Изучение стереохимии ионно-молекулярных реакций конформационно-жестких N-гетероциклических и карбоциклических спиртов и их производных в условиях химической ионизации тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

на правах рукописи

БОРИСОВ РОМАН СЕРГЕЕВИЧ

Изучение стереохимии ионно-молекулярных реакций конформационно-жестких ^гетероциклических и карбоциклических спиртов и их производных в условиях химической ионизации

(02.00.03. -органическая химия)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

Москва, 2005 г.

Работа выполнена на кафедре органической химии факультета физико-математических и естественных наук Российского университета дружбы народов.

Научные руководители:

доктор химических наук, профессор Заикин В.Г. доктор химических наук, профессор Варламов А. В.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Мочалин В.Б. доктор химических наук Каденцев В.И.

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, химический факультет

Защита состоится 29 марта 2005 г. в 15 час 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.203.11 в Российском университете дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Орджоникидзе, д.З, зал № 2.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу. 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.

Автореферат разослан 28 февраля 2005 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, ^

Курилкин В.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Масс-спектрометрия является чрезвычайно бурно развивающимся инструментальным методом идентификации, изучения и определения органических веществ, и можно сказать, что сейчас в этих вопросах она занимает лидирующее место среди других спектральных методов анализа. Особыми достоинствами обладает масс-спектрометрия с химической ионизацией (ХИ), позволяющая регистрировать высокоинтенсивные пики катионизированных молекул и, тем самым, уверенно определять их молекулярную массу. Не менее интересным является ее применение для изучения стереоизомерии органических молекул. В литературе можно найти значительное число работ, посвященных этому вопросу, однако большинство из них рассматривает полифункциональные соединения, где стереохимические эффекты обусловлены различной способностью диастереомеров связывать катион (чаще всего протон) за счет двух функциональных групп. Вместе с тем, практически не исследованы стереоизомеры с конформационно-закрепленными системами, содержащие пространственно сильно разделенные функциональные группы, в результате чего внутримолекулярное связывание ими катиона затруднено или совсем невозможно.

Одними из наиболее распространенных объектов органического синтеза являются циклические спирты. Важной задачей при исследовании их структуры является определение конфигурации центра, несущего гидроксил. В этой связи особенно актуальной является разработка масс-спектрометрического метода, в отличие от других спектральных методов обладающего исключительно высокой чувствительностью, селективностью и в комбинации с хроматографией позволяющего исследовать спирты в составе сложных смесей.

Еще одно обстоятельство определяет актуальность и важность исследования диастереомерных спиртов методом масс-спектрометрии с химической ионизацией. Этот метод фактически моделирует первичные каталитические акты реакций, протекающих в присутствии кислот Льюиса и Бренстеда. Хотя в данном случае взаимодействие реагирующих частиц происходит в идеальных газофазных условиях, метод позволяет получать новую информацию о механизмах названных реакций в растворах.

Работа выполнена на кафедре органической химии Российского Университета дружбы народов и экспериментальной базе Института нефтехимического синтеза им. А.В Топчиева РАН, в соответствии с планом НИР Университета Дружбы народов проводимых по тематическому плану (шифр темы 021401-1-075, номер гос. регистрации 01.02.00 105248), поддержана грантом INTAS YSF-257/02.

Цель работы. В настоящей работе поставлены цели:

- изучить стереоизомерные эффекты в масс-спектрах химической ионизации (газы-реагенты изобутан и метан) диастереомерных третичных спиртов ряда транс-декагидрохинолола-4, андростанолов-12, эстратриенолов-17 и D-гомоэстратетраенолов-17а, а также силильных и перфторацильных производных вторичных спиртов, относящихся к ряду замещенных конформационно-закрепленных пиперидолов-4;

на основании полученных данных разработать высокочувствительные и экспрессные методы определения конфигурации вторичных и третичных гетеро- и карбоциклических спиртов с закрепленной конформацией и с дополнительными функциональными группами в составе сложных смесей на основе газохроматографии/масс-спектрометрии с химической ионизацией.

Научная новизна. Впервые проведено систематическое исследование стереоизомерных вторичных и третичных ^гетеро- и карбоциклических спиртов с закрепленной конформацией (замещенные транс- декагидрохинололы-4, пиперидолы-4 с закрепляющими конформацию заместителями, стероидные спирты ряда андростанола-12, эстранола-17, D-гомоэстранола-17а) и некоторых их триалкилсилильных (триметил, аллилдиметил, изопропилдиметил), ацетильных и перфторацильных производных (всего около 127 соединений) методом масс-спектрометрии с химической ионизацией в присутствии протонодонорных газов-реагентов изобутана и метана.

Показано, что в масс-спектрах химической ионизации гетероциклических спиртов основные пики отвечают ионам [МН]+ и [МН-НаО]+, соотношение интенсивностей которых определяется вероятностью протежирования по гидроксильной группе и атому азота в цикле. В то же время оно сильно зависит от конфигурации субстрата: пик иона всегда

более интенсивен для эпимеров с экваториальной ОН-группой. В случае карбоциклических спиртов из серии стероидных 17- и 17а-олов (транс-сочленение колец C/D) наблюдается обратная картина: дегидратация протонированных молекул протекает легче у спиртов с аксиальным гидроксилом. Все эти различия в легкости отщепления триметилсиланола и соответствующей кислоты из ионов наблюдаются и в случае триметилсилиловых

эфиров и ацильных производных спиртов, соответственно. Наблюдаемые закономерности имеют общий характер и не зависят от природы других углеродсодержащих заместителей в молекулах.

Для объяснения наблюдаемых стереоизомерных эффектов в масс-спектрах химической ионизации исследованных спиртов и их производных впервые предложена концепция, основанная на учете роли пространственных препятствий при взаимодействии с протонно-донорными катионами плазмы (трет-бутильный, метониевый) и различной вероятности протонирования гидроксильной группы в зависимости от ее пространственной ориентации.

Практическая значимость. Совокупность экспериментальных данных н теоретических рассмотрений позволяет предложить новые эффективные масс-спектрометрические методики на базе химической ионизации для определения конфигурации вторичных и третичных карбо- и гетероциклических спиртов с конформационно-жесткими системами, имеющих дополнительные протоноакцепторные функциональные группы. В комбинации с газовой хроматографией эти методики позволяют также исследовать смеси диастереомерных циклических спиртов.

Апробаиия работы. Основные результаты работы были доложены на 49-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (27-31 мая 2001 г., Чикаго, Иллинойс, США), 50-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (2-6 июня 2002 г., Орландо, Флорида, США), 1-й Международной школе-семинаре «Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии» (25-26 апреля 2002 г., Звенигород, Россия), 51-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (8-12 июня 2003 г., Монреаль, Канада), 16-й Международной масс-спектрометрической конференции (31 августа-5 сентября 2003 г., Эдинбург, Великобритания).

Публикации. По материалам работы опубликовано 3 статьи и 5 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объём работы. Диссертация объемом 125 страниц, состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов работы, экспериментальной части и выводов. Содержит 15 таблиц и 27 рисунков. Библиография включает 58 названий.

Основное содержание работы Во Введении дано обоснование актуальности работы, новизны, научной и практической значимости выбранной темы.

Глава 1 представляет собой обзор литературных данных, касающихся применения масс-спектрометрии с ХИ для определения пространственного строения конформационно-жестких карбоциклических и гетероциклических моно- и полифункциональных спиртов. Показано, что основной массив найденных закономерностей стереоспецифичности фрагментации интерпретирован с точки зрения различия в вероятности внутримолекулярного связывания протона как минимум двумя функциональными группами или кратными связями.

Глава 2, являющаяся экспериментальной частью, описывает методы получения и характеристики пиперидолов-4 (восстановление соответствующих пиперидонов-4 боргидридом натрия в спирте), микросинтеза силиловых эфиров, трифторацетатов и гептафторбутиратов. Масс-спектры ХИ получены на газохроматотографе/масс-спектрометрах Finnigan MAT 95 XL, а масс-спектры диссоциации, индуцируемой столкновением, на

приборе Finnigan Т8(} 70 В) с использованием газов-реагентов изобутана и метана.

В главах 3,4 и 5 обсуждаются собственные результаты, полученные в данной работе: 3. Масс-спектрометрическое исследование стереохимии конформационно-жестких транс-декагидрохинололов-4 в условиях химической ионизации.

Изучены ионно-молекулярные реакции в условиях ХИ следующих диастереомеров транс-декагидрохинолов-4:

= СН(СН,)2, Г= ССН; 3 Л СН(СН))г,

Масс-спектры ХИ, измеренные с использованием как газа-реагента изобутана, так и метана содержат практически только интенсивные пики протонированных молекул [МН]+ и продуктов их дегидратации , Известно, что протонированные молекулы

карбоциклических спиртов (не содержащих других функциональных групп с близким сродством к протону) количественно дегидратируются и соответствующие масс-спектры ХИ не содержат пиков ионов [МН]+ . Таким образом, можно предположить, что пики ионов [МН-которые наблюдаются в спектрах ХИ декагидрохинололов, образуются исключительно вследствие дегидратации молекул, протонированных по атому кислорода гидроксильной группы ([МоН]+). В то же время пики ионов [МН]+ отвечают молекулам, протонированным по атомам N ([МмН]4). Следовательно, интенсивности этих пиков пропорциональны концентрации протонированных молекул и в ионном

пучке (табл. 1).

