автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.11, диссертация на тему:Исследование взаимосвязи между структурой и хроматографическим удерживанием некоторых циклических органических соединений

На правахрукописи

Финкельштейн Елена Евгеньевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ СТРУКТУРОЙ И ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИМ УДЕРЖИВАНИЕМ НЕКОТОРЫХ ЦИКЛИЧЕСКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

05.11.11. - Хроматография и хромато графические приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедре общей химии и хроматографии Самарского государственного университета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Доктор химических наук СВ. Курбатова

доктор химических наук Л.Д. Белякова

доктор химических наук Т.А. Мишарина

Ведущая организация: Институт нефтехимического

синтеза РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится "3" февраля 2004 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д002.245.03 при Институте физической химии РАН по адресу: 117915, г. Москва, Ленинский пр., 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физической химии.

Автореферат разослан « 3 » января 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат химических наук

^Ри^и-гШ^ л.Н. Коломиец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Вопрос о взаимосвязи и установлении количественных соотношений «структура - свойство» и «структура -активность» является до настоящего времени открытым и, несомненно, представляющим интерес для теории и практики прогнозирования веществ с заданными свойствами.

Закономерные связи между свойствами веществ и их составом и строением позволяют во многих случаях при отсутствии прямых данных определять свойства соединения на основе данных для других веществ, близких ему по составу и строению. В основу таких методов расчета положено химическое подобие веществ. Многие схемы расчета физико-химических характеристик базируются на допущении постоянства инкрементов определенных функциональных групп или радикалов. Такое постоянство инкрементов допускается, как правило, при рассмотрении близких по строению веществ. При этом могут быть рассмотрены разнообразные аспекты сходства структур, по-разному определяемые различными авторами.

С точки зрения установления количественных соотношений между структурой и свойствами соединений весьма перспективным представляется метод структурной аналогии, позволяющий устанавливать закономерности изменения физико-химических характеристик веществ в зависимости от структуры для широких таксономических групп органических соединений.

Интересными объектами применения этого метода являются циклические соединения различного строения: ароматические и гетероциклы, циклоалканы - неослабевающий интерес к которым обусловлен, в первую очередь, их чрезвычайным распространением в объектах природного происхождения и продуктах многочисленных производств, а также ярко выраженной биологической активностью. Так, в частности, производные адамантана интересны в качестве моделей при решении многих вопросов теоретической химии, таких, например, как влияние электронной структуры и топологии молекулы на физико-химические свойства, индукционных и стерических факторов на хроматографическое удерживание и т.д. Кроме того, пространственное строение, липофильность адамантанового каркаса создают благоприятные условия для транспорта адамантансодержащих соединений через биологические мембраны, введение адамантильного радикала в органические соединения модифицирует их биологическую активность, изменяя и часто усиливая ее.

Однако, несмотря на большой интерес, проявляемый исследователями к циклическим соединениям и, в частности, производным адамантана, многие вопросы, связанные с изучением взаимосвязи структуры этих веществ с их физико-химическими свойствами, хроматографическим удерживанием и биологической активностью, остаются до конца не изученными. В литературе последних лет представлены данные о хроматографическом поведении различных циклических соединений и функциональных производных адамантана. Исследовано хроматографическое удерживание алкил-, амино-, гидрокси- и других производных

БИБЛИОТЕКА {

хроматографического удерживания в гомологических рядах циклических соединений. Тем не менее, возможности хроматографии как метода структурного анализа, аналогичного, например, ИК или УФ спектроскопии, используются в недостаточной степени. Для установления структуры молекул применяют в основном лишь ее адсорбционный вариант, поскольку адсорбция при малых заполнениях на однородной плоской поверхности адсорбента в наибольшей степени зависит от геометрической структуры молекул. В то же время, поскольку хроматографическое удерживание в целом определяется различными типами межмолекулярных взаимодействий, непосредственно связанными со строением удерживаемых молекул, можно утверждать, что хроматографический метод в различных его вариантах является вполне перспективным инструментом в установлении структуры соединений.

Полезную информацию как о структуре соединения, так и о его свойствах может дать исследование корреляций между параметрами хроматографического удерживания и различными структурными и физико-химическими характеристиками органических соединений.

Целью работы явилось хроматографическое исследование взаимосвязи между структурой циклических органических соединений и проявляемыми ими физико-химическими свойствами на примере производных адамантана и его структурных аналогов в условиях газо-жидкостной хроматографии; разработка методов идентификации компонентов сложных смесей биологически активных веществ и прогнозирования физико-химических характеристик на основе моделей «структура - хроматографическое удерживание».

В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:

• Изучение закономерностей хроматографического удерживания циклических органических соединений различного строения в условиях газо-жидкостной хроматографии.

• Теоретическое обоснование взаимосвязи электронного строения молекул циклических органических соединений различного строения с их физико-химическими и хроматографическими свойствами. Исследование хроматографических свойств неподвижной адамантансодержащей фазы, изучение ее селективности по отношению к изомерам различной природы.

