CC BY
28
УДК547.83: 541.135.21
М. И. Евгеньев, Ф. С. Левинсон, И. И. Евгеньева,
Е. А. Ермолаева, Я. Р. Валитова
ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОСТИ ЗАМЕЩЕННЫХ
5,7-ДИНИТРОБЕНЗОФУРАЗАНОВЫХ И НИТРОБЕНЗОДИФУРАЗАНОВЫХ
ПРОИЗВОДНЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОВ НА
ЭЛЮИРОВАНИЕ В ОФ ВЭЖХ
Изучены кислотно-основные свойства продуктов взаимодействия ме-токсинитробензодифуразана, 4-хлор-7-нитробензофуразана и 4-хлор-5,7-
динитробензофуразана с рядом замещенных анилинов. Установлена корреляция между рКа изученных соединений и временами удерживания их в ОФ ВЭЖХ.
Соединения, содержащие аминные функциональные группы, используются в различных отраслях промышленности и токсичны для здоровья человека [1]. Определения этих соединений часто проводят методом ВЭЖХ после получения производных. Часто для этого используют 4-хлор-7-нитробензофуразан [2], хотя показана возможность применения 4-хлор-5,7-динитробензофуразана [3]. Для установления механизма поведения производных в ВЭЖХ необходимо знание факторов, влияющих на их элюирование.
Для оценки электроноакцепторной силы нитробензодифуразанильного фрагмента изучена ЫИ-кислотность продуктов взаимодействия метоксинитробензодифуразана, 4-хлор-7-нитробензофуразана и 4-хлор-5,7-динитробензофуразана с рядом замещенных анилинов:
Л
К
N0,
Ы00
02Ы
I
II
Методом потенциометрического титрования установлено, что в ДМСО и диметил-формамиде изученные соединения являются однопротонными ЫИ-кислотами:
0
N
N
И И
N
0
N
К
к.
А
N N
N
N0.
N
0
N
К
+И
По результатам титрования (среднее из 8 измерений) рассчитаны константы диссоциации рКа, приведенные в таблице 1. Из данных таблицы 1 следует, что динитробензо-фуразанильные соединения (ряд II) являются более сильными NH-кислотами по сравнению с мононитробензофуразанильными и нитробензодифуразанильными соединениями (ряды I и III). Это свидетельствует о более сильном электроноакцепторном влиянии 5,7-
динитробензофуразанильного фрагмента на NH-реакционный центр по сравнению с 7-нитробензофуразанильным и нитробензодифуразанильными фрагментами, что отражает более высокую электроноакцепторную силу фуразанового звена в этих соединениях по сравнению с нитрогруппой.
Сравнение р-коэффициента (3,13) для изученной серии с таковым для серий 2 (р = 2,46) и 3 (р = 1,21) свидетельствует о большей чувствительности NH-ариламинированных нитробензодифуразанов к введению заместителя в фенильное ядро.
Для сопоставления электроноакцепторной силы фуразанового фрагмента с действием нитрогруппы сравнены величины условных а - констант Гаммета фуразанового фрагмента и нитрогруппы. Проведенные исследования, опубликованные в [4], приводят к выводу о том, что в зависимости от положения относительно NH-центра фуразановый фрагмент проявляет различную электроотрицательность. В метаположении фуразановый фрагмент проявляет электроноакцепторность, равную примерно полусумме величин электроноакцепторно-стей, характерных для нитрогрупп, занимающих м- и п- положения в бензольном кольце. В ортоположении относительно NH-центра фуразановый фрагмент проявляет значительно большее значение электроноакцепторности. На этом основании был сделан вывод о проявлении фуразановым звеном «ортоэффекта», который можно объяснить более сильным взаимодействием атома азота в фуразановом фрагменте с атомом азота NH-центра [4]. О неоднозначности проявления фуразановым фрагментом «ортоэффекта» свидетельствуют результаты, полученные при изучении реакционных серий, содержащих 5,7-динитробензофуразанильный, нитробензодифуразанильный и пикрильный фрагменты. При переходе от пикрильного фрагмента бензофуразана (рКа(ДМСО) = 1,10; СТусл=1,75) к нитробензодифуразанильному (рКа(ДМСО) = 1,10; СТусл = 1,17) и особенно к 5,7-
динитробензофуразанильному (рКа(ДМСО) = -1,76; СТусл =1,27) электроотрицательность возрастает. Следовательно, можно было ожидать значительно меньшей величины аусл. фу-разанового фрагмента в 5,7-динитробензофуразанильном соединении. В действительности Таблица 1 - Константы кислотной диссоциации аминопроизводных 7-нитрофуразана (I), 5,7-динитробензофуразана (II) и нитробензодифуразана (III) в ДМФА и ДМСО
Заместитель, Р а [5] Соединения
