Figura 1: Reacția unei amine primare, a unei amine secundare și a unei amine terțiare cu acidul clorhidric pentru a forma o sare de amină primară, o sare de amină secundară și o sare de amină terțiară.
Rețineți structura neobișnuită a sărurilor de amină observată în figura 1. Perechea solitară de electroni de pe amină reacționează cu protonul din acid, formând o nouă legătură N-H. Astfel, gruparea NH2 a aminei primare este protonată pentru a da o unitate NH3+, o amină secundară N-H este protonată pentru a da o grupare funcțională NH2+, iar o amină terțiară este protonată pentru a da o unitate NH+. Ca urmare, gruparea funcțională sare de amină este foarte polară, cu o sarcină pozitivă pe azot care este echilibrată de sarcina negativă a anionului acidului. În cazul acidului clorhidric, acesta este ionul clorură, Cl-.
Reamintim că, într-o reacție acido-bazică clasică, unul dintre produși se numește sare (5). De exemplu, reacția dintre HCl și NaOH dă literalmente sare (NaCl) și apă. Reacțiile din figura 1 sunt reacții acido-bazice, de unde și denumirea unuia dintre produși ca fiind o sare de amină. Deși mulți acizi puternici pot fi utilizați pentru a forma săruri de amină, din observațiile mele, acidul clorhidric este cel mai frecvent utilizat. În acest caz, sarea de amină este o sare de clorhidrat, iar la denumirea compusului se adaugă denumirea de clorhidrat. De exemplu, reacția metilaminei cu acidul clorhidric formează clorhidrat de metilamină.
Pentru că avem sarcini pozitive și negative complete în grupul funcțional al sării de amină, avem o legătură ionică în loc de legătura covalentă întâlnită în amine. În cele din urmă, avem două sarcini mari separate de o distanță, ceea ce înseamnă că sărurile de amină au momente dipolare mari. Reamintim că unul dintre elementele care determină intensitatea vârfului IR este dµ/dx, modificarea momentului de dipol în raport cu distanța în timpul unei vibrații (6). Având în vedere că sărurile de amină au momente dipolare mari, vibrațiile lor au valori mari ale lui dµ/dx și, prin urmare, spectrele lor au vârfuri intense, după cum vom vedea mai jos.
Sărurile de amină sunt foarte importante în chimia medicamentelor și orice număr de medicamente legale (și ilegale) conțin grupul funcțional sare de amină. Motivul pentru aceasta este solubilitatea în apă; o moleculă solubilă în apă este mai ușor de asimilat de către corpul uman și este mai biodisponibilă decât o moleculă insolubilă în apă. Multe substanțe medicamentoase sunt molecule organice mari, care tind să fie nepolare și insolubile în apă. În plus, multe substanțe medicamentoase conțin grupe amină. Prin simpla reacție a grupei funcționale amină a moleculei de medicament cu un acid puternic, cum ar fi HCl, se formează sarea de amină, iar compusul devine solubil în apă și, prin urmare, mai biodisponibil.
Să fim capabili să distingem aminele de sărurile de amină are chiar și implicații juridice. Cocaina se găsește sub două forme, sarea de clorhidrat de amină și amina sau „baza liberă”, cu numele de stradă crack cocaina (7). În Statele Unite, posesia acestor două substanțe ilicite atrage sancțiuni diferite, deoarece versiunea crack este considerată mai periculoasă. Una dintre cele mai importante utilizări ale spectroscopiei în infraroșu cu transformată Fourier (FT-IR) în laboratoarele de criminalistică este distingerea clorhidratului de cocaină de cocaină. Din fericire, acest lucru este ușor, după cum se poate vedea în figura 2, care prezintă o suprapunere a spectrelor IR ale cocainei bază și ale cocainei HCl.
Figura 2: O suprapunere a spectrelor de absorbție în infraroșu ale cocainei și ale cocainei HCl.
Spectrele IR ale sărurilor de amină
Spectrele IR ale sărurilor de amină
În plus față de vârfurile intense, ne-am aștepta ca sărurile de amină să aibă și vârfuri largi. Reamintim că, în spectrele IR, lățimea vârfurilor este determinată de intensitatea legăturii intermoleculare (6). Grupurile funcționale nepolare, cum ar fi inelele benzenice, au vârfuri înguste, în timp ce moleculele care au legături intermoleculare puternice, cum ar fi apa, care este legată de hidrogen, au vârfuri largi (6). Sărurile de amine sunt foarte polare; moleculele lor interacționează puternic, producând vârfuri foarte largi. Acest lucru se poate observa în spectrul clorhidratului de ciclohexilamină din figura 3.
Figura 3: Spectrul de absorbție în infraroșu al clorhidratului de ciclohexilamină.
