CC BY
4
_ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ / CHEMISTRY_
DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2021.9.111.024
МАСС-СПЕТРОСКОПИЯ АДДУКТОВ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ И ИМИНОКСИЛЬНЫХ РАДИКАЛОВ
РЯДА 6-ГИДРОКСИПИРИМИДИН-4(3Н)-ОНОВ
Научная статья
Ву К.Т.1, Юдин Н.В.2' *, Фенин А.А.3
1 ORCID: 0000-0002-4989-7053;
2 ORCID: 0000-0003-4847-9105;
3 ORCID: 0000-0002-5193-3607;
1 2, 3 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
* Корреспондирующий автор (yudinnik[at]gmail.com)
Аннотация
Изучена масс-спектроскопия при ионизации электрораспылением (ESI) и диссоциация индуцированная соударением (CID) аддуктов, образованных при взаимодействии свободных радикалов 2-замещенных 6-гидроксипиримидин-4(3H)-онов и иминоксильных радикалов ряда 6-гидроксипиримидин-4(3H)-онов. Показано, что для них характерно образование однозарядных моно-, ди- и тримерных протонитрованных и депротонированных ионов вида [n-M+H]+ и [n-M-H]", где n=1-3. При отрицательной ионизации наблюдается отщепление ОН' радикала с формированием ионов [nM-OH]- (n=1-3). В положительном режиме происходит гидратация с образованием ионов [nM+H3O]+ (n=1-3). Фрагментация аддуктов происходит по единому механизму, первой стадией которого является отщепление N-оксидного кислорода в виде гидрокси-радикала, затем следует фрагментация диоксопиримидинового цикла в конченом итоге приводящая к бициклической структуре.
Ключевые слова: 6-гидроксипиримидин-4(3Н)-он, иминоксильные радикалы, аддукты, масс-спектроскопия, диссоциация индуцированная соударением.
MASS SPECTROSCOPY OF ADDUCTS OF FREE RADICALS AND IMINOXYL RADICALS
OF 6-HYDROXYPYRIMIDINE-4(3H)-ONES
Research article
Vu K.T.1, Yudin N.V.2' *, Fenin A.A.3
1 ORCID: 0000-0002-4989-7053;
2 ORCID: 0000-0003-4847-9105;
3 ORCID: 0000-0002-5193-3607;
1 2, 3 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
* Corresponding author (yudinnik[at]gmail.com)
Abstract
The current article examines mass spectroscopy of electrospray ionization (ESI) and collision-induced dissociation (CID) of adducts formed by the interaction of free radicals of 2-substituted 6-hydroxypyrimidine-4(3H)-ones and iminoxyl radicals of 6-hydroxypyrimidine-4(3H)-ones. It is shown that they are characterized by the formation of single-charged mono -, di-and trimeric protonated and deprotonated ions of the form [nM+H]+ and [n-M-H] -, where n=1-3. With negative ionization, the cleavage of the OH - radical is observed with the formation of [nM-OH]- (n=1-3) ions. In the positive mode, hydration occurs with the formation of [n-M+H 3 O]+ ions (n=1-3). Fragmentation of adducts occurs by a single mechanism, the first stage of which is the cleavage of N-oxide oxygen in the form of hydroxyl radical followed by fragmentation of the dioxopyrimidine cycle, eventually leading to a bicyclic structure.
Keywords: 6-hydroxypyrimidine-4(3H) - oh, iminoxyl radicals, adducts, mass spectroscopy, collision-induced dissociation.
Введение
Производные пиримидина относятся к важнейшим биохимическим структурам и этим привлекают постоянный интерес исследователей. Среди них можно выделить аналог урацила - 4,6-дигидроксипиримидин (6-гидрокси-пиримидин-^Щ-он, 1а). К его производным относится хорошо известная барбитуровая кислота (1b). В последнее время в ряду производных 4,6-дигидроксипиримидина найдены новые соединения, обладающие фермент-ингибирующей активностью [1], [2]. Нитрованием 1а предложено получать нитроформ [3]. Способ получения малочувствительного взрывчатого вещества 1,1-диамино-2,2-динитроэтилена основан на нитровании 6-гидрокси-2-метилпиримидин-4(3H)-он (1с) [4].
