Деструкция пиримидинового кольца при взаимодействии 5-гидрокси-6-метилурацила с гидроксидом натрия в водных растворах Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.854.4:547.857.5

ДЕСТРУКЦИЯ ПИРИМИДИНОВОГО КОЛЬЦА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ 5-ГИДРОКСИ-6-МЕТИЛУРАЦИЛА С ГИДРОКСИДОМ НАТРИЯ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ

© С. Ф. Петрова, Т. Р. Нугуманов, А. Н. Лобов, С. П. Иванов*, Ю. И. Муринов

Уфимский институт химии РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.

Тел.: +7 (347) 235 54 00.

Email: [email protected]

В работе изучено взаимодействие 5-гидрокси-6-метилурацила (ГМУ) с гидроксидом натрия (мольное соотношение 1:2) в водных растворах. За ходом реакции наблюдали методом ВЭЖХ. Реакцию проводили до полного расходования исходного ГМУ. После 80 часов перемешивания при 50 °С на хроматограмме наблюдались два пика конечных продуктов, которые были выделены методом полупрепаративной ВЭЖХ. На основании данных 1Н и 13С ЯМР спектроскопии, они были идентифицированы как 4-гидрокси-6-метилпиримидин-2,5-диона натриевая соль и оксалат натрия. Анализ продуктов реакции свидетельствует, что 5-гидрокси-6-метилурацил в водной щелочной среде окисляется до 4-гидрокси-6-метилпиримидин-2,5-диона натриевой соли, которая в дальнейшем гидролизуется с разрушением цикла, о чем однозначно свидетельствует образование оксалата натрия с выходом 23%. Оксалат натрия в качестве продукта гидролиза 5-гидроксиурацилов в щелочной водной среде обнаружен нами впервые.

Ключевые слова: 5-гидрокси-6-метилурацил, окисление, гидроксид натрия, оксалат натрия, 4-гидрокси-6-метилпиримидин-2,5-диона натриевая соль, гидролиз.

Известно, что взаимодействие производных урацила с гидроксид-ионами может протекать по двум направлениям: с раскрытием пиримидинового кольца и без.

В работе [1] изучались превращения 5-галогенурацилов в щелочных водных растворах. Установлено, что скорость взаимодействия убывает в ряду 5-иодурацил > 5-бромурацил > 5-хлорурацил > 5-фторурацил. В качестве основного продукта реакции выделена и идентифицирована барбитуровая кислота (1). Отмечено, что в условиях реакции незамещенный урацил и тимин гидролизу не подвергаются (схема 1)

При кипячении 5-бромурацила с водным раствором гидрокарбоната натрия в течение 20 ч в атмосфере азота получен 5-гидроксиурацил (2) (выход 50%) [2]. Изопропилиден-5-гидроксиуридин (3), получен с меньшим выходом (20%) при кипячении изопропилиден-5-бромоуридина при 55 °С в растворе 0.1 М №ОН (схема 2) [3].

Известны случаи осуществления в пиримиди-новом кольце необратимых структурных измене-

ний. Так, в работе [3] сообщалось о превращении пиримидинового цикла в имидазолиновое. При взаимодействии 5-гидроксиурацила с 0.1 М раствором №ОН в качестве единственного продукта выделен имидазолин (4) (выход 80%). Подобная трансформация протекает через стадию присоединения гидроксид-аниона к атому углерода карбонильной группы с образованием тетраэдрического промежуточного соединения, дальнейшая трансформация которого приводит к разрыву связи N3-С4 и последующему раскрытию пиримидинового кольца [4] (схема 3).

Взаимодействие барбитуровой кислоты с избытком щелочи описано в статье [5]. Аналогично предыдущему примеру, здесь происходит деструкция пиримидинового кольца, включающая разрыв связи Ш-С6 и раскрытие цикла. В качестве продуктов идентифицированы малонилмочевина (5) и аммиак (схема 4).

Таким образом, при взаимодействии 5-галогенурацилов с гидроксид-ионами происходит замещение атома галогена на гидроксильную груп-

н

\

N

Схема 1

Hal 0.5 М NaOH

80 °С

СГ N

I

Н

О

\Л

О- N^o

н 1

Схема 2

HN

Вг

O^N'

I

R

HN

ОН

I

R 2,3

R= H [2]

R= HOH,C .О

Q

[3]

Схема 3

О ОН"

ноос

\ .о н

соон

\

O^N'

н 4

ОН" "N

со2-

er nh2

НоО "N

<Ан

Схема 4

+ NH,

СО,

пу. В водных растворах с рН >11 5-гидрокси- и 6-оксопроизводные урацила подвергаются гидролизу с раскрытием цикла.