• Исследование топологических характеристик циклических соединений различного строения и их взаимосвязи с электронными, структурными и сорбционными параметрами с использованием метода структурной аналогии.

• Развитие модели удерживания циклических органических соединений и их структурных аналогов в условиях ГЖХ. Разработка методов идентификации и разделения компонентов сложных смесей синтеза производных адамантана на основании установленных закономерностей.

Научная новизна работы определяется совокупностью полученных в ней новых результатов.

1. Исследовано хроматографическое поведение некоторых циклических органических соединений и, в частности, производных адамантана и его аналогов в качестве сорбатов и сорбентов в условиях газо-жидкостной хроматографии. Рассмотрено влияние размеров, природы цикла и гетероатома на хроматографическое удерживание циклических соединений.

2. Впервые с применением метода структурной аналогии исследованы соотношения, связывающие сорбционные характеристики циклических соединений различной природы с их электронными, топологическими и другими физико-химическими параметрами. Получены уравнения, описывающие эти зависимости. Исследованы их прогностические возможности при расчете величин хроматографического удерживания и некоторых физико-химических характеристик.

3. Определены оптимальные условия хроматографического разделения и идентификации структурных аналогов органических веществ в сложных смесях на примере функциональных производных адамантана. Разработаны хроматографические методики идентификации промежуточных продуктов синтеза биологически активных веществ и изомеров различной природы с использованием впервые исследованной адамантилсиликоновой неподвижной фазы.

Практическая ценность проведенных исследований определяется совокупностью полученных в работе данных о хроматографическом удерживании циклических соединений, структурных аналогов, установленных в работе физико-химических закономерностей изменения их термодинамических характеристик сорбции в условиях ГЖХ, которые могут быть использованы при прогнозировании характеристик удерживания труднохроматографируемых и впервые синтезируемых соединений, а также для разделения и идентификации аналогов в сложных смесях. Показаны возможности впервые изученной адамантилсиликоновой неподвижной фазы при разделении изомеров различной химической природы.

На защиту выносятся:

1. Теоретическое обоснование физико-химических закономерностей хроматографического удерживания циклических органических соединений различной химической природы с использованием метода структурной аналогии.

2. Экспериментально определенные термодинамические характеристики сорбции органических соединений различной химической природы, функциональных производных адамантана на адамантилсиликоновой неподвижной фазе.

3. Корреляционные зависимости между величинами удерживания циклических органических соединений и их электронными, топологическими и другими физико-химическими параметрами. Уравнения, описывающие эти зависимости. Алгоритм прогнозирования хроматографического удерживания и физико-химических свойств структурных аналогов органических веществ и их биологической активности на основании полученных корреляций.

4. Модель хроматографического удерживания циклических органических соединений, структурных аналогов в условиях ГЖХ, базирующаяся на использовании полученных закономерностей.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы, в том числе 7 статей, 15 тезисов докладов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийском симпозиуме по химии поверхности, адсорбции и хроматографии (Москва, 1999), Поволжской региональной конференции «Физико-химические методы в координационной и аналитической химии» (Казань, 1999), Всероссийской конференции «Химический анализ веществ и материалов» (Москва, 2000), IX Международной конференции по теоретическим вопросам адсорбции и хроматографии "Современное состояние и развитие теории - адсорбции" (г. Москва, апрель 2001 г.); Всероссийском симпозиуме "Современные проблемы хроматографии", (г. Москва, март 2002 г.); XII Всероссийской конференции по газовой хроматографии (г. Самара, 2002); на третьем международном симпозиуме "100 лет хроматографии" (Москва, 2003).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 160 страницах текста, содержит 35 таблиц, 35 рисунков.

Авторский вклад. Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем участии.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность исследования, сформулированы цель и задачи, отражены научная новизна и практическая значимость работы, представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с решением проблемы «структура - хроматографическое удерживание» и «структура -биологическая активность» для циклических соединений различной химической природы, структурных аналогов. Проводится сравнительный анализ предложенных в литературе подходов и методов к установлению таких соотношений. Показана необходимость использования системного подхода при исследовании структурных аналогов, а также роль хроматографических методов в решении указанных проблем. Обосновывается выбор объектов исследования.

Во второй главе дается описание объектов и методов исследования.

Для установления физико-химических закономерностей хроматографического поведения органических соединений широких таксономических групп в качестве объектов исследования выбраны циклические соединения различной химической природы - карбо- и гетероциклы. Формирование таксономической группы осуществлялось посредством введения в молекулы одного или нескольких циклов, перехода от цикланов к аренам - моно- и полиароматическим и т.д. с учетом описанного в

литературе метода структурной аналогии. В качестве объектов исследования выбраны вещества, представленные на рис. 1.

