Исследование взаимосвязи между структурой и хроматографическим поведением карбонильных производных адамантана в условиях обращенно-фазовой ВЭЖХ

Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2004 Второй спец. выпуск. 123

УДК 543.544

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ СТРУКТУРОЙ И ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИМ ПОВЕДЕНИЕМ КАРБОНИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ АДАМАНТАНА В УСЛОВИЯХ ОБРАЩЕННО-ФАЗОВОЙ ВЭЖХ1

© 2004 С.В.Курбатова, Н.Ю.Шумская2

Изучено хроматографическое поведение некоторых карбонильных производных адамантана в условиях жидкостной хроматографии. Представлены значения факторов удерживания и рассчитаны топологические индексы соответствующих соединений. Проанализированы корреляции типа "структура - удерживание" для данных соединений.

Производные адамантана широко используются в качестве моделей для решения теоретических задач органической химии в связи с проявляемой ими биологической активностью, обусловленной ярко выраженной липо-фильной природой каркасного углеродного фрагмента адамантана. Введение в молекулу высоколипофильного радикала облегчает транспорт веществ через биологические мембраны и усиливает их взаимодействие с гидрофобными областями рецепторных молекул. Диапазон возможного использования адамантановых производных (помимо их биологического действия) чрезвычайно широк: перфторированные адамантаны используются в качестве компонентов искусственной крови; на их основе получают ал-мазоподобные пленки и др. Не менее интересно использование этих соединений при решении широко обсуждаемой на протяжении последних десятилетий проблемы "Количественные соотношения структура - свойство" (QSPR - Quantitative Structure-Properties Relationships) и, в частности, "Количественные соотношения структура - удерживание" (QSRR — Quantitative Structure-Retention Relationships) [1, 2].

Цель нашей работы заключалась в изучении хроматографического поведения карбонильных производных адамантана в условиях ОФ-варианта ВЭЖХ и построении зависимостей типа "структура - удерживание" в ряду рассматриваемых соединений.

1 Представлена доктором химических наук профессором Л.А. Онучак.

2 Курбатова Светлана Викторовна (curbatsv@ssu.samara.ru), Шумская Наталья Юрьевна, кафедра общей химии и хроматографии Самарского государственного университета, 443011, Россия, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.

Обсуждение результатов

В условиях обращенно-фазовой ВЭЖХ нами были исследованы карбонильные производные адамантана с общей формулой, представленной на рис. 1.

O O

Рис. 1. Общая формула исследованных в работе карбонильных производных ада-мантана

Удерживание исследованных соединений характеризовали величиной фактора удерживания (k), рассчитанного по известной методике. Величины мольного объема (V), дипольного момента (ц), поляризуемости (а) и коэффициента распределения в системе н-октанол-вода (log P) были рассчитаны полуэмпирическим методом PM 3 с полной оптимизацией геометрии молекул с использованием программы Hyper Chem. Полученные значения факторов удерживания и физико-химических величин представлены в табл. 1.

Исследованные вещества принадлежат к числу полифункциональных, содержащих липофильный адамантильный радикал и гидрофильную карбонильную группу и, значит, способны как к специфическим, так и неспецифическим взаимодействиям с компонентами хроматографической системы.

Поскольку в условиях ОФ ВЭЖХ производные адамантана удерживаются за счет дисперсионного взаимодействия объемного адамантанового каркаса с неполярной фазой, различие в величинах характеристик удерживания будет определяться природой заместителя в адамантановом ядре и природой используемого элюента. Для сравнительной оценки влияния природы заместителя на хроматографическое удерживание нами был использован метод структурной аналогии. Используя последовательную замену заместителей в адамантановом каркасе, можно провести сравнительную оценку хроматографического удерживания функциональных производных.

