1. ábra: Egy primer amin, egy szekunder amin és egy tercier amin reakciója sósavval primer aminsó, szekunder aminsó és tercier aminsó képződéséhez.
Az 1. ábrán látható aminsók szokatlan szerkezete. Az amin magányos elektronpárja reakcióba lép a savból származó protonnal, új N-H kötést képezve. Így az elsődleges amin NH2 csoportja protonálódik NH3+ egységgé, a másodlagos amin N-H protonálódik NH2+ funkciós csoporttá, és a harmadlagos amin protonálódik NH+ egységgé. Ennek eredményeként az aminsó funkciós csoportja erősen poláros, a nitrogén pozitív töltéssel rendelkezik, amelyet a sav anionjának negatív töltése ellensúlyoz. A sósav esetében ez a kloridion, Cl-.
Emlékezzünk vissza, hogy a klasszikus sav-bázis reakcióban az egyik terméket sónak nevezzük (5). Például a HCl és a NaOH reakciója szó szerint sót (NaCl) és vizet ad. Az 1. ábrán látható reakciók sav-bázis reakciók, ezért az egyik terméket aminsónak nevezzük. Bár számos erős sav használható aminsók képzésére, megfigyeléseim szerint leggyakrabban a sósavat használják. Ebben az esetben az aminsó hidroklorid só, és a vegyület nevéhez a hidroklorid elnevezést adjuk hozzá. Például a metilamin reakciója sósavval metilamin-hidrokloridot képez.
Mivel az aminsó funkciós csoportjában teljes pozitív és negatív töltés van, az aminokban található kovalens kötés helyett ionos kötés jön létre. Végső soron két nagy töltésünk van, amelyeket távolság választ el egymástól, ami azt jelenti, hogy az aminsóknak nagy dipólusmomentumuk van. Emlékezzünk vissza, hogy az IR-csúcs intenzitását többek között a dµ/dx határozza meg, azaz a dipólusmomentum változása a távolság függvényében a rezgés során (6). Mivel az aminsóknak nagy dipólusmomentumuk van, rezgéseiknek nagy dµ/dx értékei vannak, és így spektrumuk intenzív csúcsokkal rendelkezik, amint azt alább látni fogjuk.
Az aminsók nagyon fontosak a gyógyszerkémiában, és számos legális (és illegális) gyógyszer tartalmaz aminsó funkciós csoportot. Ennek oka a vízoldhatóság; egy vízben oldódó molekulát könnyebben felvesz az emberi szervezet, és biológiailag jobban hasznosul, mint egy vízben nem oldódó molekula. Sok kábítószer-hatóanyag nagy szerves molekula, amelyek általában nem polárisak és vízben nem oldódnak. Ezenkívül sok gyógyszerhatóanyag amincsoportokat tartalmaz. A gyógyszermolekula amin funkciós csoportjának egy erős savval, például HCl-lel történő egyszerű reakcióba hozásával aminsó keletkezik, és a vegyület vízoldhatóvá, és így biológiailag jobban hozzáférhetővé válik.
Az aminok és az aminsók megkülönböztetésének még jogi vonatkozásai is vannak. A kokain két formában fordul elő, a hidroklorid aminsó és az amin vagy “szabad bázis”, amelynek utcai neve crack-kokain (7). Az Egyesült Államokban e két tiltott anyag birtoklása eltérő büntetést von maga után, mivel a crack változatot veszélyesebbnek tartják. A Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia (FT-IR) egyik fő felhasználási területe a törvényszéki laboratóriumokban a kokain-hidroklorid és a kokain megkülönböztetése. Szerencsére ez egyszerű, amint az a 2. ábrán látható, amely a kokainbázis és a kokain HCl IR-spektrumának átfedését mutatja.
2. ábra: A kokain és a kokain HCl infravörös abszorpciós spektrumának átfedése.
Az amin-sók IR spektruma
Áttekintés
Az intenzív csúcsok mellett az amin-sóknál széles csúcsokat is várnánk. Emlékezzünk vissza, hogy az IR-spektrumokban a csúcsszélességet a molekulák közötti kötés erőssége határozza meg (6). A nem poláros funkciós csoportok, mint például a benzolgyűrűk, keskeny csúcsokkal rendelkeznek, míg az erős intermolekuláris kötésekkel rendelkező molekulák, mint például a víz, amely hidrogénkötéssel rendelkezik, széles csúcsokkal rendelkeznek (6). Az aminsók erősen polárisak; molekuláik erős kölcsönhatásba lépnek egymással, ami nagyon széles csúcsokat eredményez. Ez látható a ciklohexilamin-hidroklorid spektrumán a 3. ábrán.
3. ábra: A ciklohexilamin-hidroklorid infravörös abszorpciós spektruma.
