U РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ИМЕНИ А Н НЕСМЕЯНОВА На правах рукописи СКАЗОВ РОМАН СЕРГЕЕВИЧ РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ФЕРРОЦЕНИЛАЛКИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ В УСЛОВИЯХ ИОНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОНАМИ И ЭЛЕКТРОРАСПЫЛЕНИЕМ 02 00 08 - Химия элементоорганических соединений 02 00 04 -Физическая химия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук ООЗОБВЭ5Э Москва-2007
27
Embed
U РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ … · u РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
U РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ИНСТИТУТ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
ИМЕНИ А Н НЕСМЕЯНОВА
На правах рукописи
СКАЗОВ РОМАН СЕРГЕЕВИЧ
РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ФЕРРОЦЕНИЛАЛКИЛЬНЫХ
ПРОИЗВОДНЫХ В УСЛОВИЯХ ИОНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОНАМИ И
ЭЛЕКТРОРАСПЫЛЕНИЕМ
02 00 08 Химия элементоорганических соединений 02 00 04 Физическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
О О З О Б В Э 5 Э
Москва2007
Работа выполнена в Лаборатории механизмов химических реакций Института элементоорганических соединений имени А Н Несмеянова РАН
НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ
доктор химических наук, профессор
доктор химических наук ведущий научный сотрудник
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ
доктор химических наук, профессор
доктор химических наук, профессор
Юрий Степанович Некрасов
Любовь Владимировна Снегур
Альберт Тарасович Лебедев
Игорь Тимофеевич Чижевский
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ Институт нефтехимического синтеза имени А В Топчиева РАН
Защита диссертации состоится «16 » октября 2007 года в 10 часов на заседании Диссертационного совета К 002 250 01 по присужденшо ученой степени кандидата химических наук при Институте элементоорганических соединений имени А Н Несмеянова РАН по адресу 119991, Москва, ул Вавилова, д 28
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНЭОС РАН
Автореферат разослан " 14 " сентября 2007 года
Ученый секретарь Диссертационного совета К 002 250 01 при ИНЭОС РАН Кандидат химических наук ^~* / Валентина Антоновна Ольшевская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Ферроценилалкилазолы обладают выраженным противоопу
холевым эффектом в сочетании с низкой токсичностью, что позволяет рассматри
вать этот класс соединений в качестве основы для создания новых высокоэффек
тивных препаратов для химнотерагош онкологических заболеваний В связи с этим
возникает потребность в изучении строения и реакционной способности таких ве
ществ современными физикохимическими методами, одним из которых является
массспектрометрия Возможность использования различных способов ионизации
позволяет исследовать поведение молекул в различных условиях новообразования,
а именно при ионизации электронами (ИЭ) реализуются только процессы фраг
ментации изолированных ионов, при химической ионизации протекают газофазные
ионномолекулярные реакции, а метод ионизации электрораспылением (ИЭР) со
держит информацию об ионных процессах в растворах Вместе с тем этот ком
плексный подход начал развиваться только в последние два десятилетия с появле
нием метода ИЭР в основном применительно к органическим соединениям, тогда
как ферроценилалкильные производные остаются практически не изученными
Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование биологи
чески активных производных ферроцена методами массспектрометрии с иониза
цией электронами и электрораспылением в аналитическом и исследовательском
аспектах Первый из них заключается в разработке методик определения состава,
