Синтез и масс-спектрометрическое исследование производных дитерпеноида изостевиола с кислород- и азотсодержащими фрагментами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Бабаев Василий Михайлович

СИНТЕЗ И МАСС-СПЕКТРОМЕ ГРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ ДИТЕРПЕНОИДА ИЗОСТЕВИОЛА С КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИМИ

ФРАГМЕНТАМИ

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стенеии кандидата химических наук

2 6 ЯНВ 2012 005009360

Казань-2012

005009360

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Гаврилов Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

Никитина Лилия Евгеньевна доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой общей и органической химии ГБОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет»

Неклюдов Сергей Александрович кандидат химических наук.

старший научный сотрудник Химического института им. A.M. Бутлерова ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук, г. Москва

Защита диссертации состоится « 24 » февраля 2012 г. в .,.1,2°°. часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.07 при Казанском национальном исследовательском технологическом университете по адресу: 420015. Казань, ул. К.Маркса, 68. зал заседаний Ученого совета, А-ЗЗО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Автореферат разослан « /6 » января 2012 г.

-Ученый секретарь диссертационного совета

Г.Н. Нугуманова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время в качестве платформы для создания новых биологически активных соединений успешно используется природный дитерпеноид изостевиол 1 (16-оксо-эши-бейеран-19-овая кислота), обладающий антигипертензивной. гипотензивной, антигипергликемической и

противовоспалительной активностью. На сегодняшний день описано около 100 его синтетических производных, среди которых обнаружены соединения с ярко выраженной туберкулостатической и антимикробной активностью, основания Шиффа, являющиеся потенциальными лигандами металлокомплексного катализа, а также соединения, являющиеся переносчиками аминокислот и катионов железа через хлороформную мембрану (модель мембраны живой клетки). Строение и структура этих соединений были установлены спектральными (ИК, ЯМР 'Н) методами, а в ряде случаев и рентгеноструктурным анализом. Участие в этих исследованиях метода масс-спектрометрии ограничивалось только определением массы молекулярного иона. Детального анализа масс-спектров не проводилось. В этой связи следует подчеркнуть, что знание закономерностей путей фрагментации производных любых высших терпеноидов позволило бы вывести масс-спектрометрию на лидирующие позиции идентификации их химического, а в ряде случаев, и пространственного строения, причем даже тогда, когда молекулярный ион не регистрируется. Поэтому настоящая диссертационная работа. посвященная подробному масс-спектрометрическому анализу как большой серии синтезированных ранее кислород-и азотсодержащих производных изостевиола, так и нескольких биспроизводных изостевиола. синтезированных диссертантом, является актуальным исследованием.

Целью работы является масс-спектрометрическое исследование описанных ранее производных дитерпеноида эню-бейеранового ряда изостевиола с кислород- и азотсодержащими группами, а также аналогов известных своей туберкулостатической активностью биспроизводных изостевиола.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

- Синтезировать биспроизводные изостевиола, в которых две его молекулы соединены тетра- и гесаметиленовыми спейсерами с амидными или сложноэфирными группами.

- Синтезировать аналогичные диэфиры и диамиды на основе 16-гидрокси-15-гидроксиметилизостевиола.

- Изучить процессы распада молекулярных и фрагментных ионов производных изостевиола, выбранных в качестве объектов исследования, в условиях электронной ионизации и установить закономерности диссоциативной ионизации.

' Автор выражает благодарность кандидату химических наук Р.З. Мусину и доктору^ химических наук В.Е. Катаеву, принимавшим участие в руководстве данной работой

- Определить наиболее важные характерные признаки масс-спектров объектов исследования, а именно, пики характеристичных ионов, общие и специфические реакции распада молекулярных и фрагментных ионов.

- Изучить процессы распада кластерных и фрагментных ионов производных изостевиола, образующихся в условиях матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации и выявить соответствующие закономерности.

Научная новизна работы. Синтезированы неизвестные ранее соединения, в которых две молекулы дитерпеноида изостевиола или две молекулы 16-гидрокси-15-гидроксиметилизостевиола ковалентно связаны сложноэфирными или амидными спейсерами различной протяженности. Впервые проведено систематическое масс-спектрометрическое исследование серии производных дитерпеноида изостевиола с кислород- и азотсодержащими фрагментами. В результате анализа масс-спектров определены основные пути распада их молекулярных и фрагментных ионов. На основе установленных закономерностей их распада под действием электронной ионизации показана возможность решения ряда структурных задач, таких как определение положения заместителей тетрациклического скелета дитерпеноида изостевиола и масс-спектрометрическое установление структуры его новых производных. Выявлены особенности поведения бисаммониевых производных дитерпеноида изостевиола в масс-спектрометрии МАЛДИ.

Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы для установления строения новых производных дитерпеноида изостевиола и для предсказания путей их диссоциативной ионизации. Установленные закономерности образования масс-спектров электронной ионизации и матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации широкого круга производных изостевиола позволяют осуществлять экспресс-мониторинг реакционных смесей до стадии разделения продуктов реакции колоночной хроматографией. Показано, что при интерпретации масс-спектров МАЛДИ бисаммониевых соединений необходимо принимать во внимание возможность образования ионов, строение которых трудно коррелируется с истинным строением исходных молекул.

Положения, выносимые на защиту.

- Синтез биспроизводных изостевиола, в которых две его молекулы соединены тетра- и гесаметиленовыми спейсерами с амидными или сложноэфирными группами

- Синтез аналогичных диэфира и диамида на основе 16-гидрокси-15-гидроксиметилизоетевиола.

- Основные пути распада молекулярных и фрагментных ионов производных дитерпеноида энт-бейеранового ряда изостевиола с кислород- и азотсодержащими группами.

- Особенности поведения бисаммониевых производных дитерпеноида изостевиола в условиях масс-спектрометрии МАЛДИ.

Апробация работы. Основные результаты настоящей диссертационной работы докладывались на III и IV Всероссийских конференциях с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (Москва. 2009, 2011 г.г.), на VI Всероссийской конференции «Химия и технология растительных веществ» (Санкт-Петербург, 2010 г.), на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Актуальные проблемы органической химии» (Казань, 2010 г.), на Всероссийской конференции-школе «Фундаментальные основы масс-спектрометрии и ее аналитические применения» (Звенигород, 2010 г.), на научных сессиях Казанского государственного технологического университета и итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (Казань, 2008. 2009 г.г.), на научной школе с международным участием «Актуальные проблемы химии и нефтехимии» (Казань, 2011 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 статьях в изданиях, рекомендованных для размещения материалов диссертаций, и тезисах 7 докладов на российских конференциях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 120 страницах, содержит 15 схем, 57 рисунков. 3 таблицы, библиографию, включающую 116 наименований, и состоит из трех глав и приложения. Во введении отражена актуальность темы диссертационной работы, а также сформулирована цель и задачи исследования. Первая глава представляет собой описание общих принципов масс-спектрометрии и обзор литературных данных о масс-спектрах некоторых природных соединений. Вторая глава посвящена обсуждению полученных в данной работе результатов. Третья глава содержит описание методики эксперимента, приведены физико-химические характеристики исследованных соединений и описание методик синтеза новых соединений. В приложении представлены масс-спектры исследованных соединений.