\

О-о

i i i

00 00

Рис.1. Структурные формулы исследованных соединений В условиях газо-жидкостной хроматографии эксперимент проводили с применением неподвижных фаз разной полярности - апиезона L, SE 30, карбовакса 20 М. Использовали также стальную капиллярную колонку (22м х 0.22 мкм) со сшитым адамантилсиликоном (толщина пленки- = 0.2 мм). (Капиллярная колонка с адамантилсиликоном любезно предоставлена для исследований профессором В.Г. Березкиным, которому автор выражает глубокую признательность).

Анализ проводили на газовом хроматографе "Галс-ЗИ" с пламенно-ионизационным детектором в изотермическом режиме при температурах от 100 до 200°С с интервалом в 20°. Температура испарителя - от 150 до 250°С соответственно. В качестве газа-носителя применяли азот, деление потока на входе в колонку 1:60. Твердые вещества вводили в хроматограф в виде растворов в этаноле или толуоле. Объем вводимых проб составлял 0.5 мкл. Давление газа-носителя на входе в колонку - 0.06-0.14 МПа.

Индексы удерживания (ИУ) рассчитывали по формуле Ковача. Воспроизводимость ИУ составляла 1-2 ед. индекса. По схемам: 81(К.)=1(Нл+1)-I(Rn) и 5(ДС(Я))=АС(К11+1)-ДС(Кп) определяли вклады алкила (51(11)) и свободной энергии сорбции (8(AG(R)) в удерживание рассмотренных веществ. Факторы полярности Роршнайдера для адамантилсиликоновой неподвижной фазы рассчитаны известным способом и равны х=0.132, у=0.993, z=0.543, б=0.210. Квантовохимические расчеты осуществляли с помощью комплекса

программ HyperChem версии 6. Полученные значения соответствующих параметров представлены в таблице 1.

Расчет топологических индексов Рэндича проводили по формулам:

= 2(50 -,/2

индекс связанности нулевого порядка: , первого порядка: х =

где - разность между числом валентных электронов и количеством атомов водорода, связанных с данным атомом; 1 и j — номера атомов молекулы, формально связанных рассматриваемой связью; 5„ ^ значения 5 для двух атомов связи.

Индекс Винера рассчитывали по формуле

где (1ч - кратчайшее расстояние между вершинами 1 и ^ N - число вершин молекулярного графа.

Третья глава состоит из трех частей и посвящена обсуждению полученных результатов. В первой части приведены данные о закономерностях хроматографического удерживания структурных аналогов некоторых ациклических углеводородов на неподвижных фазах разной полярности. Исследовано хроматографическое удерживание циклических соединений различной химической природы и, в частности, производных адамантана и его аналогов в условиях газо-жидкостной хроматографии на неподвижных фазах разной полярности. Представлены характеристики удерживания, теоретически обоснованы закономерности хроматографического удерживания циклических соединений с позиций метода структурной аналогии. Экспериментальные значения индексов исследованных соединений, усредненные по 7-10 значениям, представлены в таблице 2. Как следует из таблицы, на неполярных неподвижных фазах эти соединения элюируются в порядке укрупнения молекул. Такие закономерности характерны для систем, в которых межмолекулярные взаимодействия между сорбатом и неподвижной фазой обусловлены дисперсионными силами. Величина этих сил определяется поляризуемостью молекул, возрастающей с увеличением размеров последних. Значительный вклад в прирост ИУ вносит циклизация. В частности, на апиезоне L возрастание ИУ при переходе от н-пентана и н-гексана к циклопентану и циклогексану составляет 87 и 96 ед. индекса соответственно, что эквивалентно увеличению молекулы на один атом углерода. Замена циклической структуры на ароматическую (циклогексан - бензол) практически не приводит к изменению удерживания на неполярных

Таблица 1. Электронные и структурные характеристики исследованных циклических соединений

Название У.А3 Е гидрат, Б иониз, 1§Р МК) а, А3 Б, А2

Б ккал\моль эВ А3 /моль

Адамантан 479.06 0 1.974 9.75 2.69 42.20 16.80 201.55

Циклогексан 373.74 0 2.491 9.80 2.38 27.61 11.01 238.78

Циклопентан 334.15 0 2.356 11.01 1.98 23.01 9.18 222.14

Бензол 331.29 0 2.108 9.24 2.05 26.06 10.43 212.92

Нафталин 456.05 0 2.307 8.12 3.05 42.51 17.70 235.35

Антрацен 580.82 0 2.683 7.43 4.05 58.96 24.97 274.47

Пиридин 316.62 1.973 3.920 9.34 0.74 23.90 9.73 198.53

Хинолин 443.62 1.879 3.560 8.62 2.14 39.98 16.99 221.90

Фуран 272.84 0.492 5.859 8.90 0.70 20.47 7.59 190.65

Тиофен 304.07 0.344 2.988 - 1.05 26.91 9.96 203.03

Пиррол 284.56 1.952 6.403 - 0.53 22.72 8.31 194.51

Уротропин 444.00 0 0.471 8.55 1.77 37.00 14.87 223.55

ш

Таблица 2. Индексы удерживания некоторых циклических соединений на неподвижных фазах разной полярности