Funcția înaltă și lată etichetată A centrată în apropiere de 3000 cm-1 (în continuare, să presupunem că toate pozițiile vârfurilor enumerate sunt în unități de cm-1, chiar dacă nu este specificat în mod expres) este un înveliș de absorbție datorat vibrațiilor de întindere ale grupului NH3+. Toate spectrele sărurilor de amină prezintă un plic larg, precum cel observat în figura 3, pe care îl vom numi generic „plicul de întindere NH+”. Această caracteristică este suficient de largă, suficient de intensă și apare într-o poziție suficient de neobișnuită încât, prin ea însăși, poate indica prezența unei săruri de amină într-o probă. Poziția acestui înveliș variază în funcție de tipul de sare de amină, după cum se va discuta mai jos.
În partea dreaptă a acestui înveliș sunt suprapuse o serie de vârfuri care se datorează benzilor de supraton și de combinație. Reamintim că trăsăturile de supraton și de combinație sunt de obicei slabe (8). Cu toate acestea, în cazul sărurilor de amină, polaritatea lor ridicată înseamnă că valorile dµ/dx pentru aceste vibrații de supraton și de combinație sunt suficient de mari pentru ca aceste vârfuri să apară cu ușurință în spectrele sărurilor de amină.
O notă privind spectrele anionilor din sărurile de amină: Pentru sărurile de clorhidrat, unde anionul este ionul clorură sau Cl-, datorită masei sale, vârfurile vibrațiilor care implică acest ion scad în general sub 400, unde majoritatea spectrelor FT-IR se taie. Cu toate acestea, sărurile de amine obținute din acizi cu anioni poliatomici, cum ar fi acidul sulfuric, prezintă vârfuri ale anionilor în regiunea IR mediu. Acest lucru este ilustrat de spectrul sulfatului de d-amfetamină, care se obține prin reacția amfetaminei cu acid sulfuric și al cărui spectru se vede în figura 4.
Figura 4: Spectrul de absorbție în infraroșu al sulfatului de d-amfetamină.
Învelișul larg centrat în jurul valorii de 1050 se datorează întinderii legăturilor din unitatea SO4-2. Învelișul și mai larg care se întinde de la 3500 la 2000 este învelișul de întindere NH+.
Spectrele sărurilor de amine primare
O sare de amină primară prezintă unitatea NH3+, cu învelișul larg și intens de întindere NH+ care rezultă, așa cum se vede în figura 3. Pentru sărurile de amine primare, în general, acest plic se încadrează între 3200 și 2800. Știm deja că și întinderile C-H ale alcanilor se încadrează în această regiune (9). Așa cum se întâmplă frecvent în spectroscopia IR (10), dacă un vârf larg și un vârf îngust se încadrează în același interval de numere de undă, vârful îngust poate fi văzut deasupra sau ca un umăr al vârfului mai larg. Acesta este motivul pentru care întinderile CH2 ale grupului ciclohexil se află deasupra învelișului de întindere NH+. După cum s-a menționat deja, există o serie de benzi de supratonalitate și de combinație în partea dreaptă a plicului de întindere NH3+. Aceste caracteristici sunt comune pentru toate spectrele sărurilor de amină și se încadrează în intervalul de la 2800 la 2000. Reamintim că acizii carboxilici au o serie similară de benzi supratonale și de combinație în această regiune, cauzate, de asemenea, de polaritatea extremă a acestui grup funcțional (11).
Tabelul I enumeră pozițiile învelișului de întindere N-H pentru cele trei tipuri diferite de săruri de amină. Rețineți că există o oarecare suprapunere, în special între aminele primare și secundare.
Aceasta înseamnă că poziția învelișului de întindere NH+ nu va dezvălui întotdeauna dacă o sare de amină este primară, secundară sau terțiară. Deci, ce trebuie să facem?
Din fericire, ca multe alte grupe funcționale, sărurile de amine au mai multe caracteristici IR, iar acestea vin în ajutor aici. În plus față de vibrațiile de întindere NH+, sărurile de amină au și vibrații de flexiune NH+. Gruparea NH3+ a sărurilor primare de amină prezintă două vârfuri de la vibrațiile de încovoiere asimetrică și simetrică, etichetate B și C în figura 2. În general, curbura asimetrică se încadrează între 1625 și 1560, iar cea simetrică între 1550 și 1500. În mod ciudat, aceste vârfuri sunt mici, în contrast puternic cu învelișul intens de întindere NH+. Toate acestea se datorează diferenței de dµ/dx dintre vibrațiile de întindere și de încovoiere ale grupului funcțional al sării de amină.
Spectrele sărurilor de amină secundară
Sărurile de amină secundară conțin grupul NH2+. Spectrul IR al unei săruri de amină secundară, clorhidratul de diizopropilamină, se vede în figura 5.
Figura 5: Spectrul de absorbție în infraroșu al unei săruri de amină secundară, clorhidratul de disopropilamină.
