Hantzsch-Widman雜單環命名法及雜環命名與國際接軌問題

曹忠民

(大連理工大學化工學院,遼寧大連 116012)

Hantzsch-Widman雜單環命名法及雜環命名與國際接軌問題

曹忠民

(大連理工大學化工學院,遼寧大連 116012)

提出不受 IUPAC雜環命名法例外規則影響、完全系統化的中文 Hantzsch-W idman雜單環命名法,使中文雜環命名能與國際接軌。中文雜環命名法用天干表示雜環員數,“軛”和“單”分別表示共軛雙鍵與飽和雜環。

Hantzsch-W idman雜環命名法,雜環,中文雜環命名法

Hantzsch與W idman分別于 1887年和 1888年獨立提出含氮不飽和五員、六員雜環命名法。二人的命名方法雖然在一些細節上,如雜原子的順序和雜原子在環上位置的表示方式有所不同,但命名的基本原則是一致的,前綴表示雜原子種類,詞干(stem)代表環大小。所包括的雜原子,除氮外,僅有氧、硫和硒。詞干用-ol(-ole)和-in(-ine)分別表示五員和六員含氮雜環。此后,二人的雜環命名建議,雖然經過多次修改,增加了雜原子種類和不同不飽和度的環,擴大了環大小范疇,除五員、六員外,還包括了其他員數的環,但基本原則一直保留下來。1940年 Patterson等在《環索引》(The R ing Index)一書中將這一雜環命名方案系統化 (codify)為雜單環系統命名法[1]。 IUPAC有機化學命名委員會 (以下簡稱 CNOC)在編寫《藍皮書》(B lue Book)時,吸收了擴大的 Hantzsch-W idman雜環命名法,將它系統法化為 IUPAC有機化學系統命名法之一,并稱之為擴大的Hantzsch-W idman雜單環命名系統 (Extended Hantzsch-W idman System)[2](以下簡稱 H-W命名法)。它已成為包括 15種雜原子、飽和與不飽和、三員至十員雜單環的系統命名法。大于十員的雜單環用置換命名法 (replacement nomenclature)命名。此后,CNOC對于《藍皮書》中 H-W命名法又進行了一次修改,于 1978年公布了修改后的暫行推薦規則 (Provisional Recommendations,1978)[3],最終于 1982年發表 H-W雜單環命名 1982推薦規則 (Recommendations, 1982)[1]。新規則中增加了四個鹵素原子,雜原子數增加到19個。這是 IUPAC雜單環系統命名方法的最新規定,它取代了《藍皮書》中的 H-W系統命名法。1993年出版的《 IUPAC有機化合物命名法指南》(A Guide to IUPAC Nom enclature of O rganic Com pounds)中的 H-W命名法就是遵照 1982推薦規則[4]。但 CA的雜單環命名未能作及時的修改,仍然與《藍皮書》一致[5]。當前國際有機化學文獻中通用的雜單環名稱為 H-W名稱——置換名稱和經 IUPAC特別許可保留的俗名[6],如吡啶 (pyridine)、噻吩 (thiophene)、咪唑 (imidazole)等;雜稠環的命名則依據稠環烴的稠合命名法 (fusion nomenclature)。

《有機化學命名原則》(以下簡稱《原則》)中的中文雜環命名法[7]是由中國化學會根據《藍皮書》制訂的。但與《藍皮書》不同,中文的雜環命名法未提到H-W命名法,也未明確指出特別保留用于雜環本身和作為雜稠環母體組分名稱的俗名與半俗名,卻出現一種新的雜環名稱——“特定名稱”。《原則》未對“特定名稱”作出定義或加以說明。結合前面“芳香烴的特定名稱”[7]的論述來看,它似乎是指從英文名稱音譯形成的中文名稱,但具有“特定名稱”的多環芳香烴舉例中,有些 (如并四苯、并七苯、卵苯)又不是音譯的,因而它的含義很不明確。所舉的具體例子大多數是俗名,有少數是H-W名稱,如噻唑 (thiazole)和口惡唑 (oxazole)。“特定名稱”實際上包括兩種完全不同的名稱,俗名與H-W名稱,所以它不可能是有實際意義的名稱。這樣錯誤的名稱掩蓋了俗名在雜環命名中的特殊作用,更重要的是它使中文雜環命名法因缺少了雜單環的主要的系統命名方法——H-W命名法,而無法與國際接軌。在無 H-W命名法的情況下,中文雜單環的命名,只能使用置換名稱。

