CC BY
38
УДК 544.122.2
Я. Ю. Аллаяров (асп.)1, А. П. Никитина (к.х.н., доц.)1, Е. А. Кантор (д.х.н., проф., зав. каф.)1, С. А. Лермонтов (д.х.н., проф., зав. лаб.)2,
Л. В. Спирихин (к.х.н., зав. лаб.)3
Идентификация диастереомеров 2,4,6-триметил-1,3,5-триоксана
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра физики 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел.-факс (347) 2420718, e-mail: Yantimir@rambler.ru 2Институт физиологически активных веществ РАН 142432, г. Черноголовка, ул. Северный проезд, 1; тел.-факс (496) 5249508 3Институт органической химии Уфимского научного центра РАН 450054, г. Уфа, проспект Октября, 71; тел.-факс (347) 2356066
Ya. Yu. Allayarov1, A. P. Nikitina1, E. A. Kantor1, A. S. Lermontov2, L. V. Spirikhin3
Identification of diastereomers of 2,4,6-trimethyl-1,3,5-trioxane
1 Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str., 450062, Ufa, Russia; ph. 8(347) 2420718, e-mail: Yantimir@rambler.ru 2Russian Academy of Sciences Institute of Physiological Active Compounds 1, Severnyj proezd Str., 142432, Chernogolovka, Russia; ph. 8(496) 5249508 3Ufa Scientific centre of Russian Academy of Sciences Institute of Organic Chemistry 71, pr. Oktyabrya, 450062, Ufa, Russia; ph. 8(347) 2420718
Записаны и проанализированы спектры ЯМР 'Н и 13С и хромато-масс-спектры диастереомеров без выделения из продуктов синтеза 2,4,6-триметил-1,3,5-триоксана. Квантово-химичес-ким методом определена конформационная энергия метильной группы — 4.8 ккал/моль. Результат расчета сопоставлен с экспериментально определенным соотношением диастереомеров 2е4е6е-триметил-1,3,5-триоксан:2е4е6а-триметил-1,3,5-триоксан=1:0.02. Установлено, что соотношение интенсивностей ионов может служить признаком пространственного строения диастереомеров 2,4,6-триметил-1,3,5-триок-сана.
Identification and analysis diastereomers of 2,4,6-trimethyl-1,3,5-trioxane and the energy estimate of isomers was carried out. 1H NMR spectra and 13C and GC-MS spectra of these isomers are analyzed. Fragmentation path of major ions and a method for identifying isomers on relative intensities of the ions having the same mass number in the mass spectrum are proposed.
Key words: conformation; diastereomer; equatorial orientation; fragmentation; ion intensity; isomer; mass-spectrum; molecule; NMR; paraldehyde; 2,4,6 trimethyl 1,3,5-trioxane.
Ключевые слова: диастереомер; изомер; интенсивность иона; конформация; масс-спектр; молекула; паральдегид; 2,4,6-триметил-1,3,5-триоксан; фрагментация; экваториальная ориентация; ЯМР.
2,4,6-Триметил-1,3,5-триоксан (паральдегид), являющийся циклическим тримером уксусного альдегида 1'2, применяется в медицине и фармакологии, как успокоительное и проти-
восудорожное средство 1. Он используется в
2
производстве пластмасс 2, служит консерван-2
том и растворителем 2.
Известно, что основной конформацией цикла для 2,4,6-триметил-1,3-триоксана (1) является «кресло» 3-5. Наличие метильных заместителей приводит к возможности образования диастереомеров с различной их ориентацией 5. Преимущественными конформациями молекулы 1 являются 2е4е6е-(1а) и 2е4е6а-(1б) триметил-1,3,5-триоксаны:
Дата поступления 02.09.13
1а(2е4е6е)
Я^о
1б(2е4е6а)
Результаты и их обсуждение
Объектом данного исследования явилось выяснение возможности идентификации вышеупомянутых диастереомеров физико-химическими методами. Спектры ЯМР 13С были записаны в СЭС13 и СбВ6, причем в обоих случаях сигналы имели сложный вид, т.е. являлись мультиплетными. В СЭС13 химические сдвиги атомов С2, С4, С6 составили 98.26 м.д.; прямая углеродная константа спин-спинового взаимодействия (КССВ) О^с-н — 160.05 Гц, сдвиги трех атомов углерода СН3-групп — 20.43 м.д., прямая КССВ 1113С-Н =127.50 Гц. Следует отметить, что спектры ЯМР 1Н и 13С были усложнены наложением сигналов, относящихся к примесям, сопутствующим молекулам 1а и 1б. Не исключается и возможность проявления влияния хиральных центров 6.
