Диалкилацетали диметилформамида

УДK 577.112.37:547.421:543.544.45
Вестник СПбГУ. Сер. 4. Т. 2 (60). 2015. Вып. 3
Т. И. Пушкарёва, И. Г. Зенкевич
ДИАЛКИЛАЦЕТАЛИ ДИМЕТИЛФОРМАМИДА:
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
ПРОИЗВОДНЫХ В ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург,
Университетская наб., 7–9
Рассмотрены методы синтеза и основные химические свойства диалкилацеталей диметилформамида (CH3 )2 N-CH(OCn H2n+1 )2 (n = 1 ÷ 5) — аза-аналогов орто-эфиров. Реагенты этого класса используют для получения производных соединений, содержащих функциональные группы с активными атомами водорода, для их газохроматографического анализа. Карбоновые кислоты образуют метиловые эфиры, первичные амины — N -(диметиламино)метиленовые производные (1,1-диметилформамидины), а вторичные амины — формилируются по атому азота. Такие свойства позволяют применять реагенты этого класса для одностадийной дериватизации аминокислот и более сложных полифункциональных соединений. Кроме того, эти реагенты взаимодействуют с субстратами, содержащими активные метильные или метиленовые группы с образованием енаминов. N -(Диметиламино)метиленовые производные ароматических аминов являются синтетическими предшественниками хинозалин-4-онов и 1,2,4-триазолов, а енамины — замещённых азаиндолов и более сложных гетероциклов. Приведены примеры хроматограмм и масс-спектров производных некоторых ариламинов и аминокислот. Библиогр. 32 назв. Ил. 5.
Ключевые слова: диалкилацетали диметилформамида, карбоновые кислоты, первичные
амины, вторичные амины, аминокислоты, одностадийная дериватизация.
T. I. Pushkareva, I. G. Zenkevich
DIMETHYLFORMAMIDE DIALKYLACETALS:
PROPERTIES AND APPLICATION
FOR DERIVATIZATION IN GAS CHROMATOGRAPHY
St. Petersburg State University, 7–9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation
The methods of syntheses and principal chemical properties of dimethyl formamide dialkylacetals
(CH3 )2 N-CH(OCn H2n+1 )2 (n = 1 ÷ 5) — aza-analogs of ortho-esters — are considered. The
reagents of this class are used in derivatization of compounds containing functional groups with
active hydrogen atoms for their gas chromatographic analysis. Carboxylic acids form methyl
esters, primary amines — N -(dimethylamino)methylene derivatives (1,1-dimethylformamidines),
while secondary amines — N -formyl derivatives. Such properties allow using these reagents
for one-step derivatization of amino acids, as well as more complex polyfunctional compounds.
Besides that, these reagents react with substrates having active methyl or methylene groups with
formation of enamines. N -(Dimethylamino)methylene derivatives of aromatic amines are the
synthetic precursors of quinazolin-4-ones and 1,2,4-triazoles, while enamines - those of substituted
azaindoles and more complex heterocycles. The examples of chromatograms and mass spectra of
the derivatives of some aryl amines and amino acids are considered. Refs 32. Figs 5.
Keywords: dimethyl formamide dialkylacetals, carboxylic acids, amines, secondary amines,
amino acids, one-step derivatization.
Введение. Непосредственный газохроматографический анализ нелетучих и термически нестабильных соединений невозможен. Для его осуществления в стадию пробоподготовки может быть включена обработка аналитов различными реагентами с целью
получения их производных (дериватизация). В газовой хроматографии это необходимо
269
для перевода нелетучих соединений в более летучие производные, снижения их полярности и, как следствие, улучшения хроматографических характеристик.
Однако далеко не все возможные органические реакции находят применение в аналитических целях. Для реакций дериватизации существует несколько критериев [1]:
• Экспериментальные операции должны быть максимально простыми. Предпочтительно проведение реакции при комнатной температуре за минимальное время. Для
сокращения времени реакции допустимо нагревание реакционных смесей в запаянных
ампулах. Возможно проведение реакции при вводе реакционной смеси в нагретый испаритель хроматографа или хромато-масс-спектрометра.
• Количество стадий должно быть минимальным. Многостадийные процессы должны соответствовать принципу «single pot». Процедура не должна требовать извлечения
производных, избыток реагента и побочные продукты не должны влиять на проведение
анализа или должны легко отделяться от целевых продуктов.
• Выходы продуктов должны быть максимальными и воспроизводимыми.
• Реакция одного субстрата с одним реагентом желательно должна приводить к образованию одного производного.
При наличии в соединении нескольких функциональных групп с активными атомами водорода для получения летучих производных требуется их одновременная замена
на ковалентно связанные фрагменты. В середине 1970-х гг. был предложен новый тип
реагентов для одновременной дериватизации -СO2 H и -NH2 -групп — диалкилацетали
N, N -диметилформамида. К настоящему времени эти реагенты получили широкое распространение, особенно диметилацеталь N, N -диметилформамида 1 (DMF-DMA). Используют также диэтил-, диизопропил- и ди-трет-бутилацеталь диметилформамида.
R
O
CH3
R
O 1
N
CH3
R = CH3 , CH2 CH3 , CH(CH3 )2 , C(CH3 )3 .
Свободные аминокислоты 2 разлагаются при плавлении, поэтому для газохроматографического определения их необходимо переводить в летучие, термически стабильные производные. DMF-DMA взаимодействует с первичными аминами X-NH2 [2]
с образованием формамидинов, или, иначе, N -(диметиламино)метиленовых производных X−N=CH−N(CH3 )2 3 , и в то же время обеспечивает превращение карбоксильной
группы в метоксикарбонильную. Таким образом, модификация обеих функциональных
групп происходит в одну стадию достаточно быстро, выделение продуктов не требуется,
из каждой аминокислоты обычно образуется только одно производное.