《原則》進一步討論雜環命名時,不從具體的雜環命名方法 (包括規則、使用范圍、例外等)出發,而是在“無特定名稱的雜環”和“無特定名稱的稠合雜環”的標題下進行,結果不免對某些命名規則有所忽略。如在“無特定名稱的雜環”舉例中,四員環

本應用 H-W命名法命名,但被稱作“硒雜環丁烷”(置換名稱);再如結構式為的雜環,它的全名“3-benzoxepin”中的母體名稱“oxepin”是 H-W名稱,也被譯為置換名稱“氧雜環庚三烯”。上述第二例,是《藍皮書》用來說明一種具有特殊結構的雜稠環(由苯與一個雜單環構成的稠環)的一種簡便命名方法[2],不用帶方括弧字母和數字位標來表示未稠合前各組分中稠合邊和原子位置,而只用無括弧的數字位標表示在已完成定位(orientation)的稠環整體分子中雜原子的位置[2]。《原則》混淆了帶方括弧與無括弧的位標。帶方括弧字母和數字是對分子中的局部而言,無括弧的數字則是表示整體分子中原子的位標。這里氧原子的位標是 3(無方括弧),并不是由于“編號可根據習慣,不一定從雜原子開始”,而是氧在已定位后稠環分子結構中的編號[2]。在本例中,只用氧在雜稠環分子中的編號 3,不僅可以明確了雜原子的位置,而且也確定了稠合邊,所以無需再用[d]來表示母組分發生稠合的邊。至于稠合前氧在母組分上的位標,無論稠合發生在哪一個邊上,它始終是 [1],可以省略。“[3]”是不存在的。

《原則》對于 IUPAC雜環命名規則的另一重要忽略是關于雜原子先后順序問題。雜環命名規則中有三處涉及雜原子先后順序問題：H-W名稱中雜原子的排位;置換名稱中,雜原子在環烴名稱前的先后順序;在稠合命名中含不同雜原子的雜環選作母組分的先后順序[2]。前兩種情況是雜原子作為不同元素原子間的比較,所依據的雜原子順序表是根據原子在周期表中相關位置制定的;而第三種情況則不同,不是原子本身的直接比較,而是含不同雜原子的雜環間的比較。相互比較的是雜環,雜原子只是用作區別不同雜環的標志。在這樣要經過多步驟、復雜的選擇母組分過程中,從不同雜環中選擇母組分時,當然盡可能將使用率最高的雜環作為首選。含氮雜環最常見、最多用。所以選擇母組分所依據的雜原子順序就不能完全按照原子在周期表中的相關位置,而必須作適當修改,將氮提到最前。因此,《藍皮書》規定母組分的首選是：“一個含氮的組分。”下一步,只有在環上無氮原子的情況下,其他雜原子方可按照原順序表進行比較。所以《藍皮書》母組分的第二選擇是：“(在無氮原子的情況下)一個含第一表排位最高雜原子的組分。”

《原則》忽略了這兩條規定,完全按照雜單環命名與置換名稱中使用的雜原子順序表來選擇稠環中母組分,結果,作出錯誤的選擇,形成了與國際命名不一致的稠環名稱。如在《原則》中,不叫“噻吩并[2,3-b]吡咯”,而叫做“吡咯并[2,3-b]噻吩”。但正確的名稱應該是前者而不是后者。按照 1998年 IUPAC推薦規則的全部俗名與半俗名表,吡咯與噻吩的實際排名分別為第54與 78[6],所以母組分應該是吡咯,而不是噻吩。

