Rysunek 1: Reakcja aminy pierwszorzędowej, aminy drugorzędowej i aminy trzeciorzędowej z kwasem solnym w celu utworzenia soli aminy pierwszorzędowej, soli aminy drugorzędowej i soli aminy trzeciorzędowej.
Zauważ niezwykłą strukturę soli aminowych widoczną na rysunku 1. Samotna para elektronów na aminie reaguje z protonem z kwasu, tworząc nowe wiązanie N-H. Tak więc, pierwszorzędowa grupa aminowa NH2 jest protonowana, dając jednostkę NH3+, drugorzędowa grupa aminowa N-H jest protonowana, dając grupę funkcyjną NH2+, a trzeciorzędowa amina jest protonowana, dając jednostkę NH+. W rezultacie grupa funkcyjna soli aminowej jest wysoce polarna, z dodatnim ładunkiem na azocie, który jest równoważony przez ładunek ujemny pochodzący od anionu kwasu. W przypadku kwasu chlorowodorowego jest to jon chlorkowy, Cl-.
Przypomnijmy, że w klasycznej reakcji kwasowo-zasadowej jeden z produktów nazywany jest solą (5). Na przykład, reakcja HCl i NaOH daje dosłownie sól (NaCl) i wodę. Reakcje przedstawione na rysunku 1 są reakcjami kwasowo-zasadowymi, stąd określenie jednego z produktów jako soli aminowej. Chociaż do tworzenia soli aminowych można użyć wielu mocnych kwasów, to z moich obserwacji wynika, że najczęściej stosowany jest kwas solny. W takim przypadku sól aminowa jest solą chlorowodorkową, a do nazwy związku dodaje się nazwę chlorowodorek. Na przykład, reakcja metyloaminy z kwasem solnym tworzy chlorowodorek metyloaminy.
Ponieważ mamy pełne ładunki dodatnie i ujemne w grupie funkcyjnej soli aminowej, mamy wiązanie jonowe zamiast wiązania kowalencyjnego występującego w aminach. Ostatecznie, mamy dwa duże ładunki oddzielone odległością, co oznacza, że sole aminowe mają duże momenty dipolowe. Przypomnijmy, że jedną z rzeczy, która określa intensywność piku IR jest dµ/dx, zmiana momentu dipolowego w odniesieniu do odległości podczas drgań (6). Biorąc pod uwagę, że sole aminowe mają duże momenty dipolowe, ich wibracje mają duże wartości dµ/dx, a więc ich widma mają intensywne piki, jak zobaczymy poniżej.
Sole aminowe są bardzo ważne w chemii medycznej, a każda liczba legalnych (i nielegalnych) leków zawiera grupę funkcyjną soli aminowej. Powodem tego jest rozpuszczalność w wodzie; cząsteczka rozpuszczalna w wodzie jest łatwiej przyjmowana przez organizm ludzki i jest bardziej biodostępna niż cząsteczka nierozpuszczalna w wodzie. Wiele substancji leczniczych to duże cząsteczki organiczne, które zwykle są niepolarne i nierozpuszczalne w wodzie. Dodatkowo, wiele substancji leczniczych zawiera grupy aminowe. Poprzez prostą reakcję aminowej grupy funkcyjnej cząsteczki leku z silnym kwasem, takim jak HCl, powstaje sól aminowa, a związek staje się rozpuszczalny w wodzie, a tym samym bardziej biodostępny.
Bycie w stanie odróżnić aminy od soli aminowych ma nawet implikacje prawne. Kokaina występuje w dwóch postaciach, soli aminowej chlorowodorku i aminy lub „wolnej bazy” o ulicznej nazwie crack cocaine (7). W Stanach Zjednoczonych posiadanie tych dwóch nielegalnych substancji wiąże się z różnymi karami, ponieważ wersja z crackiem jest uważana za bardziej niebezpieczną. Jednym z głównych zastosowań spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR) w laboratoriach kryminalistycznych jest odróżnienie chlorowodorku kokainy od kokainy. Na szczęście jest to łatwe, jak widać na rysunku 2, który przedstawia nakładanie się widm IR bazy kokainowej i kokainy HCl.
