Figur 1: Reaktionen af en primær amin, en sekundær amin og en tertiær amin med saltsyre til dannelse af et primært aminsalt, et sekundært aminsalt og et tertiært aminsalt.
Bemærk den usædvanlige struktur af aminsalte, som ses i figur 1. Det enlige elektronpar på aminen reagerer med protonerne fra syren og danner en ny N-H-binding. Således protoneres den primære amin-NH2-gruppe til en NH3+-enhed, en sekundær amin-N-H-gruppe protoneres til en NH2+-funktionel gruppe, og en tertiær amin protoneres til en NH+-enhed. Som følge heraf er aminsaltets funktionelle gruppe meget polær med en positiv ladning på nitrogenet, som afbalanceres af den negative ladning fra syrens anion. I tilfældet med saltsyre er dette chloridionen, Cl-.
Husk, at i en klassisk syre-base-reaktion kaldes et af produkterne i en klassisk syre-base-reaktion et salt (5). F.eks. giver reaktionen mellem HCl og NaOH bogstaveligt talt salt (NaCl) og vand. Reaktionerne i figur 1 er syre-base-reaktioner, og derfor betegnes et af produkterne som et aminsalt. Selv om mange stærke syrer kan anvendes til at danne aminsalte, er saltsyre i min observation den hyppigst anvendte. I dette tilfælde er aminsaltet et hydrochloridsalt, og navnet hydrochlorid tilføjes til navnet på forbindelsen. For eksempel danner reaktionen af methylamin med saltsyre methylaminhydrochlorid.
Da vi har fulde positive og negative ladninger i aminsaltets funktionelle gruppe, har vi ionisk binding i stedet for den kovalente binding, der findes i aminer. I sidste ende har vi to store ladninger, der er adskilt af en afstand, hvilket betyder, at aminsalte har store dipolmomenter. Husk, at en af de ting, der bestemmer IR-toppens intensitet, er dµ/dx, ændringen i dipolmomentet med hensyn til afstanden under en vibration (6). Da aminsalte har store dipolmomenter, har deres vibrationer store værdier af dµ/dx, og derfor har deres spektrer intense toppe, som vi vil se nedenfor.
Aminsalte er meget vigtige i medicinsk kemi, og et utal af lovlige (og ulovlige) lægemidler indeholder aminsalt-funktionelle grupper. Årsagen til dette er vandopløselighed; et vandopløseligt molekyle optages lettere af menneskekroppen og er mere biotilgængeligt end et vanduopløseligt molekyle. Mange lægemiddelstoffer er store organiske molekyler, som har en tendens til at være upolære og uopløselige i vand. Desuden indeholder mange lægemiddelstoffer aminogrupper. Ved blot at lade lægemiddelmolekylets aminfunktionelle gruppe reagere med en stærk syre som HCl dannes aminsaltet, og forbindelsen bliver vandopløselig og dermed mere biotilgængelig.
Det har endda juridiske konsekvenser at kunne skelne mellem aminer og aminsalte. Kokain findes i to former, hydrochlorid aminsaltet og aminen eller den “frie base” med gadenavnet crack-kokain (7). I USA medfører besiddelse af disse to ulovlige stoffer forskellige straffe, da crack-versionen betragtes som mere farlig. En af de vigtigste anvendelser af Fouriertransform-infrarødspektroskopi (FT-IR) i kriminaltekniske laboratorier er at skelne kokainhydrochlorid fra kokain. Heldigvis er dette let, som det fremgår af figur 2, der viser en overlejring af IR-spektre af kokainbase og kokain HCl.
Figur 2: En overlejring af de infrarøde absorbansspektrer af kokain og kokain HCl.
Inr-spektre af aminsalte
Overblik
Ud over de intense toppe vil vi forvente, at aminsalte også har brede toppe. Husk på, at i IR-spektre er peakbredden bestemt af styrken af intermolekylære bindinger (6). Upolære funktionelle grupper, som benzenringe, har smalle toppe, mens molekyler med stærke intermolekylære bindinger, som f.eks. vand, der er hydrogenbundet, har brede toppe (6). Aminsalte er meget polære; deres molekyler interagerer stærkt og giver meget brede toppe. Dette ses i spektret af cyclohexylaminhydrochlorid i figur 3.
Figur 3: Det infrarøde absorbansspektrum af cyclohexylaminhydrochlorid.
