Figura 1: La reazione di un’ammina primaria, secondaria e terziaria con acido cloridrico per formare un sale di ammina primaria, un sale di ammina secondaria e un sale di ammina terziaria.
Nota la struttura insolita dei sali di ammina vista nella figura 1. La coppia solitaria di elettroni sull’ammina reagisce con il protone dell’acido, formando un nuovo legame N-H. Così, il gruppo NH2 dell’ammina primaria viene protonato per dare un’unità NH3+, un’ammina secondaria N-H viene protonata per dare un gruppo funzionale NH2+, e un’ammina terziaria viene protonata per dare un’unità NH+. Di conseguenza, il gruppo funzionale del sale di ammina è altamente polare, con una carica positiva sull’azoto che è bilanciata dalla carica negativa dell’anione dell’acido. Nel caso dell’acido cloridrico, questo è lo ione cloruro, Cl-.
Ricordo che, in una classica reazione acido-base, uno dei prodotti è chiamato sale (5). Per esempio, la reazione di HCl e NaOH dà letteralmente sale (NaCl) e acqua. Le reazioni della figura 1 sono reazioni acido-base, da cui la designazione di uno dei prodotti come un sale di ammina. Anche se molti acidi forti possono essere usati per formare sali di ammina, nella mia osservazione, l’acido cloridrico è usato più frequentemente. In questo caso, il sale di ammina è un sale cloridrico, e il nome cloridrico viene aggiunto al nome del composto. Per esempio, la reazione della metilammina con l’acido cloridrico forma il cloridrato di metilammina.
Perché abbiamo cariche positive e negative complete nel gruppo funzionale del sale di ammina, abbiamo un legame ionico invece del legame covalente che si trova nelle ammine. In definitiva, abbiamo due grandi cariche separate da una distanza, il che significa che i sali di ammina hanno grandi momenti di dipolo. Ricordiamo che una delle cose che determina l’intensità del picco IR è dµ/dx, il cambiamento del momento di dipolo rispetto alla distanza durante una vibrazione (6). Dato che i sali di ammina hanno grandi momenti di dipolo, le loro vibrazioni hanno grandi valori di dµ/dx, e quindi i loro spettri hanno picchi intensi, come vedremo di seguito.
I sali di ammina sono molto importanti nella chimica medicinale, e un numero qualsiasi di farmaci legali (e illegali) contengono il gruppo funzionale del sale di ammina. La ragione di ciò è la solubilità in acqua; una molecola solubile in acqua è più facilmente assorbita dal corpo umano, ed è più biodisponibile di una molecola insolubile in acqua. Molte sostanze farmaceutiche sono grandi molecole organiche, che tendono ad essere non polari e insolubili in acqua. Inoltre, molte sostanze farmaceutiche contengono gruppi amminici. Semplicemente reagendo il gruppo funzionale amminico della molecola di droga con un acido forte come l’HCl, si forma il sale amminico, e il composto viene reso solubile in acqua, e quindi più biodisponibile.
Essere in grado di distinguere le ammine dai sali di ammina ha anche implicazioni legali. La cocaina si trova in due forme, il sale amminico cloridrato e l’ammina o “base libera” con il nome di strada di cocaina crack (7). Negli Stati Uniti, il possesso di queste due sostanze illecite comporta pene diverse, poiché la versione crack è considerata più pericolosa. Uno dei principali usi della spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR) nei laboratori forensi è distinguere il cloridrato di cocaina dalla cocaina. Fortunatamente, questo è facile come si può vedere nella Figura 2, che mostra una sovrapposizione degli spettri IR della cocaina base e della cocaina HCl.
Figura 2: Una sovrapposizione degli spettri di assorbanza infrarossi della cocaina e della cocaina HCl.
Gli spettri IR dei sali di ammina
Panoramica
Oltre ai picchi intensi, ci aspettiamo che i sali di ammina abbiano anche picchi ampi. Ricordiamo che, negli spettri IR, la larghezza del picco è determinata dalla forza del legame intermolecolare (6). I gruppi funzionali non polari, come gli anelli di benzene, hanno picchi stretti, mentre le molecole che hanno forti legami intermolecolari, come l’acqua, che è legata a idrogeno, hanno picchi ampi (6). I sali di ammina sono altamente polari; le loro molecole interagiscono fortemente producendo picchi molto ampi. Questo si vede nello spettro del cloridrato di cicloesilammina in Figura 3.
Figura 3: Lo spettro di assorbanza infrarossa del cloridrato di cicloesilammina.
