环丙烷

用作全身麻醉剂的化学物质

环丙烷 (Cyclopropane)又名三亚 甲基 、三甲撑, 化学式 为C 3 H 6 , 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 C 32 H 43 N 3 O 6 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sp 3 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 sp 3 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 sp 3 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sp 2 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

  1. 环丙烷 PubChem 2024-01-28
  2. 环丙烷 Common Chemistry 2024-01-28
  3. 危险化学品安全信息 国家危险化学品安全公共服务互联网平台 2024-01-29
  4. 环丙烷类化合物的合成方法WO2022041462A1 patents 2024-01-29
  5. 环境空气 挥发性有机物的应急测定 便携式气相色谱-质谱法 生态环境部 2024-01-29