Teksti Risto Laitinen, kuva Istock
Kemian nimistön kehittäminen on tasapainottelua systeemaattisuuden, käytännöllisyyden ja tieteellisen kehityksen kesken, kun samaan aikaan yhdisteiden määrä kasvaa jatkuvasti. Oulun yliopiston epäorgaanisen kemian emeritusprofessori Risto Laitinen kertoo, mitä kaikkea nimistön kehittäminen ja Punaisen kirjan päivitys vaatii.
Kemian nimistö juontaa juurensa L. B. Guyton de Morveaun työhön 1780-luvulla. Hänen mukaansa nimistön tulee tukea ajattelua ja auttaa muistia. Kemian kansainvälistyessä ja kemiallisten yhdisteiden lukumäärän jatkuvasti kasvaessa tämä tavoite on tullut entistä tärkeämmäksi.
Halutaan välttää tilanteita, joissa samalla yhdisteellä on useita eri nimiä ja toisaalta sitä, että useammalla eri yhdisteellä on sama nimi.
Vuonna 1886 American Chemical Society ja Royal Society of Chemistry sopivat pyrkivänsä yhtenevään käytäntöön kemian englanninkielisessä nimistössä. Vuoden 1892 Geneven konferenssi oli niinikään merkkipaalu orgaanisen kemian nimistön systematisoinnin muotoutumisessa.
Vuonna 1913 perustettiin Council of the International Association of Chemical Societies, jonka piirissä toimivat erilliset epäorgaanisen ja orgaanisen kemian nimistökomissiot. Tämän organisaation työ katkesi melkein alkuunsa ensimmäisen maailmansodan puhkeamisen myötä.
Puhtaan ja sovelletun kemian kansainvälinen unioni (International Union of Pure and Applied Chemistry IUPAC) perustettiin sodan jälkeen vuonna 1919.
IUPAC:n toiminnan tavoitteet määriteltiin seuraavasti:
- Epäorgaanisen ja orgaanisen kemian nimistön systematisointi
- Atomipainojen standardisointi
- Fysikaalisten vakioiden standardisointi
- Materiaalien ominaisuuksien luettelointi
- Tieteellisen työn arviointi
- Julkaisujen formaattien standardisointi
- Toimenpiteet samojen asioiden moninkertaisen julkaisemisen ehkäisyyn
Nykyään IUPAC on jakautunut kahdeksaan jaokseen:
- Jaos I Fysikaalinen ja biofysikaalinen jaos
- Jaos II Epäorgaanisen kemian jaos
- Jaos III Orgaanisen ja biomolekulaarisen kemian jaos
- Jaos IV Polymeerikemian jaos
- Jaos V Analyyttisen kemian jaos
- Jaos VI Ympäristökemian jaos
- Jaos VII Terveyskemian jaos
- Jaos VIII Kemiallisen nimistön ja rakenteellisen esittämisen jaos
Värikirjat: IUPAC julkaisee suosituksensa joko lehdessä Pure and Applied Chemistry tai ns. värikirjoissa, jotka on listattu alla:
- Vihreä kirja: Fysikaalisen kemian suureet, yksiköt ja symbolit
- Punainen kirja: Epäorgaanisen kemian nimistö
- Sininen kirja: Orgaanisen kemian nimistö
- Violetti kirja: Polymeeriterminologia ja nimistö
- Oranssi kirja: Analyyttisen kemian terminologia
- Hopeinen kirja: Kliinisen laboratoriotieteen terminologia ja nimistö
- Valkoinen kirja: Biokemian nimistö
- Kultainen kirja: Kemian terminologia
Värikirjoja päivitetään jatkuvasti nimistö- ja standardisointityön edistyessä huolimatta siitä, että valtaosa suosituksista ilmestyy yksittäisinä artikkeleina Pure and Applied Chemistry -lehdessä.
