Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности сорбции аминохинолинов в условиях ОФ ВЭЖХ

Введение

Ароматические амины находят широкое применение в различных отраслях химической промышленности, фармации. Как известно, начало широкому применению ароматических аминов было положено в трудах Н.Н. Зинина. Именно благодаря разработке методов синтеза анилина и других ароматических аминов был в конечном итоге открыт путь к искусственному получению органических веществ.

Вполне заслуженный интерес исследователей в настоящее время вызывают гетероцик-лические ароматические амины в связи с широким спектром их потенциальной биологичес-кой активности, а также отсутствием присущей нафтиламинам токсичности. Эти соединения, кроме того, интересны и с точки зрения наблюдаемых в их молекулах электронных эффектов, влияющих на различные физико-химические характеристики, в том числе сорбционные.

Сорбция в обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии, несмотря на кажущуюся простоту наблюдаемых в этих условиях процессов, существенно зависит от строения молекул сорбатов и их взаимодействия с водно-органическим элюентом. Опреде-ляющую роль при хроматографировании азотистых гетероциклов играет присутствие атома азота в ароматическом кольце и размер цикла.

В случае гетероциклических аминов протекающие в хроматографической системе про-цессы осложняются наличием в молекулах сорбатов еще одного атома азота - аминогруппы, что накладывает существенный отпечаток на хроматографическое поведение этих веществ. Усложнение хроматографических процессов можно проследить при переходе от производных пиридина к хинолину и затем - аминохинолинам.

Особенностью электронного строения молекул ароматических гетероциклов является, как известно, выраженное взаимодействие электронных систем циклической структуры и неподеленных пар электронов гетероатома.

Наличие в циклическом фрагменте гетероатома приводит к неравномерному распределению электронной плотности в молекулах ароматических гетероциклов по сравнению с бензолом, в котором электронная плотность распределена равномерно по всему кольцу. При этом, например, пиридин по электронному строению напоминает бензол, содержащий в кольце фрагмент =N- вместо одного из звеньев =СН- [1] и имеющий энергию делокализации, достаточно близкую к таковой у бензола (134.4 и 151ккал/моль соответственно) [2].

В то же время присутствие атома азота в пиридине приводит к существенному нарушению геометрической правильности шестиугольника (связь С?N короче связи С?С), появлению у пиридина постоянного дипольного момента (м = 2.25 D), обусловленного большей электроотрицательностью азота по сравнению с углеродом и собственным дипольным моментом неподеленной пары атома азота.

Кроме того, эта неподеленная пара электронов, не участвующая в ароматической стабилизации р-электронной системы, ответственна за основность пиридина. В целом же пиридин принято рассматривать как электронодефицитный гетероцикл.

Наличие атома азота существенно перераспределяет электронную плотность и в моле-куле хинолина, являющегося изоэлектронным аналогом нафталина. Как и в молекуле пиридина, неподеленная электронная пара атома азота в образовании ароматической р-системы хинолина не участвует.

Аналогично пиридину хинолин проявляет основность за счет неподеленной электронной пары атома азота и является электронодефицитным гетероциклическим соединением.

Очевидно, что перечисленные выше электронные эффекты должны сыграть существенную роль в хроматографическом удерживании производных гетероциклов.

Целью настоящей работы явилось исследование особенностей хроматографического удерживания аминохинолинов в условиях ОФ ВЭЖХ.

Экспериментальная часть

Хроматографическое исследование проводили на жидкостном хроматографе «Varian ProStar» с УФ-спектрофотометрическим детектором ProStar при длине волны 254 нм. Сорбентом служил силикагель с привитыми группами С-_18. Объем подвижной фазы в колонке принимали равным объему удерживания нитрита натрия.

