环丙烷(Cyclopropane)又名三亚
甲基、三甲撑,
化学式为C3H6,
摩尔质量为42.08 g/
摩尔。环丙是一种易燃性气体,其密度为1.1358 g/cm³ (20 °C),
熔点为-127.4℃,
沸点为-32.8 °C。易溶于
乙醇,可溶于不
芳香油。 其
化学性质处于
烯烃和
烷烃之间,比一般
环烷烃活泼,可以发生
取代反应和氧化反应,但由于碳环结构的存在,尤其是小环化合物较不稳定,容易开环发生
加成反应变为开链烃,变为
脂肪族化合物,易被
硫酸吸收。
环丙烷为可用于镇痛、麻醉诱导的吸人性麻醉药,MAC为9.2%。其相比于其他吸入麻醉药呼吸抑制作用更强,使心脏对
盐酸肾上腺素和其他拟交感神经药物的敏感程度提高,是一种出色的麻醉剂,起效和恢复非常快,同时保持稳定的血流
动力学。
环丙烷蒸发液体会导致冻伤,且其蒸气与空气可形成爆炸性
混合物。若在密闭空间泄漏,可能会置换空气并起到简单的窒息剂作用。此外,环丙烷可以对
地表水、土壤、大气和
饮用水造成污染,对环境有害。
发展历史
环丙基结构广泛存在于具有生物活性的
天然产物和药物分子中,研究人员从
植物、
真菌及微生物等生物体内分离出不同含有环丙烷结构的
代谢产物。
1954年, 威廉·冯·埃格斯·多林(W.von E.Doering )等人发现双卤碳烯可以以很高的产率加成到
烯烃来形成环丙烷
衍生物(见下图1),通过加成到三键可以得到环丙烯(见下图2),从而促进了碳烯
化学的研究。
20世纪60年代逐渐兴起将环
丙基结构引入药物分子的研究。1990年,Yoshida等人通过
萃取和柱色谱纯化,从
链霉菌科广岛市链霉菌( Streptoverticillium fervens)中分离出一种无色对
褐腐菌具有高比活性、结构为 C32H43N3O6的新型抗生素(FR-900848)
晶体,其中有一个奇特的含有五个
环丙烷环系的
C23脂肪酸侧链。
分子结构
环丙烷不稳定,易发生开环反应是由其结构决定的。现代共价键理论认为,
烷烃分子中每个
碳是sp3杂化,其两个C—C键之间的夹角为109.5°,这样可以碳原子的轨道对称处于同一直线,成键最稳定。而环丙烷分子中,三个碳原子成平面正三角形,C—C—C键角理论应为60°,但要使三个碳原子
共面则不能是正常的键角,要在成键时两个轨道弯曲方向
重叠,形成弯键亦称香蕉键。根据
量子力学计算:
环丙烷的C—C—C键角为105.5°,H—C—H键角为115°。成键两
原子轨道重叠程度愈大,形成的
化学键愈强。当成键两个 sp3
杂化轨道沿轨道对称轴方向面对面重叠时,重叠最多、最有效,键也最强,所以环丙烷的C—C键较弱且成键
电子云分布在连接两个
碳的直线外侧提供了被亲电试剂进攻的位置。
理化性质
物理性质
环丙烷是一种具有特殊臭、辛辣口感的无色高度
可燃气体,易溶于
乙醇、
乙醚,可溶于不
芳香油,15°C时可溶于水(1:2.7)。其密度为1.1358 g/cm³ (20 °C),蒸气比空气重,接触液体可能会导致冻伤。
熔点为-127.4℃,
沸点为-32.8 °C。
化学性质
环丙烷在充分加热或在空气、
氧气或
强氧化剂存在下点燃时,会放热燃烧产生
二氧化碳和水。但在其他情况下,不受酸、碱、大多数
氧化剂和大多数
还原剂的
水溶液影响,若温差较大,冷
液化石油气与水接触可能会导致剧烈或
暴沸和极快的蒸发。
环丙烷容易与
卤族元素加成,例如环丙烷与溴在室温下就可发生
加成反应,使溴的颜色褪去。
在常温下,环丙烷及其
烷基衍生物也容易与
卤化氢加成。
环丙烷成键两个 sp3
杂化轨道沿轨道对称轴方向面对面