Painettuja versioita suositaan edelleen, vaikka useimmat värikirjoista ovat ilmestyneet myös verkkojulkaisuina tai esimerkiksi Kultaisen kirjan kyseessä ollen myös etsittävinä tietokantoina.
Kemiallisen nimistön tavoitteet
IUPAC:n nimistötyön tavoite on kemiallisten yhdisteiden nimien standardisoiminen ja systematisoiminen. Perimmäinen tavoite olisi se, että yhdellä yhdisteellä on vain yksi nimi, joka olisi yksikäsitteinen, systemaattinen ja jonka avulla yhdiste on helppo tunnistaa.
Useissa tapauksissa orgaanisissa yhdisteissä annetaankin nykyään ns. PIN-nimi (Preferred IUPAC Name), mutta on kuitenkin osoittautunut, että tämä ei ole laajasti mielekästä johtuen yhdisteiden rakenteiden suuresta kirjosta.
On lähes mahdotonta saattaa orgaanisia yhdisteitä ja epäorgaanisia metallikomplekseja samojen systemaattisten nimistösääntöjen alaisuuteen. Tämän takia epäorgaanisen kemian ja orgaanisen kemian nimistöt ovat kehittyneet omia teitään, joskin yhteistä pintaa hyödynnetään aina, kun se on mahdollista.
Usein yhdisteellä voi siis olla useita hyväksyttäviä nimiä. Yhtä nimeä tärkeämpi tavoite on se, että kaikki käytetyt nimet ovat yksikäsitteisiä.
Nimen valinnassa on oleellista päättää, minkälaista informaatiota sillä halutaan välittää. Taulukossa 1 on esitetty nimistötasot käyttäen esimerkkinä tavallista yhdistettä rikkihappo.
Tavoitteena on, että yhdellä yhdisteellä on vain yksi nimi. Tavoitetta ei tulla saavuttamaan.
Yllä esitetyssä esimerkissä on itsestään selvää, että triviaalinimi rikkihappo on yleisin käytössä oleva nimi kyseiselle yhdisteelle. Se perustuu siihen, että kaikki tietävät, mistä yhdisteestä on kysymys.
Monimutkaisemmissa yhdisteissä triviaalinimeä ei useinkaan ole edes olemassa tai sen informaatioarvo on kyseenalainen. Tällöin joko koostumuksen ilmaisema stoikiometrinen nimi tai molekyylirakenteen määrittävä rakennenimi ovat hyödyllisiä tai jopa tarpeellisia.
Chemical Abstracts Service (CAS) on kehittänyt IUPAC:n nimistöstä hieman poikkeavaa nimeämiskäytäntöä tavoitteena luoda helposti haettavia hakemistoja. Tällaista nimeä kutsutaan indeksinimeksi.
Yksi uusi nimistön taso on IUPAC:n kehittämä järjestelmä InChI (International Chemical Identifier). Tämä menetelmä on tietokonepohjainen ja siinä yhdisteistä voidaan antaa paljon muitakin tietoja kuin pelkkä nimi. Tämä järjestelmä on vielä kehitysvaiheessa.
Usein systemaattisella IUPAC-nimellä ymmärretään orgaanisten yhdisteiden nimeämisessä kehittynyttä ns. substitutiivista nimistöä. Hiiliyhdisteille voidaan määritellä tietyt perushiilivedyt (esim. pentaani CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃ tai 2-penteeni CH₃CH=CHCH₂CH₃), joissa vetyatomien lukumäärät on tarkasti tiedossa. Pääte -aani viittaa tyydytettyyn hiilivetyyn ja -eeni tyydyttämättömään, C=C kaksoissidoksen sisältämään yhdisteeseen.
