CC BY
70
УДК 547.854.4
С. П. Иванов (к.х.н., с.н.с.)1, Г. С. Абдрахимова (м.н.с.)1, И. Ф. Даутова (асп.)2, Л. В. Спирихин (к.х.н., зав. лаб.)1, С. Л. Хурсан (д.х.н., проф., гл.н.с.)1 Ю. И. Муринов (д.х.н., зав. лаб.)3
Изучение депротонирования 5-фторурацила
Институт органической химии Уфимского научного центра Российской Академии наук, 1 лаборатория физико-химических методов анализа, 3лаборатория координационной химии 450054, г. Уфа, пр. Октября 71, тел. (347) 2356096, е-та1: [email protected], [email protected], [email protected]
2Башкирский государственный университет, кафедра физической химии и химической экологии 450074, г. Уфа, ул. З. Валиди, 32, тел. (347) 2736727, е-mail: [email protected]
S. P. Ivanov1, G. S. Abdrakhimova1, I. F. Dautova2, L. V. Spirikhin1, S. L. Khursan1,Yu. I. Murinov3
The study of deprotonation process in 5-fluorouracil
1 Institute of Organic Chemistry of Ufa Scientific Centre Of Russian Academy of Sciences 71, Oktyabrya Pr., 450054 Ufa, Russia; ph. (347) 2356096, e-mail: [email protected], [email protected]
2Bashkir State University 32, Z. Validi Street, 450074 Ufa, Russia, ph. (347) 2736727, e-mail: [email protected]
Квантово-химическими методами рассчитан ряд устойчивости возможных анионов 5-фторурацила в газовой фазе (MPW1PW91/6-311+G(2d, p)) и в ДМСО (COSMO, MPW1PW91/6-31G(d)). Экспериментально из водных растворов получена и идентифицирована мононатриевая соль 5-фторурацила. С помощью методов ЯМР 13С и ИК спектроскопии показано, что депротони-рование в растворах 5-фторурацила происходит в положении N1 пиримидинового кольца.
The relative stability order of possible anions of 5-fluorouracil in the gas phase (MPW1PW91/6-311+G(2d, p)) and in DMSO (COSMO, MPW1PW91/6-31G(d)) was established by quantum chemical calculations. The monosodium salt of 5-fluorouracil was obtained experimentally in water solution and identified. NMR 13C and IR spectroscopy showed that the deprotonation process in 5-fluorouracil happens at N1 position of pyrimidine ring.
Ключевые слова: 5-фторурацил; депротони-рование; таутомерия.
Известно, что урацил и его 5, 6-замещен-ные производные являются слабыми двухосновными кислотами: например, для урацила рКа1 составляет 9.5 1 2, рКа2 — 13—14 1 3.
Несмотря на то, что различными методами установлены величины констант диссоциации данных соединений, нет однозначного
Key words: 5-fluorouracil; deprotonation; tautomerism.
мнения о том, в каком положении пиримидинового кольца происходит депротонирование, т. к. производные урацила теоретически могут существовать в 6 таутомерных формах; одной дикето-, четырех кето-енольных и одной дие-нольной 46:
O^ N' I
H
R1 HN^N/K1
HI
Rl
N' R2 H
Rj=CH3; R2=H - тимин Ri=F; R2=H - 5-фторурацил
г) °H
H
OH
d) °H е) ,
N Rl HN
N N HN
Rl R2
Дата поступления 28.12.09
Натриевые и калиевые соли тимина и ура-цила из водных растворов были получены еще в начале ХХ в. 7. Их состав был установлен методом элементного анализа, который не позволяет определить место присоединения иона щелочного металла к урацилу.
