Содержание к диссертации
Введение
II. Литературный обзор 8
1. Мономолекулярные реакции нечетноэлектронных катионов 8
1.1. Реакция Гофмана-Лёфлера-Фрейтага 8
1.2. Перегруппировка Ньюмена-Куорта 9
1.3. Циклизация производных пиридина 11
1.4. Изомеризация илидов пиридина и изохинолина 12
1.5.Трет-амино-эффект 13
1.6. Производные фенилциклопропана 14
1.7. Перегруппировка Вольфа 18
1.8. Реакции диазосоединений 19
1.9. Перициклические реакции 22
1.9.1. Перегруппировка Кляйзена 23
1.9.2. Перегруппировка Коупа 24
1.9.3. Реакция ретро-Дильса-Альдера 25
2. Мономолекулярные реакции четноэлектронных катионов 27
2.1. "Неклассические" ионы 27
2.2. Спиро[2,5]октадиенил катион 28
2.3. Перегруппировка Вагнера-Меервейна 29
2.4. Пинаколиновая перегруппировка 30
2.5. Изомеризация протонированных альдегидов и кетонов 31
2.6. Синтез индолов по Фишеру 31
2.7. Перегруппировка Кляйзена 32
2.8. Перегруппировка амино-Кляйзена 34
2.9. Перегруппировка Бекмана 34
2.10. Циклизация 1,4-дикарбонильных соединений. Образование фуранов 35
2.11. Циклизация opwo-замещенных то ланов 36
3. Мономолекулярные реакции четноэлектронных анионов 37
3.1. Конденсация Дикмана 38
3.2. Перегруппировка Виттига 39
3.3. Перегруппировка тио-Виттига 40
3.4. Перегруппировка Вольфа 41
3.5. Перегруппировка Лоссена 42
3.6. Пинаколиновая перегруппировка 43
3.7. Перегруппировка Бекмана 44
3.8. Перегруппировка Тимана 46
3.9. Перегруппировка Пэйна и родственные системы 47
3.10. Перегруппировка Смайлса 48
3.11. Перегруппировка Фаворского 49
3.12. Ацилоиновая перегруппировка 50
3.13. Бензильная перегруппировка 51
3.14. Перегруппировка ацилоксиацетатов в ацилгидроксиацетаты 51
3.15. Генерирование спиро[2,5]октадиенил аниона 51
3.16. Перегруппировка Стивенса 52
3.17.1,3-Анионные перегруппировки 53
3.18. Перегруппровка окси-Коупа 54
3.19. Перегруппировка Кляйзена 55
3.20. Перегруппировка Бэйкера-Венкатарамана 56
3.21. Перегруппировка изокамфанона в камфору 57
3.22. Циклизация 2-диазо-2-цианоацетамидов 58
3.23. Реакции элиминирования 59
III. Обсуждение результатов 62
1. "Трет-амино-эффект" 62
2. Циклизация ЫД^-диалкилдитиокарбамат- и алкилксантогенат-производных полигалогенпиридинов в газовой фазе и растворе 74
3. Циклизация депротонированных К-арил-2~диазо-2-цианоацетамидов в газовой фазе 82
4. Циклизация замещенных К-(орто-циклопропилфенил)ариламидов в условиях химической ионизации и химической ионизации при атмосферном давлении 90
5. Циклизация 7У-(орто-циклопропилфенил)-7^-арил мочевин и тиомочевин в газовой фазе и растворе 102
IV. Экспериментальная часть 123
1. Соединения 123
2. Приборная часть 125
3. Квантово-химические расчеты 127
Выводы 129
Приложение 131
Список литературы
- Циклизация производных пиридина
- Циклизация 1,4-дикарбонильных соединений. Образование фуранов
- Перегруппировка ацилоксиацетатов в ацилгидроксиацетаты
- Циклизация депротонированных К-арил-2~диазо-2-цианоацетамидов в газовой фазе
Введение к работе
Исследование механизмов химических реакций является одной из важнейших задач химии. Подавляющее большинство реакций в органической химии проводится в растворе, где существенное влияние на механизм их протекания оказывают природа растворителя, температура, присутствие примесей и т.д. Варьирование одного из параметров может привести к значительному изменению в реакционной способности системы или полному изменению направления протекания реакции. Моделирование процессов в газовой фазе масс-спектрометра позволяет проводить исследования в отсутствие эффектов растворителя, противоинов, межмолекулярных взаимодействий и, следовательно, дает возможность определить "истинное" поведение системы. Более того, сопоставление данных газофазных экспериментов и химии растворов позволяет определить роль этих эффектов и подобрать оптимальные условия для реализации необходимого процесса.
