Влияние структуры карбонильных и дициклопентадиеновых комплексов металлов на их энантиораспознавание

УДК 543.544

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ КАРБОНИЛЬНЫХ И ДИЦИКЛОПЕНТАДИЕНОВЫХ КОМПЛЕКСОВ МЕТАЛЛОВ НА ИХ ЭНАНТИОРАСПОЗНАВАНИЕ Н.Л. Меркулова, Е.Н. Шаповалова, О.А. Шпигун

Изучено разделение энантиомеров ряда металлоорганических комплексов разных типов хиральности при использовании в качестве хирального селектора [трис (фенилкарбаминат)] целлюлозы. Показано, что на условия разделения существенно влияют природа и соотношение полярного и неполярного компонентов подвижной фазы. Установлено, что эффективность взаимодействия сор-батов с неподвижной хиральной фазой зависит как от наличия полярных групп, так и от структуры и геометрии заместителей в металлоорганических комплексах. Подобраны условия разделения энантиомеров.

Металлоорганические комплексы играют важную роль в исследовании механизмов органических реакций, асимметрическом катализе и синтезе оптически чистых соединений. Во всех перечисленных случаях необходимо использование препаратов, содержащих лишь один оптический изомер, поэтому разделение энантиомеров металлоорганических комплексов представляет особый интерес [1, 2]. Разделение, как правило, осуществляется методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с использованием хиральной неподвижной фазы. Особо популярны хиральные неподвижные фазы на основе производных полисахаридов [3, 4]. Производные целлюлозы наиболее часто используют для создания хиральных неподвижных фаз, отличающихся высокой селективностью, эффективностью и устойчивостью. Из четырех основных групп производных целлюлозы, которые можно легко получить путем модификации ее свободных гидроксильных групп, лучшую энантиоселективность демонстрируют органические сложные эфиры и карбаминаты, что связано с наличием полярной карбонильной группы, вызывающей увеличение удерживания полярных сорбатов [5]. Условия хроматографического разделения энантиомеров металлоорганических комплексов различны. Механизмы взаимодействия с хи-ральным селектором могут определяться разными факторами и представляют обширную область исследования.

Объектами исследования в настоящей работе выбраны карбонильные комплексы хрома, определение энергии рацемизации которых представляет интерес для теоретической органической химии, а

также металлоцены. Металлоцены используют в асимметрическом органическом синтезе, поэтому важна их оптическая чистота. Цель данной работы состояла в изучении влияния состава подвижной фазы и структуры комплексов на удерживание и энантиоселективность ряда металлоорганических комплексов, а также на выбор оптимальных условий их разделения.

Экспериментальная часть

Металлоорганические комплексы синтезированы на кафедре органической химии химического факультета МГУ и предоставлены докт. хим. наук Ю.Ф. Опруненко. Чистота исследуемых образцов проверена методом ЯМР.

Растворы металлоорганических комплексов (0,51 мг/мл) готовили в гексане по точной навеске. Для приготовления подвижной фазы использовали гек-сан, 2-пропанол, 2-бутанол, этиловый эфир уксусной кислоты квалификации "х.ч." ("Криохром", Россия).

Разделение проводили на колонке "Chiracel OD-H" (Дайсел Кемикал Индастриз, ЛТД, Япония) размером (25x4,6) мм при использовании в качестве хирального селектора [трис (фенилкарбаминат)] целлюлозы (рис. 1). В работе использовали жидкостной хроматограф "Shimadzu" (максимальное рабочее давление 16 МПа, скорость подвижной фазы 0,5-1 мл/мин), состоящий из насоса "LC-10AT", спектрофотометрического детектора "SPD-10 AV Shimadzu" (К = 254 нм) и дозатора.

Перед проведением эксперимента хроматографи-ческую колонку промывали элюентом в течение

трикарбонила (1), 1-триметил-станнил-(5-8п6)нафта-линхромтрикарбонила (2), 2,6-инденхромтрикарбо-нила (3), (7а,8-10,10а-п6)флуоран-тенхромдикарбо-нилтриметилфосфита (4), (1а,1-4,4а-п6хромдикар-бонилтриметилфосфита-(7а,8-10Д0а,10-п6)флуоран-тентрикарбонила (5), а также дипентациклодиено-вых комплексов рутения (6, 7) и железа (8, 9). Структурные формулы исследуемых соединений приведены на рис. 2.

Для разделения оптических изомеров на хираль-ных неподвижных фазах с производными полисахаридов в качестве хирального селектора обычно используют смеси гексана и изопропилового или этилового спиртов. В таблице приведены хроматогра-фические параметры разделения энантиомеров исследованных комплексов. Наиболее важным критерием для выбора оптимальных условий разделения было разрешение пиков энантиомеров. В работе изучено влияние природы компонентов подвижной фазы на эту величину. Полученные экспериментальные результаты показали, что разделение энантио-меров сильно зависит от природы полярной добавки. Установлено, что для разделения энантиомеров исследованных соединений не подходят метиловый и этиловый спирты, значение Я* составляет 0,4-0,6. Применение изопропилового и изобутилового спиртов в качестве полярной добавки позволяет достичь наиболее высокой селективности.

