 个碳后，共有 $n-1$ 条碳碳连接。支化改变接入位置，但只要不连成环，就不会额外增加连接。每条连接占去两个成键位置，余下 $4n-2(n-1)=4n-2n+2=2n+2$ 个位置与氢成键。甲烷是 $n=1$ 的情形，共有四个氢。因此，无环烷烃不论有没有支链，分子式都是 $\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n+2}$；丁烷 $n = 4$，得到 $\mathrm{C_4H_{10}}$。

IUPAC 名称是由几部分拼成的。词干表示主链上有几个碳，词尾表示分子里有哪种键或基团。烷烃的词尾是 “-ane”。一到四个碳的词干 meth-、eth-、prop-、but- 是历史上沿用下来的旧名；从五个碳开始，词干来自希腊数词：pent-（5）、hex-（6）、hept-（7）、oct-（8）、non-（9）、dec-（10）。中文里前十个词干用天干“甲乙丙丁戊己庚辛壬癸”，烷烃的词尾是“烷”。所以不带支链的 $\mathrm{C_6H_{14}}$ 叫 hexane，己烷。

支链按照碳原子数相同的烷烃来命名。从甲烷 $\mathrm{CH_4}$ 去掉一个氢，剩下的 $-\mathrm{CH_3}$ 有一个空出来的键，可以用它连接到链上。这个基团叫甲基：词干 meth- 加上词尾 “-yl”。从乙烷去掉一个氢得到乙基 $-\mathrm{CH_2CH_3}$，从丙烷得到丙基。中文分别叫甲基、乙基、丙基。像这样由烷烃去掉一个氢得到的基团，叫作烷基。

现在可以给带支链的烷烃命名了。命名分四步，下面的工具可以让我们在几个分子上逐步练习。选定一个分子后，每按一次“下一步”就会显示一步；主链会变成橙色，支链变成蓝色，在键线式和模型中同时显示。

第一步：找出最长的连续碳链。这条链叫主链，它决定名字的词干。要小心：最长的链不一定是纸面上那条直线。从一个端点碳出发，沿每一条路径走到另一个端点碳，数一数。比如 3-甲基己烷，横着画的直线只有四个碳，拐进支链却有六个。

第二步：给主链上的碳从一端到另一端编号。选择能让支链编号最小的那一端。判断的方法是：从两端各编一次，每次把支链的位置按从小到大的顺序写下来；然后逐个比较两组数字，在第一个不相同的位置上，选数字较小的那一组。

第三步：写出每个支链的名称和位置，也就是它所连接的主链碳的编号。这个编号叫位次。同一种支链出现不止一次时，用倍数词头：di-（2）、tri-（3）、tetra-（4），中文是“二、三、四”；而且每个支链都要写出一个位次，即使两个相同也要都写，比如 2,2,4-三甲基戊烷。

第四步：组合名称。把支链写在词干前面，每个支链带上它的位次，然后写词干和词尾。数字之间用逗号隔开，数字和文字之间用短横线隔开。有不同种类的支链时，英文按字母顺序排列，不考虑 di-、tri- 等词头：3-ethyl-2-methylhexane，因为 e 在 m 前面；中文则把简单的基团写在前面：2-甲基-3-乙基己烷。

有时两条不同的链一样长。这时的规则是：选择支链更多的那条链。在下面的分子里，横着的链和拐进乙基的链都是六个碳。横着的那条带两个支链（一个甲基、一个乙基）；另一条只带一个更大的支链。所以横着的那条是主链，名字是 2-甲基-3-乙基己烷。选择支链多而小的那条链，可以让支链容易命名。

第二步里“第一个不同之处”的规则，也能解决看似相同的情况。对 2,2,4-三甲基戊烷，从左边编号，支链位置是 2、2、4；从右边编号是 2、4、4。逐个比较：第一个数都是 2，第二个数分别是 2 和 4，所以从左边编号胜出。注意不是把数字加起来比较，而是按顺序逐个比较。

碳链首尾相接成环时，在碳原子数相同的烷烃名前加上“环”（英文 cyclo-）。六个碳成环就是环己烷。在键线式中，环画成正多边形，这里是正六边形，每个顶点是一个碳。环上的每个碳连两条线，所以连 $4 - 2 = 2$ 个氢，分子式是 $\mathrm{C_6H_{12}}$，比己烷少两个氢，因为成环要多用一个碳—碳键。

纸面上的六边形是平的，真实的环却不是：每个碳的键角是 $109.5^{\circ}$，环无法平躺，而是折成一种叫“椅式”的形状。转动模型就能看到。环上只有一个支链时不需要编号，因为环上每个碳都是等同的：甲基环己烷。

含有碳碳双键的烃叫烯烃，含有三键的叫炔烃。它们的名称改变词尾：双键用 “-ene”（中文“烯”），三键用 “-yne”（“炔”）。乙烯 $\mathrm{CH_2{=}CH_2}$ 是最简单的烯烃，乙炔 $\mathrm{HC{\equiv}CH}$ 是最简单的炔烃。双键上的碳把四个键中的两个用在它的伙伴上，所以连的氢更少；可以用碳四键规则检验。

四个碳及以上，双键可以在不同位置，名字必须说明在哪里。从靠近双键的一端开始给链编号，并写出双键两个碳中编号较小的那一个。丁烷的 1 号和 2 号碳之间有双键，就是 1-丁烯（英文 but-1-ene）；2 号和 3 号碳之间有双键，就是 2-丁烯（but-2-ene）。选择编号方向时，双键优先于支链。

多重键也会改变分子的形状。双键的两个碳和与它们相连的四个原子都在同一个平面上，键角是 $120^{\circ}$；三键的两个碳和它们的邻居在一条直线上，$180^{\circ}$。比较一下模型：丙炔的键线式把三键和它旁边的碳画成一条直线，原因正在于此。

碳和氢以外的原子有两种命名方式。卤素原子（氟、氯、溴、碘）像支链一样处理，用词头 fluoro-、chloro-、bromo-、iodo-（中文“氟、氯、溴、碘”）加上位次：2-氯丙烷（2-chloropropane）的氯连在中间的碳上。在键线式中，氯写成 Cl，放在它那条线的末端。

含氧的基团通常改变的是词尾。这些例子中，OH 连在饱和碳（只形成单键的碳）上，才归为醇；不能把羧酸或苯酚中的 OH 也直接叫作醇。醇的英文词尾 “-ol”（中文“醇”）：乙醇（ethanol）是饮料中的酒精，2-丙醇（propan-2-ol）的 $\mathrm{OH}$ 连在 2 号碳上。其他词尾还有 “-al”“-one”“-oic acid” 等。这些基团决定了分子的典型性质，所以它们有单独的一页：官能团。

命名也可以反过来用。给出一个名字，从后往前读，就能画出分子。以 2,3-二甲基戊烷（2,3-dimethylpentane）为例，按“下一步”跟着做。