Таблица 1. Относительные интенсивности (%) характеристических пиков в масс-спектрах ХИ

В-во [МН]+ [МН- н2оГ [МкН]+/ [МоНГ В-во [МН]+ [МН- н2оГ [МцНГ/ [МоН]+

3.1 а 49 100 33/67 3.4 а 43 100 30/70

б 68 100 40/60 б 72 100 42/58

3.2 а 53 100 35/65 3.5 а 49 100 33/67

б 74 100 43/57 б 61 100 38/62

3.3 а 50 100 33/64

б 71 100 42/58

Сравнение относительных интенсивностей пиков ионов и

показывает, что независимо от характера заместителя при С-4 (насыщенный или ненасыщенный) протонированные молекулы спиртов с аксиальной ОН-группой дегидратируются труднее их экваториальных эпимеров (рис. 1, табл.1).

Рисунок 1. Масс-спектры ХИ (газ реагент-изобутан) соединений 3.4а и 3.4б

В целях получения более полных данных по влиянию заместителей на стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций транс-декагидрохинололов мы исследовали поведение 4-замещенных 1-алкил-2-метил-4- декагидрохинололов (3.6-3.14) в тех же условиях химической ионизации.

Как и в случае 2-незамещенных аналогов, масс-спектры ХИ соединений 3.6-3.14, измеренные как с использованием газа-реагента изобутана, так и с использованием газа-реагента изобутана, содержат практически только интенсивные пики протонированных молекул и продуктов их дегидратации Вместе с тем значительно

возрастает интенсивность пиков ионов , обусловленных выбросом фрагмента

карбоциклического кольца в результате распада молекулярного иона

Сравнение относительных интенсивностей пиков ионов [МН]+ и [МН-НгО]* показывает, что независимо от природы газа-регента и заместителя при С-4, а также пространственной ориентации заместителя при С-2 протонированные молекулы спиртов с аксиальной ОН-группой дегидратируются труднее их экваториальных эпимеров.

5

Для изучения влияния природы кислород-содержащей группы на стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций в условиях ХИ мы предприняли попытку исследовать их силиловые эфиры. Нам удалось получить триметилсилиловые эфиры лишь одной пары стереоизомерных спиртов (3.15а и 3.15б):

3.15 а 3.15 б

Масс-спектры ХИ силиловых эфиров 3.15а,б, измеренные с использованием газа-

реагента изобутана, содержат практически основные пики протонированных молекул [МН]+.

В случае же эпимера с экваториальной триметилсилилокси-группой дополнительно

наблюдается очень интенсивный пик иона, образующегося в результате элиминирования

молекулы силанола из протонированной молекулы [МН-Ме^ЮН^.В обоих спектрах присутствуют также малоинтенсивные пики ионов [М-СНз]+. Таким образом,

стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций триметилсилиловых эфиров такая же,

как и для незащищенных спиртов: кислородсодержащая (триметилсилилокси)

функциональная группа отщепляется из протонированных молекул в виде соответствующего

силанола легче при ее экваториальной ориентации, чем при аксиальной.

4. Масс-спектрометрическое исследование поведения конформационно-закрепленных производных пиперидолов-4 в условиях химической ионизации.

В продолжение работы по изучению стереоизомерных эффектов в масс-спектрах ХИ конформационно-жестких гетероциклических спиртов мы исследовали серию эпимерных вторичных 2,6-диарилзамещенных пиперидолов-4. Арильные заместители в этих пиперидолах расположены экваториально и закрепляют конформацию «кресло».

Изученные пиперидолы-4 синтезированы восстановлением соответствующих пиперидонов-4 ^ВНц в спирте. Они образуются в виде смесей эпимеров по С-4. Нам не удалось разделить эпимеры с помощью жидкостной колоночной или газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ). Однако было найдено, что они хорошо разделяются в условиях ГЖХ в виде силиловых эфиров или ацильных производных, что позволило исследовать такие производные методом ГХ/МС и наблюдать проявление стереоизомерных эффектов в масс-спектрах ХИ.

Изучение стереохимии ионно-молекулярных реакций производных пиперидолов-4 в условиях ХИ было начато с диастереомерных силиловых эфиров (4.1-4.10).

а б

4.1 Я'= СН,Д»=Я5=Я4=Н; 4.1 Я'=ЯЧ14-=Н, К2- СН,; 43 Я'=Я4=Н, Я!= Я5=СН,; 4.4 К'-Я^Я5» СН,, Я^Н; 43 Я'=Я4=Н, Я2- И'-ОД; 4.6 Я'=К4=Н, Я'= СН,, Я'= М^Н,; 4.7 Я'=Я4=Н, К*- 1ьС)Н7, К1» С2Н,; 44 Я'=Я'>Я4-Н, Я2» п-С$Нц; 4.» Я'=Я3=Н, Яг«Я4= СН,; 4.10 Я1=Я3=Н, СН,, Я4= СН,0

Поскольку полученные пиперидолы-4 не удалось разделить препаративно, возникла задача приписания конфигурации центру С4 в каждом из разделенных О-силильных производных. Совершенно очевидно, что при наличии неполярных заместителей в молекулах исследованных соединений последовательность элюирования стереоизомеров из колонки с неполярной стационарной жидкой фазой (в нашем случае полидиметилсилоксан) определяется только аксиальным или экваториальным характером силилокси-группы. Для того, что бы приписать конфигурацию С4 разделенным эпимерным силиоксипроизводным воспользовались известным фактом, что эпимеры с аксиальной гидроксильной группой силилируются труднее их экваториальных аналогов. Проведя триметилсилилирование с помощью БСТФА при разных температурах и разной длительности реакции, мы обнаружили что образование эпимера с меньшим временем выхода происходит медленнее, чем второго. Это дало основание с большой долей вероятности заключить, что силилированный эпимер с меньшим временем выхода, имеет аксиальную силилокси-группу. Этот предположение хорошо согласуется с данными по разделению силиловых эфиров декагидрохинолов-4 (соединения 3.15а и 3.15б), где наблюдается аналогичный порядок элюирования.

Масс-спектры ХИ всех исследованных триметилсилиловых эфиров стереоизомерных пиеперидолов-4 (4.1 - 4.10), измеренные с использованием газа-реагента изобутана, содержат практически только интенсивные пики протонированных ионов и продуктов

элиминирования из них молекулы триметилсиланола [МН-81Ме50Н]+. В качестве примера на рис.2 приведены масс-спектры двух триметилсилиловых эфиров пиперидола 4.6. Поскольку, как уже отмечалось ранее, протонированные молекулы карбоциклических спиртов количественно элиминируют молекулы воды, можно предположить, что пики нонов [МН-обусловлены элиминированием молекулы силанола из молекул, протонированных по атому кислорода триметнлсилилокси-группы ([МоН]+), в то время как пики ионов [МН]+ отвечают в основном молекулам, протонированным по атому азота и, возможно, по

ароматическим кольцам арильных заместителей в положениях 2 и 6. Следовательно, можно

считать, что интенсивности этих пиков пропорциональны концентрации протонированных молекул [МоН]+ и [МщН]+ в ионном пучке, а соотношение этих интенсивностей можно использовать как меру легкости отщепления триметилсиланола из протонированных стереоизомерных молекул.

100

Í 80

о

о

х

о

S

о £60

' 40

о 20-|

miz 382

[МН)+

„SI

\

Ph

Ph

[MH-SiMe,OH]+

262 i

304

I_

366

100

680 o

i60

s

к

x 40 j

t;

O 20

и

O

[MH]+ miz 382

292

[MH-SiMe3OHl+

366

250 300 350 mte 250 300 350 mfe

Рисунок 2. Масс-спектры ХИ (газ реагент-изобутан) соединений 4.6а и 4.6б.

Сравнение относительных интенсивностей пиков ионов [МН]+ и [МН- SiMe30H]+ показывает, что независимо от характера заместителей при С-2, С-3, С-5, С-6 и N протежированные силилоксипроизводные с аксиальной триметилсилилокси-группой отщепляют триметилсиланол значительно труднее их экваториальных эпимеров, причем в некоторых случаях этот процесс вообще не наблюдается (рис.2, таблица 2). Таблица 2. Относительные интенсивности (%) характеристических пиков в масс-спектрах ХИ

(изобутан) соединений 4.1-4.10 и соотношение молекул, протежированных по N и О атомам

Далее нами были изучены масс-спектры ХИ (газ-реагент изобутан) трифторацетатов

4.11 Я'= СНэД'-Н'-К'-Н; 4.12 Я'-Я'-Я'-Н , Яг= СН3; 4.13 Я'=Я4=Н, Я2- Я'=СН,; 4.14 Я'=Я2-Я5= СНь Я4=Н;

4.15 Я'=Я4=Н, Я!= К1=С2Н!; 4.1« Я'=Я4=Н, Я2= СН5, Я1- п-С,Н7,4.17 Я'-К4=Н, п-С3Н,, Я = СгН5; 4.18 Я^Я'-Я^Н, Яг- о-СЛ 1; 4.» я'=а'=н, Я2=Я4= СН3

Трифторацетаты были получены ацилированием неразделенных смесей эпимерных пиперидолов-4 действием ^^бис(трифторацетамида). Как и в случае силиловых эфиров, Трифторацетаты стереоизомерных спиртов прекрасно разделялись в условиях ГЖХ, для отнесения хроматографических пиков тому или иному стереоизомеру мы также провели ацилирование при различных температурах и временах реакции и приписали эпимерам с меньшим временем удерживания аксиальную ориентацию сложноэфирной группы.