Масс-спектрометрия является идеальным методом генерирования и изучения полностью изолированных или частично еольватированных ионов и, таким образом, занимает промежуточное место в физической органической химии между экспериментальной химией в растворе и теоретическими расчетами [1].
Роль масс-спектрометрии в наши дни трудно переоценить. Решение многих задач в химии, биологии, геологии, космохимии, химической экологии без масс-спектрометрии сейчас просто невозможно. Присуждение в 2002 году Нобелевской премии по химии Джону Фену и Кончи Танаке за создание новых методов ионизации (Электроспрей и МАЛДИ соответственно) является еще одним доказательством признания важности этого метода в современной науке.
Традиционно органическая масс-спектрометрия используется для решения двух основных задач: идентификации веществ и изучения фрагментации ионизированных молекул органических соединений в газовой фазе ионного источника масс-спектрометра. Однако развитие масс-спектрометрической техники позволило существенно расширить круг решаемых проблем. Так, изучение кислотно-основных равновесий в газовой фазе с помощью масс-спектрометрии высокого давления и ионного циклотронного резонанса позволило получить значения газофазной кислотности и основности для широкого круга химических
соединений. Масс-спектрометрия активно используется для получения и последующего изучения необычных заряженных и нейтральных частиц, образование которых в растворе является трудновыполнимой задачей [2]. Существуют примеры, когда газофазные эксперименты значительно опережали химию в растворе. Так, достаточно вспомнить открытие неклассических карбониевых ионов, образование которых впервые в газовой фазе ионного источника масс-спектрометра было продемонстрировано В.Л.Тальрозе в 1952 году [3]. Только спустя 20 лет после этого в 1972 г Дж. Ола показал возможность образования аналогичных ионов в растворе [4].
Еще одним направлением в современной масс-спектрометрии является поиск аналогий между процессами, протекающими в газовой фазе ионного источника масс-спектрометра и химией в растворе. Первые данные о таких аналогиях известны с 60-х годов XX века и касались идентичности состава продуктов трансформации органических соединений в масс-спектрометре, а также в условиях термолиза и фотолиза [5]. Позже было отмечено, что различного рода перегруппировки, имеющие место при фотолизе и термолизе, протекают в ионах, образующихся в ионном источнике масс-спектрометра. Таким образом, по мере накопления данных о таких процессах, а также развития масс-спектрометрической техники, в 80-х годах прошлого века в масс-спектрометрии сформировалось направление, которое занимается поиском и изучением аналогий протекания химических реакций в растворе и ионном источнике масс-спектрометра. К настоящему времени в газовой фазе с помощью масс-спектрометрии изучен представительный ряд известных органических реакций [6-9], Для большинства таких газофазных процессов прослеживается полная корреляция с реакциями в конденсированной фазе. Поэтому были предприняты обратные попытки, в которых газофазные исследования предшествовали экспериментам в растворе и использовались для прогнозирования протекания последних. Так, даже с помощью классического метода ионизации электронами (ИЭ) могут быть получены частицы, образующиеся в качестве интермедиатов при протекании определенных реакций в растворе. В общем случае с помощью ИЭ возможно изучать реакции термолиза, фотолиза и в некоторой степени реакции, катализируемые кислотами. С помощью богатого арсенала методов, доступных современной масс-спектрометрии, могут
быть получены четноэлектронные положительно и отрицательно заряженные ионы. Аналогичные частицы образуются в растворе в условиях кислотного и основного катализа соответственно. Привлечение масс-спектрометрии высокого разрешения (МСВР), тандемной масс-спектрометрии (МС/МС), а также изотопно-меченых аналогов позволяет надежно проследить направления превращения исходных и структуру образующихся ионов. Необходимо подчеркнуть, что в случае классической масс-спектрометрии речь идет о мономолекулярных реакциях, таких как изомеризация, различного рода перегруппировочные процессы, реакции элиминирования, циклизации, раскрытия цикла. Однако использование таких вариантов масс-спектрометрии как ионный циклотронный резонанс (ИЦР), протока после разряда позволяет изучать и бимолекулярные реакции.
