Физико-химические закономерности хроматографического удерживания производных пятичленных гетероциклов

Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно

действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http:///readings/

Поступила в редакцию 20 октября 2006 г. УДК 453.454

Физико-химические закономерности хроматографического удерживания производных пятичленных гетероциклов

© ,*+

и

1 Кафедра общей химии и хроматографии; 2 Кафедра органической химии. Самарский государственный университет.

Ул. Акад. Павлова, 1. г. Самара, 443011. Россия. Факс: [phone]. E-mail: *****@***samara. ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: азолы, азолиды сульфокислот, высокоэффективная жидкостная хроматография.

Аннотация

Исследована взаимосвязь между строением, свойствами и хроматографическим удерживанием производных азотсодержащих гетероциклов. Расширить резюме!!!

Введение

Интенсивное развитие методов синтеза и расширение области применения биологически активных веществ (БАВ) требуют разработки надежных методов их разделения, иденти-фикации и концентрирования. Ведущее место в анализе БАВ занимают хроматографические методы, среди которых наибольшее распространение получила высокоэффективная жидкост-ная хроматография (ВЭЖХ). Этот метод, являясь одним из наиболее простых и эффективных при изучении адсорбционных свойств труднолетучих и термически неустойчивых соеди-нений, в настоящее время стал также и средством физико-химических исследований при установлении взаимосвязи между структурой и свойствами органических соединений различного строения [1]. Весьма перспективно, кроме того, использование ВЭЖХ при анализе состава многокомпонентных смесей, моделировании хроматографического поведения, изучении химии растворов и пр.

Интересными объектами исследования с этой точки зрения являются производные азотистых гетероциклов, широко использующихся в настоящее время в биомедицинской практике как вещества с широким спектром потенциальной биологической активности. Перспективны в этом отношении также имидазолиды сульфокислот, многие из которых обладают противовирусной, противотуберкулезной, противогрибковой и другими видами активности [2]. Исследование закономерностей хроматографического поведения производ-ных N-гетероциклов, кроме того, позволит глубже понять механизмы удерживания других гетероциклических соединений, что открывает широкие возможности для прогнозирования селективности хроматографических систем и оптимизации условий разделения в ходе хроматографического анализа.

Целью настоящей работы явилось изучение взаимосвязи между хроматографическим удерживанием некоторых гетероциклических соединений в условиях ВЭЖХ и их физико-химическими характеристиками.

Результаты и их обсуждение

Известно, что в обращенно-фазовом варианте ВЭЖХ взаимодействие молекул сорбата с неполярной гидрофобной поверхностью неподвижной фазы определяется, главным образом, дисперсионными силами и связано вследствие этого с такими физико-химическими характе-ристиками, как поляризуемость, объем и липофильность. Наличие полярных групп в молекуле сорбата приводит к усилению специфических межмолекулярных взаимодействий с элюентом и, таким образом, к уменьшению удерживания. Таким образом, удерживание органических соединений в условиях ОФ ВЭЖХ определяется как структурой молекул сорбата, так и природой элюента [3-4]. В обращенно-фазовой ВЭЖХ роль природы неподвижной фазы относительно мала, так как взаимодействие сорбат-сорбент ограничено слабыми диспер-сионными силами, поэтому удерживание зависит от свойств подвижной фазы и определяется конкуренцией между дисперсионным взаимодействием сорбатов с неподвижной фазой и специфическими взаимодействиями с полярным элюентом.

В качестве модификатора подвижной фазы в работе использован ацетонитрил, имеющий высокое сродство к исследуемым соединениям. В этом случае неподеленная электронная пара атома азота, входящего в состав азольного ядра, наряду со специфическими взаимодейст-виями с полярными молекулами воды, способна вступать в донорно-акцепторные взаимо-действия с нитрильной группой подвижной фазы. Взаимодействие, по-видимому, осуществ-ляется по атому углерода нитрильной группы, имеющему частичный положительный заряд вследствие резонанса [5].

