Kuva 1: Primaarisen amiinin, sekundaarisen amiinin ja tertiaarisen amiinin reaktio suolahapon kanssa primaarisen amiinisuolan, sekundaarisen amiinisuolan ja tertiaarisen amiinisuolan muodostamiseksi.
Huomaa kuvassa 1 nähtävissä oleva epätavallinen amiinisuolojen rakenne. Amiinin yksinäinen elektronipari reagoi hapon protonin kanssa muodostaen uuden N-H-sidoksen. Näin primaarisen amiinin NH2-ryhmä protonoituu NH3+ -yksiköksi, sekundaarisen amiinin N-H protonoituu NH2+-funktionaaliseksi ryhmäksi ja tertiäärinen amiini protonoituu NH+ -yksiköksi. Tämän seurauksena amiinisuolan funktionaalinen ryhmä on erittäin polaarinen, ja typellä on positiivinen varaus, jota hapon anionin negatiivinen varaus tasapainottaa. Kloorivetyhapon tapauksessa tämä on kloridi-ioni, Cl-.
Muistetaan, että klassisessa happo-emäsreaktiossa yhtä tuotteista kutsutaan suolaksi (5). Esimerkiksi HCl:n ja NaOH:n reaktiossa syntyy kirjaimellisesti suolaa (NaCl) ja vettä. Kuvassa 1 esitetyt reaktiot ovat happo-emäsreaktioita, minkä vuoksi yhtä tuotteista kutsutaan amiinisuolaksi. Vaikka monia vahvoja happoja voidaan käyttää amiinisuolojen muodostamiseen, havaintojeni mukaan useimmiten käytetään suolahappoa. Tällöin amiinisuola on hydrokloridisuola, ja yhdisteen nimeen lisätään nimi hydrokloridi. Esimerkiksi metyyliamiinin ja suolahapon reaktiossa muodostuu metyyliamiinihydrokloridia.
Koska amiinisuolan funktionaalisessa ryhmässä on täydet positiiviset ja negatiiviset varaukset, meillä on ionisidos amineissa esiintyvän kovalenttisen sidoksen sijaan. Viime kädessä meillä on kaksi suurta varausta, jotka on erotettu toisistaan etäisyydellä, mikä tarkoittaa, että amiinisuoloilla on suuret dipolimomentit. Muistutetaan, että yksi IR-piikin intensiteetin määräävä tekijä on dµ/dx, dipolimomentin muutos etäisyyden suhteen värähtelyn aikana (6). Koska amiinisuoloilla on suuret dipolimomentit, niiden värähtelyillä on suuret dµ/dx-arvot, joten niiden spektreissä on voimakkaita piikkejä, kuten näemme jäljempänä.
Aminisuolat ovat erittäin tärkeitä lääkekemiassa, ja monet lailliset (ja laittomat) lääkkeet sisältävät amiinisuolan funktionaalisen ryhmän. Syynä tähän on vesiliukoisuus; vesiliukoinen molekyyli kulkeutuu helpommin ihmiskehoon ja on biosaatavampi kuin veteen liukenematon molekyyli. Monet lääkeaineet ovat suuria orgaanisia molekyylejä, jotka ovat yleensä poolittomia ja vesiliukenemattomia. Lisäksi monet lääkeaineet sisältävät amiiniryhmiä. Yksinkertaisesti reagoimalla lääkemolekyylin amiinifunktionaalinen ryhmä vahvan hapon, kuten HCl:n, kanssa muodostuu amiinisuola, ja yhdisteestä tulee vesiliukoinen ja siten paremmin biologisesti käytettävissä oleva.
Kyvyllä erottaa amiinit amiinisuoloista on jopa oikeudellisia vaikutuksia. Kokaiinia esiintyy kahdessa muodossa, hydrokloridin amiinisuolana ja amiinina tai ”vapaana emäksenä”, jonka katunimi on crack-kokaiini (7). Yhdysvalloissa näiden kahden laittoman aineen hallussapidosta seuraa erilaisia rangaistuksia, sillä crack-versiota pidetään vaarallisempana. Yksi tärkeimmistä Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopian (FT-IR) käyttökohteista rikosteknisissä laboratorioissa on kokaiinihydrokloridin erottaminen kokaiinista. Onneksi tämä on helppoa, kuten nähdään kuvasta 2, jossa näkyy kokaiinin emäksen ja kokaiinin HCl:n IR-spektrien päällekkäisyys.