隨后出版的《藍皮書》中文譯本,引用了《原則》的“特定”一詞,但其含義又有所不同。“特定雜環命名法 ”(specialist heterocyclic nomenclature)[2],實際上包括 H-W系統命名、俗名與半俗名、置換命名,以及稠合命名。使含義不清的“特定名稱”更加混亂。《藍皮書》不稱雜環命名為“系統命名法”(systematic nomenclature),而稱作“specialist nomenclature”,是由于在雜環命名中,特別保留的雜環俗名與半俗名不僅數量多[2,6],而且在雜稠環命名中起關鍵作用。它們雖然不能稱作系統名稱,但經特別許可,可以和系統名稱同樣用于專業命名。“specialist”在這里意思是指用于專業的。《藍皮書》中文譯本未將 H-W名稱詞干譯成中文,但特別指出,它們只“限英文,無相當中文譯法”[8]。《藍皮書》中文譯本的問世,又增添了 H-W命名法不適用于中文雜環命名的錯誤概念。在這兩種對于有機化學命名起指導作用文獻的影響下, H-W命名法在中文雜環命名中被忽略了。大學教材《有機化學》中,完全沒有提到H-W命名法,并且指出,中文雜環名稱雜環主要形成方法是“英文名稱的音譯”,“漢字左邊加一‘口’旁”,稱音譯的名稱為“特定名稱”,“沒有特定名稱的雜環,可看做是相應碳環中的碳原子取代的衍生物來命名”[9]。

指導科研與教學的有機化學命名《原則》以及教科書對于 H-W命名法的忽略,導致了有機化學工作者對于 H-W命名法缺乏理解。最近媒體中出現雜環“dioxan”(H-W名稱)的中文譯名“二口惡烷”[10],混淆了含義為“飽和”的取代后綴“-ane”與含義為“飽和六員環”的 H-W名稱詞干“-an”,結果形成了缺少環大小、只表示飽和環、無意義的雜環名稱。這一錯誤名稱不僅出現在一般媒體上,而且在作為有機化學工具書的《英漢雙解有機化學詞典》[11]中也同樣存在。可見目前中文雜環命名中存在的問題亟待解決。解決問題的關鍵是建立合理的中文雜環 H-W系統命名法。因為有了中文H-W系統命名法,H-W名稱與俗名分別構成兩類不同的名稱,意義不明確、引起混亂的“特定名稱”也就不復存在;再者,H-W名稱與置換名稱通過明確的分工,共同形成了與國際接軌、雜單環的系統名稱。H-W名稱、置換名稱和保留的俗名,再加上稠合名稱,共同構成了完全與國際接軌的中文雜環專業命名法。拋卻含義不明確的“無特定名稱的雜環”,從雜環命名法具體的規則出發,來闡述雜環的命名,可能避免對于命名規則的誤解或忽略。

建立合理的中文雜環 H-W系統命名法,首先應該弄清系統名稱與俗名的本質差異。

系統名稱最初專指日內瓦命名規則與列日命名規則中主要討論的取代名稱。 IUPAC編寫《藍皮書》時,吸收了當時文獻中已在使用的其他合理的名稱,并將它們系統化[2],例如過去有機化學教科書中多用于酮和醚類命名、所謂的普通名稱成為IUPAC的基官能名稱 (radicofunctional name),“a”命名法(“a”nomenclature)在《藍皮書》中改為置換命名法,結果使 IUPAC有機化學命名法成為由多種系統命名法構成的、便于對各種不同結構化合物命名的命名體系。

系統名稱的多樣化,被認為是 IUPAC命名法與前兩次命名法不同的突出特點之一[12]。 IUPAC曾為系統名稱作出定義[2],但用“特別制定和選擇的音節”(“specially coined or selected syllables”)來定義系統名稱,似乎過于強調了它構成的特殊形式,而忽略了它代表化學結構的實質。取代名稱雖然基本上是由“特別制定的”音節構成的,但在其他系統名稱中則不盡如此,如基官能名稱中代表官能的不是“特別制定的音節”,而是表示一種官能團的詞;再如稠合名稱中的母體也不是音節,而多為保留的雜環俗名。日內瓦會議百周年紀念大會上的一篇報告中有這樣一句話：“Names of organic compounds are now based on structure, and structure-based naming was central to Geneva nomenclature.”[13]這句話雖然是指日內瓦命名法主要討論的取代名稱而言,但同時也說明了系統名稱的實質是化學結構。所以系統命名法應該是以化學結構為基礎、具有相當系統化規則的命名方法。