ВЕЩЕСТВО 1лр£. 1с«г20М 1бе-зо

Бензол 686 979 638

Циклопентан 587 639 572

Циклогексан 696 740 676

Нафталин 1309 1474 1233

Антрацен 1869 - 1804

Пиридин 749 1242 747

Хинолин 1333 1897 1352

Адамантан 1216 1400 1117

Фуран 641 786 611

Тиофен 694 1054 668

Пиррол 698 1516 730

фазах. На полярном карбоваксе ароматическое кольцо вносит значительный вклад в удерживание (239 ед. индекса), по-видимому, ввиду возможного донорно-акцепторного взаимодействия системы я-электронов ароматического кольца с подвижными атомами водорода или неподеленными электронными парами атомов кислорода молекул неподвижной фазы. Добавление еще одного ароматического кольца при переходе от нафталина к антрацену приводит к возрастанию удерживания примерно на 560 ед. индекса. Замена атома углерода на атом азота при переходе от бензола к пиридину увеличивает удерживание на 63 ед. индекса.

Разность ИУ на полярной и неполярной неподвижных фазах составляет около 40-60 ед. индекса для циклоалканов, примерно 200 - 300 ед. для ароматических соединений и почти 500 ед. индекса для ароматических гетероциклов. Для адамантана эта величина равна 184 ед.индекса (таблица 3).

Во второй части главы рассмотрено хроматографическое поведение адамантилсиликоновой неподвижной фазы, представлены характеристики удерживания сорбатов различного строения, в том числе циклических.

Таблица 3. Разности ИУ на полярной и неполярной неподвижных фазах (А1), вклады функциональных групп в ИУ (51) и Ав сорбции (5(АО)) исследованных сорбатов

Вещество 5(ДО) А<Ш Д1 С\У-Ар1, ДЦа-Арь

Циклогексан — — — 45 75 -30

Адамантан - - - 184 295 -111

Бензол — — — 293 299 -6

Толуол - - - 282 297 -14

о-Ксилол — - - 253 268 -7

п-Ксилол - - - 231 244 -13

м-Ксилол — — — 236 246 -10

Нафталин — — — 165 394 -229

Гексанол-1 241 362 -6.94 491 467 121

Гептанол-1 242 359 -6.89 494 470 117

Октан ол-1 243 358 -6.90 498 460 115

Циклопентанол - — - 508 390 115

Циклогексанол 204 239 -4.64 486 472 5

Фенол 401 303 -6.20 — — -118

2-Метилфенол 347 265 -4.88 — - —

З-Метилфенол 379 286 -5.31 — — —

4-Метилфенол 376 284 -5.28 — — —

Пиридин 63 60 -1.20 496 515 -23

Хинолин 175 180 -3.58 564 637 -73

Для характеристики свойств адамантилсиликона было исследовано хроматографическое поведение органических соединений в пределах гомологических рядов н-спиртов, алкилбензолов, кетонов, циклических соединений, величины удерживания которых представлены в таблице 4. В целом величины ИУ этих соединений на адамантилсиликоновой фазе сопоставимы с ИУ на известных неполярных НФ - апиезоне L, SE-30 .

Таблица 4. Характеристики удерживания сорбатов различного строения на адамантилсиликоне

Вещество 120°С 200°С

I ДО, кДж/моль I Ав кДж/моль

Бензол 677 4.82 837 8.88

Толуол 778 2.81 892 8.03

о-Ксилол 916 0.09 990 6.50

п-Ксилол 869 0.83 946 7.19

м-Ксилол 889 0.62 969 6.83

Нафталин — — 1063 5.38

Циклопентанол 898 0.87 1018 6.08

Циклогексанол 913 0.57 916 7.71

Фенол 968 -1.07 1055 5.49

2-Метилфенол 1043 -2.07 1112 4.62

З-Метилфенол 1064 -2.50 1128 4.36

4-Метилфенол 1062 -2.47 1124 4.36

Пиридин 750 3.36 917 7.63

Хинолин — — 1344 1.02

Адамантан 1105 -3.35 1212 3.03

1 -Бромадамантан 1346 -8.28 1464 -0.94

Адамантанол-1 - — 1326 1.49

Пропанол-1 559 7.14 661 9.35

Бутанол-1 661 5.13 722 10.70

2-Метилпропанол-1 640 5.77 774 9.86

2-Метилбутанол-1 741 3.63 837 8.88

Очевидно, что значительный вклад в их удерживание вносят дисперсионные силы, поэтому увеличение размеров молекул сорбата приводит к усилению взаимодействия с неподвижной фазой и росту величин удерживания. Как следует из таблицы 4, переход от гексана к циклогексану

приводит к увеличению ИУ на адамантансиликоне на 60 - 80 ед. индекса (на апиезоне Ь - на 96 ед.), что эквивалентно добавлению одного метиленового звена в гомологическом ряду. Переход от декана к адамантану дает прирост ИУ на 105 ед. индекса, что составляет величину, большую по сравнению с инкрементом метиленового звена. Замена шестичленного цикла на бензольное кольцо не приводит к существенным изменениям в удерживании адамантановой фазой, так же, впрочем, как и апиезоном Ь.

