Изучение стереохимии ионно-молекулярных реакций конформационно-жестких N-гетероциклических и карбоциклических спиртов и их производных в условиях химической ионизации

Актуальность темы

Масс-спектрометрия является чрезвычайно бурно развивающимся инструментальным методом идентификации, изучения и определения органических веществ, и можно сказать, что сейчас в этих вопросах она занимает лидирующее место среди других спектральных методов анализа. Это обусловлено, главным образом, внедрением новых методов ионизации (десорбционных) и анализа ионов (времяпролетные анализаторы, масс-спектрометры с Фурье-преобразованием), обеспечившего исследование труднолетучих и высокомолекулярных соединений. Вместе с тем, традиционные методы масс-спектрометрии, включающие ионизацию молекул в газовой фазе (электронная и химическая ионизация, фотоионизация) остаются незаменимыми при определении сравнительно низкомолекулярных и летучих соединений. Дело в том, что эти методы обеспечивают высокую чувствительность, а при комбинации с газовой хроматографией — селективный покомпонентный анализ сложных органических смесей. Поэтому разработка новых методологических принципов для различных исследований органических соединений с применением указанных ионизационных методов продолжает оставаться задачей весьма актуальной.

Особыми достоинствами обладает масс-спектрометрия с химической ионизацией, позволяющая регистрировать высокоинтенсивные пики катионизированных молекул и, тем самым, уверенно определять их молекулярную массу. Не менее интересным является ее применение для изучения стереоизомерии органических молекул. В литературе можно найти значительное число работ, посвященных этому вопросу, однако большинство из них рассматривает полифункциональные соединения, где стереохимические эффекты обусловлены различной способностью диастереомеров связывать катион (чаще всего протон) за счет двух функциональных групп. Вместе с тем, практически не исследованы стереоизомеры с конформационно-закрепленными системами, содержащие пространственно сильно разделенные функциональные группы, в результате чего внутримолекулярное связывание ими катиона затруднено или совсем невозможно. Соответственно совершенно не выяснены причины, обусловливающие стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций таких соединений в плазме газа-реагента при химической ионизации.

Одними из наиболее распространенных объектов органического синтеза и компонентов различных биологических матриц являются циклические спирты. Важной задачей при исследовании их структуры является определение конфигурации центра, несущего гидроксил. Эта проблема особенно остро встает при исследовании третичных спиртов, где порой даже такой высокоинформативный метод как спектроскопия ЯМР не позволяет получить однозначных выводов. В этой связи особенно актуальной является разработка масс-спектрометрического метода, в отличие от других спектральных методов обладающего исключительно высокой чувствительностью, селективностью и в комбинации с хроматографией позволяющего исследовать спирты в составе сложных смесей. В литературе можно встретить много работ, в которых для решения стереохимических вопросов в ряду спиртов успешно применялась масс-спектрометрия с электронной ионизацией. Вместе с тем, большим потенциалом обладает и масс-спектрометрия с химической ионизацией, которая сохраняет указанные характеристики метода. Поэтому весьма актуальной является разработка на ее базе эффективных методик для определения конфигурации конформационно-закрепленных циклических спиртов, содержащих дополнительные удаленные функциональные группы, способные присоединять катион (протон).

Еще одно обстоятельство определяет актуальность и важность исследования диастереомерных спиртов методом масс-спектрометрии с химической ионизацией. Этот метод фактически моделирует первичные каталитические акты реакций, протекающих в присутствии кислот Льюиса и.

Бренстеда. Хотя в данном случае взаимодействие реагирующих частиц происходит в идеальных газофазных условиях, метод позволяет получать новую информацию о механизмах названных реакций в растворах.

Работа выполнена на кафедре органической химии Российского Университета дружбы народов и экспериментальной базе Института нефтехимического синтеза им. А. В Топчиева РАН, в соответствии с планом НИР Университета Дружбы народов проводимых по тематическому плану (шифр темы 21 401−1-075, номер гос. регистрации 01.02.00 105 248), поддержана грантом ШТАБ У8Р-257/02.