Învelișul de întindere NH+ este etichetat A. Observați că este larg și puternic, ca cele observate în figurile 3 și 4. La fel ca în figura 3, întinderile C-H de aici cad, de asemenea, deasupra învelișului de întindere NH+. Are, de asemenea, completarea așteptată a benzilor de supraton și de combinație pe partea sa de număr de undă inferior. Pentru sărurile de amine secundare în general, acest plic se găsește între 3000 și 2700. Rețineți că există o oarecare suprapunere între plicurile aminelor primare și secundare. Cu toate acestea, sărurile aminei secundare au doar o bandă de flexiune NH+ în comparație cu sărurile aminei primare. Această caracteristică se încadrează de obicei între 1620 și 1560 și este etichetată B în figura 5. Astfel, poziția și numărul benzilor de curbură NH+ este ceea ce determină dacă un eșantion conține o sare de amină primară sau secundară.
Spectrele sărurilor de amine terțiare
Sărurile de amine terțiare conțin grupul NH+, așa cum se vede în figura 1. Spectrul în infraroșu al unei săruri de amină terțiară, clorhidratul de 2,2′,2”-tricloretilamină, se vede în figura 6.
Figura 6: Spectrul de absorbție în infraroșu al unei săruri de amină terțiară, clorhidratul de 2,2′,2”-tricloretilamină.
Învelișul întinderii NH+ din figura 6 este etichetat A. Observați că are un număr de undă mai mic decât în cazul sărurilor de amine primare și secundare și că întinderile C-H cad ca umeri la stânga vârfului învelișului. Având în vedere că învelișul de întindere NH+ pentru aminele terțiare se încadrează perfect în intervalul de supratonalitate-combinare de la 2800 la 2000, aceste vârfuri apar deasupra și ca umeri în dreapta învelișului de întindere NH+. În general, pentru sărurile de amine terțiare, acest plic se încadrează între 2700 și 2300. Dimensiunea, lățimea și poziția acestui vârf sunt practic unice în spectroscopia IR – în deceniile mele de experiență, nu am văzut niciodată un vârf ca acesta (10). Prin urmare, acest vârf, prin el însuși, este un indiciu puternic al existenței unei săruri de amină terțiară într-un eșantion. Sărurile de amine terțiare nu au niciun vârf de curbură NH+, astfel încât lipsa vârfurilor de la 1625 la 1500 poate fi, de asemenea, utilizată pentru a distinge sărurile de amine terțiare de sărurile primare și secundare.
Am discutat anterior despre faptul că aminele terțiare nu au niciun vârf puternic, unic și, prin urmare, sunt dificil de detectat cu ajutorul spectroscopiei IR (12). Acest lucru contrastează cu sărurile de amine terțiare, al căror înveliș de întindere NH+ iese în evidență ca un deget mare. Prin urmare, o modalitate de a detecta o amină terțiară într-o probă este de a trata 1 ml de amină terțiară lichidă sau de amină terțiară dizolvată într-un solvent organic cu 1 ml de HCl 50:50 în etanol. Dacă este prezentă o amină terțiară, sarea aminei se va forma și va precipita sub formă de solid din soluție (12). Se colectează precipitatul prin filtrare, se usucă și se măsoară spectrul său IR. Dacă vedeți un înveliș mare și uriaș de întindere NH+ ca cel din figura 6, proba originală conținea o amină terțiară.
Picurile numerelor de undă de grup pentru sărurile de amină sunt enumerate în tabelul I.
Concluzii
Sărurile de amină se obțin prin reacția aminelor cu acizi puternici. Sărurile de amine primare conțin grupa NH3+, sărurile de amine secundare grupa NH2+, iar sărurile de amine terțiare grupa NH+. Sărurile de amină sunt importante, deoarece sunt folosite pentru a face substanțele medicamentoase solubile în apă și, prin urmare, mai biodisponibile.
Toate sărurile de amină conțin o întindere intensă și largă a întinderii NH+, care este o caracteristică destul de unică în infraroșu. Poziția învelișului se suprapune pentru sărurile aminei primare și secundare, dar este unică pentru sărurile terțiare. Sărurile de amine primare și secundare pot fi distinse prin numărul și poziția vârfurilor de încovoiere 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, Spectroscopy33(3), 16-20 (2018).
(13) B.C. Smith, Spectroscopy33(1), 14-20 (2018). Smith, Spectroscopy31(11), 28-34 (2016).
(14) B.C. Smith, Spectroscopy31(5), 36-39 (2016).
Brian C. Smith, PhD, este fondator și CEO al Big Sur Scientific, un producător de analizoare portabile de canabis în infraroșu mediu. El are peste 30 de ani de experiență ca spectroscopist industrial în infraroșu, a publicat numeroase lucrări evaluate de colegi și a scris trei cărți despre spectroscopie. În calitate de formator, a ajutat mii de persoane din întreaga lume să-și îmbunătățească analizele în infraroșu. Pe lângă faptul că scrie pentru Spectroscopy, Dr. Smith scrie o rubrică regulată pentru publicația sa soră Cannabis Science and Technology și face parte din consiliul editorial al acesteia. Și-a obținut doctoratul în chimie fizică la Dartmouth College. Poate fi contactat la: [email protected]