Kuva 2: Kokaiinin ja kokaiinin HCl:n infrapuna-absorptiospektrien päällekkäisyys.
Aminisuolojen IR-spektri
Yleiskatsaus
Intensiivisten piikkien lisäksi odotamme, että amiinisuoloilla on myös laajoja piikkejä. Muistutetaan, että IR-spektreissä piikin leveys määräytyy molekyylien välisten sidosten voimakkuuden mukaan (6). Epäpolaarisilla funktionaalisilla ryhmillä, kuten bentseenirenkailla, on kapeat piikit, kun taas molekyylien välisiä vahvoja sidoksia omaavilla molekyyleillä, kuten vedellä, jolla on vetysidoksia, on leveät piikit (6). Amiinisuolat ovat erittäin polaarisia; niiden molekyylit ovat voimakkaassa vuorovaikutuksessa keskenään, jolloin piikit ovat hyvin leveitä. Tämä näkyy sykloheksyyliamiinihydrokloridin spektrissä kuvassa 3.
Kuva 3: Sykloheksyyliamiinihydrokloridin infrapuna-absorptiospektri.
Korkea ja leveä piirre, joka on merkitty A:lla ja jonka keskipiste on lähellä 3000 cm-1 (jatkossa oletetaan, että kaikki piikkien sijainnit ilmoitetaan cm-1-yksiköissä, vaikkei sitä olekaan erikseen mainittu), on NH3+ -ryhmän venytysvärähtelyistä johtuva absorbanssin kuori. Kaikissa amiinisuolojen spektreissä on kuvan 3 kaltainen laaja kirjekuori, jota kutsutaan yleisesti ”NH+-venytyskuoreksi”. Tämä piirre on riittävän leveä, riittävän voimakas ja esiintyy riittävän epätavallisessa paikassa, jotta se voi jo itsessään olla osoitus amiinisuolan esiintymisestä näytteessä. Tämän kuoren sijainti vaihtelee amiinisuolan tyypin mukaan, kuten jäljempänä käsitellään.
Tämän kuoren oikealla puolella on päällekkäin useita piikkejä, jotka johtuvat yliääni- ja yhdistelmäkaistoista. Muistutettakoon, että yliääni- ja yhdistelmäpiirteet ovat yleensä heikkoja (8). Amiinisuolojen tapauksessa niiden korkea polaarisuus merkitsee kuitenkin sitä, että näiden overtoni- ja kombinaatiovärähtelyjen dµ/dx-arvot ovat niin suuria, että nämä piikit näkyvät helposti amiinisuolojen spektreissä.
Huomautus amiinisuolojen anionien spektreistä: Hydrokloridisuoloissa, joissa anionina on kloridi- tai Cl-ioni, tämän ionin massan vuoksi tämän ionin värähtelyjen aiheuttamat piikit laskevat yleensä alle 400:n, jossa useimmat FT-IR-spektrit katkeavat. Moniatomisia anioneja sisältävistä hapoista, kuten rikkihaposta, valmistetuissa amiinisuoloissa on kuitenkin anionipiikkejä keski-IR-alueella. Tätä havainnollistaa d-amfetamiinisulfaatin spektri, joka valmistetaan reagoimalla amfetamiinia rikkihapon kanssa ja jonka spektri näkyy kuvassa 4.
Kuva 4: D-amfetamiinisulfaatin infrapuna-absorbanssispektri.
Keskellä 1050:n tienoilla oleva leveä kirjekuori johtuu sidosten venymisestä SO4-2 -yksikössä. Vielä leveämpi kirjekuori, joka ulottuu 3500:n ja 2000:n välille, on NH+-venytyskuori.
Primäärisen amiinisuolan spektri
Primäärisessä amiinisuolassa on NH3+ -yksikkö, mistä seuraa kuvassa 3 näkyvä leveä voimakas NH+-venytyskuori. Primaaristen amiinisuolojen osalta tämä kirjekuori laskee yleensä 3200:n ja 2800:n välille. Tiedämme jo, että myös alkaanien C-H-venymät osuvat tälle alueelle (9). Kuten IR-spektroskopiassa on tavallista (10 ), jos laaja piikki ja kapea piikki osuvat samalle aaltolukualueelle, kapea piikki voi näkyä laajemman piikin päällä tai sen olkapäänä. Tämän vuoksi sykloheksyyliryhmän CH2-venymät ovat NH+-venymän yläpuolella. Kuten jo mainittiin, NH3+ -venymäkaistan oikealla puolella on sarja yliaalto- ja yhdistelmäkaistoja. Nämä piirteet ovat yhteisiä kaikille amiinisuolojen spektreille, ja ne sijoittuvat alueelle 2800-2000. Muistutetaan, että karboksyylihapoilla on tällä alueella samanlainen sarja yliääni- ja yhdistelmäkaistoja, mikä johtuu myös tämän funktionaalisen ryhmän äärimmäisestä poolisuudesta (11).
