Figur 1: Reaktionen av en primär amin, en sekundär amin och en tertiär amin med saltsyra för att bilda ett primärt aminsalt, ett sekundärt aminsalt och ett tertiärt aminsalt.
Bemärk den ovanliga strukturen hos aminsalter som syns i figur 1. Det ensamma elektronparet på aminet reagerar med protonen från syran och bildar en ny N-H-bindning. Således protoneras den primära aminens NH2-grupp för att ge en NH3+-enhet, en sekundär amins N-H protoneras för att ge en funktionell NH2+-grupp och en tertiär amin protoneras för att ge en NH+-enhet. Som ett resultat av detta är aminsaltets funktionella grupp mycket polär, med en positiv laddning på kvävet som balanseras av den negativa laddningen från syrans anjon. I fallet med saltsyra är detta kloridjonen, Cl-.
Håll dig i minnet att i en klassisk syra-basreaktion kallas en av produkterna för ett salt (5). Till exempel ger reaktionen mellan HCl och NaOH bokstavligen salt (NaCl) och vatten. Reaktionerna i figur 1 är syra-basreaktioner, därav beteckningen av en av produkterna som ett aminsalt. Även om många starka syror kan användas för att bilda aminsalter, används saltsyra enligt mina observationer oftast. I detta fall är aminsaltet ett hydrokloridsalt, och namnet hydroklorid läggs till namnet på föreningen. Till exempel bildar reaktionen av metylamin med saltsyra metylaminhydroklorid.
Då vi har fullständiga positiva och negativa laddningar i aminsaltets funktionella grupp, har vi jonisk bindning istället för den kovalenta bindning som finns i aminer. I slutändan har vi två stora laddningar separerade med ett avstånd, vilket innebär att aminsalter har stora dipolmoment. Kom ihåg att en av de saker som bestämmer IR-toppens intensitet är dµ/dx, förändringen av dipolmomentet med avseende på avståndet under en vibration (6). Med tanke på att aminsalter har stora dipolmoment har deras vibrationer stora värden på dµ/dx, och därför har deras spektrum intensiva toppar, som vi kommer att se nedan.
Aminsalter är mycket viktiga inom läkemedelskemin, och ett stort antal lagliga (och olagliga) läkemedel innehåller den funktionella gruppen aminsalt. Anledningen till detta är vattenlöslighet; en vattenlöslig molekyl tas lättare upp av människokroppen och är mer biotillgänglig än en vattenolöslig molekyl. Många läkemedelssubstanser är stora organiska molekyler som tenderar att vara opolära och vattenolösliga. Dessutom innehåller många läkemedelssubstanser amingrupper. Genom att helt enkelt låta läkemedelsmolekylens aminfunktionella grupp reagera med en stark syra som HCl bildas aminsaltet, och föreningen blir vattenlöslig och därmed mer biotillgänglig.
Att kunna skilja aminer från aminsalter har till och med juridiska konsekvenser. Kokain finns i två former, aminsaltet hydroklorid och amin eller ”fri bas” med gatunamnet crack-kokain (7). I USA är innehav av dessa två olagliga substanser förenat med olika straff, eftersom crackversionen anses vara farligare. En av de viktigaste användningsområdena för Fouriertransform infrarödspektroskopi (FT-IR) i kriminaltekniska laboratorier är att skilja kokainhydroklorid från kokain. Lyckligtvis är detta enkelt, vilket framgår av figur 2, som visar en överlagring av IR-spektra för kokainbas och kokainhydroklorid.
Figur 2: En överlagring av de infraröda absorbansspektren för kokain och kokainhydroklorid.
Infrarödesspektrum för aminsalter
Översikt
Förutom intensiva toppar skulle vi förvänta oss att aminsalter också har breda toppar. Kom ihåg att i IR-spektra bestäms toppbredden av styrkan i den intermolekylära bindningen (6). Opolära funktionella grupper, som bensenringar, har smala toppar, medan molekyler som har starka intermolekylära bindningar, som vatten, som är vätebundet, har breda toppar (6). Aminsalter är mycket polära; deras molekyler interagerar starkt och ger mycket breda toppar. Detta syns i spektrumet av cyklohexylaminhydroklorid i figur 3.
Figur 3: Det infraröda absorbansspektrumet av cyklohexylaminhydroklorid.