Объекты и методы исследования. Изученные в данной работе производные дитерпеноида изостевиола синтезированы в лаборатории ФАПС ИОФХ им. А.Е.Арбузова КазНЦ РАН, за исключением соединений 1, 3, 6, 7, 11, 12, 14, 15, 16, 22, 23, 24, 25, 26, 27,28, синтезированных лично диссертантом. Для соединений 11-12 применен метод синтеза, позволяющий получать эти соединения с высоким выходом. Соединения 23-28 получены впервые.

Масс-спектры электронной ионизации получены на приборах TRACE MS «Finnigan МАТ». DFS Thermo Electron Corporation (Германия), MX 1310. Энергия ионизирующих электронов составляла 70 эВ, ток коллектора электронов ЗОмкА. Разрешающая способность приборов, при которой получены масс-спектры исследованных в работе веществ, составляла 1000 и 10000 при измерении точных масс ионов. Масс-спектры МАЛДИ получены на времяпролетном масс-спектрометре UltraFlex III TOF/TOF (Bruker Daltonik GmbH, Bremen, Germany) в линейном режиме. Измерения проводились в диапазоне m/z 200-5000.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Масс-спектрометрия является одним из надежных методов установления строения органических соединений, который, однако, для соединений сложной структуры требует специальных исследований путей фрагментации их молекул. К таким соединениям относятся высшие терпеноиды. в частности изостевиол (16-оксо-энот-бейеран-19-овая кислота), выделяемый из растения Stevia геЬаисИапа ВеПош. Этот дитерпеноид обладает гипотензивным, антигипертензивным, антигипергликемическим, противовоспалительным действием, и представляет собой перспективную платформу для создания новых лекарственных препаратов. На сегодняшний день описано около 100 его синтетических производных, в том числе обладающих туберкулостатической и антимикробной активностью. Показано, что функционализация изостевиола, в том числе ковалентное связывание двух его молекул спейсерами различного строения увеличивает его туберкулостатическое действие и придает ему свойство эффективного антимикробного агента. Химическое строение и структура производных изостевиола были установлены методами ИК и ЯМР 'Н спектроскопии, а в некоторых случаях методом рентгеноструктурного анализа. Масс-спектрометрия привлекалась только для определения массы молекулярного иона. В настоящей работе впервые проведен детальный анализ масс-спектров электронной и матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации широкого круга производных изостевиола с кислород- и азотсодержащими фрагментами.

1 Синтез и масс-спектрометрическое исследование эфиров изостевиола

Нами изучены масс-спектры электронной ионизации ряда кислородсодержащих производных дитерпеноида изостевиола, в том числе сложных эфиров изостевиола и диэфиров, образованных двумя молекулами изостевиола и его 16-гидроксипроизводного.

1 Р? = Н 6 К = СН2СН=СН2

2 Я = Ме 7 I* = (СН2)„ОН

3 Л = Е1 8 Я = Н

4 Я = л-Нех э = Ме

5 Я = п-Рес

1 -7

В масс-спектрах исследованных соединений наблюдаются пики молекулярных ионов (М+"), имеющие различную интенсивность. В условиях электронной ионизации М+'-ионы подвержены множественным реакциям распада. Одним из характерных путей являются процессы разрыва сложноэфирной связи С-О, сопровождаемой миграцией атома водорода к нейтральному осколку, с образованием ионов [M-ROH]+. В случае соединений 8-9, имеющих гидроксильную группу при атоме С16, распад по данному пути приводит к ионам m/z 302, т.е. смещенным на 2 Да по сравнению с

ионами, образующимися при фрагментации соединений / и 2, что служит доказательством данного пути распада. Интенсивность пиков ионов [М-ROHf выше

15%. 4 19

Другим основным процессом распада М+"-иона является разрыв связи С -С , с образованием ионов m/z 273 и 275 для 1-7 и 8-9 соответственно, с регистрацией в масс-спектрах пиков, имеющих относительную интенсивность 30-100% от максимального. В случае производных 1-7 образовавшийся ион в дальнейшем распадается по нескольким направлениям с образованием ионов [С8Н,0] (соответствующего структуре замещенного кольцатропилия) и [С9Н|3] .

Характеристичными ионами для соединений 1-7 и 8-9 являются ионы [М-СН3-СО]+ и [М-С2Н50]+ соответственно, которые также образованы распадом М+ -иона, вследствие разрыва связей в кольце D.

Образование перегруппировочного иона с составом молекулы изостевиола, обусловлено отрывом заместителя R от сложноэфирной группы с миграцией атома

водорода к заряженному осколку.

В масс-спектрах электронной ионизации присутствует большое количество пиков, обусловленных образованием осколочных ионов за счет более глубоких процессов распада. В диапазоне средних масс наблюдается ряд характеристичных пиков: m/z 259 [С|8Н270]+, m/z 229 [С,7Н25]\ m/z 203 [СиН,90]+. m/z 189 [С13Н,70]+. m/z 163 [СмН,50]+. m/z 122 [С9Н|4]+. m/z 109 [С8Н13]+.

Другими объектами масс-спектрометрического исследования являлись биспроизводные дитерпеноида изостевиола 10-14.

10В = (СН2Ь

11 в = (сн2и

12 = (СН2)6

13 Р = (СН2)20(СН2)2

В масс-спектрах данных соединений пики М+'-ионов имеют малую интенсивность, что говорит об их нестабильности в условиях электронной ионизации. Распад молекулярного иона происходит при разрыве одной из связей С-0

сложноэфирного фрагмента.

Для данных производных изостевиола, также как и для производных изостевиола 1-7, характеристичными являются ионы т/у 273 и фрагментные ионы, образующиеся в результате его дальнейшего распада. Следует отметить, что пик ^n/z 273 во всех спектрах имеет высокую интенсивность. Отличительной чертой производного 13 с оксидиэтиленовым спейсером является наличие процессов распада вследствие разрыва С-0 связи спейсера. В результате этого направления образуются ионы т/г 345, пики которых имеют относительную интенсивность 15%.

В качестве биспроизводного дитерпеноида изостевиола, имеющего вторичные гидроксильные группы у атомов С16 и С16', был выбран бутан-1,4-диилбис(экт-16-гидроксибейеран-19-оат) 14. В масс-спектре электронной ионизации пик М+'-иона отсутствует, что характерно для вторичных и третичных спиртов. Нестабильность молекулярного иона этого соединения вызвана процессами распада, инициируемыми ионизированной гидроксильной группой. В масс-спектре диэфира 14 наблюдаются пики ионов [М-Н20]+, [М-Н20-Н20]+ малой интенсивности. Как и в случае рассмотренных выше производных наблюдается несколько пиков, связанных с процессами глубокого распада. Пики ионов, образующихся в результате разрыва связей 0-СН2- и С4-С19, имеют среднюю интенсивность.

он он

14

Первоначально диэфиры изостевиола 11 и 12 были получены с выходами 4060% взаимодействием хлорангидрида изостевиола 22 с соответствующими диолами в соотношении 2:1. На следующем этапе работы мы усовершенствовали методику получения диэфиров изостевиола. Синтез соединений 11 и 12 по "тозилатному пути" позволил повысить выход целевых продуктов.