В предлагаемой работе представлены результаты масс-спектрометрического исследования мурексидо-подобных аддуктов, образующихся при катион-радикальном нитровании, нитрозировнии и одноэлектронном окислении производных б-гидроксипиримидин-^Щ-она в среде трифторуксусной кислоты (ТФУК).
Методы исследования
Исследование проводили с помощью жидкостной хромато-масс-спектрометрии (ЖХМС) при ионизации электрораспылением (ESI) в формиатно-аммиачном буфере при рН = 4,5. Для определения путей фрагментации использовали режим MSn с диссоциацией вызванной соударением (CID) при энергии 18 - 36 eV и, в ряде случаев, меченные изотопом азота N15 нитрозосоединения.
Результаты и обсуждение
Образование аддуктов 7a-e протекает в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 1. На первой стадии происходит окисление пиримидина 1а-е до катиона-радикала 2а-е. В условиях нитрования и нитрозирования окислителем служит ион нитрозония. В первом случае, при нитровании изопропилнитратом в среде ТФУК, азотистая кислота первоначально выделяется при его кислотно-катализируемом разложении и, далее, накапливается в ходе окислительных процессов.
Образовавшийся катион-радикал может быть превращен в нитрозо-соединение 4а-е или нитросоединение 5а-е при взаимодействии с NO^ или NO2, либо депротонирован с образованием радикалов 3а-е. Нитросоединения также образуются в результате окисления нитрозопроизводных.
N^NH
r la-e
-e
N^NH
r 2a-e
- H+
HO^cyo
r 3a-e
no
H0Y¿Y°
N^NH
r 4a-e
[O]
no2
N^NH
r 5a-e
НО
H0„
N^NH r
N^-NH r
4a-e
ж
n
O O.
N^NH r
N^NH r
6a-e
+ 3a-e
O _ НО i"
R-C VN-C7 VR
hn—l + ^—nh O O
7a-e
НО
N^NH r
В
+ 3a-e
0|-U.
n4 ? VNH
r-(' vn-c /) r hn—^ /-n
О НО
OH.
N4 °H bNH
r-(' vn-c }) r hn—^ /-n
НО
4a-e
8a-e
9a-e
а - Я=Н, Ь - ОН, с - СН3, с! - С2Н5, е - СН(СН3)2 Рис. 1 - Схема образования нитрозосоединений 4а-е, нитросоединений 5а-е, аддуктов 7а-е и гидроксиламинов 9а-е
5-нитрозопроизводные 4а-е находятся в равновесии с оксимой формой, в результате ее окисления образуются иминоксильные радикалы (ИР) 6а-е, что подтверждено ЭПР спектроскопией (таблица 1). Следует отметить, что при нитровании образование аддуктов происходит после индукционного периода связанного с накоплением оксидов азота и нитрозосоединений.
Таблица 1 - Спектральные параметры ЭПР иминоксильных радикалов 6a-f
Соединение Эксперимент Расчет Литература [5]*
g aN, Гс g aN, Гс g aN, Гс
6a 2,0042 31,0 2,0036 31,0 - -
6b 2,0039 32,5 2,0037 30,3 2,0047 31,71
6c 2,0037 32,0 2,0036 31,1 - -
6d 2,0044 31,0 2,0036 31,0 - -
6f 2,0056 32,6 2,0036 31,0 - -
Примечание: * - в водном растворе при рН = 4,5
Образование аддуктов 7а-е является результатом взаимодействия иминоксильных радикалов 6а-е с радикалами исходных соединений 3а-е, рисунок 1, маршрут «А». Они, в отличие от других продуктов нитрования и нитрозирования,
имеют максимум поглощения в видимой области спектра, что позволяет надежно идентифицировать их на хроматограмме или в реакционной массе. При уменьшении кислотности среды спектральная полоса претерпевает батохромный сдвиг, таблица 2, рисунок 4. Аддукты 7а-е достаточно устойчивы в растворе в ТФУК, в водно-ацетонитрильных буферных растворах (рН ~ 4.5) стабильны от 5 мин до 48 часов при комнатной температуре. Гидроксиламины 9а-е являются продуктами превращения нитроксильных радикалов, образованных в параллельном процессе по маршруту «В» в результате взаимодействия радикалов 3а-е с нитрозопроизводными 4а-е.
