CC BY
89
УДК 547.834.4:541.651.2:541.623
С. П. Иванов, Ю. И. Муринов
Изучение взаимодействия водных растворов урацила, тимина, 6-метилурацила и 5-гидрокси-6-метилурацила с гидроксидом натрия методами УФ-спекроскопии и PH-метрии
Башкирский государственный университет 450074, г. Уфа, ул. Фрунзе, 32, тел. (3472) 72-32-29 Институт органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук 450054, Россия, г. Уфа, проспект Октября, 71, тел.: (3472) 35-54-00
Методами УФ-спектроскопии и рИ-метрии изучено взаимодействие водных растворов урацила, тимина, 6-метилурацила и 5-гдрокси-6-мети-лурацила с эквимолярными количествами гидроксида натрия. Показано, что изменения в спектрах поглощения, происходящие при увеличении рИ, не вызваны образованием анионов, как это считалось ранее. Предположено, что они обусловлены таутомерными перегруппировками изученных производных урацила. Ключевые слова: урацил, тимин, 6-метилурацил, 5-гидрокси-6-метилурацил, анионы, таутомерия.
Известно, что УФ-спектры водных растворов производных урацила зависят от рИ 1-3. В зависимости от заместителей И и И2, в кислой и нейтральной среде наблюдается полоса поглощения в области 260—280 нм, обусловленная сопряженной группой— с=с-с=о (рис. 1). При увеличении рИ до 10—11 происходит батохромное смещение данной полосы Экспериментальная часть
заряда с атомов азота по урацильному кольцу 12-14. В пользу этого предположения говорят УФ-спектры модельных соединений, например, 4-О-этилтимина 14, 4-О-этил- и 2-О-этил-урацилов .
Таким образом, батохромное смещение полос поглощения водных растворов производных урацила при увеличении рИ обусловлено, по мнению большинства исследователей, депротонированием молекул урацила и его 5-или 6-замещенных производных.
В данной работе изучалось взаимодействие водных растворов урацила, тимина, 6-метилурацила и оксиметилурацила с эквимо-лярным количеством КаОИ с целью определения механизмов образования анионов указанных соединений.
поглощения на 25 нм у урацила 4' 5 и тимина 7 и на 16 нм у 6-метилурацила 3 (рис. 1).
о
ныз4
А, 6
" N
о
н
я,
И1= Иг И1= И1=
И2 = И — урацил; СИ3, И2= И — тимин; И, И2= СИ3 — 6-метилурацил; ОИ, И2= СИ3 — 5-гидрокси-6-
метилурацил (оксиметилурацил).
Такие изменения в УФ-спектрах при увеличении рИ связывают с депротонированием атомов азота N(1) или N(3) пиримидинового кольца. При этом, по мнению одной группы исследователей 8-10, батохромное смещение полос поглощения при увеличении рИ растворов производных урацила обусловлено непосредственно образованием аниона у N(1) или N(3). В пользу этой версии свидетельствуют выделенные и охарактеризованные РСА калиевые соли 11
урацила и тимина , у которых катион находится или у N(1), или у N(3).
Другие авторы полагают, что изменения в УФ-спектрах водных растворов урацилов вызваны перераспределением отрицательного Дата поступления 12.12.05
В работе использованы урацил, тимин, 6-метилурацил квалификации «ч» и 5-гидро-кси-6-метилурацил, синтезированный по методике 16, а также №ОИ квалификации «х.ч.». Для изучения зависимости УФ-спектров водных растворов изучаемых производных урацила от рИ использовались 0.0005 моль/л растворы. Для увеличения рИ добавляли раствор №ОИ. Разбавление исходных растворов не превышало 3%. Все определения проводились с использованием кварцевых кювет с толщиной поглощающего слоя 0,2 см при комнатной температуре (18 оС). Определение рИ проводили на рИ-метре ОР-264/1 фирмы «Иаёе1к18». Использовали комбинированный стеклянный электрод ОР080. Спектры поглощения регистрировали на спектрофотометре «Бресогё» М40.