В качестве элюентов применяли смеси ацетонитрил - вода с содержанием ацетонитрила от 60 до 80% (по объему). Для приготовления подвижных фаз использовали тридистиллированную воду и ацетонитрил марки “HPLC-gradient grade” (“Panreac”, Испания); дегазирование осуществляли воз-действием на приготовленные водно-ацетонитрильные смеси ультразвука с помощью установки марки “УЗДН-2Т”. Регистрацию хроматограмм и их обработку выполняли с помощью программы хрома-тографического анализа “Galaxie”.

В качестве объектов исследования использовали производные 4-аминохинолинов, формулы которых приведены в табл. 1.

Элюирование проводили в изократическом режиме; объемный расход элюента составлял 500 мкл/мин. Пробу сорбата готовили растворением кристаллического вещества в подвижной фазе. Мертвое время определяли по “первичному” хроматографическому пику.

Удерживание исследованных соединений характеризовали величиной фактора удерживания (k), рассчитанного по формуле

k = t_R-t_м/ t_м,(1)

где t_R - время удерживания исследуемого вещества, t_м - время удерживания несорбирующегося вещества (нитрит натрия).

Для подвижной фазы с мольной долей ацетонитирила 0.44 было рассчитано также относительное удерживание r по формуле

r = k_i / k_st,(2)

В качестве вещества-стандарта взят хинолин. Для количественной оценки различий в удержи-вании сравниваемых веществ определяли разности их дифференциальных мольных свободных энер-гий сорбции по формуле

ДG)_1,2 = -RT ln (k_i / k_st) = -RT ln r (Т = 293 К) (3)

Основные физико-химические характеристики исследованных соединений были рассчитаны с помощью полуэмпирических методов квантовой химии в программе HyperChem 8 Professional. В качестве расчетного метода физико-химических характеристик молекул исследованных соединений нами был выбран полуэмпирический квантово-химический метод PM3.

Значения дипольного момента м [D] молекул исследованных соединений рассчитаны в рамках ограниченного метода Хартри-Фока. Оптимизацию геометрии молекул осуществляли по Polak-Ribiere. Начальную геометрию молекул сорбатов выбирали по справочным данным, заложенным в систему HyperChem 8 Professional. Расчет липофильности lgP, поляризуемости б [Еі], ван-дер-ваальсовая объема V [Еі], изученных производных осуществляли по аддитивной схеме с помощью программы HyperChem 8 Professional. Рассчитанные значения приведены в табл. 1.

Табл. 1. Графические формулы и некоторые физико-химические характеристики исследованных гетероциклических соединений

Результаты и их обсуждение

Экспериментально полученные нами характеристики сорбции производных аминохинолинов представлены в табл. 2. Из полученных данных следует, прежде всего, существенная зависимость сорбционных характеристик от состава элюента, что будет обсуждено ниже.

В молекулах исследованных соединений основным адсорбционным центром для условий ОФ ВЭЖХ является р-электронная система ароматического гетероцикла.

Различная химическая природа заместителей в аминохинолинах (алкил, арил, гетарил и атом хлора) будет влиять на перераспределение электронной плотности в молекулах исследованных соединений и приводить к изменению характера взаимодействия аналитов как с сорбентом, так и с компонентами подвижной фазы.

Так, в частности, радикал -CH₃ способен к проявлению положительного индуктивного эффекта, а также эффекта гиперконъюгации (слабый положительный мезомерный эффект); фенил может быть донором либо акцептором р-электронной плотности в зависимости от природы связанного с ним фрагмента молекулы.

Тиенил, содержащий электроотрицательный атом серы, по электронному строению бли-зок к фенилу, поэтому его влияние на характеристики, определяемые электронным строением, должно быть аналогичным влиянию фенила [4]. Следует иметь в виду, что весьма существенным в случае этих заместителей может быть влияние стерического фактора. Из табл. 2 следует, что максимальное удерживание относительно хинолина характерно для 4-амино-2-метилхинолина (1) и 4-амино-2,6-диметилхинолина (2). Появление второго метильного радикала в положении 6 4-амино-2,6-диметилхинолина приводит к увеличению удерживания по сравнению с 4-амино-2-метилхинолином, при этом вклад группы -СН₃ в удерживание ??ДG) оказывается вполне существенным и составляет - 1.096 кДж/моль. Введение атома хлора в положение 6 хинолинового ядра (вещество 3) различным образом сказывается на удерживании в зависимости от содержания в элюенте ацетонитрила.