Yhdisteiden vetyatomeja voidaan korvata muilla atomeilla tai atomiryhmillä [esim. 3-klooripentaani, CH₃CH₃CH(Cl)CH₂CH₃]. Kloori on korvannut vedyn hiilessä 3 (atomien numeroinnissa on omat sääntönsä). Englannin kielessä korvaava Cl-atomi saa nimen ”chloro”, mutta suomen kielessä käännös ”kloori” tulee saksankielisestä käytännöstä ”chlor”. Tässäkin tapauksessa tiedetään, montako vetyä yhdisteessä on korvauksen jälkeen jäljellä.
Epäorgaanisissa yhdisteissä, eritoten siirtymämetallikomplekseissa, tällainen lähestymistapa ei ole mielekästä, koska ei voida määritellä yksikäsitteisesti, montako vetyä usein hypoteettisessa perusvety-yhdisteessä on tai tulisi olla.
Ratkaisuksi on kehitetty ns. additiivinen nimistö, jossa yksinkertaisesti kerrotaan, minkälaisia atomeja tai atomiryhmiä yhdisteessä on. Pääryhmien p-lohkon alkuaineille on mahdollista antaa sekä substitutiivinen että additiivinen nimi (taulukko 2).
On jo kauan sitten sovittu, että jos metallikompleksissa on orgaaninen ligandi, se nimetään orgaanisten substitutiivisten periaatteiden mukaan huolimatta siitä, että koko kompleksi nimetään additiivisesti.
Tämä toimii suhteellisen hyvin yksinkertaisten ligandien kyseessä ollen, mutta tulee sitä vaikeammaksi, mitä monimutkaisempi orgaaninen rakenne on. Tämä on yksi epäorgaanisen nimistön kehityksen suuria haasteita tällä hetkellä.
On usein sanottu, että kemiallinen rakennekaava on paras yksikäsitteinen systemaattinen nimi mille tahansa yhdisteelle. Perinteistä sanallista nimeämistä kuitenkin tarvitaan sekä lainsäädännössä että tullin toiminnassa.
Tämän takia yhdisteen yksikäsitteinen nimi on tärkeämpi vaatimus kuin se, että yhdellä yhdisteellä on vain yksi nimi. CAS:lla käytössä olevat rekisterinumerot kyllä määrittelevät selvästi kemialliset yhdisteet, mutta niiden ongelmana on se, että numerosarja ei kerro yhdisteestä yhtään mitään ja on siinä mielessä rinnastettavissa triviaalinimeen. Toinen ongelma on se, että samalla yhdisteellä voi olla useita rekisterinumeroita.
Kemian nimistön systematisointityö
IUPAC perusti kemian nimistökomission vuonna 1921. Alla olevassa kuvassa on esitetty komission ryhmäkuva sen kokouksessa Pariisissa vuonna 1925.
Komission ensimmäisiä päätöksiä oli vuonna 1926 tehdyt suositukset, jotka on esitetty vain ranskaksi. Päätökset sisälsivät mm. ensimmäisen yhtenäisen luettelon alkuaineiden kemiallisista symboleista, sillä niissä oli paljon eroavaisuuksia eri maissa.
Samoin annettiin suosituksia kemiallisten kaavojen kirjoittamisesta ja siitä, kuinka eri valenssit tulee merkitä. Tällöin muodostui myös käytäntö siitä, miten alkuaineiden atomien lukumäärät yhdisteissä merkitään. Raportti omistaa kaksi sivua nykyään koordinaatiokompleiksiksi kutsutulle yhdisteryhmälle.
IUPAC:n nimistökomissio jakautui pian erillisiksi komissioiksi epäorgaaniseen ja orgaaniseen kemiaan. Niiden toiminta jatkui aina vuoteen 2001 loppuun asti, jolloin osana IUPAC:n uudelleenorganisointia jokaisen jaoksen komissiot lakkautettiin ja toimintaa alettiin rahoittaa projektikohtaisesti erikseen perustettavissa työryhmissä.
Tässä yhteydessä nimistötoiminnan jatkuvuus varmistettiin perustamalla nimistöön keskittyvä Jaos VIII ”Division of Chemical Nomenclature and Structure Representation”.
