Hantzsch-Widman杂单环命名法及杂环命名与国际接轨问题

曹忠民

(大连理工大学化工学院,辽宁大连 116012)

Hantzsch-Widman杂单环命名法及杂环命名与国际接轨问题

曹忠民

(大连理工大学化工学院,辽宁大连 116012)

提出不受 IUPAC杂环命名法例外规则影响、完全系统化的中文 Hantzsch-W idman杂单环命名法,使中文杂环命名能与国际接轨。中文杂环命名法用天干表示杂环员数,“轭”和“单”分别表示共轭双键与饱和杂环。

Hantzsch-W idman杂环命名法,杂环,中文杂环命名法

Hantzsch与W idman分别于 1887年和 1888年独立提出含氮不饱和五员、六员杂环命名法。二人的命名方法虽然在一些细节上,如杂原子的顺序和杂原子在环上位置的表示方式有所不同,但命名的基本原则是一致的,前缀表示杂原子种类,词干(stem)代表环大小。所包括的杂原子,除氮外,仅有氧、硫和硒。词干用-ol(-ole)和-in(-ine)分别表示五员和六员含氮杂环。此后,二人的杂环命名建议,虽然经过多次修改,增加了杂原子种类和不同不饱和度的环,扩大了环大小范畴,除五员、六员外,还包括了其他员数的环,但基本原则一直保留下来。1940年 Patterson等在《环索引》(The R ing Index)一书中将这一杂环命名方案系统化 (codify)为杂单环系统命名法[1]。 IUPAC有机化学命名委员会 (以下简称 CNOC)在编写《蓝皮书》(B lue Book)时,吸收了扩大的 Hantzsch-W idman杂环命名法,将它系统法化为 IUPAC有机化学系统命名法之一,并称之为扩大的Hantzsch-W idman杂单环命名系统 (Extended Hantzsch-W idman System)[2](以下简称 H-W命名法)。它已成为包括 15种杂原子、饱和与不饱和、三员至十员杂单环的系统命名法。大于十员的杂单环用置换命名法 (replacement nomenclature)命名。此后,CNOC对于《蓝皮书》中 H-W命名法又进行了一次修改,于 1978年公布了修改后的暂行推荐规则 (Provisional Recommendations,1978)[3],最终于 1982年发表 H-W杂单环命名 1982推荐规则 (Recommendations, 1982)[1]。新规则中增加了四个卤素原子,杂原子数增加到19个。这是 IUPAC杂单环系统命名方法的最新规定,它取代了《蓝皮书》中的 H-W系统命名法。1993年出版的《 IUPAC有机化合物命名法指南》(A Guide to IUPAC Nom enclature of O rganic Com pounds)中的 H-W命名法就是遵照 1982推荐规则[4]。但 CA的杂单环命名未能作及时的修改,仍然与《蓝皮书》一致[5]。当前国际有机化学文献中通用的杂单环名称为 H-W名称——置换名称和经 IUPAC特别许可保留的俗名[6],如吡啶 (pyridine)、噻吩 (thiophene)、咪唑 (imidazole)等;杂稠环的命名则依据稠环烃的稠合命名法 (fusion nomenclature)。

《有机化学命名原则》(以下简称《原则》)中的中文杂环命名法[7]是由中国化学会根据《蓝皮书》制订的。但与《蓝皮书》不同,中文的杂环命名法未提到H-W命名法,也未明确指出特别保留用于杂环本身和作为杂稠环母体组分名称的俗名与半俗名,却出现一种新的杂环名称——“特定名称”。《原则》未对“特定名称”作出定义或加以说明。结合前面“芳香烃的特定名称”[7]的论述来看,它似乎是指从英文名称音译形成的中文名称,但具有“特定名称”的多环芳香烃举例中,有些 (如并四苯、并七苯、卵苯)又不是音译的,因而它的含义很不明确。所举的具体例子大多数是俗名,有少数是H-W名称,如噻唑 (thiazole)和口恶唑 (oxazole)。“特定名称”实际上包括两种完全不同的名称,俗名与H-W名称,所以它不可能是有实际意义的名称。这样错误的名称掩盖了俗名在杂环命名中的特殊作用,更重要的是它使中文杂环命名法因缺少了杂单环的主要的系统命名方法——H-W命名法,而无法与国际接轨。在无 H-W命名法的情况下,中文杂单环的命名,只能使用置换名称。