Инкремент СНг - группы (ЗДСНг)) н-спиртов лежит в пределах 90-110 ед. индекса (таблица 5), переход от н-спиртов к спиртам изостроения приводит к понижению индексов удерживания, что согласуется с литературными данными для других соединений и объясняется экранирующим влиянием метальных групп (таблица 4).

Таблица 5. Вклады углеводородных радикалов в ИУ (51) и Дв сорбции

на адамантансиликоне

Вещество Апиезон Ь 51 АсШ

120иС 200иС

51 5(ДО) 51 6(ДС)

Толуол 108 101 2.01 55 0.85

Этилбензол 93 94 1.87 73 1.14

о-Ксилол 137 138 2.72 98 1.53

п-Ксилол 110 111 2.20 54 0.84

м-Ксилол 111 110 2.19 77 1.20

Этанол 83 74 1.48 37 0.61

Пропанол-1 105 82 1.63 - —

Бутанол-1 120 102 2.01 61 -1.35

Пентанол-1 107 102 2.01 80 1.27

Гексанол-1 105 101 2.01 94 1.46

Гептанол-1 101 100 2.00 90 1.40

Октанол-1 101 115 2.30 94 1.46

2-Метилпропанол-1 171 110 2.18 80 1.24

2-Метилбутанол-1 78 108 2.14 63 0.98

Для большинства гомологов бензола 61(СНг) равен примерно 90 ед. индекса - так же, как на апиезоне Ь. Вклад метальных групп зависит при этом от их количества и взаимного расположения в бензольном кольце. При увеличении числа метальных групп молекула алкилбензола остается плоской и, следовательно, может ориентироваться на поверхности сорбента оптимальным для адсорбции образом. Удлинение алкильной цепи приводит к неплоской ориентации молекулы, поэтому удерживание моноалкилбензолов, как правило, меньше удерживания полиалкилбензолов с тем же числом атомов углерода в заместителях.

Вклады функциональных групп в хроматографическое удерживание различны и зависят от природы группы (таблица 3). В отличие от удерживания на апиезоне Ь вклад ОН-группы на адамантансиликоновой НФ оказывается большим для н-спиртов (360 ед. индекса, на апиезоне Ь - 240 ед.), что, по-видимому, связано с образованием водородной связи между ОН-группой-алканолов и силанольными группами НФ. Присутствие адамантанового фрагмента, вероятно, способствует перераспределению электронной плотности в молекулах НФ. Ранее было показано, что 1-адамантильный радикал проявляет сильный индукционный эффект, приводящий к возрастанию эффективного отрицательного заряда на атоме кислорода, связанном с адамантилом. Возможно, этот эффект приводит к упрочению водородной связи гидроксила спиртов с НФ. Вклад гидроксильной группы циклоспиртов уменьшается по сравнению с ациклическими спиртами, очевидно, в результате экранирования ОН-группы объемным радикалом. Подобная картина наблюдается и в случае ароматических соединений - для фенола уменьшается на

адамантилсиликоне до 303 ед. индекса по сравнению с апиезоном Ь - 401 ед. индекса.

Для гомологов фенола вклад ОН-группы определяется ее положением по отношению к алкилу. Для 2-метилфенола 51(ОН) на адамантансиликоне составляет 265 ед. индекса, а для 3- и 4-метилфенола -285. Для апиезона эти значения равны 347 и 377 ед. инд.(таблица 3). Для оценки селективности исследуемого адамантилсиликона были определены факторы разделения изомерных ксилолов, н-алканов и изомеров 1-метил-1,2-дициклопропилциклопропана (МЦЦП), значения которых равны 1,1; 2 и 1,1 соответственно. Сопоставление полученных значений с литературными данными позволяет сделать вывод о достаточно высокой селективности адамантилсиликона.

В третьей части приведены данные о топологическом исследовании циклических соединений, структурных аналогов адамантана. Показано изменение индексов Рэндича и Винера при усложнении структуры циклических соединений при переходе от циклоалканов к цикланам и аренам,

влияние введения гетероатома в цикл. Исследованы корреляции между топологическими и физико-химическими характеристиками.

Рассчитанные значения индексов связанности (ИС) исследованных соединений представлены в таблице 6. В целом изменение ИС носит вполне закономерный характер при переходе от моноциклических к полициклическим, к ароматическим и далее гетероциклическим соединениям. Для производных адамантана, содержащих в адамантановом ядре гетероатомы, принадлежащие к одной группе периодической Системы Менделеева (адамантан, силаадамантан, гермаадамантан), а также для пятичленных гетероциклов (фуран, тиофен) ИС всех порядков оказываются вырожденными. Переход к аналогам, с гетероатомами из других групп периодической Системы приводит к понижению значений ИС всех порядков как для цикланов, так и для ароматических гетероциклов. Закономерности изменения ИС для рассмотренных структурных аналогов хорошо иллюстрирует рис.2.