La caratteristica alta e larga etichettata A centrata vicino a 3000 cm-1 (andando avanti, assumiamo che tutte le posizioni dei picchi elencati siano in unità cm-1, anche se non specificatamente indicato) è un involucro di assorbanza dovuto alle vibrazioni di stretching del gruppo NH3+. Tutti gli spettri dei sali amminici mostrano un ampio inviluppo, come quello visto in figura 3, che chiameremo genericamente “inviluppo di stiramento NH+”. Questa caratteristica è abbastanza ampia, abbastanza intensa e appare in una posizione abbastanza insolita che, da sola, può essere indicativa della presenza di un sale amminico in un campione. La posizione di questo inviluppo varia con il tipo di sale amminico, come discusso di seguito.
Il lato destro di questo inviluppo ha sovrapposto un certo numero di picchi che sono dovuti a bande di overtone e di combinazione. Ricordiamo che le caratteristiche di overtone e di combinazione sono solitamente deboli (8). Tuttavia, nel caso dei sali di ammina, la loro alta polarità significa che i valori dµ/dx per queste vibrazioni di overtone e combinazione sono abbastanza grandi perché questi picchi appaiano facilmente negli spettri dei sali di ammina.
Una nota sugli spettri degli anioni nei sali di ammina: Per i sali di idrocloruro, dove l’anione è lo ione cloruro o Cl-, a causa della sua massa, i picchi dalle vibrazioni che coinvolgono questo ione generalmente cadono sotto 400, dove la maggior parte degli spettri FT-IR tagliano. Tuttavia, i sali amminici fatti da acidi con anioni poliatomici, come l’acido solforico, mostrano picchi di anioni nella regione dell’IR medio. Questo è illustrato dallo spettro del solfato di d-amfetamina, che si ottiene facendo reagire l’anfetamina con l’acido solforico, e il cui spettro si vede nella Figura 4.
Figura 4: Lo spettro di assorbanza infrarossa del solfato di d-amfetamina.
L’ampio inviluppo centrato intorno a 1050 è dovuto all’allungamento dei legami nell’unità SO4-2. L’inviluppo ancora più ampio che si estende da 3500 a 2000 è l’inviluppo dell’allungamento di NH+.
Spettri dei sali di ammina primaria
Un sale di ammina primaria presenta l’unità NH3+, con il conseguente ampio ed intenso inviluppo dell’allungamento di NH+ visto in figura 3. Per i sali di ammina primaria, generalmente questo inviluppo cade da 3200 a 2800. Sappiamo già che anche gli stiramenti C-H degli alcani cadono in questa regione (9). Come è comune nella spettroscopia IR (10), se un picco largo e un picco stretto cadono nello stesso intervallo di wavenumber, il picco stretto può essere visto sopra o come una spalla sul picco più largo. Questo è il motivo per cui gli stiramenti CH2 del gruppo cicloesilico si trovano sopra l’inviluppo dello stiramento NH+. Come già menzionato, c’è una serie di bande di overtone e di combinazione sul lato destro dell’inviluppo dello stiramento NH3+. Queste caratteristiche sono comuni a tutti gli spettri dei sali di ammina, e cadono nell’intervallo da 2800 a 2000. Ricordiamo che gli acidi carbossilici hanno una serie simile di bande di overtone e di combinazione in questa regione, causata anche dall’estrema polarità di questo gruppo funzionale (11).
La tabella I elenca le posizioni dell’inviluppo N-H stretching per i tre diversi tipi di sali di ammina. Si noti che c’è una certa sovrapposizione, in particolare tra le ammine primarie e secondarie.
Questo significa che la posizione dell’inviluppo di stretching NH+ non rivelerà sempre se un sale di ammina è primario, secondario o terziario. Quindi cosa dobbiamo fare?
Fortunatamente, come molti altri gruppi funzionali, i sali di ammina hanno caratteristiche IR multiple, e queste vengono in soccorso qui. Oltre alle vibrazioni di stiramento NH+, i sali di ammina hanno anche vibrazioni di flessione NH+. Il raggruppamento NH3+ dei sali di ammina primari presenta due picchi dalle vibrazioni di flessione asimmetriche e simmetriche, etichettati B e C nella Figura 2. In generale, la curva asimmetrica cade da 1625 a 1560, e la curva simmetrica da 1550 a 1500. Stranamente, questi picchi sono piccoli in netto contrasto con l’intenso inviluppo dello stretching di NH+. Tutto ciò è dovuto alla differenza di dµ/dx tra le vibrazioni di stiramento e di flessione del gruppo funzionale del sale di ammina.
Spettri dei sali di ammina secondaria
I sali di ammina secondaria contengono il gruppo NH2+. Lo spettro IR di un sale di ammina secondaria, il cloridrato di diisopropilammina, si vede nella Figura 5.
Figura 5: Lo spettro di assorbimento infrarosso di un sale di ammina secondaria, il cloridrato di disopropilammina.