Масс-спектры ХИ трифторацетатов (4.11-4.19), измеренные с использованием газа-реагента изобутана, практически содержат только пики протонированных молекул [МН]+ и продуктов элиминирования из них молекулы трифторуксусной кислоты

У трифторацетатов имеется три места для протонирования: атомы кислорода сложноэфирной группы и атом азота. Не вызывает сомнения, что ионы [МН-СРзСООН]+ образуются вследствие элиминирования молекулы кислоты из молекул, протонированных по одному из атомов кислорода ([МоН]*). Пики же ионов [МН]+ отвечают в основном молекулам, протонированным по атому азота и возможно по ароматическим

кольцам арильных заместителей во 2 и 6-ом положениях.

Сравнение относительных интенсивностей пиков ионов [МН]+ и [МН- СРзСООН]+ показывает, что независимо от характера заместителей при протежированные 4-трифторацетоксипиперидины с аксиальной

элиминируют молекулу трифторуксусной кислоты несколько труднее их экваториальных эпимеров.

Закономерности, отмеченные в предыдущем разделе, полностью сохраняются и в масс-спектрах ХИ (газ-реагент изобутан) гептафторбутиратов пиперидолов-4 (4.11-4.19), полученных ацилированием неразделенной смеси эпимерных вторичных пиперидолов гептафторбутирилхлоридом. Отнесение конфигурации центра С-4 осуществлялось на

основании закономерностей, аналогичных наблюдаемым для силиловых эфиров и трифторацетатов.

4.20 СН,Дг=Я!=Я4=Н; 4.21 Я'-Я^Я^Н , Я2= СН,, 4.22 Я'-Я'-Н, Я1- Я'=СН,; 4.23 Я'-РЛЯ'= СН3, Я'=Н;

4.24 Я^Я'-Н, Я3- Я'-СЛ; 4.25 Я'^Н, Яг- СН3, Я'= п-С,Н7; 4.26 Я'=Я'=Н, Я!- п-С,Н,, СгН5; 4.27 К'-Я^Я^Н, Я2- п-С5Н,4.28 Я'-Я^Н, Я2=Я*= СН,

Масс-спектры ХИ гептафторбутиратов (4.11-4.19), измеренные в присутствии изобутана, содержат основные пики протонированных молекул [МН]* и продуктов элиминирования молекулы кислоты [МН-Сзр7СООН]+. Центры протонирования в молекулах гептафторбутиратов такие же, что и у трифторацетатов, а ионы [МН-Сзр7СООН]+ вероятнее всего образуются в результате элиминирования кислоты из молекул, протонированных по одному из кислородов сложноэфирной группы.

Сравнение относительных интенсивностей пиков ионов [МН]+ и [МН-Сзр7СООН]* показывает, что независимо от характера заместителей при и

протежированные эпимеры гептафторбутиратов пиперидолов с аксиальной С^СОО-группой элиминируют перфтормаслянную кислоту несколько труднее их экваториальных изомеров.

5. Масс-спектрометрическое исследование стереохимии некоторых полициклических спиртов (на примере стероидов) в условиях химической ионизации.

В продолжение работы по изучению стереоизомерных эффектов в масс-спектрах ХИ конформационно-жестких циклических спиртов, мы исследовали серию эпимерных карбоциклических спиртов и их производных, относящихся к ряду стероидных.

Наши заключения о пропорциональности интенсивности пиков [МН]+ и [МН-КОН]+ концентрации протонированных молекул и в ионном пучке в ряду

соединений 3.1-3.15 и 4.1-4.19 основывались на предположении о количественной дегидратации протонированных молекул карбоциклических спиртов, не содержащих других функциональных групп с близким сродством к протону. В целях изучения возможности масс-спектрометрии с ХИ для установления пространственного строения монофункциональных конформационно-жестких карбоциклических спиртов, мы исследовали стереохимию эпимерных 12-гидрокси-5а-прегнанов и их производных в условиях ХИ. В качестве объектов

исследования были взяты эпимерные го С-12 12-гидрокси-5а-прегнаны (S.1), а также их ацильные (5.2-5.4) и силильные (5.5-5.7) производные:

Масс-спектры ХИ стереоизомеров 5.1, измеренные с использованием как изобутана, так и метана как газов-реагентов, практически не содержат пиков протонированных молекул [МН]+, а в молекулярной области присутствуют лишь малоинтенсивные пики ионов [М-Н]+. Наиболее же интенсивные пики в этих спектрах обусловлены элиминированием молекулы воды из ионов [МН]+ и [МН-Нг]+ ([МН-НгО]+ и [М-Н-НгО]+ соответственно). Отметим, что при использовании более жесткого газа-реагента метана интенсивности названных осколочных ионов возрастают. Однако пространственное строение эпимеров ни в том, ни в другом случае не сказывается на количественной картине масс-спектров.

Масс-спектры ХИ стереоизомерных ацильных производных 5.2-5.4 и силиловых эфиров 5.5-5.7 практически не содержат пики ионов основные же пики обусловлены ионами

и , соответственно. Таким образом, и в ряду ацильных и

силильных производных также не удается обнаружить никаких количественных различий в масс-спектрах стереоизомеров. В то же время, масс-спектральные данные для монофункциональных спиртов и их производных подтверждает факт практически количественного отщепления воды, силанола или кислоты из протонированных молекул.

В качестве объектов исследования конформационно-жестких карбоциклических спиртов с дополнительными удаленными функциональными группами с высоким сродством к протону нами взяты стероидные спирты, относящиеся к ряду эстратриенола-17 и D-гомоэстратетраенола-17а. В частности, впервые изучена стереохимия ионно-молекулярных реакций в условиях ХИ третичных спиртов ряда 3-метокси^-гомоэстра-1,3,5(10),8-тетраен-17а-ола и их ацетатов (5.8-5.11):

> б

5.« Я'^СНэ, И!= Н; 5.9 И'-СО,, Кг- Н; 5.10 Я'-СгН^ Яг= Н; 5.11 Я'СН), 112= СОСНз

Масс-спектры ХИ всех третичных спиртов и ацетатов (5.8-5.11), измеренные с использованием газа-реагента изобутана, содержат практически только интенсивные пики протонированных молекул и продуктов их дегидратации или элиминирования

молекулы кислоты [МН-СН3СООН]+ (рис 3.).

Мы не можем полностью исключить вероятность протоирования двойной связи или ароматического кольца, однако полагаем, что протонирование в основном протекает по 17а-гидроксильной группе и 3-метокси-группе. Можно предположить, что пики ионов [МН-НгО]+ образуются при дегидратации молекул, протонированных по атому кислорода гидроксильной группы в то время как пики ионов отвечают в основном молекулам,

протонированным по 3-метоксигруппе ([МзН]*), и возможно по ароматическому кольцу и двойной связи. Аналогичным образом для ацетатов 5.11 можно предположить, что ионы образуются из молекул, протонированных по сложноэфирной группе. А это означает, что относительные интенсивности пиков ионов и

пропорциональны концентрации протонированных молекул и в ионном

Г IV'! Г '

Сравнение относительной интенсивности пиков ионов [МН]+ и [МН-Н20]+ показывает, что независимо от природы заместителя при С-17а протежированные молекулы спиртов с аксиальной 17а-ОН-группой дегидратируются легче их эпимеров. Аналогичная закономерность наблюдается и при сравнении интенсивностей пиков ионов [МН]+ и [МН-СНэСООН]" в случае эпимерных ацетатов.

Использование газа-реагента метана приводит к заметному усилению дегидратации протонированных молекул для обоих эпимеров. Однако стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций, обнаруженная при использовании изобутана, сохраняется и в этом случае.