Цели и задачи исследования. Конечной целью исследования явилась разработка высокочувствительных и экспрессных методов определения конфигурации вторичных и третичных гетерои карбоциклических спиртов с закрепленной конформацией и с дополнительными функциональными группами в составе сложных смесей на основе газохроматографии/масс-спектрометрии с химической ионизацией. Учитывая тот факт, что при анализе спиртов хроматомасс-спектрометрическим методом их обычно переводят в менее полярные и, следовательно, более летучие и хроматографически лучше разделяемые производные, особый упор в работе сделан на исследовании стереоизомерных эффектов в масс-спектрах химической ионизации таких производных.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие научные задачи: изучить масс-спектры химической ионизации (газы-реагенты изобутан и метан) диастереомерных третичных спиртов ряда транс-декагидрохинолола-4, андростанолов-12, эстранолов-17 и Б-гомоэстранолов-17а, а также силильных и перфторацильных производных вторичных спиртов, относящихся к ряду замещенных конформационно-закрепленных пиперидолов-4- синтезировать вторичные спирты ряда пиперидола-4, разработать газохроматографический способ разделения их стереоизомеров в виде силильных и ацильных производных и установить их конфигурацию;

— исследовать конкуренцию протонирования гидроксильной и удаленных дополнительных функциональных групп с высоким сродством к протону и установить стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций указанных спиртов и их производных в плазме протонирующих газов-реагентов;

— разработать микрометоды синтеза силильных производных (с помощью 1Ч, 0-бис (триметилсилил)трифторацетамида), диметил (изопропил) — и диметил (аллил)силилхлорида) и ацильных производных (с помощью перфторацилхлоридов) изученных диастереомерных спиртовизучить стереоизомерные эффекты в масс-спектрах химической ионизации некоторых силильных и ацильных производных названных спиртовизучить особенности распада протонированных молекул спиртов и некоторых их производных при активации столкновением в зависимости от конфигурации гидроксил (триметилсилиокси)-содержащего центрапроанализировать возможные причины, которые могут потенциально определять стереоспецифичность исследованных ионно-молекулярных реакций, и предложить рациональное объяснение наблюдаемых стереоизомерных эффектов в масс-спектрахизучить газохроматографические характеристики исследованных диастереомеров и их производных для выяснения возможностей анализа их смесей методом газохроматографии/масс-спектрометрии.

Научная новизна. Впервые проведено систематическое исследование стереоизомерных вторичных и третичных 1Ч-гетерои карбоциклических спиртов с закрепленной конформацией (замещенные транс-декагидрохинололы-4, пиперидолы-4 с закрепляющими конформацию заместителями, стероидные спирты ряда андростанола-12, эстранола-17, Б-гомоэстранола-17а) и некоторых их триалкилсилильных (триметил, аллилдиметил, изопропилдиметил) и ацетатов и перфторацильных производных (всего около 127 соединений) методом масс-спектрометрии с химической ионизацией в присутствии протонодонорных газов-реагентов изобутана и метана.

Показано, что в масс-спектрах химической ионизации гетероциклических спиртов основные пики отвечают ионам [МН]+ и [МН-Н20]+, соотношение интенсивностей которых определяется вероятностью протонирования по гидроксильной группе и атому азота в цикле. В то же время оно сильно зависит от конфигурации субстрата: пик иона [МН-Н20]+ всегда более интенсивен для эпимеров с экваториальной ОН-группой. В случае карбоциклических спиртов из серии стероидных 17- и 17а-олов (транс-сочценеше колец C/D) наблюдается обратная картина: дегидратация протонированных молекул протекает легче у спиртов с аксиальным гидроксилом. Все эти различия в легкости отщепления триметилсиланола и соответствующей кислоты из ионов [МН]+ наблюдаются и в случае триметилсилиловых эфиров и ацильных производных спиртов, соответственно. Наблюдаемые закономерности имеют общий характер и не зависят от природы других углеродсодержащих заместителей в молекулах.

Методом МС/МС установлено, что при столкновении ионов [МН]+ с атомами аргона практически не происходит их существенного распада, что свидетельствует об отсутствии заметного внутримолекулярного связывания протона удаленными функциональными группами (спиртовой и аминной).

Для объяснения наблюдаемых стереоизомерных эффектов в масс-спектрах химической ионизации исследованных спиртов и их производных впервые предложена концепция, основанная на учете роли пространственных препятствий при взаимодействии с протонно-донорными катионами плазмы {трет-бутильный, метониевый) и различной вероятности протонирования гидроксильной группы в зависимости от ее пространственной ориентации.

В ходе работы восстановлением соответствующих пиперидонов-4 синтезированы вторичные спирты ряда пиперидола-4, которые аналитически.

разделены на диастереомеры методом газохроматографии в виде синильных и ацильных производных. Конфигурация разделенных таким образом стереоизомеров установлена на основании времен удерживания и различий в скорости реакций блокирования ОН-группы в зависимости от ее ориентации.

Практическая значимость. Совокупность экспериментальных данных и теоретических рассмотрений позволяет предложить новые эффективные масс-спектрометрические методики на базе химической ионизации для определения конфигурации вторичных и третичных карбои гетероциклических спиртов с конформациокно-жесткими системами, имеющих дополнительные протоноакцепторные функциональные группы. В комбинации с газовой хроматографией эти методики (включающие использование разных газов-реагентов, получение более летучих и хроматографически мобильных силильных и ацильных производных) позволяют исследовать смеси диастереомерных циклических спиртов, получаемых синтетическим путем или выделяемых из природных объектов.