Rysunek 2: Nakładanie się widm absorpcji w podczerwieni kokainy i kokainy HCl.
Widma IR soli aminowych
Przegląd
Oprócz intensywnych pików, spodziewalibyśmy się, że sole aminowe będą miały również szerokie piki. Przypomnijmy, że w widmach IR szerokość piku zależy od siły wiązania międzycząsteczkowego (6). Niepolarne grupy funkcyjne, takie jak pierścienie benzenowe, mają wąskie piki, podczas gdy cząsteczki, które mają silne wiązania międzycząsteczkowe, takie jak woda, która jest związana wodorem, mają szerokie piki (6). Sole aminowe są wysoce polarne; ich cząsteczki silnie oddziałują ze sobą, tworząc bardzo szerokie piki. Jest to widoczne w widmie chlorowodorku cykloheksyloaminy na rysunku 3.
Rysunek 3: Widmo absorpcyjne w podczerwieni chlorowodorku cykloheksyloaminy.
Wysoka i szeroka cecha oznaczona jako A skupiona w pobliżu 3000 cm-1 (idąc dalej, przyjmij, że wszystkie pozycje pików wymienione są w jednostkach cm-1, nawet jeśli nie jest to wyraźnie określone) jest obwiednią absorpcji spowodowaną drganiami rozciągającymi grupy NH3+. Wszystkie widma soli aminowych wykazują szeroką obwiednię, jak ta widoczna na Rysunku 3, którą ogólnie będziemy nazywać „obwiednią rozciągania NH+”. Cecha ta jest na tyle szeroka, intensywna i pojawia się w wystarczająco nietypowym miejscu, że sama w sobie może wskazywać na obecność soli aminowej w próbce. Położenie tej otoczki zmienia się w zależności od rodzaju soli aminowej, jak omówiono poniżej.
Prawa strona tej otoczki ma nałożoną na nią pewną liczbę pików, które wynikają z pasm overtonowych i kombinacyjnych. Przypomnijmy, że cechy overtonowe i kombinacyjne są zwykle słabe (8). Jednak w przypadku soli aminowych, ich wysoka polarność oznacza, że wartości dµ/dx dla tych drgań overtonowych i kombinacyjnych są wystarczająco duże, aby piki te łatwo pojawiały się w widmach soli aminowych.
Uwaga na temat widm anionów w solach aminowych: Dla soli chlorowodorkowych, w których anionem jest jon chlorkowy lub Cl-, ze względu na jego masę, piki pochodzące od drgań z udziałem tego jonu spadają na ogół poniżej 400, gdzie większość widm FT-IR odcina się. Jednakże, sole aminowe otrzymywane z kwasów z anionami wieloatomowymi, takimi jak kwas siarkowy, wykazują piki anionowe w obszarze średniej podczerwieni. Ilustruje to widmo siarczanu d-amfetaminy, który powstaje w wyniku reakcji amfetaminy z kwasem siarkowym, a którego widmo przedstawiono na rysunku 4.
Rysunek 4: Widmo absorpcyjne w podczerwieni siarczanu d-amfetaminy.
Szeroka otoczka skupiona wokół 1050 jest spowodowana rozciąganiem wiązań w jednostce SO4-2. Jeszcze szersza otoczka rozciągająca się od 3500 do 2000 jest otoczką rozciągania NH+.
