ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ, 2019, том 89, № 1, с. 19-24
УДК 544.183;544.176;548.737
МЕТОДЫ КВАНТОВОЙ ХИМИИ,
СПЕКТРОСКОПИИ ЯМР И МОНОКРИСТАЛЬНОЙ
ДИФРАКТОМЕТРИИ В АНАЛИЗЕ ПУТЕЙ
ПРОТОНИРОВАНИЯ 2-АМИНО-4-БЕНЗИЛСУЛЬФАНИЛ-
6-МЕТИЛПИРИМИДИНОВ
© 2019 г. А. В. Еркинa, *, В. В. Гуржийb, В. И. Крутиковa, О. В. Непорожневаa
a Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013 Россия
*e-mail: kruerk@yandex.ru
b Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
Поступило в Редакцию 7 июня 2018 г.
После доработки 7 июня 2018 г.
Принято к печати 14 июня 2018 г.
Полуэмпирическим методом PM3, спектроскопией ЯМР 13С и монокристальной дифрактометрией
исследованы направления протонирования 2-амино-4-бензилсульфанил-6-метилпиримидинов. В газовой
фазе и в биполярном апротонном растворителе рассматриваемый процесс протекает с участием атома N1.
Кристаллическое состояние характеризуется образованием разветвленной системы H-связей, включающей
помимо указанного атома протоны аминогруппы.
Ключевые слова:
2-амино-6-метилпиримидин-4(3Н)-тион, бензилхлориды, протонирование, полу-
эмпирический метод PM3, спектроскопия ЯМР 13С, монокристальная дифрактометрия
DOI: 10.1134/S0044460X19010037
Азолы занимают центральное место в лечении
пропусканием тока сухого хлороводорода через
инфекционных заболеваний, вызываемых пато-
растворы (суспензии) свободных оснований в
генными дрожжеподобными грибами рода Candida
абсолютном бензоле до насыщения, и 2-амино-4-
[1]. Несмотря на это, потенциал использования в
бензилсульфанил-6-метилпиримидины 2а-в, полу-
медицинской практике имеют также и произ-
ченные S-алкилированием
2-амино-6-метилпири-
водные других классов гетероциклических соеди-
мидин-4(3Н)-тиона 3 бензилхлоридами в водном
нений. Так, нами установлено, что гидрохлориды
этаноле в присутствии гидроксида натрия (схема 1).
некоторых
2-амино-4-бензилсульфанил-6-метил-
В ходе работы были исследованы различные пути
пиримидинов подавляют рост грибов Candida
протонирования свободных оснований
2а-в
albicans (штамм 15) in vitro на 100% в низких
совокупным применением полуэмпирического
концентрациях (значения минимальных концентра-
метода PM3, корректно описывающего электрон-
ций ингибирования MIC100 находятся в пределах
ные и энергетические характеристики серосодер-
0.09-0.11 ммоль/л). При этом свободные основания
жащих пиримидинов [2, 3], данных спектроскопии
не проявляют противогрибковой активности, по
ЯМР 13С и монокристальной дифрактометрии.
крайней мере, в указанном концентрационном
Ранее гетероядерной спектроскопией ЯМР 1H-13C
интервале. В этой связи особенно важным представ-
и
1H-15N было показано, что протонирование
ляется выяснение роли солеобразования в подав-
изостерических аналогов соединений
2а-в,
лении роста грибов использованной культуры.
2-алкилсульфанил-4-аминопиримидинов, протекает
с участием атома N1 кольца [4].
В качестве объектов исследования нами были
выбраны гидрохлориды
2-амино-4-бензилсуль-
Физико-химические и спектральные характерис-
фанил-6-метилпиримидинов
1а-в, полученные
тики соединений 1а-в и 2а-в представлены в
19
20
ЕРКИН и др.
Схема 1.
CH3
CH3
CH3
ArCH2Cl
HCl
N
N
N
.HCl
NH2
N
S
NH2
N S
Ar
NH2
N S
Ar
H
3
в
в
Ar = Ph (а), 4-FC6H4 (б), 2,4-Cl2C6H3 (в).
табл.
