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Metanio

En química , el metanio es un ion positivo complejo con fórmula [ C H 5 ] + (forma transicional metaestable, un átomo de carbono unido covalentemente a cinco átomos de hidrógeno ) o [CH 3 (H 2 )] + (forma fluxional, es decir, una molécula con un átomo de carbono unido covalentemente a tres átomos de hidrógeno y una molécula de dihidrógeno), que lleva una carga eléctrica +1 . Es un superácido y uno de los iones onio , de hecho el ion carbonio más simple .

Es altamente inestable y altamente reactivo incluso teniendo un octeto completo, lo que le otorga sus propiedades superácidas.

El metanio se puede producir en el laboratorio como gas enrarecido o como especie diluida en superácidos. Fue preparado por primera vez en 1950 y publicado en 1952 por Victor Talrose y su asistente Anna Konstantinovna Lyubimova. [2] [3] Se presenta como especie intermedia en reacciones químicas.

El ion metanio recibe su nombre del metano ( CH 4 ), por analogía con la derivación del ion amonio ( NH+4) a partir de amoniaco ( NH 3 ).

Estructura

El metanio fluxional se puede visualizar como un CH+3 ion carbenio con una molécula de hidrógeno que interactúa con el orbital vacío en un enlace de 3 centros y 2 electrones . El par de electrones de enlace en la molécula de H2 se comparte entre los dos átomos de hidrógeno y un átomo de carbono que forman el enlace de 3 centros y 2 electrones. [4]

Los dos átomos de hidrógeno en la molécula de H2 pueden intercambiar posiciones continuamente con los tres átomos de hidrógeno en el CH+3ion (un cambio de conformación llamado pseudorotación , específicamente el mecanismo de Berry ). Por lo tanto, el ion metanio se considera una molécula fluxional . La barrera energética para el intercambio es bastante baja y se produce incluso a temperaturas muy bajas. [5] [6]

La espectroscopia infrarroja se ha utilizado para obtener información sobre las diferentes conformaciones del ion metanio. [7] [8] [9] El espectro IR del metano simple tiene dos bandas de CH de estiramiento simétrico y asimétrico alrededor de 3000 cm −1 y dos bandas alrededor de 1400 cm −1 de vibraciones de flexión simétricas y asimétricas. En el espectro de CH+5Se presentan tres vibraciones de estiramiento asimétricas alrededor de 2800–3000 cm −1 , una vibración de balanceo a 1300 cm −1 y una vibración de flexión a 1100–1300 cm −1 .

Preparación

El metanio se puede preparar a partir del metano mediante la acción de ácidos muy fuertes, como el ácido fluoroantimónico ( pentafluoruro de antimonio SbF 5 en fluoruro de hidrógeno HF). [10]

A unos 270 Pa de presión y temperatura ambiente, el ion metano CH+4reaccionará con metano neutro para producir metanio y un radical metilo : [11]

es+4+ CH4 → CH+5+ CH3 •

El ion metanio también se puede formar en fase gaseosa mediante la reacción del metano y un ion H + (es decir, un protón). [ cita requerida ]

CH4 +H + ( g ) → CH+5

Estabilidad y reacciones

Los cationes obtenidos por reacción del metano con SbF 5 + HF , incluido el metanio, se estabilizan mediante interacciones con las moléculas de HF.

A bajas presiones (alrededor de 1 mmHg) y temperaturas ambiente, el metano no reacciona con el metano neutro. [11]

Lectura adicional

Véase también

Referencias

  1. ^ Química, Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (2009). "ion carbonio". Compendio de Terminología Química de la IUPAC . IUPAC. doi :10.1351/goldbook.C00839. ISBN 978-0-9678550-9-7. Recuperado el 27 de noviembre de 2018 .
  2. ^ VL Talrose y AK Lyubimova, Dokl. Akád. Nauk SSSR 86, 909-912 (1952) (En ruso: Тальрозе, В. Л. y А. К. Любимова. "Вторичные процессы в ионном источнике масс-спектрометра". Н СССР 86 (1952): 909-912)
  3. ^ Nikolaev, Eugene (1998). "Victor Talrose: una apreciación". Revista de espectrometría de masas . 33 (6): 499–501. Bibcode :1998JMSp...33..499N. doi : 10.1002/(SICI)1096-9888(199806)33:6<499::AID-JMS684>3.0.CO;2-C . ISSN  1076-5174.
  4. ^ Rasul, Golam; Prakash, GK Surya; Olah, George A. (2011). "Estudio comparativo de los iones de carbonio hipercoordinados y sus análogos de boro: un desafío para los espectroscopistas". Chemical Physics Letters . 517 (1–3): 1–8. Bibcode :2011CPL...517....1R. doi :10.1016/j.cplett.2011.10.020.
  5. ^ Schreiner, Peter R.; Kim, Seung-Joon; Schaefer, Henry F.; von Ragué Schleyer, Paul (1993). " CH +
    5    :¿La historia interminable o la última palabra?". Journal of Chemical Physics . 99 (5): 3716–3720. doi :10.1063/1.466147.
  6. ^ Müller, Hendrik; Kutzelnigg, Werner; Noga, Jozef; Klopper, Wim (1997). "CH5+: La historia continúa. Un estudio de cúmulos acoplados explícitamente correlacionados". Journal of Chemical Physics . 106 (5): 1863. Bibcode :1997JChPh.106.1863M. doi :10.1063/1.473340.
  7. ^ White, Edmund T.; Tang, Jian; Oka, Takeshi (1999). " CH +
    5    :El espectro infrarrojo observado". Science . 284 (5411): 135–7. Bibcode :1999Sci...284..135W. doi :10.1126/science.284.5411.135. PMID  10102811.
  8. ^ Oskar Asvany, Padma Kumar P; Redlich, Britta; Hegemann, Ilka; Schlemmer, Stephan; Marx, Dominik (2005). "Comprensión del espectro infrarrojo del CH+5 desnudo". Ciencia . 309 (5738): 1219-1222. Código Bib : 2005 Ciencia... 309.1219A. doi : 10.1126/ciencia.1113729 . PMID  15994376. S2CID  28745636.
  9. ^ Huang, Xinchuan; McCoy, Anne B.; Bowman, Joel M .; Johnson, Lindsay M.; Savage, Chandra; Dong, Feng; Nesbitt, David J. (2006). "Deconstrucción cuántica del espectro infrarrojo de CH+5". Science . 311 (5757): 60–63. Bibcode :2006Sci...311...60H. doi :10.1126/science.1121166. PMID  16400143. S2CID  26158108.
  10. ^ Sommer, J.; Jost, R. (2000). "Iones de carbenio y carbonio en la activación catalizada por superácidos líquidos y sólidos de pequeños alcanos" (PDF) . Química Pura y Aplicada . 72 (12): 2309–2318. doi :10.1351/pac200072122309. S2CID  46627813.
  11. ^ ab Field, FH; Munson, MSB (1965). "Reacciones de iones gaseosos. XIV. Estudios espectrométricos de masas de metano a presiones de hasta 2 Torr". Revista de la Sociedad Química Americana . 87 (15): 3289–3294. doi :10.1021/ja01093a001.