Взаимодействием тозилхлорида с диолами в пиридине были получены тозилаты диолов 15-16, которые далее вовлекали в реакцию с изостевиолом 1 в ацетонитриле. Выходы продуктов 11-12 составили 75-93%.

н-о-

С1

НО(СН2)„ОН

Ру

1=0°С

0=3-0-(СН2)п-0-8=0

15 п = 4

16 п = 6

11 п = 4

12 п = 6

За ходом реакции следили по ТСХ и масс-спектрам МАЛДИ реакционной

смеси.

2 Синтез и масс-спектрометрическое исследование амидов изостевиола

На следующем этапе работы нами были исследованы пути фрагментации азотсодержащих (амидных) производных изостевиола 17-21 под действием электронной ионизации.

В масс-спектрах исследованных соединений наблюдаются пики М+-иона, имеющие различную интенсивность. В случае диамидов изостевиола интенсивность пика М+'-иона, как и большинства пиков в области высоких масс, мала, что в свою очередь затрудняет интерпретацию спектров и идентификацию соединений. Одним из характерных путей распада данных производных изостевиола являются процессы разрыва амидной связи C(0)-N(H). сопровождаемой миграцией атома водорода к

заряженному осколку.

Другим основным процессом распада tvf'-иона, как и в случае большинства производных изостевиола, является разрыв связи С4-С' , с образованием ионов m/z 273. Образовавшийся ион в дальнейшем претерпевает процессы глубокого распада с образованием характеристичных для производных изостевиола ионов.

Реакцией хлорангидрида изостевиола 22 с 1,6-диаминогексаном и 1,9-диаминононаном в четыреххлористом углероде с выходами 10-34 % после колоночной хроматографии были получены диамиды изостевиола 23 и 24. Хлорангидрид изостевиола 22 синтезирован взаимодействием изостевиола / с тионилхлоридом в четыреххлористом углероде.

Строение полученных диамидов подтверждалось масс-спектрометрически, а также данными ЯМР 'Н спектроскопии. При исследовании масс-спектров данные диамиды изостевиола в условиях электронной ионизации проявили себя необычно. В масс-спектрах пик М+'-иона имеет высокую интенсивность. В области высоких масс масс-спектра наблюдаются характеристичные пики ионов [М-СН3]+. [М-СО]+, [М-СН3-СО]+ с относительной интенсивностью 3-8%. Распад по характеристичным путям фрагментации амидных производных дитерпеноида изостевиола, выявленным ранее, приводит к ионам m/z 273 и m/z (М-273) в случае разрыва связи С4-С19; m/z 300, m/z (М-301) - при разрыве амидной связи.

Следует отметить, что в случае диамидов изостевиола, в отличие от диэфиров, при разрыве связи С4-С19 локализация заряда возможна на обоих фрагментах.

Соединения 23 и 24 характеризуются также набором пиков фрагментных ионов, отстоящих друг от друга на 14 Да. Ионы данной серии образуются непосредственно из М+"-иона при разрыве любой из С-С связей спейсера, связывающего два изостевиольных фрагмента, или в результате отщепления молекулы олефина из соответствующего первичного иона. Интенсивности пиков данной серии составляют 3-10% относительно максимального иона.

3 Синтез и масс-спектрометрнческое исследование диэфира и диамнда на основе 16-гидрокси-15-гидроксиметилизостевиола

Следующим этапом работы был синтез и масс-спектрометрический анализ биспроизводных 16-гидроксиизостевиола, содержащих гидроксиметильные группы у атомов С15 и С15 углеводородного скелета. Они были получены взаимодействием диэфира 12 и диамида 23 с этилатом натрия и формалином в этаноле при комнатной температуре. Целевые продукты выделяли колоночной хроматографией на силикагеле.

25 26

Строение продуктов подтверждено данными масс-спектрометрии и ЯМР 'Н спектроскопии. В масс-спектрах электронной ионизации соединений 25-26 пики М+'-ионов отсутствуют. В связи с этим, для подтверждения строения данного продукта нами были использованы другие методы ионизации, а также исследованы масс-спектры дейтероаналогов. Дейтерирование проводили по обменной реакции соединений 25 и 26 с избытком С0300, в результате чего были получены дейтеропроизводные 27-28.

27 28

В условиях химической ионизации (газ-реагент - изобутан) в масс-спектрах наблюдаются пики протонированных молекул 25-26. Также в спектрах присутствуют пики, обусловленные образованием фрагментных ионов [МН-Н20] , [МН-2Н20] , [МН-ЗН20]+. Пики ионов [М-Н20]+. [М-2Н20]+, [М-ЗН,0]+ в масс-спектрах электронной ионизации являются практически единственными характеристичными пиками в области высоких масс, но имеют низкую интенсивность, особенно в случае диэфира 25.

Использование установленных для диэфиров и диамидов изостевиола закономерностей позволяет выделить пики ионов, образовавшихся в результате разрыва сложноэфирных и амидных связей в соединениях 25 и 26 соответственно. В масс-спектре электронной ионизации соединения 25 пик m/z 450 обусловлен наличием иона, образовавшегося в результате разрыва сложноэфирной связи С(0)-0 с миграцией атома Н к заряженному фрагменту. Пик m/z 432 обусловлен наличием иона, образовавшегося в результате разрыва связи 0-СН2 спейсера с миграцией атома водорода к нейтральному фрагменту.

В масс-спектре электронной ионизации соединения 25 максимальную

интенсивность имеет пик m/z 286, который соответствует структуре иона,

.+• г* Г1'9

образованного элиминированием молекулы воды из М -иона и разрывом связи -ь

с локализацией заряда на изостевиольном фрагменте. В масс-спектре соединения 26

наблюдается аналогичный лик, но средней интенсивности. В масс-спектре

электронной ионизации дейтероаналога 28 пик данного иона смещен на 1 Да (ион

содержит только одну меченую группу), что и подтверждает механизм образования

этого иона. Дополнительным подтверждением этому является наличие пиков ионов

m/z 287 в масс-спектрах химической ионизации соединений 25 и 26.

В масс-спектрах МАЛДИ соединений 25 и 26 наблюдаются пики катионизированных молекул высокой интенсивности. Интересным оказался тот факт, что при исследовании в условиях МАЛДИ производных 27 и 28 в масс-спектре наблюдались серии пиков ионов, соответствующих молекулам, катионизированным натрием и калием, причем максимум приходился на частично дейтерированные производные.

4 Масс-спектрометрическое исследование оснований Шиффа на основе N-производных изостевиола по атому С4

Y

В масс-спектрах соединений 29-32 присутствует пик М+'-иона. Проведено точное определение масс М^-ионов данных производных. М^-ионы при электронной ионизации претерпевают несколько типов распада. Одна группа процессов распада связана с разрывом связей изостевиольной части М+'-иона. Так для масс-спектров данных соединений характерно наличие пиков ионов, обусловленных отщеплением метального радикала от атома Сь, разрывом С-С связей в кольце D тетрациклической углеводородной системы и выбросом молекулы СО. Характерными являются также ионы [М-СО-СН3]+. Пики данных ионов имеют высокую интенсивность.