Лишь в 1979 г. методом РСА было показано, что кристаллы тимината калия, полученного из водного раствора, являются Nl-депрото-нированными солями таутомера а 8. Однако в работе 9 предположено равновесие между анионами N1 и N3 таутомера а в щелочных водных растворах урацила и тимина. Аналогичное равновесие предполагается для 4-тиоу-рацила 10 и 5-галогеноурацилов 11. На основании данных ЯМР 13С спектроскопии авторы 12 склоняются к N3 депротонированию урацила в щелочных растворах. Для 5-фтор- и 5-хлор-
13
урацилов предполагается 13 равновесие анионных форм таутомеров б и г с отрывом протона от гидроксильных групп. Для щелочных водных растворов урацила на основании данных спектроскопии КР предполагается 14 равновесие анионных форм таутомеров в и д с отрицательным зарядом, сконцентрированном на гид-роксильных кислородах.
Как видно из приведенных литературных данных, предлагаются различные механизмы депротонирования производных урацила. По всей видимости, данный механизм может зависеть от различных факторов: применяемых растворителей, природы заместителей при двойной связи, внутри- и межмолекулярных взаимодействий самих молекул урацилов.
Знание механизмов нейтрализации ураци-лов имеет большое значение с точки зрения синтеза их N- или O-замещенных органических производных, получения комплексных соединений с переходными металлами и изучения таутомерного равновесия в растворах.
В данной работе квантово-химическими методами рассчитан ряд устойчивости возможных анионов 5-фторурацила в газовой фазе и диметилсульфоксиде (ДМСО), а также экспериментально получена и идентифицирована натриевая соль 5-фторурацила.
Экспериментальная часть
Расчеты исследуемых соединений проводили в программах Gaussian 03 15 (MPW1PW91/6-311+G(2d, p)) и Природа 6 16 (PBE/3z) 17. Геометрические параметры всех соединений находили полной оптимизацией строения исследуемой частицы без ограничения по симметрии. Для всех структур решена
19
колебательная задача, при этом не обнаружены мнимые частоты, т. е. все найденные структуры представляют собой минимумы на поверхности потенциальной энергии системы. Химические сдвиги для атомов углерода рассчитывали в рамках методов GIAO18 (PBE/3z, MPW1PW91/ 6-31 G(d)) и CSGT (MPW1PW91/6-31G(d)). Наибольшее соответствие с экспериментальными данными показал метод CSGT, который использовался для дальнейших расчетов.
Неспецифическую сольватацию таутоме-ров 5-фторурацила учитывали методом поляризованного континуума (COSMO 20, MPW1PW91/6-31G(d)), где ДМСО представляет собой поляризованную среду с диэлектрической константой е = 46.7, после чего рассчитывали химические сдвиги также с учетом неспецифической сольватации.
Спектры ЯМР на ядрах 13С были получены на спектрометре высокого разрешения «Bruker AM-300» (растворитель ДМСО^6, внутренний стандарт ТМС). Спектры поглощения записаны на спектрофотометре «Specord M-40». ИК-Фурье спектры снимали с помощью спектрометра IR-Prestige-21 SHIMADZU на приставке Silver Gate Single Reflection ATR. Применяемые для приготовления растворов гидроксида натрия, соляная кислота и 5-фторурацил квалификации «хч» дополнительно не очищали. В качестве растворителя в работе использовалась свежеперег-нанная бидистиллированная вода.
0.0435 г NaOH растворяли в 230 мл биди-стиллированной воды, для определения точной концентрации титровали 0.01 М раствором соляной кислоты. Затем добавляли 0.1170 г 5-фторурацила (соотношение NaOH: 5-фторура-цил = 1:1). Реакцию проводили при комнатной температуре при постоянном перемешивании. За ходом реакции следили рН-метрически. После окончания реакции растворитель отгоняли. Кристаллический порошок белого цвета, по данным спектров ЯМР 13С побочных веществ не содержал и дополнительно не очищался. Выход 98%. Т. пл. 256 оС. ИК-спектр, см-1: 3084 v(N3—H), 1678 v(C4=0), 1641 v(C5=C6), 1618 v(C2=0). УФ-спектр, Amax=203 нм, Amax=267 нм (е=5900). Найдено, %: С 27.97; Н 2.08; N 16.35. С4Н202^Б№. Вычислено, % С 28.20; Н 2.40; N 16.50.