Таблица 3. Относительные интенсивности (%) характеристических пиков в масс-спектрах ХИ (изобутан) соединений 5.8-5.11 и соотношение молекул, протонированных по N и О атомам

В-во [МН]+ [МН-81МеэОН]+ В-во [МН]+ [МН-81Ме3ОН]+

5.8 а 63 100 5.10 а 78 100

б 100 94 б 100 81

5.9 * 85 100 5.11 а 10 100

б 100 88 б 36 100

В целях оценки стереоизомерных эффектов в масс-спектрах ХИ спиртов, содержащих гидроксильную группу в конформационно-жестком пятичленном кольце, нами были изучены масс-спектры ХИ эпимерных третичных спиртов ряда 3-метоксиэстра-1,3,5(10)-триен-17-ола (5.12-5.14) с псевдоаксиальной и псевдоэкваториальной ОН-группой, а также некоторых силильных производных этих спиртов (5.15-5.16):

а б

5.12 я'СНз, Я2= Н; 5.13 Я'-СО,, Я2- Н; 5.14 К'=С2Н5, Я2= Н; 5.15 К'=€Н3, Я2= 81(СН3Ь ;

5.16 Я'СНз, Я2= 81(СН3)2СН2СН=СН2

Масс-спектры ХИ, измеренные с использованием газа-реагента изобутана, содержат в основном интенсивные пики протонированных молекул и продуктов их дегидратации

[МН-Н2О]+ или продуктов элиминирования молекулы силанола [МН-81МезОН]+. Интенсивность пиков, обусловленных параллельным распадом ионов и др.),

не превышала 7% от полного ионного тока. Как и в случае 17а-замещенных стероидов, в молекулах данных спиртов 5.12-5.14 имеется два основных места протонирования:

13

гидроксильная группа при С-17 и метокси-группа при С-3. Также как и для спиртов D-гомо-ряда, можно предположить, что ионы образуются вследствие дегидратации

молекул, протонированных по атому кислорода гидроксильной группы в то время

как пики ионов отвечают в основном молекулам, протонированным по 3-

метоксигруппе и частично по ароматическому кольцу и двойной связи.

Сравнение относительных интенсивностей пиков ионов и показывает,

что несмотря на псевдоаксиальную и псевдоэкваториальную ориентацию гидроксильной группы, закономерности отмеченные для 3-метокси^-гомоэстра-1,3,5(10),8-тетраен-17а-олов сохраняются и в случае 3-метоксиэстра-1,3,5(10)-триен-17-олов, хотя различие в соотношении интенсивностей пиков характеристических ионов для эпимеров уменьшается.

В масс-спектрах ХИ силильных производных 3-метоксиэстра-1,3,5(10)-триен-17-олов (5.15, 5.16) основными являются пики ионов которые способны терять молекулу

соответствующего силанола однако интенсивность пиков последних ионов не

высока. Сравнение относительных интенсивностей пиков этих осколочных ионов для эпимеров не показывает какого-либо заметного количественного различия.

Использование газа-реагента метана приводит к некоторому увеличению дегидратации протонированных молекул для обоих эпнмеров. Однако стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций, наблюдаемая при использовании изобутана, сохраняется и в данном случае.

Возможные объяснения наблюдаемой стереоспецифичности протоннровання исследованных спиртов

Стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций исследованных спиртов в плазме протежирующего газа-реагента может быть обусловлена следующими причинами:

(а) стереоизомеры отличаются по способности к внутримолекулярной координации протона;

(б) протежирование аксиальной и экваториальной ОН-групп в конформационно-жестких спиртах происходит с равной вероятностью, но протонированная аксиальная ОН-группа элиминируется в виде воды легче экваториальной вследствие 1,3-диаксиального взаимодействия с атомами водорода цикла (термодинамический эффект);

(в) протонирование аксиальной и экваториальной ОН-групп протекает с разной вероятностью вследствие стерических препятствий, хотя легкость элиминирования протонированных гидроксилов обоих типов одинакова;

(г) аксиальная и экваториальная ОН-группы имеют различное сродство к протону, что обусловливает разную вероятность их протонирования.

Из приведённых причин две (б) и (г) можно с большой долей вероятности исключить: первая в случае гетероциклических спиртов должна приводить к обратной стереоспецифичности, чем та, которая наблюдается для транс-декагидрохинололов и производных пиперидолов-4; в литературе не удалось найти данных о различии в сродстве к протону аксиальных и экваториальных групп.

Тем не менее, первоначально мы предположили, что наблюдаемой различие в легкости дегидратации ^гетероциклических спиртов зависит от склонности стереоизомеров координировать протон между О и N атомами. Хотя транс-декагидрохинололы-4 имеют довольно жесткую бициклическую систему, в принципе, гетероциклическое кольцо при образовании такой мостиковой ионной связи может переходить в ваннообразную твист-форму. В случае аксиального и экваториального эпимеров, такая конверсия должна привести к образованию ионов А и Б, соответственно.

Рассмотрение моделей Дрейдинга для аксиального и экваториального по С-4 эпимеров показывает, однако, что в образующихся структурах расстояние между О и N атомами одинаково (около 3,4-3,6 А) и, следовательно, обе структуры могут реализоваться с равной вероятностью и не иметь различий в легкости дегидратации.

В отличие от транс-декагидрохинололов-4 циклическая система пиперидолов-4, в принципе, может менять конформацию. Однако наличие арильных заместителей в положениях 2 и 6 стабилизируют конформацию кресла и уменьшают вероятность ее инверсии в форму ванны. Для 4-триметилсилилоксипиперидолов с аксиальной силилокси-группой как в конформации «кресло», так и в конформации «ванна» для этого должна произойти инверсия атома азота таким образом, чтобы неподеленная пара его и силилокси-

группы находились в цис-расположении. В случае же эпимера с экваториальной силилокси-группой необходима инверсия концевых атомов СЗ-С5 вокруг силилоксисодержащего фрагмента. Очевидно, что образование иона хелатного иона в случае аксиального эпимера маловероятно, поскольку в ходе инверсии цикла арильные заместители становятся псевдоаксиальными, что энергетически не выгодно. В то же время, в случае образования значительного количества хелатных ионов в случае экваториального эпимера стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций должна быть обратной, наблюдаемой, так как внутримолекулярное связывание протона должно затруднять выброс соответствующей нейтральной молекулы.

Для прояснения этого вопроса нами были получены спектры CID МН+ ионов транс-декагидрохинололов-4 и производных пиперидолов-4. При этом ожидалось, что использование активации соударением приведет к разрушению комплексов с внутримолекулярным связыванием протона и появлению интенсивных пиков ионов

. Однако во всех полученных спектрах пики этих ионов имели незначительную интенсивность, что еще раз подтверждает невозможность использования причины (а), для объяснения наблюдаемых эффектов в ряду декагидрохинололов и производных пиперидолов.

В случае же стероидных спиртов причина (а) должна быть исключена, поскольку рядом с гидроксильной группой нет никакой функциональной группы, способной вовлекаться в во внутримолекулярное связывание протона. Спектры СЮ для ионов [МН]+ этих соединений также не содержат интенсивных пиков ионов . Соответственно должна быть

отвергнута и причина (г).

По нашему мнению наблюдаемая стереоспецифичность рассматриваемой ионно-молекулярной реакции в ряду N-гетероциклических спиртов с закрепленной конформацией может быть более рационально объяснена различием в легкости протонирования аксиального и экваториального гидроксила, обусловленного пространственными факторами. Действительно, подход объемного протонирующего трет-бутильного катиона к аксиальной ОН-группе из аксиальной области должен быть более трудным, чем из экваториальной из-за пространственных препятствий, вызванных наличием аксиальных Н-атомов в положениях 3 относительно ОН-группы. Следовательно, аксиальная 4-ОН-группа должна протонироваться труднее, чем экваториальная, а протонированные молекулы аксиальных спиртов должны дегидратироваться слабее. Это предположение подтверждается также более резким различием в масс-спектрах ХИ эпимерных силиловых эфиров 3.15а и 3.15б и силиловых эфиров пиперидолов-4 4.1-4.10, в которых объемная триметилсилильная группа оказывается более сильным препятствием для подхода протонирующего катиона. Для ацильных производных эта разница значительно ниже вследствие возможности протонирования не

только по сложноэфирному кислороду, но и по карбонильной группе, которая может выходить из области стерических препятствий.

Предложенный для объяснения наблюдаемой стереоспецифичности ионно-молекулярных реакций декагидрохинололов и производных пиперидолов-4 «контроль подхода» - хорошо известное явление и для стереохимии реакций в растворах.

При переходе к карбоциклическим стероидным спиртам мы могли бы ожидать аналогичных закономерностей в масс-спектрах ХИ, то есть пик иона должен

был быть более интенсивен в случае соединений с экваториальными 17а- и 17-ги"дроксильными группами. Однако наблюдаемая нами закономерность обратная. Единственная разница между бициклическими системами транс-декагидрохинололов-4 и системой колец C/D в соединениях 5.8-5.16 заключается в наличии ангулярной 18-метильной группы в последнем случае. Эта группа находится по соседству с центрами 17 и 17а и может создавать дополнительные стерические препятствия.

Результаты квантово-химических расчетов модельного транс-сочлененного третичного спирта ряда бицикло[4.4.0]декана с ангулярной метильной группой и экваториальной гидроксильной группой, показали, что наименьшими теплотами образования обладают два ротационных изомера А и Б. Теплота образования изомера А на 8 кДж/моль меньше чем теплота образования изомера Б, и значит первый конформер должен преобладать. Однако, в конформере А, одна из неподеленных пар электронов атома кислорода практически полностью экранирована ангулярной метильной группой, что создает стерические препятствия для атаки протонирующего катиона. Возможно, что препятствия для атаки гидроксила в аксиальном эпимере значительно меньше, даже при наличии 1,3-ОН/Н взаимодействий, в результате чего протонирование аксиальной ОН-группы происходит легче. В свою очередь это приводит к видимой более легкой дегидратации аксиальных эпимеров, проявляющейся в большей интенсивности пиков ионов [МН-НгО]+ в их спектрах ХИ. Вместе с тем, мы не можем полностью отвергнуть предположения, что наблюдаемые

экваториальная область

стереоизомерные эффекты в масс-спектрах ХИ изученных нами карбоциклических спиртов являются результатом возможности более легкого элиминирования протонированного аксиального гидроксила в виде воды за как следствие наличия 1,3-диаксиальных взаимодействий с Н-атомами.

