CC BY
41
УДК 543.51:547.495.2
Е. Г. Галкин (к.х.н., с.н.с.)1, А. С. Ерастов (асп.)1, Е. М. Вырыпаев (к.х.н., с.н.с.) 1, Р. Р. Каюмова (м.н.с.)2, С. А. Мещерякова (к.фарм.н., доц.) 2, И. И. Фурлей (д.х.н., проф.)1
Влияние степени окисления атома серы на пути фрагментации 8-содержащих производных 1,2,4-триазола при ионизации
электронами
1 Институт органической химии Уфимского научного центра РАН, лаборатория физико-химических методов анализа 450054, г. Уфа, пр. Октября 71; тел. (347) 235-61-19, е-тоИ: spectr@anrb.ru 2 Башкирский государственный медицинский университет, кафедра фармацевтической химии 450000, г. Уфа, ул. Ленина 3; тел. (347) 274-95-52, е-тоИ: chemlum@anrb.ru
E. G. Galkin1, A. S. Erastov1, E. M. Vyrypaev1, R. R. Kayumova2, S. A. Mescheryakova2, I. I. Furley1
The influence of sulphur oxidation degree on fragmentation of S-containing derivatives of 1,2,4-triazol under electron
ionization
1 Institute of Organic Chemistry of Ufa Research Center of Russian Academy of Sciences 71, Oktyabrya Pr, Ufa, 450054, Russia; ph. (347) 235-61-19, e-mail: spectr@anrb.ru
2Bashkir State Medical University 3, Lenina str., Ufa, 450000, Russia; ph. (347) 274-95-52, e-mail: chemlum@anrb.ru
Проведено определение масс-спектрометричес-ких характеристик молекулярных ионов и точных значений массовых чисел всех значимых пиков ионов в масс-спектрах с электронной ионизацией 3-бром-(4-нитроэтилиден)-гидрази-но-(1-тиетанил-3)-1,2,4-триазола (1) и его 1-оксо- (2) и 1,1-диоксо- (3) производных. Расчеты электронной структуры показывают, что природа высших занятых молекулярных орби-талей существенно влияет на процессы формирования масс-спектров исследуемых соединений. Увеличение степени окисления атома серы приводит к исчезновению неподеленной пары п5 и снижению вкладов серосодержащих фрагментов.
Ключевые слова: масс-спектрометрия с ионизацией электронами; производные 1,2,4-триазола; квантово-химические расчеты; зависимость фрагментации молекулярных ионов от степени окисления атома серы.
Measurements of mass-spectromical characteristics of molecular ions and precise values of mass numbers of all significant ion peaks in electron ionization mass-spectra of 3-brom-(4-nitro-ethyliden)-hydrazino-(1-tiethanil-3)-1,2,4-triazol (1) and its 1-oxo- (2) and 1,1-dioxo- (3) derivatives are carried out. Properties of the highest occupied molecular orbitals are shown to influence significantly on the analyzed compounds mass-spectra generation processes. The increase of sulphur atom oxidation degree leads to ione electron pair disappearance and sulphur containing fragments contribution reduction.
Key words: electron ionization mass spectrometry; 1,2,4-triazol derivatives; quantum-chemical calculations; dependence of fragmentation of molecular ions on the sulphur oxidation degree.
Поиск биологически активных соединений на основе производных 1, 2, 4-триазола, обладающих широким спектром фармакологической активности привлекает большое внимание к исследованию их физико-химических характеристик. С этой целью были получены
Дата поступления 16.02.09
масс-спектры 3-бром-5-(4-нитроэтилиден)-гид-разино-(1-тиетанил-3)-1,2,4-триазола 1 и его 1-оксотиетанил- 2 и 1, 1-диоксотиетанил-произ-водных 3 (рис. 1—3) и проведен анализ путей фрагментации данных соединений в зависимости от степени окисления атома серы.