系統名稱是代表化學結構式用于交流的化學語言,它的結構內涵是通過具體的自然語言來表達的。英文系統名稱每一音節或詞,中文的每一個字都表示所命名化合物一定的結構。而俗名則不同,它與化合物的結構無關。這是系統名稱與俗名的根本區別。建立中文系統名稱時,如果從原文音譯,所形成名稱的每一個字只是模擬原文名稱的音,而未能直接反映原文的意 (化學結構),結果音譯的系統名稱因未能直接表達結構,實際上已成為與結構無關的俗名。所以中文系統名稱首先不能從原文音譯。

對于作為系統命名的 H-W命名法的建立,除不能從原文音譯外,還須考慮到 H-W命名法另外一個具體問題。為了避免形成的 H-W名稱與已在使用的非雜環化合物名稱雷同, IUPAC對 H-W命名規則作出很多例外[4],結果 H-W命名法已在相當大程度上失去了它應有的系統性,尤其是不飽和雜環的命名。1982推薦雜環命名法規則,三至十員 8種不飽和雜單環中,只有七至十員的詞干符合命名原則,即由表示環大小的音節(從相應的倍數詞[4]得來)加上表示不飽和的音節“-ine”構成,其他四種規則都是例外規定,不符合詞干命名原則,如：三員不飽和環名稱詞干中表示不飽和的音節不是“-ine”,而是“-ene”;四員環詞干只用從 tetra得來的-et表示環大小音節。而無表示不飽和的“-ine”;五員環詞干則仍為 Hantzsch與W idman原來規定、同時表示環大小與不飽和的“-ole”;六員環詞干的構成非常復雜,它取決于與詞干直接相連的雜原子(多種雜原子中在雜原子順序表[4]排位最低的雜原子),根據這個雜原子的不同,不飽和六員環詞干分成了 6A、6B、6C三組。6A、6B兩組的詞干與五員環詞干相同,仍然沿用 Hantzsch與W idman原來使用的、同時代表不飽和與六員環的“-ine”,而 6C組的詞干則在原來“-in(e)”后面又加了一個“-ine”,成為“-inine”。飽和雜單環的詞干中,除六員環詞干的例外規定外,最易引起誤解的是含一個氮原子的三員、四員和五員環的詞干,經常用的不是相應的“-irane”“-etane”和“-olane”,而分別為以表示不飽和的音節“-ine”結尾的“-iridine”“-etidine”和“-olidine”[1]。所以 IUPAC的 HW命名法已失去了它應有的規律性。

盡管有這樣多而復雜的例外規定,H-W命名法仍然不能普遍地用于所有雜單環的命名,如 oxine與 azine因已用來分別代表 8-羥基喹啉和含有=N-N=基的一類化合物,而不能用作代表雜環的H-W名稱[4]。此外,形式上為 H-W名稱的“dioxin”(二口惡英),已是一種眾所熟知的致癌物質的名稱,它并不是含兩個氧原子的六員雜單環,而是含這個雜環的多氯化物,它的系統名稱是 2,3,7,8-tetachlorodibenzo-p-dioxin(TCDD)[14]。作為系統命名法的H-W命名法如此缺乏“系統性”,并不是由于H-W命名法原則本身有缺陷,而是由于表達名稱中結構內涵所用的自然語言(英語)中出現名稱混淆引起的。如用其他語言來表達 H-W名稱,這樣問題就不復存在。所以在建立與國際接軌的中文 H-W雜單環系統命名法時,不僅不能音譯 IUPAC H-W雜環命名法,而且也不能根據某一版本的 H-W雜環命名法的英文簡單地翻譯或移植過來,而應該以從 Hantzsch與W idman二人原始思想改進和擴大形成的系統命名原則(前綴表示雜原子種類和數量,詞干表示環大小和飽和度)為依據,用漢語表達成為合理的中文 H-W雜單環系統命名法。得出的中文系統名稱是用漢語表達雜環的結構的化學語言。

