Abbildung 1: Die Reaktion eines primären Amins, eines sekundären Amins und eines tertiären Amins mit Salzsäure zur Bildung eines primären Aminsalzes, eines sekundären Aminsalzes und eines tertiären Aminsalzes.
Beachten Sie die ungewöhnliche Struktur der Aminsalze in Abbildung 1. Das einsame Elektronenpaar des Amins reagiert mit dem Proton der Säure und bildet eine neue N-H-Bindung. So wird die primäre NH2-Gruppe des Amins protoniert, um eine NH3+-Einheit zu bilden, ein sekundäres N-H des Amins wird protoniert, um eine funktionelle NH2+-Gruppe zu bilden, und ein tertiäres Amin wird protoniert, um eine NH+-Einheit zu bilden. Infolgedessen ist die funktionelle Gruppe des Aminsalzes sehr polar, mit einer positiven Ladung am Stickstoff, die durch die negative Ladung des Anions der Säure ausgeglichen wird. Im Fall von Salzsäure ist dies das Chloridion, Cl-.
Erinnern Sie sich daran, dass bei einer klassischen Säure-Base-Reaktion eines der Produkte als Salz bezeichnet wird (5). Zum Beispiel ergibt die Reaktion von HCl und NaOH buchstäblich Salz (NaCl) und Wasser. Die Reaktionen in Abbildung 1 sind Säure-Base-Reaktionen, daher wird eines der Produkte als Aminsalz bezeichnet. Obwohl viele starke Säuren zur Bildung von Aminsalzen verwendet werden können, wird meiner Beobachtung nach am häufigsten Salzsäure verwendet. In diesem Fall ist das Aminsalz ein Hydrochloridsalz, und der Name Hydrochlorid wird an den Namen der Verbindung angehängt. Zum Beispiel bildet die Reaktion von Methylamin mit Salzsäure Methylaminhydrochlorid.
Da die funktionelle Gruppe des Aminsalzes vollständig positiv und negativ geladen ist, liegt eine Ionenbindung anstelle der kovalenten Bindung vor, die man bei Aminen findet. Letztendlich haben wir zwei große Ladungen, die durch einen Abstand getrennt sind, was bedeutet, dass Aminsalze große Dipolmomente haben. Es sei daran erinnert, dass die Intensität des IR-Peaks u. a. durch dµ/dx bestimmt wird, d. h. durch die Änderung des Dipolmoments im Verhältnis zum Abstand während einer Schwingung (6). Da Aminsalze große Dipolmomente haben, weisen ihre Schwingungen große Werte von dµ/dx auf, so dass ihre Spektren intensive Peaks aufweisen, wie wir weiter unten sehen werden.
Aminsalze sind in der medizinischen Chemie sehr wichtig, und zahlreiche legale (und illegale) Drogen enthalten die funktionelle Gruppe der Aminsalze. Der Grund dafür ist die Wasserlöslichkeit; ein wasserlösliches Molekül wird vom menschlichen Körper leichter aufgenommen und ist besser bioverfügbar als ein wasserunlösliches Molekül. Viele Arzneimittel sind große organische Moleküle, die in der Regel unpolar und wasserunlöslich sind. Außerdem enthalten viele Arzneimittelwirkstoffe Amingruppen. Durch einfache Reaktion der funktionellen Amingruppe des Drogenmoleküls mit einer starken Säure wie HCl wird das Aminsalz gebildet, und die Verbindung wird wasserlöslich und damit besser bioverfügbar.
Die Fähigkeit, Amine von Aminsalzen zu unterscheiden, hat sogar rechtliche Auswirkungen. Kokain kommt in zwei Formen vor: als Hydrochlorid-Amin-Salz und als Amin oder „freie Base“ mit dem Straßennamen „Crack“ (7). In den Vereinigten Staaten wird der Besitz dieser beiden illegalen Substanzen mit unterschiedlichen Strafen geahndet, da die Crack-Version als gefährlicher gilt. Eine der wichtigsten Anwendungen der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR) in forensischen Labors ist die Unterscheidung von Kokainhydrochlorid und Kokain. Glücklicherweise ist dies einfach, wie in Abbildung 2 zu sehen ist, die eine Überlagerung der IR-Spektren von Kokainbase und Kokain-HCl zeigt.