Den höga och breda funktionen med beteckningen A centrerad nära 3 000 cm-1 (fortsättningsvis ska man utgå från att alla toppositioner som anges är i cm-1-enheter, även om det inte uttryckligen anges) är ett absorptionshölje som beror på NH3+-gruppens sträckningsvibrationer. Alla aminsaltspektra uppvisar ett brett hölje, som det som syns i figur 3, som vi generiskt kommer att kalla ”NH+-sträckningshöljet”. Detta drag är tillräckligt brett, intensivt och uppträder på en tillräckligt ovanlig plats för att i sig självt kunna indikera närvaron av ett aminsalt i ett prov. Läget för detta kuvert varierar med typen av aminsalt, vilket diskuteras nedan.
Den högra sidan av detta kuvert har överlagrat ett antal toppar som beror på överton- och kombinationsband. Kom ihåg att överton- och kombinationsfunktioner vanligtvis är svaga (8). När det gäller aminsalter innebär dock deras höga polaritet att dµ/dx-värdena för dessa överton- och kombinationsvibrationer är tillräckligt stora för att dessa toppar lätt ska kunna uppträda i aminsalters spektrum.
En anmärkning om spektren för anjoner i aminsalter: För hydrokloridsalter, där anjonen är klorid- eller Cl-jonen, faller på grund av dess massa toppar från vibrationer som involverar denna jon i allmänhet under 400, där de flesta FT-IR-spektra skär av. Aminsalter som tillverkas av syror med polyatomära anjoner, t.ex. svavelsyra, uppvisar dock anjontoppar i det mellersta IR-området. Detta illustreras av spektrumet av d-amfetaminsulfat, som tillverkas genom att amfetamin reagerar med svavelsyra, och vars spektrum ses i figur 4.
Figur 4: Det infraröda absorbansspektrumet av d-amfetaminsulfat.
Den breda kuvertet centrerat runt 1050 beror på sträckningen av bindningarna i SO4-2 enheten. Det ännu bredare höljet som sträcker sig från 3500 till 2000 är NH+-sträckningshöljet.
Primärt aminsaltspektrum
Ett primärt aminsalt har NH3+-enheten, med det resulterande breda intensiva NH+-sträckningshöljet som syns i figur 3. För primära aminsalter faller detta kuvert i allmänhet från 3200 till 2800. Vi vet redan att alkans C-H-sträckningar också ligger i detta område (9). Som vanligt vid IR-spektroskopi (10), om en bred topp och en smal topp faller i samma vågtalsområde, kan den smala toppen ses ovanpå eller som en axel på den bredare toppen. Detta är anledningen till att cyklohexylgruppens CH2-sträckningar sitter ovanpå NH+-sträckningshöljet. Som redan nämnts finns det en rad överton- och kombinationsband till höger om NH3+-sträckningshöljet. Dessa egenskaper är gemensamma för alla aminsaltspektra och ligger i intervallet 2800-2000. Minns att karboxylsyror har en liknande serie överton- och kombinationsband i detta område, vilket också orsakas av den extrema polariteten hos denna funktionella grupp (11).
Tabell I listar positionerna för N-H-sträckningshöljet för de tre olika typerna av aminsalter. Observera att det finns en viss överlappning, särskilt mellan primära och sekundära aminer.
Detta innebär att positionen för NH+-sträckningshöljet inte alltid avslöjar om ett aminsalt är primärt, sekundärt eller tertiärt. Så vad ska vi göra?
Turligtvis har aminsalter, liksom många andra funktionella grupper, flera IR-egenskaper, och dessa kommer till undsättning här. Förutom NH+-sträckningsvibrationer har aminsalter också NH+-böjningsvibrationer. NH3+-grupperingen av primära aminsalter har två toppar från de asymmetriska och symmetriska böjningsvibrationerna, märkta B och C i figur 2. I allmänhet faller den asymmetriska böjningen från 1625 till 1560 och den symmetriska böjningen från 1550 till 1500. Märkligt nog är dessa toppar små i skarp kontrast till det intensiva NH+ sträckningsomslaget. Allt detta beror på skillnaden i dµ/dx mellan den funktionella aminsaltgruppens sträcknings- och böjningsvibrationer.
Sekundära aminsaltspektrum
Sekundära aminsalter innehåller NH2+-gruppen. IR-spektrumet för ett sekundärt aminsalt, diisopropylaminhydroklorid, ses i figur 5.
Figur 5: Det infraröda absorbansspektrumet för ett sekundärt aminsalt, disopropylaminhydroklorid.
