Figure 1 : La réaction d’une amine primaire, d’une amine secondaire et d’une amine tertiaire avec l’acide chlorhydrique pour former un sel d’amine primaire, un sel d’amine secondaire et un sel d’amine tertiaire.
Notez la structure inhabituelle des sels d’amine vus dans la figure 1. La paire d’électrons solitaires sur l’amine réagit avec le proton de l’acide, formant ainsi une nouvelle liaison N-H. Ainsi, le groupe NH2 de l’amine primaire est protoné pour donner une unité NH3+, un N-H de l’amine secondaire est protoné pour donner un groupe fonctionnel NH2+, et une amine tertiaire est protonée pour donner une unité NH+. En conséquence, le groupe fonctionnel du sel d’amine est hautement polaire, avec une charge positive sur l’azote qui est équilibrée par la charge négative de l’anion de l’acide. Dans le cas de l’acide chlorhydrique, il s’agit de l’ion chlorure, Cl-.
Rappelons que, dans une réaction acide-base classique, l’un des produits est appelé un sel (5). Par exemple, la réaction de HCl et NaOH donne littéralement du sel (NaCl) et de l’eau. Les réactions de la figure 1 sont des réactions acide-base, d’où la désignation de l’un des produits comme un sel d’amine. Bien que de nombreux acides forts puissent être utilisés pour former des sels d’amine, dans mon observation, l’acide chlorhydrique est le plus fréquemment utilisé. Dans ce cas, le sel d’amine est un sel de chlorhydrate, et le nom chlorhydrate est ajouté au nom du composé. Par exemple, la réaction de la méthylamine avec l’acide chlorhydrique forme le chlorhydrate de méthylamine.
Parce que nous avons des charges positives et négatives complètes dans le groupe fonctionnel du sel d’amine, nous avons une liaison ionique au lieu de la liaison covalente trouvée dans les amines. En fin de compte, nous avons deux grandes charges séparées par une distance, ce qui signifie que les sels d’amine ont de grands moments dipolaires. Rappelez-vous que l’un des éléments qui détermine l’intensité du pic IR est dµ/dx, le changement du moment dipolaire par rapport à la distance pendant une vibration (6). Étant donné que les sels d’amine ont de grands moments dipolaires, leurs vibrations ont de grandes valeurs de dµ/dx, et donc leurs spectres ont des pics intenses, comme nous le verrons ci-dessous.
Les sels d’amine sont très importants en chimie médicinale, et un nombre quelconque de médicaments légaux (et illégaux) contiennent le groupe fonctionnel sel d’amine. La raison en est la solubilité dans l’eau ; une molécule soluble dans l’eau est plus facilement absorbée par le corps humain, et est plus biodisponible qu’une molécule insoluble dans l’eau. De nombreuses substances médicamenteuses sont de grosses molécules organiques, qui ont tendance à être non polaires et insolubles dans l’eau. En outre, de nombreuses substances médicamenteuses contiennent des groupes aminés. En faisant simplement réagir le groupe fonctionnel amine de la molécule de drogue avec un acide fort comme HCl, le sel d’amine est formé, et le composé est rendu soluble dans l’eau, et donc plus biodisponible.
Savoir distinguer les amines des sels d’amine a même des implications juridiques. La cocaïne se trouve sous deux formes, le sel d’amine chlorhydrate et l’amine ou « base libre » dont le nom de rue est le crack (7). Aux États-Unis, la possession de ces deux substances illicites entraîne des sanctions différentes, la version crack étant considérée comme plus dangereuse. L’une des principales utilisations de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) dans les laboratoires de police scientifique consiste à distinguer le chlorhydrate de cocaïne de la cocaïne. Heureusement, cela est facile comme on peut le voir dans la figure 2, qui montre une superposition des spectres IR de la cocaïne base et de la cocaïne HCl.
Figure 2 : Une superposition des spectres d’absorption infrarouge de la cocaïne et de la cocaïne HCl.
Les spectres IR des sels d’amine
Aperçu
En plus des pics intenses, nous nous attendrions à ce que les sels d’amine aient également des pics larges. Rappelons que, dans les spectres IR, la largeur du pic est déterminée par la force de la liaison intermoléculaire (6). Les groupes fonctionnels non polaires, comme les cycles benzéniques, ont des pics étroits, tandis que les molécules qui ont des liaisons intermoléculaires fortes, comme l’eau, qui est liée à l’hydrogène, ont des pics larges (6). Les sels d’amines sont très polaires ; leurs molécules interagissent fortement, ce qui produit des pics très larges. Ceci est visible dans le spectre du chlorhydrate de cyclohexylamine de la figure 3.
Figure 3 : Le spectre d’absorption infrarouge du chlorhydrate de cyclohexylamine.
