図1：1級アミン、2級アミン、3級アミンを塩酸と反応させて、1級アミン塩、2級アミン塩、3級アミン塩を作る。
図1に見られるアミン塩の珍しい構造に注意すること。 アミン上の孤立電子対が酸のプロトンと反応し、新しいN-H結合を形成する。 このように、1級アミンのNH2基がプロトン化されてNH3+ユニットを、2級アミンのN-Hがプロトン化されてNH2+官能基を、3級アミンがプロトン化されてNH+ユニットを与えるのである。 その結果、アミン塩の官能基は極性が高く、窒素に正の電荷があり、酸のアニオンからの負の電荷とバランスが取れている。 塩酸の場合、これは塩化物イオンCl-である。
古典的な酸塩基反応では、生成物の1つが塩と呼ばれることを思い出してほしい(5)。 例えば、HClとNaOHの反応では、文字通り塩（NaCl）と水が得られます。 図1の反応は酸塩基反応であるため、生成物の1つをアミン塩と呼んでいる。 アミン塩の生成には多くの強酸が用いられるが、私の観察では塩酸が最もよく用いられている。 この場合、アミン塩は塩酸塩となり、化合物の名前に塩酸塩の名前が付く。 例えば、メチルアミンと塩酸を反応させると塩酸メチルアミンになります。
アミン塩の官能基にはプラスとマイナスの電荷があるので、アミンに見られる共有結合の代わりにイオン結合が見られます。 結局、2つの大きな電荷が離れたところにあるので、アミン塩は大きな双極子モーメントを持っていることになります。 赤外線のピーク強度を決定する要因の1つが、振動時の距離に対する双極子モーメントの変化であるdµ/dxであることを思い出してください(6)。 アミン塩が大きな双極子モーメントを持っていることを考えると、その振動は大きなdμ/dxの値を持ち、後述するように、そのスペクトルは強いピークを持つことになります。 その理由は水溶性である。水溶性の分子は、水に溶けない分子よりも人体に取り込まれやすく、生物学的利用能が高いのである。 多くの薬物は大きな有機分子であり、非極性で水に溶けない傾向がある。 さらに、多くの薬物物質にはアミン基が含まれている。 薬物分子のアミン官能基を塩酸のような強酸と反応させるだけで、アミン塩が形成され、その化合物は水溶性となり、生物学的利用能が高くなるのです。 コカインは、塩酸アミン塩とアミンまたは「遊離塩基」の2つの形態で存在し、通称クラックコカインと呼ばれています(7)。 米国では、この2つの違法薬物の所持は、クラック版の方がより危険とみなされ、異なる罰則が適用される。 法医学研究所におけるフーリエ変換赤外分光法（FT-IR）の主な用途の1つは、塩酸コカインとコカインを区別することです。 幸い、これはコカイン塩基とコカイン塩酸塩の赤外吸収スペクトルを重ね合わせた図2に見られるように簡単です。
Figure 2: cocaine and cocaine HClの赤外吸収スペクトルの重ね合わせ。
アミン塩の赤外スペクトル
概要
アミン塩には強いピークの他に、広いピークがあることが予想されます。 IRスペクトルのピーク幅は分子間結合の強さによって決まることを思い出してください(6)。 ベンゼン環のような非極性官能基のピークは狭く、水のように水素結合しているような分子間結合の強い分子は広いピークを持つ(6)。 アミン塩は極性が高く、分子の相互作用が強いため、非常にブロードなピークを示す。 図3: 塩酸シクロヘキシルアミンの赤外吸収スペクトル
3000cm-1付近にあるAと書かれた背の高い広い特徴は、NH3+基の伸縮振動による吸収線である(今後、特に明記しない場合でもピーク位置はすべてcm-1単位と仮定してください)。 すべてのアミン塩のスペクトルには、図 3 に見られるような広い包絡線があり、これを一般に “NH+ 伸縮振動包絡線” と呼ぶことにする。 この特徴は、十分に広く、十分に強く、十分に珍しい位置に現れるため、それだけで試料中のアミン塩の存在を示唆することができる。 この包絡線の位置は、後述するようにアミン塩の種類によって異なります。