К другой группе процессов распада М+'-иона можно отнести разрыв связи С4-N. В результате этого возможна локализация заряда на обоих фрагментах. В случае локализации заряда на изостевиольном фрагменте образуется ион m/z 273. При локализации заряда на втором фрагменте происходит миграция водорода к атому азота от одного из ß-углеродных атомов по отношению к атому азота. Данный механизм образования этого иона подтверждает рассмотрение масс-спектра бромпроизводного 30, в котором наблюдается изотопное распределение, соответствующее содержанию одного атома Вг. Относительная интенсивность пиков данных ионов составляет 15-98%.

Одним из направлений фрагментации характерным для данных производных является разрыв ß-связи по отношению к атому азота, что приводит к ионам m/z 300, пики которых в масс-спектрах электронной ионизации имеют малую интенсивность.

Другие пути распада шиффовых производных изостевиола заключаются в разрыве связей колец А и В изостевиольного скелета. Данные направления заключаются в разрыве связей С4-С5 и С2-С3, или связей С4-С5 и С'-С10.

5 Масс-спектрометрическое исследование ацетатов и оксимов изостевиола

В этом разделе представлены результаты масс-спектрометрического

исследования производных дитерпеноида изостевиола по атому С16 карбонильной

группы 33-36.

В масс-спектрах данных производных наблюдается сильное влияние природы

заместителя у атома С16 на стабильность молекулярного иона. Так в случае

соединений 33-34 в масс-спектрах электронной ионизации пик М+'-иона имеет очень низкую интенсивность, тогда как для 35-36 его интенсивность составляет 33-55% от максимального. Также как и для большинства производных изостевиола, для данных соединений характерен разрыв связи С-С19, который в отличие от соединений 1-13, протекает с миграцией атома водорода, с образованием ионов, имеющих пики малой (в случае соединений 33-34) и средней (у соединений 35-36) интенсивности. Характерным является наличие фрагментных ионов, обусловленных процессами разрыва связей кольца О изостевиолыюго скелета.

'соов

33 К = Н

34 Я = Ме

'СООЯ

35 1* = Н

36 К = Ме

Одним из основных путей распада молекул ацетатов 33-34 является разрыв связи С|6-0 с миграцией атома водорода к нейтральной молекуле. Интенсивность пиков образующихся ионов составляет 60-70%. Отметим, что для масс-спектров соединений 35-36 характерны пики, соответствующие ионам, образующимся при отрыве гидроксила оксимной группы.

Кроме указанных характеристичных ионов, для исследованных соединений наблюдаются ионы, образованные элиминированием молекул воды и метанола для соответствующих производных, а также ряд ионов, образованных вследствие глубоких распадов молекулярных и фрагментных ионов.

37 п = 2

38 п = 3

39 п = 4

При переходе к бисоксимам 37 - 39 наблюдается снижение стабильности М+-ионов, которая к тому же уменьшается с увеличением длины углеводородной цепочки, связывающей два изостевиольных каркаса. Интенсивность пиков М+ -ионов в ряду соединений 37- 39 снижается. Характерным процессом распада молекул 37 - 39 при электронной ионизации является отщепление ОН-группы при атоме азота. В области тяжелых масс, являющейся наиболее информативной частью масс-спектра, заметны пики ионов [М-СН5]+, и [М-Н20]+. В остальной части масс-спектров соединений 37-39 присутствуют пики ионов, образованных вследствие глубоких последовательных распадов молекулярных и фрагментных ионов.

6 Масс-спектрометрическое исследование эфиров нзостевиола с аминной и аммонийной группами

Как известно, для аминов характерны интенсивные процессы распада, вследствие которых интенсивность пиков их М+'-ионов очень низка, а в некоторых случаях они и вовсе отсутствуют. Именно такие закономерности мы наблюдали при исследовании производных изостевиола 40-42 в условиях электронной ионизации.

40 41 R = СН3

42 R = С2Н5

В масс-спектрах электронной ионизации этих соединений отсутствуют пики М+'-ионов. Этот экспериментальный факт, вероятно, связан с наличием в молекулах 40-42 диметиламино- и диэтиламино- групп, значительно снижающих стабильность М+'-ионов. Так, в масс-спектре диметиламиноэтанольного производного адамантана, взятого из масс-спектральной базы данных, присутствуют ионы m/z 58 и 71, отнесенные к диметиламиногруппе. По аналогии с этим, можно полагать, что присутствие пиков ионов m/z 58 и 71 в масс-спектрах соединений 40 и 41 служит доказательством наличия у них диметиламиногруппы. В масс-спектре соединения 42, как и следовало ожидать, присутствуют пики m/z 86 и 99, обусловленные имеющейся диэтиламмонийной группой.

Для аммониевых производных изостевиола 41 и 42 в масс-спектрах в области легких масс интенсивным является пик иона m/z 36 состава [НС1]+. Данный ион образуется разложением солей 41 и 42 на молекулы, содержащие изостевиольный каркас и молекулу HCl, происходящим при переходе молекул 41 и 42 в газовую фазу в системе напуска масс-спектрометра.

Следует отметить, что для аммониевых соединений более сложного строения справиться с задачей идентификации с использованием метода электронной ионизации, ввиду ограниченного числа характеристичных ионов, становится труднее. Однако, использование для этих целей других способов ионизации (отдельно или дополнительно к методу электронной ионизации) в некоторых случаях позволяет решить поставленные задачи. Так, при исследовании методом МАЛДИ удается зафиксировать пики ионов m/z 390, 418, соответствующие катионам соединений 41 и 42, а также пик протонированной молекулы в случае соединения 40.

7 Масс-спектрометрическое исследование аммониевых производных изостевиола методом МАЛДИ

Поскольку метод электронной ионизации неинформативен для анализа термически неустойчивых соединений, с целью выяснения возможных путей термического разложения аммониевых производных дитерпеноида изостевиола их масс-спектрометрическое исследование было проведено методом матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации (МАЛДИ), являющимся одним из эффективных методов «мягкой ионизации».

Нами впервые получены и подробно изучены масс-спектры МАЛДИ серии моно- (соединения 43, 44) и бис- (45-49) аммониевых производных дитерпеноида изостевиола, проявляющих высокую антимикробную активность.

43 П=5

44 П=9

45 П=3

Вг 46 п=5

1+ 47 п=9

7r-°-cH2-CH2-N-(CH2)nBr 48 п=10

¿' I 49 п=12

43-44

Вг Вг

+l I+

j£r-0-CH2-CH2—N—(CH2)n-N—СН2-СН2-0 45-49

В масс-спектрах МАЛДИ аммониевых производных изостевиола 43-44 наблюдаются интенсивные пики только катионов m/z 538(Br79)/540(Br8') и m/z 594(Br79)/596(Br8') соответственно для 43 и 44, что является следствием диссоциации этих солей. Наличие пиков m/z 458, m/z 514, для солей 43, 44 соответственно, вероятно, обусловлено элиминированием молекулы НВг от соответствующего катиона, что связано с протеканием процессов термического распада в условиях МАЛДИ.