Фрагментация 2,4,6-триметил-1,3,5-три-оксана в условиях электронного удара описывается схемой, характерной для поведения 1,3-диоксанов 7. Важнейшими направлениями распада являются элиминирование метильной группы и уксусного альдегида 7.
Идентификация соединения 1 по хромато-масс-спектрам может быть проведена достаточно легко. Действительно, в масс-спектре присутствуют 2 пика ( уд=2.76 мин и 2.89 мин),
набор осколочных ионов в которых соответствует указанным на схеме 1.
Известно, что конформационная энергия метильной группы при С(2) в 1,3-диоксановом цикле составляет 3.50—3.55 ккал/моль, а метильной группы в 1,3,5-триоксановом цикле 3.05 ккал/моль 8. Выполненный нами кван-тово-химический расчет молекул 1а и 1б (B3PW91/6-31G(d,p)) позволил оценить кон-формационную энергию метильной группы в молекуле 1, которая оказалось равной 4.8 ккал/моль. В связи с указанным выше, можно утверждать, что в смеси молекул 1а и 1б содержание диастереомера 1а значительно больше, чем 1б. Соотношение площадей пиков, полученных в результате хромато-масс-спектро-метрического анализа, составляет 1:0.020 для изомеров 1а и 1б. Эта величина хорошо согласуется с литературной величиной (1:0.017) 8. Таким образом, не вызывает сомнения, что первой на хроматограмме элюирует молекула 1а с конфигурацией 2е4е6е, а второй изомер (туд.=2.89 мин) является молекулой 1б с конфигурацией 2е4е6а.
Сравнение масс-спектров диастереомеров 1а и 1б свидетельствует о значительных различиях в интенсивности образующихся ионов (табл. 1).
Различия поведения молекул 1а и 1б под действием электронного удара связаны с тем, что в результате диссоциации С-Н связи из молекулы 1а возможно образование только одного катиона 2а, в то время как из молекулы 1б образуются два катиона, отличающихся пространственным строением (схема 2).
Катион 2а характеризуется плоским фрагментом О-С+(СН3)-О и экваториальной ориен-
СИз-
о.
о .о
-СИз —
I
И
ш/г 117
СИз о о
СИз
-г
СИз
СИз
СИз +
I—с"
I!
О—С I
СИз
ш/г 132
С2И5С ш/г 45
ш/г 87
Схема 1. Схема фрагментации 2,4,6-триметил-1,3,5-триоксана
о
СИз
оо
С I
СИз ш/г 131
Интенсивность ионов (%) в масс-спектрах триоксанов 1а и 1б и соотношение интенсивности ионов
Таблица
"молекула^ ——— 1a 132 1.0 131 7.0 117 14.8 87 14.9 89 27.2 45 100 43 76.4
1б 0.0 4.0 33.5 8.1 27.7 100 36.5
Соотношение
интенсивностей ионов, - 1.8 0.5 1.7 1.0 1.0 2.0
(1а:1б)
Схема 2.
тацией метильных групп при С(4) и С(6). В катионе 2б [О-С+(СН3)-О]-фрагмент является плоским, один из метильных заместителей ориентирован экваториально, а второй — аксиально. Дальнейшая фрагментация катионов 2а и 2б по направлению распада в целом аналогична, однако интенсивность образующихся ионов различна. Следует отметить, что выше вероятность реализации распада, приводящего к катиону 2а, чем к 2б не только из-за преимущества в содержании 1а в смеси, но и в связи с наличием в молекуле 1б двух центров с экваториальной ориентацией метильных групп и только одного с аксиальной. По всей вероятности, это определяет большую интенсивность ионов с т/г=131, 87 и 43 в спектре молекулы 1а (табл.). Равная интенсивность ионов с т/7=89 и 45, возможно, является результатом того, что их образование связано с аналогичной структурой предшествующих ионов. Повышенная интенсивность иона с т/г=117 в масс-спектре молекулы 1б, возможно, является результатом большей реакционной способности аксиально ориентированной связи СН3-С.
Таким образом, установление структуры изомеров 2,5-диметил-1,3-диоксана с помощью ЯМР спектроскопии является надежным способом в отличие от масс-спектрометрии. А в случае 2,4,6-триметил-1,3,5-триоксана примене-
ние ЯМР спектроскопии не представляется возможным для надежного экспресс-установления структуры изомеров. Но соотношение интен-сивностей ионов, полученных при масс-спект-рометрическом анализе, может служить надежным признаком при идентификации диас-тереомеров 1а и 1б.