如何形成漢語表達的化學語言,前輩化學家們在取代命名中已作出了很好的范例。本著這種精神,筆者提出如下的中文 H-W雜單環命名方案,請有關專家指正：

1.雜原子表示法：

中文H-W名稱中雜原子與取代名稱、加成名稱、置換名稱中的雜原子不同,不表示任何命名運作,只表示作為環的成員,雜原子名稱后面不加任何如“代”“化”“雜”一類的字。多個相同的雜原子可在雜原子名稱前面加相應的數字。雜原子標準價數和多種不同雜原子的排列順序均按 IUPAC規定[4]。

2.環的員數與飽和度表示法：

環的員數用在取代命名中普遍使用的天干(丙,丁,戊……)來表示,

H-W名稱只包括“不飽和”與“飽和”兩種環。所謂“不飽和”是指具有“最大數目非累積雙鍵”(ma ximum n umber of non-cum ulative double bonds)的 mancude環[6b][15]。《藍皮書》對于“非累積雙鍵”有如下的解釋：“non-cumulative double bonds comprise every other arrangement of two or more double bonds in a single structure”[2],所以“maximum numberof non-cumulative double bonds”是指最大數目的共軛雙鍵①,但不是無條件最大數目的共軛雙鍵[16],而是不含累積雙鍵情況下共軛雙鍵的最大數。建議中文雜單環名稱中用“軛”字表示含共軛雙鍵的“不飽和”環,用“單”字表示由單鍵構成的“飽和”環。

下面舉例說明中文 H-W雜單環系統名稱：

1 氮-丁軛Azete 2 磷-己軛(Phosphinine) 3 1,3二硫 -戊單(1,3-Dithiolane) 4 1,4,2-氧,氮,磷-戊單(1,4,2-Oxazaphospholidine) 5 2H,4H-1, 3二氧-己軛(2H,4H-1,3-Dioxine) 6 硅-戊單(Silolane)

飽和度介于“軛”環與“單”環之間的雜環可用“二氫化”,或“四氫化”等字樣加在相應的“軛”環名稱前,或將“脫二氫”或“脫四氫”等字樣加到相應的“單”環名稱后表示。例如：

1,2-二氫化氮 -丁軛(1,2-Dihydroazete)

或 2,3-脫二氫氮雜 -DW(2,3-didehydroazetidine)

含有非標準價數雜原子的雜環按 IUPAC“λ規定”(λConvention)[17]處理,例如：

1,3λ5-氧,磷 -戊軛 (1,3λ5-Oxaphosphole)

下面列出中英文雜單環名稱詞干對照表：

環的員數 不飽和 飽和中文 IUPAC 中文 IUPAC 3 丙軛 -irene -irine 丙單 -irane -iridine(含 1 N) 4 丁軛 -ete 丁單 -etane -etidine(含 1 N) 5 戊軛 -ole 戊單 -olane -olidine(含 1 N) 6A[1] 6B 6C己軛-ine -ine -inine己單-ine -inane -inane 7 庚軛 -epine 庚單 -epane 8 辛軛 -ocine 辛單 -ocane 9 壬軛 -onine 壬單 -onane 10 癸軛 -ecine 癸單 -ecane

中文H-W雜單環系統名稱直接表示化合物的結構,所以可與其他任何文字按照 H-W命名原則表達結構的系統名稱接軌。CA因尚未采用 IUPAC推薦的 1982 H-W命名規則,有些雜單環名稱與IUPAC有所不同,如磷雜苯, IUPAC稱之為“phosphinine”[1],CA中則為“phosphorin”[5]。中文名稱“磷 -己軛”通過它所代表的結構可與二者任何一個接軌。致癌物質的名稱 dioxin作為俗名,可音譯為二口惡英,而作為 H-W名稱的 dioxin則譯為二氧己軛,也不再有英文中混淆的問題。

注釋

①《藍皮書》中文譯本譯文有誤,上面原文這句話意為每隔一個單鍵一個雙鍵排列的兩個或多個雙鍵,即共軛雙鍵,而不是“以其他方式排列”的兩個或多個雙鍵[8]。

[1] IUPAC Revision of the Extended Hantzsch-W idman System ofNomenclature for Heterocycles(Recommendations 1982) [J].Pure Appl.Chem.1983,55(2)：409-416.