1 и
2 соответственно. Принципиальным
Из атомов азота свободных оснований 2а-в
отличием спектров ЯМР 1Н гидрохлоридов 1а-в от
потенциальными центрами протонирования являются
спектров свободных оснований
2а-в является
только те, которые входят в состав цикла, однако
расщепление сигнала экзоциклической амино-
направление этого процесса ввиду незначитель-
группы, проявляющегося в виде двух уширенных
ного (около
10%) различия в величинах
синглетов в областях 7.8-7.9 и 8.7-8.9 м. д.
отрицательных зарядов, локализованных на атомах
N1 и N3, невозможно определить однозначно.
Взаимодействие свободных оснований 2а-в с
Вместе с тем сравнение энтальпий образования
хлороводородом,
дающее соответствующие
Hºf) катионов N1H+ и N3H+ свидетельствует о
гидрохлориды 1а-в, которые можно представить в
большей термодинамической устойчивости первого
виде структур А или Б (схема 2), протекает под
(табл. 4); это обстоятельство, в свою очередь, дает
контролем заряда. Это следует из сопоставления
основание полагать, что протонирование соеди-
энергий ВЗМО доноров электронной плотности
нений 2а-в в газовой фазе происходит с участием
(соединений
2а-в) и НСМО акцептора
атома N1.
электронной плотности (HCl, EНСМО = 1.543 эВ)
(табл. 3).
Этот же вывод оказывается справедливым для
растворов гидрохлоридов
1а-в в ДМСО-d6,
Схема 2.
спектры ЯМР 13С которых отличаются от спектров
CH3
CH3
свободных оснований 2а-в смещением характерис-
тических сигналов [6] атомов углерода метильных
Cl
Cl
+HN
N
групп и положения 4 гетероколец в различные
области. Первые претерпевают сдвиг, составляю-
NH2
N S
Ar
NH2
N
S
Ar
щий ~4.5 м. д., в сильное поле, а вторые, иденти-
H+
фицированные среди прочих сигналов с помощью
А
Б
данных работы [7], - в слабое (ΔδС ~ 9.2 м. д.,
Таблица 1. Выходы, температуры плавления, данные ТСХ и элементного анализа для соединений 1а-2в
Найдено, %
Вычислено, %
Выход, %
Т. пл., ºС
R
Брутто-формула
C
H
N
C
H
N
70
180
0.75
53.42
5.29
15.37
C12H13N3S∙HCl
53.82
5.27
15.69
77
171
0.74
50.32
4.41
14.35
C12H12FN3S∙HCl
50.44
4.59
14.70
84
193
0.77
42.41
3.55
12.31
C12H11Cl2N3S∙HCl
42.81
3.59
12.48
62
123б
0.78
61.85
5.68
17.91
C12H13N3S
62.31
5.66
18.17
48
140
0.76
57.34
4.72
16.68
C12H12FN3S
57.81
4.85
16.85
40
164в
0.78
47.63
3.56
13.88
C12H11Cl2N3S
48.01
3.69
14.00
а Исходный тион 3 характеризуется значением Rf = 0.63. б Т. пл. 118-120ºС [5]. в Т. пл. 157-160ºС [5].
ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ ТОМ 89 № 1 2019
МЕТОДЫ КВАНТОВОЙ ХИМИИ
21
Схема 3.
CH3
CH3
CH3
HN
+HN
HN
H
NH
N
C+ S
Ar
NH2
N S
Ar
N+
N S
Ar
2
H
В
Д
Г
Таблица 2. Параметры спектров ЯМР 1H и 13С соединений 1а-2в
δ, м. д. (J, Гц)
δС, м. д. (J, Гц)
2.33 с (3H, CH3), 4 .47 с (2H, CH2), 6.82 c (1H, CH), 7.24-
19.08 (CH3), 33.39, 107.2, 127.9, 129.0, 129.7,
7.47 м (5H, Ph), 7.90 уш. c (1H, NH2), 8.75 уш. c (1H, NH2)
137.2, 155.3, 155.9, 177.8 (С4)
2.32 с (3H, CH3), 4.46 с (2H, CH2), 6.85 c (1H, CH), 7.15 т
19.03 (CH3), 32.54, 107.3, 115.7 д (2JCF = 21.4),
(2H, Ar, 3JHH = 3JHF = 8.7,), 7.53 т (2H, Ar, 3JHH = 8.3, 4JHF =
131.7 д (3JCF = 8.0), 133.6, 155.3, 155.8,
5.7), 7.90 уш. c (1H, NH2), 8.88 уш. c (1H, NH2)
161.9 д (1JCF = 240.0), 177.7 (С4)
2.31 с (3H, CH3), 4.52 с (2H, CH2), 6.85 c (1H, CH), 7.40 д.