Taulukossa I on lueteltu N-H-venytyskuoren sijainnit kolmelle eri amiinisuolatyypille. Huomaa, että erityisesti primaaristen ja sekundaaristen amiinien välillä on jonkin verran päällekkäisyyttä.
Tämä tarkoittaa, että NH+ -venytyskuoren sijainti ei aina paljasta, onko amiinisuola primaarinen, sekundaarinen vai tertiäärinen. Mitä meidän siis pitäisi tehdä?
Onneksi monien muiden funktionaalisten ryhmien tavoin amiinisuoloilla on useita IR-ominaisuuksia, ja ne tulevat tässä tapauksessa avuksi. NH+ venytysvärähtelyjen lisäksi amiinisuoloilla on myös NH+ taivutusvärähtelyjä. Primaaristen amiinisuolojen NH3+-ryhmässä on kaksi epäsymmetrisistä ja symmetrisistä taivutusvärähtelyistä peräisin olevaa piikkiä, jotka on merkitty kuvassa 2 merkinnöillä B ja C. Yleisesti ottaen epäsymmetrinen taivutusvärähtely sijoittuu 1625:n ja 1560:n välille ja symmetrinen taivutusvärähtely 1550:n ja 1500:n välille. Kummallista kyllä, nämä piikit ovat pieniä, mikä on jyrkässä ristiriidassa voimakkaan NH+-venytyskuoren kanssa. Tämä kaikki johtuu amiinisuolan funktionaalisen ryhmän venytys- ja taivutusvärähtelyjen dµ/dx-erosta.
Sekundaaristen amiinisuolojen spektrit
Sekundaariset amiinisuolat sisältävät NH2+-ryhmän. Sekundaarisen amiinisuolan, diisopropyyliamiinihydrokloridin, IR-spektri nähdään kuvassa 5.
Kuva 5: Sekundaarisen amiinisuolan, disopropyyliamiinihydrokloridin, infrapuna-absorptiospektri.
NH+:n venytysvyöhyke on merkitty merkinnällä A. Huomatkaa, että se on leveä ja voimakas, kuten kuvissa 3 ja 4 nähdyt. Kuten kuvassa 3, myös tässä C-H-venymät osuvat NH+-venymävaipan päälle. Sen alemman aaltoluvun puolella on myös odotettu lisäys yliääni- ja yhdistelmäkaistoja. Sekundaaristen amiinisuolojen kohdalla tämä kirjekuori ulottuu yleensä 3000:n ja 2700:n välille. On huomattava, että primaaristen ja sekundaaristen amiinien kirjekuoret ovat jossain määrin päällekkäisiä. Sekundaarisilla amiinisuoloilla on kuitenkin vain yksi NH+-taivutuskaista verrattuna primaarisiin amiinisuoloihin. Tämä piirre on tyypillisesti 1620-1560, ja se on merkitty kuvassa 5 merkinnällä B. Näin ollen NH+ -taivutuskaistojen sijainti ja lukumäärä määräävät, sisältääkö näyte primaarisen vai sekundaarisen amiinisuolan.
Tertiaaristen amiinisuolojen spektrit
Tertiaariset amiinisuolat sisältävät NH+ -ryhmän, kuten kuvasta 1 nähdään. Tertiäärisen amiinisuolan, 2,2′,2”-trikloorietyyliamiinihydrokloridin, IR-spektri nähdään kuvassa 6.
Kuva 6: Tertiäärisen amiinisuolan, 2,2′,2”-trikloorietyyliamiinihydrokloridin, infrapuna-absorptiospektri.