La caractéristique haute et large étiquetée A centrée près de 3000 cm-1 (à l’avenir, supposez que toutes les positions de pic énumérées sont en unités cm-1, même si ce n’est pas spécifiquement indiqué) est une enveloppe d’absorption due aux vibrations d’étirement du groupe NH3+. Tous les spectres de sels d’amines présentent une large enveloppe, comme celle de la figure 3, que nous appellerons génériquement « enveloppe d’étirement NH+ ». Cette caractéristique est assez large, assez intense, et apparaît à une position assez inhabituelle pour que, à elle seule, elle puisse indiquer la présence d’un sel d’amine dans un échantillon. La position de cette enveloppe varie selon le type de sel d’amine, comme on le verra plus loin.
Le côté droit de cette enveloppe est superposé à un certain nombre de pics qui sont dus à des bandes harmoniques et de combinaison. Rappelons que les caractéristiques des harmoniques et des combinaisons sont généralement faibles (8). Cependant, dans le cas des sels d’amines, leur polarité élevée signifie que les valeurs de dµ/dx pour ces vibrations harmoniques et de combinaison sont suffisamment grandes pour que ces pics apparaissent facilement dans les spectres des sels d’amines.
Une note sur les spectres des anions dans les sels d’amines : Pour les sels de chlorhydrate, où l’anion est l’ion chlorure ou Cl-, en raison de sa masse, les pics provenant des vibrations impliquant cet ion tombent généralement en dessous de 400, où la plupart des spectres FT-IR se coupent. Cependant, les sels d’amine fabriqués à partir d’acides ayant des anions polyatomiques, comme l’acide sulfurique, présentent des pics d’anions dans la région IR moyenne. Ceci est illustré par le spectre du sulfate de d-amphétamine, qui est fabriqué en faisant réagir l’amphétamine avec l’acide sulfurique, et dont le spectre est vu dans la figure 4.
Figure 4 : Le spectre d’absorption infrarouge du sulfate de d-amphétamine.
La large enveloppe centrée autour de 1050 est due à l’étirement des liaisons dans l’unité SO4-2. L’enveloppe encore plus large qui s’étend de 3500 à 2000 est l’enveloppe d’étirement NH+.
Spectres de sels d’amines primaires
Un sel d’amine primaire présente l’unité NH3+, avec la large enveloppe d’étirement NH+ intense qui en résulte, vue sur la figure 3. Pour les sels d’amine primaire, généralement cette enveloppe se situe entre 3200 et 2800. Nous savons déjà que les étirements C-H des alcanes se situent également dans cette région (9). Comme il est courant en spectroscopie IR (10), si un pic large et un pic étroit se situent dans la même plage de nombres d’onde, le pic étroit peut être vu au-dessus ou comme un épaulement du pic plus large. C’est pourquoi les étirements CH2 du groupe cyclohexyle se trouvent au-dessus de l’enveloppe d’étirement NH+. Comme nous l’avons déjà mentionné, il existe une série de bandes harmoniques et de bandes combinées sur le côté droit de l’enveloppe d’étirement NH3+. Ces caractéristiques sont communes à tous les spectres de sels d’amine, et se situent dans la plage de 2800 à 2000. Rappelons que les acides carboxyliques ont une série similaire de bandes harmoniques et de combinaison dans cette région, également causée par l’extrême polarité de ce groupe fonctionnel (11).
Le tableau I liste les positions de l’enveloppe d’étirement N-H pour les trois différents types de sels d’amine. Notez qu’il y a un certain chevauchement, en particulier entre les amines primaires et secondaires.
Cela signifie que la position de l’enveloppe d’étirement NH+ ne révélera pas toujours si un sel d’amine est primaire, secondaire ou tertiaire. Alors que faire ?
Heureusement, comme beaucoup d’autres groupes fonctionnels, les sels d’amine ont de multiples caractéristiques IR, et celles-ci viennent à la rescousse ici. En plus des vibrations d’étirement NH+, les sels d’amine possèdent également des vibrations de flexion NH+. Le groupement NH3+ des sels d’amine primaires présente deux pics provenant des vibrations de flexion asymétriques et symétriques, marqués B et C sur la figure 2. En général, la courbure asymétrique se situe entre 1625 et 1560, et la courbure symétrique entre 1550 et 1500. Étrangement, ces pics sont petits, ce qui contraste fortement avec l’enveloppe intense de l’étirement NH+. Tout ceci est dû à la différence de dµ/dx entre les vibrations d’étirement et de flexion du groupe fonctionnel du sel d’amine.
Spectres de sels d’amines secondaires
Les sels d’amines secondaires contiennent le groupe NH2+. Le spectre IR d’un sel d’amine secondaire, le chlorhydrate de diisopropylamine, est vu dans la figure 5.
Figure 5 : Le spectre d’absorption infrarouge d’un sel d’amine secondaire, le chlorhydrate de disopropylamine.