O
H 2N
O
H 3C O
CH3
N
OH +
R
2
H 3C O
HC
CH3
1
N
N
O
R
3
DMF-DMA можно использовать и как реагент для дериватизации других соединений. Вторичные амины образуют N -формильные производные [3]. Кроме того, DMFDMA используют для алкилирования соединений, содержащих группы с активными
атомами водорода, в том числе карбоновых кислот, фенолов и тиолов [4].
270
Задачей настоящего обзора является сравнительная характеристика химических
свойств реагентов класса диалкилацеталей диметилформамида, определяющих возможности их применения в газовой хроматографии.
1. Синтез диалкилацеталей диметилформамида. При взаимодействии комплекса тетрафторбората триэтилоксония 4 с N, N -диметилформамидом получается
тетрафторборатная соль 5 . Обработка этой соли этилатом натрия приводит к получению диэтилацеталя N, N -диметилформамида 6 . Ацетали других диалкиламидов 7
с выходами 50–60% образуются при обмене диметиламиногруппы в реакции с диалкиламинами с более высокими температурами кипения.
O
OEt
CH3
+
+
+ Et3O BF4
N
CH3
H
BF4−
−
N CH
3
EtO
NaOEt
N
BF3
EtO
HNR2
6
R
N
CH3
EtO
H3C 5
4
CH3
EtO
R
7
Возможен синтез ацеталей амидов из имидоилхлорида, который получали из N, N диалкиламидов 8 и фосгена, тионилхлорида или пентахлорида фосфора. Имидоилхлориды 9 при взаимодействии с двумя эквивалентами алкоголята натрия через промежуточные хлорангидриды амидоэфиров 10 образуют ацетали 11 .
O
CH3
N
R
O
+
CH3 Cl
H 3C
Cl
−CO2
R
+
N
8
NaOR´
Cl−
Cl
H 3C
CH3
R´
O
N
H3C
CH3
R Cl
9
10
R
O
R´
R´
N
O
CH3 60%
11
Известен метод синтеза ацеталей амидов из дихлорамина 12 , который получают
реакцией диалкиламинов с дихлоркарбеном. Дихлорамин далее обрабатывают алкоголятом натрия.
Cl
Cl C
Cl
O
HNMe2
[:CCl2]
ONa
Cl
H3C
RO−
N
N
H3C
12
Cl
O R
H3C
H3C
O R
1
Алкилирование DMF диметилсульфатом даёт катион 13 , алкоголиз которого также
приводит к получению ацеталей амидов [5].
O
H3C
N
H3C
(CH3O)2SO2
CH3
O
+
75˚C, 3 ч
H
H
CH3
N
13 CH3
CH3SO4−
NaOMe
H3C
O
CH3
O
CH3
N
30–60˚C, 30 мин
H3C
1
Последний метод часто используют на практике. Первую стадию проводят при нагревании реакционной смеси при 75℃ в течение 3 ч. Вторую — при 30–60℃ в течение
30 мин с последующим понижением температуры до −5℃ проводят в петролейном
эфире [6, 7]. Этот метод был оптимизирован для промышленного использования при
271
мольном соотношении метилата натрия и диметилсульфата 1,2 : 1. Такие условия позволяют увеличить выход продукта с 40–70 до 76–80%, а его чистота достигает 98% [8].
Метоксигруппы и метиновый протон DMF-DMA способны к дейтерообмену
с CD3 OD [9].
2. Реакции диалкилацеталей диметилформамида.
2.1. Алкилирование соединений, содержащих группы с активными атомами водорода. При алкилировании фенолов по гидроксильной группе отмечено
некоторое влияние природы заместителей в бензольном кольце на скорость реакции.
При наличии электроноакцепторных групп в пара-положении реакция идёт быстрее,
чем в случае донорных заместителей. Реакцию можно проводить как при обычном нагревании, так и при микроволновом облучении, что предпочтительно для термически
неустойчивых субстратов [10].
OH
+
R
O
CH3
+ H3C
CH3
H3C N
O
CH3
R
O
O
H
H
O−
O+
CH3
CH3
O
N
CH3 14
CH3
CH3
+
N
CH3
H3C
CH3
N+
CH3
O
H
R
15
Реакция метилирования крезола очень чувствительна к увеличению температуры
и мощности микроволнового излучения, однако, по мнению авторов [10], увеличение
её скорости обусловлено только тепловым эффектом. Полагают, что увеличение скорости реакции фенолов с электроноакцепторными заместителями в пара-положениях
обусловлено уменьшением их констант кислотности (pKa ), что приводит к увеличению
концентрации катионов алкоксиаммония 14 , являющихся интермедиатами в этой реакции. Если в соединении присутствуют две группы с активными атомами водорода 16 ,
17 , то в реакцию вступают обе. Реакция алкилирования легко идёт в бензоле [11], толуоле [12] и других растворителях. Кроме того, DMF-DMA реагирует с соединениями,
содержащими активные CH3 -группы, например п-гидроксиацетофеноном с образованием енаминокетона 18 [10].
O
30 мин
HO
16
HO
H3C
OH
OH
O CH3
60 мин
O
O
CH3
H3C
17
O
OH
O
30 мин
H3C
CH
N
272
O
O
18
O
CH3
2.2. Диметилацеталь диметилформамида как эквивалент карбонильной
группы при образовании оснований Шиффа в реакции с первичными аминами. Антраниловую кислоту 19 , 2- и 4-аминоникотиновые кислоты и 3-аминоизоникотиновую кислоту 20 вводили в реакцию с DMF-DMA с целью последующего получения различных производных хинозалина [13, 14]. Сначала из этих кислот получают
амидиноэфиры 21 , 22 , которые далее подвергаются катализируемой кислотой циклизации при добавлении алифатического амина с образованием 3-замещённых хинозалин-4-онов 23 , 25 . Очистка промежуточных соединений трудоёмка (перегонка при
пониженном давлении) из-за нестабильности промежуточных амидиноэфиров (21 ), которые могут подвергаться гидролизу на силикагеле с образованием соответствующих
N -формильных производных 24 . Модификацию обеих групп (карбоксильной и амино)
проводят при микроволновом облучении в течение не менее 15 мин. Наличие электроноакцеторных заместителей в бензольном кольце не влияет на реакцию образования
амидиноэфира [13].