Отметим, что по наличию пиков кластерных и осколочных ионов в масс-спектрах МАЛДИ рассматриваемых соединений можно судить об их молекулярной массе и структуре.

В масс-спектрах МАЛДИ бискватернизованных солей 45-49 наблюдаются пики, соответствующие кластеру дикатиона с депротонированной молекулой матрицы [Dicat + DHB - Hf. Кроме того, присутствуют пики, соответствующие ионам состава [Dicat + 2DHB - О + Na]+, [Dicat + 2DHB + Na]+. Вероятно, рассматриваемые аммониевые соединения взаимодействуют с карбоксилат-анионом молекулы дигидроксибензойной кислоты (DHB) с депротонированием последней. Как следует из изучения свойств водородной связи типа R3NT-C-H 0=С,

взаимодействие аммонийной группы с карбонильной является довольно сильным. При детальных исследованиях соединения 47 установлено, что образование кластерных ионов характерно не только для ОНВ. Так, использование в качестве матрицы 3-гидроксипиколиновой кислоты (НРА) приводило к образованию интенсивного пика кластерного иона [Оша1 + НРА - Н]+ (т/г 1043). При использовании в качестве матрицы а-циано-4-гидроксикоричной кислоты (НССА), также наблюдается пик кластерного иона [0)'са: + НССА - Н]+.

В зависимости от используемой матрицы и энергии лазерного излучения, кластеры дикатион-противоион [0'|са1-Вг]+. являющиеся одними из характеристичных ионов, имеют в масс-спектрах пики различной интенсивности. Остальные пики, вероятно, являются продуктами термического распада кластера дикатион-противоион.

В результате проведенных исследований можно полагать, что распад кластерного иона [Оюа1-Вг]+ происходит по путям (а-й), указанным на схеме 1.

I I Вг

♦I и

И—1Ч-(СНг)п-Н—в

|КсаГВг|*

Я—М-(СНг)„-М—Я |Кса(Вг-СНзВг|* - СН) -Г) «ЗН

♦I I

Я!—!\|-(СНг)„-|\| Н I Н Н '

«I I

Я— Л1—<СН2)„—N [сКсаГВг-РВгГ

-2СН3 «ЗН

♦I I

I н н 1

-РЩСНзЬ

М-(СНг)„-Вг |о|«Л'Вг-НМ(СН3)гГ -НВг

Р—М-(СНг)п.2-СН=СН2

»1

[}-|.1-(СНг)п.

-СН=СН2 • Вг

♦I I

|Кса1 • Вг - ИВДСН^СНз^Вг *Н | Г

I

- NN I

|0|саГВг-СН3Вг-В -СН3* ЗН| |о;саГВг -ИВг-2СН, ♦ зн]* |01са1Вг-|?М(СН3)г -НВг|* |01сагВг-Я!М{СН1ЫСН2)„Вг-М(СНз)г|*

Схема 1

Направление а распада кластера Рюа1-Вг]+ характеризуется отрывом нейтральной молекулы СНзВг от кластерного иона и образованием иона [О'юИ'Вг -СН3Вг] . Термическое элиминирование метилбромида происходит вследствие высокой температуры в зоне лазерного излучения по причине термической нестабильности аммониевых соединений. Мы предполагаем, что дальнейший распад образовавшегося иона связан с отрывом двух заместителей от кватернизованных атомов азота и присоединением двух атомов водорода. При этом образовавшийся ион протонируется. Данное направление распада является характерным для соединений 45 и 46.

Одновременно с фрагментацией молекул по направлению а возможен распад и по направлению Ь, которое связано с отрывом молекулы ЯВг от кластера.

Направление распада Ь' аналогично направлению а'.

Направление распада с. характерное для бисаммониевых производных изостевиола, заключается в разрыве связи С-Ы спейсера, протекающем с присоединением атома брома и выбросом молекулы амина КК(СН3)2. Дальнейший распад происходит с отщеплением от образовавшегося иона молекулы НВг.

Направление распада с! характеризуется разрывом связи С-Ы спейсера и отрывом фрагмента аЫ+(СН,)2(СН2)п-Вг" с миграцией атома водорода. Направление распада й' обусловлено отрывом диметиламина от образовавшегося иона, что приводит к образованию иона /я/г 345.

Масс-спектры бисаммониевых производных изостевиола 45 и 46 существенно отличаются от масс-спектров бисаммониевых производных 47-49. Интенсивными пиками в случае солей 45. 46 являются пики ионов [О'юа! - Я - 2СН3 + ЗН]+. образованных вследствие термического распада кластера дикатион-противоион. Пики, соответствующие кластерам дикатиона с молекулой матрицы имеют низкую интенсивность, либо не наблюдаются.

Различие масс-спектров МАЛДИ бисаммониевых производных дитерпеноида изостевиола 45-49 безусловно связано с различной длиной спейсера между двумя кватернизованными атомами азота этих соединений. Вероятной причиной является сильная зависимость степени фрагментации от расстояния г¡.2 между двумя заряженными центрами. Относительно стабильными ионами являются те, у которых /-,.,> I нм. Таким образом, в случае бисаммониевых соединений 45 и 46 кулоновское отталкивание между двумя положительными зарядами велико, что, по-видимому, ведет к термическому распаду дикатиона и, соответственно, появлению в масс-спектрах интенсивных пиков соответствующих продуктов. В отличие от соединений 45 и 46. дикатион солей 47-49 является стабильным, что проявляется в масс-спектрах наличием пиков образующихся кластеров с противоионом и/или молекулой матрицы.

Выявленные закономерности поведения бисаммониевых производных дитерпеноида изостевиола в условиях МАЛДИ позволяют точно и достоверно проводить экспресс-анализ реакционных смесей, что позволяет судить о течении реакций и образующихся продуктах не прибегая к колоночной хроматографии. Таким образом, метод МАЛДИ является эффективным инструментом для анализа кватернизованных производных дитерпеноида изостевиола, позволяющий исследовать реакционные смеси для их синтезов, а также идентифицировать целевые и побочные продукты. Однако следует отметить, что в результате серии экспериментов нами было установлено, что энергия лазерного излучения оказывает сильное влияние на вид результирующего масс-спектра МАЛДИ бисаммониевых производных изостевиола. При низкой мощности лазерного излучения масс-спектр является относительно простым и содержит пики наиболее характеристичных ионов. Увеличение энергии лазерного излучения ведет к усилению термического распада, а, следовательно, к появлению большего числа продуктов меньшей массы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Синтезированы неизвестные ранее соединения, в которых две молекулы дитерпеноида изостевиола или две молекулы 16-гидроксн-15-гидроксиметилизостевиола ковалентно связаны сложноэфирными или амидными спейсерами различной протяженности.

2 Впервые проведено систематическое масс-спектрометрическое исследование кислород- и азотсодержащих производных дитерпеноида эи/и-бейранового ряда изостевиола. Предложены схемы образования наиболее характеристичных и распространенных ионов при диссоциативной ионизации.