Серия I Серия II Серия III
рКа ДМФА рКа ДМСО рКа ДМФА рКа ДМСО рКа ДМСО
4-ОН -0,357 6,22 2,03
3-ОН -0,002 5,62 1,57
4-00^ -0,268 5,76 1,57 4,62
3-00^ 0,115 5,36 1,18
2-00^ - 5,73 1,54
4-002^ -0,24 6,29 1,98 4,11
4-0^ -0,17 5,85 1,66 4,06
4-02^ 4,36
3-0^ -0,063 5,41 1,22 3,13
2-0^ - 5,29 1,11
4-РИ -0,01 5,31 1,17 2,9
2-РИ - 4,61 0,43
H 0 8,33 4,01 4,09 -0,16 3,13
4-Рh-4’-N02 2,74
3-C00H
4-C0NH2 2,72
4-0000^ 0,436 4,28 0,15
3^3 0,415 4,38 0,2 1,87
4-00 002^ 2,44
4-СООС4Н9 6,10 1,91
4-000^ 1,61
4-S02NH2 1,83
4^^ 0,39 4,43 0,18 1,95
4^02 0,778 6,89 2,90 0,8
3^02 7,25 3,42
3,4-С1 0,373 3,97 -0,21
-4-С1 0,227 4,45 0,27
-4-Вг 0,232 4,85 0,73
-4^ 0,18 4,97 0,74
-4-ОРh -0,028 5,34 1,16
-2,5-С1 0,573 3,21 -0,97
-3,4-СНз -0,239 6,91 2,72
наблюдается некоторое увеличение значения аусл фуразанового фрагмента. Этот факт можно объяснить тем, что NH-кислотность определяется степенью электроноакцепторного воздействия на р-электроны межъядерного азота, и чем они больше смещены в сторону акцептора, тем выше кислотность соединения. В последнем случае на NH-группу действует два акцептора, при этом разнонаправленно и ослабляющих действие каждого из них.
В первой модели не слишком сильное влияние на NH-кислотность пикрильного производного соответствует проявлению сильного влияния фуразанового фрагмента. Во второй модели нитродифуразан, осуществляющий более сильное действие на NH-центр, «не позволяет» проявляться сильному электроноакцепторному эффекту фуразанового фрагмента, и происходит снижение последнего. В третьем случае влияние динитроБФ (самый сильный акцептор в этом ряду) должно было еще в большей степени ослабить влияние фуразанового фрагмента. Поэтому в результате аусл. должна быть заметно меньше 1,0, а она, напротив, почти на четверть единицы больше.
Установлено, что рКа(ДМСО) 5,7-динитробензофуразанового производного нитро-дифуразана равно -1,56. Соответственно электроноакцепторное действие двух фуразано-вых фрагментов выражается величиной аусл., равной 1,18 (в расчете использована корреляционная зависимость pKa=- 2 ,46 а+ 1,30). Интересно, что «ортоприсутствие» фуразанового фрагмента сохранилось, а кислотность объекта и аусл. уменьшились. Мы предполагаем, что здесь проявляется взаимодействие двух фуразановых фрагментов, но со знаком «минус». Действительно, второй акцептор добавляется, а кислотность между тем понижается. Причинами неопределенности во влиянии на кислотность фуразанового фрагмента, когда он расположен рядом с NH-центром, могут быть особенности пространственного строения
молекул исследуемых веществ и связанные с ними сольватационные эффекты растворителей.
Для исследуемых соединений изучена корреляция констант кислотной диссоциации рКа(ДМСО) с а - константами Гаммета [5]. Регрессионное уравнение для изученной серии записывается как
рКа=-3,20 а+1,31 (п =17, г =0,926).
Кислотность изучаемых объектов в ряду соединений I, II и III повышается с переходом от более сильных электронодоноров к менее сильным и от менее сильных электроноакцепторных заместителей в ариламинной части к более сильным. Так, значение ДрКа между 4-(4-гидроксифениламино)-5,7-динитробензофуразаном и 4-(4-хлорфениламино)-
5,7-динитробензофуразаном, содержащим более электроноакцепторный заместитель, составляет 1,86 ед. рКа. Это позволяет нам сделать предварительный прогноз времен удерживания исследуемых ариламиновых производных в системе высокоэффективной жидкостной хроматографии. Известно, что чем ниже значение рКа, тем быстрее вещество элюируется из колонки, и наоборот. Для указанных п-гидроксифениламинового производного (значение рКа в ДМСО 2,03) и п-хлорфениламинового производных (значение рКа в ДМСО 0,27) времена удерживания составляют 2,668 и 1,955 мин соответственно (элюент -ацетонитрил).
Регрессионное уравнение времени удерживания в ВЭЖХ в зависимости от константы кислотной диссоциаци для ариламиновых производных 5,7-динитробензофуразана при использовании в качестве элюента метанола выглядит как
т (мин) = 0,26 рКа + 2,40. ( Г = 0.955, П = 14).
При использовании в качестве элюента ацетонитрила уравнение регрессии записывается следующим образом:
т (мин) = 0,50 рКа +2,0. (г = 0,963, п = 11).