この包絡線の右側には、オーバートーンおよびコンビネーションバンドによるピークが多数重なっています。 オーバートーンやコンビネーションの特徴は通常弱いものであることを思い出してください(8)。 しかし、アミン塩の場合、極性が高いので、これらのオーバートーン振動やコンビネーション振動のdμ/dxの値は十分に大きく、アミン塩のスペクトルにはこれらのピークが容易に現れる。
アミン塩のアニオンのスペクトルに関するメモ。 塩酸塩の場合、アニオンは塩化物イオンまたはCl-イオンであり、その質量から、このイオンが関与する振動のピークは、一般に多くのFT-IRスペクトルがカットオフする400以下となる。 しかし、硫酸のような多原子アニオンを持つ酸から作られたアミン塩では、IRの中域にアニオンピークを示す。 アンフェタミンと硫酸を反応させたd-アンフェタミン硫酸のスペクトルを図4に示す。
Figure 4: d-アンフェタミン硫酸の赤外線吸収スペクトル
1050付近を中心とする広い包絡線はSO4-2ユニットの結合の伸張によるものである。
第一級アミン塩のスペクトル
第一級アミン塩はNH3+ユニットを特徴とし、その結果図3に見られるように広い強いNH+伸縮エンベロープを持つ。 一級アミン塩の場合、この包絡線は一般に3200から2800の間にある。 アルカンのC-H伸縮もこの領域に含まれることがすでに知られている(9)。 赤外分光法(10)でよく見られるように、広いピークと狭いピークが同じ波数域にある場合、狭いピークが広いピークの上または肩に見えることがある。 これは、シクロヘキシル基のCH2伸縮がNH+伸縮エンベロープの上に乗っている理由である。 すでに述べたように、NH3+ 伸縮エンベロープの右側には一連のオーバートーンおよびコンビネーションバンドが存在します。 これらの特徴はすべてのアミン塩のスペクトルに共通で、2800から2000の範囲にある。 カルボン酸もこの領域に同様のオーバートーンおよびコンビネーションバンドを持つが、これもこの官能基の極性が原因である(11)。
表Iに3種類のアミン塩のN-H伸縮包絡線の位置を示す。
このことは、NH+伸縮包絡線の位置が、アミン塩が一次、二次、三次のいずれであるかを必ずしも明らかにしないことを意味します。
幸いなことに、他の多くの官能基と同様に、アミン塩にも複数のIR特徴があり、これがここで役立っています。 NH+の伸縮振動に加え、アミン塩にはNH+の屈曲振動もあります。 一次アミン塩のNH3+グループには、図2のBとCで示される非対称と対称の曲げ振動の2つのピークがあるのが特徴です。 一般に、非対称曲げ振動は1625から1560まで、対称曲げ振動は1550から1500まで下がる。 不思議なことに、これらのピークは、強烈なNH+伸縮包絡線とは対照的に小さい。 これはすべてアミン塩官能基の伸縮振動と屈曲振動のdμ/dxの違いによるものです。
二級アミン塩のスペクトル
二級アミン塩にはNH2+基が含まれています。 第2級アミン塩であるジイソプロピルアミン塩酸塩の赤外吸収スペクトルを図5に見る。
図5 第2級アミン塩であるジイソプロピルアミン塩酸塩の赤外吸収スペクトル
NH+伸縮包はAと表記した。図3、4に見られるように広く、強いことに注意すること。 図3と同様に、ここでもC-H伸縮はNH+伸縮エンベロープの上に位置する。 また、低波数側に期待されるオーバートーンやコンビネーションバンドを持つ。 一般に二級アミン塩では、このエンベロープは 3000 から 2700 の間に見られる。 一次アミンと二次アミンのエンベロープには重なりがあることに注意してください。 ただし、2級アミン塩では1級アミン塩に比べてNH+のベンディングバンドが1本しかない。 この特徴は通常1620から1560に位置し、図5ではBと表示されている。 このようにNH+の屈曲バンドの位置と本数で、試料が1級アミン塩か2級アミン塩かを判断します。
3級アミン塩のスペクトル
3級アミン塩は図1に見られるようにNH+基を持っている塩です。 図6に3級アミン塩である2,2′,2”-トリクロロエチルアミン塩酸塩の赤外吸収スペクトルを見る。
Figure 6: 3級アミン塩である2,2′,2”-トリクロロエチルアミン塩酸塩の赤外吸収スペクトル。