《原则》进一步讨论杂环命名时,不从具体的杂环命名方法 (包括规则、使用范围、例外等)出发,而是在“无特定名称的杂环”和“无特定名称的稠合杂环”的标题下进行,结果不免对某些命名规则有所忽略。如在“无特定名称的杂环”举例中,四员环

本应用 H-W命名法命名,但被称作“硒杂环丁烷”(置换名称);再如结构式为的杂环,它的全名“3-benzoxepin”中的母体名称“oxepin”是 H-W名称,也被译为置换名称“氧杂环庚三烯”。上述第二例,是《蓝皮书》用来说明一种具有特殊结构的杂稠环(由苯与一个杂单环构成的稠环)的一种简便命名方法[2],不用带方括弧字母和数字位标来表示未稠合前各组分中稠合边和原子位置,而只用无括弧的数字位标表示在已完成定位(orientation)的稠环整体分子中杂原子的位置[2]。《原则》混淆了带方括弧与无括弧的位标。带方括弧字母和数字是对分子中的局部而言,无括弧的数字则是表示整体分子中原子的位标。这里氧原子的位标是 3(无方括弧),并不是由于“编号可根据习惯,不一定从杂原子开始”,而是氧在已定位后稠环分子结构中的编号[2]。在本例中,只用氧在杂稠环分子中的编号 3,不仅可以明确了杂原子的位置,而且也确定了稠合边,所以无需再用[d]来表示母组分发生稠合的边。至于稠合前氧在母组分上的位标,无论稠合发生在哪一个边上,它始终是 [1],可以省略。“[3]”是不存在的。

《原则》对于 IUPAC杂环命名规则的另一重要忽略是关于杂原子先后顺序问题。杂环命名规则中有三处涉及杂原子先后顺序问题：H-W名称中杂原子的排位;置换名称中,杂原子在环烃名称前的先后顺序;在稠合命名中含不同杂原子的杂环选作母组分的先后顺序[2]。前两种情况是杂原子作为不同元素原子间的比较,所依据的杂原子顺序表是根据原子在周期表中相关位置制定的;而第三种情况则不同,不是原子本身的直接比较,而是含不同杂原子的杂环间的比较。相互比较的是杂环,杂原子只是用作区别不同杂环的标志。在这样要经过多步骤、复杂的选择母组分过程中,从不同杂环中选择母组分时,当然尽可能将使用率最高的杂环作为首选。含氮杂环最常见、最多用。所以选择母组分所依据的杂原子顺序就不能完全按照原子在周期表中的相关位置,而必须作适当修改,将氮提到最前。因此,《蓝皮书》规定母组分的首选是：“一个含氮的组分。”下一步,只有在环上无氮原子的情况下,其他杂原子方可按照原顺序表进行比较。所以《蓝皮书》母组分的第二选择是：“(在无氮原子的情况下)一个含第一表排位最高杂原子的组分。”

《原则》忽略了这两条规定,完全按照杂单环命名与置换名称中使用的杂原子顺序表来选择稠环中母组分,结果,作出错误的选择,形成了与国际命名不一致的稠环名称。如在《原则》中,不叫“噻吩并[2,3-b]吡咯”,而叫做“吡咯并[2,3-b]噻吩”。但正确的名称应该是前者而不是后者。按照 1998年 IUPAC推荐规则的全部俗名与半俗名表,吡咯与噻吩的实际排名分别为第54与 78[6],所以母组分应该是吡咯,而不是噻吩。