Молекулы первой группы выбранных нами структурных аналогов содержат на одном конце углеродной цепи адамантил, на другой—близкие

O

O

Таблица 1

Значения фактора удерживания и физико-химических характеристик карбонильных производных адамантана

№ п/п Соединение к М- , О V, А3 МР) МИ, см3/моль а, А3

1 Метил- 1-адамантил-стирилкетон 8.07 2.659 87.48 5.16 86.90 33.70

2 Метил- 1-адамантил- винил-(2'-тиенил) кетон 6.87 2.398 85.25 4.45 85.044 33.95

3 Метил- 1-адамантил- винил-(2'-фурил) кетон 5.37 2.574 83.01 4.11 79.30 30.49

4 1-Адамантилвинил (2'-тиенил) кетон 6.38 3.147 79.30 4.52 81.19 32.11

5 1-Адамантил (2'-тиенил) кетон 4.09 2.658 71.60 3.17 71.04 28.63

6 1-Адамантил (2',2"-дитиенил) кетон 10.69 3.234 90.60 3.91 94.89 38.54

7 3,5-Диметиладаман-тил (2' ,2"-дитиенил) кетон 19.72 3.658 98.40 4.78 103.84 42.22

по структуре, но различающиеся природой гетероатома радикалы фурил, тиенил и фенил (соединения 1-3, табл. 1). Присутствие разных по природе заместителей в этих адамантилкетонах обусловливает различия в физико-химических характеристиках молекул в целом, что, в свою очередь, приводит к соответствующим изменениям величин хроматографического удерживания сорбатов. Наиболее существенными факторами, определяющими удерживание в ОФ ВЭЖХ, являются, как известно, гидрофобность (ли-пофильность), поляризуемость и дипольный момент молекул - участников хроматографического процесса [3]. В соответствии с сольвофобной теорией Хорвата [4], рост липофильности молекулы сорбата должен приводить к увеличению хроматографического удерживания в условиях ОФ ВЭЖХ.

Фактор удерживания для соединений 2, 4 и 5 закономерно увеличивается с удлинением углеродной цепи и увеличением объема. Следует отметить, однако, что для данных соединений отсутствует симбатность в изменении фактора удерживания и липофильности. По-видимому, более важную роль в удерживании этих структурных аналогов играет поляризуемость молекул, величина которой, как известно, входит в уравнение, описывающее энергию дисперсионного взаимодействия [5]. Появление двойной связи в соединении 4 способствует увеличению поляризуемости молекулы и значительному усилению дисперсионного взаимодействия сорбатов с обращенной

фазой за счет п-электронов двойной связи, что приводит к существенному возрастанию фактора удерживания.

Введение метиленового звена между адамантилом и карбонилом в ме-тил-1-адамантилвинил-(2'-тиенил) кетоне уже в меньшей степени влияет на изменение поляризуемости и, таким образом, фактора удерживания.

Резкое возрастание фактора удерживания для соединений 5, 6 (табл. 1) также связано с увеличением объема молекул и их поляризуемости.

Значительный рост фактора удерживания при переходе от 1-адаман-тил(2',2"-дитиенил) кетона к 3,5-диметил(1-адамантил)-(2',2"-дитиенил) ке-тону, по-видимому, является результатом перераспределения электронной плотности внутри адамантанового каркаса при введении метильных радикалов в узловые положения адамантанового ядра и реализации так называемого "эффекта клетки" [6]. В литературе показано, что наличие этого эффекта приводит к тому, что сам адамантановый фрагмент при этом приобретает некоторые свойства ароматических систем [7].

Оценка влияния химической структуры на хроматографическое удерживание может быть проведена с помощью различных молекулярных дескрипторов. В качестве соответствующих дескрипторов могут использоваться такие характеристики, как молекулярный объем, дипольный момент, логарифм распределения в системе "н-октанол - вода", энергия гидратации, поляризуемость, молекулярная рефракция и другие, а также топологические индексы (табл. 1 и 2). Для полученных в ОФ-варианте хроматографии величин удерживания были проанализированы их корреляции от указанных молекулярных дескрипторов. Полученные зависимости закономерны для данного варианта хроматографии.

В обращенно-фазовом варианте ВЭЖХ молекулы сорбатов удерживаются в колонке за счет сил неспецифического межмолекулярного взаимодействия, которые определяются объемом молекулы, а также такими свойствами, зависящими от объема, как поляризуемость и молекулярная рефракция. Получены корреляционные зависимости между величинами удерживания и рассматриваемыми свойствами, представленные на рис. 1-3. Коэффициенты корреляционных уравнений приведены в табл. 3.

Как видно из представленных зависимостей, удерживание в ОФ-вари-анте увеличивается с возрастанием поляризуемости и молекулярной рефракции, что является вполне закономерным. С увеличением поляризуемости возрастает способность молекулы вступать в дисперсионные взаимодействия с неподвижной фазой.