[2] IUPAC Nomenclature ofOrganic Chemistry[M].1979 Edition,Oxford Pergamon Press.

[3] IUPAC Revision of the Extended Hantzsch-W idman System of Nomenclature of Heteromonocycles(Provisional Recommendations 1978)[J].Pure Appl.Chem.1979,51：1995-2003.

[4]A Guide to IUPACNomenclature ofOrganic Compounds(Recommendations 1993)[M].Blackwell Science Ltd,London.

[5]Chemical abstracts,Index Guide 1999[DB/0L]：183 I,146.

[6] IUPAC Nomenclature of Fused and Bridged Fused Ring Systems[J].Pure Appl.Chem.1998,70(1)：143-216.

[7]中國化學會.有機化學命名原則[M].北京：科學出版社,1980.

[8]國際純粹化學與應用化學聯合會.有機化學命名法 (A, B,C,D,E,F和 H部)[M].北京：北京科學出版社,1987.

[9]高鴻賓主編.有機化學[M].3版.北京：高等教育出版社,1999：468.

[10][N]人民日報,2009-03-21(2).

[11]John Daintith.英漢雙解有機化學詞典 [M].楊秉勤主譯.西安：世界圖書出版公司西安公司,2008：174.

[12]Verkade P E.A History of the Nomenclature of Organic Chemistry[M].D Reidel Publishing Company,Dordrecht, 1985：300.

[13]Traynham J G.Organic Nomenclature：The Geneva Conference 1892 and the Following Fifty Years in Kisakurek [C]//M V.Organic Chemistry：Its Language and Its State of the Art,Verlag Helvetica Chimica Acta,Basel (Switzerland),1993：2.

[14]Sharp D W A.The Penguin Dictionary of Chemistry[M]. 2nd Edition.Reprinted in the People's Republic of China by the Foreign Languages Press,1996：141.

[15]Leigh G J,Favre H A,Metanomski.Principles of Chemical [M].Nomenclature(A Guide to IUPAC Recommendations)Blackwell Science Ltd.,1998：75.

[16]Fox R B,Powell W H.Nomenclature of Organic Compounds[M].2nd Ed.Oxford University Press,2001：106.

[17]Treatment of Variable Valence in Organic Nomenclature (Lambda Convention)[J].Pure Appl.Chem.1984,56 (6)：769-778.

Extended Hantzsch-Widman Nomenclature of Heteromonocycles in Chinese and Internationalization of Heterocyclic Nomenclature in China

CAO Zhongmin

A Chinese ve rs ion of Extended Hantzsch-W idm an he te rocyc lic nom enc la ture,free from exceptiona l rules in form ing s tem s in the nam es of he te rom onocyc les,is p ut forw a rd.In this nom enc la ture sys tem, the Chinese trad itiona l ten Heavenly S tem s(“天干”)a re used as se ria l num be rs to denote the s ize of he te rom onocyc les,and the Chinese cha rac te rs“軛”and“單”,w hich m ean conjuga ted and s ing le,to denote he te rm onocyc les comp osed of conjuga ted doub le bonds and s ing le bonds resp ec tive ly.

Hantzsch-W idm an nom enc la ture,he te rom onocyc les,Chinese he te rocyc lic nom enc la ture

N04;H083;TQ0

A

1673-8578(2010)01-0045-06

2009-09-25

曹忠民(1912—),男,河北永清縣人,大連理工大學化工學院教授,從事有機化學與有機質譜教學與科研。已退休。通信方式：caogong2003@ho tmail.com。