Den høje og brede funktion mærket A centreret nær 3000 cm-1 (fremover antages det, at alle toppositioner, der er anført, er i cm-1-enheder, selv om det ikke specifikt er angivet) er en absorbanskuvert, der skyldes NH3+-gruppens strækningsvibrationer. Alle aminsaltspektrer udviser en bred kuvert, som den, der ses i figur 3, og som vi generelt vil kalde “NH+-strækningskuvertet”. Dette træk er bredt nok, intenst nok og forekommer i en usædvanlig nok position til, at det i sig selv kan være tegn på tilstedeværelsen af et aminsalt i en prøve. Placeringen af denne kuvert varierer med typen af aminsalt, som diskuteret nedenfor.
Den højre side af denne kuvert har overlejret en række toppe, der skyldes overtoner og kombinationsbånd. Husk, at overtone- og kombinationselementer normalt er svage (8). I aminsalts tilfælde betyder deres høje polaritet imidlertid, at dµ/dx-værdierne for disse overtoner og kombinationsvibrationer er store nok til, at disse toppe let fremtræder i aminsalts spektrer.
En note om spektret af anioner i aminsalte: For hydrochloridsalte, hvor anionen er chlorid- eller Cl-ionen, falder toppene fra vibrationer, der involverer denne ion, på grund af dens masse generelt under 400, hvor de fleste FT-IR-spektre afbrydes. Aminsalte fremstillet af syrer med polyatomare anioner, som f.eks. svovlsyre, udviser imidlertid anion-toppe i det midterste IR-område. Dette illustreres af spektret af d-amfetaminsulfat, som fremstilles ved at lade amfetamin reagere med svovlsyre, og hvis spektrum ses i figur 4.
Figur 4: Det infrarøde absorbansspektrum af d-amfetaminsulfat.
Den brede kuvert centreret omkring 1050 skyldes strækningen af bindingerne i SO4-2-enheden. Den endnu bredere kuvert, der strækker sig fra 3500 til 2000, er NH+-strækningskuvertet.
Primære aminsaltspektrer
Et primært aminsalt har NH3+-enheden, med det resulterende brede intense NH+-strækningskuvert, der ses i figur 3. For primære aminsalte falder denne kuvert generelt fra 3200 til 2800. Vi ved allerede, at C-H-strækninger i alkaner også falder i dette område (9). Som det er almindeligt i IR-spektroskopi (10), kan den smalle top ses oven på eller som en skulder på den bredere top, hvis en bred top og en smal top falder i det samme bølgetalområde. Dette er grunden til, at CH2-strækningerne i cyclohexylgruppen ligger oven på NH+-strækningshullet. Som allerede nævnt er der en række overtoner og kombinationsbånd på højre side af NH3+-strækningsbåndet. Disse træk er fælles for alle aminsaltspektrer og ligger i området fra 2800 til 2000. Husk, at carboxylsyrer har en lignende serie af overtoner og kombinationsbånd i dette område, også forårsaget af denne funktionelle gruppes ekstreme polaritet (11).
Tabel I viser N-H-strækningshullets positioner for de tre forskellige typer aminsalte. Bemærk, at der er en vis overlapning, især mellem primære og sekundære aminer.
Det betyder, at positionen af NH+ strækningshylsteret ikke altid vil afsløre, om et aminsalt er primært, sekundært eller tertiært. Så hvad skal vi gøre?
Gludseligvis har aminsalte ligesom mange andre funktionelle grupper flere IR-egenskaber, og disse kommer til undsætning her. Ud over NH+ strækningsvibrationer har aminsalte også NH+ bøjningsvibrationer. NH3+-grupperingen af primære aminsalte har to to toppe fra de asymmetriske og symmetriske bøjningsvibrationer, mærket med B og C i figur 2. Generelt falder den asymmetriske bøjning fra 1625 til 1560, og den symmetriske bøjning fra 1550 til 1500. Mærkeligt nok er disse toppe små i skarp kontrast til den intense NH+ strækningshule. Det hele skyldes forskellen i dµ/dx mellem aminsaltfunktionalitetsgruppens stræk- og bøjningsvibrationer.
Sekundære aminsaltspektrer
Sekundære aminsalte indeholder NH2+-gruppen. IR-spektret af et sekundært aminsalt, diisopropylaminhydrochlorid, ses i figur 5.
Figur 5: Det infrarøde absorbansspektrum af et sekundært aminsalt, disopropylaminhydrochlorid.
