Топология производных пятичленных азотистых гетероциклов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Кафедра общей химии и хроматографии. Самарский государственный университет. Ул. Акад. Павлова, 1. г. Самара, 443011. Россия. Факс: (846) 334-54-17.

Топология производных пятичленных азотистых гетероциклов

Харитонова Ольга Валериевна, Морозова Анна Анатольевна,

Курбатова Светлана Викторовна и Колосова Елена Александровна

E-mail: curbatsv@ssu.samara.ru

Аннотация

топологический азол жидкостной хроматография

Проанализированы закономерности изменения топологических индексов Рандича и установлена взаимосвязь между физико-химическими свойствами, топологическими и хроматографическими характеристиками некоторых производных азолов.

Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http://butlerov.com/readings/

Поступила в редакцию 2 декабря 2009 г. УДК 453.454.

Ключевые слова: топология, топологические индексы, индексы Рандича, азолы, корреляции, фактор удерживания в высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Введение

Исследование строения органических соединений на топологическом уровне является перспективным направлением развития современной теоретической химии, поскольку математическое моделирование химической структуры соединений позволяет прогнозировать их физико-химические свойства, биологическую активность, величины хроматографического удерживания [1].

Топологические индексы (ТИ), и в частности, индекс Рандича (или индекс молекулярной связанности - ИМС) нашли широкое практическое применение в качестве коррелируемых параметров при решении проблем "структура - свойство" и "структура - удерживание". В исследовании корреляций “структура - свойство” главным фактором является выбор молекулярных дескрипторов, характеризующих структурные, топологические, электростатические, квантово-химические, геометрические и пр. параметры. Так, квантово-химические дескрипторы содержат информацию о заряде атома, дипольном моменте, энергии образования и др., структурные индексы учитывают только состав молекулы, но не характеризуют геометрию или электронную структуру, которая определяется порядком связывания атомов и природой связей, поэтому чаще применяют топологические индексы, учитывающие размер и степень разветвления молекулы [2-3].

В настоящее время для построения корреляций структура - свойство - биологическая активность наиболее используемыми являются индексы Винера, Шульца, Шеннона, Рэндича, представляющие собой закодированную информацию о размере молекулы, о ее циклической природе, о наличии или отсутствии гетероатомов в структуре [1]. При этом возможно применение двумерных или трехмерных индексов. Двумерные индексы, как правило, игнорируют метрические отношения в молекуле (валентные углы, межъядерные расстояния). В трехмерных индексах топологические расстояния между атомами заменяются на геометрические, что приводит к увеличению их дискриминирующей способности, позволяющей различать не только структурные, но и поворотные изомеры. Однако при расчете трехмерных индексов нужно учитывать не только реальные длины связей и валентные углы, но и наиболее вероятные конформации молекулы, изменение длин связей в зависимости от ближайшего атомного окружения, что еще больше затрудняет расчеты даже для достаточно простых молекул [1]. Поэтому для топологического описания структуры молекул чаще используются двумерные индексы.

1. Результаты и их обсуждение

Как уже отмечалось, индексы связанности являются фундаментальными параметрами и выражают структурную информацию в виде взвешенной суммы всех типов связей в молекуле. По сравнению с другими индексами модель молекулярной связанности является более гибкой, так как позволяет соотносить как общие, так и локальные структурные свойства молекул [1].

В качестве объектов исследования нами были выбраны азотистые гетероциклы, структурные формулы которых и некоторые физико-химические характеристики этих соединений опубликованы ранее [4]. Для изучения особенностей геометрического строения производных азолов и их взаимосвязи с физико-химическими характеристиками нами было проведено исследование топологии молекулярного поля с помощью ИС различных порядков, расчет которых осуществляли по известным формулам [1]:

0ч=У(дi )-1/2 ,

1ч=У(дi дj)-1/2 ,

2ч=У(дi дj дk)-1/2 ,

3ч=У(дi дj дkдm)-1/2 ,

дi =zi - hi,

где zi-число валентных электронов атома i, hi - число атомов водорода при атоме i.

В табл. 1 приведены значения индексов Рандича исследованных соединений.