A 3000 cm-1 közelében lévő, A-val jelölt magas és széles vonás (a továbbiakban minden csúcs pozícióját cm-1 egységben adjuk meg, még ha nincs is külön feltüntetve) az NH3+ csoport nyújtási rezgéseinek köszönhető abszorbancia burka. Minden amin-só spektrumában látható egy széles burkológörbe, mint a 3. ábrán látható, amelyet általánosságban “NH+ nyújtási burkológörbének” fogunk nevezni. Ez a jellemző elég széles, elég intenzív, és elég szokatlan helyen jelenik meg ahhoz, hogy önmagában is jelezze az aminsó jelenlétét a mintában. Ennek a burkolónak a helyzete az aminsó típusától függően változik, amint azt alább tárgyaljuk.
A burkoló jobb oldala fölé számos olyan csúcsot helyeztek, amelyek az overton- és kombinációs sávoknak köszönhetőek. Emlékezzünk arra, hogy az overton- és kombinációs jellemzők általában gyengék (8). Az aminsók esetében azonban a nagy polaritásuk miatt ezeknek az overton- és kombinációs rezgéseknek a dµ/dx értékei elég nagyok ahhoz, hogy ezek a csúcsok könnyen megjelenjenek az aminsók spektrumában.
Egy megjegyzés az aminsók anionjainak spektrumáról: A hidroklorid-sók esetében, ahol az anion a klorid- vagy Cl-ion, annak tömege miatt az ezen iont érintő rezgésekből származó csúcsok általában 400 alá esnek, ahol a legtöbb FT-IR spektrum elvágódik. A többatomos anionnal rendelkező savakból, például kénsavból készült aminsók azonban anioncsúcsokat mutatnak az IR középső tartományában. Ezt szemlélteti a d-amfetamin-szulfát spektruma, amelyet amfetamin és kénsav reakciójával állítanak elő, és amelynek spektruma a 4. ábrán látható.
4. ábra: A d-amfetamin-szulfát infravörös abszorpciós spektruma.
Az 1050 körüli széles burok az SO4-2 egységben lévő kötések nyúlásának köszönhető. A még szélesebb burkológörbe, amely 3500-tól 2000-ig terjed, az NH+ nyújtási burkológörbe.
Primer aminsók spektruma
A primer aminsó jellemzője az NH3+ egység, amelynek eredménye a 3. ábrán látható széles, intenzív NH+ nyújtási burkológörbe. A primer aminsók esetében ez a burkológörbe általában 3200 és 2800 közé esik. Már tudjuk, hogy az alkánok C-H nyúlásai is ebbe a tartományba esnek (9). Az IR-spektroszkópiában megszokott módon (10), ha egy széles csúcs és egy keskeny csúcs ugyanabba a hullámszámtartományba esik, a keskeny csúcs a szélesebb csúcs tetején vagy annak vállaként látható. Ez az oka annak, hogy a ciklohexilcsoport CH2-nyúlványai az NH+ nyújtási burkán felül helyezkednek el. Mint már említettük, az NH3+ nyújtási burkológörbe jobb oldalán egy sor felhang- és kombinációs sáv található. Ezek a jellemzők minden aminsó spektrumában közösek, és a 2800-2000 közötti tartományba esnek. Emlékezzünk arra, hogy a karbonsavaknak hasonló felhang- és kombinációs sávok sorozata van ebben a régióban, amit szintén ennek a funkciós csoportnak a rendkívüli polaritása okoz (11).
Az I. táblázat felsorolja az N-H nyújtási burkológörbe pozícióit a három különböző típusú aminsó esetében. Megjegyzendő, hogy van némi átfedés, különösen az elsődleges és másodlagos aminok között.
Ez azt jelenti, hogy az NH+ nyújtási burkoló helyzetéből nem mindig derül ki, hogy egy aminsó elsődleges, másodlagos vagy harmadlagos. Mit tegyünk tehát?
Szerencsére sok más funkciós csoporthoz hasonlóan az amin-sóknak is több IR-jellemzőjük van, és ezek itt a segítségünkre vannak. Az NH+ nyújtási rezgések mellett az aminsóknak NH+ hajlítási rezgéseik is vannak. A primer aminsók NH3+ csoportosításában az aszimmetrikus és a szimmetrikus hajlítórezgésekből származó két csúcs található, amelyeket a 2. ábrán B és C jelöléssel jelöltünk. Általában az aszimmetrikus hajlítás 1625 és 1560 közé esik, a szimmetrikus hajlítás pedig 1550 és 1500 közé. Furcsa módon ezek a csúcsok kicsik, éles ellentétben az intenzív NH+ nyújtási burokkal. Mindez az aminsó funkciós csoport nyújtási és hajlítási rezgései közötti dµ/dx különbségnek köszönhető.
Szekunder aminsók spektruma
A szekunder aminsók az NH2+ csoportot tartalmazzák. Egy másodlagos aminsó, a diizopropilamin-hidroklorid IR spektruma látható az 5. ábrán.
5. ábra: Egy másodlagos aminsó, a diizopropilamin-hidroklorid infravörös abszorpciós spektruma.