В данной работе нами впервые для 5-гидроксипроизводных урацилов при щелочном гидролизе выделен оксалат натрия.

Объектом исследований в данной статье является 5-гидрокси-6-метилурацил (ГМУ) - известный препарат широкого терапевтического действия [6]. Ранее нами было показано [7-9], что в нейтральных и слабокислых водных растворах ГМУ претерпевает окислительные превращения в присутствии солей меди (II) с образованием 5.5,6-тригидрокси-6-метилпиримидин-2,4-диона.

Также мы сообщали, что при взаимодействии ГМУ с NaOH в водных растворах образуется натриевая соль 4-гидрокси-6-метил-2,5-диона (6) [10]. Однако его относительно невысокий выход (~60%) побудил нас к более детальному изучению состава реакционной смеси. В связи с этим, целью данной

работы являлось выделение и идентификация других продуктов превращений 5-гидрокси-6-метилурацила в водно-щелочной среде.

За взаимодействием ГМУ с гидроксидом натрия следили методом ВЭЖХ. На рис. 1 представлены хроматограммы, соответствующие начальному и конечному времени реакции.

Как видно из рис. 1б, в ходе реакции происходит полное расходование 5-гидрокси-6-метилурацила с образованием двух продуктов.

С целью идентификации продуктов полупрепаративно фракционировали полученную реакционную смесь (рис. 1б). Для выделенных фракций 1 (пик 1, t = 1.9 мин) и 2 (пик 2, t = 2.7 мин) после удаления растворителя были записаны ЯМР спектры (рис. 2).

J 1

Рис. 1. Хроматограмма реакционной системы: а) 1 минута; б) 80 часов.

Как видно из рис. 2а, в спектре фракции 1 имеется один интенсивный сигнал с химическим сдвигом 164.36 м.д., что соответствует спектру щавелевой кислоты [11]. Поскольку реакция происходила в растворе гидроксида натрия, а в ЯМР 1Н спектре сигналы протонов отсутствуют, выделенным соединением, очевидно, является оксалат натрия, что подтверждается данными элементного анализа.

В ЯМР 13С спектре 2 фракции (рис. 2б) наблюдаются 5 сигналов, аналогичных сигналам в спектре 4 -гидрокси-6 -метилпиримидин-2, 5 -дио на натриевой соли (6) [10]. Отнесение сигналов :Н и 13С ЯМР было проведено с использованием НМВС,

HSQC спектров. Так, в {1Н, 13С} НМВС спектре 6 наблюдались корреляции метильных протонов с атомом С5 (5с = 181.53 м.д.) (рис. 3).

Таким образом, анализ продуктов реакции свидетельствует, что 5-гидрокси-6-метилурацил в водной щелочной среде окисляется до 4-гидрокси-6-метилпиримидин-2,5-диона натриевой соли, который в дальнейшем гидролизуется с разрушением цикла, о чем однозначно свидетельствует образование оксалата натрия с выходом 23%. Оксалат натрия в качестве продукта гидролиза 5-гидроксиурацилов в щелочной водной среде обнаружен нами впервые. Природа данного превращения сейчас устанавливается. Другие возможные продукты деструкции методом ВЭЖХ выделить не удалось, но данный момент устаналивается механизм реакции с использованием других методов.

Экспериментальная часть

В качестве исходного вещества использовали 5-гидрокси-6-метилурацил, синтезированный по известной методике [12], с чистотой более 95%. Содержание основного вещества определяли методом ВЭЖХ [13]. Гидроксид натрия квалификации «хч» (ЗАО «Каустик», Россия) использовали без дополнительной очистки. Для приготовления растворов и элюента применяли воду двойной перегонки, а также ацетонитрил квалификации «ос.ч, 4 сорт» (Криохром, Россия). Воду и ацетонитрил фильтровали через мембранный фильтр ФМПА-0.45 -47 (ВЛАДиСАРТ, Россия).

Реакцию проводили в двугорлом термостати-руемом реакторе объемом 50 мл, снабженном обратным холодильником и магнитной мешалкой при 50 °С при постоянном доступе воздуха. Температуру поддерживали постоянной с помощью термостата Ь01Р ЬТ-205 (Россия). К 25 мл раствора, содержащего 0.56 г (0.014 моль) №ОН добавляли 0.1 г (0.0007 моль) ГМУ и перемешивали до полного его

а

штщшт

180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30

ppm

б

т

180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30

Рис. 2. Спектры ЯМР 13С выделенных фракций 1(а) и 2(б).

ppm

ppr 15

ppr

165

170

175

180

{'н, 13С} НМВС 185

I 1

Рис. 3. Фрагменты спектров {'H, 13C} HSQC и {'H, 13C} HMBC выделенной фракции 2.