Активное использование квантово-химических расчетов продемонстрировало свою значимость в интерпретации многих газофазных процессов. Так, теоретические расчеты оказываются незаменимыми, когда необходимо сделать выбор между несколькими возможными изомерами, определить их относительную стабильность, рассчитать сродство к протону отдельных положений в молекуле и т.д. Доступность, а также сравнительная легкость их проведения, привели к тому, что квантово-химические расчеты все чаще используются масс-спектрометристами [10].
Настоящая работа посвящена изучению мономолекулярных реакций нескольких типов органических соединений, протекающих в ионном источнике масс-спектрометра. Аналогичные процессы для этих соединений, как было показано, имеют место в растворе в условиях кислотного и основного катализа, а также при нагревании. Так, была изучена внутримолекулярная циклизация замещенных N-(ор г -циклопропилфенил)-ариламидов, 7У-(ср/яо-циклопропил-фенил)-Лг-фенил мочевин и тиомочевин, #-арил-2-диазо-2-цианоацетамидов, а также замещенных 2-винил-Л -диалкиланилинов. Кроме того, в условиях электронной ионизации исследована трансформация полигалогенпиридинов, содержащих N,N-диалкилдитиокарбаматные и алкилксантогенатные группы. Во всех случаях проведено сравнение направления и выходов изомерных продуктов в газовой фазе и растворе.
II. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
За последние несколько лет в печати появилось несколько фундаментальных обзоров, посвященных масс-спектрометрическому изучению химии органических ионов в газовой фазе [11-13]. Кроме того, за прошедшие шесть лет Королевским химическим обществом Великобритании в разделе органической химии было опубликовано шесть отчетов о достижениях газофазной органической химии ионов, где масс-спектрометрии отводится основная роль в изучении таких процессов [14-19]. Все это демонстрирует неослабевающий интерес мирового научного сообщества к данной области исследований,
Циклизация производных пиридина
Производные полигалогенпиридинов, содержащие К,М-диалкилдитиокарбамат-ную (3), алкилксантогенатную (4) и алкилтритиокарбонатную (5) группу в положении 2 или 4 пиридинового кольца, в растворе в мягких условиях подвергаются внутримолекулярной циклизации. Эта реакция является удобным методом синтеза аннелированных к пиридиновому ядру серосодержащих гетероциклов 6-8 соответственно [28,29].
Схема 5 При изучении производных пиридинов 3-5 в условиях ИЭ было отмечено образование ионов, структура которых аналогична продуктам их внутримолекулярной циклизации 6-8 в растворе. Ключевым моментом образования таких ионов в условиях масс-спектрометрического эксперимента является атака атомом серы ор/яо-положения пиридинового кольца с отщеплением галоген-радикала. Эффективность такого процесса зависит от природы уходящей группы, присутствия электроноакцепторных групп в пиридиновом кольце, а также природы группы G. [30]. Стоит отметить, что в условиях электронной ионизации эти группы уходят в качестве радикалов, что принципиально отличается от реакции в растворе, где уходящими частицами являются анионы. Вследствие этого циклизация в растворе наблюдается только для хлорпроизводных. Электроноакцепторные группы в пиридиновом кольце делают циклизацию еще более предпочтительным процессом как в растворе, так и газовой фазе, что полностью согласуется с общими представлениями о нуклеофильном замещении в ароматическом кольце. 1.4. Изомеризация илндов пиридина и изохинолина
В работе [31] было проведено изучение циклизация ряда илидов типа 9-11 в гетероциклические системы. Циклизация соединения 9 в растворе протекает через образование нестабильного имидазолинового интермедиата 12, который в результате окисления атмосферным кислородом подвергается последующему дегидрогенированию в соответствующий имидазол 13 .