Az NH+ nyújtási burkológörbe A-val van jelölve. Vegyük észre, hogy széles és erős, mint a 3. és 4. ábrán látottak. A 3. ábrához hasonlóan a C-H nyúlások itt is az NH+ nyúlási burok tetejére esnek. Az alsó hullámszámú oldalán szintén megtalálható a várt kiegészítés az overton- és kombinációs sávokból. A szekunder amin-sók esetében általában ez a burkológörbe 3000 és 2700 között található. Megjegyzendő, hogy az elsődleges és másodlagos aminok burkológörbéi között van némi átfedés. A szekunder aminsóknak azonban csak egy NH+ elhajlási sávja van, szemben a primer aminsókkal. Ez a jellemző jellemző jellemzően 1620 és 1560 közé esik, és az 5. ábrán B-vel van jelölve. Így az NH+ hajlási sávok helyzete és száma határozza meg, hogy egy minta primer vagy szekunder aminsót tartalmaz-e.
Tercier aminsók spektrumai
A tercier aminsók az 1. ábrán látható NH+ csoportot tartalmazzák. Egy tercier aminsó, a 2,2′,2”-triklóretilamin-hidroklorid IR spektruma a 6. ábrán látható.
6. ábra: Egy tercier aminsó, a 2,2′,2”-triklóretilamin-hidroklorid infravörös abszorpciós spektruma.
A 6. ábra NH+ nyúlás burkológörbéje A. Megjegyzendő, hogy alacsonyabb hullámszámú, mint az elsődleges és másodlagos amin-sók esetében, és hogy a C-H nyúlások a burkológörbe csúcsától balra eső vállakként esnek. Tekintettel arra, hogy a tercier aminok NH+ nyújtási burkológörbéje pontosan a 2800 és 2000 közötti felhang-kombinációs tartományba esik, ezek a csúcsok az NH+ nyújtási burkológörbe tetején és jobb oldalán vállakként jelennek meg. Általában a tercier amin sók esetében ez a burkológörbe 2700 és 2300 közé esik. Ennek a csúcsnak a mérete, szélessége és elhelyezkedése gyakorlatilag egyedülálló az IR-spektroszkópiában – több évtizedes tapasztalatom alapján még soha nem láttam ehhez hasonló csúcsot (10). Így ez a csúcs önmagában erősen jelzi, hogy a mintában tercier aminsó található. A tercier aminsóknak nincsenek NH+ elhajlási csúcsai, így az 1625 és 1500 közötti csúcsok hiánya szintén felhasználható a tercier aminsók megkülönböztetésére az elsődleges és másodlagos sótól.
Korábban már tárgyaltuk, hogy a tercier aminoknak nincsenek erős, egyedi csúcsai, ezért IR-spektroszkópiával nehéz kimutatni őket (12). Ez ellentétben áll a tercier amin sókkal, amelyek NH+ nyújtózó burkával úgy kilógnak, mint egy fájó hüvelykujj. A mintában lévő tercier amin kimutatásának egyik módja az, hogy 1 ml folyékony tercier amint vagy szerves oldószerben oldott tercier amint 1 ml 50:50 arányban etanolban oldott HCl-lel kezelünk. Ha tercier amin van jelen, az aminsó képződik és szilárd anyagként kicsapódik az oldatból (12). Szűréssel gyűjtsük össze a csapadékot, szárítsuk meg, és mérjük meg az IR-spektrumát. Ha a 6. ábrán láthatóhoz hasonló nagy, hatalmas NH+ nyújtási burkot lát, akkor az eredeti minta tercier amint tartalmazott.
Az amin-sók csoportos hullámszám-csúcsait az I. táblázat tartalmazza.
Következtetések
Amin-sók az aminok erős savakkal való reakciójával jönnek létre. Az elsődleges aminsók az NH3+ csoportot, a másodlagos aminsók az NH2+ csoportot, a harmadlagos aminsók pedig az NH+ csoportot tartalmazzák. Az aminsók azért fontosak, mert a gyógyszerhatóanyagokat vízoldhatóvá, és ezáltal biológiailag jobban hozzáférhetővé teszik.
Minden aminsó tartalmaz egy intenzív, széles NH+ nyújtási burkot, amely meglehetősen egyedi infravörös tulajdonság. A burkológörbe helyzete átfedésben van az elsődleges és másodlagos aminsók esetében, de egyedülálló a harmadlagos sók esetében. Az elsődleges és másodlagos aminsókat az NH+ hajlító csúcsok száma és helyzete alapján lehet megkülönböztetni.
(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, Spectroscopy31(11), 28-34 (2016).
(14) B.C. Smith, Spectroscopy31(5), 36-39 (2016).
Brian C. Smith, PhD, a Big Sur Scientific, a hordozható közép-infravörös kannabisz-analizátorok gyártójának alapítója és vezérigazgatója. Több mint 30 éves tapasztalattal rendelkezik ipari infravörös spektroszkópiával foglalkozó szakemberként, számos szakmailag lektorált tanulmányt publikált, és három könyvet írt a spektroszkópiáról. Oktatóként világszerte több ezer embernek segített javítani infravörös elemzéseiken. A Spectroscopy című lapba való írás mellett Dr. Smith rendszeres rovatot ír a Cannabis Science and Technology című testvérkiadványnak, és tagja annak szerkesztőbizottságának. PhD fokozatát fizikai kémiából szerezte a Dartmouth College-ban. Elérhető a következő címen: [email protected]