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]

Struttura dello ione metanio

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

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^+[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

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:

${\displaystyle {\ce {*CH4+ + CH4 -> CH5+ + *CH3}}}$

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