Обсуждение результатов
Для определения энергетически наиболее выгодного аниона 5-фторурацила квантово-
O
O
F
N H
нА^
O'
O
F
F
F
H
_ _ -e^i
H
5-FU 5-FU-N1 5FU-N3 5FU-O2 5FU-O4
Рис. 1. Рассчитанные исходная форма и моноанионы 5-фторурацила в газовой фазе и в ДМСО
H
Таблица 1
Энергии и относительная устойчивость (AE) анионов 5-фторурацила в газовой фазе (MPW1PW91/6-311+G(2d, p)) и с учетом неспецифической сольватации (COSMO, MPW1PW91/6-31G(d)) в ДМСО
Анион Газовая фаза ДМСО
-Etotai, Хартри AE, кДж/моль -Etotai, Хартри AE, кДж/моль
5FU-N1 513.471885 0 513.568224 0
5FU-N3 513.453880 47.3 513.565203 7.9
5FU-O2 513.441759 79.1 513.547310 54.9
5FU-O4 513.455211 43.8 513.555484 33.4
химически рассчитаны энергии всех возможных таутомеров. В результате оптимизации геометрии получено четыре стабильных аниона (рис. 1). В табл. 1 приведены энергии и относительная устойчивость рассчитанных анионов 5-фторурацила. Как видно из таблицы, в газовой фазе наиболее устойчивой формой является анион 5FU-N1 с концентрацией отрицательного заряда у атома азота N1 и кислорода у атома С2 пиримидинового кольца. Следующий по устойчивости анион 5FU-O4 на 43.8 кДж/моль менее стабилен. При учете неспецифической сольватации в ДМСО также наиболее устойчивым анионом 5-фторурацила является 5FU-N1, однако следующий по стабильности — анион 5FU-N3, причем разность в энергиях между ними составляет всего 7.9 кДж/моль.
Для изучения структуры образующегося экспериментально аниона 5-фторурацила (1) получили его мононатриевую соль (2) путем взаимодействия 1 с гидроксидом натрия в соотношении 1:1 в водном растворе.
За ходом реакции следили рН-метричес-ки. Как видно из рис. 2, при взаимодействии наблюдается уменьшение рН с выходом на плато через 50 ч. Очевидно, в водном растворе протекает реакция нейтрализации:
H2-5FU +0OH -- H-5FU0 + H2O
1 2
После достижения минимального значения рН растворитель отгоняли. Анализ структуры полученного соединения проводили ЯМР 13С и ИК-спектроскопией.
В табл. 2 приведены экспериментальные значения химических сдвигов (ХС) 1 и 2, а также рассчитанные величины ХС возможных анионов 1.
Из экспериментальных данных видно, что величины ХС сигналов С4 и С5 урацильного кольца продукта реакции 2 остаются практически без изменений, в то время как для сигналов С2 и С6 наблюдается смещение ХС в слабое поле на 3.7 и 7.2 м.д., соответственно. Это может свидетельствовать о депротонировании по N1 положению пиримидинового кольца 5-фторурацила. Действительно, квантово-хи-мические расчеты свидетельствуют, что именно анион 5Би-Ш имеет аналогичный характер изменений в ЯМР-спектре по сравнению с рассчитанным для исходной формы 1.
В ИК спектрах выделенной соли 2 наблюдается исчезновение полосы поглощения валентных колебаний Ш—Н, что может быть обусловлено замещением водорода на натрий.
Таким образом, как с использованием кван-тово-химических расчетов, так и экспериментально было показано, что депротонирование в растворах 5-фторурацила происходит в положении N1 пиримидинового кольца.
рН
0 10 20 30 40 50 60 70
Рис. 2. Зависимость pH от времени взаимодействия 5-фторурацила с NaOH (1:NaOH=1:1) в водных растворах
Таблица 2
Данные спектров ЯМР 13С 5-фторурацила и его натриевой соли
t. ч
Соединение Химический сдвиг, м.д.