3 Установлено, что основными процессами распада сложноэфирных производных дитерпеноида изостевиола при электронной ионизации является разрыв связи С4-С19 и С-0 связи сложноэфирного фрагмента.

4 Показано, что преимущественным распадом производных изостевиола, имеющих фрагмент основания Шиффа при атоме С4, является разрыв связи С-М, а также разрыв С-С связей в кольце О тетрациклической системы.

5 Установлено, что в масс-спектрах ацетатов изостевиола важным аналитическим признаком является наличие интенсивных пиков [М-СН}СООН]+, а в масс-спектрах оксимов изостевиола - наличие интенсивных пиков молекулярного иона и фрагментных ионов [М-ОН]\

6 Установлено, что в масс-спектрах МАЛДИ исследованных аммониевых производных изостевиола наблюдаются пики кластерных и фрагментных ионов, которые позволяют устанавливать структуру соединений.

7 Природа процессов образования характеристичных ионов при распаде бисаммониевых производных изостевиола в условиях МАЛДИ зависит от длины полиметиленовой цепочки, соединяющей два кватернизованных атома азота:

для соединений, у которых кватернизованные атомы азота разделены пятью и менее метиленовыми группами, характерны процессы термического распада дикатиона;

для соединений, у которых кватернизованные атомы азота разделены девятью и более метиленовыми группами, характерно образование кластерных ионов с молекулами матрицы и/или противоионом.

8 Увеличение энергии лазерного излучения в условиях изучения бисаммониевых производных изостевиола методом МАЛДИ приводит к усилению термического распада молекул, а, следовательно, к появлению в масс-спектре множества пиков, соответствующих продуктам меньшей массы, что существенно затрудняет корректную идентификацию истинных продуктов реакций.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных для

размещения материалов диссертаций:

1. Мусин, Р.З. Масс-спектрометрическое исследование производных изостевиола. I. Фрагментация изостевиольных производных, имеющих фрагмент основания Шиффа у атома С4, под действием электронного удара / Р.З. Мусин, В.М. Бабаев. И.Ю. Стробыкина. В.Е. Катаев, В.И. Гаврилов. P.P. Мусин // Журнал общей химии. - 2009. - Т. 79.-№ I I.-C. 1855-1860.

2. Бабаев, В.М. Масс-спектрометрия изопреноидов / В.М. Бабаев, Р.З. Мусин, В.И. Гаврилов // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - Т. 14. -№4.-С. 12-17.

3. Бабаев, В.М. Масс-спектрометрическое исследование производных дитерпеноида изостевиола II. Фрагментация сложных эфиров изостевиола под действием электронной ионизации / В.М. Бабаев, Р. 3. Мусин, И. Ю. Стробыкина. В. Е. Катаев, В. И. Гаврилов / Журнал общей химии. - 2011.- Т. 81. - № 6. - С. 992-996.

4. Андреева, О.В. Гибридные соединения дитерпеноида энт-бейеранового ряда -изостевиола - с гидразидами пиридинкарбоновых кислот, синтез, строение и антитуберкулезная активность / О.В. Андреева. P.P. Шарипова, И.Ю. Стробыкина. O.A. Лодочникова, А.Б. Добрынин, В.М. Бабаев, Р.В. Честнова, В.Ф. Миронов. В.Е. Катаев // Журнал общей химии. - 2011. - Т. 81. - № 8. - С. 1298-1305.

5. Корочкина, М.Г. Синтез и антимикробная активность некоторых бискватернизованных производных дитерпеноида изостевиола / М.Г. Корочкина. В.М. Бабаев, И.Ю. Стробыкина, А.Д. Волошина, Н.В. Кулик, В.Е. Катаев // Химия природных соединений. -2011. - Т. 47. -№ 6. - С. 802-804.

Материалы конференций:

1. Бабаев, В.М. Фрагментация некоторых азотсодержащих производных дитерпеноида изостевиола под действием электронной ионизации / В.М. Бабаев, Р.З.Мусин, И.Ю. Стробыкина, В.Е. Катаев, В.И. Гаврилов // Четвертый съезд ВМСО. III Всероссийская конференция с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы»: тез. докл. - Москва- 2009. - С. 154.

2. Бабаев, В.М. Поведение четвертичных аммониевых солей изостевиола в условиях МАЛДИ / В.М. Бабаев, М.Г. Корочкина, Р.З. Мусин, И.Х. Ризванов, В.И. Гаврилов // VI Всероссийская конференция «Химия и технология растительных веществ»: тез. докл. - Санкт-Петербург. - 2010. - С. 224-225.

3. Бабаев, В.М. Изучение масс-спектров электронной ионизации сложных эфиров дитерпеноида изостевиола / В.М. Бабаев, Мусин Р.З., Гаврилов В.И. // Актуальные проблемы органической химии: сб. материалов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи,- Казань,-2010.-С. 143.

4. Бабаев, В.М. Метод МАЛДИ в исследовании аммониевых производных изостевиола / В.М. Бабаев, Р.З. Мусин, М.Г. Корочкина, В.И. Гаврилов //

Актуальные проблемы органической химии: сб. материалов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи - Казань - 2010 - С. 144.

5. Бабаев, В.М. Масс-спектрометрическое исследование сложных эфиров изостевиола / В.М. Бабаев, Р.З. Мусин // Четвертая Всероссийская конференция-школа «Фундаментальные основы масс-спектрометрии и ее аналитические применения»: сб. тезисов. - Звенигород. - 2010. - С. 69-70.

6. Бабаев, В.М. Исследование производных дитерпеноида изостевиола методом МАЛДИ / В.М. Бабаев, Р.З. Мусин, М.Г. Корочкина // Пятый съезд ВМСО. IV Всероссийская конференция с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы»: тез. докл. - Москва. - 2011. - С. 101.

7. Бабаев, В.М. Масс-спектрометрическое исследование аммониевых производных дитерпеноида изостевиола / В.М. Бабаев, Р.З. Мусин, М.Г. Корочкина, В.И. Гаврилов // Актуальные проблемы химии и нефтехимии: сборник материалов научной школы с международным участием - Казань. -2011. - С. 229-232.

Соискатель

В.М. Бабаев

Отпечатано в ООО «Печатный двор», г. Казань, ул. Журналистов, 2А, оф.022

Тел: 295-30-36, 541-76-41, 541-76-51. Лицензия ПДМ7-0215 от 01.11.2001 г. Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано в печать 12.01.2012 г. Печ.л.1,0 Заказ № К-7108. Тираж 120 экз. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать - ризография.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

61 12-2/336

.] - На правах рукописи

Бабаев Василий Михайлович

СИНТЕЗ И МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ ДИТЕРПЕНОИДА ИЗОСТЕВИОЛА С КИСЛОРОД- И АЗОТСОДЕРЖАЩИМИ ФРАГМЕНТАМИ

02.00.03 - Органическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: д.х.н., проф. Гаврилов В.И.