Из представленных в табл. 1 данных следует, что при увеличении концентрации воды в подвижной фазе наблюдается возрастание удерживания сорбатов, что вполне согласуется с вытеснительным механизмом сорбции в ОФ варианте ВЭЖХ: повышение полярности элюента способствует увеличению силы притяжения полярных молекул растворителя одна к другой, как бы "прижимающее" растворенные, менее полярные молекулы к неполярной поверхности неподвижной фазы [6]. Увеличение доли органического компонента в подвиж-ной фазе, кроме того, приводит к усилению специфических взаимодействий с элюентом.

Как видно из представленных данных, при изменении состава элюента ацетонитрил-вода порядок элюирования не изменяется, а селективность системы к исследуемым соедине-ниям возрастает. Таким образом, для разделения смеси исследованных соединений в условиях ОФ-ВЭЖХ наиболее оптимальным будет использование элюента ацетонитрил-вода 1:1.

В работе [7] показано, что зависимость удерживания различных классов органических соединений от концентрации органического модификатора подвижной фазы может быть выражена соотношением:

lg k = b – p∙lgc (1)

где с – концентрация органического модификатора; b – логарифм фактора удерживания

при концентрации органического модификатора 1 моль/л; p – число молекул органического модификатора, вытесняемое с поверхности сорбента одной молекулой сорбата.

Табл. 1. Характеристики удерживания производных азолов в условиях ОФ ВЭЖХ.

№	Название	Структура исследованных соединений	Ацетонитрил : вода – 1:1	Ацетонитрил : вода – 5:3	Ацетонитрил : вода – 3:1
			ki	r	ki	r	ki	r
1	Бензол		4.216	1	2.145	1	1.257	1
2	Имидазол		0.296	0.070	0.225	0.105	0.012	0.009
3	2-((1Н-Имидазол- -1-ил)метил)фенол		0.793	0.188	0.506 4.402	0.236 2.052	0.358 1.645	0.285 1.309
4	2-Метилимидазол		3.308	0.785	0.364	0.169	0.293	0.233
продолжение табл. 1.
5	4-((2-Метил-1Н-имидазол- -1-ил)метил)фенол		1.243	0.295	0.725	0.338	0.402	0.320
6	2-((1Н-Имидазол-1- -ил)метил)бензо-гидразид		1.213	0.288	0.325	0.152	0.317	0.252
7	4-((1Н-Имидазол-1- -ил)метил)бензо-гидразид		0.272	0.065	0.272	0.127	0.302	0.240
8	Имидазолид п-толуол- сульфокислоты		0.550	0.130	0.680	0.317	0.296	0.235
9	1-(2,4,6-Триизопро- пилфенилсульфонил)- -1Н-имидазол		7.432	1.763	2.219	1.034	1.678	1.335
10	Имидазолид бензол- сульфокислоты		0.550	0.130	0.373	0.174	0.305	0.242
11	Бензимидазолид бензолсульфокислоты		0.527	0.125	0.417	0.194	0.352	0.280
12	2-Метилбензимидазол		0.601	0.143	0.482	0.225	0.393	0.313
13	1-(2,4,6-Триизопро- пилфенилсульфонил)- -бензимидазол		0.541	0.128	0.402	0.187	0.367	0.292
14	2-Метилбензимида- золид метансульфокислоты		1.453	0.345	0.811	0.378	0.541	0.430
15	Индолид метансульфокислоты		1.269	0.301	0.713	0.332	0.506	0.402
продолжение табл. 1.
16	Индолид бензолсульфокислоты		1.198	0.284	0.399	0.186	0.311	0.247
17	Индол		2.746	0.651	1.402	0.654	0.811	0.645
18	4-(5-Метил-1Н-1,2,4- -триазол-1-ил)фенол		10.430	2.474	1.459	0.680	0.287	0.228
19	1-(2,4,6-Триизопропил- фенилсульфонил)-1Н- -1,2,4-триазол		12.704	3.013	11.266	5.252	4.243	3.375
20	1,2,4-Триазолид бензолсульфокислоты		2.817	0.668	0.379	0.177	0.305	0.242
21	1-(1Н-1,2,4-Триазол-1-ил-сульфонил)-1Н-1,2,4-триазол		0.148	0.035	0.092	0.043	0.036	0.029
22	Бензтриазол		0.373	0.088	0.355	0.166	0.322	0.256
23	Бензтриазолид бензолсульфокислоты		1.979	0.469	3.754	1.750	1.657	1.318
24	1-(2,4,6-Триизопропил- фенилсульфонил)-1Н- -1,2,3-бензтриазол		0.538	0.128	0.414	0.193	0.299	0.238
25	Бензтриазолид п-толуолсульфокислоты		15.787	3.745	5.175	2.413	2.201	1.751
продолжение табл. 1.
26	4-((1Н-1,2,3-Бензтриазол- -1-ил)метил)фенол		1.159	0.275	0.601	0.280	0.393	0.313
27	5-(4-Нитрофенил)- -1Н-тетразол		1.278	0.303	0.713	0.332	0.346	0.275
28	5-Фенил-1Н-тетразол		0.547	0.129	0.470	0.219	0.299	0.238