А, ДНГ= 22,95 кса!/то1 Б, ДНГ= 24,73 кса1/то1

Аналитическое приложение найденных закономерностей

Наблюдаемые количественные различия в масс-спектрах ХИ исследованных спиртов и некоторых их производных можно использовать для определения конфигурации хирального центра при С-4 (тронс-декагидрохинололы и пиперидолы-4), С-17 и С-17а (стероидные спирты). Диастереомерные спирты, за исключением пиперидолов-4, а так же их производные хорошо разделяются в газохроматографических колонках с неполярными жидкими фазами, и масс-спектры ХИ могут быть зарегистрированы для каждого стереоизомера с использованием газохроматографии/масс-спектрометрии. Таким образом, структура и пространственное строение всех стереоизомеров, получаемых в ходе синтеза из соответствующих кетонов или выделяемых из природных объектов, могут быть уверенно установлены методом ГХ/ХИ-МС. Естественно, что масс-спектр ХИ только одного из стереоизомеров не позволит делать выводы о пространственной ориентации гидроксильной группы. Только анализ масс-спектров ХИ всех стереоизомеров дает возможность провести такую идентификацию.

Выводы

1. В результате анализа масс-спектров ХИ (газы-реагенты изобутан и метан) серии N гетеро- и карбоциклических спиртов и некоторых их производных с конформационно-закрепленной системой (третичные спирты ряда транс-декагидрохинолола-4, ацильные и силильные производные вторичных спиртов ряда пиперидола-4, третичные спирты ряда D-гомоэстратетраенола-17а и эстратриенола-17, их ацетаты и силильные производные) впервые высказано и экспериментально обосновано предположение, что стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций таких соединений с протонирующими катионами в плазме газа-реагента обусловлена преимущественно пространственными факторами, контролирующими подход объемного катиона к кислород-содержащей группе.

2. Показано, что в масс-спектрах ХИ замещенных в положениях 1 и/или 2 и 4 транс-декагидрохинололов-4 отношение интенсивностей пиков ионов [МН-НгО]+/[МН]+ всегда выше для спиртов с экваториальной ОН-группой по сравнению с их аксиальными эпимерами и не зависит от природы газа-реагента. Причиной этому может быть затрудненность протонирования аксиальной ОН-группы, вызванная наличием аксиальных Н-атомов в положениях 3, и, как следствие, кажущаяся затрудненность элиминирования воды из их протонированных молекул.

3. Аналогичная стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций обнаружена в случае триметилсилиловых эфиров и перфторацильных производных пиперидолов-4, конформация которых закреплена арильными заместителями: проявляющаяся в масс-спектрах химической ионизации большая легкость отщепления триметилсиланола или соответствующей кислоты из ионов также характерна для производных с экваториальными кислород-содержащими заместителями.

4. Установлено, что в ряду карбоциклических спиртов, относящихся к группе эстратриенолов-17 и D-гомоэстратетраенолов-17а, более легкое элиминирование воды из протонированных молекул характерно для соединений с аксиальным (псевдоаксиальным) гидроксилом. На основании квантово-химических расчетов бициклических спиртов, моделирующих систему колец ОЮ в изученных стероидах, высказано предположение, что наблюдаемая обратная стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций обусловлена наличием в стероидных молекулах ангулярной 18-метильной группы, создающих препятствия для подхода протонирующего катиона к экваториальному гидроксилу.

5. Исходя из замещенных пиперидонов-4 синтезированы соответствующие вторичные спирты. Разработаны микрометоды синтеза силильных и ацильных производньх

вторичных и третичных спиртов для исследования методом ГХ/МС. Показано, что в отличие от свободных спиртов эпимеры таких производных хорошо разделяются в неполярных колонках для ГХ; их конфигурация установлена на основании времен удерживания и скоростей реакций силилирования и ацилирования. 6. Показано, что метод ГХ/ХИ-МС может быть использован для определения конфигурации в составе смесей вторичных и третичных карбоциклических и N-гетероциклнческих спиртов с жесткой конформацией и дополнительными удаленными функциональными группами. Особенно эффективным может быть использование для этих целей силильных или ацильных производных.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. V.G. Zaikin, R.S. Borisov. Stereospecific ion-molecule reactions in the trans-decahydroquinol-4-ol series under CI conditions//Proceedings of 49 th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied topics, USA, 2001, CD Book, WPB 037

2. V.G. Zaikin, R.S. Borisov. Stereospecific ion-molecule reactions in the trans-decahydroquinol-4-ol series upon chemical ionization//Eur.J.Mass Spectrometry, 2002, 8,139-145.

3. P.C. Борисов, В.Г. Заикин. Масс-спектрометрическое определение конфигурации декагидрохинолин-4-олов с использованием химической ионизации// Изв. Акад. наук. Сер.хим., 2002, №10,1806-1807.

4. V.G.Zaikin, R.S.Borisov. Stereospecific ion-molecule reactions of anabolic-type steroid tertiary alcohols with proton-donating cations// Proceedings of 50th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied topics, USA, 2002, CD Book, ThPQ 356.

5. Р.С.Борисов, В.Г.Заикин. Эффекты стереоизомерии в масс-спектрах химической ионизации конформационно-жестких N-гетероциклических спиртов// Материалы школы-семинара «Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии», Звенигород, 2002,81.

6. V.G.Zaikin, R.S.Borisov. Stereoisomeric effects in El and CI mass spectra of 12-hydroxy steroid derivatives// Proceedings of 51th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied topics, USA, 2003, CD Book, TPL 212.

7. V.G.Zaikin, R.S.Borisov. Stereospecific ion-molecule reactions of conformationally rigid N-heterocyclic and carbocyclic alcohols with protonating reagent gases// Proceedings of 16lh International Mass Spectrometry Conference, UK, 2003, CD Book, TuC-108.

8. V.G.Zaikin, R.S.Borisov. Stereospecific ion-molecule reactions of anabolic-type steroid tertiary alcohols with proton-donating cations//Eur.J.Mass Spectrometry, 2003,9,459-464.

Борисов Роман Сергеевич (Россия) Изучение стереохимии ионно-молекулярных реахций конформационно-жестких N гетероциклических и карбоциклических спиртов и их производных в условиях химической ионизации

В результате анализа масс-спектров химической ионизации (газы-реагенты изобутан и метан) серии К-гетеро- и карбоциклических спиртов и некоторых их производных с конформационно-закрепленной системой (третичные спирты ряда транс-декагидрохинолола-4, ацильные и силильные производные вторичных спиртов ряда пиперидола-4, третичные спирты ряда Э-гомоэстратетраенола-17а и эстратриенола-17, их ацетаты и силильные производные) впервые высказано и экспериментально обосновано предположение, что стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций таких соединений с протонирующими катионами в плазме газа-реагента обусловлена преимущественно пространственными факторами, контролирующими подход объемного катиона к кислород-содержащей группе.

Borisov Roman S. (Russia) Stereochemistry of ion-molecule reactions of conformational^ rigid N-heterocyclic and carbocyclic alcohols and their derivatives under chemical ionization conditions

It was shown, that stereospecifity of ion-molecule reactions of conformationally rigid N-hetero- and carbocyclic alcohols and some their derivatives (tertiary alcohols trans-decahydroquinolols-4 series, acyl and silyl derivatives of 4-piperidol series, tertiary D-homoestratetraene-17a-ols and estratriene-17-ols, their acetates and silyl derivatives) with proton-donating cations in the plasma of isobutane and methane as gas reagents under chemical ionization conditions depends on steric hindrance, controlling approach of bulky cation to oxygen-containing group.

02*00

Подписано в печать %% Л . Формат 60x84/16. Тираж400экз. Усл. печ. л. Заказ •

Типография Издательства , - .

117923, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджс^икидге, д/ 3

7?

Введение.

Глава 1. Стереоизомерные эффекты в масс-спектрах химической ионизации конформационно-жестких циклических спиртов и их производных (литературный обзор).

1.1. Принципы масс-спектрометрии с химической ионизацией.

1.2. Стереохимия конформационно жестких циклических спиртов и их производных в условиях химической ионизации.

1.2.1. Одноатомные спирты и их производные.

1.2.2. Ди- и полифункциональные спирты и их производные.

Глава 2. Оборудование, исходные вещества и методика эксперимента.

2.1. Оборудование и условия эксперимента.

2.2. Исходные вещества и материалы.;.

2.3. Синтез Ы,3,4-триалкил-2,6-диарил-замещенных пиперидолов.

2.4. Микросинтезы производных спиртов.

2.4.1. Получение триметилсилиловых эфиров.