O
Y
Z
OH
NH2
X
DMF-DMA
DMF
100˚C
15 мин
MW
O
Y
Z
19
20
O
CH3
21
22
Y
Z
15 мин
MW
N
X
O
RNH2
AcOH
100˚C
N
X
R
N
23
25
N
Реакция 19 и 20 с DMF-DMA. 19 : X = CH, Z = CH, Y = CH — антраниловая
кислота, 20 : X = N, Z = CH, Y = CH — 2-аминоникотиновая кислота, X = CH,
Z = CH, Y = N — 4-аминоникотиновая кислота, X = CH, Z = N,
Y = CH — 3-аминоизоникотиновая кислота
O
O
O
N
O
силикагель
N
O
NH
21
25
H
По данным кинетических экспериментов установлено, что модификация аминогрупп происходит за 5 мин при температуре не выше 100℃ и микроволновом облучении,
тогда как образование эфира требует большего времени (15 мин) в тех же условиях [14].
Можно сравнить два варианта синтеза соединения 28 , чтобы показать эффективность использования DMF-DMA. В первом варианте синтеза получение 6-нитро-3H-хиназолин-4-она 27 проводят при микроволновом нагреве 5-нитроантраниловой кислоты
26 c 5 экв. DMF (150°C). Продукт циклизации алкилируют бензилбромидом в положение 3 в присутствии гидрида натрия при атмосферном давлении.
O
O 2N
CO2H
26
NH2
DMF
150˚C
O2N
NH
40 мин
MW
27
N
BnBr
NaH
140˚C
O
O2N
N
30 мин
MW
28
Bn
N
В другом варианте синтеза соединения 28 5-нитроантраниловую кислоту (26 ) сначала обрабатывают DMF-DMA при микроволновом нагреве при температуре 105°С
273
в течение 15 мин. Полученный N, N -диметилформамидин 29 нагревают с бензиламином в присутствии уксусной кислоты в течение 20 мин. Соединение 28 было получено
в две стадии с хорошим выходом (92%), следовательно, этот вариант можно считать
более эффективным и более простым [15].
O
DMF-DMA
105˚C
NH2
CO2H
O 2N
O2N
O
O
N
15 мин
MW
26
O2N
BnNH
AcOH
N
20 мин
N
N
29
Bn
28
DMF-DMA используют в качестве реагента для обратимой защиты первичных аминогрупп. Получаемые при этом основания Шиффа вступают в различные реакции с сохранением защитной группы 30 , после чего защиту снимают концентрированной кислотой или водным раствором аммиака (28%) в этаноле при 40°C в течение 5 ч [16].
O
R
NH2 +
N
R
1
N
O
N
+ 2ROH
H+ или NH4OH (28%)
EtOH, 40˚C, 5 ч
R
NH2
30
В статье [17] описано одностадийное преобразование аминогруппы в 1,3,4-триазольный фрагмент. Соединение 31 обрабатывали смесью DMF-DMA и формилгидразина
в ацетонитриле с получением соединения 32 , которое далее алкилировали с образованием 33 .
N
N
N
H2N
DMF-DMA/
NH2NHCHO
31
N
H
N
CH3CN
O
N
RX/CH3ONa
C2H5OH
N
32 H
N
N
33 R
O
O
2.3. Реакции вторичных аминов с DMF-DMA. DMF-DMA реагирует со вторичными аминами с образованием новых ацеталей 34 . Обменная реакция амина происходит с одной метоксигруппой диалкилацеталя диметилформамида, продуктом является сложный эфир амида 35 . Обмен второй метоксигруппы приводит к ортамиду 36 .
CH3
H3C
N
R
O
O
CH3 + HNR2
R
34
N
O
O
CH3
CH3 + Me2NH
CH3
CH3
H 3C
N
O
O
274
CH3 + HNR2
CH3
H3C
35
N
O
NR2
CH3 + MeOH
CH3
H 3C
N
O
O
CH3
CH3 + 2HNR2
H3C
CH3
36
N
NR2 + 2MeOH
NR2
Реакционная способность аминов по отношению к DMF-DMA возрастает в ряду:
N -метиланилин (не реагирует), пирролидин (не образует аминалей, ацетали получаются только при нагревании), морфолин (аминали при 30°C, ацеталь при нагревании),
пиперидин (аминали, ацеталь при 30°C), диметиламин (равновесие достигается в течение двух минут). Какие-либо корреляции между скоростями реакций и основностью
аминов не выявлены. Меньшую реакционную способность пиперидина по сравнению
с диметиламином объясняют стерическими факторами [9].
2.4. Другие реакции DMF-DMA в органическом синтезе. Выше уже было
упомянуто взаимодействие DMF-DMA с соединениями, содержащими активные группы
-CH3 , что приводит к образованию продуктов с двойными связями С=С. Один из примеров таких свойств DMF-DMA — реакция Леймгрубера—Батчо (Leimgruber—Batcho).
Она включает следующие стадии [18]:
1) конденсация 2-метил-3-нитропиридина с диметилацеталем N, N -диметилформамида. Реакция идёт при кислом катализе [19];
2) алкилирование или ацилирование промежуточного енамина;
3) циклизация промежуточно образующихся N -DMAM производных с образованием азаиндолов.
Функционализация С-3 атома индолов основана на электроноизбыточных свойствах
этих гетероциклов. Однако если один атом углерода в бензольном кольце заменён атомом азота, прямая функционализация С-3 положения азаиндолов невозможна, поскольку азаиндольные гетероциклы электрононедостаточны. Прямая функционализация С-3
положения азаиндолов ограничена ацилированием под действием кислот Льюиса, галогенированием и участием в реакции Манниха [18].