При изучении механизма образования анионных форм использовались 0.001 моль/л водные растворы урацила, тимина, 6-метил-урацила и оксиметилурацила. К 500 мл 0.001М раствора №ОИ добавляли навеску
эквимолярных количеств изучаемых производных урацила. Реакцию проводили в термо-статируемых ячейках, где постоянно измеряли рН раствора. По истечении определенного времени с момента начала реакции фиксировали рН и переносили раствор в спектрофотометр, где проводилось термостатирование кювето-держателей. С момента отбора раствора из ячейки в кювету до получения спектра проходило не более 30 сек. В связи с тем, что окси-метилурацил в щелочной среде окисляется
17
кислородом воздуха , реакционную систему оксиметилурацил-КаОН продували азотом.
Обсуждение результатов
На рис. 1 представлены УФ-спектры водных растворов урацила (а), тимина (б), 6-ме-тилурацила (в) и оксиметилурацила (г) при различных рН. Как и ожидалось из литературных данных, при увеличении рН происходит батохромное смещение полос поглощения в случаях урацила, тимина и 6-метилурацила. Подобные исследования для оксиметилураци-ла проводятся впервые. Как видно из рис. 1 (г), в УФ-спектре водного раствора оксимети-
лурацила при рН = 5,5 наблюдается полоса поглощения в области 277 нм, обусловленная как и в случае других производных урацила поглощением сопряженной группы с=с-с=о. При увеличении рН происходит не только ба-тохромное смещение этой полосы поглощения на 31 нм, но и образование новой — в области 243 нм. Данный факт свидетельствует, вероятно, о другом механизме образования аниона, отличном от механизма образования трех вышеназванных соединений.
На рис. 2 приведены графики зависимости рН от времени взаимодействия водных растворов урацила, тимина, 6-метилурацила и оксиметилурацила с гидроксидом натрия. Соотношение производное урацила: КаОН = 1 : 1. Как и следовало ожидать, в начале реакции рН растворов реагирующих веществ имеет максимальное значение. По мере протекания реакции происходит уменьшение рН, что, очевидно, связано с депротонированием изучаемого производного урацила. Необходимо отметить, что данная реакция не протекает мгновенно. При 35 оС для полного замещения одного атома водорода в 0.001М растворах
Рис. 1. УФ-спектры водных растворов урацила (а), тимина (б), 6-метилурацила (в) и 5-гидрокси-6-метилура-цила (г): (-) рН = 5.5; (.....) рН = 8.0; (---) рН = 9.0; (----) рН = 10.0; (----) РЬ = 11.0.
рН
10,0
Рис. 2. Зависимость рН от времени взаимодействия 0 (—V-), 6-метилурацила (—■—) и оксиметилурацила (требуется 10 ч для оксиметилурацила, 14 ч -для урацила, 16 ч — для 6-метилурацила и 18 ч — для тимина.
На рис. 3. представлены изменения в УФ-спектрах водных растворов производных ураци-ла при их взаимодействии с эквимолярным количеством КаОН в начале, середине (через 3
т, часы
001 моль/л водных растворов урацила (—•—), тимина о—) с эквимолярным количеством ЫаОН (1 = 35 оС).
ч) и конце (через 18 ч) реакции. Как видно на рис. 3, максимальное батохромное смещение в УФ-спектрах всех изучаемых соединений наблюдается в начале реакции, т. е. в момент, когда в растворе находится наименьшее количество анионов.
Рис. 3. Изменения в УФ-спектрах водных растворов урацила (а), тимина (б), 6-метилурацила (в) и 5-гидро-
кси-6-метилурацила (г) при их взаимодействии с эквимолярным количеством ЫаОН через 0 мин (—), 3 ч (.....)
и 18 ч (---) с момента начала реакции (с = 0,001 моль/л, I = 0.1 см, 1 = 35 0С)
В конце реакции УФ-спектры приобретают вид спектров нейтральных водных растворов урацила, тимина, 6-метилурацила и окси-метилурацила, с максимумами в областях 260, 265, 261 и 277 нм, соответственно. Таким образом, можно утверждать, что батохромное смещение максимумов поглощения, обусловленных сопряжением с=с-с=о производных урацила при увеличении рН, не связано с образованием анионов. По всей видимости, в растворе до образования анионов происходят процессы с изменением структуры молекул производных урацила, которые не требуют депротонирования. Согласно теории УФ-спек-троскопии 18, к батохромному смещению максимума поглощения на 25—30 нм должно приводить увеличение длины цепи сопряжения. Такое увеличение происходит при кето-еноль-ных перегруппировках*.