NHN+-sträckningshöljet är märkt med A. Observera att det är brett och starkt, precis som de som ses i figurerna 3 och 4. Liksom i figur 3 faller C-H-sträckningarna här också ovanpå NH+-sträckningshöljet. Den har också det förväntade komplementet av överton- och kombinationsband på sin sida med lägre vågtal. För sekundära aminsalter i allmänhet finns detta kuvert från 3000 till 2700. Observera att det finns en viss överlappning mellan de primära och sekundära aminerna. Sekundära aminsalter har dock bara ett NH+-böjningsband jämfört med primära aminsalter. Detta inslag faller vanligtvis från 1620 till 1560 och är märkt med B i figur 5. Det är alltså positionen och antalet NH+-böjningsband som avgör om ett prov innehåller ett primärt eller sekundärt aminsalt.
Tertiära aminsaltspektrum
Tertiära aminsalter innehåller NH+-gruppen, vilket framgår av figur 1. IR-spektrumet för ett tertiärt aminsalt, 2,2′,2”-trikloretylaminhydroklorid, ses i figur 6.
Figur 6: Det infraröda absorptionsspektrumet för ett tertiärt aminsalt, 2,2′,2”-trikloretylaminhydroklorid.
NH+-sträckningen i figur 6 är markerad med A. Observera att den är lägre i vågtal än för primära och sekundära aminsalter, och att C-H-sträckningarna faller som axlar till vänster om kuvertets topp. Med tanke på att NH+-sträckningshöljet för tertiära aminer faller rakt in i övertons-kombinationsområdet från 2800 till 2000, visas dessa toppar ovanpå och som axlar till höger om NH+-sträckningshöljet. I allmänhet för tertiära aminsalter faller detta kuvert från 2700 till 2300. Storleken, bredden och placeringen av denna topp är praktiskt taget unik inom IR-spektroskopi – under mina årtionden av erfarenhet har jag aldrig sett en sådan topp (10). Således är denna topp i sig själv en stark indikation på att det finns ett tertiärt aminsalt i ett prov. Tertiära aminsalter har inga NH+-böjningstoppar, så avsaknaden av toppar från 1625 till 1500 kan också användas för att skilja tertiära aminsalter från primära och sekundära salter.
Vi har tidigare diskuterat att tertiära aminer inte har några starka, unika toppar och därför är svåra att upptäcka med hjälp av IR-spektroskopi (12). Detta står i kontrast till tertiära aminsalter, vars NH+ -sträckningshölje sticker ut som en öm tumme. Ett sätt att upptäcka en tertiär amin i ett prov är att behandla 1 mL flytande tertiär amin, eller tertiär amin löst i ett organiskt lösningsmedel, med 1 mL 50:50 HCl i etanol. Om det finns en tertiär amin närvarande kommer aminsaltet att bildas och fällas ut som ett fast ämne från lösningen (12). Samla upp utfällningen genom filtrering, torka den och mät dess IR-spektrum. Om du ser ett stort, jättestort NH+-sträckningshölje som det som syns i figur 6, innehöll ditt ursprungliga prov en tertiär amin.
Gruppens vågtalstoppar för aminsalter anges i tabell I.
Slutsatser
Aminsalter framställs genom att aminer reagerar med starka syror. Primära aminsalter innehåller NH3+-gruppen, sekundära aminsalter NH2+-gruppen och tertiära aminsalter NH+-gruppen. Aminsalter är viktiga eftersom de används för att göra läkemedelssubstanser vattenlösliga och därmed mer biotillgängliga.
Alla aminsalter innehåller ett intensivt, brett NH+-sträckningshölje som är en ganska unik infraröd egenskap. Kuvertpositionen överlappar för primära och sekundära aminsalter, men är unik för tertiära salter. Primära och sekundära aminsalter kan särskiljas genom antalet och positionen av NH+-böjningstopparna.
(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, är grundare och vd för Big Sur Scientific, en tillverkare av bärbara cannabisanalysatorer för mitt-infrarödt ljus. Han har över 30 års erfarenhet som industriell infraröd spektroskopist, har publicerat många peer reviewed artiklar och har skrivit tre böcker om spektroskopi. Som utbildare har han hjälpt tusentals människor runt om i världen att förbättra sina infraröda analyser. Förutom att skriva för Spectroscopy skriver Dr. Smith en regelbunden kolumn för systerpublikationen Cannabis Science and Technology och sitter med i dess redaktionsråd. Han disputerade i fysikalisk kemi vid Dartmouth College. Han kan nås på följande adress: [email protected]