строения и чистоты этого класса соединений, а второй в исследовании реакцион
ной способности таких молекул и их ионов в газовой и жидкой фазах
Научная новизна и практическая значимость Выявлены общие и специфи
ческие пути фрагментации ферроценилалкилазолов при ионизации электронами и
показано, что основным фактором, определяющим реакционную способность изу
ченных соединений в условиях диссоциативной ионизации, является природа гете
роциклического фрагмента, а именно его энергия ионизации Найдено, что при
электрораспылении ферроценилалкилазолов, ферроценилалканолов, а также сме
сей последних с азолами, протекают известные в химии растворов реакции ферро
ценилалкилирования, что позволяет применять этот метод для исследования реак
ционной способности производных ферроцена в пограничной зоне жидкой и газо
вой фаз Установлено, что экспериментальные условия оказывают существенное
влияние на количественные характеристики массспектров электрораспыления
ферроценилалкильных производных Предложено использовать статистические 1
методы планирования эксперимента (полный факторный эксперимент) для поиска
оптимальных условий регистрации массспектров ИЭР в зависимости от постав
ленной задачи структурноаналитической (идентификация вещества) или иссле
довательской (изучение ионномолекулярньгх процессов в условиях ИЭР) С ис
пользованием дейтерированных растворителей и квантовохимических расчетов ус
тановлены схемы ионообразования ферроценилалкильных производных в условиях
фрагментом или гидроксильной группой Другой путь распада, обусловленный
расщеплением связи углеродгетероатом, зависит от природы заместителя R Если
это водород или фенильная группа, происходит простой разрыв этой связи с вы
бросом азолильного или гидроксильного радикалов В случае производных с ал
кильными заместителями (R = Me, Et, Pr) этот процесс сопровождается миграцией
атома водорода к гетероатому с последующим элиминированием молекул азола
или воды, что приводит к ионам соответствующих винилферроценов Поскольку
такая водородная перегруппировка реализуется только в соединениях, содержащих
водород у руглеродного атома, то можно утверждать, что она осуществляется по
механизму 1,2элиминирования
Найденные закономерности позволяют однозначно идентифицировать ФАЗ по
их массспектрам ИЭ В частности, изомерные соединения 3 и 15, 7 и 19 с различ
ным расположением алкильных заместителей (в азолильном фрагменте или у а
углеродного атома) легко различить по значениям масс ионов, отвечающих потере
з
азолильного радикала (m/z 199 для соединений 3 и 7 или молекулы азола (m/z 212 я
226 для соединений 15 и 19, соответственно) (Рис 3)
R H ( l )
Fe
R=H(5) Et(19) Pr (22,
^ ^й
Ъ ^щр^ RH(9> Me<16) Et (20)
R=H(2) Me (13) Et(lS) Pr (21) Ph(23)
R=H (6) Me (12)
^ з А й ^ е г 4 ^ >
R=Me (10)
RH (3)
? Jl
RH (7) Me (17)
^ Г ^ ^ 8 R=Me (11)
R=H(4) Me (14)
R
R=H (8) Me (15)
• 2 _ fe Fe
sb> ^ у о н <^> +J>
Рис 1 Структуры исследованных ферроценилалкилазолов и ферроценилалканолов
+• Fe
Fe
П +
ср' ^gj^ С р
Fe—X
+ Fe—X R=Me,
Et, Pr
""!+•
Рис 2 Схема фрагментации ферроценилалкилазолов и ферроценилалканолов в условиях ионизации электронами (X = Az, ОН, Ср и Ср' незамещенный и замещенный циклопентадиенильные лиганды, соответственно)
Ферроценилалкильные производные изомерных имидазола и пиразола, а также 4
их бензоаналогов значимо различаются соотношением интенсивностей пиков ио
центрации вещества (С, мольхл"') и дипольного момента растворителя (D, Д) В
таблице 5 приведены данные массспектров ИЭР 1А?(ферроценилме
тил)бензимидазола (2) в растворах метанола (МеОН) и ацетона (МегСО), получен
ных при различных значениях V, Т, С и D
Видно, что выходы некоторых ионов могут изменяться более чем на порядок