Казань 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

1 Литературный обзор 7

1.1 Общие сведения о методе 7

1.2 Масс-спектрометрия природных соединений 14

1.2.1 Масс-спектрометрия стевиола, изостевиола и их аналогов 19

1.2.2 Масс-спектрометрия стероидов 22

1.2.3 «Мягкие» методы ионизации в исследовании терпеноидов 25

2 Обсуждение результатов 29

2.1 Синтез и масс-спектрометрическое исследование эфиров изостевиола 30

2.2 Синтез и масс-спектрометрическое исследование

амидов изостевиола 36

2.3 Синтез и масс-спектрометрическое исследование диэфира

и диамида на основе 16-гидрокси-15-гидроксиметилизостевиола 40

2.4 Масс-спектрометрическое исследование оснований Шиффа

на основе ТчГ-производных изостевиола по атому С4 44

2.5 Масс-спектрометрическое исследование ацетатов и

оксимов изостевиола 49

2.6 Масс-спектрометрическое исследование эфиров

изостевиола с аминной и аммонийной группами 51

2.7 Масс-спектрометрическое исследование аммониевых производных изостевиола методом МАЛДИ 53

3 Экспериментальная часть 64 Основные результаты и выводы 79 Список литературы 81 Приложение. Масс-спектры исследованных соединений 95

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последнее время в качестве платформы для создания новых биологически активных соединений успешно используется природный дитерпеноид изостевиол 1 (16-оксо-эши-бейеран-19-овая кислота), обладающий антигипертензивной, гипотензивной, антигипергликемической и противовоспалительной активностью. На сегодняшний день описано около 100 его синтетических производных, среди которых обнаружены соединения с ярко выраженной туберкулостатической и антимикробной активностью, основания Шиффа, являющиеся потенциальными лигандами металлокомплексного катализа, а также соединения, являющиеся переносчиками аминокислот и катионов железа через хлороформную мембрану (модель мембраны живой клетки). Строение и структура этих соединений были установлены спектральными (ИК, ЯМР 'Н) методами, а в ряде случаев и рентгеноструктурным анализом. Участие в этих исследованиях метода масс-спектрометрии ограничивалось только определением массы молекулярного иона. Детального анализа масс-спектров не проводилось. В этой связи следует подчеркнуть, что знание закономерностей путей фрагментации производных любых высших терпеноидов позволило бы вывести масс-спектрометрию на лидирующие позиции идентификации их химического, а в ряде случаев, и пространственного строения, причем даже тогда, когда молекулярный ион не регистрируется. Поэтому настоящая диссертационная работа, посвященная подробному масс-спектрометрическому анализу как большой серии синтезированных ранее кислород- и азотсодержащих производных изостевиола, так и нескольких биспроизводных изостевиола, синтезированных диссертантом, является актуальным исследованием.

Целью работы является масс-спектрометрическое исследование описанных ранее производных дитерпеноида энт-бейеранового ряда изостевиола с кислород- и азотсодержащими группами, а также аналогов известных своей туберкулостатической активностью биспроизводных изостевиола.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

- Синтезировать биспроизводные изостевиола, в которых две его молекулы соединены тетра- и гесаметиленовыми спейсерами с амидными или сложноэфирными группами.

- Синтезировать аналогичные диэфиры и диамиды на основе 16-гидрокси-15-гидроксиметилизостевиола.

- Изучить процессы распада молекулярных и фрагментных ионов производных изостевиола, выбранных в качестве объектов исследования, в условиях электронной ионизации и установить закономерности диссоциативной ионизации.

- Определить наиболее важные характерные признаки масс-спектров объектов исследования, а именно, пики характеристичных ионов, общие и специфические реакции распада молекулярных и фрагментных ионов.

- Изучить процессы распада кластерных и фрагментных ионов производных изостевиола, образующихся в условиях матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации и выявить соответствующие закономерности.

Научная новизна работы. Синтезированы неизвестные ранее соединения, в которых две молекулы дитерпеноида изостевиола или две молекулы 16-гидрокси-15-гидроксиметилизостевиола ковалентно связаны сложноэфирными или амидными спейсерами различной протяженности. Впервые проведено систематическое масс-спектрометрическое исследование серии производных дитерпеноида изостевиола с кислород- и азотсодержащими фрагментами. В результате анализа масс-спектров определены основные пути распада их молекулярных и фрагментных ионов. На основе установленных закономерностей их распада под действием электронной ионизации показана возможность решения ряда структурных задач, таких как определение положения заместителей тетрациклического скелета дитерпеноида изостевиола, масс-спектрометрическое установление структуры новых производных. Выявлены особенности поведения бисаммониевых производных дитерпеноида изостевиола в масс-спектрометрии МАЛДИ.

Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы для установления строения новых производных дитерпеноида изостевиола и для предсказания путей их диссоциативной ионизации. Установленные закономерности образования масс-спектров электронной ионизации и матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации широкого круга производных изостевиола позволяют осуществлять экспресс-мониторинг реакционных смесей до стадии разделения продуктов реакции колоночной хроматографией. Показано, что при интерпретации масс-спектров МАЛДИ бисаммониевых соединений необходимо принимать во внимание возможность образования ионов, строение которых трудно коррелируется с истинным строением исходных молекул. Положения, выносимые на защиту.

- Синтез биспроизводных изостевиола, в которых две его молекулы соединены тетра- и гесаметиленовыми спейсерами с амидными или сложноэфирными группами

- Синтез аналогичных диэфира и диамида на основе 16-гидрокси-15-гидроксиметилизостевиола.

- Основные пути распада молекулярных и фрагментных ионов производных дитерпеноида э^т-бейеранового ряда изостевиола с кислород- и азотсодержащими группами.

- Особенности поведения бисаммониевых производных дитерпеноида изостевиола в условиях масс-спектрометрии МАЛДИ.

Апробация работы. Основные результаты настоящей диссертационной работы докладывались на III и IV Всероссийских конференциях с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (Москва, 2009, 2011 г.г.), на VI Всероссийской конференции «Химия и технология растительных веществ» (Санкт-Петербург, 2010 г.), на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Актуальные проблемы органической химии» (Казань, 2010 г.), на Всероссийской конференции-школе «Фундаментальные основы масс-

спектрометрии и ее аналитические применения» (Звенигород, 2010 г.), на научных сессиях Казанского государственного технологического университета и итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (Казань, 2008, 2009 г.г.), на научной школе с международным участием «Актуальные проблемы химии и нефтехимии» (Казань, 2011 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 статьях в изданиях, рекомендованных для размещения материалов диссертаций и тезисах 7 докладов на российских конференциях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, списка цитируемой литературы и приложения. Первая глава представляет собой описание общих принципов масс-спектрометрии и обзор литературных данных о масс-спектрах некоторых природных соединений. Вторая глава посвящена обсуждению собственных результатов изучения производных дитерпеноида изостевиола. Третья глава содержит описание методики эксперимента, приведены физико-химические характеристики исследованных соединений и описание методик синтеза новых соединений. В приложении представлены масс-спектры исследованных соединений.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность доктору химических наук, профессору Владимиру Евгеньевичу Катаеву и кандидату химических наук Рашиду Загитовичу Мусину за помощь в формировании стратегии исследований и постоянное внимание к работе, а также к.х.н. Гарифуллину Б.Ф., к.х.н. Стробыкиной И.Ю., к.х.н. Корочкиной М.Г., к.х.н. Андреевой О.В., к.х.н. Шариповой P.P., к.х.н. Р.Н. Хайбуллину за предоставленные соединения для масс-спектрометрического исследования, к.х.н. Ризванову И.Х. и к.х.н. Шарафутдиновой Д.Р. за участие в обсуждении результатов и ценные советы.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Общие сведения о методе

Масс-спектрометрия является физико-химическим методом анализа и связана с переводом молекул образца в ионизированную форму с последующим разделением и регистрацией образующихся при этом положительных или отрицательных ионов. Этим методом устанавливают молекулярную массу органического вещества и строение его молекул, определяют его элементный состав.