Время удерживания энантиомеров существенно зависит от соотношения полярного и неполярного

Хроматографические параметры исследованных комплексов

№ комплекса Подвижная фаза, об,% к/ к { N1 N2 Я* а

1 (95:5)Не:г-ВиОН 0,80 3,62 3054 3370 12,48 4,52

2 (95:5)Нер:г-ВиОН 0,75 0,87 1484 951 0,55 1,16

3 (95:5)Не: г-ВиОН 2,04 2,36 2910 3208 1,26 1,16

4 (95:5)Нер:г-ВиОН 3,09 3,55 3164 2870 1,44 1,15

6 (93:7)Не:1-РгОН 0,33 0,48 1064 1038 1,00 1,49

8 (95:5)Не:г-ВиОН 0,58 2,34 1925 2758 4,78 2,33

9 (94:6)Не: БгЛс 2,88 4,85 1584 1880 1,82 1,24

Примечание. Не - гексан, Нер - гептан, г-РгОН - изопропиловый спирт, г-ВиОН - изобутиловый спирт, Б1Лс - этилацетат.

Рис. 1. Хиральный селектор - трис(фенилкарбаминат)целлюлозы

20 мин, растворы исследуемых веществ вводили в колонку с помощью дозирующей петли (20 мкл) и элюировали подвижной фазой. Далее определяли времена удерживания сорбатов и рассчитывали коэффициенты селективности.

Результаты и их обсуждение

Исследование проводили в нормально-фазовом варианте ВЭЖХ, используя в качестве элюента смеси гексана с различными полярными добавками.

Изучено удерживание и разделение оптических изомеров 2-триметилстаннил-(5-8-п )нафталинхром-

Комплекс 1

Комплекс 2

Комплекс 3

Комплекс 4

Комплекс 5

Комплекс 6

Комплекс 7

Комплекс 8

Комплекс 9

Рис. 2. Структурные формулы комплексов

компонентов, комплексы быстрее элюируются при повышении концентрации полярной добавки, что вполне согласуется с литературными данными [6]. Влияние концентрации полярной добавки исследовано на примере 4. Так, при увеличении кон -центрации изопропилового спирта от 2 до 10% время удерживания энантиомеров уменьшается с 17,04 до 10,80 мин для первого изомера и с 19,24 до 11,6 мин - для второго. Лучшая селективность

разделения (коэффициент селективности 1,2) при наименьшем времени элюирования энантиомеров достигается в случае 5%-й концентрации изопропилового спирта в подвижной фазе. На примере комплекса 1 видно, что подвижные фазы, содержащие изопропиловый спирт, обеспечивают высокую энантиоселективность, в то время как добавка в подвижную фазу изобутилового спирта повышает эффективность разделения (рис. 3).

I [ I-1-1

О 5 К) 15

к 11 МП

0 5 Ю 15

\1L1II

Рис. 3. Влияние природы полярной добавки на энантиораспознавание комплекса 1. Подвижная фаза: а - изопропанол-гексан (3:97), б - изобутанол-гексан (5:95); скорость подачи подвижной фазы 1 мл/мин, Я = 254 нм

Определенный вклад вносит и природа неполяр- изомеров практически до базовой линии (рис. 4). ного компонента. В ряде случаев энантиоразделение Интересно, что на энантиораспознавание влияет ра-улучшается при переходе от гексана к гептану. Так, створитель, использованный для приготовления рана хроматограмме смеси энантиомеров комплекса 2 створов комплексов. Для всех изученных соединений при его элюировании смесью гексан-изобутиловый при введении в колонку их толуольных растворов спирт присутствует один несимметричный пик. При (растворимость веществ в толуоле значительно выше, замене гексана на гептан наблюдается разделение нежели в гексане) наблюдали появление лишь одно-

П

а

(1.Л А

0

I. мин

б

0,1 А

0

Г, мим

Рис. 4. Влияние природы неполярного компонента на селективность энантиораспознавания комплекса 2. Подвижная фаза: а изобутанол-гексан (5:95), б - изобутанол-гептан (5:95); скорость подачи подвижной фазы 1 мл/мин; Я = 254 нм

го размытого пика. По-видимому, происходит образование сольватов комплексов с толуолом, что делает невозможным энантиораспознавание.

Обсуждение влияния структуры комплексов нецелесообразно без понимания механизма хиральной дискриминации соответствующего селектора. Авторы [7] подробно рассмотрели влияние структуры производных целлюлозы и природы заместителей (в случае фенилкарбаминатов - в фенильном кольце) на энантиоселективность. Было показано, что разделительную способность улучшают заместители с электронодонорной метильной группой или электро-ноакцепторным атомом галогена в мета- и/или «ара-положении. В варианте нормально-фазовой ВЭЖХ образование водородных связей энантиоме-ров с карбаминатными группами является основным фактором хиральной дискриминации. Важность взаимодействия карбаминатных групп хираль-ных неподвижных фаз с рацематами подтверждается ЯМР-исследованиями. Также отмечается чувствительность трифенилкарбаминатов к молекулярной геометрии субстратов [7].