2.4.2. Получение аллилдиметилсилиловых эфиров.

2.4.3. Получение трифторацетильных производных.

2.4.4. Получения гептафторбутирильных производных.

Глава 3. Масс-спектрометрическое исследование стереохимии конформационно-жестких транс-декагидрохинололов-4 в условиях химической ионизации.

3.1. Исследование влияния стереохимии 1-алкил-4-замещенных тракс-декагидрохинололов на масс-спектры химической ионизации.

3.1.1. Химическая ионизация в плазме газа-реагента изобутан.

3.1.2. Химическая ионизация в плазме газа-реагента метана.

3.2. Исследование влияния стереохимии 1-алкил-2-метил-4-замещенных тряяодекагидрохинололов на масс-спектры химической ионизации.

3.2.1. Химическая ионизация в плазме газа-реагента изобутана.

3.2.2. Химическая ионизация в плазме газа-реагента метана.

3.3. Исследование влияния стереохимии силиловых эфиров 1-алкил-4-замещенных транс-декагидрохинололов на масс-спектры химической ионизации.

3.4. Возможные объяснения наблюдаемой стереоспецифичности протонирования транс-т кагидрохинололов-4.

3.5. Аналитическое приложение найденных закономерностей.

Глава 4. Масс-спектрометрическое исследование поведения конформационно-закрепленных производных пиперидолов-4 в условиях химической ионизации.

4.1. Исследование ионно-молекулярных реакций силиловых эфиров эпимеров замещенных пиперидолов-4 в условиях химической ионизации.

4.1.1. О конфигурации С4 в силиловых эфирах эпимеров (4.1-4.10).

4.1.2. Химическая ионизация в плазме газа-реагента изобутана.

4.2. Исследование ионно-молекулярных реакций трифторацетатов эпимерных пиперидолов-4 в условиях химической ионизации.

4.3. Исследование ионно-молекулярных реакций гептафторбутиратов эпимерных пиперидолов-4 в условиях химической ионизации.

4.4. Возможные объяснения наблюдаемой стереоспецифичности ионно-молекулярных реакций производных пиперидолов-4.

4.5. Аналитическое приложение найденных закономерностей.

Глава 5. Масс-спектрометрическое исследование стереохимии некоторых полициклических спиртов (на примере стероидов) в условиях химической ионизации.

5.1. Исследование стереохимии 12-гидрокси-5а-прегнанов и их производных при ХИ.

5.2. Исследование стереохимии 17а-замещенных З-метокси-Б-гомоэстра-1,3,5(10),8-тетраен-17а-олов и их производных при ХИ.

5.2.1. Химическая ионизация в плазме газа-реагента изобутана.

5.1.2. Химическая ионизация в плазме газа-реагента метана.

5.3. Исследование стереохимии 17-замещенных 3-метоксиэстра-1,3,5(10)-триен-17-олов в условиях ХИ.

5.3.1. Химическая ионизация в плазме газа-реагента изобутана.

5.3.2. Химическая ионизация в плазме газа-реагента метана.

5.4. Возможные объяснения наблюдаемой стереоспецифичности ионно-молекулярных реакций стероидных спиртов.

5.5. Аналитическое приложение найденных закономерностей.

Выводы.

Актуальность темы. Масс-спектрометрия является чрезвычайно бурно развивающимся инструментальным методом идентификации, изучения и определения органических веществ, и можно сказать, что сейчас в этих вопросах она занимает лидирующее место среди других спектральных методов анализа. Это обусловлено, главным образом, внедрением новых методов ионизации (десорбционных) и анализа ионов (времяпролетные анализаторы, масс-спектрометры с Фурье-преобразованием), обеспечившего исследование труднолетучих и высокомолекулярных соединений. Вместе с тем, традиционные методы масс-спектрометрии, включающие ионизацию молекул в газовой фазе (электронная и химическая ионизация, фотоионизация) остаются незаменимыми при определении сравнительно низкомолекулярных и летучих соединений. Дело в том, что эти методы обеспечивают высокую чувствительность, а при комбинации с газовой хроматографией - селективный покомпонентный анализ сложных органических смесей. Поэтому разработка новых методологических принципов для различных исследований органических соединений с применением указанных ионизационных методов продолжает оставаться задачей весьма актуальной.

Особыми достоинствами обладает масс-спектрометрия с химической ионизацией, позволяющая регистрировать высокоинтенсивные пики катионизированных молекул и, тем самым, уверенно определять их молекулярную массу. Не менее интересным является ее применение для изучения стереоизомерии органических молекул. В литературе можно найти значительное число работ, посвященных этому вопросу, однако большинство из них рассматривает полифункциональные соединения, где стереохимические эффекты обусловлены различной способностью диастереомеров связывать катион (чаще всего протон) за счет двух функциональных групп. Вместе с тем, практически не исследованы стереоизомеры с конформационно-закрепленными системами, содержащие пространственно сильно разделенные функциональные группы, в результате чего внутримолекулярное связывание ими катиона затруднено или совсем невозможно. Соответственно совершенно не выяснены причины, обусловливающие стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций таких соединений в плазме газа-реагента при химической ионизации.

Одними из наиболее распространенных объектов органического синтеза и компонентов различных биологических матриц являются циклические спирты. Важной задачей при исследовании их структуры является определение конфигурации центра, несущего гидроксил. Эта проблема особенно остро встает при исследовании третичных спиртов, где порой даже такой высокоинформативный метод как спектроскопия ЯМР не позволяет получить однозначных выводов. В этой связи особенно актуальной является разработка масс-спектрометрического метода, в отличие от других спектральных методов обладающего исключительно высокой чувствительностью, селективностью и в комбинации с хроматографией позволяющего исследовать спирты в составе сложных смесей. В литературе можно встретить много работ, в которых для решения стереохимических вопросов в ряду спиртов успешно применялась масс-спектрометрия с электронной ионизацией. Вместе с тем, большим потенциалом обладает и масс-спектрометрия с химической ионизацией, которая сохраняет указанные характеристики метода. Поэтому весьма актуальной является разработка на ее базе эффективных методик для определения конфигурации конформационно-закрепленных циклических спиртов, содержащих дополнительные удаленные функциональные группы, способные присоединять катион (протон).

Еще одно обстоятельство определяет актуальность и важность исследования диастереомерных спиртов методом масс-спектрометрии с химической ионизацией. Этот метод фактически моделирует первичные каталитические акты реакций, протекающих в присутствии кислот Льюиса и

Бренстеда. Хотя в данном случае взаимодействие реагирующих частиц происходит в идеальных газофазных условиях, метод позволяет получать новую информацию о механизмах названных реакций в растворах.

Работа выполнена на кафедре органической химии Российского Университета дружбы народов и экспериментальной базе Института нефтехимического синтеза им. А.В Топчиева РАН, в соответствии с планом НИР Университета Дружбы народов проводимых по тематическому плану (шифр темы 021401-1-075, номер гос. регистрации 01.02.00 105248), поддержана грантом ШТАБ У8Р-257/02.

Цели и задачи исследования. Конечной целью исследования явилась разработка высокочувствительных и экспрессных методов определения конфигурации вторичных и третичных гетеро- и карбоциклических спиртов с закрепленной конформацией и с дополнительными функциональными группами в составе сложных смесей на основе газохроматографии/масс-спектрометрии с химической ионизацией. Учитывая тот факт, что при анализе спиртов хроматомасс-спектрометрическим методом их обычно переводят в менее полярные и, следовательно, более летучие и хроматографически лучше разделяемые производные, особый упор в работе сделан на исследовании стереоизомерных эффектов в масс-спектрах химической ионизации таких производных.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие научные задачи: изучить масс-спектры химической ионизации (газы-реагенты изобутан и метан) диастереомерных третичных спиртов ряда транс-декагидрохинолола-4, андростанолов-12, эстранолов-17 и Б-гомоэстранолов-17а, а также силильных и перфторацильных производных вторичных спиртов, относящихся к ряду замещенных конформационно-закрепленных пиперидолов-4; синтезировать вторичные спирты ряда пиперидола-4, разработать газохроматографический способ разделения их стереоизомеров в виде силильных и ацильных производных и установить их конфигурацию;

- исследовать конкуренцию протонирования гидроксильной и удаленных дополнительных функциональных групп с высоким сродством к протону и установить стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций указанных спиртов и их производных в плазме протонирующих газов-реагентов;

- разработать микрометоды синтеза силильных производных (с помощью 1Ч,0-бис(триметилсилил)трифторацетамида), диметил(изопропил)- и диметил(аллил)силилхлорида) и ацильных производных (с помощью перфторацилхлоридов) изученных диастереомерных спиртов; изучить стереоизомерные эффекты в масс-спектрах химической ионизации некоторых силильных и ацильных производных названных спиртов; изучить особенности распада протонированных молекул спиртов и некоторых их производных при активации столкновением в зависимости от конфигурации гидроксил(триметилсилиокси)-содержащего центра; проанализировать возможные причины, которые могут потенциально определять стереоспецифичность исследованных ионно-молекулярных реакций, и предложить рациональное объяснение наблюдаемых стереоизомерных эффектов в масс-спектрах; изучить газохроматографические характеристики исследованных диастереомеров и их производных для выяснения возможностей анализа их смесей методом газохроматографии/масс-спектрометрии.