Jokaisen jaoksen toimintaa koordinoi ja niiden päättävinä eliminä toimivat jaoskomiteat. Muutaman vuoden takaiset Jaos VIII:n komitean jäsenet on esitetty alemmassa kuvassa.
Kun epäorgaanisen ja orgaanisen kemian nimistökomissiot yhdistyivät, nimistön yhtenäinen tarkastelu helpottui.”
Kokoelmista kirjaksi
Ensimmäinen epäorgaanisten yhdisteiden nimeämistä käsittelevä kokoelma julkaistiin vuosina 1940–1941 Englannin, Saksan ja Amerikan kemian seurojen lehdissä. Näissä säännöissä esiteltiin mm. Stockin luku atomin hapetusluvun ilmaisemiseksi ja määriteltiin, miten yhdisteen komponentit tulisi järjestää nimessä.
Mielenkiintoisena yksityiskohtana voidaan mainita, että termin “bikarbonaatti” käyttö anionille HCO₃-⁻ kiellettiin tässä yhteydessä ja korvattiin termillä vetykarbonaatti. IUPAC:n nimistösääntöjen noudattamista tai noudattamatta jättämistä kuvaa hyvin se, että tämä kielletty nimitys on edelleenkin yleisessä käytössä.
Ensimmäinen varsinainen kirja epäorgaanisen kemian nimistösäännöistä ilmestyi vuonna 1959. Kirjan toinen painos julkaistiin vuonna 1971, jolloin se myös sai nimen ”Punainen kirja”.
Täysin uudistettu painos ilmestyi vuonna 1990 ja tähän mennessä uusin laitos vuonna 2005. Lisäksi vuonna 2000 ilmestyi kirja Nomenclature of Inorganic Chemistry II (ns. Punainen kirja II), jossa keskityttiin epäorgaanisen kemian erityiskysymyksiin. Suomen kemian seura julkaisi vuoden 1971 nimeämissääntöjen suomennoksen vuonna 1982.
Orgaanisen kemian nimistö on nähnyt hyvin samanlaisen kehityksen kuin epäorgaanisen kemian nimistö, joskin sen sääntö- ja suosituskokoelma on huomattavasti laajempi. Merkittävimmät teokset orgaanisen kemian nimistön alueella ovat vuoden 1979 ja 2013 suositukset (ns. Sininen kirja).
Epäorgaanisen kemian ja orgaanisen kemian nimistökomissioiden yhdistyessä samaan jaokseen, tuli koko kemian nimistön yhtenäinen tarkastelu helpommaksi. Yhdistymisen jälkeen julkaistiin kemian nimistön “oppikirja”, jossa katetaan sekä epäorgaanisten että orgaanisten yhdisteiden nimeämisperiaatteet.
Sen lisäksi viime vuosina on ilmestynyt kolme kemian nimistön ns. lyhyttä opasta.
Yksi kattaa epäorgaanisen kemian, toinen orgaanisen kemian ja kolmas polymeerikemian nimistön pääkohdat. Viimeksi mainittu on laadittu yhteistyössä polymerikemian jaoksen IV ja nimistöjaoksen VIII kesken. Oppaat on neljän painetun sivun mittaisia ja niitä on julkaistu myös useissa kemian alan aikakausjulkaisuissa ja oppikirjoissa.
Punaisen kirjan uuden laitoksen laatiminen
Epäorgaanisen kemian kehittyessä yhdisteiden nimeäminen on muuttunut merkittävästi ensimmäisen punaiseksi kirjaksi kutsutun teoksen ilmestyttyä vuonna 1971.
Tästä takia vuoden 1990 laitos sisälsi sekä sisällöltään että esitystavaltaan muutoksia edeltäjiinsä verrattuna. Yksi merkittävimpiä muutoksia oli asennoituminen IUPAC:n systematisointiin. Vuoden 1971 Punainen kirjan alaotsikko oli ”Definite Rules”. Vuonna 1990 vastaava alaotsikko oli ”Recommendations 1990”. Nykyäänkin IUPAC antaa vain suosituksia, ei sääntöjä.