Однако родственные илиды 10-11 в данных условиях не циклизуются. Исследование поведения данных соединений в газовой фазе в условиях электронной ионизации продемонстрировало протекание процессов, имеющих место для соединения 9 в растворе. Так, масс-спектры илидов 9 и 10 характеризуются интенсивным пиком иона [М-2]+", что само по себе является нетипичным для электронной ионизации. Поэтому присутствие интенсивного пика иона [М-2]+# предполагает протекание перегруппировочных процессов, сопровождающихся элиминированием двух атомов водорода и образованием стабильного, возможно, ароматического, катион-радикала. В случае соединения 9 потеря 2 Д из молекулярного иона может быть вызвана атакой положения 1 изохинолина атомом азота и последующей потерей двух атомов водорода из циклической структуры 12. Это приводит к ее ароматизации и образованию иона, аналогичного продукту циклизации соединения 9 в растворе. Схожесть МС/МС спектров, зарегистрированных для М # соединения 13 и иона [М-2Н]+ соединения 9, доказывает идентичность образующихся структур и протекание циклизации в условиях ИЭ. Молекулярные ионы соединений 10,11 претерпевают аналогичную перегруппировку в условиях электронной ионизации, но не в растворе. По всей SCH3 видимости, циклизация этих соединений в растворе может быть достигнута при использовании более сильного окислительного агента, например HgO, который был использован для циклизации структурно схожих илидов [32].
Циклизация ортозамещенных КК-диалкиланилинов по "трет-амино-эффекту" известна для большой группы ор/иозаместителей и может протекать через [1,5] (I) или [1,6] (II) водородный сдвиг с последующей гетероциклизацией. Возможен и альтернативный механизм, реализующийся в результате прямой атаки ненасыщенного орто-заместителя третичным атомом азота (III) [33].
Трет-амино-эффект был впервые отмечен и затем детально изучен в реакции внутримолекулярной циклизации НМ-диалкил-о-нитроанилинов. В зависимости от условий, могут образовываться два вида продуктов: 1,2-дизамещенные бензимидазолы и их N-оксиды [33]. При изучении фрагментации !, ї-диалкил-0-нитроанилинов в условиях электронной ионизации оказалось, что молекулярные ионы этих соединений претерпевают аналогичный процесс изомеризации, т.е. для них также характерен "трет-амино-эффект". В свою очередь, протекание этих процессов обусловлено взаимодействием заместителей, находящихся в орто-положении друг к другу и известно в масс-спектрометрии как "ор/яо-эффект".
Соотношение циклических изомеров зависит от природы заместителя в бензольном кольце. Количественным критерием образования пяти- (17) и шестичленных (18) гетероциклов из соединений 16 в условиях электронной ионизации является относительная интенсивность в масс-спектрах пиков ионов [М-СгКЦ] и [М-СНз]+ соответственно. Сравнение экспериментальных выходов гетероциклов в реакции с участием серной кислоты после достижения системой термодинамического равновесия с вычисленными на основании масс-спектров продемонстрировало, что соотношения изомерных гетероциклов, предсказанные по масс-спектрам, отличались не более, чем на 2-5% от выхода соответствующих соединений в растворе. Принимая во внимание длительность достижения термодинамического равновесия этой циклизации в растворе (2-3 месяца), следует признать, что экспрессные масс-спектрометрические данные могут быть весьма полезны [42].
Циклизация 1,4-дикарбонильных соединений. Образование фуранов
В работе [107] описано образование фуранов в ионном источнике масс-спектрометра в условиях химической ионизации 154-дикетонов. Так, протонирование 2,5-гексадиона в газовой фазе приводит к появлению в спектре ионов [МН-НгО] , соответствующих структуре протонированного 2,5-диметилфурана (Схема 37). Эта реакция является аналогом хорошо известного в органической химии метода Пааля-Кнорра, используемого для синтеза таких гетероциклическим систем [108].
В отличие от реакции в растворе, использование в газофазном процессе в качестве реагента NH4+ ионов не приводит к образованию пиррола. В основном идет образование кластерных ионов, соответствующих протонированным димерным и тримерным комплексам дикетона с аммиаком [107].