Исследованные соединения отличаются как молекулярной геометрией, так и типом хиральности. Карбонильные комплексы хрома являются соединениями с планарной хиральностью, рутеноцены обладают "металлоценовой" хиральностью, а в комп -лексах ферроценов присутствует асимметрический атом углерода. Поэтому представляется интересным рассмотреть влияние на разрешение энантиомеров молекулярной структуры сорбатов внутри "групп".

Сравнивая структуры комплексов 1-5, можно предположить, что для эффективного взаимодействия сорбата с хиральным селектором важно присутствие карбонильной группы, способной взаимодействовать с амидными группами карбамината, и возможность п-п-взаимодействия ароматических групп сорбата и селектора. Причем в случае комплексов 1-2 на взаимодействие -С=О-групп субстрата с КИ-группировками карбамината влияет присутствие объемного станнильного заместителя. Его положение не должно препятствовать образованию водородных связей между соответствующими полярными группировками. Изменение положения стан-нильной группы в нафталине (комплексы 1 и 2) существенно сказывается на условиях разделения и величине коэффициента селективности. Для соединения 1 характерна высокая селективность в присутствии спиртов, в то время как для комплекса 2 разделение до базовой линии достигается при заме-

не изопропилового спирта этилацетатом или же при использовании смеси изобутилового спирта и гептана. Для комплекса 4 селективность повышается при использовании вместо изопропилового изобутилово-го спирта (достигается разделение пиков энантиоме-ров до базовой линии). Эффективность п-п-взаимо-действия ароматических систем субстрата и селектора достаточно велика, удерживаются даже объемные молекулы комплекса 4. Время удерживания комплекса 5 весьма близко к "мертвому" времени колонки и практически не меняется при изменении состава подвижной фазы. Наличие объемного заместителя - Сг(С0)2[(СИ30)3Р], видимо, затрудняет взаимодействие комплекса с хиральным селектором. Комплексы 6 и 7 различаются природой заместителей в циклопентадиенильном кольце, спиртовые и ацетатные группировки при прочих равных условиях полностью меняют хиральное поведение субстратов. Для комплекса 7 не удалось найти приемлемых условий разделения, несмотря на присутствие спиртовых группировок, склонных к образованию водородной связи. Разделение энантиомеров комплекса 6 до базовой линии возможно при использовании различных подвижных фаз. Лучшая селективность разделения (коэффициент селективности а = 1,46-1,58) получена для смесей гексана и изопропилового спирта. Максимальное значение ко -эффициента селективности получено для подвижной фазы гексан:изопропиловый спирт (98:2) .

Соединения 8 и 9 тоже являются циклопента-диенильными комплексами, но они обладают центральной хиральностью. Разделения энантиомеров комплекса 8 с высоким коэффициентом селективности (а = 2,35) удалось достичь, используя в качестве подвижной фазы гексан: изобутиловый спирт (95:5). В случае комплекса 9 разделение энантиомеров происходит до базовой линии для всех используемых составов подвижных фаз, изменяется эффективность разделения, наиболее успешным оказывается использование смеси гек-сан-изобутиловый спирт (95:5).

Механизм взаимодействия металлоорганичес-ких соединений с хиральной неподвижной фазой и факторы, отвечающие за энантиоселек-тивную дискриминацию, сложны и многообразны. Полученные данные показывают, что выбранный хиральный селектор универсален, он подходит для разделения энантиомеров соединений с различным типом хиральности и молекулярной геометрии. Для разделения энантио-

меров важно наличие групп, способных к обра- ствий. Существенным моментом является сте-зованию водородных связей и п-п-взаимодей- рическая доступность этих групп.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Tajuri A., Morita N. // Angew. Chem. 1985. 97. P. 342.

2. Schlogl K, Werner A. // Monatshefte für Chemie. 1986. 117.

P. 1423.

3. AburataniR., Okamoto Y., Hatada K. // Bull. Chem. Jpn. 1990. 63.

P. 3606.

4. Yashima E., Fukaya H., Okamoto Y. // J. Chromatogr. A. 1994.

677. P.11.

5. Алленмарк С. Хроматографическое разделение энантиомеров.

М., 1991.

6. Ramsden J. A., Garner C. M., Gladysz J.A. // Organometallics.

1991. 10. P. 1631.

7. Okamoto Y., Yashima E. // Angew. Chem. Int. Ed. 1998. 37.

P. 1020.

Поступила в редакцию 31.06.03

INFLUENCE OF THE CARBONYL AND BICYCLOPENTADIENE ORGANOMETALLIC COMPLEXES STRUCTURE ON THE ENANTIOSEPARATION N.L. Merkulova, E.N. Shapovalova, O.A. Shpigun

It was investigated the enantioseparation of metalloorganic complexes with different chirality types. It was shown that the nature and concentration of the polar and nonpolar compounds in the mobile phase affect on the separation conditions. It was found that enantioseparation depends on the type of the polar groups and the structure and disposition of the substituents in metalloorganic complexes. Optimum conditions of enantioseparation were found.