L’enveloppe d’étirement NH+ est étiquetée A. Notez qu’elle est large et forte, comme celles vues dans les figures 3 et 4. Comme dans la figure 3, les étirements C-H tombent ici aussi sur le dessus de l’enveloppe d’étirement NH+. Elle possède également le complément attendu de bandes harmoniques et combinées sur son côté à nombre d’onde inférieur. Pour les sels d’amines secondaires en général, cette enveloppe se trouve entre 3000 et 2700. Notez qu’il y a un certain chevauchement entre les enveloppes des amines primaires et secondaires. Cependant, les sels d’amines secondaires ne présentent qu’une seule bande de flexion NH+ par rapport aux sels d’amines primaires. Cette caractéristique se situe typiquement entre 1620 et 1560, et est étiquetée B dans la Figure 5. Ainsi, la position et le nombre de bandes de flexion NH+ est ce qui détermine si un échantillon contient un sel d’amine primaire ou secondaire.
Spectres de sels d’amines tertiaires
Les sels d’amines tertiaires contiennent le groupe NH+, comme on le voit sur la figure 1. Le spectre IR d’un sel d’amine tertiaire, le chlorhydrate de 2,2′,2 »-trichloroéthylamine, est vu sur la figure 6.
Figure 6 : Le spectre d’absorption infrarouge d’un sel d’amine tertiaire, le chlorhydrate de 2,2′,2 »-trichloroéthylamine.
L’enveloppe d’étirement NH+ est figure 6 est étiquetée A. Notez qu’elle est plus basse en nombre d’onde que pour les sels d’amines primaires et secondaires, et que les étirements C-H tombent comme des épaules à gauche du pic de l’enveloppe. Étant donné que l’enveloppe de l’étirement NH+ pour les amines tertiaires tombe carrément dans la plage de combinaison des harmoniques de 2800 à 2000, ces pics apparaissent au-dessus et comme des épaules à droite de l’enveloppe de l’étirement NH+. En général, pour les sels d’amines tertiaires, cette enveloppe se situe entre 2700 et 2300. La taille, la largeur et la position de ce pic sont pratiquement uniques dans la spectroscopie IR – au cours de mes décennies d’expérience, je n’ai jamais vu un pic comme celui-ci (10). Ainsi, ce pic en lui-même est fortement indicatif de la présence d’un sel d’amine tertiaire dans un échantillon. Les sels d’amine tertiaire n’ont pas de pics de flexion NH+, donc l’absence de pics de 1625 à 1500 peut également être utilisée pour distinguer les sels d’amine tertiaire des sels primaires et secondaires.
Nous avons discuté précédemment que les amines tertiaires n’ont pas de pics forts et uniques, et sont donc difficiles à détecter en utilisant la spectroscopie IR (12). Ceci contraste avec les sels d’amines tertiaires, dont l’enveloppe d’étirement NH+ ressort comme un pouce endolori. Une façon de détecter une amine tertiaire dans un échantillon consiste donc à traiter 1 mL d’amine tertiaire liquide, ou d’amine tertiaire dissoute dans un solvant organique, avec 1 mL de HCl 50:50 dans de l’éthanol. Si une amine tertiaire est présente, le sel d’amine se formera et précipitera sous forme de solide à partir de la solution (12). Récupérez le précipité par filtration, séchez-le et mesurez son spectre IR. Si vous voyez une grande enveloppe d’étirement NH+ comme celle vue dans la figure 6, votre échantillon d’origine contenait une amine tertiaire.
Les pics de nombre d’onde de groupe pour les sels d’amine sont répertoriés dans le tableau I.
Conclusions
Les sels d’amine sont fabriqués en faisant réagir les amines avec des acides forts. Les sels d’amines primaires contiennent le groupe NH3+, les sels d’amines secondaires le groupe NH2+ et les sels d’amines tertiaires le groupe NH+. Les sels d’amines sont importants, car ils sont utilisés pour rendre les substances médicamenteuses hydrosolubles, et donc plus biodisponibles.
Tous les sels d’amines contiennent une enveloppe d’étirement NH+ intense et large qui est une caractéristique infrarouge assez unique. La position de l’enveloppe se chevauche pour les sels d’amines primaires et secondaires, mais est unique pour les sels tertiaires. Les sels d’amine primaires et secondaires peuvent être distingués par le nombre et la position des pics de flexion 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 et C. Heathcock, Introduction to Organic Chemistry (MacMillan, New York, New York, 1ère éd, 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, Floride, 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, est fondateur et PDG de Big Sur Scientific, un fabricant d’analyseurs de cannabis portables à infrarouge moyen. Il a plus de 30 ans d’expérience en tant que spectroscopiste infrarouge industriel, a publié de nombreux articles évalués par des pairs et a écrit trois livres sur la spectroscopie. En tant que formateur, il a aidé des milliers de personnes dans le monde entier à améliorer leurs analyses infrarouges. En plus d’écrire pour Spectroscopy, le Dr Smith rédige une chronique régulière pour sa publication sœur, Cannabis Science and Technology, et fait partie de son comité de rédaction. Il a obtenu son doctorat en chimie physique au Dartmouth College. Vous pouvez le joindre à l’adresse suivante [email protected]