расходования. За ходом реакции наблюдали методом ВЭЖХ на хроматографе Shimadzu LC-20 со спектрофотометрическим диодно-матричным детектором. Использовали колонку Zorbax RXC18 250x4.6 мм; 5 мкм (Agilent, США). В качестве подвижной фазы применяли элюент CH3CN:H2O=3:97, скорость потока составляла 1 мл/мин. Детектирование проводилось при длине волны 215 нм.

После завершения реакции проводили полупрепаративное разделение смеси продуктов методом ВЭЖХ на хроматографе Shimadzu LC-20 со спек-трофотометрическим диодно-матричным детектором (колонка Luna C18 250x4.6 мм; 10 мкм (Phenomenex, США), элюент CH3CN:H2O=3:97, скорость потока 4 мл/мин, аналитическая длина волны 215 нм).

Спектры ЯМР 'Н и 13С регистрировали на импульсном спектрометре "Bruker" Avancel II с рабочими частототами 500.13 МГц ('H) и 125.47 МГц (13C) с использованием 5 мм датчика с Z-градиентом PABBO при постоянной температуре образца 25 °С в растворе D2O. Химические сдвиги в спектрах ЯМР 'Н приведены в м.д. относительно остаточного сигнала воды. Задержка между импульсными последовательностями устанавливалась для достижения полной релаксации. С целью увеличения цифрового разрешения применялось дополнение нулями и умножение Фурье-образа спектра на экспоненциальную функцию (lb = 0.1 Гц для 'H и 1 Гц для 13С). Спектры ЯМР 13С с подавлением по протонам (WALTZ-16) были зарегистрированы

при следующих условиях: спектральное окно - 29.8 кГц, количество точек - 64К, длительность возбуждающего импульса (30°) - 3.2 мкс, релаксационная задержка - 2 с, количество прохождений - 2к.

Двумерные спектры зарегистрированы в стандартных режимах многоимпульсных последовательностей программного обеспечения прибора. Для {1Н, 13С} ШОС спектра (hsqcetgp [14]) размер матрицы составил 2К на 256 эксп., 5.0 кГц для Б2-проекции и 27.7 кГц - для И) зарегистрирован с задержкой d4 оптимизированной под наблюдение JCH = 145 Гц. Для {1Н, 13С} НМВС спектра (hmbcgpndqf [15, 16]) размер матрицы: 2К на 256 эксп., 5.0 кГц для Г2-проекции и 27.7 кГц - для И) зарегистрирован с задержкой d6 = 71.4 мс (сшШ = 7 Гц).

ИК спектры образцов в виде гомогенизированной смеси в вазелиновом масле получены на Фурье-спектрометре ShimadzuIR-Prestige-21 в диапазоне 4000-400 см-1 на окошках КВг.

4-гидрокси-6-метилпиримидин-2,5-диона натриевая соль. Выход 0.052 г (46%). ИК спектр, и, см1: 1669 (С=О), 1662 (С=О), 1622 (С=№), 1615 (С=№), 1345 (С-О), 1169 (С-СН3). Спектр ЯМР 1Н (Б20), 5, м.д.: 1.9 (3Н, СН3). Спектр ЯМР 13С (Б20), 5С, м.д.: 23.39 (СН3); 165.88 (С-2), 171.19 (С-4); 181.53 (С-5); 162.81 (С-6); Найдено, %: С 34.1; Н 2.6; N 16.9; № 12.9. С5ЩЧ203№-Н20. Вычислено, %: С 33.0; Н 2.8; N 15.6; № 12.8.

Натриевая соль щавелевой кислоты. Выход 0.022 г (23%). ИК спектр, и, см-1: 1560, 1367, 1319,

830. Спектр ЯМР 13С (D2O), 5, м.д.: 164.36. Найдено, %: С 19.6; Na 35.2. C2O4Na2. Вычислено, %: С 19.9; Na 34.4.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект №16-1500141). Анализ методами ВЭЖХ, ЯМР и ИК спектроскопии выполнен на оборудовании ЦКП «Химия» УфИХ РАН.

ЛИТЕРАТУРА

1. Garrett E. R., Nestler H. J., Somodi A. Kinetics and Mechanisms of Hydrolysis of 5-Halouracils// J. Org. Chem. 1968. Vol. 33. Nc>. 9. Рр. 3460-3468.