Двухстадийный синтез Леймгрубера—Батчо используют для синтеза 4- и 6-азаиндолов из соответствующих 2-метил-3-нитропиридина 38 или 4-метил-3-нитропиридина
37 , которые конденсируют с DMF-DMA с получением интермедиатов 39 и 40 . Последующее восстановление нитрогруппы сопровождается их циклизацией с образованием
6-аза- 41 или 4-азаиндола 42 .
X
y
CH3
X
NO2
37: X = C, Y = N
38: X = N, Y = C
X
N
[H]
DMF-DMA
y
NO2
39: X = C, Y = N
40: X = N, Y = C
y
N
H
41: X = C, Y = N
42: X = N, Y = C
Интермедиаты 39 и 40 (енамины) могут вступать в реакции с электрофильными
реагентами с получением замещённых енаминов 43 и 44 . Последующее восстановление
нитрогруппы сопровождается циклизацией и приводит к 3-замещённым азаиндолам 45
275
и 46 .
H
C
X
N
E+
y
E
C
X
y
NO2
39: X=C, Y=N
40: X=N, Y=C
E
X
N
[H]
y
N
H
45: X=C, Y=N
46: X=N, Y=C
NO2
43: X=C, Y=N
44: X=N, Y=C
Алкилирование 39 (например, бензилбромидом, 4-фенилбензилбромидом, бромистым аллилом, 2-диэтиламиноэтилбромидом) легко происходит в присутствии основания Хюнига (изо-Pr2 NEt) в диоксане при 115°С [20].
Аналогично 5-нитропиримидин-4(3Н)-оны 47 в результате обработки DMF-DMA
при 100°С образуют (E)-енамины 48 . Их каталитическое гидрирование приводит
к пирроло[3,2-d]пиримидинам 49 [21].
R2N
N
HN
47
R2N
CH3
N
H
C
N
R2N
N
DMF-DMA
N
100˚C
NO2
N
NO2
48 O
O
49 O
N
H
В реакции соединения 50 с DMF-DMA в безводном DMF получается соответствующий пиразоло[3,4-d]пиримидин 51 [20].
O
R
R
NH2
N
H
PhHN
50
DMF-DMA
N
NH
N
N
O
N
DMF
PhHN
51
N
H
R — 9,10-антрахинон-2-ил.
Взаимодействие соединения 52 с DMF-DMA в сухом диоксане даёт 2-циано-3диметиламино-N -(9,10-диоксо-9,10-дигидро-антрацен-2-ил)акриламид 53 , который может быть преобразован в производное пиразола 54 при нагревании с гидразин-гидратом [21].
O
O
R
CN
N
H
DMF-DMA
диоксан
R
N
H
CN
NH2NH2
N
52
53
O
H2N
R NH
54
N
NH
R — 9,10-антрахинон-2-ил.
Соединения 55 легко реагируют с DMF-DMA в толуоле при 80°С, с образованием
енаминов 56 с выходами 80–90%. Полученные енамины тёмно-красного цвета, твёрдые,
276
хорошо растворяются в толуоле, дихлорметане и спирте [22].
N
R
S
O2N
R
DMF-DMA
толуол
100˚C
O2N
S
S
SnCl2·2H2O
R
O2N
NO2
56 NO2
55
N
H
57
При обработке енаминов 56 SnCl2 · 2H2 O в смеси CH2 Cl2 /МеОН (1 : 1) были получены соответствующие индолы с выходами более 50%. Хлорид олова(II) использован
по двум причинам: во-первых, этот реагент не восстанавливает нитрогруппы в ароматическом кольце, а, во-вторых, реакция протекает при комнатной температуре. В аналогичной реакции образуется продукт гидролиза енамина 60 [22].
O
O2N
S
O
DMF-DMA
S
O2N
+ O2N
O
S
O
O
NO2
58
NO2
59
60
NO2
Взаимодействие соединения 61 с DMF-DMA при 100–120°С также приводит к образованию соответствующего енамина. При его циклизации происходит образование
соединения 62 , при отщеплении диметиламина от которого получается соответствующий карбазол 63 [23].
CO2Et
CO2Et
DMF-DMA
110˚C
Me
N
61 SO2Ph
CH
C
3ч
− MeOH
62
N
H
SO2Ph
NMe2
CO2Et
− NHMe2
63
N
SO2Ph
3. Применение диметилацеталя диметилформамида в качестве реагента
для дериватизации аналитов в газовой хроматографии.
3.1. Алкилирование соединений с активными атомами водорода. Диалкилацетали диметилформамида могут быть использованы в газохроматографическом
анализе для дериватизации различных функциональных групп, содержащих активные
атомы водорода, например для превращения кислот в их метиловые эфиры. Выделение производных не требуется, реакционные смеси можно непосредственно дозировать
в газовый хроматограф [4]. По литературным данным, основным продуктом реакций
с участием DMF-DMA является DMF. Механизм метилирования кислот, как полагают, включает образование карбоксилат-иона кислоты 65 и катиона реагента 66 [24].
277
Однако, по нашим данным, можно предположить, что реакция идёт через образование
интермедиата 67 , который далее распадается на диметиламин и метилформиат. Таким
образом, реакцию DMF-DMA и карбоновой кислоты можно представить следующими
схемами:
OH
O
OH
OH
O
+
+
N
+
O
N
N
+
− MeOH
O
COO−
O
COOH
H
O
65
66
O
O
R
N
+
OH
HO
O
O
O
+
R
1
N
O
(CH3)2NH + HC
O
O 67
Карбоновые кислоты, фенолы и тиолы вступают в реакцию с DMF-DMA с образованием соответствующих алкильных производных, спиртовые гидроксильные группы не
подвергаются метилированию. Дериватизация молочной, миндальной, яблочной и винной кислот происходит менее чем за 1 мин. Реакция идёт только после растворения
аналитов. Такой способ дериватизации подходит для флэш-алкилирования в момент
ввода образцов в хроматограф, что позволяет анализировать соединения в наномолярых количествах.
