Obrázek 1: Reakce primárního aminu, sekundárního aminu a terciárního aminu s kyselinou chlorovodíkovou za vzniku primární aminové soli, sekundární aminové soli a terciární aminové soli.
Všimněte si neobvyklé struktury aminových solí, kterou vidíte na obrázku 1. Osamělý pár elektronů na aminu reaguje s protonem z kyseliny za vzniku nové N-H vazby. Primární aminová skupina NH2 je tedy protonována za vzniku jednotky NH3+, sekundární aminová skupina N-H je protonována za vzniku funkční skupiny NH2+ a terciární aminová skupina je protonována za vzniku jednotky NH+. Výsledkem je, že funkční skupina aminové soli je vysoce polární, s kladným nábojem na dusíku, který je vyvážen záporným nábojem aniontu kyseliny. V případě kyseliny chlorovodíkové je to chloridový ion, Cl-.
Připomeňte si, že v klasické acidobazické reakci se jeden z produktů nazývá sůl (5). Například při reakci HCl a NaOH vzniká doslova sůl (NaCl) a voda. Reakce na obrázku 1 jsou acidobazické reakce, proto je jeden z produktů označen jako aminosůl. Ačkoli ke vzniku aminosolí lze použít mnoho silných kyselin, podle mého pozorování se nejčastěji používá kyselina chlorovodíková. V tomto případě je aminosůl chlorovodíková sůl a k názvu sloučeniny se přidává název hydrochlorid. Například reakcí methylaminu s kyselinou chlorovodíkovou vzniká chlorovodík methylaminu.
Protože ve funkční skupině aminové soli máme plné kladné a záporné náboje, máme iontovou vazbu místo kovalentní vazby, která se vyskytuje u aminů. Nakonec máme dva velké náboje vzdálené od sebe, což znamená, že aminové soli mají velké dipólové momenty. Připomeňme si, že jedna z věcí, která určuje intenzitu IR píku, je dµ/dx, změna dipólového momentu vzhledem ke vzdálenosti během vibrace (6). Vzhledem k tomu, že aminové soli mají velké dipólové momenty, mají jejich vibrace velké hodnoty dµ/dx, a proto mají jejich spektra intenzivní píky, jak uvidíme níže.
Aminové soli jsou velmi důležité v lékařské chemii a řada legálních (i nelegálních) léčiv obsahuje funkční skupinu aminové soli. Důvodem je rozpustnost ve vodě; molekula rozpustná ve vodě je lidským tělem snadněji přijímána a je biologicky dostupnější než molekula nerozpustná ve vodě. Mnoho léčivých látek jsou velké organické molekuly, které bývají nepolární a nerozpustné ve vodě. Mnoho léčivých látek navíc obsahuje aminoskupiny. Jednoduchou reakcí aminové funkční skupiny molekuly léčiva se silnou kyselinou, jako je HCl, vznikne aminová sůl a sloučenina se stane rozpustnou ve vodě, a tedy biologicky dostupnější.
Schopnost rozlišit aminy od aminových solí má dokonce právní důsledky. Kokain se vyskytuje ve dvou formách, jako aminová hydrochloridová sůl a jako amin nebo „volná báze“ s pouličním názvem crack (7). Ve Spojených státech hrozí za držení těchto dvou zakázaných látek různé tresty, protože verze cracku je považována za nebezpečnější. Jedním z hlavních využití infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (FT-IR) ve forenzních laboratořích je rozlišení hydrochloridu kokainu od kokainu. Naštěstí je to snadné, jak je vidět na obrázku 2, který ukazuje překrytí infračervených spekter kokainové báze a kokainu HCl.
Obr. 2: Překrytí infračervených absorpčních spekter kokainu a kokainu HCl.
IČ spektra aminosolí
Přehled
Kromě intenzivních píků bychom u aminosolí očekávali také široké píky. Připomeňme si, že v IR spektrech je šířka píku určena silou mezimolekulární vazby (6). Nepolární funkční skupiny, jako jsou benzenové kruhy, mají úzké píky, zatímco molekuly se silnými mezimolekulárními vazbami, jako je voda, která je vázána vodíkem, mají široké píky (6). Aminové soli jsou vysoce polární; jejich molekuly silně interagují a vytvářejí velmi široké píky. To je vidět na spektru cyklohexylamin-hydrochloridu na obrázku 3.
Obrázek 3: Infračervené absorpční spektrum cyklohexylamin-hydrochloridu.
Vysoký a široký rys označený A se středem poblíž 3000 cm-1 (dále předpokládejte, že všechny uvedené polohy píků jsou v jednotkách cm-1, i když to není výslovně uvedeno) je obálka absorbance způsobená roztažnými vibracemi skupiny NH3+. Všechna spektra aminosolí vykazují širokou obálku, jako je vidět na obrázku 3, kterou budeme obecně nazývat „obálka protahování NH+“. Tato vlastnost je dostatečně široká, intenzivní a objevuje se na dostatečně neobvyklém místě, takže sama o sobě může svědčit o přítomnosti aminosolí ve vzorku. Poloha této obálky se liší podle typu aminové soli, jak je uvedeno níže.