Экспериментальная часть
Масс-спектры записаны на приборе фирмы «Agilent» (газовый хроматограф 6890N и масс-селективный детектор MCD 5973N, модель G2589A). Разделение образца проводилось на колонке HP-5MS длиной 30 м, внутренним диаметром 0.25 мм и толщиной неподвижной фазы 0.25 мкм при постоянном давлении газа-носителя гелия 16 psi. Температура инжектора 80, 200 и 250 оС. Программирование температуры термостата колонки (печка «Oven») осуществлялось с 30 до 60 оС со скоростью 20 град/мин, затем до 280 оС со скоростью 6 град/мин, время анализа составляло 47 мин. Для получения масс-спектров соединений использовали ионизацию под действием электронного удара (электронная ионизация). Условия детектирования: температура ионного источника 230 оС, квадруполя 150 оС, переходного канала 280 оС, сброс растворителя
0—3 мин; энергия ионизирующих электронов 70 эВ; детектирование в режиме SCAN по полному ионному току; сканирование масс-спектров — от 28 до 600 а.е.м. Для сбора и обработки данных анализов использовалась программа MSD ChemStation фирмы «Agilent». Идентификация соединения 1 осуществлялась путем сравнения экспериментальных масс-спектров с масс-спектрами библиотеки «Wiley 138» и «NBS 75», а также интерпретацией масс-спектров на основе механизмов и правил фрагментации молекул при электронном ударе.
Спектры ЯМР 1Н и 13С записаны на импульсном спектрометре Bruker Advance-III 500 MHz с рабочей частотой 500.13 МГц (1H), 125.47 МГц (13C) с использованием 5 мм датчика с Z-градиентом PABBO при постоянной температуре образца 298 K. Химические сдвиги в спектрах ЯМР 13С. 1Н приведены в м.д. относительно сигнала внутреннего стандарта тетраметилсилана (ТМС). С целью увеличения цифрового разрешения применялось дополнение нулями и умножение Фурье-образа спект-
Литература
1. Тюкавкина Н. А., Лузин А. П., Зурабян С. Э. и др. Органическая химия.— М.: Медицина. 1998.- 496 C.
2. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза.-М.: Химия, 1988.- 592 с.
3. Carpenter D. C., Brockway L. O. // J. Amer. Chem. Soc.- 58 (1936).- P.1270.
4. Kewley R. // Can. J. Chem. 48 (1970).- P.852.
5. Jungnickel J. L. Reilly C. A. // J. of molecular spectroscopy. 16 (1965).- P.135.
6. Потапов В. М. Стереохимия.- М.: Химия, 1988.- 464 с.
7. Вульфсон Н. С., Заикин В. Г., Микая А. И. Масс-спектрометрия органических соединений.- М.: Химия, 1986.- 312 с.
8. Eliel L. E. // J. Am. Chem. Soc.. 1968. 90 (13).- P.3444.
ра на экспоненциальную функцию (lb= 0.1 Гц для 1H и 1 Гц для 13С). Спектры ЯМР 13С с развязкой от протонов переменной мощности (power-gated) с использованием составных импульсов WALTZ-16 были зарегистрированы при следующих условиях: спектральное окно — 29.8 кГц, количество точек — 64K, длительность возбуждающего импульса (30 о) — 3.2 мкс, релаксационная задержка — 2 с, количество прохождений 512—2048. Значения /CH определены из спектров ЯМР 13С с прерывистой развязкой (gated decoupling) по протонам с целью сохранения ЯЭО: спектральное окно — 29.8 кГц, количество точек — 64 K, время накопления — 1.1 с, длительность возбуждающего импульса (30 о) — 3.2 мкс, релаксационная задержка — 2 с, количество прохождений 4096. Спектры ЯМР 13С записывались в двух растворителях CDCl3 и C6D6.
Квантово-химические расчеты выполнены с помощью метода (B3PW91/6-31G(d.p)) программного пакета HyperChem.
References
1. Tyukavkina N. A., Luzin A. P., Zurabyan S. Je. Organicheskaya khimiya.— M.: Meditsina, 1998.- 496 p.
2. Lebedev N. N. Khimiya i tehnologiya osnovnogo organicheskogo i neftekhimicheskogo sinteza.-M.: Khimiya, 1988.- 592 p.
3. Carpenter D. C. Brockway L. O. J. Amer. Chem. Soc.- 58 (1936).- P.1270.
4. Kewley R. Can. J. Chem.- 48 (1970).- P.852.
5. Jungnickel J. L., Reilly C. A. J. of molecular spectroscopy.— 16 (1965).- P.135.
6. Potapov V. M. Stereohimija.- M.: Khimiya. 1988.- 464 s.
7. Vul'fson N. S., Zaikin V. G., Mikaya A. I. Mass-spektrometrija organicheskih soedinenij.- M.: Khimiya.- 1986.- 312 s.
8. Eliel L. E. J. Am. Chem. Soc.- 1968.- 90 (13).-P.3444.