Vuoden 2005 Punaisen kirjan sisällysluettelo on melko samanlainen kuin vuoden 1990 versiossa, joskin materiaali on järjestetty ja rytmitetty uudella tavalla. Lisäksi itse nimistösuosituksiin on vuosien varrella tullut muutoksia, joten varsinaisen tekstin osalta kirjat ovat erilaiset.
Nimistön kehittyminen tulee aiheuttamaan lukuisasti vastaavanlaisia muutoksia myös Punaisen kirjan seuraavaan laitokseen.
Vuoden 2005 Punaisen kirjan sisällysluettelo
Luku 1 GENERAL AIMS, FUNCTIONS AND METHODS OF CHEMICAL NOMENCLATURE
Introduction, History of chemical nomenclature, Aims of chemical nomenclature, Functions of chemical nomenclature, Methods of inorganic nomenclature, Changes to previous IUPAC recommendations, Nomenclature recommendations in other areas of chemistry, References
2 GRAMMAR
Introduction, Enclosing marks, Hyphens, plus and minus signs, ‘em’ dashes and bond indicators, Solidus, Dots, colons, commas and semicolons, Spaces, Elisions, Numerals, Italic letters, Greek alphabet, Asterisks, Primes, Multiplicative prefixes, Locants, Ordering principles, Final remarks, References
3 ELEMENTS
Names and symbols of atoms, Indication of mass, charge and atomic number using indexes (subscripts and superscripts), Isotopes, Elements (or elementary substances), Elements in the periodic table, References
4 FORMULAE
Introduction, Definitions of types of formula, Indication of ionic charge, Sequence of citation of symbols in formulae, Isotopically modified compounds, Optional modifiers of formulae, References
5 COMPOSITIONAL NOMENCLATURE, AND OVERVIEW OF NAMES OF IONS AND RADICALS
Introduction, Stoichiometric names of elements and binary compounds, Names of ions and radicals, Generalized stoichiometric names, Names of (formal) addition compounds, Summary, References
6 PARENT HYDRIDE NAMES AND SUBSTITUTIVE NOMENCLATURE
Introduction, Parent hydride names, Substitutive names of derivatives of parent hydrides, Names of ions and radicals derived from parent hydrides References
7 ADDITIVE NOMENCLATURE
Introduction, Mononuclear entities, Polynuclear entities, Inorganic chains and rings, References
8 INORGANIC ACIDS AND DERIVATIVES
Introduction and overview, General for systematic naming of acids, Additive names, Hydrogen names, Abbreviated hydrogen names for certain anions, Functional replacement names for derivatives of oxoacids, References
9 COORDINATION COMPOUNDS
Introduction, Describing the constitution of coordination compounds, Describing the configuration of coordination entities, Final remarks, References
10 ORGANOMETALLIC COMPOUNDS
Introduction, Nomenclature of organometallic compounds of the transition elements, Nomenclature of organometallic compounds of the main group elements, Ordering of central atoms in polynuclear organometallic compounds, References
11 SOLIDS
Introduction, Names of solid phases, Chemical composition, Point-defect (Kröger–Vink) notation, Phase nomenclature, Non-stoichiometric phases, Polymorphism, Final remarks, References
Mitä muutostarpeita vuoden 2005 kirjaan nähden?
Nimistön perusasiat ovat luonnollisesti pysyneet melko vakioina, joten luvuissa 1–6 on vain vähän muutostarpeita. Kirjan loppuosassa on sen sijaan odotettavissa suurempia muutoksia ja jopa uusia lukuja.