Табл. 1 Значения индексов Рандича 0-5 порядков для некоторых производных азолов

Известно, что для большинства классов соединений индексы молекулярной связанности 0-5 порядков увеличиваются с ростом молекулярной массы вещества. Однако, эта законно-мерность выполняется не всегда. Так, например, при увеличении числа атомов азота в гетероцикле молекулярная масса соединений увеличивается, однако, значения ИС уменьшаются, в частности, для пар 1-(2,4,6-триизопропилфенилсульфонил) бензимидазол и 1-(2,4,6-триизопропилфенилсульфонил)-1Н-1,2,3-бензтриазол, 1-(2,4,6-триизопропилфенилсульфо-нил)-1Н-имидазол и 1-(2,4,6-триизопропилфенилсульфонил)-1Н-1,2,4-триазол, бензимидазолид бензолсульфокислоты и индолид бензолсульфокислоты, 1,2,4-триазолид бензолсульфокислоты и имидазолид бензолсульфокислоты, бензтриазол и индол, 4-(5-метил-1Н-1,2,4-триазол-1-ил)фенол и 2-((1Н-имидазол-1-ил)метил)фенол.

Из представленных ниже данных следует, что ИС нулевого порядка производных имидазола изменяются симбатно изменению таких физико-химических характеристик гетеро-циклов, как поляризуемость (б), объем (V), липофильность (lgP) и фактор удерживания (k) в условиях ВЭЖХ.

Для производных бензимидазола наблюдается симбатность в изменении ТИ, объема, поляризуемости и даже дипольного момента (µ), но факторы удерживания в случае этих соединений с ростом ИС уменьшаются.

Для изомерных гидразидов при близких значениях дипольного момента, липофильности и объема молекул и практически равных значения ИС существенно отличаются факторы удерживания:

В табл. 2 представлены параметры корреляционных уравнений вида Y = f(nм) и результаты их статистической обработки для некоторых производных гетероциклов (при этом Y - объем молекулы, молярная масса, поляризуемость или дипольный момент).

Табл. 2 Параметры корреляционных уравнений вида Y = f( nм) и результаты их статистической обработки для некоторых производных гетероциклов

* Корреляционная серия: бензол - индол - индолид метансульфокислоты - индолид бензолсульфокислоты - индолид п-толуолсульфокислоты.

Уровень корреляций, как следует из представленных данных, при этом оказывается различным и зависящим от коррелируемых параметров и порядка ИС. Более строгими (вне зависимости от порядка ИС) оказываются корреляции ТИ с фактором удерживания, хотя вид зависимости при этом может быть различным (табл. 3).

Табл. 3 Корреляционные уравнения вида y = f(x) и результаты их статистической обработки

Условия хроматографирования - ОФ ВЭЖХ, элюент ацетонитрил-вода (7:3)

С увеличением порядка ТИ происходит уменьшение формальной связности между атомами, образующими рассматриваемую цепочку связей, при этом индексы первого и второго порядков отражают либо непосредственное, либо через метиленовую группу внутримолекулярное связывание. Увеличение формальной длины рассматриваемой связанности приводит к тому, что атомы, ее образующие, оказываются более топологически и геометрически удаленными друг от друга. Подобное удаление, определяемое порядком связанности, приводит к тому, что значения (n)ч монотонно уменьшаются с ростом n. Дан-ному правилу подчиняются все рассмотренные нами гетероциклы, при этом для соединений, содержащих 2,4,6-триизопропилфенилсульфонильную группу, ИМС первого и второго порядков оказываются сопоставимыми.

Выводы

Рассчитаны значения индексов связанности (Рандича) разных порядков для некоторых производных азотистых гетероциклов. Проведен топологический анализ исследованных соединений. Показано, что индекс связанности адекватно описывают строение гетеро-циклов, вырождаясь для различных видов изомеров.

Установлены корреляционные зависимости между топологическими индексами и физико-химическими характеристиками азолов, получены уравнения соответствующих зависимостей, проведен их анализ. Показано, что уровень корреляций определяется порядком использованных индексов связанности и природой соединений, использованных в корреляционной серии.

Литература

1. Химические приложения топологии и теории графов. Под ред. Р. Кинга Пер. с англ. М. Мир. 1987. 550с.

2. Виноградова М.Г., Папулов Ю.Г., Смоляков В.М., Салтыкова М.Н. Журн. физич. химии. 1996. Т.70. №4. С.675-680.

3. Макаров Л.И. Журн. структ. химии. 1997. Т.38. №4. С.795-802.

4. Курбатова С.В., Паршикова (Харитонова) О.В., Белоусова З.П. Бутлеровские сообщения. 2006. Т.9. №4. С.40-88.

Размещено на Allbest.ru