С2 1 С4 1 С5 1 С6
Экспериментальные данные
1 150.4 158.4 140.1 126.6
2 154.12 158.4 140.3 132.8
Расчетные данные
5FU 154.1 162.5 145.5 133.0
5FU-N1 163.4 162.5 145.7 149.7
5FU-N3 162.8 172.0 146.9 128.7
5FU-O2 171.3 160.7 140.4 151.9
5FU-O4 165.7 169.9 152.6 143.7
Литература
1. Taqui Khan M. M., Satyanarayana S., Jyoti M. S., Lincoln Ch. A. // Indian J. Chem.- 1983.-V. 55, № 5.- P. 357.
2. Jonay J., Gut J. // Collect. Chechoslov. Chem. Commun.- 1962.- V. 27, № 3. - P. 716.
3. Обтемперанская С. И., Шахид Р., Кашин А. Н., Буланова М. М. // ЖАХ.- 1988.- Т. 43, № 8.- С. 1515.
4. Yekeler H., Ozbakir D. // J. Mol. Model.-2001.- V. 7, №4.- Р. 103.
5. Kryachko E. S., Nguyen M. T., Zeegers-Huyskens T. // J. Phys. Chem. A.- 2001.-V. 105, №8.- P. 1288.
6. Иванов С. П., Хурсан С. Л. // ЖФХ - 2004.Т. 78, № 7.- С. 1283.
7. Myers V. C. // J. Biol. Chem.- 1910.- V. 7.-P. 249.
8. Lock C. J. L., Pilon P., Lippert B. // Acta Crystallogr., Sect. B.- 1979.- V. 35.- P. 2533.
9. Lippert B. // J. Raman Spectrosc.- 1979.- V. 8, №8.- P. 274.
10. Psoda A., Kazimierczuk Z., Shugar D. // J. Am. Chem. Soc.- 1974.- V. 96, №22.- P. 6832.
11. Wierzchowski K. L., Litonska E., Shugar D. // J. Am. Chem. Soc.- 1965.- V. 87, №20.- P. 4621.
12. DeMember J. R., Wallace F. A. // J. Am. Chem. Soc.- 1975.- V. 97, №21.- P. 6240.
13. Wempen I., Fox J. J. // J. Am. Chem. Soc.-1964.- V. 86, №12.- P. 2474.
Billinghurst B. E., Oladepo S. A., Loppnow G. R. // J. Phys. Chem. B.- 2009.- V. 113, №20.-P. 7392.
Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M. A., Cheeseman J. R., Zakrzewski V. G., Montgomery J. A., Jr., Stratmann R. E., Burant J. C., Dapprich S., Millam J. M., Daniels A. D., Kudin K. N., Strain M. C., Farkas O., Tomasi J., Barone V., Cossi M., Cammi R., Mennucci B., Pomelli C., Adamo C., Clifford S., Ochterski J., Petersson G. A., Aya-la P. Y., Cui Q., Morokuma K., Malick D. K., Rabuck A. D., Raghavachari K., Foresman J. B., Cioslowski J., Ortiz J. V., Baboul A. G., Stefanov B. B., Liu G., Liashenko A., Piskorz P., Komaromi I., Gomperts R., Martin R. L., Fox D. J., Keith T., Al-Laham M. A., Peng C. Y., Nanayakkara A., Gonzalez C., Challacombe M., W. Gill P. M., Johnson B., Chen W., Wong M. W., Andres J. L., Gonzalez C., Head-Gordon M., Replogle E. S., Pople J. A. Gaussian 98. Revision A.7. Pittsburgh PA: Gaussian Inc, 1998.
Laikov D.N. // Chem. Phys. Lett.- 1997.-V. 281, №1.- P. 151.
Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. // Phys. Rev. Lett.- 1996.- V. 77, №15.- P. 3865. Wolinski K., Hilton J. F., Pulay P. // J. Am. Chem. Soc.- 1990.- V. 112, №23. - P. 8251. Keith T. A., Bader R. F. W. // Chem. Phys. Lett.- 1993.- V. 210, №1-3.- P. 223. Barone V., Cossi M. // J. Phys. Chem. A.-1998.- V. 102, №11.- P. 1995.
