Журнал физической химии, 2019, T. 93, № 12, стр. 1879-1885

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3а-Фенил- и 3a-(4-метилфенил)-2,3,3a,4-тетрагидро-1H-бензо[d]пирроло-[1,2-a]имидазол-1-оны 1a,b были синтезированы по методике [5], их структуры подтверждены данными элементного анализа, ИК-, УФ-, ЯМР ¹Н- и ¹³С-спектроскопии, а также РСА [6]

Приготовленные растворы соответствующих 3a-арил-2,3,3a,4-тетрагидро-1H-бензо[d]пирроло[1,2-a]имидазол-1-онов в ацетонитриле с концентрацией 10 мг/мл наносили по 1 мкл на лунку стального планшета МАЛДИ, и давали высохнуть капле при комнатной температуре. Масс-спектры были записаны в линейном режиме на масс-спектрометре AB Sciex TOF/TOF 5800 (США) с детектированием положительных ионов. Метод ионизации – ЛДИ, твердотельный лазер Nd:YAG, длина волны 355 нм (соответствует энергии фотона ∼3.5 эВ), ускоряющее напряжение 20 кВ. Ионизация проводилась при мощностях лазера 4500 (57% от максимального значения) и 6000 (76%) условных единиц. Каждый масс-спектр представлял собой сумму не менее 10 отдельных спектров. Масс-спектрометрические исследования проводились в Центре коллективного пользования научным оборудованием “Симбиоз” при ИБФРМ РАН.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Одним из основных требований, выдвигаемых к подобным молекулам, – способность поглощать УФ-излучение лазеров МАЛДИ масс-спектрометров, максимумы которых приходятся на 337 нм для моделей, оснащенных азотным лазером, или 355 или 266 нм, отвечающим, соответственно, третьей или четвертой гармонике твердотельного лазера – алюмо-иттриевого граната, легированного ионами неодима. Молекулы арилзамещенных бензопирролоимидазолонов 1a,b могут рассматриваться в качестве матриц для метода МАЛДИ для анализа высокомолекулярных природных соединений, поскольку они имеют максимумы поглощения, обусловленные n → π*-переходами, при ∼310 нм. Спектры поглощения в УФ- и видимой области в растворе хлороформа соединений 1a,b показан на рис. 1. Поскольку максимум поглощения 1a,b несколько отличается от максимумов лазеров масс-спектрометров, это позволяет ожидать меньшего выхода фрагментарных ионов самой матрицы, что позволит улучшить качество сигнала в области низких масс.

Рис. 1.

Спектры поглощения растворов соединений 1a,b (100 мкг/мл) в хлороформе.

Анализ полученных масс-спектров арилбензопирролоимидазолонов 1a,b (рис. 2) позволяет говорить о существовании нескольких путей фотоиндуцированного распада исходных молекул в условиях ЛДИ (обозначенных на схеме А, B и С соответственно, рис. 3).

Рис. 2.

Масс-спектры ЛДИ положительных ионов соединений 1a,b.

Рис. 3.

Обобщенная схема фрагментации молекул 1a,b в условиях ЛДИ.

При относительно небольших мощностях лазера (4500 у.е.) данные соединения образуют сравнительно небольшое количество фрагментов, масса которых не превышает для 1a 289, для 1b – 303 а.е.м., что позволяет судить о перспективности данного класса соединений в качестве нового типа малошумящих матриц МАЛДИ для анализа биополимеров в области низких масс (от 300 а.е.м.).

При увеличении мощности лазера до 6000 у.е. происходит закономерное увеличение выхода различных ионов, а также, по-видимому, становится возможной ионизация более крупных фрагментов, поскольку в спектрах наблюдается группа сигналов от ионов, отвечающих димерным молекулам и результатам перегруппировок исходных молекул с отколовшимися фрагментами, чего не наблюдается при меньших мощностях лазера (4500 у.е.).