Это уравнение имеет большое практическое значение, так как позволяет при известных величинах удерживания для двух составов подвижных фаз прогнозировать поведение при произвольном соотношении концентраций воды и органического растворителя.

Нами исследована зависимость фактора удерживания некоторых производных азолов от концентрации органического модификатора. Установлено, что для большинства исследован-ных веществ она может быть описана уравнением вида (1). В качестве примера на рис. 1 и 2 представлены графики зависимости фактора удерживания от концентрации ацетонитрила.

Основным структурным фрагментом исследованных соединений являются ароматичес-кие гетероциклы – имидазол, триазол или тетразол. Наличие заместителей в ароматическом ядре, присутствие сульфогруппы в молекулах азолидов сульфокислот приводит к усложнению межмолекулярных взаимодействий с сорбентом и элюентом. Поэтому важным фактором при оценке особенностей хроматографического удерживания этих соединений является установ-ление вкладов в удерживание различных функциональных групп, заместителей и гетероато-мов. Так, в частности, известно, что в зависимости от того, с каким фрагментом связан фенильный радикал, он способен выступать как донором, так и акцептором π-электронной плотности [2]. Наличие в молекулах одного и более фенилов приводит к увеличению липофильности и, следовательно, должно улучшать растворимость в гидрофобных раствори-телях, к каким относится ацетонитрил. В то же время, поскольку в ОФ ВЭЖХ неподвижная фаза является неполярной, введение липофильного заместителя, каким является фенил, должно приводить к усилению взаимодействия с неподвижной фазой и, следовательно, к увеличению удерживания, поэтому вклад в удерживание фенила будет определяться соотно-шением между этими двумя факторами. Так, например, при переходе от имидазола к бензими-дазолу и от триазола к бензтриазолу фактор удерживания несколько увеличивается (табл. 1).

Рис. 1. График зависимости фактора удерживания 5-((4-нитрофенил)-1Н-тетразола

от содержания органического модификатора (ацетонитрила) в элюенте.

Рис. 2. График зависимости фактора удерживания 1-(2,4,6-триизопропилфенилсуль-

фонил)-1Н-бензтриазола от содержания органического модификатора (ацетонитрила) в элюенте.

Аналогичные изменения наблюдаются для соответствующих азолидов сульфокислот:

ki=12.704 ki=15.577

В то же время для производных имидазола эта зависимость имеет обратный характер:

ki=7.432 ki=0.541

Для оценки влияния структуры исследованных соединений на их хроматографическое удерживание нами был выбран принцип структурной аналогии, в соответствии с которым формируются различные структуроподобные группы соединений с общим подструктурным фрагментом с меняющимся заместителем в выбранном положении. В ряду структурных аналогов удается проследить характер изменения изучаемого свойства с изменением химической структуры. Считается, что свойства основного подструктурного фрагмента в рамках выборки остаются неизменными, а наблюдаемая разница в свойствах вызвана различной природой заместителей [8]. В соответствии с этим все исследованные в работе соединения были разбиты на группы структурных аналогов, формирование которых осуществлялось посредством последовательного введения в молекулу одного или нескольких гетероатомов, заместителей, перехода от азолов к азолидам сульфокислот и т. д. с учетом описанного в литературе метода структурной аналогии.