2. Wang S. Y. Chemistry of Pyrimidines. II. The Conversion of 5-Bromo- to 5-Hydroxyuracils // J. Am. Chem. Soc. 1959. Vol. 81. Pp. 3786-3789.

3. Otter B. A., Falco E. A., Fox J. J. Nucleosides. LXI. Transformations of Pyrimidine Nucleosides in Alkaline Media. IV. The Conversion of 5-Hydroxyuridines into Imidazoline Nucleosides // J. Org. Chem. 1969. Vol. 34. No. 9. Pp. 26362642.

4. Sander E. G. The Alkaline Hydrolysis of the Dihydropyrimidines // J. Am. Chem. Soc. 1969. Vol. 91. No. 13. Pp. 3629-3634.

5. Khan M. N., Khan A. A. Kinetics and Mechanism of Base Catalysed Hydrolysis of Barbituric Acid // J. C.S. Perkin II.1976. Pp. 1009-1014.

6. Мышкин В. А., Бакиров А. Б. // Оксиметилурацил (Очерки экспериментальной фармакологии). Уфа: ДАР, 2001. 218 с.

7. Nugumanov T. R., Ivanov S. P., Starikova Z. A., Murinov Yu.I. Oxidation of 5-Hydroxy-6-Methyluracil to 5.5,6-Trihydroxy-6-Methylpyrimidine-2,4-dion with Molecular Oxygen // Mend. Comm. 2008. Vol. 18. No. 4. Pp. 223-224.

8. Murinov Yu.I., Nugumanov T. R., Ivanov S. P., Kletskii M. E., Kamaletdinov I. F., Minkin V. I. Experimental and quantum-chemical study of the mechanism of oxidation of 5-hydroxy-6-methyl-uracil by molecular oxygen in the presence of copper(II) ions // Chem. Heterocycl. Compd. 2009. No. 4. Pp. 461-467.

9. Нугуманов Т. Р., Иванов С. П., Насыров А. А., Гайфутди-нова Р.К, Муринов Ю. И. Гомогенное окисление 5-гидрокси-6-метилурацила молекулярным кислородом в водных растворах // Башкирский химический журнал. 2007. Т. 14. №1. С. 48-50.

10. Ivanov S. P., Konkina I. G., Baikova I. P., Spirihin L. V., Murinov Yu.I. Changes in the Pyrimidine Ring on Interaction of 5-Hydroxy-6-Methyluracil with Sodium Hydroxide // Chem. Heterocycl. Compd. 2002. No. 11. Pp. 1424-1425

11. E. Breitmaier and W. Voelter // Carbon-13 NMR Spectroscopy (VCH, Weinheim, 1986). Pp. 226.

12. Krivonogov V. P., Tolstikov G. A., Murinov Yu.I., Zarudii F. S., Lazareva D. N., IsmagilovaA. F., VolkovaS. S., Sakhautdinova G. M., Spirikhin L. V., Abdrakhmanov I. B., KrivonogovaI. I. // Pharm. Chem. J. 1993. Vol. 27. No. 2. Pp. 112-120.

13. Иванов С. П., Нугуманов Т. Р., Муринов Ю. И. Экспресс-метод определения содержания примеси 6-метилурацила в 5-гидрокси-6-метилурациле // Башкирский химический журнал. 2007. Т. 14. №. 1. С. 42-44.

14. Davis A. L., Keeler J., Laue E. D., Moskau D. J. Experiments for recording pure-absorption heteronuclear correlation spectra using pulsed field gradients // J. Magn. Reson. 1992. Vol. 98. No. 1. Pp. 207-216.

15. Hurd R. E., John B. K.Gradient-enhanced proton-detected heteronuclear multiple-quantum coherence spectroscopy // J. Magn. Reson. 1991. Vol. 91. No. 3. Pp. 648-653.

16. Willker W., Leibfritz D., Kerssebaum R., Bermel W. Gradient selection in inverse heteronuclear correlation spectroscopy // Magn. Res. Chem. 1993. Vol. 31. No. 3. Pp. 287-292.

Поступила в редакцию 06.09.2016 г. После доработки - 26.09.2016 г.

ISSN 1998-4812

BeciHHK EamKHpcKoro yHHBepcHTeTa. 2016. T. 21. №3

631

DESTRUCTION OF PYRIMIDINE RING DURING THE INTERACTION OF 5-HYDROXY-6-METHYLURACIL WITH SODIUM HYDROXIDE IN AQUEOUS SOLUTIONS

© S. F. Petrova, T. R. Nugumanov, A. N. Lobov, S. P. Ivanov*, Yu. I. Murinov

Ufa Institute of Chemistry, RAS 71 Oktyabrya Ave., 450054 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

Phone: +7 (347) 235 54 00.