L’inviluppo di stretching NH+ è etichettato A. Si noti che è ampio e forte, come quelli visti nelle Figure 3 e 4. Come nella figura 3, anche qui gli stiramenti C-H cadono sopra l’inviluppo NH+. Ha anche l’atteso complemento di bande di overtone e di combinazione sul suo lato a basso numero d’onda. Per i sali di ammine secondarie in generale, questo inviluppo si trova da 3000 a 2700. Si noti che c’è una certa sovrapposizione tra gli inviluppi delle ammine primarie e secondarie. Tuttavia, i sali di ammine secondarie hanno solo una banda di flessione NH+ rispetto ai sali di ammine primarie. Questa caratteristica cade tipicamente da 1620 a 1560, ed è etichettato B in Figura 5. Quindi la posizione e il numero di bande di flessione NH+ è ciò che determina se un campione contiene un sale di ammina primaria o secondaria.
Spettri di sali di ammina terziaria
I sali di ammina terziaria contengono il gruppo NH+, come si vede nella Figura 1. Lo spettro IR di un sale di ammina terziaria, 2,2′,2”-tricloroetilammina cloridrato, si vede nella Figura 6.
Figura 6: Lo spettro di assorbimento infrarosso di un sale di ammina terziaria, 2,2′,2”-tricloroetilammina cloridrato.
L’inviluppo NH+ stretching è Figura 6 è etichettato A. Si noti che è più basso in wavenumber che per i sali di ammina primaria e secondaria, e che i tratti C-H cadono come spalle a sinistra del picco dell’inviluppo. Dato che l’inviluppo NH + stretching per ammine terziarie cade esattamente nel overtone-combinazione gamma da 2800 a 2000, questi picchi si mostrano in cima e come spalle a destra della busta NH + stretching. In generale, per i sali di ammine terziarie, questo inviluppo cade da 2700 a 2300. Le dimensioni, la larghezza e la posizione di questo picco sono praticamente uniche nella spettroscopia IR: nei miei decenni di esperienza, non ho mai visto un picco simile (10). Quindi, questo picco da solo è fortemente indicativo della presenza di un sale di ammina terziaria in un campione. I sali di ammina terziaria non hanno picchi di flessione NH+, quindi la mancanza di picchi da 1625 a 1500 può anche essere usata per distinguere i sali di ammina terziaria dai sali primari e secondari.
Abbiamo discusso precedentemente che le ammine terziarie non hanno picchi forti e unici, e quindi sono difficili da rilevare usando la spettroscopia IR (12). Questo contrasta con i sali di ammine terziarie, il cui involucro di stiramento NH+ spicca come un pollice dolente. Un modo per rilevare un’ammina terziaria in un campione è quindi quello di trattare 1 mL di ammina terziaria liquida, o ammina terziaria sciolta in un solvente organico, con 1 mL di HCl 50:50 in etanolo. Se è presente un’ammina terziaria, il sale di ammina si formerà e precipiterà come solido dalla soluzione (12). Raccogliete il precipitato per filtrazione, asciugatelo e misurate il suo spettro IR. Se vedete un grande, enorme inviluppo di stiramento NH+ come quello visto in figura 6, il vostro campione originale conteneva un’ammina terziaria.
I picchi di wavenumber di gruppo per i sali di ammina sono elencati nella tabella I.
Conclusioni
I sali di ammina sono fatti reagendo le ammine con acidi forti. I sali di ammina primaria contengono il gruppo NH3+, i sali di ammina secondaria il gruppo NH2+ e i sali di ammina terziaria il gruppo NH+. I sali di ammina sono importanti, perché sono usati per rendere le sostanze farmacologiche solubili in acqua, e quindi più biodisponibili.
Tutti i sali di ammina contengono un intenso, ampio inviluppo di stiramento NH+ che è una caratteristica infrarossa piuttosto unica. La posizione dell’inviluppo si sovrappone per i sali di ammina primari e secondari, ma è unica per i sali terziari. I sali di ammina primaria e secondaria possono essere distinti dal numero e dalla posizione dei picchi di flessione 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 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, è fondatore e CEO di Big Sur Scientific, un produttore di analizzatori portatili di cannabis nel medio infrarosso. Ha oltre 30 anni di esperienza come spettroscopista industriale nell’infrarosso, ha pubblicato numerosi articoli peer reviewed e ha scritto tre libri sulla spettroscopia. Come formatore, ha aiutato migliaia di persone in tutto il mondo a migliorare le loro analisi all’infrarosso. Oltre a scrivere per Spectroscopy, il dottor Smith scrive una colonna regolare per la sua pubblicazione sorella Cannabis Science and Technology e fa parte del suo comitato editoriale. Ha conseguito il suo dottorato in chimica fisica al Dartmouth College. Può essere raggiunto a: [email protected]
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