19.26 (CH3), 31.01, 107.3, 127.9, 129.4, 133.6,
д (1H, Ar, 3JHH = 8.3, 4JHH = 2.2), 7.67 д (1H, Ar, 4JHH = 2.2),
133.7, 133.9, 134.8, 155.5, 156.5, 176.6 (С4)
7.82 д (1H, Ar, 3JHH = 8.3), 7.88 уш. c (1H, NH2), 8.87 уш. c
(1H, NH2)
2.14 с (3H, CH3), 4.35 с (2H, CH2), 6.35 c (1H, CH), 6.53 c
23.69 (CH3), 32.36, 106.3, 127.5, 128.8, 129.4,
(2H, NH2), 7.22-7.40 м (5H, Ph)
138.5, 162.9, 166.3, 168.6 (С4)
2.14 с (3Н, CH3), 4.33 с (2H, CH2), 6.31 c (1H, CH), 6.49 c
23.67 (CH3), 31.45, 106.3, 115.5 д (2JCF = 20.7),
(2H, NH2), 7.06 т (2H, Ar, 3JHH = 3JHF = 8.5), 7.44 т (2H, Ar,
131.4 д (3JCF = 8.0), 134.9, 161.6 д (1JCF = 240.0),
3JHH = 8.3, 4JHF = 5.7)
162.9 , 166.4, 168.4 (С4)
2.14 с (3Н, CH3), 4.41 с (2H, CH2), 6.31 c (1H, CH), 6.56 c
23.65 (CH3), 29.69, 106.4, 127.8, 129.2, 133.1,
(2H, NH2), 7.31 д. д (1H, Ar, 3JHH = 8.3, 4JHH = 2.2), 7.52 д
133.4, 134.7, 135.4, 162.9, 166.5, 167.5 (С4)
(1H, Ar, 4JHH = 2.2), 7.72 д (1H, Ar, 3JHH = 8.3)
табл.
2). На наш взгляд, подобное смещение
Значения δС сигналов атомов С2 и С6,
сигналов экзоциклических атомов углерода и
располагающихся в более сильном поле (155.3-
атомов С4 гидрохлоридов
1а-в обусловлено
156.5 м. д.), также подтверждают, что наиболее
изменением гибридизации (sp2sp3) атома N1
электронодефицитным в гидрохлоридах
1а-в
свободных оснований 2а-в вследствие протониро-
является положение
4 гетерокольца. Очевидно,
вания. Образующаяся при этом резонансная форма
локализация положительного заряда в указанном
В превалирует над канонической формой Г (схема 3),
положении обеспечивает максимально эффектив-
несмотря на то, что энергия электронного перехода
ную стабилизацию протонированной структуры Д
π→π* превышает таковую перехода n→π*.
(схема 3).
Таблица 3. Энергия ВЗМО и заряды на атомах азота
Таблица 4. Энтальпии образования катионов соединений
соединений 2а-в
2а-в
Заряды на атомах, ед. заряда
ΔHf, кДж/моль
Энергия ВЗМО,
эВ
N1
N3
Nex
N1H+
N3H+
-8.857
-0.175
-0.192
0.126
2281
5535
-8.943
-0.173
-0.193
0.128
2110
5338
-8.819
-0.174
-0.192
0.124
2194
5212
ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ ТОМ 89 № 1 2019
22
ЕРКИН и др.