Ранее было показано, что введение второго и третьего атома азота в молекулы азолов резко снижает значения фактора удерживания. Нами изученный авторами [9-10] ряд азолов был дополнен производными тетразола, которые ранее методом ВЭЖХ не исследовались. Как следует из приведенных ниже данных, увеличение числа атомов азота в молекулах сорбатов приводит к уменьшению удерживания

k=2.746 k=0.601 k=0.373 k=0.547

Несколько большее значение фактора удерживания для фенилтетразола, по-видимому, является следствием того, что фенил в этой молекуле выступает в роли заместителя, а не сконденсирован с ароматическим гетероциклом, как в других соединениях этого ряда.

Увеличение объема молекулы, липофильности и поляризуемости (табл. 2) должно при-водить к возрастанию удерживания в условиях ОФ ВЭЖХ, если не сказывается влияния других факторов.

Как следует из приведенных ниже данных, эта закономерность наблюдается как в ряду имидазолидов сульфокислот

ki=0.550, V=592 Å3 Log P=-0.11, α=18.40 Å3

ki=0.680, V=634 Å3 Log P=1.55, α=20.23 Å3

ki=2.219, V=968.21 Å3 Log P=4.92, α=35.04Å3,

так и в ряду бензтриазолидов сульфокислот:

ki=8.086, V=670 Å3 Log P=1.59, α=23.87 Å3

ki=11.219, V=739.34 Å3 Log P=2.68, α=56.92 Å3

ki=15.577, V=1036.1 Å3 Log P=5.79, α=41.60 Å3.

В целом в исследованной группе азолов наблюдается симбатность в изменении факто-ров удерживания, объема молекул и их поляризуемостью.

Таким образом в работе исследовано хроматографическое поведение некоторых произ-водных азола в условиях ОФ ВЭЖХ. Показано, что в условиях ОФ ВЭЖХ удерживание исследованных соединений определяется дисперсионным взаимодействием с неподвижной фазой, при этом существенную роль играет донорно-акцепторное взаимодействие сорбатов с модификатором подвижной фазы – ацетонитрилом.

Табл. 2. Физико-химические характеристики исследованных соединений.

Соединение	М	V, Å3	Log P	MR, см3/моль	α, Å3	µ, D
Имидазол	68.08	269	-0.04	19.95	7.60	3.599
2-((1Н-Имидазол-1-ил)метил)фенол	174.20	560.76	1.96	50.18	19.86	2.674
4-((2-Метил-1Н-имидазол-1-ил)метил)фенол	188.23	615.20	2.24	54.63	21.69	4.600
2-((1Н-Имидазол-1-ил)метил)бензогидразид	216.24	666.06	1.06	61.56	23.84	3.857
4-((1Н-Имидазол-1-ил)метил)бензогидразид	216.24	674.36	1.06	61.56	23.84	3.861
1-(2,4,6-Триизопропилфенилсульфонил)-1Н-имидазол	334.48	968.21	4.92	94.57	35.04	4.924
Бензимидазолид бензолсульфокислоты	258.29	709	0.41	73.78	24.58	4.936
1-(2,4,6-Триизопропилфенилсульфонил)-бензимидазол	384.54	1044.87	5.62	110.56	42.31	5.454
2-Метилбензимидазолид метансульфокислоты	210.25	580	-0.97	58.56	18.59	3.476
Индол	117.15	414	0.23	42.22	14.49	1.884
4-(5-Метил-1Н-1,2,4-триазол-1-ил)фенол	175.19	552.34	1.01	49.86	19.15	4.343
1-(2,4,6-Триизопропилфенилсульфонил)-1Н-1,2,4-триазол	335.46	964.67	4.45	94.54	34.33	4.517
1,2,4-Триазолид бензолсульфокислоты	209.22	566.74	0.87	51.97	17.81	4.763
1-(1Н-1,2,4-Триазол-1-ил-сульфонил)-1Н-1,2,4-триазол	200.17	506.92	2.72	45.36	14.39	1.839
Бензтриазол	119.13	388	0.33	42.34	13.07	3.655
Бензтриазолид бензолсульфокислоты	259.28	670	1.59	75.66	23.87	3.807
1-(2,4,6-Триизопропилфенилсульфонил)-1Н-1,2,3-бензтриазол	385.52	1036.10	5.79	11.16	41.60	7.926
Бензтриазолид п-толуолсульфокислоты	273.31	739.34	2.68	43.63	26.92	6.124
4-((1Н-1,2,3-Бензтриазол-1-ил)метил)фенол	225.25	681.37	2.35	66.47	26.42	4.444
5-(4-Нитрофенил)-1Н-тетразол	191.15	520.72	3.13	51.85	17.68	3.228
5-Фенил-1Н-тетразол	146.15	459.73	3.18	44.52	15.84	5.742