重叠时,重叠最多、最有效,键也最强,所以环丙烷的C—C键较弱且成键
电子云分布在连接两个
碳的直线外侧提供了被亲电试剂进攻的位置,与
烯烃分子中碳碳之间各用一个sp2轨道相互交叠形成的C—C键相似,故环丙烷也表现出有
烯烃的性质,容易发生开环加成反应。但
环烷烃与
过氧苯甲酰凝胶剂不相容,不能使
高锰酸钾溶液褪色,这是与烯烃性质不同之处,可用来区别环烷烃和烯烃,说明了环丙烷对氧化剂的稳定性。
制备方法
合成路线一
早在19世纪就已经观测到,活泼的
卡宾(如
CH2或乙氧
羰基碳烯)可以与芳环中的
双键反应,生成稳定的
环丙烷结构。
合成线路二
环丙烷环系可以通过
烯烃或
炔烃与类卡宾发生反应生成环丙烷环系的
有机反应来构建,即Simmons-Smith反应。常用而有效的环丙烷化试剂为Simmons-Smith试剂:
二碘甲烷和
铜Zn,也可以用
二溴甲烷代替二碘甲烷。
卡宾对烯烃的
加成反应可用来制备用一般方法难以合成的环丙烷
衍生物等,它也是卡宾的各类反应中被研究得最多的。例如,环已烯与
卡宾反应可生成二环
庚烷及其他重排反应产物。
另外,
二乙基锌和二碘甲烷也可以用于环丙烷化反应。当分子中有
羟基存在时,常诱导得到和羟基处于syn位的产物。
一些过渡金属 ,如Cu、Rh、Pd等可以
催化重氮化合物对
烯烃的环丙烷化反应。
合成线路三
环丙烷在工业上可从1,3
二氯丙烷来制取,后者可用石油纯热裂法得出的丙烷,逐渐加热使起氯化而成。环丙烷亦可由钠、锌、或镁作用1,3二
溴丙烷合成,得出的环丙烷可加入
高锰酸钾溶液,以除去大部分烯烃杂质。
应用领域
麻醉
环丙烷最初被研究是因为它被认为是
乙烯中的有毒元素,但随后因其可增强其他非除极化型肌松药(简箭毒碱、季酚、
泮库溴铵等)的神经肌肉阻断作用,预料其他吸入麻醉剂(烷、
甲氧氟烷、恩氟烷等)与法扎溴铵可发生类似相互影响,被证明是一种可用于镇痛、麻醉诱导麻醉药。
环丙烷作用于人体的麻醉浓度是20-25%,与其他吸入麻醉药相比,环丙烷对
呼吸道的刺激极小,通过肺部被迅速吸收并几乎完全消除,因此屏气、呼吸急促和咳嗽等
呼吸系统变化的频率较低,麻醉力强,麻醉作用快,可增强竞争性神经肌肉阻滞作用,呼吸抑制作用更强使心脏对
盐酸肾上腺素和其他拟交感神经药物的敏感程度提高。
毒性
对人体的危害
环丙烷是最有效的麻醉气体,其效力约为
乙烯的五倍,
一氧化二氮的七倍,但增加的吸气量会携带同时给予的任何其他气体,因此将加速第二种气体的
肺泡浓度的上升,可能会导致新生儿抑郁,且麻醉后
低血压、妄和头痛比使用其他药物后更常见。
在深度麻醉期间和苏醒期间,瞳孔大小往往会增大,可能会导致眼球突出。尽管环丙烷引起的手术麻醉通常对动脉血压的影响较小,但当出现出血、心肌疾病或败血症时,可能会出现严重的红色DN。
吸收和代谢
环丙烷通过肺部被迅速吸收并几乎完全消除;少量 AMT 会通过皮肤扩散,另外少量(大约 0.5%)会在体内代谢并以
二氧化碳和水的形式排出体外。
急救措施
应急处理方法
急救措施
灭火措施
检测方法
便携式
气相色谱法现场应急监测中,具体操作是讲将样品直接导入或经
吸附管吸附、热脱附后,进入气相色谱分离,用质谱检测器检测。对于 52 种目标化合物,通过与标准物质质谱图和保留时间比较定性,内标法定量;对于 52 种目标化合物以外的物质,通过与标准物质质谱图比较定性,根据其响应值与内标的响应值之比,估算其浓度。
安全事宜
GHS分类
环丙烷蒸气与空气可形成爆炸性
混合物,爆炸板极限为2.4%~10.4%。
危险性描述:
参考资料
环丙烷.Common Chemistry.2024-01-28