Figura 1: A reação de uma amina primária, amina secundária e uma amina terciária com ácido clorídrico para formar um sal de amina primário, sal de amina secundário e um sal de amina terciário.
Note a estrutura incomum dos sais de amina vista na Figura 1. O par único de elétrons na amina reage com o próton do ácido, formando uma nova ligação N-H. Assim, o grupo primário da amina NH2 é protonado para dar uma unidade de NH3+, uma amina secundária N-H é protonada para dar um grupo funcional NH2+, e uma amina terciária é protonada para dar uma unidade de NH+. Como resultado, o grupo funcional amina salina é altamente polar, com uma carga positiva sobre o nitrogênio que é equilibrada pela carga negativa do ânion do ácido. No caso do ácido clorídrico, este é o íon cloreto, Cl-.
Recalque que, numa clássica reação ácido-base, um dos produtos é chamado de sal (5). Por exemplo, a reacção de HCl e NaOH dá literalmente sal (NaCl) e água. As reações na Figura 1 são reações ácido-base, daí a designação de um dos produtos como um sal de amina. Embora muitos ácidos fortes possam ser usados para formar sais de amina, em minha observação, o ácido clorídrico é mais freqüentemente usado. Neste caso, o sal de amina é um sal clorídrico, e o nome clorídrico é adicionado ao nome do composto. Por exemplo, a reação de metilamina com ácido clorídrico forma o cloridrato de metilamina.
Porque temos cargas totais positivas e negativas no grupo funcional do sal de amina, temos ligação iônica em vez da ligação covalente encontrada nas aminas. Finalmente, temos duas grandes cargas separadas por uma distância, o que significa que os sais de amina têm grandes momentos dipolo. Lembre-se que uma das coisas que determina a intensidade de pico de IR é dµ/dx, a mudança no momento dipolo em relação à distância durante uma vibração (6). Dado que os sais de amina têm grandes momentos dipolo, suas vibrações têm grandes valores de dµ/dx, e assim seus espectros têm picos intensos, como veremos abaixo.
Sais de amina são muito importantes na química medicinal, e qualquer número de drogas legais (e ilegais) contém o grupo funcional sal de amina. A razão para isso é a solubilidade em água; uma molécula solúvel em água é mais facilmente absorvida pelo corpo humano, e é mais biodisponível do que uma molécula insolúvel em água. Muitas substâncias medicamentosas são moléculas orgânicas grandes, que tendem a ser não-polares e insolúveis em água. Além disso, muitas substâncias medicamentosas contêm grupos de aminas. Simplesmente reagindo o grupo funcional amina da molécula da droga com um ácido forte como o HCl, o sal de amina é formado, e o composto se torna solúvel em água, e assim mais biodisponível.
Ser capaz de distinguir aminas de sais de amina tem até implicações legais. A cocaína é encontrada em duas formas, o hidrocloreto de amina sal e a amina ou “base livre” com o nome de rua crack cocaína (7). Nos Estados Unidos, a posse destas duas substâncias ilícitas acarreta penas diferentes, pois a versão crack é considerada mais perigosa. Um dos principais usos da espectroscopia infravermelha transformadora de Fourier (FT-IR) em laboratórios forenses é distinguir o cloridrato de cocaína da cocaína. Felizmente, isto é fácil como pode ser visto na Figura 2, que mostra uma sobreposição dos espectros de infravermelho de base de cocaína e HCl de cocaína.
Figure 2: Uma sobreposição dos espectros de absorção de infravermelho de cocaína e HCl de cocaína.
Os espectros de infravermelhos dos sais de amina
Visão geral
Além dos picos intensos, espera-se que os sais de amina também tenham picos amplos. Lembre-se que, nos espectros de IR, a largura do pico é determinada pela força da ligação intermolecular (6). Grupos funcionais não polares, como anéis de benzeno, têm picos estreitos, enquanto moléculas com fortes ligações intermoleculares, como a água, que está ligada a hidrogênio, têm picos amplos (6). Os sais de aminas são altamente polares; suas moléculas interagem fortemente produzindo picos muito amplos. Isto é visto no espectro do cloridrato de ciclohexilamina na Figura 3.
Figure 3: O espectro de absorvância infravermelha do cloridrato de ciclohexilamina.
A característica alta e ampla rotulada A centrada perto de 3000 cm-1 (indo para frente, assumindo que todas as posições de pico listadas estão em unidades cm-1, mesmo que não especificamente indicadas) é um envelope de absorvância devido às vibrações de alongamento do grupo NH3+. Todos os espectros de sal de aminas exibem um envelope largo, como o visto na Figura 3, que genericamente chamaremos de “envelope de estiramento NH+”. Esta característica é suficientemente ampla, intensa e aparece em uma posição bastante incomum que, por si só, pode ser indicativa da presença de um sal de amina em uma amostra. A posição deste envelope varia com o tipo de sal de amina, como discutido abaixo.