Na pravé straně této obálky je překryta řada píků, které jsou způsobeny overtonovými a kombinovanými pásy. Připomeňme, že overtonové a kombinované pásy jsou obvykle slabé (8). V případě aminových solí však jejich vysoká polarita znamená, že hodnoty dµ/dx pro tyto overtonové a kombinační vibrace jsou dostatečně velké, aby se tyto píky ve spektrech aminových solí snadno objevily.
Poznámka ke spektrům aniontů v aminových solích: U chlorovodíkových solí, kde je aniontem chloridový nebo Cl-iont, vzhledem k jeho hmotnosti, píky z vibrací zahrnujících tento ion obecně klesají pod 400, kde se většina FT-IR spekter uzavírá. Aminové soli vyrobené z kyselin s víceatomovými anionty, jako je kyselina sírová, však vykazují píky aniontů ve střední IR oblasti. To ilustruje spektrum d-amfetamin sulfátu, který se vyrábí reakcí amfetaminu s kyselinou sírovou a jehož spektrum je vidět na obrázku 4.
Obrázek 4: Infračervené absorpční spektrum d-amfetamin sulfátu.
Široká obálka se středem kolem 1050 je způsobena natažením vazeb v jednotce SO4-2 . Ještě širší obálka, která se táhne od 3500 do 2000, je obálkou protažení NH+.
Spektra primárních aminových solí
Primární aminová sůl obsahuje jednotku NH3+, z čehož vyplývá široká intenzivní obálka protažení NH+, která je vidět na obrázku 3. U primárních aminových solí tato obálka obecně klesá od 3200 do 2800. Již víme, že do této oblasti spadají také úseky C-H alkanů (9). Jak je běžné v IČ spektroskopii (10), pokud široký a úzký pík spadají do stejné oblasti vlnových čísel, může být úzký pík vidět na vrcholu nebo jako rameno širšího píku. To je důvod, proč se úseky CH2 cyklohexylové skupiny nacházejí na vrcholu obálky úseku NH+. Jak již bylo zmíněno, na pravé straně obálky protahování NH3+ se nachází řada nadtónových a kombinovaných pásů. Tyto rysy jsou společné pro všechna spektra aminových solí a spadají do rozmezí 2800 až 2000. Připomeňme, že karboxylové kyseliny mají v této oblasti podobnou řadu overtonových a kombinovaných pásů, což je rovněž způsobeno extrémní polaritou této funkční skupiny (11).
Tabulka I uvádí polohy obálky N-H protahování pro tři různé typy aminových solí. Všimněte si, že dochází k určitému překrývání, zejména mezi primárními a sekundárními aminy.
To znamená, že poloha obálky protažení NH+ neprozradí vždy, zda je aminová sůl primární, sekundární nebo terciární. Co tedy máme dělat?
Naštěstí, stejně jako mnoho jiných funkčních skupin, mají aminové soli více IR vlastností a ty zde přicházejí na pomoc. Kromě roztahovacích vibrací NH+ mají aminové soli také ohybové vibrace NH+. Skupina NH3+ primárních aminových solí se vyznačuje dvěma píky z asymetrických a symetrických ohybových vibrací, které jsou na obrázku 2 označeny jako B a C. Obecně platí, že asymetrický ohyb spadá do intervalu 1625 až 1560 a symetrický ohyb do intervalu 1550 až 1500. Kupodivu jsou tyto píky malé v ostrém kontrastu s intenzivní obálkou protahování NH+. To vše je způsobeno rozdílem dµ/dx mezi roztažnými a ohybovými vibracemi funkční skupiny aminové soli.
Spektra sekundárních aminových solí
Sekundární aminové soli obsahují skupinu NH2+. Infračervené spektrum sekundární aminové soli, disopropylamin-hydrochloridu, je vidět na obrázku 5.
Obrázek 5: Infračervené absorpční spektrum sekundární aminové soli, disopropylamin-hydrochloridu.
Obálka protažení NH+ je označena A. Všimněte si, že je široká a silná, podobně jako na obrázcích 3 a 4.
. Stejně jako na obrázku 3, i zde úseky C-H spadají do horní části obálky protažení NH+. Má také očekávaný doplněk overtonových a kombinovaných pásů na své straně s nižšími vlnovými čísly. U sekundárních aminových solí obecně se tato obálka nachází od 3000 do 2700. Všimněte si, že obálky primárních a sekundárních aminů se do určité míry překrývají. Sekundární aminové soli však mají ve srovnání s primárními aminovými solemi pouze jeden ohybový pás NH+. Tento rys obvykle spadá do intervalu 1620 až 1560 a na obrázku 5 je označen jako B. Poloha a počet ohybových pásů NH+ tedy určuje, zda vzorek obsahuje primární nebo sekundární aminovou sůl.
Spektra terciárních aminových solí
Terciární aminové soli obsahují skupinu NH+, jak je patrné z obrázku 1. Na obrázku 1 je vidět, že se jedná o primární aminovou sůl. Infračervené spektrum terciární aminové soli, 2,2′,2“-trichlorethylamin-hydrochloridu, je vidět na obrázku 6.