Протонирование ортиозамещенных толанов 36, 37 в растворе (AcOH/H2S04) приводит к образованию 2-арилзамещенных бензофуранов (38) и бензотиофенов (39) с высокими выходами. Эта реакция протекает в несколько стадий, первой из которых является протонирование атома углерода тройной связи (ион N), Последующая нуклеофильная атака неподеленной парой гетероатома (X=0,S) винил-катиона и деметилирование оксониевого (сульфониевого) иона О приводит к гетероциклам 38 и 39 соответственно (Схема 38). Аналогичная циклизация имеет место и при протонировании 36 и 37 в газовой фазе в условиях ХИ. Так, использование сильной кислоты [Н3]+ (газ-реагент-водород) приводит к появлению в масс-спектрах соединений 36 и 37 ионов с m/z 224 и 240 соответственно. Проведение такого же эксперимента для ХСОз-меченного аналога 37 демонстрирует выброс метил-радикала в результате разрыва связи Х-СН3 (X-CD3) в исходном МН+. Более того, сигналы ионов с m/z 224 и 240 отсутствуют в масс-спектрах ХИ шра-замещенных толанов, что доказывает участие в этом процессе двух групп, находящихся в op/no-положении друг к другу ("ор/ио-эффект").
В настоящее время масс-спектрометрия располагает богатым арсеналом методов генерирования четноэлектронных анионов. В большинстве случаев образующиеся анионы представляют собой депротонированные молекулы или ионы, генерируемые в результате реакций нуклеофильного замещения или присоединения анионов газа-реагента к молекулам исследуемого соединения [110]. "Мягкие" методы ионизации (ХИОИ, ББА, электроспрей, ХИАД, МАЛДИ и т.д.) приводят к образованию четноэлектронных анионов с невысокой внутренней энергией. Такие ионы достаточно стабильны и не подвергаются фрагментации, что затрудняет получение структурной информации. Первоначально использование четноэлектронных анионов ограничивалось определением молекулярной массы исследуемых соединений. Применение тандемной масс-спектрометрии позволило изучать их фрагментацию и использовать в качестве мощного аналитического метода в структурных исследованиях как органических соединений [111], так и биополимеров [112]. Анионы могут быть получены не только в ионном источнике масс-спектрометра, но и в камере соударений тандемного масс-спектрометра с помощью таких методов, как инверсия заряда ( ПЗ") [113] и нейтрализация реионизация СНР и HF ) [114], которые играют важную роль в структурных исследованиях ионов и нейтральных частиц.
В данном разделе рассмотрены мономолекулярные реакции [М-Н] ионов, протекающие в газовой фазе и имеющие аналогии с химией растворов. Наиболее значимый вклад в это направление сделан в лаборатории профессора Дж. Бови (Университет Аделаиды, Австралия) [8,9].
Конденсация Дикмана является первой анионной мономолекулярной реакцией, протекание которой было отмечено в газовой фазе в условиях масс-спектрометрии отрицательных ионов [115,116]. Масс-спектры химической ионизации отрицательных ионов диалкиловых эфиров дикарбоновых кислот ROOC(CH2)nCOOR (n = 4, 5) и их D-меченых аналогов характеризуются максимальным пиком, который соответствует потере ROH из [М-Н] ионов. Для диметилглутарата такой процесс не наблюдается. Сравнение спектров ДИС и спектров инверсии заряда ( ИЗ+) ионов [M-H,-ROH] диалкиловых эфиров адипиновой (п = 4) и пимелиновой (n = 5) кислот со спектрами ДИС и ИЗ ионов [М-Н] , полученных из соответствующих продуктов конденсации Дикмана, демонстрирует их полную идентичность и доказывает протекание циклизации в условиях газофазного эксперимента [115,117]. Процесс циклизации, который типичен для адипатов и пимелатов, не протекает в случае глутаратов (напряженный циклобутановый фрагмент не образуется), что имеет прямую аналогию с химией в растворе .