O lado direito deste envelope sobrepõe-se a ele um número de picos que são devidos a sobretons e bandas combinadas. Lembre-se que as características de overtone e combinação são geralmente fracas (8). No entanto, no caso dos sais de amina, a sua elevada polaridade significa que os valores dµ/dx para estas vibrações de overtone e combinação são suficientemente grandes para que estes picos apareçam facilmente nos espectros dos sais de amina.
Uma nota sobre os espectros dos ânions nos sais de amina: Para sais de hidrocloreto, onde o ânion é o cloreto ou íon Cl-, devido à sua massa, os picos de vibrações envolvendo este íon geralmente caem abaixo de 400, onde a maioria dos espectros de FT-IR são cortados. No entanto, os sais de aminas feitos de ácidos com ânions poliatômicos, como o ácido sulfúrico, exibem picos de ânions na região do meio-íris. Isto é ilustrado pelo espectro do sulfato de d-anfetamina, que é feito pela reação da anfetamina com ácido sulfúrico, e cujo espectro é visto na Figura 4.
Figure 4: O espectro de absorção infravermelha do sulfato de d-anfetamina.
O amplo envelope centrado em torno de 1050 é devido ao estiramento das ligações na unidade SO4-2. O envelope ainda mais amplo que se estende de 3500 a 2000 é o envelope de estiramento NH+.
Espectro de Sal de Amina Primária
Um sal de amina primário apresenta a unidade NH3+, com o resultante envelope de estiramento NH+ amplo e intenso visto na Figura 3. Para os sais de amina primários, geralmente este envelope cai de 3200 para 2800. Já sabemos que os estiramentos C-H alcanos também caem nesta região (9). Como é comum na espectroscopia IR (10), se um pico largo e um pico estreito caem na mesma faixa de ondulação, o pico estreito pode ser visto no topo ou como um ombro no pico mais largo. É por isso que os alongamentos CH2 do grupo ciclohexil se situam no topo do envelope de alongamento NH+. Como já mencionado, há uma série de faixas de sobretom e combinação no lado direito do envelope de estiramento do NH3+. Estas características são comuns para todos os espectros de sal de aminas e a queda na faixa de 2800 a 2000. Lembre-se que os ácidos carboxílicos têm uma série similar de overtone e bandas combinadas nesta região, também causada pela extrema polaridade deste grupo funcional (11).
Table I lista as posições do envelope de estiramento N-H para os três diferentes tipos de sais de aminas. Note que há alguma sobreposição, particularmente entre aminas primárias e secundárias.
Isso significa que a posição do envelope de estiramento NH+ nem sempre revelará se um sal de amina é primário, secundário, ou terciário. Então o que devemos fazer?
Felizmente, como muitos outros grupos funcionais, os sais de amina têm múltiplas características de IV, e estas vêm em socorro aqui. Além das vibrações de estiramento NH+, os sais de amina também têm vibrações de flexão NH+. O agrupamento NH3+ de sais de amina primários apresenta dois picos de vibrações assimétricas e simétricas de flexão, rotulados como B e C na Figura 2. Em geral, a curva assimétrica cai de 1625 para 1560, e a curva simétrica de 1550 para 1500. Estranhamente, estes picos são pequenos em nítido contraste com o intenso envelope de estiramento de NH+. Tudo isso se deve à diferença em dµ/dx entre as vibrações de estiramento e flexão do grupo funcional sal de amina.
Espectro de Sal de Amina Secundária
Sais de amina secundários contêm o grupo NH2+. O espectro infravermelho de um sal de amina secundário, cloridrato de diisopropilamina, é visto na Figura 5.
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Figure 5: O espectro de absorção infravermelha de um sal de amina secundário, cloridrato de disopropilamina.
O envelope de estiramento do NH+ é rotulado como A. Note que é largo e forte, como os vistos nas Figuras 3 e 4. Como na Figura 3, o C-H estica aqui também cai sobre o envelope de estiramento do NH+. Também tem o complemento esperado de bandas de overtone e combinação no seu lado de ondulação inferior. Para sais de aminas secundários em geral, este envelope é encontrado de 3000 a 2700. Note que existe alguma sobreposição entre os envelopes de aminas primárias e secundárias. No entanto, os sais de aminas secundárias têm apenas uma banda de dobragem de NH+ em comparação com os sais de aminas primárias. Esta característica tipicamente cai de 1620 para 1560, e é rotulada como B na Figura 5. Assim, a posição e o número de bandas de flexão de NH+ é o que determina se uma amostra contém um sal de amina primário ou secundário.