*Email: [email protected]

The interaction of 5-hydroxy-6-methyluracil with sodium hydroxide (molar ratio 1:2) in aqueous solutions has been studied. The interaction was monitored by HPLC. The reaction was carried to complete consumption of the starting compound. After stirring for 80 hours at 50 °C under air, two peaks of final products was observed on the chromatogram. These components were isolated by semi-preparative HPLC. On the basis of 1H- and 13C NMR spectroscopy, they were identified as 4-hydroxy-6-methylpyrimidine-2,5-dione's sodium salt and sodium oxalate. The analysis of the reaction products indicates that in the aqueous alkaline medium 5-hydroxy-6-methyluracil was oxidized to the 4-hydroxy-6-methylpyrimidine-2,5-dione's sodium salt, which was subsequently hydrolyzed with destruction of the pyrimidine cycle, as clearly evidenced by the formation of sodium oxalate in 23% yield. Sodium oxalate as product of alkaline hydrolysis of 5-hydroxyuracil's derivatives in aqueous medium was detected first. The nature of this transformation is currently determined.

Keywords: 5-hydroxy-6-methyluracil, oxidation, sodium hydroxide, sodium oxalate, 4-hydroxy-6-methylpyrimidine-2,5-dione's sodium salt, hydrolysis.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Garrett E. R., Nestler H. J., Somodi A. J. Org. Chem. 1968. Vol. 33. No. 9. Pr. 3460-3468.

2. Wang S. Y. J. Am. Chem. Soc. 1959. Vol. 81. Pp. 3786-3789.

3. Otter B. A., Falco E. A., Fox J. J. Nucleosides. LXI. J. Org. Chem. 1969. Vol. 34. No. 9. Pp. 2636-2642.

4. Sander E. G. J. Am. Chem. Soc. 1969. Vol. 91. No. 13. Pp. 3629-3634.

5. Khan M. N., Khan A. A. J. C.S. Perkin II.1976. Pp. 1009-1014.

6. Myshkin V. A., Bakirov A. B. Oksimetiluratsil (Ocherki eksperimental'noi farmakologii). Ufa: DAR, 2001.

7. Nugumanov T. R., Ivanov S. P., Starikova Z. A., Murinov Yu.I. Mend. Comm. 2008. Vol. 18. No. 4. Pp. 223-224.

8. Murinov Yu.I., Nugumanov T. R., Ivanov S. P., Kletskii M. E., Kamaletdinov I. F., Minkin V. I. Chem. Heterocycl. Compd. 2009. No. 4. Pp. 461-467.

9. Nugumanov T. R., Ivanov S. P., Nasyrov A. A., Gaifutdinova R.K, Murinov Yu. I. Bashkirskii khimicheskii zhurnal. 2007. Vol. 14. No. 1. Pp. 48-50.

10. Ivanov S. P., Konkina I. G., Baikova I. P., Spirihin L. V., Murinov Yu.I. Chem. Heterocycl. Compd. 2002. No. 11. Pp. 1424-1425

11. E. Breitmaier and W. Voelter. Carbon-13 NMR Spectroscopy (VCH, Weinheim, 1986). Pp. 226.

12. Krivonogov V. P., Tolstikov G. A., Murinov Yu.I., Zarudii F. S., Lazareva D. N., IsmagilovaA. F., VolkovaS. S., Sakhautdinova G. M., Spirikhin L. V., Abdrakhmanov I. B., KrivonogovaI. I. Pharm. Chem. J. 1993. Vol. 27. No. 2. Pp. 112-120.

13. Ivanov S. P., Nugumanov T. R., Murinov Yu. I. Bashkirskii khimicheskii zhurnal. 2007. Vol. 14. No. . 1. Pp. 42-44.

14. Davis A. L., Keeler J., Laue E. D., Moskau D. J. J. Magn. Reson. 1992. Vol. 98. No. 1. Pp. 207-216.

15. Hurd R. E., John B. K. J. Magn. Reson. 1991. Vol. 91. No. 3. Pp. 648-653.

16. Willker W., Leibfritz D., Kerssebaum R., Bermel W. Magn. Res. Chem. 1993. Vol. 31. No. 3. Pp. 287-292.

Received 06.09.2016. Revised 26.09.2016.