Abbildung 2: Überlagerung der Infrarot-Absorptionsspektren von Kokain und Kokain-HCl.
Die IR-Spektren von Aminsalzen
Überblick
Neben den intensiven Peaks sind bei Aminsalzen auch breite Peaks zu erwarten. Es sei daran erinnert, dass die Peakbreite in IR-Spektren durch die Stärke der intermolekularen Bindung bestimmt wird (6). Unpolare funktionelle Gruppen, wie Benzolringe, haben schmale Peaks, während Moleküle mit starken intermolekularen Bindungen, wie Wasser, das wasserstoffgebunden ist, breite Peaks aufweisen (6). Aminsalze sind stark polar; ihre Moleküle interagieren stark und erzeugen sehr breite Peaks. Dies ist im Spektrum von Cyclohexylaminhydrochlorid in Abbildung 3 zu sehen.
Abbildung 3: Das Infrarot-Extinktionsspektrum von Cyclohexylaminhydrochlorid.
Das hohe und breite Merkmal, das mit A bezeichnet ist und in der Nähe von 3000 cm-1 zentriert ist (im Folgenden wird davon ausgegangen, dass alle aufgeführten Peak-Positionen in cm-1-Einheiten angegeben sind, auch wenn dies nicht ausdrücklich vermerkt ist), ist eine Absorptionshülle, die durch die Streckschwingungen der NH3+-Gruppe verursacht wird. Alle Aminsalzspektren weisen eine breite Hüllkurve auf, wie die in Abbildung 3 zu sehende, die wir allgemein als „NH+-Streckungshüllkurve“ bezeichnen wollen. Dieses Merkmal ist breit genug, intensiv genug und erscheint an einer so ungewöhnlichen Position, dass es allein schon ein Hinweis auf das Vorhandensein eines Aminsalzes in einer Probe sein kann. Die Position dieser Hüllkurve variiert je nach Art des Aminsalzes, wie weiter unten erläutert wird.
Die rechte Seite dieser Hüllkurve ist von einer Reihe von Peaks überlagert, die auf Oberton- und Kombinationsbanden zurückzuführen sind. Es sei daran erinnert, dass Oberton- und Kombinationsmerkmale normalerweise schwach sind (8). Im Fall der Aminsalze bedeutet jedoch ihre hohe Polarität, dass die dµ/dx-Werte für diese Oberton- und Kombinationsschwingungen groß genug sind, damit diese Peaks leicht in den Spektren der Aminsalze erscheinen.
Eine Anmerkung zu den Spektren von Anionen in Aminsalzen: Bei Hydrochloridsalzen, bei denen das Anion das Chlorid- oder Cl- Ion ist, fallen die Peaks der Schwingungen dieses Ions aufgrund seiner Masse im Allgemeinen unter 400, wo die meisten FT-IR-Spektren enden. Aminsalze, die aus Säuren mit mehratomigen Anionen, wie z. B. Schwefelsäure, hergestellt werden, weisen jedoch Anionenpeaks im mittleren IR-Bereich auf. Dies wird durch das Spektrum von d-Amphetaminsulfat veranschaulicht, das durch Reaktion von Amphetamin mit Schwefelsäure hergestellt wird und dessen Spektrum in Abbildung 4 zu sehen ist.
Abbildung 4: Das Infrarot-Extinktionsspektrum von d-Amphetaminsulfat.
Die breite Hüllkurve um 1050 ist auf die Streckung der Bindungen in der SO4-2-Einheit zurückzuführen. Die noch breitere Hüllkurve, die sich von 3500 bis 2000 erstreckt, ist die NH+-Streckungshüllkurve.
Spektren von primären Aminsalzen
Ein primäres Aminsalz weist die NH3+-Einheit auf, mit der daraus resultierenden breiten, intensiven NH+-Streckungshüllkurve in Abbildung 3. Bei primären Aminsalzen liegt diese Hüllkurve im Allgemeinen zwischen 3200 und 2800. Es ist bereits bekannt, dass die C-H-Strecken von Alkanen ebenfalls in diesen Bereich fallen (9). Wenn ein breiter Peak und ein schmaler Peak in denselben Wellenzahlbereich fallen, kann der schmale Peak, wie in der IR-Spektroskopie üblich (10), über dem breiteren Peak oder als Schulter desselben gesehen werden. Aus diesem Grund liegen die CH2-Strecken der Cyclohexylgruppe über der NH+-Streckungshüllkurve. Wie bereits erwähnt, gibt es eine Reihe von Oberton- und Kombinationsbanden auf der rechten Seite der NH3+-Streckungshüllkurve. Diese Merkmale sind allen Aminsalzspektren gemeinsam und fallen in den Bereich von 2800 bis 2000. Es sei daran erinnert, dass Carbonsäuren eine ähnliche Reihe von Oberton- und Kombinationsbanden in diesem Bereich aufweisen, was ebenfalls auf die extreme Polarität dieser funktionellen Gruppe zurückzuführen ist (11).