Таблица 5. Кристаллографические данные и параметры уточнения структуры соединения
Параметр
Значение
Параметр
Значение
Формула
(C12H13.5N3S)6(ClH0.5)6(H2O)4.5
Размер кристалла, мм3
0.11×0.02×0.01
М
1687.70
Излучение
CuKα
Т, K
100(2)
Всего рефлексов
46830
Сингония
Моноклинная
Независимых рефлексов
15629
Пространственная группа
P21
Область измерений 2σ, град
4.64-140.00
a, Å
10.5002(2)
Рефлексов с |Fo| ≥ 4σF
14374
b, Å
20.7851(3)
Rint
0.0457
c, Å
19.3688(4)
Rσ
0.0473
β, град
100.452(2)
R1 (|Fo| ≥ 4 ≥ σF)
0.0433
V, Å3
4157.04(13)
wR2 (|Fo| ≥ 4 ≥ σF)
0.1090
μ, мм-1
3.766
R1 (все данные)
0.0478
Z
2
wR2 (все данные)
0.1133
dвыч, г/см3
1.348
S
1.085
ρmin, ρmax, e3
-0.843, 0.428
Анализ
рентгеноструктурных
данных
данных разностного Фурье-синтеза, важно
соединения позволяет заключить, что переход
отметить, что атомы водорода у N1 и Cl1 имеют
от растворов гидрохлоридов 1а-в в ДМСО-d6 к их
одинаковую неполную заселенность (0.5 а. е.),
кристаллическим формам не сопровождается
ориентированы в пространстве друг по направ-
изменением центра протонирования. Напротив,
лению к другу, а их одновременная локализация
атом N1 каждой из шести кристаллографически
реализуется только статистически. Объединение
неэквивалентных молекул свободного основания
этих молекул в трехмерную структуру происходит,
(табл. 5) помимо ожидаемой водородной связи
в первую очередь, за счет разветвленной системы
N1∙∙∙H1-Cl1 образует прочную ковалентную связь
водородных связей (табл. 6) и благодаря ван-дер-
N1-H1∙∙∙Cl1 [d(N1-H1) = 0.860Å, ω(N1-H1∙∙∙Cl1) =
ваальсовым взаимодействиям.
156°-170°] (см. рисунок). При этом, исходя из
Таким образом, оценка потенциальных путей
протонирования
2-амино-4-бензилсульфанил-6-
метилпиримидинов полуэмпирическим методом
PM3, анализ спектров ЯМР 13С их гидрохлоридов и
кристаллографических
данных одного из
представителей последних убедительно свидетель-
ствуют о протонировании свободных оснований с
участием атома N1 гетерокольца. Иными словами,
строение гидрохлоридов
2-амино-4-бензилсуль-
фанил-6-метилпиримидинов независимо от того,
находятся ли они в газовой фазе, в растворе в
ДСМО-d6 или в кристаллическом состоянии,
отвечает структуре А (схема 2).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Фрагмент структуры гидрохлорида
. Эллипсоиды
тепловых колебаний изображены на уровне вероятности
Оптимизация геометрии свободных оснований
50%.
2а-в выполнена по алгоритму Флетчера-Ривса с
ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ ТОМ 89 № 1 2019
МЕТОДЫ КВАНТОВОЙ ХИМИИ
23
помощью пакета программ HyperChem (Release
Таблица 6. Параметры водородных связей в кристалле
8.0.8). Критерием окончания этого процесса
соединения
служило достижение градиентом полной энергии
Связь
Длина, d, Å
Угол, ω, град
их молекул величины 0.1 ккал/(Å·моль). Спектры
Cl1C∙∙∙H-N9A
2.477
149.8
ЯМР 1Н и 13С (с полной спиновой развязкой от
протонов) записывали на спектрометре Bruker
Cl1C∙∙∙H-O1B
2.366
164.2
Avance III (400.13 и 100.63 МГц соответственно) в
Cl1C∙∙∙H-N9C
2.459
157.2
ДМСО-d6. Элементный анализ выполняли с
O1C∙∙∙H-N9C
2.041
159.0
использованием анализатора Flash EA
1112.
