Сравнительный анализ электронных спектров изомерных 1(2)-замещенных 1,2,4‑триазолопиримидинов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.792

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ СПЕКТРОВ ИЗОМЕРНЫХ 1(2)-З АМЕ ЩЕННЫХ 1,2,4-ТРИАЗОЛОПИРИМИДИНОВ

© 2013 г. А.В. Астахов, В.М. Чернышев, В.А. Таранушич

Астахов Александр Владимирович - канд. хим. наук, доцент, кафедра «Технология неорганических и органических веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-53-50. E-mail: [email protected]

Чернышев Виктор Михайлович - д-р хим. наук, профессор, кафедра «Технология неорганических и органических веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-53-50. E-mail: [email protected]

Таранушич Виталий Андреевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Технология неорганических и органических веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-53-50.

Astakhov Alexander Vladimirovich - Candidate of Chemical Sciences, assistant professor, department «Technology of Inorganic and Organic Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-53-50. E-mail: [email protected]

Chernyshev Victor Michailovich - Doctor of Chemical Sciences, professor, department «Technology of Inorganic and Organic Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-53-50. E-mail: chern13 @yandex. ru

Taranushich Vitaliy Andreevich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Technology of Inorganic and Organic Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-53-50.

Проведен сравнительный анализ электронных спектров изомерных 1(2)-замещенных 1,2,4-триазолопиримидинов. С помощью квантовохимическихрасчетов (B3LYP/6-311 ++G(2d,2p)) дана оценка энергетического состояния молекулярных валентных орбиталей 1,2,4-триазолопиримидинов в зависимости от положения заместителя и полярности среды.

Ключевые слова: УФ-спектр; 1,2,4-триазолопиримидин; изомер; анализ; квантовохимический расчет.

A comparative analysis of the electronic spectra of isomeric 1(2)-substituted 1,2,4-triazolopyrimidines was performed. The energy state of the molecular frontier orbitals of 1,2,4-triazolopyrimidines depending on the position of the substituent and environment polarity was estimated by quantum chemical calculations (B3LYP/6-311 + +G(2d,2p)).

Keywords: UV spectrum; 1,2,4-triazolopyrimidine; isomer; analysis; quantum chemical calculations.

Введение

Для синтеза новых биологически активных веществ [1 - 5] и новых материалов для техники и электроники нового поколения (светодиоды [6], молекулярные переключатели [7]) большой интерес представляют изомерные 1,2,4-триазоло[1,5-а]- и [4,3-a] пиримидины. Эти соединения используются в фармацевтике (препарат Rocornal® для лечения сердечнососудистых заболеваний) и сельском хозяйстве в качестве средств защиты растений (гербициды Pyroxsulam® и Flumetsulam®, фунгицид Ameto-ctradin®). Широкое практическое использование 1,2,4-триазолопиримидинов ставит проблему их качественного и количественного анализа доступными методами. Среди таких методов следует выделить УФ-спектроскопию, которую можно использовать не только в специально оборудованной лаборатории, но и в полевых условиях при экспресс-анализе гербицидов триазолопиримидинового ряда в растениях, пищевых продуктах, почве и воде, а также в промышлен-

ном производстве лекарственных препаратов и в криминалистике.

Существенное значение для практического анализа могут иметь электронные спектры изомерных 1- и 2-замещенных 1,2,4-триазолопиримидинов. Однако в литературе вопрос о влиянии строения, а также полярности растворителя на электронные спектры 1- и 2-замещенных 1,2,4-триазоло[1,5-а]- и [4,3-а] пири-мидинов оставался практически не изученным. Поэтому исследование электронных спектров 1(2)-замещенных 1,2,4-триазолопиримидинов является актуальной задачей, решение которой и явилось целью данной работы.

Методы исследований

Синтез соединений 4 - 8 осуществляли по известным методикам [8, 9]. УФ-спектры записаны на спектрофотометре Shimadzu UV-1800 в водных и водно-спиртовых растворах.

Для проведения квантовохимических расчетов использовалась программа Gaussian'09 [10]. Оптими-

зацию геометрии молекул и расчет энергетических характеристик проводили в рамках теории функционала плотности [11] с помощью 3-параметрового функционала Беке (Becke) [12] и корреляционного функционала Ли, Янга и Парра (Lee-Yang-Parr) [13], используя базисный набор 6-311++G(2d,2p) (B3LYP/6-311++G(2d,2p)) [12, 14]. Соответствие оптимизированных геометрических параметров молекул глобальному минимуму энергии подтверждали отсутствием отрицательных (мнимых) значений рассчитанных частот тепловых колебаний. Полярность среды учитывали с помощью приближения IEF-PCM [15].