Табл. 2. Факторы удерживания, относительные (к хинолину) величины удерживания и разности мольных свободных энергий (кДж/моль) сорбции производных хинолина

* Приведены данные для объемного соотношения ацетонитрил - вода 7:3.

Появление фенильного и особенно тиенильного заместителя в положение 2 приводит к значительному уменьшению удерживания. В то же время в работе [5] показано, что присутствие в молекулах сорбатов фенильного или тиенильного радикалов, проявляющих отрицательный мезомерный эффект, в положении 2 хинолинового ядра приводит к понижению основности атома азота гетероцикла, уменьшению его специфического взаимодействия с молекулами ацетонитрила, и, таким образом, к увеличению удерживания, например, амидов.

Приведенные ниже данные иллюстрируют изменение величин удерживания при замене амидной группы на аминогруппу в положении 4:

k = 2.27 k = 1.44 k = 1.13 k = 0.27

Вероятно, аминогруппа проявляет +М и +I эффекты, и при этом неподеленная пара электронов в этих группах вступает в общее сопряжение с р-электронной системой бензольного кольца и увеличивает длину сопряженной системы.

В результате электронная плотность сосредоточивается в орто- и пара-положениях, тем самым усиливая свойства неподеленной пары у азота в пара-положении относительно аминогруппы. Таким образом, фенил и тиенил, проявляющие отрицательный мезомерный эффект, и аминогруппа с положительным мезомерным эффектом приводят к таким неоднозначным результатам.

В целом, следует отметить, что для производных аминохинолинов практически отсутствуют характерные для обращенно-фазового варианта ВЭЖХ корреляции между величинами удерживания и физико-химическими параметрами.

Азотсодержащие гетероциклы, как правило, характеризуются небольшими значениями фактора удерживания в ОФ варианте ВЭЖХ из-за сильных специфических взаимодействий с полярным элюентом.

Среди существующих моделей удерживания в ВЭЖХ одной из часто используемых является модель Снайдера-Сочевинского, в соответствии с которой зависимость удерживания от концентрации органического модификатора подвижной фазы может быть выражена соот-ношением:

Lgk = a - nlgС,(4)

где С - концентрация органического модификатора; a - логарифм фактора удерживания при концентрации органического модификатора 1 моль/л;

n - число молекул органического модификатора, вытесняемое с поверхности сорбента одной молекулой сорбата.

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

Однако, линейная зависимость между удерживанием и концентрацией органического компонента подвижной фазы, предусмотренная в данной модели, наблюдается не всегда. Известно, что для некоторых соединений могут иметь место существенные отклонения от зависимостей, описывающих известные модели удерживания.

В частности, соединения, имеющие в своем составе атомы азота с неподеленными электронными парами и проявляющие свойства оснований Льюиса, составляют особую группу веществ с точки зрения зависимости удерживания от концентрации органического растворителя, характеризуясь параболическим видом зависимости lgk = f(c) К настоящему времени в литературе накопилось уже много данных, свидетельствующих о возможности существования не только нелинейной, но и экстремальной зависимости между этими параметрами [5, 6].

Сложный характер таких зависимостей может быть обусловлен тем обстоятельством, что производные ароматических гетероциклов в растворителях различной химической природы и при различных значениях рН могут находиться в ассоциированном, сольватированном, молекулярном или протонированном виде. На рис. 1 представлена полученная нами зависимость логарифма фактора удерживания некоторых 4-аминохинолинов от концентрации органического модификатора. Как следует из рисунка, эта зависимость для исследованных соединений имеет нелинейный характер, в некоторых случаях с ярко выраженным минимумом.