Br^N I
H CH3
n = 0 (1), 1 (2), 2 (3)
N
NO2
lT
го-
□
S=(0\
.J(1mam)#204 RT: 8,83 AV: 1 NL:i,51E6 T: +íft Ful! ms [ 49,50-800,581
m ^
* 30-
c
cu
§ ffl ii st
j 4'Q-
60,0 11,1 97,1 103,1 l-r-T^^r'rn-r^f^'
Ц8.1
Утч'-Г"] v'r
153,0
JX
245,1
M
-S=(0)n
! f 187,0 шща 246.1 , 'I 'l ■! I' ' ' ' "Г".....I I " I I" I ' I ' ■! '"Í''''
31 7, 1 285 8 309J)_ i
.....Г^Л
350,0
mo^
M
395,9931,
ЩЗЩЖ ,0 Г"'" i T I"
ЗД9.0
ГГТ
60 88 100 120 140 160 188 -200 720 240 260 280 :':-300 320 ШШ ЗБ0 Í380 480
mfc
Рис. 1. Масс-спектр соединения 1
_1(Ш2Н1 #240 RT: 10,46 AV: 1 NL: 7.09ÍF5 T: + с El Full ins [ 4S.4918_[;Cl,50]
i'i 7,1
100'
ш оМ-
с _
13 -
с 60-
<
ш > 40-
ш -
ct 20 :
Ш
T£,0
69,0
53,0
77,1
177.1
N
Hjí
_,N
■1.36,0
m,i
U
149,0
J...1I -ill
.....|""l ......... "Г"1
100 Ч20 140 160
-H
203,1
178,1
205,1
411,9921
285,1
.271,1
231'..; 244.1 249Й
M I I I I I' I M ............ I l i i I l i I I i l i I l i i I i i I I i i I I
200 220 240 .260 280 300 320 340 Щ 380 400 420
ЩШ
JJLL
2861. ЩМ §50 0 364,0 Г" 309,0 jL ,1ц ,||| .381,0
I I-
-r
398 0 jll.
.41_5,D
416,0 L.
50
80
IE
Рис. 2. Масс-спектр соединения 2
J.(3di¡28)#250 RT: '0,90 Щ. 1 NL:'5.,S1E5 T: + с Ei Full ms [49,50-800,50] 69,0
11-0,0 1171
70т
„,00-
о
£50-4
Е 40-Е
<
30-=
(О
"20-J 63,
10^
0- •Чч-
70,0
F~*— H
U
'I" I"11"11 'I'
91,0
¿V.
169.0 181 3
Щ _U
г ' •' 1
80 ffiffi :iw 140
1-6И
й%т Щ
205,0
281,0 ,
■260 0 11 a J
i I 305j; ИШ
,11. и I.L , I. i .i . 11. .iii
M-+
423,0074
■■Э'43,0
' \4
I. . ■ I
393,0 1Л№ Q!!
I ' ' I ' 11 Í 1 1 1 I 1 nT" ' I 111 П 11 I 1 1 1 I 1 11 I 1 ' 1 I 11 1 Í 1 1 1 1 1 rMri i
100 180 200 -220 '240 116 ИВ ЯШ Ш 340 300 380 400 420
Рис. 3. Масс-спектр соединения 3.
Экспериментальная часть
Исследуемые соединения получены алки-лированием 3, 5-дибромтриазола в водной среде эквимолекулярным количеством эпитиохлор-гидрина в присутствии эквимолекулярного количества щелочи при температуре 50—55 оС 2' 3.
Полученные соединения (1, 2, 3) охарактеризованы спектрами ИК, ЯМР и ЯМР 13 C 1 2. Масс-спектры записаны на приборе Finnigan MAT 95 XP при температуре источника ионов 200 оС и энергии ионизирующих электронов 70 эВ. Прямой ввод проб, изотерма 50о, нагрев 22о мин-1, t° - 270о. Точное опреде-
ление массовых чисел ионов проведено в диапазоне 1—1000 D при разрешении 10000 на высоте 10 %. Точное измерение массовых чисел было выполнено для всех значимых ионов, образующихся в источнике, с использованием процедуры совмещения пиков. В качестве стандарта использовался перфторкеросин. Расчеты электронного строения соединений (1, 2, 3) осуществлены в программе РС Gamess (версия 7.0) методом RHF/3-21G* с предварительной оптимизацией геометрических параметров.