Таблица 6. Топологические индексы исследованных соединений

Вещества °Х \ X 4х 4х

Адамантан 6,552 4,899 4,878 4,000 3,983 3,334 93,00

Уротропин 6,031 3,795 3,532 2,400 2,234 1,550 82,84

Циклогексан 4,243 3,000 2,122 1,500 1,061 0,750 27,00

Бензол 3,464 2,000 1,155 0,657 0,385 0,222 17,82

Пиридин 3,334 1,850 1,025 0,566 0,312 0,172 16,90

Нафталин 5,619 3,405 2,347 1,515 1,136 0,760 71,94

Хинолин 5,488 3,265 2,218 1,458 1,024 0,671 69,58

Антрацен 7,77 4,853 3,546 2,785 1,880 1,029 184,14

Циклопентан 3,536 2,500 1,768 1,250 0,884 0,625 15,00

Фуран 2,718 1,471 0,793 0,425 0,227 0,123 9,28

Тиофен 2,718 1,471 0,793 0,425 0,227 0,123 7,99

Пиррол 2,809 1,577 0,885 0,496 0,278 0,156 9,59

Наибольшей дискриминирующей способностью по отношению к изученным веществам обладают индексы связанности меньших порядков (°Х»'Х)- В то же время для отдельных представителей данной таксономической группы эта способность оказывается значительной и для ИС более высоких порядков. Значения для соединений, включающих несколько

конденсированных колец, оказываются большими по сравнению с

низкомолекулярными соединениями. Так, при переходе от циклогексана и бензола к нафталину, адамантану и антрацену значения изменяются от 3-4 ед. инд. до 5, 6 и затем 8 единиц. При этом значения изменяются в меньшей степени и составляют, например, для циклогексана и бензола 3 и 2 ед. индекса, для адамантана и антрацена 4,9 и 4,8 ед. индекса соответственно. Переход от бензола к пиридину, от нафталина к хинолину приводит к примерно одинаковому изменению величин индексов связанности как малых, так и больших порядков.

Рис.2. Закономерность изменения индексов связанности разных порядков для структурных аналогов адамантана (1-адамантан, 2-уротропин, 3-циклогексан, 4-бензол, 5-пиридин, 6-нафталин, 7-хинолин, 8-антрацен, 9-нцклопентан , 10-фуран , 11-тиофен, 12-пиррол, 13-тиаадамантан, 14-гермаадамантан, 15-силаадамантан )

Изменение индекса Винера (ИВ) для структурных аналогов имеет несколько иной характер. Прежде всего, снимается вырождение индекса для аналогов с гетероатомами и симбатность корреляции с молекулярной массой. По опубликованной в литературе классификации топологических индексов ИВ и ИС отнесены к одному классу, то есть предполагается, что они выражают по существу одну и ту же информацию о структуре. Подтверждением структурной однородности индексов может служить высокая степень корреляции, существующая по определению между ними. На наш взгляд, это утверждение верно лишь для ИС малых порядков нулевого и, отчасти, первого, для которых действительно существует удовлетворительная корреляция с

200 180 160 140 120 3 100

I в о

I 1 1

| 1

I

I I

I | о 3 13

! 1

1 1» *

к

в" 1 Л

200 190 160 140 120 5 100

ВО 60 40

в о

!

I

I 2 13 о

¡5 \

5* 3 о I 14

Г I I !

2

X»

а) б)

Рис.3. Корреляция между индексами связанности и индексом Винера (нумерация веществ в соответствии с подписью к рис. 2):

а) индекс связанности нулевого порядка;

б) индекс связанности пятого порядка.

индексом Винера (рис.3 а, из которого, кстати, хорошо видно вырождение ИС для указанных соединений и отсутствие такового для ИВ). Для ИС более высоких порядков (начиная со второго), линейная корреляция между индексами отсутствует, что свидетельствует о различии в предоставляемой этими индексами информации (рис.3 б).

Четвертая глава посвящена развитию методов идентификации компонентов сложных смесей на основании хроматографических спектров с использованием в качестве неподвижной фазы адамантилсиликона.

Известно, что характер взаимодействия в системе сорбат - сорбент определяется строением молекул как сорбата, так и неподвижной фазы. При этом очевидно, что чем более полно будет учтен характер взаимодействия в такой системе, тем выше будет достоверность полученной информации о составе смеси и строении взаимодействующих молекул. С этой точки зрения наиболее перспективной для разработки системы идентификации является концепция хроматографического спектра. В литературе описано применение таких спектров для идентификации некоторых классов органических соединений с указанием границ их применимости, связанных со значительным разбросом значений В то же время показано, что для получения хроматографических спектров с постоянным значением Л! необходим правильный выбор неподвижных фаз.