В масс-спектрах 1a,b наблюдаются сигналы, которые условно можно разделить на две группы: пики фрагментов, полученных в результате распада и перегруппировок мономерных молекул бензопирролоимидазолона (с массами до 306 для 1a и 320 а.е.м. для 1b), и пики фрагментов, репрезентирующих распад их димеров (с массами 500–555 а.е.м.). Последние могут рассматриваться и как результат перегруппировок образующихся осколков с исходными молекулами соответствующего арилзамещенного бензопирролоимидазолона. В целом, можно отметить общий характер фрагментации соединений 1a,b (табл. 1).

В спектрах наблюдаются интенсивные пики молекулярного иона [M]^•+ с m/z 250 и протонированной молекулы [M + H]⁺ с m/z 251 для 1а (m/z 264 и m/z 265, соответственно, для 1b). Появление данных частиц может быть объяснено следующими уравнениями [7]:

Отметим, что энергия кванта УФ-излучения твердотельного лазера составляет приблизительно 3.5 эВ, чего недостаточно для отрыва электрона от нейтральных молекул 1a,b, поскольку энергии ионизации бензимидазольных производных лежат в пределах 5.4–7.3 эВ [8]. Так как считается, что двухфотонная ионизация маловероятна [9], наиболее точным описание механизма ионизации представляется аналогично предлагаемому для фуллеротетрагидропиридинов, энергии ионизации которых оказываются относительно близкими производным бензимидазола, суть которого состоит в передаче энергии одной возбужденной квантом света молекулы другой, находящейся рядом [10] и образованием соответствующих частиц по уравнениям (1)–(3).

Поскольку детектирование осуществляется в режиме положительных ионов, электронейтральные нечетноэлектронные и отрицательно заряженные частицы в спектрах не обнаруживаются, однако могут вступать в дальнейшие превращения.

Пики димеров [2M]^•+ с m/z 500 (1a) и m/z 528 (1b) также наблюдается в спектре. Наибольшее количество фрагментов получается в результате распада по пути А, включающего синхронную фотодиссоциацию связей N–C¹ и С^3а–С³. В результате отщепления бирадикального фрагмента ·C³H₂–C²H₂–Ċ=O образуются катион-радикалы 2-арил-1H-бензо[d]имидазола ${{[{{{\text{M}}}_{1}}]}^{{ \bullet + }}}$ с m/z 194 (1а) и m/z 208 (1b), катионы 2-арил-1H-бензо[d]имидазол-3-ия [M₁ + H]⁺ с m/z 195 (1a) и с m/z 265 (1b), а также катион-радикалы типа ${{[{\text{M}} + {{{\text{M}}}_{1}}]}^{{ \bullet + }}}$ с m/z 444 (1a) и m/z 472 (1b). В результате [1, 2]-миграции водорода бирадикал состава С₃Н₄О может превращаться в более стабильную молекулу – акролеин, в которой имеется сопряжение кратных связей. В то же время, бирадикал, по-видимому, способен подвергаться гетеролитическому распаду по двум путям, давая катион-радикалы составов C₂H₄ и CO, и соответствующие анион-радикалы (уравнения (4), (5). Существование последних обусловлено, в том числе, невысокими значениями сродства к электрону этих молекул (этилена –1.55 ± 0.1 эВ и монооксида углерода –1.8 ± 0.1 эВ) [11, 12]

Частица состава С₃Н₄О дает с исходными молекулами ионы типа [M + С₃Н₄О]^•+ с m/z 306 (1а) и с m/z 320 (1b), согласно уравнению (5), и с димером исходной молекулы комплексные ионы [2M + С₃Н₄О]⁺ с m/z 555 (1a) и m/z 583 (1b). Последний может также подвергаться дальнейшему распаду акролеина по пути С, давая изобарные (с точностью до одной десятой m/z) ионы с m/z 278 (1a) и m/z 292 (1b).