Перегруппировка Виттига - одна из наиболее известных карбанионных перегруппировок. Тем не менее ее механизм уже долгое время остается предметом для дискуссий. Изучение этой реакции было проведено и в газовой фазе ионного источника масс-спектрометра. [118-125].
Прегруппировка Виттига характерна для бензиновых и аллиловых простых эфиров и протекает только при возможности отрыва протона от а-атома углерода. Последующая миграция радикала (или аниона) приводит к образованию алкоксид аниона.
Долгое время считалось, что 1,2-перегруппировка Виттига протекает через радикал-парный механизм диссоциации-рекомбинации, т.к. согласованный механизм формально запрещен правилом Вудворда-Гофмана. Еще одним критерием в пользу ступенчатого механизма считалась способность к миграции радикала R2, которая коррелировала с термодинамической стабильностью свободных радикалов (трет-Ви гізо-Pr Et Me) [126].
Однако известно, что правило Вудварда-Гофмана может нарушаться для экзотермических реакций, а рацемизация R2 в процессе миграции не всегда наблюдается [127]. Эти факты указывают на возможность реализации реакции по согласованному механизму.
Перегруппировка ацилоксиацетатов в ацилгидроксиацетаты
Превращение ацилоксиацетатов в ацилгидроксиацетаты протекает в растворе в условиях основного катализа. Ключевой стадией является образование оксиранового интермедиата (Схема 60) [150]. Аналогичная перегруппировка количественно реализуется в условиях химической ионизации отрицательных ионов при активации соударением.
Спустя более чем десятилетие после того, как было доказано существование спиро[2,5] октадиенил катиона (G) в газовой фазе, была сделана попытка генерирования его отрицательно заряженного аналога Н. Было высказано предположение о возможности образования такого иона в растворе в качестве интермедиата при 1,2-арильном сдвиге, который характерен для таких систем, однако вследствие короткой жизни данный анион не удалось детектировать ни с помощью ЯМР, ни с помощью "ловушек" через специфические реакции. Тем не менее существование в растворе более стабильного 1,1,2,2-тетраметил-6-фенилспиро[2э5]октадиенил аниона (I) было продемонстрировано [152].
Генерирование спиро[2,5]октадиенил аниона в газовой фазе в условиях ХИОИ было осуществлено при взаимодействии иона ОН" с этиловым эфиром 3-фенилпропановой кислоты. Депротонирование последнего инициировало элиминирование молекулы этилена и образование карбоксилат-аниона, который теряет молекулу С02 с образованием [С8Н9Г иона .
Перегруппировка Стивенса (азотный аналог 1,2-перегруппировки Виттига) была изучена в газовой фазе в условиях химической ионизации отрицательных ионов на примере бензилдифениламина. Обработка бензилдифениламина н-бутиллитием в растворе приводит к образованию бензгидриланилина с высоким выходом, а предполагаемый механизм включает образование спироазациклопропанового интермедиата (Схема 62) [154,155].
Спектры активации соударением депротонированных бензилдифениламина и бензгидриланилина оказались идентичны, что предполагает протекание фрагментации их ионов [М-Н] через общий интермедиат, но не позволяет однозначно определить в каком направлении (в прямом или обратном) идет реакция. Однако изучение поведения D-меченого аналога бензилдифениламина продемонстрировало, что 1,2-миграция фенильной группы идет только в случае депротонированного бензилдифениламина. Таким образом, возможна только прямая реакция. Тем не менее осталось неизвестным, является ли данная реакция в газовой фазе согласованной или ступенчатой и протекает ли она, как и в растворе, с образованием спироазациклопропанового интермедиата [156].
Увеличение скорости протекания перегруппировки окси-Коупа в газовой фазе связывают с отсутствием эффекта растворителя, который стабилизирует алкоксид-анион и, тем самым, увеличивает барьер активации. Наглядным примером этого является превращение диаллилового эфира в гексен-5-аль в растворе и газовой фазе. Обработка диаллилового эфира амидом калия в жидком аммиаке приводит к гексадиен-1,5-олу-З (перегруппировка Виттига). Этот спирт устойчив к дальнейшей щелочной обработке, но при нагревании трансформируется в гексен-5-аль через перегруппировку окси-Коупа. Аналогичные превращения имеют место в газовой фазе. МС/МС спектры, зарегистрированные для трех анионов, представленных на схеме, оказались идентичными. Изучение их фрагментации, а также исследование D-меченых аналогов показало, что эти анионы изомеризуются в депротонированный гексен-5-аль, причем ион J подвергается как 1,2 так и 1,4-перегруппировке Виттига с образованием иона К, который в свою очередь изомеризуется через перегруппировку окси-Коупа (ион L) (Схема 66) [119].