Рис. 1. Зависимость логарифма фактора удерживания аминохинолинов от логарифма молярной концентрации ацетонитрила в элюенте

Модель Скотта-Кучеры основана на полученных данных о строении поверхности силикагеля. Последняя, согласно этой модели, покрыта рядом молекулярных слоев, строение которых определяет сорбционную активность. В соответствии с этой моделью зависимость удерживания от состава подвижной фазы выражается уравнением:

1/k = A + BX_m,(5)

где А, В - константы; X_m - концентрация полярного растворителя в подвижной фазе.

Для исследованных нами соединений графики зависимости, аппроксимированные данным уравнением, имеют вид, представленный на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость 1/k 4-аминохинолинов от мольной доли ацетонитрила в элюенте

Из рисунка следует, что соответствующие зависимости имеют различный характер и не могут быть описаны моделью Скотта-Кучеры.

Таким образом, для данных соединений классические модели удерживания, такие, как модель Скотта-Кучеры, Снайдера-Сочевинского, оказываются неприменимыми. Данный факт, вероятно, связан с тем, что в этих моделях подробно не рассматриваются взаимодействия сорбата с полярным элюентом, которые могут сопровождаться образованием сольватов, а также не учитывается возможность наличия свободных силанольных групп на поверхности сорбента.

Причинами наличия минимума удерживания на соответствующих графиках могут явиться процессы сольватации и ассоциации сорбатов с компонентами подвижной фазы, возникающие при определенной концентрации раствора ацетонитрила в воде. Однако, для подтверждения этих выводов необходимы дополнительные исследования.

Выводы

1. Исследовано хроматографическое поведение некоторых 4-аминохинолинов в условиях ОФ ВЭЖХ при использовании в качестве элюента смеси вода - ацетонитрил в различных объемных соотношениях. Исследовано влияние строения молекул аминохинолинов на хроматографическое удерживание. Показано, что наличие гетероатомов существенно влияет на процессы, протекающие в хроматографической системе, увеличивая или уменьшая удерживание в зависимости от присутствия в молекулах аналитов заместителей различной химической природы.

2. Установлено, что к особенностям механизма сорбции производных аминохинолинов относится отсутствие характерных для ОФ варианта ВЭЖХ корреляций между удерживанием и физико-химическими параметрами сорбатов, что, вероятно, обусловлено наличием нескольких активных центров в молекулах, способных к взаимодействию как с сорбентом, так и с полярным элюентом.

3. Проиллюстрировано влияние содержания органического модификатора подвижной фазы (ацетонитрила) на хроматографическое поведение исследованных производных аминохинолинов на примере моделей Скотта-Кучеры и Снайдера-Сочевинского. Установлено наличие экстремумов на графиках соответствующих зависимостей. Показано, что удерживание исследованных соединений не может быть описано в рамках этих моделей.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного задания по гранту № 3.3209.2011.

Литература

аминохинолин сорбция элюент фазовый

P. Ball. Quinolone generations: natural history or natural selection. J. Antimicrob. Chemother. 2000. Vol.46. P.17.

Балыкова И.А., Новикова Г.А. Строение и реакционная способность гетероцикличных оединений: Учебное пособие для студентов 2-го курса очного и заочного отделения фармацевтического факультета. Кемерово: КемГМА. 2008. 75с.

Эльдерфильд Р. Гетероциклические соединения. М.: Инолит. 1955. Т.4. 232с.

Джилкрист Т. Химия гетероциклических соединений. М.: Мир. 1996. 463с.

Курбатова С.В., Воронков А.В., Воронкова Ю.А., Курбатова C.B., Ларионов О.Г. Высокоэффективная жидкостная хроматография амидов цинхониновых кислот. Вестник СамГУ. 2004. С.114.

Григорьева О.Б. Жидкостная хроматография замещенных цинхониновых кислот и их производных: Дисс. канд. хим. наук. СГУ. Саратов. 2003. 168c.

Размещено на Allbest.ru