Espectro de Sal de Amina Terciária
Sais de amina terciária contêm o grupo NH+, como visto na Figura 1. O espectro IR de um sal de amina terciária, cloridrato de 2,2′,2”-tricloroethylamine, é visto na Figura 6.
Figure 6: O espectro de absorção infravermelha de um sal de amina terciária, cloridrato de 2,2′,2”-tricloroethylamine.
O envelope de estiramento NH+ é rotulado como A. Note que ele é menor em número de ondulações do que para sais de amina primários e secundários, e que os estiramentos C-H caem como ombros para a esquerda do pico do envelope. Dado que o envelope de estiramento de NH+ para aminas terciárias cai diretamente na faixa de sobretone-combinação de 2800 a 2000, estes picos aparecem no topo e como ombros à direita do envelope de estiramento de NH+. Em geral, para os sais de aminas terciárias, este envelope cai de 2700 para 2300. O tamanho, largura e posição deste pico é praticamente único na espectroscopia IR – nas minhas décadas de experiência, eu nunca vi um pico como ele (10). Assim, este pico por si só é fortemente indicativo de ser um sal de amina terciária numa amostra. Os sais de aminas terciárias não têm nenhum pico de flexão NH+, portanto a falta de picos de 1625 a 1500 também pode ser usada para distinguir sais de aminas terciárias de sais primários e secundários.
Discutimos anteriormente que as aminas terciárias não têm picos fortes e únicos, e portanto são difíceis de detectar usando espectroscopia de IR (12). Isto contrasta com os sais de aminas terciárias, cujo envelope esticador de NH+ se destaca como um polegar dorido. Uma maneira de detectar uma amina terciária em uma amostra então é tratar 1 mL de amina terciária líquida, ou amina terciária dissolvida em um solvente orgânico, com 1 mL de 50:50 HCl em etanol. Se houver uma amina terciária presente, o sal de amina se formará e se precipitará como um sólido da solução (12). Coletar o precipitado via filtração, secar e medir seu espectro de IR. Se você vir um envelope grande e esticador de NH+ como o mostrado na Figura 6, sua amostra original continha uma amina terciária.
Os picos de número de ondulação do grupo para sais de amina estão listados na Tabela I.
Conclusões
Sais de amina são feitos reagindo aminas com ácidos fortes. Os sais de aminas primários contêm o grupo NH3+, os sais de aminas secundários o grupo NH2+, e os sais de aminas terciárias o grupo NH+. Os sais de amina são importantes, porque são usados para tornar as substâncias medicamentosas solúveis em água e, portanto, mais biodisponíveis.
Todos os sais de amina contêm um intenso e largo envelope de estiramento de NH+ que é um recurso de infravermelho bastante único. A posição do envelope sobrepõe-se aos sais de amina primários e secundários, mas é única para os sais terciários. Sais de amina primários e secundários podem ser distinguidos pelo número e posição dos picos de flexão do NH+.
(1) a.C. Smith, Espectroscopia34(7), 18-21, 44 (2019).
(2) a.C. Smith, Espectroscopia34(5), 22-26 (2019).
(3) A.C. Smith, Espectroscopia34(3), 22-25 (2019).
(4) A.C. Smith, Espectroscopia34(1), 10-15 (2019).
(5) A. Streitweiser e C. Heathcock, Introdução à Química Orgânica (MacMillan, Nova York, Nova York, 1ª ed, 1976).
(6) A.C. Smith, Espectroscopia30(1), 16-23 (2015).
(7) https://en.wikipedia.org/wiki/Cocaine
(8) A.C. Smith, Espectroscopia31(7), 30-34 (2016).
(9) a.C. Smith, Espectroscopia30(4), 18-23 (2015).
(10) a.C. Smith, Interpretação Espectral de Infravermelho: A Systematic Approach (CRC Press, Boca Raton, Florida, 1999).
(11) A.C. Smith, Espectroscopia33(1), 14-20 (2018).
(12) A.C. Smith, Espectroscopia33(3), 16-20 (2018).
(13) A.C. Smith, Espectroscopia31(11), 28-34 (2016).
(14) a.C. Smith, Espectroscopia31(5), 36-39 (2016).
Brian C. Smith, PhD, é fundador e CEO da Big Sur Scientific, uma fabricante de analisadores portáteis de maconha de infravermelho médio. Ele tem mais de 30 anos de experiência como espectroscopista de infravermelho industrial, publicou inúmeros artigos revisados por pares, e escreveu três livros sobre espectroscopia. Como formador, ele ajudou milhares de pessoas em todo o mundo a melhorar as suas análises de infravermelhos. Além de escrever para a Espectroscopia, o Dr. Smith escreve uma coluna regular para a sua publicação irmã Cannabis Science and Technology e faz parte do seu conselho editorial. Ele obteve seu PhD em Química Física pela Faculdade de Dartmouth. Ele pode ser contactado em: [email protected]