величины в зависимости от условий проведения эксперимента В частности, выход
биядерного иона изменяется от 0,6 до 58,2% При этом степень влияния каждого
параметра зависит от значений других параметров Например, выход биядерного
иона при температуре капилляра 110°С увеличивается с ростом скорости потока
мобильной фазы в полтора раза (опыты №13 и №14), тогда как при 150°С в 30 раз
(опыты №15 и №16) Следует также отметить, что каждый параметр в разной стею
пени влияет на выходы разных ионов Так, повышение температуры от 100°С до
150°С практически не влияет на выход биядерного иона, тогда как выход протони
рованного димера [М2Н]+ снижается в четыре раза (опыты №9 и №11)
Таблица 5. Значения экспериментальных параметров, дипольного момента растворителей, (ПИТх Ю"6) и интенсивностей пиков основных ионов (%Ј) в массспектрах ИЭР 1(ферроценилметил)бензимидазола (2), полученных в разных экспериментальных условиях [МА]+ = (T^CH2BImCH2Fc]+
Таким образом, впервые установлено, что при электрораспылении ферроце
нилалкилазолов, ферроценилалканолов, а также смесей последних с азолами про
текают известные в химии растворов реакции ферроценилалкилирования
2.4. О механизмах ценообразования ферроценилалкильных производных в ус
ловиях ионизации электрораспылением
2 4.1. Ферроценилалканолы
По формальному признаку можно выделить три типа процессов новообразова
ния в условиях ИЭР ФАЛК окисление, фрагментация и ионномолекулярные ре
акции Как уже отмечалось выше в массспектре ИЭР 1,Гбмс(а
гидроксиэтил)ферроцена (33) присутствует интенсивный пик иона [МОН]+ Этот
результат является неожиданным, поскольку даже в массспектре ИЭ этого соеди
нения пик иона [МОН]+ отсутствует, а основным направлением фрагментации яв
ляется процесс дегидратации молекулярного иона Кроме того, в МС/МС спектре
молекулярного иона 33, образующегося при ИЭР, также нет пика иона [МОН]+, а
максимальную интенсивность имеет пик иона [МН20]+ Можно предположить, что
ион [МОН]+ не является продуктом фрагментации, а образуется через стадию про
тонирования исходного соединения ионами гидроксония, которые всегда присут
ствуют в условиях ИЭР, с последующим быстрым отщеплением молекулы воды
(Рис 8) В результате образуется протонированный циклический эфир (С)
Возможна также дегидратация нейтральной молекулы (как это происходит при
термолизе и в кислых средах) с последующим лротонированием образовавшегося
циклического эфира 36 (Рис 9) Для проверки этого предположения был измерен
массспектр ИЭР циклического эфира 36 и установлено, что он не подвергается
протонированию в условиях ИЭР, то есть эта схема образования иона [МОН]+ мо16
жет быть исключена
33 '
н3о + >н2
Н ,0
m/z274 т/г275 т/г 257 (С)
Рис 8. Схема образования иона [МОН]+ из соединения 33 через стадию протежирования исходной молекулы (ДН = 52,4 ккал^моль ') с последующим быстрым отщеплением молекулы воды (ДН = +23,4 ккалхмоль"1) Суммарный тепловой эффект 29,0 ккалхмоль"1
Н20 T\^I
н
33 ' 36
m/2 274 m/z 256 m/z 257 (С)
Рис. 9. Схема образования иона [МОН]+ из соединения 33 через стадию дегидратации нейтральной молекулы с последующим протонированием образовавшегося циклического эфира
Для выяснения возможности реализации схемы, включающей протежирование
исходной молекулы (Рис 8), был получен массспектр ИЭР 1,Гб«с(агидрокси
этил)ферроцена (33) при насыщении ионного источника парами тяжелой воды (в
ионный источник помещали сосуд с D20) В этом случае ион [МОН]+ должен со
держать дейтерий Действительно, пик иона [МОН]+ (m/z 257) частично смещается
к m/z 258 и согласно расчету 61,6% ионов [МОН] содержат один атом дейтерия
(Таблица 10)
Таблица 10. Интенсивности пиков ионов (%Imax) и процентное содержание дейтерированных ионов при регистрации массспектра ИЭР ферроценилалканола 33 в присутствии паров D2Q в ионном источнике