Обсуждение результатов

Для установления влияния положения заместителя в 1,2,4-триазолопиримидиновом цикле и полярности среды на электронные спектры 1(2)-замещенных 1,2,4-триазолопиримидинов нами проведены кванто-вохимические расчеты модельных структур 1-3 (рис. 1). Наиболее важной характеристикой для электронных спектров поглощения в ультрафиолетовой и видимой области являются энергии граничных орби-талей и энергетический зазор между ними.

Энергии граничных орбиталей изомерных триазо-лопиримидинонов 1-3 (рис. 1) представлены в табл. 1. Энергия низшей свободной молекулярной орбитали (НСМО) для изомеров мезоионного соединения 1 и триазоло[1,5-а]пиримидина 3 в вакууме приблизительно одинаковая и составляет 0,5 эВ. Введение заместителя в положение 1 в соединении 2 приводит к стабилизации НСМО и уменьшению ее энергии на

0,08 эВ относительно энергии НСМО мезоионного соединения 1. Энергия высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) уменьшается в ряду 1 > 2 > 3. Следует отметить, что большие различия в величинах ДЕ (НСМО-ВЗМО) (табл. 1) соединений 1 - 3 должны приводить к существенному отличию электронных спектров этих соединений в вакууме и неполярных растворителях. Поскольку, в соответствии с результатами расчета, наибольшая разница в энергиях ВЗМО и НСМО характерна для мезоионного соединения 1, в спектрах триазолопиримидинов этого типа должен наблюдаться батохромный сдвиг максимумов поглощения по сравнению со спектрами остальных изомеров.

Для записи электронных спектров поглощения чаще всего используют растворы в водных либо других полярных растворителях. Вследствие существенного различия полярности исследуемых соединений изменение полярности растворителя может влиять на энергию граничных МО и электронные спектры поглощения изомеров 1 - 3. Согласно выполненным расчетам в воде должна происходить стабилизация ВЗМО, особенно в молекулах наиболее полярных соединений 1 и 3 (табл. 2). Учет воды также будет наиболее сильно сказываться на энергетическом зазоре между ВЗМО и НСМО для этих соединений. Однако для соединения 2 влияние полярного окружения растворителя сказывается в меньшей степени, поэтому ДЕ (НСМО-ВЗМО) для соединения 1 и 2 в воде отличаются незначительно (табл. 2), что будет приводить к схожести электронных спектров их водных растворов.

/ -N

О>0

N

Но

N-

/

О'

А.

N

3

н,

Рис. 1. Модельные структуры изомерных 1(2)-замещенных 1,2,4-триазолопиримидинов

Таблица 1

Энергии граничных орбиталей (Е, эВ) наиболее устойчивых таутомеров 3-амино-1,2,4-триазолопиримидинов (1-3) в вакууме при температуре 298 К в рамках теории B3LYP 6-311++С(2^,2р)

Структура Энергия молекулярной орбитали (МО) E, эВ AE (НСМО-ВЗМО), эВ

ВЗМО-2 ВЗМО-1 ВЗМО НСМО НСМО+1 НСМО+2

1 -7,56 -7,44 -5,72 -1,30 -0,96 -0,37 4,42

2 -7,73 -7,35 -5,93 -1,38 -0,36 -0,20 4,55

3 -7,58 -7,40 -6,31 -1,33 -0,86 -0,60 4,98

Примечание. Дипольный момент (ц, Д) для соединений 1-3 равен 5,93, 3,68 и 5,15 соответственно.

Ph

-N N- '

н2 H2N-4 Л-

Ph

О

О'

N

Ph

—N

Н2

N

Ph

HoN-^s Л-

Ph

I /Ь н2

n^n

8

Рис. 2. Структуры изомерных 1,2,4- триазолопиримидинов 4 - 8

Таблица 2

Энергии граничных орбиталей (Е, эВ) наиболее устойчивых таутомеров 3-амино-1,2,4-триазолопиримидинов (1-3) в воде при температуре 298 К в рамках теории B3LYP 6-311++С(2^,2/>)

Структура Энергия молекулярной орбитали (МО) E, эВ AE (НСМО-ВЗМО), эВ

ВЗМО-2 ВЗМО-1 ВЗМО НСМО НСМО+1 НСМО+2

1 -7,87 -7,50 -5,87 -1,38 -0,32 -0,29 4,49

2 -7,93 -7,42 -6,01 -1,48 -0,31 -0,23 4,53

3 -7,76 -7,33 -6,48 -1,30 -0,72 -0,28 5,19

Примечание. Дипольный момент Д) для соединений 1-3 равен 8,42, 3,64 и 6,77 соответственно.