Таблица 7. Диапазон изменений Д1ц1 некоторых групп органических соединений на неподвижных фазах разных полярности

Неподвижные фазы ОУ-2Ю ГФЭ ХР-1150 Гипроз БР-80 Адамантил-силикон

Группы сорбатов

Ароматические углеводороды 90-140 130-155 270-300 285-320 -6-(-14)

Алкилфенолы - 185 -215 - - -118-(-98)

н-Алканолы -1 180-240 175-210 475-510 690 - 730 111-154

изо-Алканолы -1 170-230 170 - 205 430 - 490 620 - 700 -20-17

Алканоны - 2 345 - 360 190-210 455-480 450 - 490 -50-(-64)

Для разработки методик идентификации нами был выбран вариант хроматографического спектра, позволяющий дифференцировать различные группы сорбатов путем сопоставления значений для разных групп

неподвижных фаз. При этом каждой группе сорбатов соответствует некоторое постоянное значение являющееся характеристикой групповой

принадлежности сорбатов. В развитие разработанной ранее системы для построения хроматографических спектров нами была применена исследованная адамантилсиликоновая фаза. Значения Д1 для использованных ранее и адамантилсиликоновой неподвижных фаз представлены в таблице 7. Как следует из таблицы, значения Д1 для адамантилсиликона оказываются практически постоянными и значительно отличающимися от исследованных сорбатов для других неподвижных фаз. Полученные закономерности использованы для анализа некоторых кетонов адамантанового ряда, являющихся промежуточными продуктами синтеза лекарственных препаратов на основе адамантана. Так, в частности, с использованием полученных спектров и корреляции величин удерживания с температурами кипения был идентифицирован 1 -(1 -адамантил)карбокси-2-карбометокси-1 -метокси-4-( 1 -адамантил)-1-бутен-3-он.

ВЫВОДЫ

1. Исследовано хроматографическое поведение некоторых циклических органических соединений и, в частности, производных адамантана и его аналогов в качестве сорбатов и сорбентов в условиях газо-жидкостной хроматографии.

2. Показано влияние размеров, природы цикла и наличия гетероатома на хроматографическое удерживание циклических соединений.Исследована взаимосвязь электронного строения молекул циклических органических соединений различного строения с их физико-химическими свойствами и хроматографическим удерживанием.

3. Изучены хроматографические свойства неподвижной фазы на основе адамантилсисликона. Показано, что исследованная фаза обладает высокой селективностью по отношению к изомерам углеводородов различного строения.

4. Впервые с применением метода структурной аналогии исследованы соотношения, связывающие сорбционные характеристики циклических соединений различной природы с их электронными, топологическими и другими физико-химическими параметрами. Получены уравнения, описывающие эти зависимости. Исследованы их прогностические возможности при расчете величин хроматографического удерживания и некоторых физико-химических характеристик.

5. Определены оптимальные условия хроматографического разделения и идентификации структурных аналогов органических веществ в сложных смесях на примере функциональных производных адамантана.

6. Развиты методы идентификации органических соединений на базе хроматографических спектров с использованием впервые исследованной адамантансиликоновой неподвижной фазы.

Список публикаций

1. Курбатова СВ., Финкелыптейн Е.Е., Колосова Е.А., Рашкин СВ., Карташев А.В. Метод структурной аналогии в исследовании адамантана и его производных // Журн. структ. химии. 2003. Т. 44. № 6. С. 1172-1179.

2. Курбатова СВ., Финкельштейн Е.Е., Колосова Е.А., Яшкин СН. Топология алкилпроизводных адамантана // Журн. структ. химии. 2003. Т. 44. № 6. С. 1166-1171.

3. Курбатова СВ., Финкельштейн Е.Е.., Колосова Е.А. Исследование биологической активности структурных аналогов адамантана // Вестник СамГУ. Самара. 2002. № 4. С.121-128.

4. Курбатова СВ., Финкельштейн Е.Е., Колосова Е.А., Моисеев И.К. Хроматографическая идентификация промежуточных продуктов синтеза некоторых кетонов адамантанового ряда // Вестник СамГУ. Самара. 2002. № 4.С129-136.

5. Курбатова СВ., Финкельштейн Е.Е., Колосова Е.А., Соловова Н.В., Яшкин СН. Топология полиэдрических молекул на примере производных адамантана // Вестник СамГУ. Самара. 2001. № 2. С178-188.

6. Курбатова СВ., Соловова Н.В., Финкельштейн Е.Е., Гарькин В.П. Применение компьютерно-хроматографической системы при решении проблемы "структура - свойство" // Вестник СамГУ. Самара. 2001. № 2. С.189-194.