Масс-спектрометрия представляет собой чрезвычайно бурно развивающийся инструментальный метод идентификации, изучения и определения строения органических веществ. В настоящее время данный метод занимает лидирующее положение среди других спектральных методов анализа в решении многих структурно-аналитических задач. Это обусловлено исключительно высокой чувствительностью (относительная 10"4-10~8%; абсолютная 10"12-10"15 г), быстротой качественного и количественного анализа, характером получаемой информации, уникальной возможностью одновременного анализа многокомпонентных смесей благодаря легкому комбинированию с такой мощной разделительной техникой как газовая, жидкостная хроматография, капиллярный электрофорез, а также благодаря реализации метода многостадийной тан-демной масс-спектрометрии [1-11].

Масс-спектрометрическая фрагментация органических соединений подчиняется определенным законам, поэтому и даже при отсутствии спектра анализируемого соединения в компьютерных библиотеках можно установить его молекулярную массу, состав, наличие функциональных групп, а иногда и точную структуру по характеру распада. В распаде родственных соединений есть много общего.

Одним из больших преимуществ данного метода является наличие библиотек, включающих более 300 ООО масс-спектров соединений. На сегодняш-

ний день существуют две основные коммерческие компьютерные библиотеки масс-спектров: Wiley и NIST. Библиотеки содержат спектры электронной ионизации, поскольку максимальное число образцов анализировалось и анализируется в настоящее время именно этим методом. Интенсивная фрагментация позволяет проводить более надежное сравнение спектров, тогда как спектры химической ионизации или полевой ионизации характеризуются всего лишь несколькими пиками.

В связи с тем, что масс-спектрометрия анализирует положительные или отрицательные ионы, необходима ионизация молекул образца. На сегодняшний день существует несколько десятков методов ионизации. Часть из них используется очень активно, часть - только в единичных экспериментах. Далее приводятся основные особенности часто применяемых в органической химии и использованных в работе методов ионизации.

Электронная ионизация

Среди различных методов ионизации особое положение занимает метод электронной ионизации (ЭИ), или электронный удар (ЭУ). Исторически это первый метод ионизации органических соединений. Он же остается и наиболее распространенным на сегодняшний день. Основными достоинствами метода являются надежность и универсальность. Кроме того, в существующих компьютерных библиотеках масс-спектров (Wiley и NIST) используются именно спектры электронного удара. Теории масс-спектрометрического распада и подходы к интерпретации спектров, также базируются в основном на первоначальном образовании молекулярного катион-радикала в результате электронной ионизации. Название метода - электронный удар - несколько не соответствует действительности. Реального удара электронов по молекуле не происходит. Электрон, пролетая вблизи молекулы, возбуждает ее электронную оболочку. Собственные электроны молекулы перемещаются на более высокие орбита-ли и могут покинуть молекулу. В связи с этим в последнее время термин «электронный удар» заменяется на «электронную ионизацию». Пучок электро-

нов генерируется металлическим катодом (проволока или пластина из рения или вольфрама) и ускоряется потенциалом 12-70 В по направлению к аноду. Вещество в газовой фазе (давление 1 О*5-10-6 мм.рт.ст.) взаимодействует с электронами и ионизируется. Формально можно представить процесс ионизации уравнением: М + е = М+ + 2е.

В результате образуется молекулярный ион (М+-ион). Это — нечетно-электронный ион, т. е. катион-радикал. Эффективность ионизации очень низка. Фактически ионизируется примерно одна из десяти тысяч молекул образца. Более 99,99% неионизованных молекул вещества откачивается из источника вакуумными насосами. Этот факт, тем не менее, позволяет еще раз подчеркнуть высочайшую чувствительность масс-спектрометрии, когда для получения спектра нужны нано- и пикограммовые количества вещества.

Наряду с положительными ионами в условиях электронной ионизации образуются и отрицательные ионы (молекулярные анион-радикалы). Стоит отметить, что поскольку давление в источнике ионов в условиях ЭИ -10~5-10~6 мм рт. ст., а образец можно нагревать до нескольких сотен градусов, в газовую фазу переходят многие органические соединения. Тем не менее для анализа термолабильных, высокомолекулярных, труднолетучих соединений метод не пригоден. Стоит отметить, что значительное число органических соединений характеризуется нестабильными молекулярными ионами в условиях электронной ионизации. По этой причине в спектрах ЭИ многих веществ пик М+ -иона имеет низкую интенсивность либо вообще отсутствует. Для около 26% соединений базы данных МЭТ (2008) интенсивность пика молекулярного иона < 1% и для около 39% - < 5%, что обусловливает низкую достоверность идентификации, особенно в случае определения следовых количеств аналита в смеси. Это один из существенных недостатков данного метода ионизации.

Информация, которую можно извлечь, анализируя область молекулярного иона, поистине огромна. Масса М+ -иона - это молекулярная масса анализируемого соединения. Соотношение изотопных пиков позволяет установить примерный элементный состав, а измерение точной массы М+'-иона с помощью

масс- спектрометрии высокого разрешения - точный элементный состав соединения. Относительная интенсивность пика М+ позволяет сделать определенные предположения о его структуре, принадлежности анализируемого соединения к тому или иному классу.

Молекулярный ион образуется в результате ионизации молекулы (потери электрона). Его величина m/z соответствует молекулярной массе соединения. Фрагментные ионы образуются при распаде молекулярного. Фрагментные ионы образуются в результате простых разрывов связей. Перегруппировочные ионы наряду с разрывами связей требуют образования новых связей между атомами (группами), не связанными напрямую в исходной молекуле.

Вид спектра тяжелых молекул значительно отличается от классического вида спектра ЭИ. Когда речь идет о молекуле массой в несколько сотен тысяч дальтон, разрешающей способности любого масс-спектрометра оказывается недостаточно для разрешения всей изотопной картины в области молекулярного иона. В результате огромное число изотопных пиков проявляется в масс-спектре в виде широкого сигнала, ширина которого может составлять сотни и тысячи дальтон. Кроме того, для высокомолекулярных соединений суммарный эффект дефектов масс атомов становится значительным и ведет к существенным отклонениям номинальной массы, рассчитанной на основе целочисленных атомных масс элементов, от регистрируемой массы.

В связи с этим для спектров тяжелых соединений приходится вводить еще несколько определений молекулярной массы. Номинальная масса — масса, рассчитанная суммированием целочисленных атомных масс наиболее распространенных (легких) изотопов элементов.

Моноизотопная масса - масса, рассчитанная сум