Экспериментальная часть

Исследования проводили на жидкостном хроматографе Biotronik Chromatographiesystem BT 8100 HPLC–Pump. Применяли колонку Separon SGX-С18 длиной 150 мм, внутренним диаметром 4 мм. Элюирование осуществляли в изократическом режиме (в качестве элюента использовали смесь ацето-нитрил – вода (1:1, 5:3 и 3:1 по объему)).

Подвижную фазу перед проведением анализа дегазировали на установке марки УЗДН–2Т и от-фильтровывали. Скорость подвижной фазы составила 0.3 мл/мин. Растворы сорбатов готовили раство-рением сухих индивидуальных веществ в подходящих растворителях. Объем вводимой пробы 20 мкл. В качестве несорбирующегося вещества использовали нитрит натрия.

Детектирование осуществляли при длинах волн 220 нм, 254 нм, 280 нм. Анализ проводился при температуре 20 °С.

Удерживание веществ характеризовали величинами фактора удерживания (k) и относительным удерживанием (r).

k= t´R /tм =(tR – tм)/tм , r=ki/kst,

где tR – время удерживания исследуемого соединения (мин), tм – время удерживания несор-бирующегося вещества (мин), ki и kst – факторы удерживания исследуемого вещества и стан-дарта.

В качестве стандарта использовали бензол. Анализ проводили из 5 параллельных измерений.

Исследованные соединения синтезированы на кафедре органической химии Самарского госу-дарственного университета, их структура подтверждена данными ИК и ЯМР спектросковпии, а также элементным анализом. Систематического исследования их физико-химических свойств ранее не про-водилось.

Значения мольного объема, дипольного момента, поляризуемости, энергии гидратации и коэффициента распределения в системе “н-октанол – вода” были рассчитаны полуэмпирическим методом AMI с полной оптимизацией геометрии молекул с использованием программы HyperChem версии 7.0.

Литература

[1]  R. Kaliszan Quantitative Structure-Chromatographic Retention Relationships. N.Y.: Wiley. 1987. 303р.

[2]  Наметкин соединения. М.: Наука. 1981. С.259-263.

[3]  , Сахартова жидкостная хроматография. Рига: Зинатне. 1988. 390с.

[4]  Snyder L. R., Poope H. J. Chromatogr. 1980. Vol.184. P.363-413.

[5]  Органическая химия. Под ред . М.: Химия. 1985. 750с.

[6]  Cs. Horvath, W. Melander, J. Molnar. Anal. Chem. 1977. Vol.49. No.1. P.142-154.

[7]  L. R.Snyder, J. L.Glajch. J. Chromatogr. 1981. Vol.214. P.1-19.

[8]  Журн. структ. химии. 1999. Т.40. №1. С.121-130.

[9]  , , Известия РАН. Сер. хим. 2000. №8. С.1401-1404.

[10] , , Журн. физич. химии. 2004. Т.78. №1. С.91-95.