In Tabelle I sind die Positionen der N-H-Streckungshüllen für die drei verschiedenen Arten von Aminsalzen aufgeführt. Man beachte, dass es einige Überschneidungen gibt, insbesondere zwischen primären und sekundären Aminen.
Das bedeutet, dass die Position der NH+-Streckungshüllkurve nicht immer Aufschluss darüber gibt, ob ein Aminsalz primär, sekundär oder tertiär ist. Was können wir also tun?
Glücklicherweise haben Aminsalze, wie viele andere funktionelle Gruppen, mehrere IR-Merkmale, und diese kommen hier zur Hilfe. Zusätzlich zu den NH+-Streckschwingungen haben die Aminsalze auch NH+-Biegeschwingungen. Die NH3+-Gruppierung der primären Aminsalze weist zwei Peaks aus den asymmetrischen und symmetrischen Biegeschwingungen auf, die in Abbildung 2 mit B und C bezeichnet sind. Im Allgemeinen liegt die asymmetrische Biegung zwischen 1625 und 1560 und die symmetrische Biegung zwischen 1550 und 1500. Seltsamerweise sind diese Spitzen klein und stehen in scharfem Kontrast zur intensiven NH+-Streckungshülle. Dies ist auf den Unterschied in dµ/dx zwischen den Streck- und Biegeschwingungen der funktionellen Gruppe des Aminsalzes zurückzuführen.
Sekundäre Aminsalzspektren
Sekundäre Aminsalze enthalten die NH2+-Gruppe. Das IR-Spektrum eines sekundären Aminsalzes, Diisopropylamin-Hydrochlorid, ist in Abbildung 5 zu sehen.
Abbildung 5: Das Infrarot-Absorptionsspektrum eines sekundären Aminsalzes, Disopropylamin-Hydrochlorid.
Die NH+-Streckungshülle ist mit A gekennzeichnet. Sie ist breit und stark, wie in den Abbildungen 3 und 4 zu sehen. Wie in Abbildung 3 liegen auch hier die C-H-Strecken oberhalb der NH+-Streckungshüllkurve. Sie weist auch die erwartete Ergänzung von Oberton- und Kombinationsbanden auf der Seite der unteren Wellenzahl auf. Für sekundäre Aminsalze im Allgemeinen liegt diese Hüllkurve zwischen 3000 und 2700. Es ist zu beachten, dass sich die Hüllkurven von primären und sekundären Aminen teilweise überschneiden. Allerdings haben sekundäre Aminsalze im Vergleich zu primären Aminsalzen nur eine NH+-Biegebande. Dieses Merkmal fällt typischerweise von 1620 bis 1560 und ist in Abbildung 5 mit B gekennzeichnet. Somit bestimmen die Position und die Anzahl der NH+-Biegebänder, ob eine Probe ein primäres oder sekundäres Aminsalz enthält.
Spektren tertiärer Aminsalze
Tertiäre Aminsalze enthalten die NH+-Gruppe, wie in Abbildung 1 dargestellt. Das IR-Spektrum eines tertiären Aminsalzes, 2,2′,2“-Trichlorethylaminhydrochlorid, ist in Abbildung 6 dargestellt.
Abbildung 6: Das Infrarot-Absorptionsspektrum eines tertiären Aminsalzes, 2,2′,2“-Trichlorethylaminhydrochlorid.