Научная новизна. Впервые проведено систематическое исследование стереоизомерных вторичных и третичных 1Ч-гетеро- и карбоциклических спиртов с закрепленной конформацией (замещенные транс-декагидрохинололы-4, пиперидолы-4 с закрепляющими конформацию заместителями, стероидные спирты ряда андростанола-12, эстранола-17, Б-гомоэстранола-17а) и некоторых их триалкилсилильных (триметил, аллилдиметил, изопропилдиметил) и ацетатов и перфторацильных производных (всего около 127 соединений) методом масс-спектрометрии с химической ионизацией в присутствии протонодонорных газов-реагентов изобутана и метана.

Показано, что в масс-спектрах химической ионизации гетероциклических спиртов основные пики отвечают ионам [МН]+ и [МН-Н20]+, соотношение интенсивностей которых определяется вероятностью протонирования по гидроксильной группе и атому азота в цикле. В то же время оно сильно зависит от конфигурации субстрата: пик иона [МН-Н20]+ всегда более интенсивен для эпимеров с экваториальной ОН-группой. В случае карбоциклических спиртов из серии стероидных 17- и 17а-олов (транс-сочценеше колец C/D) наблюдается обратная картина: дегидратация протонированных молекул протекает легче у спиртов с аксиальным гидроксилом. Все эти различия в легкости отщепления триметилсиланола и соответствующей кислоты из ионов [МН]+ наблюдаются и в случае триметилсилиловых эфиров и ацильных производных спиртов, соответственно. Наблюдаемые закономерности имеют общий характер и не зависят от природы других углеродсодержащих заместителей в молекулах.

Методом МС/МС установлено, что при столкновении ионов [МН]+ с атомами аргона практически не происходит их существенного распада, что свидетельствует об отсутствии заметного внутримолекулярного связывания протона удаленными функциональными группами (спиртовой и аминной).

Для объяснения наблюдаемых стереоизомерных эффектов в масс-спектрах химической ионизации исследованных спиртов и их производных впервые предложена концепция, основанная на учете роли пространственных препятствий при взаимодействии с протонно-донорными катионами плазмы {трет-бутильный, метониевый) и различной вероятности протонирования гидроксильной группы в зависимости от ее пространственной ориентации.

В ходе работы восстановлением соответствующих пиперидонов-4 синтезированы вторичные спирты ряда пиперидола-4, которые аналитически

разделены на диастереомеры методом газохроматографии в виде синильных и ацильных производных. Конфигурация разделенных таким образом стереоизомеров установлена на основании времен удерживания и различий в скорости реакций блокирования ОН-группы в зависимости от ее ориентации.

Практическая значимость. Совокупность экспериментальных данных и теоретических рассмотрений позволяет предложить новые эффективные масс-спектрометрические методики на базе химической ионизации для определения конфигурации вторичных и третичных карбо- и гетероциклических спиртов с конформациокно-жесткими системами, имеющих дополнительные протоноакцепторные функциональные группы. В комбинации с газовой хроматографией эти методики (включающие использование разных газов-реагентов, получение более летучих и хроматографически мобильных силильных и ацильных производных) позволяют исследовать смеси диастереомерных циклических спиртов, получаемых синтетическим путем или выделяемых из природных объектов.

На защиту выносятся следующие положения:

- масс-спектры химической ионизации (газы-реагенты изобутан и метан) стереоизомерных вторичных и третичных спиртов ряда транс-декагидрохинолола, андростанола-12, эстранола-17 и Б-гомоэстранола-17а, ацетатов последних, триметилсилиловых эфиров и перфторацильных производных замещенных пиперидолов-4; концепция о влиянии пространственных факторов на стереоспецифичность протонирования гидроксильной группы циклических спиртов в плазме протонирующих газов реагентов (изобутан, метан) при химической ионизации;

- новые методики определения конфигурации и исследования гетеро- и карбоциклических спиртов с конформационно-закрепленными системами и дополнительными функциональными группами в составе смесей в свободном состоянии или в виде силильных и ацильных производных на основе газохроматографии/масс-спектрометрии с химической ионизацией.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 49-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (27-31 мая 2001 г., Чикаго, Иллинойс, США), 50-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (2-6 июня 2002 г., Орландо, Флорида, США), 1-й школе-семинаре «Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии» (25-26 апреля 2002 г., Звенигород, Россия), 51-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (8-12 июня 2003 г., Монреаль, Канада), 16-й Международной масс-спектрометрической конференции (31 августа-5 сентября 2003 г., Эдинбург, Великобритания).

Публикации. По материалам работы опубликовано 3 статьи и 4 тезиса докладов на конференциях.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, экспериментальной части, трех глав обсуждения результатов, выводов и списка цитированной литературы.

Выводы

1. В результате анализа масс-спектров ХИ (газы-реагенты изобутан и метан) серии И-гетеро- и карбоциклических спиртов и некоторых их производных с конформационно-закрепленной системой (третичные спирты ряда трянс-декагидрохинолола-4, ацильные и силильные производные вторичных спиртов ряда пиперидола-4, третичные спирты ряда Б-гомоэстратетраенола-17а и эстратриенола-17, их ацетаты и силильные производные) впервые высказано и экспериментально обосновано предположение, что стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций таких соединений с протонирующими катионами в плазме газа-реагента обусловлена преимущественно пространственными факторами, контролирующими подход объемного катиона к кислородсодержащей группе.

2. Показано, что в масс-спектрах ХИ замещенных в положениях 1 и/или 2 и 4 трянс-декагидрохинололов-4 отношение интенсивностей пиков ионов [МН-Н20]7[МН]+ всегда выше для спиртов с экваториальной ОН-группой по сравнению с их аксиальными эпимерами и не зависит от природы газа-реагента. Причиной этому может быть затрудненность протонирования аксиальной ОН-группы, вызванная наличием аксиальных Н-атомов в положениях 3, и, как следствие, кажущаяся затрудненность элиминирования воды из их протонированных молекул.

3. Аналогичная стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций обнаружена в случае триметилсилиловых эфиров и перфторацильных производных пиперидолов-4, конформация которых закреплена арильными заместителями: проявляющаяся в масс-спектрах химической ионизации большая легкость отщепления триметилсиланола или соответствующей кислоты из ионов [МН]+ также характерна для производных с экваториальными кислородсодержащими заместителями.

4. Установлено, что в ряду карбоциклических спиртов, относящихся к группе эстратриенолов-17 и 0-гомоэстратетраенолов-17а, более легкое элиминирование воды из протонированных молекул характерно для соединений с аксиальным (псевдоаксиальным) гидроксилом. На основании квантово-химических расчетов бициклических спиртов, моделирующих систему колец C/D в изученных стероидах, высказано предположение, что наблюдаемая обратная стереоспецифичность ионно-молекулярных реакций обусловлена наличием в стероидных молекулах ангулярной 18-метильной группы, создающих препятствия для подхода протонирующего катиона к экваториальному гидроксилу.

5. Исходя из замещенных пиперидонов-4 синтезированы соответствующие вторичные спирты. Разработаны микрометоды синтеза силильных и ацильных производных вторичных и третичных спиртов для исследования методом ГХ/МС. Показано, что в отличие от свободных спиртов эпимеры таких производных хорошо разделяются в неполярных колонках для ГХ; их конфигурация установлена на основании времен удерживания и скоростей реакций силилирования и ацилирования.

6. Показано, что метод ГХ/ХИ-МС может быть использован для определения конфигурации в составе смесей вторичных и третичных карбоциклических и N-гетероциклических спиртов с жесткой конформацией и дополнительными удаленными функциональными группами. Особенно эффективным может быть использование для этих целей силильных или ацильных производных.

1. A.C.Harrison, Chemical Ionization Mass Spectrometry (2nd Edition), CRC Press, Boca Raton, 1992,208 p.

2. В.Г.Заикин, А.В.Варламов, А.И.Микая, H.C.Простаков, Основы масс-спектрометрии органических соединений, МАИК Наука/Интерпериодика, Москва, 2001, 286 с.

3. J.S.Splitter, F.Turecek (Eds.), Application of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry, VCH Publishers, N.Y., 1994, 705 p.

4. A.H.Andrist, B.E.Wilburn, J.M.Zabramski, Chemical ionization of cyclopropyl ethers, Org. Mass Spectrom, 11,436-439 (1976).

5. A.H.Andrist, I.E.Slivon, B.E.Wilburn, Chemical ionization of cyclopropyl ethers. II. The nature of the alkyl group fragmentation, Org. Mass Spectrom, 11, 1213-16 (1976).

6. D.Despeyroux, R.B.Cole, J.C.Tabet, Nucleophilic Substitution of Diastereomeric Norborneols, Norbornyl Acetates and Benzoates Under Ammonia Chemical Ionization, Org. Mass Spectrom, 27, 300-308 (1992).

7. B.L.Jelus, D.L.Dalrymple, J.Michnowicz, B.Munson, Chemical ionization mass spectra of some 2-norbornyl derivatives, Org. Mass Spectrom, 13, 163-166 (1978).