Обсуждение результатов
В условиях масс-спектрометра при энергии ионизации электронов 70 эВ образующиеся молекулярные ионы получают не всю энергию, а сверх ионизации 2—5 эВ, соизмеримую с энергией разрыва связей в нейтральной молекуле. Электрон может удаляться с любой молекулярной орбитали. При этом происходит ослабление связей по сравнению с нейтральной молекулой. Особенно сильно понижается прочность близлежащих связей в гетероатомных
частях, то есть ионизация происходит в местах, где имелись свободные п(р)-электроны 3.
В масс-спектрах соединений (1, 2, 3) зарегистрированы значительные пики молекулярных ионов (МИ), точные значения массовых чисел которых соответствуют предполагаемым брутто-составам (табл.). Анализ спектральных данных показал, что такое структурное различие, как окислительное состояние атома серы, существенно изменяет процессы формирования масс-спектра при ионизации электронами (ИЭ). Вероятно, это связано с природой верхних занятых молекулярных орбиталей (ВЗМО).
Расчет электронного строения показал, что ВЗМО для всех соединений (1—3) являются п-орбиталь, локализованная в основном на связи N—С (пм__С) гетероцикла с участием неподеленной пары (НП) атома Вг и МО, локализованных на N02 — группах. Последующие МО этих соединений локализованы преимущественно на неподеленных парах атомов азота и брома.
Соединение: № 1, - 2, О 3, О2
Ионы т/г (инт. в % от макс.пика) [состав иона]
М+ 395.989 (29.3) [С1зН1зВгЫбС23] 411.996 (68.2) [С1зН1зВгЫбСзЗ] 427.990 (60.6) [С1зН1зВгЫ6С43]
6.8 12.4 15.4
[М-1\Ю2]+ 350.0126 (10.0) [С1зН1зВгЫ5Э] 366.002 (8.1) [С1зН1зВгЫ5СЗ] 381.998 (3.1) [С1зН1зВгЫ5С23]
[М-Вг]+ 317.082 (14.1) [С1зН1зМбС2Э] 333.076 (3.2) [С1зН1зМ6СзЭ] 349.073 (28.2) [С1зН1зМ6С4Э]
73.011 (100) [СзН5Э] 89.005 (4.2) [СзН5ЭС] 105.000 (13.1) [СзН5ЭС2]
[М-СзНЩСОпГ 323.992 (93.8) [С10Н9ВгЫбС2] 323.994 (8.2) [СюНдВ^С^ 323.995 (15.1) [СюНдВ^С^
+ N02 163.051 (12.0) [С8Н7Ы2С2] 163.051 (42.5) [СвН7М2С2] 163.049 (33.7) [СвНуМ2С2]
т 117.057 (39.8) [С8Н7Ы] 117.055 (100) [СбН71\1] 117.057 (100) [СаН/Ы]
[М-ЭС]+ - 364.0365 (7.5) [С1зН1зВгЫ6С2] 380.232 (0.5) [С1зН1зВгЫ6Сз]-
[м-эснГ - 363.0205 (6.0) [С1зН12ВгЫ6С2] 379.0154 (0.6) [С1зН12ВгЫ6Сз]-
[М-СИ23(СН)п]+ - 349.003 (6.8) [С12Н10ВгЫ6С2] 364.9998 (0.3) [С12Н10ВгЫ6Сз]-
[М-Вг-Э(0)п]+ - 285.111 (49.0) [С1зН1зИ6С2] 285.113 (37.0) [С1зН1зЫ6С2]
[М-СзН4Э(С)п-Вг]+ 245.084 (19.0) [С10Н9ЫбС2] 245 (5.5) [С10Н9Ы6С2] 245.0804 (12.5) [С10Н9Ы6С2]
Таблица
Интенсивности характеристических пиков ионов в масс-спектрах 3-бром-5-(3-нитроэтилиден)-гидразино-(1-тиетанил-3)-1, 2, 4-триазола и его 1-окса- и 1, 1-диосатиетанил- производных
В масс-спектрах сульфоксида 2 и сульфо-на 3 наибольшей интенсивностью обладают азотосодержащие фрагменты состава CgH7N2O2+ (m/z=163.051) и C8H7N+ (m/z=117.055) (см. табл.). Следовательно, ионизация ВЗМО п-типа — причина появления этих осколочных ионов.