随后出版的《蓝皮书》中文译本,引用了《原则》的“特定”一词,但其含义又有所不同。“特定杂环命名法 ”(specialist heterocyclic nomenclature)[2],实际上包括 H-W系统命名、俗名与半俗名、置换命名,以及稠合命名。使含义不清的“特定名称”更加混乱。《蓝皮书》不称杂环命名为“系统命名法”(systematic nomenclature),而称作“specialist nomenclature”,是由于在杂环命名中,特别保留的杂环俗名与半俗名不仅数量多[2,6],而且在杂稠环命名中起关键作用。它们虽然不能称作系统名称,但经特别许可,可以和系统名称同样用于专业命名。“specialist”在这里意思是指用于专业的。《蓝皮书》中文译本未将 H-W名称词干译成中文,但特别指出,它们只“限英文,无相当中文译法”[8]。《蓝皮书》中文译本的问世,又增添了 H-W命名法不适用于中文杂环命名的错误概念。在这两种对于有机化学命名起指导作用文献的影响下, H-W命名法在中文杂环命名中被忽略了。大学教材《有机化学》中,完全没有提到H-W命名法,并且指出,中文杂环名称杂环主要形成方法是“英文名称的音译”,“汉字左边加一‘口’旁”,称音译的名称为“特定名称”,“没有特定名称的杂环,可看做是相应碳环中的碳原子取代的衍生物来命名”[9]。

指导科研与教学的有机化学命名《原则》以及教科书对于 H-W命名法的忽略,导致了有机化学工作者对于 H-W命名法缺乏理解。最近媒体中出现杂环“dioxan”(H-W名称)的中文译名“二口恶烷”[10],混淆了含义为“饱和”的取代后缀“-ane”与含义为“饱和六员环”的 H-W名称词干“-an”,结果形成了缺少环大小、只表示饱和环、无意义的杂环名称。这一错误名称不仅出现在一般媒体上,而且在作为有机化学工具书的《英汉双解有机化学词典》[11]中也同样存在。可见目前中文杂环命名中存在的问题亟待解决。解决问题的关键是建立合理的中文杂环 H-W系统命名法。因为有了中文H-W系统命名法,H-W名称与俗名分别构成两类不同的名称,意义不明确、引起混乱的“特定名称”也就不复存在;再者,H-W名称与置换名称通过明确的分工,共同形成了与国际接轨、杂单环的系统名称。H-W名称、置换名称和保留的俗名,再加上稠合名称,共同构成了完全与国际接轨的中文杂环专业命名法。抛却含义不明确的“无特定名称的杂环”,从杂环命名法具体的规则出发,来阐述杂环的命名,可能避免对于命名规则的误解或忽略。

建立合理的中文杂环 H-W系统命名法,首先应该弄清系统名称与俗名的本质差异。

系统名称最初专指日内瓦命名规则与列日命名规则中主要讨论的取代名称。 IUPAC编写《蓝皮书》时,吸收了当时文献中已在使用的其他合理的名称,并将它们系统化[2],例如过去有机化学教科书中多用于酮和醚类命名、所谓的普通名称成为IUPAC的基官能名称 (radicofunctional name),“a”命名法(“a”nomenclature)在《蓝皮书》中改为置换命名法,结果使 IUPAC有机化学命名法成为由多种系统命名法构成的、便于对各种不同结构化合物命名的命名体系。

系统名称的多样化,被认为是 IUPAC命名法与前两次命名法不同的突出特点之一[12]。 IUPAC曾为系统名称作出定义[2],但用“特别制定和选择的音节”(“specially coined or selected syllables”)来定义系统名称,似乎过于强调了它构成的特殊形式,而忽略了它代表化学结构的实质。取代名称虽然基本上是由“特别制定的”音节构成的,但在其他系统名称中则不尽如此,如基官能名称中代表官能的不是“特别制定的音节”,而是表示一种官能团的词;再如稠合名称中的母体也不是音节,而多为保留的杂环俗名。日内瓦会议百周年纪念大会上的一篇报告中有这样一句话：“Names of organic compounds are now based on structure, and structure-based naming was central to Geneva nomenclature.”[13]这句话虽然是指日内瓦命名法主要讨论的取代名称而言,但同时也说明了系统名称的实质是化学结构。所以系统命名法应该是以化学结构为基础、具有相当系统化规则的命名方法。