NH+-strækningshullet er mærket med A. Bemærk, at det er bredt og stærkt, ligesom dem, der ses i figur 3 og 4. Som i figur 3 falder C-H-strækningerne her også oven på NH+-strækningshullet. Den har også det forventede supplement af overtoner og kombinationsbånd på den side med lavere bølgetal. For sekundære aminsalte i almindelighed findes denne kuvert fra 3000 til 2700. Bemærk, at der er en vis overlapning mellem de primære og sekundære aminers konvolutter. Sekundære aminsalte har dog kun ét NH+-bøjningsbånd i forhold til primære aminsalte. Dette træk falder typisk fra 1620 til 1560 og er mærket med B i figur 5. Det er således placeringen og antallet af NH+-bøjningsbånd, der afgør, om en prøve indeholder et primært eller sekundært aminsalt.
Tertiære aminsaltspektrer
Tertiære aminsalte indeholder NH+-gruppen, som det ses i figur 1. IR-spektret af et tertiært aminsalt, 2,2′,2”-trichlorethylaminhydrochlorid, ses i figur 6.
Figur 6: Det infrarøde absorbancespektrum af et tertiært aminsalt, 2,2′,2”-trichlorethylaminhydrochlorid.
NH+-strækningen i figur 6 er markeret med A. Bemærk, at den er lavere i bølgetal end for primære og sekundære aminsalte, og at C-H-strækningerne falder som skuldre til venstre for kuvert-toppen. Da NH+-strækningshullet for tertiære aminer falder lige i overtonekombinationsområdet fra 2800 til 2000, vises disse toppe oven på og som skuldre til højre for NH+-strækningshullet. Generelt for tertiære aminsalte falder dette område fra 2700 til 2300. Størrelsen, bredden og placeringen af dette peak er praktisk talt enestående i IR-spektroskopi – i mine årtiers erfaring har jeg aldrig set et peak som dette (10). Således er denne top i sig selv stærkt indikativ for, at der er et tertiært aminsalt i en prøve. Tertiære aminsalte har ingen NH+ bøjningstoppe, så manglen på toppe fra 1625 til 1500 kan også bruges til at skelne tertiære aminsalte fra primære og sekundære salte.
Vi har tidligere diskuteret, at tertiære aminer ikke har nogen stærke, unikke toppe, og derfor er vanskelige at påvise ved hjælp af IR-spektroskopi (12). Dette står i kontrast til tertiære aminsalte, hvis NH+ strækningshindekuvert stikker ud som en øm tommelfinger. En måde at påvise tertiær amin i en prøve på er ved at behandle 1 mL flydende tertiær amin eller tertiær amin opløst i et organisk opløsningsmiddel med 1 mL 50:50 HCl i ethanol. Hvis der er tertiær amin til stede, dannes aminsaltet og udfældes som et fast stof fra opløsningen (12). Udfældningen opsamles ved filtrering, tørres, og dens IR-spektrum måles. Hvis du ser en stor, kæmpestor NH+ strækningshule som den, der ses i figur 6, indeholdt din oprindelige prøve en tertiær amin.
Gruppens bølgetalstoppe for aminsalte er anført i tabel I.
Konklusioner
Aminsalte fremstilles ved at lade aminer reagere med stærke syrer. Primære aminsalte indeholder NH3+-gruppen, sekundære aminsalte NH2+-gruppen, og tertiære aminsalte NH+-gruppen. Aminsalte er vigtige, fordi de bruges til at gøre lægemiddelstoffer vandopløselige og dermed mere biotilgængelige.
Alle aminsalte indeholder en intens, bred NH+-strækningshindekuvert, der er et ret unikt infrarødt træk. Hullets position overlapper hinanden for primære og sekundære aminsalte, men er unik for tertiære salte. Primære og sekundære aminsalte kan skelnes ved antallet og placeringen af NH+ bøjningstoppene.
(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).
(13) B.C. Smith, Spectroscopy33(1), 14-20 (2018). Smith, Spectroscopy31(11), 28-34 (2016).
(14) B.C. Smith, Spectroscopy31(5), 36-39 (2016).
Brian C. Smith, PhD, er grundlægger og administrerende direktør for Big Sur Scientific, en producent af bærbare midt-infrarøde cannabisanalysatorer. Han har over 30 års erfaring som industriel infrarød spektroskopist, har offentliggjort adskillige peer reviewed artikler og har skrevet tre bøger om spektroskopi. Som underviser har han hjulpet tusindvis af mennesker rundt om i verden med at forbedre deres infrarøde analyser. Ud over at skrive for Spectroscopy skriver Dr. Smith en regelmæssig klumme for dens søsterpublikation Cannabis Science and Technology og sidder i dens redaktionelle bestyrelse. Han fik sin ph.d. i fysisk kemi fra Dartmouth College. Man kan kontakte ham på: HAN KAN KONTAKTES PÅ [email protected]