Основное отличие соединения 1 — это наличие МО неподеленной пары на атоме серы (n S), расположенной по энергии ниже, чем МО, локализованные rn-NO2 и C—N- группах. Общеизвестно, что на качественном уровне квазиравновесная теория удовлетворительно описывает масс-спектры органических соединений при ионизации электронами (согласно ее основному постулату при ионизации избыточная энергия перераспределяется по всем степеням свободы, в том числе и колебательным, т.е. протекают быстрые безызлучатель-ные переходы). Естественно ожидать, что в этом случае заряд будет с большей вероятностью находиться на ВЗМО и в значительной степени влиять на фрагментацию молекулярного иона. С этой точки зрения наличие в масс-спектре 1 интенсивного серосодержащего иона с m/z 73, по-видимому, и связано с конечной локализацией заряда на атоме S. С повышением степени окисления атома S (соединения 2, 3) эта НП атома серы исчезает, и вклад, как данного фрагмента, так и других серосодержащих ионов падает с 48% в спектре соединения 1 до 30^34 % от полного ионного тока для 2 и 3. Для последних, кроме того, наблюдаются характерные перегруппировки: сульфинатная, сульфенатная 7' 8 с элиминированием SO, SOH, CH2SOH групп, что, в конечном счете, приводит к большему числу линий в масс-спектрах 2 и 3 по сравнению с 1. Возможно, этим объясняется уменьшение вероятности протекания перегруппировочного процесса с образованием ионов [M-C3H4S(O)n]+, т.к. при наличии сульфенатной и сульфинат-ной перегруппировок процесс миграции водорода от а-углеродного атома к триазольному
кольцу затруднен вследствие существенного взаимодействия атома H с кислородами суль-фокси- (сульфо-) групп (слабые водородные связи). То есть, процессы изомеризации, обусловленные как раскрытием, так и расширением тиациклобутанового цикла ведут к снижению селективности распада МИ.
С этим согласуется и такая характеристика молекулы как стабильность к электронному удару, которая свидетельствует о способности расходования избыточной энергии при ионизации на изомеризацию и фрагментацию молекулярного иона 4. Чем больше избыточной энергии уходит на изомеризацию, тем ниже глубина фрагментации МИ и выше WM+. Поэтому в исследуемых сульфоксиде 2 и сульфоне 3 наблюдается повышение WM+ до 12.4 (2) и 15.4 (3) по сравнению с сульфидом 1 - 6.8 % от полного ионного тока (П.И.Т.).
Таким образом, природа верхних занятых молекулярных орбиталей заметно влияет на формирование масс-спектров изученных соединений при их ионизации электронами.
Литература
1. Г. Ф. Исхакова. / Тезисы конференции молодых ученых РБ.- Уфа.- 2003.- С. 48.
2. Г. Ф. Исхакова, Ф. А. Халимуллин, И. Л. Никитина, А. К. Булгакова, Е. К. Алехин. // Баш. хим. ж.- 2008.- Т. 15, №3.- С. 15.
3. П. Б. Терентьев, А. П. Станкявичюс. Масс-спектрометрический анализ биологически активных азотистых оснований.- Вильнюс: Мокс-лас, 1987.- С. 280.
4. В. В. Тахистов, Д. А. Пономарев. Органическая масс-спектрометрия.- Санкт-Петербург: ВВМ.-2005.- 343 с.
5. D. G. J. Kingstone, J. T. Bursey, M. M. Bursey. // Chem. Rev.- 1974.- V. 74, №2.- P. 215.
6. В. С. Шмаков, И. И. Фурлей, Е. Г. Галкин, Е. М. Вырыпаев, О. В. Толстикова, А. Г. Толстиков. // ХПС.- 1989.- №1 С. 80.
7. R. Smackman, Th. J. de Boer. // OMS.- 1970.-V. 3, №2.- P. 1561.
8. Р. А. Хмельницкий, Ю. А. Ефремов. // Усп. хим.-1977.- Т. XLVI, Вып. 1.- С. 83.