Obrázek 6: Infračervené absorpční spektrum terciární aminové soli, 2,2′,2“-trichlorethylamin-hydrochloridu.
Obálka NH+ protažení je na obrázku 6 označena A. Všimněte si, že má nižší vlnové číslo než u primárních a sekundárních aminových solí a že úseky C-H spadají jako ramena vlevo od píku obálky. Vzhledem k tomu, že obálka NH+ protahování pro terciární aminy spadá přímo do oblasti overtone-kombinace od 2800 do 2000, tyto píky se objevují na vrcholu a jako ramena napravo od obálky NH+ protahování. Obecně pro soli terciárních aminů spadá tato obálka do intervalu 2700 až 2300. Velikost, šířka a poloha tohoto píku jsou v IČ spektroskopii prakticky jedinečné – za desítky let své praxe jsem nikdy podobný pík neviděl (10). Tento pík tedy sám o sobě silně vypovídá o tom, že se ve vzorku nachází terciární aminová sůl. Terciární aminové soli nemají žádné ohybové píky NH+, takže nedostatek píků od 1625 do 1500 lze také použít k rozlišení terciárních aminových solí od primárních a sekundárních solí.
Dříve jsme diskutovali o tom, že terciární aminy nemají žádné silné, jedinečné píky, a proto je obtížné je detekovat pomocí IR spektroskopie (12). To kontrastuje s terciárními aminovými solemi, jejichž NH+ protahovací obálka vyčnívá jako bolavý palec. Způsob detekce terciárního aminu ve vzorku pak spočívá v úpravě 1 ml kapalného terciárního aminu nebo terciárního aminu rozpuštěného v organickém rozpouštědle 1 ml HCl v poměru 50:50 v ethanolu. Pokud je terciární amin přítomen, vytvoří se aminová sůl, která se z roztoku vysráží jako pevná látka (12). Sraženinu shromážděte filtrací, vysušte a změřte její IČ spektrum. Pokud uvidíte velkou, obrovskou obálku s protažením NH+, jako je vidět na obrázku 6, váš původní vzorek obsahoval terciární amin.
Píky skupinových vlnových čísel pro aminové soli jsou uvedeny v tabulce I.
Závěry
Aminové soli vznikají reakcí aminů se silnými kyselinami. Primární aminové soli obsahují skupinu NH3+, sekundární aminové soli skupinu NH2+ a terciární aminové soli skupinu NH+. Aminové soli jsou důležité, protože se používají k tomu, aby se léčivé látky staly rozpustnými ve vodě, a tudíž biologicky dostupnějšími.
Všechny aminové soli obsahují intenzivní, široký NH+ protahovací obal, který je poměrně unikátní infračervenou vlastností. Poloha obálky se překrývá u primárních a sekundárních aminových solí, ale je jedinečná u terciárních solí. Primární a sekundární aminové soli lze rozlišit podle počtu a polohy ohybových píků NH+.
(1) B.C. Smith, Spectroscopy34(7), 18-21, 44 (2019).
(2) B.C. Smith, Spectroscopy34(5), 22-26 (2019).
(3) B.C. Smith, Spectroscopy34(3), 22-25 (2019).
(4) B.C. Smith, Spectroscopy34(1), 10-15 (2019).
(5) A. Streitweiser and C. Heathcock, Introduction to Organic Chemistry (MacMillan, New York, New York, 1st ed., 1976).
(6) B.C. Smith, Spectroscopy30(1), 16-23 (2015).
(7) https://en.wikipedia.org/wiki/Cocaine
(8) B.C. Smith, Spectroscopy31(7), 30-34 (2016).
(9) B.C. Smith, Spectroscopy30(4), 18-23 (2015).
(10) B.C. Smith, Infrared Spectral Interpretation: A Systematic Approach (CRC Press, Boca Raton, Florida, 1999).
(11) B.C. Smith, Spectroscopy33(1), 14-20 (2018).
(12) B.C. Smith, Spectroscopy33(3), 16-20 (2018).
(13) B.C. Smith, Spectroscopy33(3), 16-20 (2018). Smith, Spectroscopy31(11), 28-34 (2016).
(14) B.C. Smith, Spectroscopy31(5), 36-39 (2016).
Brian C. Smith, PhD, je zakladatelem a generálním ředitelem společnosti Big Sur Scientific, výrobce přenosných analyzátorů konopí ve střední infračervené oblasti. Má více než 30 let zkušeností jako průmyslový infračervený spektroskopista, publikoval řadu recenzovaných článků a napsal tři knihy o spektroskopii. Jako školitel pomohl tisícům lidí po celém světě zlepšit jejich infračervené analýzy. Kromě psaní pro časopis Spectroscopy píše Dr. Smith pravidelný sloupek pro sesterskou publikaci Cannabis Science and Technology a je členem její redakční rady. Doktorát z fyzikální chemie získal na Dartmouth College. Můžete se s ním spojit na adrese: [email protected]