Тем не менее зазор между заполненной и незаполненной орбиталями мезоионного соединения 1 минимальный и для него будет характерно появление максимумов поглощения в электронных спектрах в наиболее длинноволновых областях. Для соединения 2 можно наблюдать лишь небольшой сдвиг полосы поглощения в коротко-волновую область. Наиболее существенный сдвиг полосы поглощения в «синюю» область будет для 3-амино-1-метил-1,2,4-триазоло[1,5-а]пиримидин-7-она 3. Экспериментально полученные УФ-спектры мезоионных соединений 4 и 6 (рис. 2) в нейтральных водных растворах содержат два абсорбционных пика в области 233 - 234 нм (высокой интенсивности) и 331 - 332 нм (средней интенсивности), а в области ~270 нм наблюдается небольшое плечо низкой интенсивности (рис. 3 и 4).

В спектрах изомерных соединений 5 и 7 имеются три максимума: в области 225 - 226 нм (средней интенсивности), при 266 - 268 нм (низкой интенсивности) и при 330 - 331 нм (высокой интенсивности) (рис. 3 и 4). Как и предсказывалось расчетом, наблюдается незначительный гипсохромный сдвиг (на ~ 0,5 нм) всех максимумов поглощения в спектрах соединений 5, 7 по сравнению со спектрами мезоионных соединений 4, 6. При этом существенно изменяются коэффициен-

ты экстинкции. В коротковолновой области (~220 -230 нм) наблюдается гипохромный эффект, а в средне- (около 270 нм) и длинноволновой (около 330 нм) -небольшой гиперхромный эффект (рис. 3 и 4).

З.ЮОн—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—'—'—'—I—I—I—I—I—'—

-0.100^—'—'—'—'—I—'—'—'—'—1—1—1—1—'—I—'—'—'—1— 194.00 250.00 300.00 350.00 400.00

пт.

Рис. 3. УФ-спектры изомерных 1,2,4-: соединение 4 - пунктирная линия (водный раствор, концентрация 810-5); соединение 5 - сплошная линия (водный раствор, концентрация 9-10-5)

Рис. 4. УФ-спектры изомерных 1,2,4-триазоло [4,3-я]пири-мидинов: соединение 6 - пунктирная линия; соединение 7 -жирная сплошная линия; соединение 8 - тонкая сплошная линия. Концентрация всех соединений 510-5 (водный раствор)

Рис. 6. УФ-спектры для соединения 4 (пунктирная линия, водный раствор) и его гидрохлорида 4-kat (сплошная линия, раствор в 0,1 М HCl). Концентрация всех соединений 510-5

+,ph n-n

н Л

4-kat

Ph

fr* н, ЛЛг

-о

Ph

n-n

4-an

Рис. 5. Структуры изомерных 1,2,4- триазолопиримидинового соединения 4

Длинноволновая полоса поглощения в УФ-спек-трах водных растворов соединения 8, как и предсказывалось квантово-химическими расчетами, значительно смещается в коротковолновую область по сравнению с остальными изомерами (рис. 4). Этот сдвиг настолько существенный, что может позволить идентифицировать [1,5-а]-изомер в присутствии [4,3-а]-изомеров. Кроме того, в коротковолновой области спектра (203 нм) имеется максимум высокой интенсивности. Мы также попытались изучить влияние кислотности на спектры изомерных триазолопирими-динов. Однако оказалось, что соединения 5, 7 - 8 нестабильны в кислых и щелочных растворах. Поэтому было исследовано влияние кислотности на спектры мезоионных соединений 4, 6.

При протонировании соединения 4 в электронном спектре наблюдается гипсохромный сдвиг средне- и длинноволновой полосы поглощения по сравнению со спектром свободного основания. Сдвиг в средневолновой области (228 - 233 нм) составляет ~5 нм, тогда как в длинноволновой (310 - 331нм) —20 нм (рис. 6). В коротковолновой области спектра гидрохлорида 4-kat происходит батохромный сдвиг на ~7 нм со значительным гипохромным эффектом, что приводит к появлению в области 203 нм максимума поглощения средней интенсивности.

2.1001—г 2.000 ■■■

0.000 -^-

-□.юс'—1—'—'—'—'—1—'—'—'—'—1—»—'—>'—'—'—'—

190.00 250.00 300.00 350.00 400.00

пт.

Рис. 7. УФ-спектры для соединения 4 (пунктирная линия, водный раствор) и его аниона 4-ап (сплошная линия, раствор в 0.1 М №ОН). Концентрация всех соединений 510-5

В щелочной среде, по-видимому, происходит отрыв протона от аминогруппы соединения 4 с образованием аниона 4-ап (рис. 5) и наблюдается батохром-ный сдвиг всех полос поглощения на ~20 нм по сравнению со спектром соединения 4 (рис. 7).

