Metanio
Il metanio (detto a volte metanonio[1] e a volte menzionato erroneamente come "metonio") è il catione molecolare derivante dal metano CH4 per aggiunta di un protone (H+), la cui formula molecolare è [CH5]+:[2]
CH4 + H+ → [CH5]+
Si tratta di una specie chimica estremamente reattiva, in grado di cedere esotermicamente un H+ ad una ampia varietà di molecole[3] (acido di Brønsted), compresi gli idrocarburi, formando CH4 (la sua base coniugata) e molecole protonate, tanto da essere considerato un superacido.
Il metanio è il più semplice degli alcanii,[4] aventi formula generale [CR5]+, dove R può essere anche H e tali gruppi possono essere diversi tra loro.[5]
Struttura
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Da un punto di vista alternativo, il catione può essere considerato come il risultato dell'interazione di tipo acido-base di Lewis del catione metilico CH3+[6] (il più semplice catione carbenio[7])[8] con una molecola di idrogeno H2, che funge da base per mezzo della densità elettronica del suo legame sigma; l'esito di tale interazione è il catione molecolare [CH5]+.
Questo ione molecolare è descrivibile in modo equivalente come [H3C(H2)]+ (vedi figura), dove l'atomo di carbonio è pentacoordinato, oppure anche come un complesso tra lo ione metile e H2, H3C+←(H2), con un legame a tre centri e due elettroni, come nei borani.[9]
Per il carbonio questo è un esempio di ipercoordinazione.[10] Tuttavia, nel metanio l'atomo di carbonio ha ancora 8 elettroni esterni, come nel metano da cui esso deriva, e pertanto non si tratta di una specie ipervalente.
Questo ione molecolare non ha una struttura geometrica fissa, è una specie flussionale che si interconverte facilmente tra varie geometrie simili, con gli atomi di idrogeno che si scambiano di posto.[11][12]
Sintesi
modificaA temperatura ambiente e circa 270 Pa di pressione, lo ione radicalico del metano ·CH4+, prodotto per impatto elettronico in condizioni spettrometriche di massa, reagisce con una molecola di metano per produrre metanio e un radicale metilico:
![{\displaystyle {\,{\cdot }\,\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{\vphantom {A}}^{+}{}+{}\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{5}}{\vphantom {A}}^{+}{}+{}\,{\cdot }\,\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/20533f1d69fe15311f1fb430b6e2192e3ccc1627)
Nella reazione di protonazione di idrocarburi con superacidi forti, come acido fluoroantimonico, si formano cationi alcanio come intermedi più o meno labili, che potrebbero riarrangiarsi a dare carbocationi più stabili; nel caso del tetrametilmetano viene formato come intermedio il t-butilmetanio, che poi si frammenta dando il catione t-butile e metano:[13]
(CH3)3C−CH3 + H+(superacido) → [(CH3)3C−CH4]+ → (CH3)3C+ + CH4
Note
modifica- ↑ Michael B. Smith, March's Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure, eighth edition, Wiley, 2020, p. 697, ISBN 978-1-119-37180-9.
- ↑ Peter R. Schreiner, Seung‐Joon Kim e Henry F., III Schaefer, CH+5: The never‐ending story or the final word?, in The Journal of Chemical Physics, vol. 99, n. 5, 1º settembre 1993, pp. 3716–3720, DOI:10.1063/1.466147. URL consultato l'8 settembre 2025.
- ↑ Egon Wiberg, Nils Wiberg e A. F. Holleman, Anorganische Chemie, 103. Auflage, De Gruyter, 2017, p. 67, ISBN 978-3-11-026932-1.
- ↑ (EN) The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), IUPAC - alkanium ions (A00223), su goldbook.iupac.org. URL consultato l'8 settembre 2025.
- ↑ (EN) Alkanium ions, su IUPAC Gold Book, Unione internazionale di chimica pura e applicata. URL consultato il 16 ottobre 2015.
- ↑ In CH3+, il carbonio manca di una coppia elettronica ed è quindi un forte acido di Lewis.
- ↑ carbenio = carbene protonato, con C ibridato sp2.
- ↑ Thomas H. Lowry e Kathleen Richardson, Mechanism and theory in organic chemistry, 2. ed, Harper & Row, 1981, ISBN 978-0-06-044083-1.
- ↑ Abhik Ghosh e Steffen Berg, Arrow Pushing in Inorganic Chemistry: A Logical Approach to the Chemistry of the Main-Group Elements, 1st ed, John Wiley & Sons, Incorporated, 2014, p. 194, ISBN 978-1-118-17398-5.
- ↑ (EN) Hypercoordination, su IUPAC Gold Book, Unione internazionale di chimica pura e applicata. URL consultato il 16 ottobre 2015.
- ↑ Francis A. Carey e Richard J. Sundberg, Advanced organic chemistry, 5th ed, Springer, 2007, p. 458, ISBN 978-0-387-44897-8.
- ↑ Keiran C. Thompson, Deborah L. Crittenden e Meredith J. T. Jordan, CH5+: Chemistry's Chameleon Unmasked, in Journal of the American Chemical Society, vol. 127, n. 13, 1º aprile 2005, pp. 4954–4958, DOI:10.1021/ja0482280. URL consultato l'8 settembre 2025.
- ↑ J. E. Huheey, E. A. Keiter e R. L. Keiter, Chimica Inorganica, Principi, Strutture, Reattività, 2ª ed., Piccin, 1999, p. 379, ISBN 88-299-1470-3.
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