Алкил- и аллилфенилацетаты в условиях ХИОИ с последующей активацией соударениями также подвергаются перегруппировке Кляйзена [125,161]. Существуют примеры, когда направления реакций в растворе и газовой фазе отличаются. Так, известно, что аллилвиниловые эфиры при нагревании в растворе превращаются в у-5-ненасыщенные карбонильные соединения. Однако щелочная обработка аллилвинилового эфира инициирует перегруппировку Виттига и приводит к его изомеризации в соответствующий анион пентадиен-1,4-ола-3. Изучение трансформации аллилвинилового эфира в газовой фазе в условиях химической ионизации отрицательных ионов, напротив, показало, что перегруппировка Кляйзена оказывается предпочтительнее и полностью подавляет перегруппировку Виттига. Превращение ионов [М-Н] протекает через образование высоко реакционноспособного пиранового цикла (ион N), который подвергается изомеризации и фрагментации по различным направлениям, в том числе с образованием продукта перегруппировки Кляйзена - депротонированного пент-4-еналя [162].
Масс-спектры активации соударением анионов О и Р (Схема 68), полученных при депротонировании 2-ацетилфенилбензоата и 2-гидроксидибензоилметана соответственно, очень схожи, тогда как МС/МС спектры ионов [М-Н] аналогичных пора-изомеров очень сильно отличаются между собой. Данный факт предполагает протекание перегруппировочных процессов в случае ионов [М-Н] op/wo-изомеров с образованием одной или нескольких общих структур. Авторы [164] показали, что перегруппировка Бэйкера-Венкатарамана в условиях ХИОИ является обратимым процессом.
Циклизация депротонированных К-арил-2~диазо-2-цианоацетамидов в газовой фазе
Известно, что М-арил-2-диазо-2-цианоацетамиды подвергаются циклизации в растворе в присутствие основания с образованием соответствующих 1-арил-4-циано-5-гидрокси-1,2,3-триазолов [ 166]. На положение равновесия сильное влияние оказывают свойства растворителей: равновесие смещено в сторону циклической структуры в полярных растворителях (вода, ДМСО, спирт, ацетон, ацетонитрил) и в сторону диазосоединений в апротонных неполярных растворителях (бензол). Положение равновесия слабо зависит от электронных и стерических свойств заместителя у атома азота карбоксамидной функции (положение 1 триазольного цикла), хотя электроноакцепторные заместители немного дестабилизируют циклическую структуру.
Изучение кинетики циклизации N-арил- и N-алкилпроизводных в растворе продемонстрировало, что константа скорости циклизации ароматических производных на порядок больше константы скорости циклизации алифатических амидов, тогда как сама циклизация осуществляется по разным механизмам. Циклизация N-алкил производных протекает как одностадийный процесс по моноротаторному механизму, а N-арил производных состоит из двух стадий с приблизительно равными барьерами активации. На первой стадии происходит депротонирование амидной группы, а на второй - гетероэлектроциклизация 2-диазоацетамидов [166].
Образование иона с m/z 66 возможно по двум различным механизмам, изображенным на схеме 84. Эти ионы (Е и D) имеют одинаковую целочисленную массу, но разный состав. Возникновение иона со структурой Е требует простого гетеролитического разрыва С-С связи в депротонированном К-арил-2-диазо-2-цианоацетамиде 36-40, а в случае 1-арил-4-циано-5-гидрокси-1,2,3-триазолов 41-45 необходимо предварительное раскрытие триазольного цикла и образование соответствующего диазосоединения. С другой стороны, появление иона D возможно только из триазола, тогда как для диазосоединения требуется его предварительная циклизация. Таким образом, установление структуры фрагментного иона с m/z 66 (Е или D) дает ответ и на вопрос о структуре исходных ионов [М-Н] (триазол или диазоамид).
