Metanio

Struttura dello ione metanio

Il metanio (detto a volte metanonio 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]+:

CH4 + H+   →   [CH5]+

Si tratta di una specie chimica estremamente reattiva, in grado di cedere esotermicamente un H+ ad una ampia varietà di molecole (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, aventi formula generale [CR5]+, dove R può essere anche H e tali gruppi possono essere diversi tra loro.

Struttura

Struttura dello ione metanio secondo il modello molecolare ipercoordinato

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+ (il più semplice catione carbenio) 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.

Per il carbonio questo è un esempio di ipercoordinazione. 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.

Sintesi

A 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:

⋅CHA4A++CHA4⟶CHA5A++⋅CHA3

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:

(CH3)3C−CH3 + H+(superacido)   →   [(CH3)3C−CH4]+   →   (CH3)3C+ + CH4

Note

  1. ↑ Michael B. Smith, March's Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure, eighth edition, Wiley, 2020, p. 697, ISBN 978-1-119-37180-9.
  2. ↑ 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.
  3. ↑ Egon Wiberg, Nils Wiberg e A. F. Holleman, Anorganische Chemie, 103. Auflage, De Gruyter, 2017, p. 67, ISBN 978-3-11-026932-1.
  4. ↑ (EN) The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), IUPAC - alkanium ions (A00223), su goldbook.iupac.org. URL consultato l'8 settembre 2025.
  5. ↑ (EN) Alkanium ions, su IUPAC Gold Book, Unione internazionale di chimica pura e applicata. URL consultato il 16 ottobre 2015.
  6. ↑ In CH3+, il carbonio manca di una coppia elettronica ed è quindi un forte acido di Lewis.
  7. ↑ carbenio = carbene protonato, con C ibridato sp2.
  8. ↑ Thomas H. Lowry e Kathleen Richardson, Mechanism and theory in organic chemistry, 2. ed, Harper & Row, 1981, ISBN 978-0-06-044083-1.
  9. ↑ 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.
  10. ↑ (EN) Hypercoordination, su IUPAC Gold Book, Unione internazionale di chimica pura e applicata. URL consultato il 16 ottobre 2015.
  11. ↑ Francis A. Carey e Richard J. Sundberg, Advanced organic chemistry, 5th ed, Springer, 2007, p. 458, ISBN 978-0-387-44897-8.
  12. ↑ 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.
  13. ↑ 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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