Для ариламиновых производных нитробензодифуразана при элюировании ацетонитрилом уравнение регрессии записывается в виде
т (мин) = 0,44 рКа +1,31 (г = 0,915, п = 13).
Таким образом, корреляции подтверждают зависимость времен удерживания в ВЭЖХ от кислотности разделяемых соединений. Этот факт согласуется с описанным влиянием на время элюирования соединений их кислотности [6, 7].
Кислотность исследуемых ароматических производных выше в ДМСО по сравнению с ДМФА. Как сообщалось ранее [8, 9], для 7-нитробензофуразановых производных разница в величинах рКа ДМФА и ДМСО находится в интервале от 3,8 до 4,7 единиц рКа, такое же значение ДрКа сохраняется и для производных соединений ряда II. Следовательно, между величинами рКа изученных соединений в ДМФА и ДМСО наблюдается линейная корреляция:
рКа (ДМСО) =0,9965рКа (ДМФА) - 4,1671 (г = 0,993, п=9).
На основании этой корреляции были вычислены недостающие значения рКа замещенных соединений II в ДМФА (табл. 1). Константы кислотности коррелируют с СТ-константами Гаммета.
Введение в корреляцию значений рКа (ДМФА) практически не ухудшает ее (Г =
0,975, П = 15). Это позволяет использовать расчетные данные констант наряду с полученными значениями методом неводного потенциометрического титрования для оценки хроматографического поведения исследуемых производных.
Экспериментальная часть
Объекты исследования (I) - (III) получены конденсацией мета- и паразамещенных нуклеофилов с нитробензодифуразаном, 4-хлор-7-нитрофуразаном и 4-хлор-5,7-
динитробензофуразаном [4]. Исследуемые производные титровали в растворе ДМСО гидроокисью тетрабутиламмония с использованием в качестве стандарта пикриновой кислоты. Измерения проводили на прецизионном pH-mV-метре mV-87S с электронной индикацией потенциала с использованием стеклянного электрода марки ЭСЛ-П-05 в качестве индикаторного и хлорсеребряного электрода марки ЭВЛ-5М в качестве электрода сравнения. Растворители очищали по общепринятым методикам .
Литература
1. Николаев, Ю.Т. Анилин / Ю.Т. Николаев, А.М. Якубсон. - М.: Химия, 1984. - 152 с.
2. Toyo’oka T. New fluorogenic reagent having halogenobenzofurazar structure for thiols: 4-(aminosulfonyl)-7-fluoro-2,l,3-benzoxadiazoles / T. Toyo’oka, J. Watanabe, K. Imai // Anal. Chim. Acta. - 1983. - V. 149. - P. 305 - 312.
3. Евгеньев, М.И. Изучение параметров разделения 5,7-динитробензофуразановых и нитробензо-дифуразановых производных ароматических аминов в ОФ ВЭЖХ / М.И. Евгеньев [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2005. - N 1. - С. 81-85.
4. Левинсон, Ф.С. Оценка влияния фуразанового фрагмента на NH-кислотность 5- и 4-пикриламинобензофуразанов в ДМСО и ДМФА / Ф.С. Левинсон [и др.] // ЖОХ. - 2005. - Т.75. -Вып.6. - С. 988-991.
5. Жданов, Ю.А. Корреляционный анализ в органической химии / Ю.А. Жданов, В.И. Минкин. -Ростов на Дону: Изд-во Ростов. ун-та, 1966. - 469 с.
6. Alber, K. Chemically Modified Oxide Surfaces (Chemically Modified Surfaces, vol. 3) / K. Albert, B. Pettina, E. Bayer, D.E. Leyden (Ed.). - New York: Gordon & Breach, 1990. - 233 p.
7. Marques, I. Solvent effects on mobile phases used in liquid chromatography: factor analysis applied to protonation equilibria and solvatochromic parameters / I. Marques, G. Fonrodona, S. Buti, J. Barbosa. // Trends in Analyt. Chem. - 1999. - V. 18. - № 7. - P. 472-479.
8. Левинсон, Ф.С. Кислотность анилино- и нитроанилинопроизводных нитробензофуразанов в ДМФА и ДМСО / Ф.С. Левинсон [и др.] // ЖОХ. - 1988. - Т. 58 - №5. - С. 1080-1082.
9. Левинсон, Ф.С. Кислотность замещенных 2,4,6-тринитродифениламина в диметилформамиде и диметилсульфоксиде / Ф.С. Левинсон [и др.] // ЖОХ. - 1981. - Т. 51. - №11. - С. 2560-2564.
© М. И. Евгеньев - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; Ф. С. Левинсон - канд. хим. наук, доц. каф. химии и технологии органических соединений азота КГТУ; И. И. Евгеньева - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; Е. А. Ермолаева - канд. хим. наук, ассист. той же кафедры; Я. Р. Валитова - канд. хим. наук, ассист. той же кафедры.
