научная статья по теме ФОТОХИМИЯ АЗИДОСТИРИЛХИНОЛИНОВ. III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ФОТОЛИЗА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОСПРЕЙНОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ Химия

Текст научной статьи на тему «ФОТОХИМИЯ АЗИДОСТИРИЛХИНОЛИНОВ. III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ФОТОЛИЗА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОСПРЕЙНОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ»

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИИ, 2007, том 41, № 4, с. 305-310

= ФОТОХИМИЯ

УДК 514.14

ФОТОХИМИЯ АЗИДОСТИРИЛХИНОЛИНОВ. III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ФОТОЛИЗА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОСПРЕЙНОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ

© 2007 г. М. Ф. Будыка*, Н. В. Биктимирова*, Т. Н. Гавришова*, В. И. Козловский**

*Институт проблем химической физики Российской академии наук **Филиал Института энергетических проблем химической физики Российской академии наук 142432, Московская обл., Черноголовка, просп. Академика Н.Н. Семенова, 1

E-mail: budyka@icp.ac.ru Поступила в редакцию 12.10.2006 г.

Методом электроспрейной масс-спектрометрии исследованы продукты фотолиза 2- и 4-(4'-азидо-стирил)хинолинов и их гидрохлоридов. В качестве основных продуктов зарегистрированы соответствующие амино-, нитрозо- и нитростирилхинолины и в незначительных количествах - азо-, гид-разо- и азоксисоединения. Все эти соединения образуются в результате фотодиссоциации N-N2-eBfl-зи и последующих реакций нитрена. Кроме того, зарегистрирован ряд неидентифицированных продуктов, а также незамещенные стирилхинолины, свидетельствующие о фотодиссоциации C-N3-связи, что является необычным процессом в фотохимии ароматических азидов.

wB предыдущем сообщении нами исследована реакция фотодиссоциации азидогруппы в изомерных азидостирилхинолинах [1]. Показано, что эти азиды эффективно распадаются под действием света как в нейтральной, так и протонированной формах, а спектры поглощения фотолизатов качественно воспроизводятся спектрами соответствующих амино- и нитростирилхинолинов - продуктов взаимодействия нитрена с растворителем и кислородом.

B то же время, несмотря на качественное соответствие полос поглощения, спектр реакционной смеси при фотолизе нейтрального азидостирилхи-нолина после подкисления не совпадал со спектром реакционной смеси при фотолизе гидрохлорида азидостирилхинолина. И наоборот, спектр нейтрализованных продуктов фотолиза гидрохлорида азидостирилхинолина не совпадал со спектром продуктов фотолиза нейтрального азидостирилхинолина. Это свидетельствовало о том, что кислота, не оказывая влияния на квантовый выход фотодиссоциации азидов, влияет на состав и/или соотношение образующихся продуктов фотолиза.

Известно, что при проведении реакции фотолиза азидов в присутствии галогенводородных кислот состав продуктов может меняться. Например, при фотолизе нейтрального 4-азидохинолина образуется в основном смолообразный полимер и небольшое количество азосоединения [2], а в среде концентрированной HCl - 4-аминохинолин и 3-амино-

4-хлорхинолин [3]. При этом следует учитывать, что в случае препаративного фотолиза концентрация азида в растворе на несколько порядков больше, чем при кинетических исследованиях, а состав продуктов фотолиза ароматических азидов может существенно изменяться при изменении концентрации [4].

Для получения результатов, сопоставимых с данными абсорбционной спектроскопии, необходимо исследовать реакционные смеси при концентрации компонентов ~ 10-5 M. Подходящим в этом случае является метод электроспрейной масс-спектрометрии (ESI MS). Особенностью этого метода является то, что ионы экстрагируются из микрокапель раствора исследуемого образца при атмосферном давлении в атмосфере азота. Ионизация соединений достигается за счет протонирования при экстракции ионов из разбавленного раствора электрическим полем, поэтому как правило в масс-спектре регистрируются пики ионов МН+ с m/z = [М + 1]. Наличие в азидостирилхинолинах хинолинового ядра с эндо-циклическим атомом азота, способным к протони-рованию, создает предпосылки для применения метода ESI MS к решению поставленной задачи.

В связи с этим в настоящей работе методом ESI MS исследованы реакционные смеси после фотолиза изомерных 2- и 4-(4'-азидостирил)хинолинов 1 и 3, а также их гидрохлоридов 2 и 4, соответственно (схема 1).

1 -

2 HCl

3 -

4 HCl

Схема 1.

Исследование фотолизатов азидостирилхино-линов в разных условиях методом ESI MS показало, что в результате фотодиссоциации N-^-связи образуется набор обычных для фотохимии азидов продуктов - соответствующих амино-, нитрозо-,

нитро-, азо-, гидразо-, азоксисоединений (три последних в незначительных количествах), причем составы реакционных смесей при фотолизе нейтральных азидов и их гидрохлоридов различаются. Кроме того, зарегистрирован ряд продуктов, для идентификации которых данных ESI MS недостаточно, а также незамещенные стирилхинолины, свидетельствующие о фотодиссоциации C-^-свя-зи, что является необычным процессом в фотохимии ароматических азидов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез азидостирилхинолинов и методика проведения фотохимического эксперимента описаны ранее [1].

Электроспрейные масс-спектры получены с помощью оригинального времяпролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом ионов [5]. Разрешение прибора составляет 13000 FWHM. Использовался самодельный электроспрейный ионный источник типа "microspray", с металлическим эмиттером (иглой) внутренним диаметром 0.1 мм. Кон-

I/Imax, % 100

80

60

40

20

0 100

80

60

40

20

247

261

277

337

291

(a)

402

489

505

247

(б)

489

250

300

350

400

450

500

m/z

Электроспрейные масс-спектры реакционных смесей при фотолизе 4-(4'-азидостирил)хинолина 3 в этаноле: а - воздушно-насыщенный раствор, б - дегазированный раствор.