系统名称是代表化学结构式用于交流的化学语言,它的结构内涵是通过具体的自然语言来表达的。英文系统名称每一音节或词,中文的每一个字都表示所命名化合物一定的结构。而俗名则不同,它与化合物的结构无关。这是系统名称与俗名的根本区别。建立中文系统名称时,如果从原文音译,所形成名称的每一个字只是模拟原文名称的音,而未能直接反映原文的意 (化学结构),结果音译的系统名称因未能直接表达结构,实际上已成为与结构无关的俗名。所以中文系统名称首先不能从原文音译。

对于作为系统命名的 H-W命名法的建立,除不能从原文音译外,还须考虑到 H-W命名法另外一个具体问题。为了避免形成的 H-W名称与已在使用的非杂环化合物名称雷同, IUPAC对 H-W命名规则作出很多例外[4],结果 H-W命名法已在相当大程度上失去了它应有的系统性,尤其是不饱和杂环的命名。1982推荐杂环命名法规则,三至十员 8种不饱和杂单环中,只有七至十员的词干符合命名原则,即由表示环大小的音节(从相应的倍数词[4]得来)加上表示不饱和的音节“-ine”构成,其他四种规则都是例外规定,不符合词干命名原则,如：三员不饱和环名称词干中表示不饱和的音节不是“-ine”,而是“-ene”;四员环词干只用从 tetra得来的-et表示环大小音节。而无表示不饱和的“-ine”;五员环词干则仍为 Hantzsch与W idman原来规定、同时表示环大小与不饱和的“-ole”;六员环词干的构成非常复杂,它取决于与词干直接相连的杂原子(多种杂原子中在杂原子顺序表[4]排位最低的杂原子),根据这个杂原子的不同,不饱和六员环词干分成了 6A、6B、6C三组。6A、6B两组的词干与五员环词干相同,仍然沿用 Hantzsch与W idman原来使用的、同时代表不饱和与六员环的“-ine”,而 6C组的词干则在原来“-in(e)”后面又加了一个“-ine”,成为“-inine”。饱和杂单环的词干中,除六员环词干的例外规定外,最易引起误解的是含一个氮原子的三员、四员和五员环的词干,经常用的不是相应的“-irane”“-etane”和“-olane”,而分别为以表示不饱和的音节“-ine”结尾的“-iridine”“-etidine”和“-olidine”[1]。所以 IUPAC的 HW命名法已失去了它应有的规律性。

尽管有这样多而复杂的例外规定,H-W命名法仍然不能普遍地用于所有杂单环的命名,如 oxine与 azine因已用来分别代表 8-羟基喹啉和含有=N-N=基的一类化合物,而不能用作代表杂环的H-W名称[4]。此外,形式上为 H-W名称的“dioxin”(二口恶英),已是一种众所熟知的致癌物质的名称,它并不是含两个氧原子的六员杂单环,而是含这个杂环的多氯化物,它的系统名称是 2,3,7,8-tetachlorodibenzo-p-dioxin(TCDD)[14]。作为系统命名法的H-W命名法如此缺乏“系统性”,并不是由于H-W命名法原则本身有缺陷,而是由于表达名称中结构内涵所用的自然语言(英语)中出现名称混淆引起的。如用其他语言来表达 H-W名称,这样问题就不复存在。所以在建立与国际接轨的中文 H-W杂单环系统命名法时,不仅不能音译 IUPAC H-W杂环命名法,而且也不能根据某一版本的 H-W杂环命名法的英文简单地翻译或移植过来,而应该以从 Hantzsch与W idman二人原始思想改进和扩大形成的系统命名原则(前缀表示杂原子种类和数量,词干表示环大小和饱和度)为依据,用汉语表达成为合理的中文 H-W杂单环系统命名法。得出的中文系统名称是用汉语表达杂环的结构的化学语言。

如何形成汉语表达的化学语言,前辈化学家们在取代命名中已作出了很好的范例。本着这种精神,笔者提出如下的中文 H-W杂单环命名方案,请有关专家指正：

1.杂原子表示法：

中文H-W名称中杂原子与取代名称、加成名称、置换名称中的杂原子不同,不表示任何命名运作,只表示作为环的成员,杂原子名称后面不加任何如“代”“化”“杂”一类的字。多个相同的杂原子可在杂原子名称前面加相应的数字。杂原子标准价数和多种不同杂原子的排列顺序均按 IUPAC规定[4]。

2.环的员数与饱和度表示法：

环的员数用在取代命名中普遍使用的天干(丙,丁,戊……)来表示,

H-W名称只包括“不饱和”与“饱和”两种环。所谓“不饱和”是指具有“最大数目非累积双键”(ma ximum n umber of non-cum ulative double bonds)的 mancude环[6b][15]。《蓝皮书》对于“非累积双键”有如下的解释：“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”是指最大数目的共轭双键①,但不是无条件最大数目的共轭双键[16],而是不含累积双键情况下共轭双键的最大数。建议中文杂单环名称中用“轭”字表示含共轭双键的“不饱和”环,用“单”字表示由单键构成的“饱和”环。

下面举例说明中文 H-W杂单环系统名称：

1 氮-丁轭Azete 2 磷-己轭(Phosphinine) 3 1,3二硫 -戊单(1,3-Dithiolane) 4 1,4,2-氧,氮,磷-戊单(1,4,2-Oxazaphospholidine) 5 2H,4H-1, 3二氧-己轭(2H,4H-1,3-Dioxine) 6 硅-戊单(Silolane)

饱和度介于“轭”环与“单”环之间的杂环可用“二氢化”,或“四氢化”等字样加在相应的“轭”环名称前,或将“脱二氢”或“脱四氢”等字样加到相应的“单”环名称后表示。例如：

1,2-二氢化氮 -丁轭(1,2-Dihydroazete)

或 2,3-脱二氢氮杂 -DW(2,3-didehydroazetidine)

含有非标准价数杂原子的杂环按 IUPAC“λ规定”(λConvention)[17]处理,例如：

1,3λ5-氧,磷 -戊轭 (1,3λ5-Oxaphosphole)

下面列出中英文杂单环名称词干对照表：

环的员数 不饱和 饱和中文 IUPAC 中文 IUPAC 3 丙轭 -irene -irine 丙单 -irane -iridine(含 1 N) 4 丁轭 -ete 丁单 -etane -etidine(含 1 N) 5 戊轭 -ole 戊单 -olane -olidine(含 1 N) 6A[1] 6B 6C己轭-ine -ine -inine己单-ine -inane -inane 7 庚轭 -epine 庚单 -epane 8 辛轭 -ocine 辛单 -ocane 9 壬轭 -onine 壬单 -onane 10 癸轭 -ecine 癸单 -ecane

中文H-W杂单环系统名称直接表示化合物的结构,所以可与其他任何文字按照 H-W命名原则表达结构的系统名称接轨。CA因尚未采用 IUPAC推荐的 1982 H-W命名规则,有些杂单环名称与IUPAC有所不同,如磷杂苯, IUPAC称之为“phosphinine”[1],CA中则为“phosphorin”[5]。中文名称“磷 -己轭”通过它所代表的结构可与二者任何一个接轨。致癌物质的名称 dioxin作为俗名,可音译为二口恶英,而作为 H-W名称的 dioxin则译为二氧己轭,也不再有英文中混淆的问题。

注释

①《蓝皮书》中文译本译文有误,上面原文这句话意为每隔一个单键一个双键排列的两个或多个双键,即共轭双键,而不是“以其他方式排列”的两个或多个双键[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]中国化学会.有机化学命名原则[M].北京：科学出版社,1980.

[8]国际纯粹化学与应用化学联合会.有机化学命名法 (A, B,C,D,E,F和 H部)[M].北京：北京科学出版社,1987.

[9]高鸿宾主编.有机化学[M].3版.北京：高等教育出版社,1999：468.

[10][N]人民日报,2009-03-21(2).

[11]John Daintith.英汉双解有机化学词典 [M].杨秉勤主译.西安：世界图书出版公司西安公司,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“轭”and“单”,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,河北永清县人,大连理工大学化工学院教授,从事有机化学与有机质谱教学与科研。已退休。通信方式：caogong2003@ho tmail.com。