Ион [MOHf(H) [MOHf(D,) ГМ1+(Н) [МГФ,) [Mf (D2)
m/z
257 258 274 275 275
%Т 9,3 14,8 19,5 97,0 100,0
%D
61,6
44,8 46,2
Однако при этом наблюдается также частичный сдвиг молекулярного иона
(т/г 274) на одну и две единицы в сторону высоких масс, то есть исследуемый кар
бинол подвергается изотопному обмену водорода Это обстоятельство не позволяет
сделать окончательный выбор между двумя оставшимися схемами образования ио
на [МОН]+, поскольку ион с m/z 258 может возникать не только в результате про
тежирования, но и в результате фрагментации монодейтерированного и дидейтери
рованного молекулярных ионов, с потерей ОН и OD, соответственно
Результаты квантовохимических расчетов показали, что элиминирование ради
кала ОН из молекулярного иона 33 требует больших затрат энергии (+72,8
ккалхмоль"1), а более вероятной схемой образования ионов [МОН]+ при ИЭР явля
с последующей быстрой дегидратацией протонированной молекулы (ДН = +23,4
ккалхмоль"1), то есть в целом этот процесс является экзотермическим с энтальпией
равной 29 0 ккалхмоль"1 (Рис 8) Отсюда следует, что образование иона [МОН]+
при ИЭР лишь формально можно отнести к процессу фрагментации, тогда как на
самом деле он образуется через стадию ионномолекулярной реакции протониро
вания, протекающей в газовой фазе
Изотопный обмен водорода (ИОВ) в условиях ИЭР может происходить как в
растворе ферроценилалканолов в тяжелой воде, так и в газовой фазе между моле
кулярными ионами и парами D2O С целью выяснения схемы ИОВ были измерены
массспектры ИЭР некоторых ферроценилалканолов в трех режимах 1) раствор
вещества в чистом ацетонитриле (MeCN) при насыщении ионного источника пара
ми D20 (в ионизационную камеру помещали сосуд с D20) (опыт № 1, таблица 11),
2) раствор вещества в смеси MeCN/D20 (1 1 об ) (опыт №2), 3) раствор вещества в
смеси MeCN/D20 при насыщении ионного источника парами тяжелой воды (опыт
№3) Параллельно были получены массспектры ИЭ соединений 24 и 26 после
«промывки» ионного источника парами D20 (перед регистрацией массспектра в
ионизационную камеру испаряли каплю D20) (опыт №4) и после высушивания их
растворов в смеси MeCN/D20 (опыт №5) Во всех случаях наблюдался частичный
сдвиг молекулярных ионов на одну единицу m/z в сторону тяжелых масс, то есть
происходил ИОВ Из таблицы 11, где приведено процентное содержание дейтери
рованных молекулярных ионов, видно, что уже при растворении ферроценилалка
нолов в смеси MeCN/D20 они подвергаются ИОВ на 4247% Причем анализ масс
спектров ГОР растворов соединений 24, 25, 33 в смеси MeCN/D20 (опыт №2) и
массспектров ИЭ 24, 26, полученных после упаривания растворителя (опыт №5),
дает практически одинаковые результаты Отсюда следует, что ИОВ на 4247%
осуществляется в жидкой фазе еще до процесса ИЭР Насыщение ионного источ
ника ИЭР парами D20 увеличивает содержание дейтерия до 6570%, то есть ИОВ
при ИЭР на 23% происходит также в газовой фазе
18
Таблица 11 Процентное содержание дейтерированных молекулярных ионов при регистрации массспектров ИЭР и ИЭ соединений 2426 и 33 с использованием D20 , , ,
№ опыта Растворитель
Пары D20 №соедин
24
25 26
33
1 MeCN есть
70,3 69,8
65,4
ИЭР 2
MeCN/D20 нет
47,1 42,3
42,5
3 MeCN/D20
есть
73,0 69,0
65,8
4 MeCN есть
10,9
11,3
ИЭ 5
MeCN/D20 нет
42,5
42,2
Как уже отмечалось выше, при ИЭР ферроценилалканолов реализуется извест
ная в химии растворов реакция ферроценилалкилирования с образованием ионов
соответствующих эфиров [FcCRR'OCRR'Fc]"1" Можно предложить две схемы
протекания этого процесса в условиях ИЭР (а) атака молекулы спирта ферроце
нилалкилкатионом с последующим отщеплением атома водорода и (Ь) взаимодей