Для производных урацила возможно 6 та-
утомеров
19, 20.
а) О б) 0Н в) 0
иЛ-он А^ нА<0Н
м^снз О^^Н^ СН3 НО N снз г) О д) ОН е) ОН
'0Н ^|Г°Н
НО' ^ "СНз Н^^^СНз ^^СНз Н
В структуре трех из них (б, в и е) имеются сопряжения, которые должны приводить к ба-тохромному смещению по сравнению со спектром таутомера а. Что касается изменений в УФ-спектрах растворов оксиметилурацила с увеличением рН, то появление двух полос поглощения можно, вероятно, связать с образованием таутомера с другим типом сопряжения в структуре, а именно г или д.
Таким образом, на основании полученных результатов можно утверждать, что изменения в УФ-спектрах водных растворов урацила, ти-мина, 6-метилурацила и оксиметилурацила с
увеличением pH не связаны с образованием анионов. Можно предположить, что такие изменения происхоят из-за образования таутомер-ных форм названных производных урацила.
Литература
1. Iza N., Gil M., Marcillo F. // J. Mol. Struct.-1988.- V. 175, №1.- P. 31.
2. Lee C.K., Kim Y. H. // Bull. Korean Chem. Soc.- 1991.- V. 12.- P. 207.
3. Рапапорт Л. I. // Фармацевтичний ж. (укр.).-1972.- №4.- P. 14.
4. Loofbourow I. R., Stimson M. M., Hart M.J. // J. Am. Chem. Soc.- V. 65.- P. 148.
5. Gallego E., Peral F., Marcillo J. // An. Quim.-1981.- V. 77.- P. 118.
6. Blout E. R., Fields M. // J. Am. Chem. Soc.-1950.- V. 72.- P. 479.
7. Cline R. E., Fink M. E. // J. Am. Chem. Soc.-1950.- V. 81.- P. 2521.
8. Wempen I., Fox J. J. // J. Am. Chem. Soc.-1964.- V. 86.- P. 2474.
9. Nakanishi K., Suzuki N., Yamakari F. // Bull. Chem. Soc. Japn.- 1961.- V. 34.- P. 53.
10. Shapiro R., Kang S. // Biochim. Biophys. Acta.- 1971.- V. 233.- P. 1.
11. Lippert B. // J. Raman Spectrosc.- 1979.-V. 8.- P. 274.
12. Wierchowski K. L., Litonska E., Shugar D. // J. Am. Chem. Soc.- 1965.- V. 87.- P. 4621.
13. Ginner-Sorolla A., Bendich A. // J. Am. Chem. Soc.- 1958.- V. 80.- P. 5744.
14. Wittenburg E. // Chem. Ber.- 1966.- P. 2391.
15. Katrizky A. R., Waring A. J. // J. Chem. Soc.-1962.- P. 1540.
16. Кривоногов В. П., Толстиков Г. А., Муринов Ю. И. // Хим.-фарм. ж.- 1993.- Т. 27.- С. 38.
17. Иванов С. П., Конкина И. Г., Байкова И. П., Спирихин Л. В., Муринов Ю. И. // ХГС.-2002.- Т. 38, № 11.- P. 1609.
18. Сильверстейн Р., Басслер Г., Морил Т. Спектроскопическая идентификация органических соединений.- М.: Мир, 1977.- С. 432.
19. Civcir P. U. // J. Mol. Struct. (Theochem). -2000.- V. 532.- P. 157.
20. Иванов С. П., Хурсан С. Л. // ЖФХ.- 2004.Т. 78, №7.- С. 1098.
* В литературе по таутомерии производных урацила общепринято обозначение «кето-енольная таутомерия», а не «лактам-лактимная»