Widma pierwszorzędowych soli aminowych
Pierwszorzędowa sól aminowa posiada jednostkę NH3+, z wynikającą z tego szeroką, intensywną otoczką rozciągania NH+ widoczną na rysunku 3. Dla pierwszorzędowych soli aminowych, generalnie ta obwiednia mieści się w zakresie od 3200 do 2800. Wiemy już, że alkanowe rozciągnięcia C-H również mieszczą się w tym regionie (9). Jak to często bywa w spektroskopii IR (10), jeżeli szeroki pik i wąski pik wypadają w tym samym zakresie fal, wąski pik może być widoczny na wierzchu lub jako ramię szerszego piku. To dlatego rozciągnięcia CH2 grupy cykloheksylowej znajdują się na szczycie obwiedni rozciągnięcia NH+. Jak już wspomniano, istnieje seria overtone i pasm kombinacyjnych po prawej stronie obwiedni rozciągania NH3+. Cechy te są wspólne dla wszystkich widm soli aminowych i mieszczą się w zakresie od 2800 do 2000. Przypomnijmy, że kwasy karboksylowe mają podobną serię pasm overtonowych i kombinowanych w tym regionie, również spowodowanych skrajną polarnością tej grupy funkcyjnej (11).
Tabela I zawiera listę pozycji obwiedni rozciągania N-H dla trzech różnych typów soli aminowych. Zauważmy, że niektóre z nich nakładają się na siebie, szczególnie pomiędzy aminami pierwszo- i drugorzędowymi.
To oznacza, że pozycja otoczki rozciągającej NH+ nie zawsze ujawnia, czy sól aminowa jest pierwszo-, drugorzędowa czy trzeciorzędowa. Więc co mamy zrobić?
Na szczęście, jak wiele innych grup funkcyjnych, sole aminowe mają wiele cech IR, a te przychodzą tu na ratunek. Oprócz drgań rozciągających NH+, sole aminowe mają również drgania zginające NH+, jak również. W grupie NH3+ pierwszorzędowych soli aminowych występują dwa piki pochodzące od asymetrycznych i symetrycznych drgań zginających, oznaczone B i C na Rysunku 2. Ogólnie rzecz biorąc, wygięcie asymetryczne wypada w zakresie od 1625 do 1560, a symetryczne od 1550 do 1500. Co dziwne, piki te są niewielkie w ostrym kontraście do intensywnej otoczki rozciągającej NH+. Wszystko to jest spowodowane różnicą dµ/dx pomiędzy drganiami rozciągającymi i zginającymi grupy funkcyjnej soli aminowej.
Widma drugorzędowych soli aminowych
Widma drugorzędowych soli aminowych zawierają grupę NH2+. Widmo IR drugorzędowej soli aminowej, chlorowodorku dizopropyloaminy, jest widoczne na Rysunku 5.
Rysunek 5: Widmo absorpcyjne w podczerwieni drugorzędowej soli aminowej, chlorowodorku dizopropyloaminy.
Obwiednia rozciągania NH+ jest oznaczona jako A. Zauważ, że jest ona szeroka i silna, tak jak te widoczne na Rysunkach 3 i 4. Podobnie jak na Rysunku 3, również tutaj rozciąganie C-H wypada na szczycie otoczki rozciągania NH+. Posiada on również oczekiwane uzupełnienie pasm overtonowych i kombinacyjnych po swojej niższej stronie długości fali. Dla drugorzędowych soli aminowych w ogólności, ta obwiednia znajduje się od 3000 do 2700. Należy zauważyć, że obwiednie amin pierwszo- i drugorzędowych w pewnym stopniu się pokrywają. Jednakże, sole amin drugorzędowych mają tylko jedno pasmo zginania NH+ w porównaniu z solami amin pierwszorzędowych. Cecha ta zwykle mieści się w zakresie od 1620 do 1560 i jest oznaczona jako B na rysunku 5. Tak więc pozycja i liczba pasm zginania NH+ jest tym, co określa, czy próbka zawiera pierwszo- czy drugorzędową sól aminową.
Widma trzeciorzędowych soli aminowych
Trzecieciorzędowe sole aminowe zawierają grupę NH+, jak widać na Rysunku 1. Widmo IR trzeciorzędowej soli aminowej, chlorowodorku 2,2′,2”-trichloroetyloaminy, jest widoczne na rysunku 6.
Rysunek 6: Widmo absorpcyjne w podczerwieni trzeciorzędowej soli aminowej, chlorowodorku 2,2′,2”-trichloroetyloaminy.