7. Курбатова СВ., Финкельштейн Е.Е., Колосова Е.А., Земцова М.Н.,Соловова Н.В. Исследование хроматографического поведения кислородсодержащих производных адамантана// Вестник СамГУ. Самара. 2000. №4. С 167-172.

8. Finkelstein E.E., Kurbatova C.V., Kolosova E.A. The chromatographical of biological activity of the abamantane structural analogue // 3 Int. Symposium on Separation in BioSciencies SBS. Moscow. 2003. P. 298.

9. Kurbatova C.V., Berezkin V.G., Finkelstein E.E., Kolosova E.A., Korolev A.A. Regularities of the chromatographic retention of the adamantane structural analogues // 3 Int. Symposium on Separation in BioSciencies SBS. Moscow. 2003. P. 297.

Ю.Курбатова СВ., Березкин В.Г., Финкельштейн Е.Е., Колосова Е.А., Королев А.А. Исследование хроматографических характеристик

силиконадамантановой фазы // Тез. докл. XVII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Казань. 2003. Т.4. С 556.

И.Курбатова СВ., Жукова В.В., Ивахник В.В., Финкелыптейн Е.Е., Колосова Е.А. Влияние адамантана на структуру липидных мембран // Тез. докл. XVII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Казань. 2003. Т.З. С 168.

12.Финкельштейн Е.Е., Курбатова СВ., Колосова Е.А. Термодинамические аспекты хроматографического удерживания структурных аналогов адамантана // Тез. докл. Всеросийского симпозиума "Современные проблемы хроматографии". Москва. 2002. С. 72.

13.Варфоломеева В.В., Курбатова СВ., Коныгин СБ., Истинова О.Г., Финкелъштейн Е.Е. Применение вероятностного клеточного автомата при моделировании процессов адсорбции // Тез. докл. IX Международной конференции "Математика. Компьютер. Образование". Дубна. 2002. Вып.9. С.35.

Н.Финкельштейн Е.Е., Курбатова СВ., Колосова Е.А Физико-химические закономерности хроматографического удерживания структурных аналогов адамантана // Тез. докл. IX Всероссийской конференции по газовой хроматографии. Самара. 2002. С 18.

15.Финкелыытейн Е.Е., Курбатова СВ., Варфоломеева В.В. Разработка алгоритма моделирования хроматографических процессов методом вероятностного клеточного автомата // Тез. докл. IX Всероссийской конференции по газовой хроматографии. Самара. 2002. С 51.

16.Финкелыптейн Е.Е., Яшкин С.Н., Курбатова СВ., Петрова Е.И. Использование сорбционных корреляций для бесстандартной идентификации компонентов эфирного масла монарды дудчатой // Тез. докл. IX Международной конференции по теоретическим вопросам адсорбции и адсорбционной хроматографии "Современное состояние и перспективы развития теории адсорбции". Москва. 2001. С 166.

П.Курбатова СВ., Финкелыптейн Е.Е., Колосова Е.А Физико-химические закономерности хроматографического удерживания структурных аналогов адамантана // Труды IX Международной конференции по теоретическим вопросам адсорбции и адсорбционной хроматографии "Современное состояние и перспективы развития теории адсорбции". Москва. 2001. С. 358364.

18.Варфоломеева В.В., Курбатова СВ., Саноян А.Г., Финкелыптейн Е.Е., Коныгин СБ. Моделирования процессов адсорбции мотодом вероятностного клеточного автомата // Тез. докл. Второй Всероссийский Симпозиум по прикладной и промышленной мактематике М: Науч.изд. ТВП.2001.Т.8.№2.С553.

19.Соловова Н.В., Финкельштейн Е.Е., Гарькин В.П., Курбатова СВ. Разработка физико-химических основ компьютерного прогнозирования биологической активности // Тез. докл. Всеросийской конференции "Химический анализ веществ и материалов". Москва.. 2000. С. 53.

20.Финкелыптейн Е.Е., Яшкин С.Н., Куркин В.А., Курбатова СВ. Анализ компонентов экстракта мелиссы (MELISSA OFFICINALIS L.) методом ВЭЖХ // Тез. докл. Всероссийской конференции "Химический анализ веществ и материалов". Москва. 2000. С. 85.

21.Финкельштейн Е.Е., Соловова Н.В. Исследование хроматографического поведения производных имидазола методом ТСХ // Тез. докл. Молодежной научной школы по органич. химии. Екатеринбург. 2000. С. 59.

22. Курбатова СВ., Финкельштейн Е.Е., КузенковаО.Л.Рефрактометрическое исследование некоторых биологически активных веществ // Тез. докл. Международного семинара "Нелинейное моделирование и управление". Самара. 1998. С. 80-81.

Подписано в печать 16.12.03г.

Форм. лист. 60x84/16. Бумага офсетная.Печать оперативная. Объем 1 печл. Тираж 100 экз.

Заказ № /¿>44 _

443011, г.Самара, ул.Акад.Павлова, 1 Отпечатано УОП СамГУ

РНБ Русский фонд

2004-4 22113