Обычная процедура дериватизации включает растворение аналита в 0,5 мл смеси
DMF-DMA и выбранного растворителя (1 : 1) при нагревании до 100°С. В качестве таких растворителей для жирных кислот рекомендован пиридин, для аминокислот — ацетонитрил [4]. В альтернативном методе смешивают 50 мг кислоты и 1 мл DMF-DMA
в запаянных ампулах, которые нагревают при 60°С в течение 10–15 мин или до полного
растворения аналита с последующим газохроматографическим анализом [4].
3.2. Получение N -DMAM производных первичных аминов. Дериватизация
первичных аминов диалкилацеталями N, N -диметилформамида приводит к образованию оснований Шиффа (68 ) [2, 25].
O
R
NH2 +
N
O
R
N
N
+ 2ROH
68
На примере циклооктиламина было показано, что его взаимодействие с DMF-DMA
в различных растворителях (пиридин, бензол, диметилформамид, хлороформ, дихлорметан, ацетонитрил, изооктан, метанол) идёт количественно. Максимальный выход
продукта реакции был зафиксирован через 10 мин после начала реакции, оптимальная
температура проведения реакции 100°С, при более высокой температуре происходит
термическая деградация реагента [2].
На рис. 1 представлен фрагмент хроматограммы N -DMAM производных анилина
69 и бензиламина 70 (данные авторов) со смесью нормальных алканов 11 , 13 , 15 ,
17 . На рис. 2 и 3 представлены их стандартные масс-спектры.
N
N
N
69
278
N
70
TIC
1,25
1,00
0,75
II
0,50
I
0,25
5,0
7,5
10,0
12,5
15,0
17,5
20,0
22,5
25,0
Рис. 1. Фрагмент хроматограммы N -DMAM производных анилина (69 ) (I)
и бензиламина (70 ) (II) (капиллярная колонка со стандартной неполярной
полидиметилсилоксановой неподвижной фазой)
3.3. Взаимодействие вторичных аминов с DMF-DMA. Взаимодействие вторичных аминов с диметилацеталем диметилформамида приводит к образованию N формильных производных 71 . Формильные производные элюируются позже исходных
аналитов.
O
R
R
O
R DMF-DMA
гидролиз
N
N
HN
H
R
R
O
R
5
Вторичный амин массой 100 мкг смешивали со 100 мкл ацеталя, нагревали при
80°С в течение 30 мин. Реакционные смеси либо сразу дозировали в хроматограф, либо разбавляли 1 мл воды и дважды экстрагировали 5 мл этилацетата [26]. Продуктом
реакции диалкилацеталей N, N -диметилформамида с дезипрамином 72 оказывается
N -формилдезипрамин 74 . Строение продуктов авторы доказывают на основании закономерностей их масс-спектрометрической фрагментации [27].
N
DMF-DMA
N
H
72
N
N
CH3
N
O
73
CH3
N
H
O
CH3
O
74
3.4. Получение производных аминокислот. Для газохроматографического разделения аминокислот необходима дериватизация обеих функциональных групп. Большинство методов дериватизации основаны на алкилировании карбоксильной группы
с последующим ацилированием аминогруппы (N -трифторацетильные производные метиловых эфиров, N -ацетилпроизводные пропиловых эфиров, N -трифторацетил-н-бутиловые эфиры и др.). Получение TMS-производных возможно в одну стадию, но оно
приводит к нескольким продуктам.
279
44
%
100
77
50
0
148
106
51
133
57
39
40
50
73
65
60
70
91
80
120
118
107
90
100
110
149
120
130
140
150
Рис. 2. Масс-спектр N -DMAM производного анилина 69 , M = 148
44
100
%
91
50
0
162
39
40
51
50
57
65
60
71
70
106
104
89
77
80
90
100
120
110
120
147
134
130
140
150
160
Рис. 3. Масс-спектр N -DMAM производного бензиламина 70 , M = 162
Реакция DMF-DMA с аминокислотами идёт только после их растворения. Следовательно, основной проблемой их анализа представляется выбор подходящих растворителей. Большинство аминокислот реагирует в течение 20 мин с DMF-DMA в смеси
с ацетонитрилом (1 : 1) при 100°С. Для растворения аспарагиновой кислоты в этой
смеси требуется больше времени (почти 1 ч). Для всех аминокислот отмечено образование единственных производных, в которых модифицированы обе функциональные
группы [19, 28]. В лизине обе аминогруппы подвергаются дериватизации. DMF-DMA
перед использованием рекомендуется высушивать и перегонять (из-за примесей, мешающих определению производных глицина и аланина). Все полученные производные
могут быть использованы для газохроматографического анализа [28].
На рис. 4 представлен фрагмент хроматограммы N -DMAM производного норлейцина 75 (данные авторов), а его масс-спектр — на рис. 5.
O
O
CH3
N
N
75
Рассматриваемый метод дериватизации был применен для определения таурина 76
в плазме крови человека. Кристаллическую аминокислоту нагревали в закрытой виале в смеси с 0,01 мл ацетонитрила и 0,01 мл DMF-DMA при 100°С в течение 3 мин.
Для детектирования N -DMAM производного таурина 77 использовали масс-cпектрометр [29].
O
HO S
O
NH2
76
DMF-DMA
100˚С, 3 мин
H 3C
N
H 3C
O
N
S
77
O
O
CH3
Гидроксизамещённые аминокислоты дают соответствующие производные без метилирования гидроксильных групп, их дополнительная модификация предполагает получение TMS-эфиров [28]. Примером таких соединений является нуклеозид 78 . Для хроматографического анализа сначала проводят его реакцию с DMF-DMA с получением
N -DMAM производного, затем О-силанизацию BSTFA и/или TMCS. Реакция c DMFDMA при комнатной температуре приводит к единственному продукту, время реакции
280
3,5 TIC
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
5,0
7,5
10,0
12,5
15,0
17,5
20,0
22,5
25,0
Рис. 4. Фрагмент хроматограммы N -DMAM производного норлейцина 75
44
%
100
141
50
156
42
0
57
40
50
85
69 73
60
70
80
97 99
90
143
112
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Рис. 5. Масс-спектр N -DMAM производного норлейцина 75 , M = 200
3 ч. После выпаривания избытка реагента получают TMS-производное 79 и проводят
его хромато-масс-спектрометрический анализ [30, 31].