ствие молекулы спирта с его молекулярным ионом с отщеплением молекулы воды
Квантовохимические расчеты показали, что второй процесс (ДН = 7,8
ккалхмоль"1) намною выгоднее первого (ДН = +57,8 ккалхмоль'), то есть ферроце
нилалкилирование осуществляется путем взаимодействия нейтральной молекулы с
ее молекулярным ионом
2.4 2. Ферроцевилалкилазолы
Для выяснения механизмов процессов новообразования производных ферроце
на в условиях ИЭР были получены массспектры ИЭР некоторых ФАЗ с использо
ванием дейтерированных растворителей D20 и MeOD, а также при насыщении
ионного источника парами тяжелой воды или дейтерометанола При ИЭР 1АГ
(ферроценилметил)бензимидазола (2) в MeCN в присутствии паров D20, ионы
[МН]Т и [М2Н]+ обогащаются дейтерием на 62,7 и 15,0%, соответственно, тогда как
ферроценилметилкатион [FcCH2]+ и биядерный ион [(FcCH2)2BIm]+ дейтерий не
содержат Отсюда следует, что, вопервых, протежирование и образование прото
нированного димера по крайней мере на 62,7% и 15,0%, соответственно, происхо
дит в газовой фазе, а вовторых, протон присоединяется к азолильному фрагменту,
поскольку ферроценилалкилкатион не содержит дейтерий (Таблица 12)
19
Таблица 12 Процентное содержание дейтерированных ионов при регистрации массспектров ИЭР 1(ферроценилметил)бензимидазола (2) в присутствии паров тяжелой воды и при использовании дейтерированных растворителей
растворитель пары
IFcdb f (D,) ГМНГ (D,) [(FcCH2)BImf (D,) [M2Hf (D,)
MeCN D20 0,0 62,7 0,0 15,0
MeCN/D20 нет 0,0 11,4 63,7 0,0
MeOD нет 0,0 2,9 92,8 0,0
Использование в качестве растворителей MeOD и смеси MeCN/D20 (11 об )
приводит к обогащению дейтерием протонированной молекулы только на 2,9% и
11,4%, соответственно (Таблица 12) Это подтверждает вывод о том, что протони
рование осуществляется в основном в газовой фазе Интересно, что при распыле
нии 1(ферроценилметил)бензимидазола (2) из дейтерированных растворителей со
держание дейтерия в биядерном ионе (63,7% в MeCN/D20 и 92,8% в MeOD) суще
ственно выше, чем в ионе [МН]+ Это свидетельствует о возможности протекания
быстрого ИОВ в этом ионе в процессе электрораспыления
На примере 1(ферроценилметил)пиразола (8) и 1(ферроценилэтил)2метил
имидазола (42) выполнены квантовохимические расчеты теплот возможных реак
ций образования основных ионов, наблюдаемых в массспектрах ИЭР этих соеди
нений (Таблица 13) При этом в качестве окислителя и протонирующего агента
принят ион гидроксония (реакции 2 и 4), который всегда присутствует в условиях
ИЭР
Из трех возможных путей образования ферроценилалкилкатионов в условиях
ИЭР, а именно фрагментация молекулярного иона с выбросом азолильного ради
кала (реакция 5), гетеролитический распад нейтральной молекулы (реакция 6) и
протонирование с последующим выбросом молекулы азола (реакция 7), как и в
случае ферроценилалканолов, наиболее энергетически выгодной является реакция
7 (Таблица 13) Отсюда следует, что ферроценилалкилкатион лишь формально
можно отнести к продуктам фрагментации, тогда как на самом деле он образуется
через стадию протонирования исходной молекулы
Катионы бксферроценилалкилазолов [FcCHRAzCHRFc]+ могут возникать
тремя способами в результате взаимодействия исходной молекулы ферроценилал
килазола 1) с ее протонированной формой (реакция 8), 2) с ферроценилажилка
тионом (реакция 8'), 3) с молекулярным ионом (реакция 9) Из таблицы 13 видно,
что реакция 9 энергетически не выгодна по сравнению с реакциями 8 и 8', которые 20
в соответствии с законом Гесса имеют одинаковый тепловой эффект Какая из этих
реакций 8 или 8'осуществляется на практике, будет зависеть от величин их энергий
активации
Таблица 13. Теплоты возможных реакций образования ионов, наблюдаемых в массспектрах ИЭР ферроценилалкилазолов FcCH2Pz 8 и FcCH(Me)Im2Me 42