図6のNH+伸縮包絡線はAと表示されているが、1級、2級アミン塩に比べて波数が低く、C-H伸縮は包絡線ピークの左側に肩のように落ちていることに注目されたい。 3級アミンのNH+伸縮エンベロープが2800から2000の倍音結合の範囲にあることから、これらのピークはNH+伸縮エンベロープの上や右側の肩に現れていることがわかる。 一般に、3級アミン塩の場合、この包絡線は2700から2300の範囲に収まる。 このピークの大きさ、幅、位置は、私の数十年の経験でも見たことがないほどで、赤外分光法では実質的にユニークなものである(10)。 したがって、このピークはそれ自体、試料が3級アミン塩であることを強く示唆する。 3級アミン塩にはNH+の屈曲ピークがないので、1625から1500のピークがないことも3級アミン塩と1級塩、2級塩の区別に使える。
3級アミンには強い固有のピークがなく、IR分光法で検出しにくいことは前に述べた(12)。 これは3級アミン塩がNH+伸縮エンベロープが突出しているのとは対照的である。 そこで、試料中の3級アミンを検出する方法として、液体3級アミンまたは有機溶媒に溶解した3級アミン1 mLをエタノール中の50:50 HCl 1 mLで処理する方法がある。 3級アミンが存在すれば、アミン塩が生成し、溶液から固体として析出する(12)。 析出物をろ過して集め、乾燥させた後、IR スペクトルを測定する。 図6のような大きなNH+伸縮包絡線が見えたら、元の試料には3級アミンが含まれています。
アミン塩の群波数ピークを表Ⅰに示します。 1級アミン塩にはNH3+基、2級アミン塩にはNH2+基、3級アミン塩にはNH+基が含まれる。
すべてのアミン塩には、強烈で広いNH+伸縮包絡線があり、これはかなりユニークな赤外特性である。 包絡線の位置は一次アミン塩と二次アミン塩で重なり、三次アミン塩ではユニークである。 一級アミン塩と二級アミン塩はNH+屈曲ピークの数と位置で区別できる。
(1) B.C. Smith, Spectroscopy34(7), 18-21, 44 (2019).
(2) B.C. Smith, Spectroscopy34(5), 22-26 (2019).B.C. Smith, Septroscopy35(6), 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.,.).A.C. Smith, Spectroscopy34(4), 2225 (2019).
(5) B.C. Smith, Spectroscopy34(4), 10-15 (2019), 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).
(6) B.C. Smith, Spectroscopy31(1), 16-23 (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, B. C. Smith (2) (12) (14) (14) (14) (15) (15) (15) (15) (15) (15) (15) (15) (15) (15) (15) (15) (15) (15) (15) Smith, Spectroscopy31(11), 28-34 (2016).
(14) B.C. Smith, Spectroscopy31(5), 36-39 (2016).
Brian C. Smith, PhDはポータブル中赤外線大麻分析器メーカーであるビッグサーサイエンティフィックの創設者兼CEOであります。 彼は工業用赤外線分光学者として30年以上の経験を持ち、多数の査読付き論文を発表し、分光学に関する本を3冊執筆しています。 トレーナーとして、世界中の何千人もの赤外分析の向上を支援してきた。 Spectroscopy誌への執筆のほか、姉妹誌のCannabis Science and Technology誌に定期的にコラムを執筆し、編集委員会のメンバーでもある。 ダートマス大学にて物理化学の博士号を取得。 連絡先は以下の通り。 [email protected]