0

Относительная интенсивность пиков (I/Imax, %) в электроспрейных масс-спектрах продуктов фотолиза воздушно-насыщенных растворов азидов 1-4 (структуры см. схему 2)

Продукт m/z (MH+)

QuSt-NH2 247

QuSt-NHR3 291

QuSt-NO 261

QuSt-NHOH6 263

QuSt-NO2 277

QuSt-N=N-StQu 489

QuSt-NH-NH-StQu 491

QuSt-N=N(O)-StQu 505

QuSt-H 232

B 341, 343

B 204

B 351

1

Азид

3

100

4 99 14 51

2 1 7

5

13

36 5 7 4 13

1 1

4

100, 39 57

100

3 61

2

40 1

2

4

21

3

100

7 3

31

52 47, 16 6 7

а Ионы с m/z = 291 могут иметь другую структуру (см. текст).

6 Интенсивность пика исправлена на изотопный пик [М + 2] иона нитрозосоединения. в Неидентифицированный продукт (см. текст).

чик эмиттера был заточен с помощью тонкой абразивной бумаги. Раствор исследуемого образца подавался со скоростью 0.35 мкл/мин с помощью шприцевого насоса "KD Scientific". Напряжение, подаваемое на электроспрейный эмиттер, составляло +2.8 кВ, регистрировались масс-спектры в режиме положительных ионов. Регистрируемые ионы представляли собой протонированные молекулы продуктов фотохимических реакций.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рисунке в качестве примера показаны электроспрейные масс-спектры реакционных смесей при фотолизе азида 3. Видно, что при фотолизе воздушно-насыщенного раствора основными продуктами являются первичный амин, нитрозо- и нитро-соединение, пики ионов МН+ с m/z = 247, 261 и 277 соответственно. При фотолизе дегазированного раствора образуется фактически только первичный амин с небольшой примесью азосоединения (пик 489).

Зарегистрированные продукты фотолиза азидо-стирилхинолинов и их гидрохлоридов представлены в таблице. На основании полученных данных

можно предложить следующую общую схему фотолиза (схема 2).

Первой фотохимической стадией является фотодиссоциация азида. С применением импульсных лазерных методик показано, что эта реакция протекает в синглетно-возбужденном состоянии с образованием синглетного нитрена [6-8], в данном случае -1(QuSt-N). Два основных направления превращения синглетного нитрена - внутримолекулярное внедрение в орто-положение с образованием азиридина и далее дегидроазепина и интеркомбинационная конверсия в триплетное состояние, которое является основным для нитрена [9]. В данном случае преобладает второе направление, приводящее к 3(QuSt-N), чему способствуют два фактора: во-первых, известно, что донорные заместители, к которым относится этиленовая группа, в пара-положении фенилнитре-на ускоряют интеркомбинационную конверсию синглетного нитрена в основное триплетное состояние, тем самым уменьшая выход дегидроазепина [10, 11], во-вторых, нуклеофильные растворители типа EtOH стабилизируют синглетный нитрен, также способствуя процессу конверсии [12].

QuSt-N3

hv

RH

-N2

RH

■ 1(QuSt-N) —- 3(QuSt-N) -QuSt-H

RH

QuSt:

N

RH: CH3CH2OH

-QuSt-NH' —

QuSt-NH2

R'

CH3

I 3

-QuSt-NH-CH-OH

— QuSt-NH-NH- StQu -QuSt-NOO--QuSt-NO + QuSt-NO2

QuSt-NO

-QuSt-N=N-StQu

OI

- QuSt-N=N+-StQu

RH, O2

-QuSt-NHOH.

Схема 2.

Триплетный нитрен отрывает атом водорода от молекулы растворителя, образуя радикальную пару "аминильный радикал (QuSt-NH) + радикал CH3CHOH". Геминальная рекомбинация радикалов в триплетной паре запрещена по спину, поэтому основная реакция аминильного радикала - отрыв второго атома водорода с образованием первичного амина (QuSt-NH2). Из таблицы видно, что первичный амин является главным продуктом фотолиза во всех случаях - пик протонированного амина с m/z = 247 максимален во всех масс-спектрах, за исключением гидрохлорида 2.

Присутствующие в масс-спектрах малоинтенсивные пики ионов с m/z = 291 (таблица) соответствуют продукту присоединения молекулы этанола к нитре-ну. Это может быть продукт перегруппировки син-глетного нитрена с расширением цикла - замещенный азепин или первичный амин c орто-этоксизаме-стителем (см. ниже). Однако более вероятной структурой является вторичный амин, образовавшийся в результате объемной рекомбинации аминильного радикала с радикалом растворителя (формально соответствует внедрению в C-H-связь). С такой интерпретацией согласуется наличие в спектрах довольно интенсивных пиков ионов с m/z = 337, которые можно отнести к кластерам вторичного амина с этанолом, стабилизированным двумя водородными связями

3

CH I

CHO

R—NH

H

H-Ov

CH2-CH

3

Метод "'мягким"

ионизации типа электроспреи является поэтому в широком диапазоне напряжении (параметров) ионного источника характерно присутствие пиков нековалентно-связанных комплексов исследуемого вещества с молекулами растворителя.

Амины - продукты реакции восстановления нит-рена, с которой конкурирует реакция окисления. Из таблицы видно, что при фотолизе нейтральных азидов в присутствии кислорода воздуха в сравнимых с амином количествах получаются нитрозо- (61-99%) и нитростирилхинолины

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком