Особенности кислотного гидролиза 2-амино-4-(метилсульфоимидоил)-бутановой кислоты Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

УДК 615.28:648.6

П. А. Гуревич, Б. П. Струнин, А. Т. Губайдуллин, Т. Б. Пахомова,

Ю. Е. Сапожников, Л. Ф. Саттарова, И. Б. Струнина, П. В.Толмачёв, Ф. И. Гусейнов

ОСОБЕННОСТИ КИСЛОТНОГО ГИДРОЛИЗА 2-АМИНО-4-(МЕТИЛСУЛЬФОИМИДОИЛ)-БУТАНОВОЙ КИСЛОТЫ

Ключевые слова: стимулятор продуктивности, гидролиз, спектроскопия ЯМР, рентгено-структурный анализ (РСА).

Описано гидролитическое поведение 2-амино-4-(метилсульфоимидоил)-бутановой кислоты в среде серной и соляной кислот. С помощью метода ЯМР 13С установлена химическая структура образующихся соединений. Методом РСА доказано строение фосфорнокислой и сернокислой соли 2-амино-4-(метилсульфоимидоил)-бутановой кислоты, находящейся в кристаллическом состоянии.

Keywords: efficiency stimulator, hydrolysis, nuclear magnetic resonance spectroscopy, the rentgeno-structural analysis.

The hydrolytic behaviour 2 -amino -4 (metilsulfoimidoil)-butane acid in the environment of sulfuric and hydrochloric acids is described. By means of a nuclear magnetic resonance method 13С the chemical structure of formed connections is established. Method РСА proves a structure phosponic and sulfuric to salt 2- amino -4 (metilsulfoimi-doi)-butane acid which are in the crystalline state.

К основным продуктам питания человека принадлежит продукция животноводства и птицеводства. Удовлетворение населения в животных белках и жирах должно базироваться на полноценных рационах кормления и современных, экологически безвредных средств интенсивного откорма - стимуляторов роста. Это даст возможность более полно реализовать генетический потенциал животных, усилить энергию их роста не только без ущерба для качества продуктов питания, но и позволит во многом улучшить их функциональные характеристики.

В направлении поиска высокоэффективных и безвредных стимуляторов продуктивности животных и птиц ведутся работы по созданию препаратов, направленных на увеличение их продуктивности. Подобным препаратом является «Полизон» (Рег.№

Р056-2-2.2-2296), представляющий собой фосфорнокислую соль 2-амино-4-(метилтио)-бутановой кислоты (производное метионина), аналитические методы контроля которого разработаны ранее [1].

Проведенные нами комплексные исследования «Полизона» показали его экологическую безопасность (отсутствие отдалённого нейротоксического действия, мутагенных, тератогенных и эмбриотокси-ческих свойств). При этом соединение не оказывает отрицательного влияния на состояние здоровья и обмен веществ у животных.

Поскольку промышленное производство 2-амино-4-(метилсульфоимидоил)-бутановой кислоты в РФ и за рубежом отсутствует, перед нами встала задача разработать технологию производства её из доступного сырья.

Кислота (1) является типичной а-аминокислотой и существует, по-видимому, в форме внутренней соли.

Это косвенно подтверждается её высокой температурой плавления (187-210°С с разложением)

[2]. Иная картина наблюдается при переводе кислоты (1) в соль более сильной кислоты.

О

н3с-8-сн2—сн2—СН-СОО' 1

ЫН + 1\1Н3

Методом РСА установлена структура фосфорнокислой (структура А) и сернокислой соли 2-амино-4-(метилсульфоимидоил)-бутановой кислоты (структура В).

При крупнотоннажном производстве на выход и качество целевого продукта может существенно влиять недостаточная гидролитическая устойчивость реагентов, участвующих в процессе.

В кристаллах А и В реализуется трёхмерный каркас водородных связей. Причём все атомы водорода протонированных аминного и иминного атомов азота, кислотной группы катиона А и групп аниона структуры В участвуют в образовании системы водородных связей. Это послужило причиной для изучения процесса кислотного гидролиза 2-амино-4-(метилсульфонимидоил)-бутановой кислоты.

Обсуждение результатов

Основное различие структур А и В, по данным рентгеноструктурного исследования, заключается в том, что в первом случае реализуется комплекс однозарядного катиона (цвиттер-ионной формы с обоими протонированными атомами азота и депрото-нированной кислотной группировки) с однозарядным анионом фосфорной кислоты, а во втором - двухзарядного катиона дважды протонированной аминокислоты с анионом серной кислоты (Рис.1 и 4). При этом наблюдается выравнивание длин связей в карбоксильном фрагменте катиона А, соответствующее де-протонированной форме кислотной группы, и локализованные двойная и ординарная связи в катионе

структуры В. Остальные геометрические параметры катионов структур А и В совпадают в пределах экспериментальных погрешностей.

Следует отметить, что, несмотря на различное число водородных связей в структурах А и В, эти кристаллы изоструктурны (параметры ячеек близки, пространственная группа одинакова). По-видимому, трёхмерный каркас водородных связей, образующихся в этих кристаллах, связывающий анионы и катионы в единую систему, и не имеющий выделенного мотива Н-связей, не противоречит одинаковой упаковке этих солей.

Кристаллы соединения А триклинные, бесцветные, призматической формы. Структура расшифрована прямым методом программой SIR [3] и уточнена вначале в изотропном, затем в анизотропном приближении. Атомы водорода выявлены из разностных рядов электронной плотности, и уточнены изотропно в заключительных циклах. Все расчёты проведены по комплексу программ MolEN [4] на компьютере A1phaStation 200. Анализ межмолекулярных взаимодействий и рисунки структур получены с помощью программы PLATON [5].

Рис. І - Геометрия соли А в кристалле

Рис. 2 - Водородные связи в кристалле А

'А-

Рис. 3 - Упаковка молекул в кристалле А. Проекция вдоль оси ОУ

Рис. 4 - Геометрия соли В в кристалле

Рис. 5 - Водородные связи в кристалле В

Таким образом, в кристаллическом состоянии 2-амино-4-(метилсульфоимидоил)-бутановая кислота в форме фосфорнокислой соли имеет структуру:

О

II

Н3С—Б—С Н2—СН2—СН—СОО"

11 +

-O4PH2 ■ n+h2

I

+ NH3

А

а в виде сернокислой соли O

H3C-S-CH-CH-C,^COOH

13C_S_CH2 ^П2 .

3 11+ 2 2.| NH

2 SO42- +Nh3

B

При нагревании в водной среде в присутствии серной кислоты соединение (В) медленно гидролизуется с образованием ряда продуктов по следующей схеме:

О

II 2 Н2ЭО4

Н3^^СН-СН-С^СООН + 3 Н2О 2 4^

NH

2

I

nh2

+ _

I-IO-CI-ItCH-CH-COOH + H3CSO2OH + H4N*HSO4

з

4

б

МН3*НБ04

Далее, образующаяся кислота (3) (представлена в виде нейтрального соединения) отщепляет молекулу воды, циклизуясь в лактон (6)

H^^CH CH2 C| l“COOIH

з nh2

H2SO

'4

nh2

. /_O O б

+ H2O

Процесс гидролиза сопровождается разрывом С-Б-связи соли (под действием воды и серной кислоты):

О

2 Н2804

НзО-З-СН-СН^О^СООН + 3 Н20

3 „ 2 2 I

ЫН2*Н804 ын2

0

-► Н3С-8_08020- + Н^СН7СН“0^СООН

8

|_ЫН2 7

I

з 'ЫН3*Н804

Соединение (7) гидролизуется водой с образованием метилсульфонимидовой (8), метилсульфо-новой кислоты (9) и гидросульфата аммония (10). Перечисленные органические продукты идентифицированы методом ЯМР 13С (табл. 1-3):

О 0

Н=Р ^ ^ нг° 11 + -

7 ------- НзС-Э-ОН --------► Н£-5-ОН+

„ +ЫНг*Н507 9 Д 10

Следует отметить, что обязательным условием протекания данной реакции является применение сильных многоосновных кислот - серной и фосфорной. Под действием галоидоводородных кислот гидролиз в описываемых условиях проходит иначе. Длительное нагревание гидрохлорида (11) в избытке разбавленной соляной кислоты приводит к образованию гидрохлорида (12) и хлористого аммония (13):

О

СН3—Б—СН,СН,ОНСООН + Н2О НС| >

п2

+ЫН2*С!"

I

ЫН2

11

0

СН3—8—СН2СН2СНС00Н + Н4ЫС! 3 \\ 2 \

0 +ЫН3*С!" 13

12

Спектральные характеристики ЯМР 13С продуктов кислотного гидролиза 2-амино-4-

(метилсульфонимидоил)-бутановой кислоты приведены в табл.1-3).