При введении в систему 4-гидрокси-5-нитрозо-6-оксо-1,6-дигидропиримидин-2-карбальдегид оксима (41) индукционный период отсутствует, образующиеся радикалы быстро перехватываются ИР 61 с образованием аддуктов 71-] и процесс идет по схеме, приведенной на рисунке 2.
НО,
ISU^NH
т
ISU^NH
I
ОН
4f
n I
OH
J
Ж
NVNH
N
L I OH
6f
N^NH n
OH
+ 3a-e -►
OH _o n—/ ^n
_Vn=c' hn—^ + ym n о о
7f-j
7f - R=H, 7g - OH, 7h - CH3, 7i - C2H5, 7j - CH(CH3)2
n-oh
Рис. 2 - Схема образования аддуктов 7f-j при взаимодействии радикалов 3a-e с ИР 6f
Аналогичный результат дает использование окислителей: диоксида свинца и солей церия (IV) которые имеют стандартный окислительно-восстановительный потенциал выше, чем у NO+ (E°(no+/no) = 1.45 В, Ео(р-рь02/рь2+ ) = 1.46 В, Ео(се4+/се3+) = 1.61 В). Использование AgClO4 (E^Ag+/Ag) = 0.80 В, как окислителя с низким потенциалом не приводит к образованию аддуктов.
На масс-спектрах ESI аддукты, как правило, наблюдаются в виде протонитрованных [M+H]+ и депротонированных [M-H]- ионов. Для них характерно образование кластеров вида [nM+H]+ и [nM-H]-, n=2, 3. Наблюдается отщепление ОН' радикала с формированием ионов [M-OH]- и образование гидратированных протонированных ионов [M+H3O]+. Указанные ионы также образуют кластеры [nM-OH]- и [nM+H3O]+, n=2, 3.
Аддукт Xmax., нм + ESI [M+H]+ - ESI [M-H]- Аддукт Xmax., нм + ESI [M+H]+ - ESI [M-H]-
7a 513 - - 7f 513 - -
7b 513 - 282 7g 513 311 309
7c 513 - - 7h 517 309 307
7d 518 - - 7i 530 323 321
7e 518 - - 7j 517 337 335
Зарегистрированные псевдомолекулярные ионы и максимумы поглощения в видимой области спектра (в растворе в трифторуксусной кислоте) приведены таблице 2, характерный масс-спектр на рисунке 3, характерные УФ-видимые спектры на рисунке 4.
Рис. 3 - Масс-спектр ESI аддукта 7g: сверху - отрицательные ионы; снизу - положительные ионы
Рис. 4 - УФ-вид спектры аддуктов 7g и 7И при рН=4,5 в водно/ацетонитрильном формиатно-аммиачном буфере
Строение аддуктов 7а-] близко к известному аддукту, образованному иминоксильным радикалом виолуровой кислоты и вератриловым спиртом [6] и их фрагментация также описывается схемой с образованием циклических структур [7], [8]. Кроме того, изучение фрагментации полученных аддуктов и сравнение с фрагментацией аналогичных по структуре соединений [6] и мурексида [9] также демонстрирует схожий путь.
Рис. 5 - Масс-спектр MS2 аддукта 7b. Сверху - CID 20eV: снизу - изотопно-меченный, CID 25eV; Родительские ионы с m/z 283 и 283 соответственно
Наши исследования, проведенные с меченными N15 по нитрозогруппе виолуровой кислотой и 6-гидрокси-2-метил-5-нитрозо-пиримидин-4(3Н)-оном, подтверждает такую схему фрагментации. Для изотопно-меченных соединений изменение m/z ключевых ионов соответствует предполагаемой структуре, рисунок 5.
Таким образом, при масс-спектроскопии фрагментация аддуктов 7a-j происходит по единому механизму, приведенному на рисунке 6.