8. A.P.Bruins, Negative ion chemical ionization mass spectrometry in the determination of components in essential oils, Anal. Chem.5\, 967 (1979).

9. K.Hashimoto, T.Inoue, Y.Sumida, S.Terada, C.Watanabe, Adv. Mass Spectrom. 11,606 (1989)

10. D.Despeyroux, R.B.Cole, M.Ricard, J.C.Tabet, Adv. Mass Spectrom.W, 1056 (1989)

11. F.O.Gulacar, F.Mermoud, F.J.Winkler, A.Buchs, Ammonia chemical ionization mass spectrometry of alcohols: structural, stereochemical, molecular-size and temperature effects, Helv.Chim.Acta.67,488-501 (1984)

12. I.Kuzmenkov, A.Etinger, A.Mandelbaum, Role of hydrogen migration in the mechanism of acetic acid elimination from MH+ ions of acetates on chemical ionization and collision-induced dissociation, J. Mass Spectrom., 34, 797-803 (1999)

13. B.Munson, B.L.Jelus, F.Hatch, T.K.Morgan,Jr., R.K.Murray, Stereochemical effects in the mass spectra of 2-hydroxy-, 5-hydroxy-, and 2,5-dihydroxyproto-adamantanes, Org. Mass Spectrom., 15, 161 (1980)

14. D.Prome, J.C.Prome, D.Stahl, Distinction between 17-epimeric hydroxy steroids of the 3,17-dioxygenated androstane series by chemical ionization, Org. Mass Spectrom., 20, 525-529 (1985)

15. D.Termont, D.de Keukeleire, M.Vandewalle, Regio- and stereo-selectivity in k2 + n2. photocycloaddition reactions between cyclopent-2-enone and electron-rich alkenes, J. Chem. Soc., Perkin Trans., 1,2349-2353 (1977)

16. M.Claeys, M. Van Audenhove, M.Vandewalle, Evidence for the occurrence of an oxygen to oxygen acyl shift in 7-acetoxybicyclo3.2.0.heptan-2-ones upon chemical ionization mass spectrometry, Bull. Soc. Chim. Belg., 88, 799-805 (1979).

17. T.Partanen, P.J.Malkonen, P.Vainiotalo, J.Vepsalainen, Differentiation of isomeric camphane-2,3-diols by NMR spectroscopy and chemical ionization mass spectrometry, J. Chem. Soc. Perkin Trans.2, 111 (1990).

18. J.Jalonen, J.Taskinen, G.Glidewell, Application of quantum-chemical calculations to chemical-ionization mass spectrometry. Protonation and adduct formation in stereoisomeric 7-norbornenyl compounds, Int .J. Mass Spectrom. Ion Phys. 46,243-246 (1983)

19. B.Munson, Ta-Min Feng, H.D.Ward, R.K.Murray, Jr., Isobutane chemical ionization mass spectra of unsaturated alcohols, Org. Mass Spectrom., 22, 606609 (1987)

20. P.von R.Schleyer, D.S.Trifan, R.Bacskai, Intramolecular hydrogen bonding involving double bonds, triple bonds, and cyclopropane rings as proton acceptors J. Am. Chem. Soc, 80,6691-6692 (1958)

21. J.O.Metzger, W.Schwarting, P.Koll, F.J.Winkler, Chemical ionization mass spectra of the stereoisomer^ 1,5-anhydropentofuranoses, 1,6-anhydrohexofuranoses and l,6:3,5-dianhydrohexofuranoses Org. Mass Spectrom., 27, 508-514 (1992)

22. P.Longevialle, J.P.Girard, J.C.Rossi, M.Tichy, Influence of the interfunctional distance on the dehydration of amino alcohols in iso-butane chemical ionization mass spectrometry, Org. Mass Spectrom., 14,414-416 (1979)

23. P.Longevialle, J.P.Girard, J.C.Rossi, M.Tichy, Isobutane chemical ionization as a tool for evaluating the proportions of conformational isomers of alicyclic .beta, amino-alcohols at equilibrium in the gas phase Adv. Mass Spectrom., 8A, 705-712(1980)

24. R.Hourier, H.Rufenacht, D.Stahl, M.Tichy, P.Longevialle, Gas phase protonation and subsequent dissociations in .beta.-amino alcohols as a function of exoergicity and interfunctional distance, Org. Mass Spectrom., 8, 705 (1985)

25. L.D'Haenens, C.C. van de Sande, M.Schelfaut, The chemical ionization mass spectra of 2,4-adamantanediol diacetates and dimethyl ethers, Org. Mass Spectrom., 17, 265-268 (1982)

26. K.Wada, T.Mori, N.Kawahara, Stereochemistry of norditerpenoid alkaloids by liquid chromatography/atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry, J. Mass Spectrom., 35,432-439 (2000)

27. N.Morlender-Vais, A.Mandelbaum, Proton transfer between functional groups in MH+ ions of stereoisomer^ diethers on chemical ionization and collision-induced dissociation conditions Int. J. Mass Spectrom. Ion Procès., 167-168, 13-20(1997)

28. N.Morlender-Vais, A.Mandelbaum, Stereospecific multi-step alcohol elimination involving 1,4-methoxyl migration from the MH+ ions of stereoisomeric 3,6-dialkoxytricyclo6.2.2.02,7.dodec-9-enes J. Mass Spectrom., 637-643,291 (1999)

29. R.Christov, V.Bankova, I.Elenkov, N.Handjieva, S.Spassov, S. Popov, Stereo effects in the chemical ionization mass spectrometry of galanthamine epimers Eur. Mass Spectrom., 5, 77-80 (1999)

30. P.Longevialle, Principles of Mass Spectrometry of Organic Substances (Principes de la Spectrometrie de Masse des Substances Organiques) Principes de la Spectrometrie de Masse des Substances Organicues, Masson, Paris (1981), p.92

31. Y.Y.Lin, L.L.Smith, Recognition of functional groups by chemical ionization mass spectrometry Biomed. Mass Spectrom., 5, 604-611 (1978)

32. J.Bastard, D.Do Khac Manh, M.Fetizon, J.C.Tabet, D.Fraisse, Ion-molecule reactions in the gas phase. Part 1. Stereospecific nucleophilic substitution of tertiary alcohols by ammonia J. Chem. Soc., Perkin Trans.2, 1591-1595 (1981)

33. D.Krauss, H.von der Eitz, M.Ernert, Effect of stereoisomerism on the mass spectra of substituted iridanes Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys.,47, 411-414 (1983)

34. R.B.Cole, J.-C.Tabet, Determination and enhancement of stereospecific decompositions via triple mass spectrometry: formation of untypical protonated precursor molecules Org. Mass Spectrom., 26, 59-66 (1991)

35. P.Tecon, Y.Hirano, C.Djerassi, Desorption chemical ionization mass spectrometry of epimeric 3-hydroxysteroids and derivatives. Stereoselectivity and nucleophilic substitution with ammonia Org. Mass Spectrom., 17, 277-285 (1982)

36. C.Tabet, I.Hanna, M.Fetizon, Stereospecific hydride transfer under NCI/hydroxide ion conditions. 2 Origins of the C2H40 elimination from stereoisomeric alkoxyketal derivatives Org.Mass Spectrom., 20, 61-64 (1985)

37. J.C. Beloeil, M. Bertranne, D. Stahl, J. Tabet, Stereochemical effects in positive ammonium and negative hydroxide chemical ionization of androstane-14.beta.,17-diols Am. Chem. Soc., 105, 507-510 (1983).

38. V.G.Zaikin, N.S.Wulfson, V.I.Zaretskii, F.F.Bakaev, F.F.Akhrem, L.I.Ukhova, N.F.Uskova, Mass spectromic determination of the configuration of the 4-substituted l,2-dimethyl-4-hydroxydecahydroquinolines Org. Mass Spectrom., 2,1257-1264(1969)

39. V.I.Zaretskii, N.S.Wulfson, S.N.Ananchenko, V.N.Leonov, I.V.Torgov, Mass spectrometry of steroid system. III. New approach to the determination of configuration of tertiary steroid alcohols by mass spectrometry, Tetrahedron, 1965, v.21, p.2469

40. T.N.Borisova, N.D.Sergeeva, A.A.Espenbetov, D.S.Yufit, A.V.Varlamov, I.V.Eliseeva,; N.S.Prostakov, Synthesis and structure of l-benzoyl-2,5-dimethyl- and l,2,5-trimethyl-4-arylpiperidines, Khimiya Geterotsiklicheskikh Soedinenii, 1986, 9, 1200-6

41. V.Vais, A.Etinger, A. Mandelbaum, Steric hindrance and the kinetic nature of the protonation process in 4-amino-l-methoxycyclohexanes upon chemical ionization, Eur. Mass Spectrom., 5,449-454 (1999)

42. А.Физер, М.Физер, Стероиды, Мир, Москва, 1964, 982 стр.

43. J.Michnovicz, B.Munson, Chemical ionization mass spectrometry. 17-Hydroxysteroids, Org. Mass Spectrom., 6, 765 (1969-83)