Индивидуальность веществ контролировали методом
Cl1D∙∙∙H-O1C
2.399
171.7
ТСХ на пластинах Silufol UV-254 в системе
Cl1E∙∙∙H-O1C
2.331
153.8
1-бутанол-уксусная кислота-вода,
1:1:1. Прояв-
ление пятен осуществляли УФ светом с длиной
Cl1E ∙∙∙H1C-N1C
2.245
169.9
волны 254 нм.
Cl1E-H1EA∙∙∙N1C
1.893
175.3
Анализ монокристаллов соединения , получен-
Cl1D∙∙∙H-N9E
2.398
159.6
ных медленным испарением воды из раствора
Cl1E∙∙∙H-N9A
2.298
164.0
свободного основания в концентрированной
соляной кислоте при комнатной температуре,
проведен в Ресурсном центре Санкт-Петербург-
и d(N-H) = 0.86 Å для групп NH2 и NH. Позиции
ского государственного университета «Рентгено-
атомов водорода молекул H2O и HCl локализованы
дифракционные методы исследования» с исполь-
из разностного Фурье-синтеза и фиксированы в
зованием дифрактометра Rigaku Oxford Diffraction
процессе уточнения с 1.5Ueq(O). Полные данные
SuperNova XtaLAB, оснащенного двумерным
депонированы в Кембриджский банк кристалло-
полупроводниковым детектором отраженных
структурных данных (CCDC 1834763).
рентгеновских лучей HyPix-3000. Измерения прово-
Общая методика синтеза гидрохлоридов
дили при 100 K с использованием микрофокусного
2-амино-4-бензилсульфанил-6-метилпиримидинов
монохроматического CuKα-излучения. Параметры
(1а-в). Через раствор (суспензию) 0.3 г свободного
элементарной ячейки (моноклинная сингония,
основания 2а-в в 15 мл абсолютного бензола
пространственная группа P21, a = 10.5002(2) Å, b =
пропускали сильный ток сухого хлороводорода
20.7851(3) Å, c = 19.3688(4) Å, β = 100.452(2)°, V =
при комнатной температуре до насыщения. После
4157.04(13) Å3, Z
=
2) уточнены методом
удаления растворителя в вакууме (или фильтро-
наименьших квадратов на основе 46830 рефлексов
вания) остаток тщательно промывали горячим цикло-
с
2θ в пределах
4.64°-140.00°. Данные были
гексаном и сушили при 70°С до постоянной массы.
проинтегрированы с поправками на фон, Лоренца
и поляризационные эффекты в программном
Общая методика синтеза 2-амино-4-бензил-
комплексе CrysAlisPro [8]. Поправка на поглоще-
сульфанилметилпиримидинов (2а-в). К раствору
ние введена в программном комплексе CrysAlisPro
0.4 г тиона 3 [11] и 2 г гидроксида натрия в 18 мл
эмпирически с помощью сферических гармоник,
воды по каплям и при интенсивном переме-
реализованных в алгоритме шкалирования
шивании прибавляли раствор эквимольного
SCALE3 ABSPACK. Структура решена прямыми
количества соответствующего бензилхлорида в
методами и уточнена до R1 = 0.043 (wR2 = 0.109)
3 мл этанола. По окончании прибавления эмульсию
для 14374 независимых рефлексов с |Fo| ≥ 4σF с
медленно нагревали до 80°С и выдерживали при
использованием программы SHELX [9] встроенной
этой температуре 1 ч. Образовавшуюся суспензию,
в комплекс OLEX2 [10]. Позиции атомов водорода
охлажденную до комнатной температуры, фильтро-
рассчитаны по алгоритмам, заложенным в
вали. Осадок промывали водой и сушили в вакууме
программном комплексе SHELX, где Uiso(H)
=
над пентаоксидом фосфора, затем пере-
1.5Ueq(C) и d(C-H) = 0.96 Å для групп CH3, Uiso(H) =
кристаллизовывали из циклогексана (соединение
1.2Ueq(C) и d(C-H) = 0.97 Å для групп CH2, Uiso(H) =
) или смеси циклогексан-этанол, 10:1 (соеди-
1.2Ueq(C) и d(C-H) = 0.93 Å для групп CH цикли-
нение ), циклогексан-этанол, 20:3 (соединение
ческих фрагментов, Uiso(H) = 1.2Ueq(C) и d(C-H) =
), промывали циклогексаном и сушили при 60°С
0.98 Å для третичных групп CH и Uiso(H) = 1.2Ueq(N)
до постоянной массы.
ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ ТОМ 89 № 1 2019
24
ЕРКИН и др.
Авторы выражают глубокую благодарность
Smith M.B., Reznik V.S., Latypov S.K. // J. Phys. Chem.
В.В. Тецу и сотрудникам Первого Санкт-
B. 2008. Vol. 112. N 10. P. 3259. doi
10.1021/
jp710952r
Петербургского государственного университета
5. Koppel H.C., Springer R.H., Robins R.K., Cheng C.C. //
им. академика И.П. Павлова за проведение
J. Org. Chem. 1961. Vol. 26. N 3. P. 792. doi 10.1021/
микробиологических исследований.
jo01062a037
6. The Pyrimidines / Eds D.J. Brown, F.R. Evans, W.B.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Cowden, M.D. Fenn. New York: John Wiley & Sons,
1994. P. 867.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта
7. Barlin G.B., Brown D.J., Fenn M.D. // Austral. J. Chem.
интересов.
1984. Vol. 37. N 11. P. 2391. doi 10.1071/CH9842391
8. CrysAlisPro, Rigaku Oxford Diffraction, Version
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.171.39.35a, 2017.
1. Geronikaki A., Fesatidou M., Kartsev V., Macaev F. //
9. Sheldrick G.M. // Acta Crystallogr. (C). 2015. Vol. 71.
Curr. Top. Med. Chem. 2013. Vol. 13. N 21. P. 2684.
Pt 1. P. 3. doi 10.1107/S2053229614024218
doi 10.2174/15680266113136660195
10. Dolomanov O.V., Bourhis L.J., Gildea R.J., Ho-
2. Öǧretir C., Yaman M. // J. Mol. Struct. (THEOCHEM).
ward J.A.K., Pushmann H. // J. Appl. Cryst.
2009.
1999. Vol. 458. N 3. P. 217. doi 10.1016/S0166-1280
Vol. 42. Pt 2. P. 339. doi 10.1107/S0021889808042726
(98)00070-0
11. Еркин А.В., Гуржий В.В., Крутиков В.И. // ЖОХ.
3. Civcir P.Ü. // J. Phys. Org. Chem. 2001. Vol. 14. N 3.
2015. Т. 85. Вып. 1. С. 86; Erkin A.V., Gurzhii V.V.,
P. 171. doi 10.1002/poc.349
Krutikov V.I. // Russ. J. Gen. Chem. 2015. Vol. 85. N 1.
4. Kozlov A.V., Semenov V.E., Mikhailov A.S., Aganov A.V.,
P. 79. doi 10.1134/S107036321501014
Quantum Chemistry, NMR Spectroscopy, and Single Crystal
Diffractometry Methods in the Analysis of Protonation Ways
of 2-Amino-4-benzylsulfanyl-6-methylpyrimidines
A. V. Erkina*, V. V. Gurzhiyb, V. I. Krutikova, and O. V. Neporozhnevaa
a St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moscovskii pr. 26, St. Petersburg, 190013 Russia
*e-mail: kruerk@yandex.ru
b St. Petersburg State University, St. Petersburg, Russia
Received on June 7, 2018
Revised June 7, 2018
Accepted June 14, 2018
Directions of protonation of 2-amino-4-benzylsulfanyl-6-methylpyrimidines were investigated by semi-empirical
PM3, 13C NMR spectroscopy and single crystal diffractometry methods. In the gas phase and in the bipolar
aprotic solvent, the protonation process proceeds with the participation of the N1 atom. The crystalline state is
characterized by the formation of a branched system of H-bonds, involving the protons of the amino group along
with the indicated atom.
Keywords: 2-amino-6-methylpyrimidine-4(3H)-thione, benzyl chlorides, protonation, semi-empirical method
PM3, 13С NMR spectroscopy, single crystal diffractometry
ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ ХИМИИ ТОМ 89 № 1 2019