N
N
N
O
HO
H
H
H OH
N
N(CH3)2
N
NH2
N
1) DMF-DMA, 3 ч
2) BSTFA / 1% TMS, 80˚С, 1 ч
N
O
O
H
TMS O
H
H
N
H
N
H
H
H
TMS 79
78
Этот метод можно использовать также для аминокислот, содержащих вторичные
аминогруппы. При этом образуются формильные производные эфиров.
H3C
N
H
COOH
80
DMF-DMA
H3C
COOCH3
N
CH(OCH3)2
81
H 2O
H3C
N
CHO
COOCH3
82
Кристаллические аминокислоты (10–50 мкг) растворяли в DMF-DMA (100 мкл)
в реакционной виале (1 мл) и нагревали при 100°С в течение 15 мин. После охлаждения добавляли 200 мкл воды и затем смесь экстрагировали хлороформом (500 мкл).
Хлороформный слой использовали для хромато-масс-спектрометрического анализа 82 .
Примером аминокислот со вторичной аминогруппой является 4-метиламинобутановая кислота 80 . При газохроматографическом анализе N -DMAM производного 4-метиламинобутановой кислоты на хроматограмме регистрируются два пика. Компонент
с меньшим временем удерживания представляет собой продукт трансаминирования 81 .
281
O
HO
H
CH3
H HO
N
O
H
OH
H
H
H 3C
O
83
После добавления воды к реакционной смеси его пик исчезает, тогда как второй увеличивается. Это позволило предположить, что N -формильное производное 82 образуется в результате гидролиза промежуточного продукта 81 [3].
Ещё одним примером эффективного применения DMFDMA для дериватизации соединений с несколькими активными атомами водорода является домоевая кислота 83 , содержащая три карбоксильные группы и одну вторичную
аминогруппу [32].
Литература
1. Zenkevich I. G. Derivatization of analytes in chromatography: General aspects // Encyclopedia of
chromatography: 3rd ed. New York: Taylor & Francis, 2010. Vol. 1. P. 561–566.
2. Barcel’o-Barrachina E., Santos F. J., Puignou L., Galceran M. T. Comparison of dimethylformamide
dialkylacetal derivatization reagents for the analysis of heterocyclic amines in meat extracts by gas
chromatography-mass spectrometry // Anal. Chim. Acta. 2005. Vol. 545. P. 209–217.
3. Reistad R., Rossland O. J., Latva-Kala K. J. et al. Heterocyclic aromatic amines in human urine following a fried meat meal // Food Chem. Toxicol. 1997, N 35. P. 945–955.
4. Orata F. Derivatization reactions and reagents for gas chromatography analysis // Advanced gas
chromatography — progress in agricultural, biomedical and industrial applications / ed. by M. A. Mohd.
InTech Europe (on-line), 2012. 460 p.
5. Abdulla R. F., Brinkmeyer R. S. The chemistry of formamide acetals // Tetrahedron. 1979. Vol. 35,
N 14. P. 1675–1735.
6. Li K., Feng J., Sun H. et al. Preparation of floxuridine like compounds as antitumor agents // Faming
Zhuanli Shenqing. Patent. 2012. 27 p.
7. Lin R., Weaner L. E. Facile synthesis of stable isotope-labeled antibacterial agent RWJ-416457 and
its metabolite // J. Label. Comp. Radiopharmaceuticals. 2012. Vol. 55, N 8. P. 296–299.
8. Yi P., Wei C., Yong T. Optimization on synthesis technology of N, N -dimethylformamide dimethyl
acetal // Jingxi Huagong Zhongjianti. 2008. Vol. 38, N 5. P. 25–26.
9. Wawer I., Osek J. 1 H and 13 C nuclear magnetic resonance identification of the products of the reaction
of N, N -dialkylformamide dimethyl acetals with secondary amines // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1985.
Vol. 2. P. 1669–1671.
10. Belov P., Campanella V. L., Smith A. W., Priefer R. Microwave-assisted methylation of phenols with
DMF-DMA // Tetrahedron Lett. 2011. Vol. 52. P. 2776–2779.
11. Ludwig J., Bovens S., Brauch C. et al. Design and synthesis of 1-indol-1-yl-propan-2-ones as inhibitors
of human cytosolic phospholipase A2r // J. Med. Chem. 2006. Vol. 49. P. 2611–2620.
12. Tsai T.-Y., Hsu T., Chen C.-T. et al. Rational design and synthesis of potent and long-lasting glutamic acid-based dipeptidyl peptidase IV inhibitors // Bioorg. Med. Chem. Lett. 2009. Vol. 19. P. 1908–1912.
13. Gupton J. T., Miller J. F., Bryant R. D. et al. The preparation of aromatic amidino esters and their
reaction with primary amines // Tetrahedron. 1987. Vol. 43, N 8. P. 1747–1752.
14. Deau E., Hedou D., Chosson E. et al. Convenient one-pot synthesis of N3-substituted pyrido[2,3-d]-,
pyrido[3,4-d]-, pyrido[4,3-d]-pyrimidin-4(3H)-ones, and quinazolin-4(3H)-ones analogs // Tetrahedron Lett.
2013. Vol. 54 P. 3518–3521.
15. Osei-Twum E. Y., Mamer 0. A., Quilliam M. A., Gergely R. N -dimethylaminomethyllene-O-trialkylsilyl derivatives of nucleosides for chromatography and mass spectrometry // Nucleosides & Nucleotides.
1990. Vol. 9, N 3. P. 369–372.
16. He L., Pei H., Ma L. et al. Synthesis and lipid-lowering evaluation of 3-methyl-1H-purine-2,6-dione
derivatives as potent and orally available anti-obesity agents // Eur. J. Med. Chem. 2014. Vol. 87. P. 595–610.