Obwiednia rozciągania NH+ na rysunku 6 jest oznaczona jako A. Zauważmy, że jest ona niższa pod względem liczby falowej niż dla pierwszorzędowych i drugorzędowych soli aminowych, i że rozciągnięcia C-H opadają jako ramiona na lewo od piku obwiedni. Biorąc pod uwagę, że obwiednia rozciągania NH+ dla amin trzeciorzędowych wypada prostopadle w zakresie kombinacji overtonów od 2800 do 2000, piki te pojawiają się na szczycie i jako ramiona na prawo od obwiedni rozciągania NH+. Ogólnie rzecz biorąc, dla soli amin trzeciorzędowych, ta obwiednia mieści się w zakresie od 2700 do 2300. Wielkość, szerokość i położenie tego piku jest praktycznie unikalne w spektroskopii IR – w moim kilkudziesięcioletnim doświadczeniu, nigdy nie widziałem piku takiego jak ten (10). Tak więc, ten pik sam w sobie jest silnie wskazujący na obecność trzeciorzędowej soli aminowej w próbce. Sole amin trzeciorzędowych nie mają żadnych pików ugięcia NH+, więc brak pików od 1625 do 1500 może być również wykorzystany do odróżnienia soli amin trzeciorzędowych od soli pierwszorzędowych i drugorzędowych.
Przedyskutowaliśmy wcześniej, że aminy trzeciorzędowe nie mają silnych, unikalnych pików, a zatem są trudne do wykrycia za pomocą spektroskopii IR (12). Kontrastuje to z solami amin trzeciorzędowych, których obwiednia rozciągania NH+ wystaje jak obolały kciuk. Sposobem na wykrycie trzeciorzędowej aminy w próbce jest potraktowanie 1 mL ciekłej trzeciorzędowej aminy lub trzeciorzędowej aminy rozpuszczonej w rozpuszczalniku organicznym 1 mL 50:50 HCl w etanolu. Jeżeli obecna jest amina trzeciorzędowa, utworzy się sól aminowa, która wytrąci się z roztworu jako ciało stałe (12). Zebrać osad przez filtrację, osuszyć i zmierzyć jego widmo IR. Jeśli zobaczysz dużą, rozległą obwiednię rozciągania NH+ jak ta widoczna na Rysunku 6, twoja oryginalna próbka zawierała trzeciorzędową aminę.
Grupowe piki falowe dla soli aminowych są wymienione w Tabeli I.
Wnioski
Sole aminowe są wytwarzane przez reakcję amin z silnymi kwasami. Pierwszorzędowe sole aminowe zawierają grupę NH3+, drugorzędowe sole aminowe grupę NH2+, a trzeciorzędowe sole aminowe grupę NH+. Sole aminowe są ważne, ponieważ są one wykorzystywane do uczynienia substancji leczniczych rozpuszczalnych w wodzie, a tym samym bardziej biodostępnych.
Wszystkie sole aminowe zawierają intensywną, szeroką obwiednię rozciągania NH+, która jest raczej unikalną cechą w podczerwieni. Pozycja obwiedni pokrywa się dla pierwszo- i drugorzędowych soli aminowych, ale jest unikalna dla soli trzeciorzędowych. Pierwotne i drugorzędowe sole aminowe można rozróżnić na podstawie liczby i położenia pików zginania 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, jest założycielem i dyrektorem generalnym Big Sur Scientific, twórcą przenośnych analizatorów marihuany w średniej podczerwieni. Ma ponad 30 lat doświadczenia jako przemysłowy spektroskopista podczerwieni, opublikował wiele recenzowanych prac i napisał trzy książki na temat spektroskopii. Jako trener, pomógł tysiącom ludzi na całym świecie udoskonalić ich analizy w podczerwieni. Oprócz pisania dla Spectroscopy, dr Smith pisze regularną kolumnę dla siostrzanej publikacji Cannabis Science and Technology oraz zasiada w jej radzie redakcyjnej. Uzyskał tytuł doktora chemii fizycznej w Dartmouth College. Można się z nim skontaktować pod adresem: [email protected]
.