Таким образом, с помощью квантовохимических расчетов и экспериментальных данных показана возможность применения УФ-спектроскопии для анализа изомерных аминозамещенных 1- и 2-Я-1,2,4-триазоло-пиримидинов.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», соглашение о предоставлении гранта № 14.B37.21.1187.

Литература

1. El-Nassan H.B. Synthesis and Antitumor Activity of Novel Pyrido[2,3-d][1,2,4]triazolo[4,3-a]pyrimidin-5-one Derivatives // European Journal of Medicinal Chemistry. 2011. Vol. 46, Iss. 6. P. 2031.

2. Bavelaar K., Khalil R., Mutikainen I., Turpeinen U., Marques-Gallego P., Kraaijkamp M., van Albada G.A., Haasnoot J.G., Reedijk J. A dinuclear silver compound with 5,6,7-trimethyl-[1,2,4]triazolo[1,5-a]pyrimidine with a short Ag-Ag bond. Synthesis, characterization, single-crystal structure analysis and cytostatic activity // Inorganica Chimica Acta. 2011. Vol. 366, Iss. 1. P. 81.

3. Henen M.A., El Bialy S.A.A., Goda F.E., Nasr M.N.A., Eisa H.M. [1,2,4]Triazolo[4,3-a]quinoxaline: synthesis, antiviral, and antimicrobial activities // Med. Chem. Res. 2012. Vol. 21. P. 2368.

4. Deev S.L., Yasko M.V., Karpenko I.L., Korovina A.N., Khan-dazhinskaya A.L., Andronova V.L., Galegov G.A., Shesta-kova T.S., Ulomskii E.N., Rusinov V.L., Chupakhin O.N., Kukhanova M.K. 1,2,4-Triazoloazine derivatives as a new type of herpes simplex virus inhibitors // Bioorganic Chemistry. 2010. Vol. 38, Iss. 6. P. 265.

Поступила в редакцию

5. Farghaly Th.A., Hafez N.A.A., Ragab E.A., Awad H.M., Abdalla M.M. / Synthesis, anti-HCV, antioxidant, and per-oxynitrite inhibitory activity of fused benzosuberone derivatives // European J. Med. Chemistry. 2010. Vol. 45. P. 492.

6. Liu Z.-M., Wang H.-B., Zhu X.-L., Tu H.-Y., Yang G.-F. Blue Organic Light-emitting Supramolecular Microfibers: The Self-assembly of a 1,2,4-Triazolo[1,5-a]pyrimidine Derivative // Molecules. 2008. №. 13. P. 855.

7. Machura B., Palion J., Mrozinski J., Kalinska B., Kruszynski R.

Synthesis, spectroscopic investigations, X-ray studies and magnetic properties of novel three-dimensional thiocyanato-bridged manganese(II)-mercury(II) coordination polymers // Polyhedron. 2013. Vol. 49, Iss. 1. P. 216.

8. Chernyshev V.M., Astakhov A.V., Starikova Z.A. Reactionof 1-substituted 3,5-diamino-1,2,4-triazoles with P-ketoesters: synthesis and new rearrangement of mesoionic 3-amino-2H-[1,2,4]triazolo[4,3-a]pyrimidin-5-ones // Tetrahedron. 2010. Vol. 66, Iss. 18. P. 3301

9. Астахов А.В. Синтез 1,2,4-триазолопиримидинов на основе реакций 1-замещенных 3,5-диамино-1,2,4-триа-золов с 1,3-биэлектрофильными реагентами: дис. ... канд. хим. наук. Ростов н/Д., 2011.

10. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E. at all. Gaussian 09, Revision A.02. Gaussian. Inc.: Wallingford. CT. 2009.

11. Parr R.G., Yang W. Density Functional Theory of Atoms and Molecules; Oxford University Press. New York, 1989.

12. Becke A.D. A New Mixing of Hartree-Fock and Local Density-Functional Theories // J. Chem. Phys. 1993. Vol. 98. P. 1372.

13. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti Correlation-Energy Formula into a Functional of the Electron Density // Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1988. Vol. 37. P. 785.

14. Becke A.D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange // J. Chem. Phys. 1993. Vol. 98. P. 5648.

15. Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. Quantum mechanical continuum solvation models // Chem. Rev. 2005. Vol. 105. P. 2999. др.] // Изв. вузов. Строительство. 2001. № 2-3. С. 9-14.

27 декабря 2012 г.