Die Hüllkurve der NH+-Streckung ist in Abbildung 6 mit A gekennzeichnet. Man beachte, dass sie eine niedrigere Wellenzahl hat als die der primären und sekundären Aminsalze und dass die C-H-Strecken als Schultern links vom Hüllkurvenpeak liegen. Da die NH+-Streckungshüllkurve für tertiäre Amine genau in den Oberton-Kombinationsbereich von 2800 bis 2000 fällt, zeigen sich diese Peaks über und als Schultern rechts von der NH+-Streckungshüllkurve. Bei tertiären Aminsalzen liegt diese Hüllkurve im Allgemeinen zwischen 2700 und 2300. Die Größe, Breite und Position dieses Peaks ist praktisch einzigartig in der IR-Spektroskopie – in meiner jahrzehntelangen Erfahrung habe ich noch nie einen solchen Peak gesehen (10). Daher ist dieser Peak allein schon ein starkes Indiz für das Vorhandensein eines tertiären Aminsalzes in einer Probe. Tertiäre Aminsalze haben keine NH+-Biegungspeaks, so dass das Fehlen von Peaks zwischen 1625 und 1500 auch zur Unterscheidung tertiärer Aminsalze von primären und sekundären Salzen herangezogen werden kann.
Wir haben bereits erörtert, dass tertiäre Amine keine starken, eindeutigen Peaks aufweisen und daher mit Hilfe der IR-Spektroskopie schwer zu erkennen sind (12). Dies steht im Gegensatz zu tertiären Aminsalzen, deren NH+-Streckungshülle wie ein wunder Daumen heraussticht. Eine Möglichkeit, ein tertiäres Amin in einer Probe nachzuweisen, besteht darin, 1 mL flüssiges tertiäres Amin oder in einem organischen Lösungsmittel gelöstes tertiäres Amin mit 1 mL 50:50 HCl in Ethanol zu behandeln. Wenn ein tertiäres Amin vorhanden ist, bildet sich das Aminsalz und fällt als Feststoff aus der Lösung aus (12). Sammeln Sie den Niederschlag durch Filtration, trocknen Sie ihn und messen Sie sein IR-Spektrum. Wenn Sie eine große, ausgedehnte NH+-Streckungshülle wie in Abbildung 6 sehen, enthält Ihre ursprüngliche Probe ein tertiäres Amin.
Die Gruppenwellenzahl-Peaks für Aminsalze sind in Tabelle I aufgeführt.
Schlussfolgerungen
Aminsalze werden durch Reaktion von Aminen mit starken Säuren hergestellt. Primäre Aminsalze enthalten die NH3+-Gruppe, sekundäre Aminsalze die NH2+-Gruppe und tertiäre Aminsalze die NH+-Gruppe. Aminsalze sind wichtig, weil sie verwendet werden, um Arzneimittel wasserlöslich und damit besser bioverfügbar zu machen.
Alle Aminsalze enthalten eine intensive, breite NH+-Streckungshülle, die ein ziemlich einzigartiges Infrarotmerkmal ist. Die Position der Hüllkurve überschneidet sich bei primären und sekundären Aminsalzen, ist aber bei tertiären Salzen einzigartig. Primäre und sekundäre Aminsalze lassen sich anhand der Anzahl und Position der NH+-Biegepeaks unterscheiden.
(1) B.C. Smith, Spectroscopy34(7), 18-21, 44 (2019).
(2) B.C. Smith, Spectroscopy34(5), 22-26 (2019).
(3) B.C. Smith, Spektroskopie34(3), 22-25 (2019).
(4) B.C. Smith, Spektroskopie34(1), 10-15 (2019).
(5) A. Streitweiser und 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, Spektroskopie30(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, Spectroscopy31(11), 28-34 (2016).
(14) B.C. Smith, Spectroscopy31(5), 36-39 (2016).
Brian C. Smith, PhD, ist Gründer und CEO von Big Sur Scientific, einem Hersteller von tragbaren Mittelinfrarot-Cannabis-Analysegeräten. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung als industrieller Infrarotspektroskopiker, hat zahlreiche von Experten begutachtete Arbeiten veröffentlicht und drei Bücher über Spektroskopie geschrieben. Als Ausbilder hat er Tausenden von Menschen auf der ganzen Welt geholfen, ihre Infrarotanalysen zu verbessern. Dr. Smith schreibt nicht nur für Spectroscopy, sondern auch eine regelmäßige Kolumne für die Schwesterpublikation Cannabis Science and Technology und ist Mitglied des Redaktionsausschusses dieser Zeitschrift. Er promovierte in physikalischer Chemie am Dartmouth College. Sie können ihn erreichen unter: [email protected]
.