Таблица 1 - Спектральные характеристики ЯМР С 2-амино-4-гидроксибутановой кислоты -(3)

4 3 2 1

Н0—СН2—СН2 - СН - С00Н

13

СН

ЫН2

3

а-- р н * Углеродный атом Приме- чание

Сі С2 С3 С4

5, м.д. 172.2 51.9 32.0 60.5 її X

Л, Гц - 146.3 130.2 142.7

5, м.д. 175.9 53.8 33.4 59.2 9 II X

Л, Гц - 141.0 128.0 142.7

Таблица 2 - Спектральные характеристики ЯМР 13С 2-оксо-3-аминотетрагидрофурана-(6) (пронумерованы атомы С)

/МН2

Н2С----СН

/3

Н2С^4 ^ С=0

0

Пара ра- метр Углеродный атом При- меча- ние

Сі С2 С3 С4

5, м.д. 175.0 49.4 27.2 68.0 рН = 1

Л, Гц - 146.3 137.5 157.0

Таблица 3 - Спектральные характеристики ЯМР 13С метилсульфоновой (9) и метилиминосульфоно-вой кислоты (11)

0 0

II II

8- -0Н Н3С—8—0Н

II 3 II

0 9 ЫН 11

Пара- метр Соединение Приме- чание

9 11

5, м.д. 39,4 45,2 рН = 1

39,3 48,6 рН = 9

Таким образом, гидролиз 2-амино-4-

(метилсульфонимидоил)-бутановой кислоты в среде серной или фосфорной кислот сопровождается разрывом С-Б-связи с образованием 2-амино-4гидроксибутановой кислоты (3), метилиминосуль-фоновой (11) и метилсульфоновой кислот (9).

Гидролиз гидрохлорида 2-амино-4-

(метилсульфонимидоил)-бутановой кислоты протекает с образованием 2-амино-4-(метилсульфонил)-бутановой кислоты.

Выводы

1. Методом РСА установлена структура сернокислой и фосфорнокислой солей 2-амино-4-(метилсульфоимидоил)-бутановой кислоты.

2. Выявлены особенности гидролиза изученных солей и методом ЯМР 13 С идентифицированы продукты гидролиза.

Литература

1. Струнин, Б.П. Разработка методов аналитического контроля препарата «Полизон» / Б.П. Струнин, В.А. Антипов, Л.Ф. Саттарова, Т.Б. Пахомова, Ю.Е.Сапожников, П.А. Гуревич // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 7. - С.53-56.

3

2. Струнин, Б.П. Термическая стабильность 1-амино-3-метилтиопропанкарбоновой кислоты и некоторых её производных / Б.П.Струнин, Е.И.Масленников,

Ф.И.Гусейнов, В.Г.Ковалев, В.В.Масленникова // Баш. хим. ж. - 2001. - Т.8. - № 4. - С .18-20.

3. Altomare А., Cascarano G., Giacovazzo С., Viterbo D. SIR. А computer program for the automatic solution of crystal

structures // Acta Crystallogr. - 1991. - yol. A47, N.4. -P.744-748.

4. Straver L.H., Schreibeek A.J. MOLEN. Structure Determination System. Nonius B.y. Delft. Netherlands. -1994. - Vol.l,2.

5. Spek A.L. PLATON for Windows, version 98. // Acta Crystallogr. - 1990. - Vol. 46, N.l. - p.34-41.

© П. А. Гуревич - д-р хим. наук, проф. каф. органической химии КНИТУ, [email protected]; Б. П. Струнин - д-р хим. наук, проф. каф. ОПП КНИТУ; А. Т. Губайдуллин - д-р хим. наук, вед. науч. сотр. ИОФХ им. А.Е. Арбузова; Т. Б. Пахомова - науч. сотрудник, ООО “Базис”, г. Уфа; Ю. Е. Сапожников - канд. физ.-мат. наук, нач. отдела ООО «Поливит», г.Уфа; Л. Ф. Саттарова - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. ин-та нефтехимпереработки РБ, г. Уфа; И. Б. Струнина - ст. науч. сотр. ООО “Базис” г. Уфа; П. В.Толмачёв - асп. Башкирского государственного аграрного университета; Ф. И. Гусейнов - д-р хим. наук, проф. зав. проблемной лаб. каф. органической химии КНИТУ.