Измерение точной массы иона с m/z 66 в случае 36 и 41 с помощью МСВР доказало, что его состав соответствует фрагменту D. Спектры инверсии заряда (ТІЗ+) (Рисунок 9), зарегистрированные для этого иона в случае 1 -фенил-2-диазо-2-цианоацетамида 36 и 1-фенил-4-циано-5-гидрокси-1,2,3-триазола 41, оказались идентичны друг другу.
Пик с m/z 66 соответствует иону [NCCCO]+ , m/z 54 [NC20]+, m/z 52 [С30]+\ m/z 50 [C3N]+, m/z 40 [C20]+\ m/z 38 [C2N]+, m/z 36 [C3]+\ m/z 28 [CO]+\ m/z 26 [CN]+, m/z 24 [C{\+\ m/z 12 [C]+\ В то время как образование большинства ионов возможно как из иона Е, так и D, появление ионов с m/z 50 [C3N]+ и m/z 36 [С3]+ возможно только из иона [NCCCO]". Более того, принимая во внимание значения m/z для интенсивных ионов: m/z 54 [Ж О] (потеря атома азота), m/z 50 [C3N]+ (потеря атома кислорода), m/z 40 [СгО]+ (выброс циан-радикала), m/z 38 [C2N]+ (элиминирование молекулы СО) - структура иона D, представленная на схеме 84, является наиболее предпочтительной по сравнению с альтернативными структурами иона данного состава [175].
Циклизация иона [М-Н] 1 в ион [М-Н] соединения 6. Относительные значения энергий (в ккал/моль) в приближении теории B3LYP/6-31 l++G(d,p)//B3LYP/6-3 HG(d,p). Значение газофазной кислотности, полученное с помощью квантово-химических расчетов (B3LYP/6-31 l++G(d,p)//B3LYP/6-31+G(d,p)) для диазосоединения 36, составляет 323.6 ккал/моль. Принимая во внимание, что в условиях газо-фазного эксперимента (ХИОИ, Н20) ионом реагентом является ОРТ (СП=391 ккал/моль [ПО]), процесс переноса протона от молекулы соединения 36 к гидроксид-анионам оказывается экзотермическим процессом (АГН= -67.4 ккал/моль). Однако в результате такого переноса ионы [М-Н]" соединения 36 получают небольшой избыток внутренней энергии, т.к. их образование не сопряжено с образованием новых связей, а большая часть энергии сосредотачивается на нейтральных молекулах (Н20), возникающих из ионов газа-реагента (ОН ) [ПО]. Тем не менее увеличение внутренней энергии ионов [М-Н] до значений, превышающих энергию активации (8.5 ккал/моль) процесса циклизации, возможно в результате последующих ионно-молекулярных взаимодействий. Эти предположения подтверждаются образованием иона [NCCCO]" (m/z 66) непосредственно в ионном источнике.
Масс-спектры ХИАД соединений 46-64 характеризуются очень интенсивными пиками ионов МИҐ, которые не подвергаются заметной фрагментации даже в условиях ДИС внутри источника "in source СЮ". Поэтому для получения структурной информации, а также сведений о возможных превращениях протонированных молекул МН всех исследуемых соединений до фрагментации были зарегистрированы спектры их дочерних ионов методом связанных сканирований (B/E=const).
Процесс выброса радикала заместителя R2 (особенно галогенов) из бензольного ядра протонированных молекул (ион А) в случае химической ионизации хорошо известен [176]. Интенсивности пиков образующихся катион-радикалов достаточно высоки» причем иногда они выше в случае циклопропана, а иногда - в случае изомерного гетероцикла. Ионы А и В далее элиминируют молекулу СО с образованием ионов X и Y, пики которых малоинтенсивны (-0.1-0.2%), поскольку последующие процессы распада ведут к образованию более стабильных ионов К, С и Di. Низкой интенсивностью (0.1-0.2%) обладает и пик иона Z, возникающий из ионов А и В (Схема 85).