17. Deng X.-Q., Song M.-X., Zheng Y., Quan Z.-S. Design, synthesis and evaluation of the antidepressant and anticonvulsant activities of triazole-containing quinolinones // Eur. J. Med. Chem. 2014. Vol. 73.
P. 217–224.
18. Zhu J., Wong H., Zhang Z. et al. An effective procedure for the preparation of 3-substituted-4- or
6-azaindoles from ortho-methyl nitro pyridines // Tetrahedron Lett. 2006. Vol. 47. P. 5653–5656.
19. Davey R. M., Stamford N. P. J. Catalytic enamines from dialkylamide-dialkylacetals // Tetrahedron
Lett. 2012. Vol. 53, N 20. P. 2537–2539.
20. Husek P., Macek K. Gas chromatography of amino acids // J. Chromatogr. 1975. Vol. 113. P. 139–230.
282
21. Linz S., Müller J., Hübner H. et al. Design, synthesis and dopamine D4 receptor binding activities
of new N -heteroaromatic 5/6-ring Mannich bases // Bioorg. Med. Chem. 2009. Vol. 17. P. 4448–4458.
22. Rozhkov V. V. Synthesis of 6-nitro-4-sulfanyl-1H-indole derivatives from 2,4,6-trinitrotoluene // Tetrahedron. 2014. Vol. 70. P. 3595–3600.
23. Sureshbabu R., Balamurugan R., Mohanakrishnan A. K. Synthesis of substituted carbazoles via electrocyclization of in situ generated enamines from 1-phenylsulfonyl-2/(3)-methyl-3/(2)-vinylindoles and DMFDMA // Tetrahedron. 2009. Vol. 65. P. 3582-3591.
24. Meierhenrich U., Thiemann W. H. P., Rosenbauer H. Pyrolytic methylation assisted enantioseparation of chiral hydroxycarboxylic acids // J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2001. Vol. 60. P. 13–26.
25. Kataoka H. Derivatization reactions for the determination of amines by gas chromatography and
their applications in environmental analysis // J. Chromatogr. 1996. Vol. 733. P. 19–34.
26. Thenot J.-P., Ruo T. I., Bouwsma O. J. Formylation of secondary mines with dimethylformamide
dimethylacetal // Anal. Lett. (A). 1980. Vol. 9, N 13. P. 759–769.
27. Nayar M. S. B., Callery P. S. Formylation of secondary amines with diakyl acetals of dimethylformamide // Anal. Lett. (A). 1980. Vol. 7, N 13. P. 625–634.
28. Thenot J. P., Horning E. C. Amino acid N -dimethylaminomethylene alkyl esters new derivatives for
GC and GC-MS studies // Anal. Lett. 1972. Vol. 5, N 8. P. 519–529.
29. Irving C. S., Klein P. D. Isolation and derivatization of plasma taurine for stable isotope analysis by
gas chromatography-mass spectrometry // Anal. Biochem. 1980. Vol. 107. P. 251–259.
30. Osei-Twum E. Y. Chemical derivatization for liquid chromatography and mass spectrometry of nucleosides and their analogs // Thesis submitted to the School of Graduate Studies in Partial Fulfillment of
the Requirement for the Degree Master of Science. McMaster University, 1981.
31. Osei-Twum E. Y., Mamer 0. A., Quilliam M. A., Gergely R. N -Dimethylaminomethylene-O-trialkylsilyl derivatives of nucleosides for chromatography and mass spectrometry // Nucleosides & Nucleotides.
1990. Vol. 9, N 3. P. 369–372.
32. Hadley S. W., Braun S. K., Wekell M. M. Confirmation of domoic acid as an N -formyl-O-methyl
derivative in shellfish tissues by gas chromatography — mass spectrometry // Seafood Safety, Processing
Biotechnol. 1997. P. 25–32.
References
1. Zenkevich I.G. Derivatization of analytes in chromatography: General aspects. Encyclopedia of chromatography. 3rd ed. New York: Taylor & Francis, 2010, vol. 1, pp.561–566.
2. Barcel’o-Barrachina E., Santos F.J., Puignou L., Galceran M.T. Comparison of dimethylformamide
dialkylacetal derivatization reagents for the analysis of heterocyclic amines in meat extracts by gas
chromatography-mass spectrometry. Anal. Chim. Acta., 2005, vol. 545, pp.209–217.
3. Reistad R., Rossland O.J., Latva-Kala K.J. et al. Heterocyclic aromatic amines in human urine
following a fried meat meal. Food Chem. Toxicol., 1997, no 35, pp.945–955.
4. Orata F. Derivatization reactions and reagents for gas chromatography analysis. Advanced gas chromatography — progress in agricultural, biomedical and industrial applications. Ed. by M.A. Mohd. InTech
Europe (on-line), 2012. 460 p.
5. Abdulla R.F., Brinkmeyer R.S. The chemistry of formamide acetals. Tetrahedron, 1979, vol. 35,
no 14, pp.1675–1735.
6. Li K., Feng J., Sun H. et al. Preparation of floxuridine like compounds as antitumor agents. Faming
Zhuanli Shenqing. Patent. 2012. 27 p.
7. Lin R., Weaner L.E. Facile synthesis of stable isotope-labeled antibacterial agent RWJ-416457 and
its metabolite. J. Label. Comp. Radiopharmaceuticals, 2012, vol. 55, no 8, pp.296–299.
8. Yi P., Wei C., Yong T. Optimization on synthesis technology of N, N -dimethylformamide dimethyl
acetal. Jingxi Huagong Zhongjianti, 2008, vol. 38, no 5, pp.25–26.
9. Wawer I., Osek J. 1 H and 13 C nuclear magnetic resonance identification of the products of the
reaction of N, N -dialkylformamide dimethyl acetals with secondary amines. J. Chem. Soc., Perkin Trans,
1985, vol. 2, pp.1669–1671.
10. Belov P., Campanella V.L., Smith A.W., Priefer R. Microwave-assisted methylation of phenols with
DMF-DMA. Tetrahedron Lett., 2011, vol. 52, pp.2776–2779.