Punaisen kirjan vuoden 1990 laitoksessa oli koordinaatioyhdisteitä käsittelevässä luvussa uutena käsitteenä ns. kappa-konventio (κ), jolla metallikompleksien ligandien donoriatomeja voitiin ilmaista. Kappa-konventio kuvattiin lähes sellaisenaan vuoden 2005 laitoksessa.
Deskriptorin (κ) käyttö on monipuolistumassa ja seuraavassa Punaisessa kirjassa tullaankin omistamaan kokonainen luku kappa-konventiolle. Samoin koordinaatioyhdisteiden stereokemialle tullaan omistamaan oma lukunsa. Organometalliyhdisteiden nimeämistä käsittelevä luku laajenee selvästi nykyisestä.
Kiinteän olomuodon vuosien 1990 ja 2005 Punaisen kirjan mukainen esittely tulee puolestaan supistumaan merkittävästi ja olemassa oleva materiaali muodostaa vain yhden osan uudessa, epäorgaanisia materiaaleja käsittelevässä luvussa.
Uusia osa-alueita ovat esimerkiksi fullereenit ja hiilinanoputket, joita on jonkin verran käsitelty vuoden 2005 Punaisessa kirjassa ja vuoden 2014 Sinisessä kirjassa.
Merkittävinä uusina asioina tulee olemaan koordinaatiopolymeerit sekä niihin liittyvät MOF-yhdisteet (metal organic framework). Koordinaatiopolymeerien nimeämisestä on ilmestynyt alustava katsaus lehdessä Pure and Applied Chemistryssa, joka on julkaistu myös Punaninen kirja II:ssa.
Yllä mainitun koordinaatiopolymeerejä käsittelevän artikkelin ohella vuoden 2000 Punainen kirja II:ssa on uudelleenjulkaistu aiemmin Pure and Applied Chemistryssa julkaistuja muitakin artikkeleita (esim. Epäorgaaniset ketju-, rengas- ja häkkiyhdisteet, isotooppisesti modifioidut yhdisteet ja polyanionit). Näistä artikkeleista otetaan soveltuvat osat mukaan uuteen Punaiseen kirjaan joko omina lukuinaan tai lukujen osina.
Eritoten epäorgaaniset ketju-, rengas- ja häkkiyhdisteet ja niihin läheisesti liittyvät rypäleyhdisteet tulevat saamaan oman lukunsa Punaiseen kirjaan. Näiden yhdisteiden nimien kehittämisessä on vielä runsaasti työsarkaa.
Valmisteilla olevan Punaisen kirjan uuden laitoksen sisältö on vielä melko alustavalla tasolla, ja siihen tulee työn edetessä epäilemättä runsaasti muutoksia.
Tällä hetkellä ei vielä ole toimivaa systemaattista nimistöä monilla epäorgaanisen kemian osa-alueilla, ja ne on kehitettävä ennen kuin ne voidaan kirjata Punaiseen kirjaan.
Tällä hetkellä työn alla olevia nimistöhankkeita on listattu IUPAC:n verkkosivulla.
Tavoitteena laajasti hyväksytty suositus
Kemian nimistön kehittäminen vaatii pitkäjänteistä työskentelyä. Tavoitteena ei voi olla se, että tuloksia saadaan aikaiseksi mahdollisimman nopeasti. Perimmäinen tarkoitus on, että mitä tahansa IUPAC suosittaakin, se saavuttaisi mahdollisimman laajan hyväksymisen.
Tämän tavoitteen saavuttaminen edellyttää laajoja ja usein pitkiäkin pohdintoja IUPAC:n sisällä sekä keskusteluja mahdollisimman monen eri maiden kemistien kanssa.
Vaikka IUPAC ensisijaisesti laatii nimeämissuosituksensa englannin kielellä, muiden kielien tarpeita ja reunaehtoja pyritään ottamaan huomioon aina, kun se on mahdollista.
Lue myös:
Mitä tekee IUPAC – Yli 40 vuotta mukana ollut Risto Laitinen kertoo