Полученные корреляционные зависимости позволяют прогнозировать хроматографические величины удерживания для различных структурных аналогов адамантана, основываясь на их строении.

Таблица 2

Топологические индексы карбонильных производных адамантана

№ п/п Соединение ТГ °Х 3Х

1 Метил-1-ад амантил-стирилкетон 1418,036 12,6315 8,4675 7,8047 6,4086

2 Метил-1-ад амантил- винил(2'-тиенил) кетон 1252,749 11,8850 7,9520 10,2673 4,0164

3 Метил-1-ад амантил-винил(2'-фурил) кетон 1175,544 11,8851 7,9520 7,4094 6,1240

4 1-Адамантилвинил (2'-тиенил)кетон 1068,602 11,1779 7,4948 5,7972 5,0800

5 1-Адамантил (2'-тиенил)кетон 746,294 10,0232 6,8342 5,3416 5,2649

6 1-Адамантил (2',2"-дитиенил) кетон 1665,808 12,5862 8,4031 6,6508 5,5699

7 3,5-Диметил- ада-мантил- (2',2"-дити-енил) кетон 2066,215 15,5862 10,5749 7,7183 4,7439

?

Рис. 2. График зависимости фактора удерживания (^ к) от поляризуемости (а) для карбонильных производных адамантана

ыя

Рис. 3. График зависимости фактора удерживания (^ к) от молекулярной рефракции (МИ) для карбонильных производных адамантана

1,4 г

0,5 ........................................

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

W*

Рис. 4. График зависимости фактора удерживания (^ к) от модифицированного индекса Винера (W*) для карбонильных производных адамантана

Таблица 3

Параметры корреляционной зависимости у = а • х - Ь между величинами удерживания и некоторыми структурными

дескрипторами

X У а b г

а lg(k) 0,0463 -0,6969 0,9853

W* lg(k) 0,0005 0,2089 0,9804

MR lg(k) 0,0204 -0,8663 0,9895

Литература

[1] Ханч К. Об использовании количественных соотношений структура-активность (КССА) при конструировании лекарств (обзор) // Хим.-фарм. журн. 1980. №10. С. 15-29.

[2] Голованов И.Б., ЦыганковаИ.Г. Корреляционное соотношение структура-свойство. II. Оценка некоторых физико-химических свойств молекул углеводородов // Журн. общей химии. 1980. Т. 69. №12. С. 2024-2028.

[3] ШатцВ.Д., Сахартова О.В. Высокоэффективная жидкостная хроматография. Рига: Зинатне, 1988. 390 с.

[4] HorvathC., MelanderW., Molnarl. Solvophobic interations in liquid -chromatography with nonpolar stationary phase //J. Chromatogr. 1976. V. 125. P. 129-156.

[5] КнорреД.Г., КрыловаЛ.Ф., МузыкантовВ.С. Физическая химия. М.: Высшая школа, 1981. 328 с.

[6] БагрийЕ.И. Адамантаны. Получение, свойства, применение. М.: Наука, 1989. 264 с.

[7] Корольков Д.В., Сизова О.В. Распределение валентной электронной плотности в каркасных и полиэдрических молекулах CnHm и BnHm и орбитально-избыточные связи // Журнал общей химии. 2003. Т. 73. №11. С. 1881-1892.

Поступила в редакцию 12/I/2005; в окончательном варианте — 12/I/2005.

STRUCTURE-CHROMATOGRAPHIC RETENTION RELATIONSHIPS FOR ADAMANTAN DERIVATIVES IN RP LIQUID CHROMATOGRAPHY3

© 2004 S.V. Kurbatova, N.Y. Shumskaya4

Chromatographic behavior of the some adamantan's oxygen derivatives is investigated under conditions of liquid chromatography. Its retention factor in reversed-phase (RP) high performance liquid chromatography (HPLC) is determined. Structure and topology influence on retention behavior under conditions of liquid sorption chromatography is established.

Paper received 12/I/2004. Paper accepted 12/I/2004.

3Communicated by Dr. Sci. (Chem.) Prof. L.A. Onuchak.

4 Kurbatova Svetlana Viktorovna (curbatsv@ssu.samara.ru), Shumskaya Natalia Yur'evna, Dept. of General Chemistry and Chromatography, Samara State University, Samara, 443011, Russia.