11. Ludwig J., Bovens S., Brauch C. et al. Design and synthesis of 1-indol-1-yl-propan-2-ones as inhibitors of human cytosolic phospholipase A2r. J. Med. Chem., 2006, vol. 49, pp.2611–2620.
12. Tsai T.-Y., Hsu T., Chen C.-T. et al. Rational design and synthesis of potent and long-lasting glutamic acid-based dipeptidyl peptidase IV inhibitors. Bioorg. Med. Chem. Lett., 2009, vol. 19, pp.1908–1912.
13. Gupton J.T., Miller J.F., Bryant R.D. et al. The preparation of aromatic amidino esters and their
reaction with primary amines. Tetrahedron, 1987, vol. 43, no 8, pp.1747–1752.
283
14. Deau E., Hedou D., Chosson E. et al. Convenient one-pot synthesis of N3-substituted pyrido[2,3-d]-,
pyrido[3,4-d]-, pyrido[4,3-d]-pyrimidin-4(3H)-ones, and quinazolin-4(3H)-ones analogs. Tetrahedron Lett.,
2013, vol. 54, pp.3518–3521.
15. Osei-TwumE.Y., Mamer 0.A., QuilliamM.A., Gergely R. N -dimethylaminomethyllene-O-trialkylsilyl derivatives of nucleosides for chromatography and mass spectrometry. Nucleosides & Nucleotides, 1990,
vol. 9, no 3, pp.369–372.
16. He L., Pei H., Ma L. et al. Synthesis and lipid-lowering evaluation of 3-methyl-1H-purine-2,6-dione derivatives as potent and orally available anti-obesity agents. Eur. J. Med. Chem., 2014, vol. 87,
pp.595–610.
17. Deng X.-Q., Song M.-X., Zheng Y., Quan Z.-S. Design, synthesis and evaluation of the antidepressant
and anticonvulsant activities of triazole-containing quinolinones. Eur. J. Med. Chem., 2014, vol. 73, pp.217–
224.
18. Zhu J., Wong H., Zhang Z. et al. An effective procedure for the preparation of 3-substituted-4- or
6-azaindoles from ortho-methyl nitro pyridines. Tetrahedron Lett., 2006, vol. 47, pp.5653–5656.
19. Davey R.M., Stamford N.P.J. Catalytic enamines from dialkylamide-dialkylacetals. Tetrahedron
Lett., 2012, vol. 53, no 20, pp.2537–2539.
20. Husek P., Macek K. Gas chromatography of amino acids. J. Chromatogr., 1975, vol. 113, pp.139–230.
21. Linz S., Müller J., Hübner H. et al. Design, synthesis and dopamine D4 receptor binding activities
of new N -heteroaromatic 5/6-ring Mannich bases. Bioorg. Med. Chem., 2009, vol. 17, pp.4448–4458.
22. Rozhkov V.V. Synthesis of 6-nitro-4-sulfanyl-1H-indole derivatives from 2,4,6-trinitrotoluene. Tetrahedron, 2014, vol. 70, pp.3595–3600.
23. Sureshbabu R., Balamurugan R., Mohanakrishnan A.K. Synthesis of substituted carbazoles via
electrocyclization of in situ generated enamines from 1-phenylsulfonyl-2/(3)-methyl-3/(2)-vinylindoles and
DMF-DMA. Tetrahedron, 2009, vol. 65, pp.3582-3591.
24. Meierhenrich U., Thiemann W.H.P., Rosenbauer H. Pyrolytic methylation assisted enantioseparation
of chiral hydroxycarboxylic acids. J. Anal. Appl. Pyrolysis, 2001, vol. 60, pp.13–26.
25. Kataoka H. Derivatization reactions for the determination of amines by gas chromatography and
their applications in environmental analysis. J. Chromatogr., 1996, vol. 733, pp.19–34.
26. Thenot J.-P., Ruo T.I., Bouwsma O.J. Formylation of secondary mines with dimethylformamide
dimethylacetal. Anal. Lett. (A), 1980, vol. 9, no 13, pp.759–769.
27. Nayar M.S.B., Callery P.S. Formylation of secondary amines with diakyl acetals of dimethylformamide. Anal. Lett. (A), 1980, vol. 7, no 13, pp.625–634.
28. Thenot J.P., Horning E.C. Amino acid N -dimethylaminomethylene alkyl esters new derivatives for
GC and GC-MS studies. Anal. Lett., 1972, vol. 5, no 8, pp.519–529.
29. Irving C.S., Klein P.D. Isolation and derivatization of plasma taurine for stable isotope analysis by
gas chromatography-mass spectrometry. Anal. Biochem., 1980, vol. 107, pp.251–259.
30. Osei-Twum E.Y. Chemical derivatization for liquid chromatography and mass spectrometry of nucleosides and their analogs. Thesis submitted to the School of Graduate Studies in Partial Fulfillment of the
Requirement for the Degree Master of Science. McMaster University, 1981.
31. Osei-Twum E.Y., Mamer 0.A., Quilliam M.A., Gergely R. N -Dimethylaminomethylene-O-trialkylsilyl derivatives of nucleosides for chromatography and mass spectrometry. Nucleosides & Nucleotides, 1990,
vol. 9, no 3, pp.369–372.
32. Hadley S.W., Braun S.K., Wekell M.M. Confirmation of domoic acid as an N -formyl-O-methyl
derivative in shellfish tissues by gas chromatography — mass spectrometry. Seafood Safety, Processing
Biotechnol., 1997, pp.25–32.
Стaтья пoступилa в pедaкцию 10 марта 2015 г.
Контактная информация
Пушкарёва Татьяна Ивановна — студентка; e-mail: [email protected]
Зенкевич Игорь Георгиевич — доктор химических наук, профессор; [email protected]
Pushkareva Tatiana I. — student; e-mail: tatyana [email protected]
Zenkevich Igor G. — Doctor of Chemistry, Professor; [email protected]
284