На защиту выносятся следующие положения:

— масс-спектры химической ионизации (газы-реагенты изобутан и метан) стереоизомерных вторичных и третичных спиртов ряда транс-декагидрохинолола, андростанола-12, эстранола-17 и Б-гомоэстранола-17а, ацетатов последних, триметилсилиловых эфиров и перфторацильных производных замещенных пиперидолов-4- концепция о влиянии пространственных факторов на стереоспецифичность протонирования гидроксильной группы циклических спиртов в плазме протонирующих газов реагентов (изобутан, метан) при химической ионизации;

— новые методики определения конфигурации и исследования гетерои карбоциклических спиртов с конформационно-закрепленными системами и дополнительными функциональными группами в составе смесей в свободном состоянии или в виде силильных и ацильных производных на основе газохроматографии/масс-спектрометрии с химической ионизацией.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 49-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (27−31 мая 2001 г., Чикаго, Иллинойс, США), 50-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (2−6 июня 2002 г., Орландо, Флорида, США), 1-й школе-семинаре «Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии» (25−26 апреля 2002 г., Звенигород, Россия), 51-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (8−12 июня 2003 г., Монреаль, Канада), 16-й Международной масс-спектрометрической конференции (31 августа-5 сентября 2003 г., Эдинбург, Великобритания).

Публикации. По материалам работы опубликовано 3 статьи и 4 тезиса докладов на конференциях.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, экспериментальной части, трех глав обсуждения результатов, выводов и списка цитированной литературы.

Выводы.

1. В результате анализа масс-спектров ХИ (газы-реагенты изобутан и метан) серии И-гетерои карбоциклических спиртов и некоторых их производных с конформационно-закрепленной системой (третичные спирты ряда трянс-декагидрохинолола-4, ацильные и силильные производные вторичных спиртов ряда пиперидола-4, третичные спирты ряда Б-гомоэстратетраенола-17а и эстратриенола-17, их ацетаты и силильные производные) впервые высказано и экспериментально обосновано предположение, что стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций таких соединений с протонирующими катионами в плазме газа-реагента обусловлена преимущественно пространственными факторами, контролирующими подход объемного катиона к кислородсодержащей группе.

2. Показано, что в масс-спектрах ХИ замещенных в положениях 1 и/или 2 и 4 трянс-декагидрохинололов-4 отношение интенсивностей пиков ионов [МН-Н20]7[МН]+ всегда выше для спиртов с экваториальной ОН-группой по сравнению с их аксиальными эпимерами и не зависит от природы газа-реагента. Причиной этому может быть затрудненность протонирования аксиальной ОН-группы, вызванная наличием аксиальных Н-атомов в положениях 3, и, как следствие, кажущаяся затрудненность элиминирования воды из их протонированных молекул.

3. Аналогичная стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций обнаружена в случае триметилсилиловых эфиров и перфторацильных производных пиперидолов-4, конформация которых закреплена арильными заместителями: проявляющаяся в масс-спектрах химической ионизации большая легкость отщепления триметилсиланола или соответствующей кислоты из ионов [МН]+ также характерна для производных с экваториальными кислородсодержащими заместителями.

4. Установлено, что в ряду карбоциклических спиртов, относящихся к группе эстратриенолов-17 и 0-гомоэстратетраенолов-17а, более легкое элиминирование воды из протонированных молекул характерно для соединений с аксиальным (псевдоаксиальным) гидроксилом. На основании квантово-химических расчетов бициклических спиртов, моделирующих систему колец C/D в изученных стероидах, высказано предположение, что наблюдаемая обратная стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций обусловлена наличием в стероидных молекулах ангулярной 18-метильной группы, создающих препятствия для подхода протонирующего катиона к экваториальному гидроксилу.

5. Исходя из замещенных пиперидонов-4 синтезированы соответствующие вторичные спирты. Разработаны микрометоды синтеза силильных и ацильных производных вторичных и третичных спиртов для исследования методом ГХ/МС. Показано, что в отличие от свободных спиртов эпимеры таких производных хорошо разделяются в неполярных колонках для ГХих конфигурация установлена на основании времен удерживания и скоростей реакций силилирования и ацилирования.

6. Показано, что метод ГХ/ХИ-МС может быть использован для определения конфигурации в составе смесей вторичных и третичных карбоциклических и N-гетероциклических спиртов с жесткой конформацией и дополнительными удаленными функциональными группами. Особенно эффективным может быть использование для этих целей силильных или ацильных производных.