На начальной стадии фрагментации родительского иона а происходит отщепление радикала ОН с образованием мурексидо-подобного анион-радикала или катион-радикала b (в зависимости от полярности наблюдаемых ионов). Такой ход фрагментации характерен для N-оксидов [10], [11]. Затем происходят превращена диоксопиримидинового цикла, которые, в итоге, приводит к бициклическому иону f.
Рис. 6 - Схема фрагментации аддуктов 7 в отрицательных ионах
Заключение
Проведенное исследование показало возможность взаимодействия радикалов 2-алкилзамещенных 4,6-дигидроксипиримидинов с иминоксильными радикалами ряда 4,6-дигидроксипиримидинов с образованием мурексидо-подобных аддуктов. Фрагментация полученных соединений происходит по единому механизму, первой стадией которого является отщепление N-оксидного кислорода в виде гидрокси-радикала.
Конфликт интересов Conflict of Interest
Не указан. None declared.
Список литературы / References
1. Muhammad M. T. Syntheses of 4, 6-dihydroxypyrimidine diones, their urease inhibition, in vitro, in silico, and kinetic studies / M. T. Muhammad, K. M. Khan, A. Khan et al. // Bioorganic chemistry. - 2017. - V. 75. - P. 317-331.
2. Jansa P. 5-Substituted 2-amino-4,6-dihydroxypyrimidines and 2-amino-4,6-dichloropyrimidines: synthesis and inhibitory effects on immune-activated nitric oxide production / P. Jansa, A. Holy, M. Dracrnsky et al // Med. Chem. Res. - 2014. - V. 23. - P. 4482-4490.
3. Fu-qiang BI. Study on the Preparation Technique of Nitroform with High Security / F. Bi, B. Wang, X.G. Wang et al // Chinese Journal of Explosives and Propellants. - 2010. - V. 33. - №3. - P. 14 - 17.
4. Bellamy A. J. FOX-7 (1,1-Diamino-2,2-dinitroethene) / A. J. Bellamy // Structure and Bonding, High Energy Density Materials: - Berlin: Springer-velag Heidelberg., 2007. - V. 125. - P. 1 - 33.
5. Kim H.C. Molecular origin of the stability of violuric acid radicals at high pH-values / H.C. Kim, M. Mickel, N. Hampp // Chemical physics letters. - 2003. - V. 371. - №3-4. - P.410-416.
6. Mickel M. Origin of the mediator losses in electrochemical delignification processes: primary and secondary reactions of violuric acid and N, N'-dimethylvioluric acid radicals with lignin model compounds / M. Mickel, H.C. Kim, N. Hampp // Green Chemistry. - 2003. - V. 5. - №1. - P.8-14.
7. Demarque D. P. Fragmentation reactions using electrospray ionization mass spectrometry: an important tool for the structural elucidation and characterization of synthetic and natural products / D. P. Demarque, A. E. Crotti, R. Vessecchi et al // Natural Product Reports. - 2016. - V. 33. - №3. - P.432-455.
8. Szostek B. Investigation of natural dyes occurring in historical Coptic textiles by high-performance liquid chromatography with UV-Vis and mass spectrometric detection / B. Szostek, J. Orska-Gawrys, I. Surowiec et al // Journal of Chromatography A. - 2003. - V.1012. - №2. - P. 179-192.
9. Degano I. HPLC-DAD and HPLC-ESI-Q-ToF characterisation of early 20th century lake and organic pigments from Lefranc archives / I. Degano, P. Tognotti, D. Kunzelman et al // Heritage Science. - 2017. - V. 5. - №1. - P. 1-15.
10. Zagorevskii D. A mass spectrometry study of tirapazamine and its metabolites: Insights into the mechanism of metabolic transformations and the characterization of reaction intermediates / D. Zagorevskii, M. Song, C. Breneman et al // Journal of the American Society for Mass Spectrometry. - 2003. - V. 14. - №8. - P. 881-892.
11. Miao X. S. A tandem mass spectrometric study of the N-oxides, quinoline N-oxide, carbadox, and olaquindox, carried out at high mass accuracy using electrospray ionization / X. S. Miao, R. E. March, C. D. Metcalfe // International Journal of Mass Spectrometry. - 2003. - V. 230. - №2-3. - P.123-133.