Kuvan 6 NH+-venymä on merkitty A. Huomaa, että se on aaltoluvultaan matalampi kuin primaaristen ja sekundaaristen amiinisuolojen kohdalla ja että C-H-venymät laskevat olkapäinä vasempaan puolelle kuoripiikkiä. Kun otetaan huomioon, että tertiääristen amiinien NH+-venymähuippu osuu tarkalleen 2800:n ja 2000:n väliselle yliaaltokombinaatioalueelle, nämä piikit näkyvät NH+-venymähuipun yläpuolella ja sen oikealla puolella olevina hartioina. Yleensä tertiääristen amiinisuolojen kohdalla tämä kirjekuori on 2700 ja 2300 välillä. Tämän piikin koko, leveys ja sijainti on käytännössä ainutlaatuinen IR-spektroskopiassa – vuosikymmenien kokemukseni aikana en ole koskaan nähnyt vastaavaa piikkiä (10). Näin ollen tämä piikki itsessään viittaa vahvasti siihen, että näytteessä on tertiäärinen amiinisuola. Tertiäärisillä amiinisuoloilla ei ole NH+-taivutuspiikkejä, joten piikkien puuttumista 1625-1500 väliltä voidaan myös käyttää erottamaan tertiääriset amiinisuolat primaari- ja sekundaarisuoloista.
Keskustelimme aiemmin siitä, että tertiäärisillä amiineilla ei ole voimakkaita, ainutlaatuisia piikkejä, ja siksi niitä on vaikea havaita infrapunaspektroskopian avulla (12). Tämä on ristiriidassa tertiääristen amiinisuolojen kanssa, joiden NH+-venymäpiikki erottuu kuin kipeä peukalo. Yksi tapa havaita tertiäärinen amiini näytteestä on käsitellä 1 ml nestemäistä tertiääristä amiinia tai orgaaniseen liuottimeen liuotettua tertiääristä amiinia 1 ml:lla 50:50 HCl:ää etanolissa. Jos näytteessä on tertiääristä amiinia, amiinisuola muodostuu ja saostuu kiinteänä aineena liuoksesta (12). Kerätään sakka suodattamalla, kuivataan ja mitataan sen IR-spektri. Jos näet suuren, mahtavan NH+ -venymäpiikin kuten kuvassa 6, alkuperäinen näytteesi sisälsi tertiääristä amiinia.
Aminisuolojen ryhmäaaltolukupiikit on lueteltu taulukossa I.
Johtopäätökset
Aminisuoloja valmistetaan reagoimalla amiineja vahvojen happojen kanssa. Primaariset amiinisuolat sisältävät NH3+-ryhmän, sekundaariset amiinisuolat NH2+-ryhmän ja tertiääriset amiinisuolat NH+-ryhmän. Amiinisuolat ovat tärkeitä, koska niiden avulla lääkeaineista saadaan vesiliukoisia ja siten paremmin biologisesti hyödynnettäviä.
Kaikki amiinisuolat sisältävät voimakkaan, laajan NH+-venymän, joka on melko ainutlaatuinen infrapunaominaisuus. Kuoren sijainti on päällekkäinen primaarisilla ja sekundaarisilla amiinisuoloilla, mutta se on ainutlaatuinen tertiäärisillä suoloilla. Primaariset ja sekundaariset amiinisuolat voidaan erottaa toisistaan NH+-taivutuspiikkien lukumäärän ja sijainnin perusteella.
(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 ja C. Heathcock, Introduction to Organic Chemistry (MacMillan, New York, New York, 1. painos, 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, Spectroscopy31(11), 28-34 (2016).
(14) B.C. Smith, Spectroscopy31(5), 36-39 (2016).
Brian C. Smith, PhD, on kannettavien kannabiksen keski-infrapuna-analysaattorien valmistajan Big Sur Scientificin perustaja ja toimitusjohtaja. Hänellä on yli 30 vuoden kokemus teollisena infrapunaspektroskopistina, hän on julkaissut lukuisia vertaisarvioituja artikkeleita ja kirjoittanut kolme spektroskopiaa käsittelevää kirjaa. Kouluttajana hän on auttanut tuhansia ihmisiä ympäri maailmaa parantamaan infrapuna-analyysejään. Spectroscopy-lehteen kirjoittamisen lisäksi tohtori Smith kirjoittaa säännöllistä kolumnia sen sisarjulkaisuun Cannabis Science and Technology ja istuu sen toimitusneuvostossa. Hän väitteli tohtoriksi fysikaalisesta kemiasta Dartmouth Collegessa. Hänet tavoittaa osoitteesta: [email protected]
.