Серия сигналов в диапазоне m/z 444-555 с шагом примерно в 28 а.е.м. может рассматриваться как результат последовательного отрыва фрагментов C₂H₄ и CO, массы которых с точностью до одной десятой а.е.м. совпадают. Подтверждением этого является наличие группы сигналов, отличающихся сотыми долями а.е.м., что говорит о том, что каждый кластер таких сигналов отвечает разным фрагментам. Наблюдаемое некоторое уширение данных сигналов, вероятно, связано с метастабильностью образуемых ионов.

В спектре наблюдаются пик, отвечающий осколку [M – R]⁺ с m/z 173, образующийся по пути распада В исходной молекулы – отщепление фенильного (1a) и п-толильного (1b) радикала, подобно тому, как описано в [1]. Аналогичные катионы обнаруживаются в масс-спектрах 3-ацетил-2-[β-(2-тионил)-β-(фенилгидразино)]-ацетилбензимидазола и 2-[(2-тионил)ацетил)]-бензимидазола [2].

В результате одновременного разрыва связей N–C¹ и С¹–С² от молекулы исходного бензопирролоимидазолона (путь C+A) отщепляется молекула CO, давая катион-радикалы 1a-арил-1a,2-дигидро-1H-азирино[1,2-a]бензо[d]имидазол-1-она с m/z 222 (1a) и m/z 237 (1b). Изобарный катион-радикал 2a-арил-1,2,2a,3-тетрагидроазето[1,2-a]бензо[d]имидазола образуется при диссоциации связей С¹–С² и С^3а–С³. Сигналы данных ионов на спектре также характеризуются низкой интенсивностью. В результате группировки данных осколков с исходной молекулой образуются изобарные катион-радикалы с m/z 472 (1a) и m/z 500 (1b), интенсивность сигнала которых достаточно высокая.

Следует отметить характерную особенность, что в условиях ЛДИ бензимидазольный фрагмент сохраняется, аналогично ионизации электрораспылением, а пути распада А, B и C включают в себя фотодиссоциацию более лабильных связей С¹–С², N–C¹, C^3a–C³ в пирролоновом фрагменте, а также связи C^3a–C(R), что в целом коррелирует с известной “мягкостью” лазерного излучения в качестве способа ионизации, а наблюдаемая фрагментация происходит внутри ионного источника масс-спектрометра.

О природе взаимодействий молекул и их фрагментов, благодаря чему возникают и остаются устойчивыми в условиях ЛДИ различные димерные ионы и продукты перегруппировок исходной молекулы с образующимися в результате распада фрагментами, можно предположить, что значительную роль играют π–π-стэкинг-взаимодействия сэндвичевого типа или “плоскость к плоскости”, а также межмолекулярная водородная связь [6]. Таким образом, водородные связи объединяют молекулы в протяженные одномерные структуры, которые удерживаются между собой стэкинговыми взаимодействиями бензольных колец, которые, вероятно, частично сохраняются при переходе из твердой фазы в газообразную в условиях ЛДИ, что обусловливают способность молекул 3a-арилбензопирролоимидазолонов к димеризации, а также к образованию кластерных ионов. В результате в масс-спектре полученного соединения наблюдается группа пиков, которые отвечают ионам, полученным в результате перегруппировок образующихся в ходе распада фрагментов с исходными молекулами. В пользу этого, говорит и тот факт, что интенсивности ионов с массами 444–583 значительно ниже (приблизительно 5–7% от интенсивности пика с m/z 209) таковых для пиков фрагментов, образующихся в результате распада отдельной молекулы 3a-(4-метилфенил)-2,3,3a,4-тетрагидро-1H-бензо[d]пирроло[1,2-a]имидазол-1-она.

Таким образом, нами показано, что в условиях ЛДИ 3a-фенил- и 3а-(4-метилфенил)-2,3,3a,4-тетрагидро-1H-бензо[d]пирроло[1,2-a]имидазол-1-оны образуют при ионизации лазером при небольших его мощностях относительно небольшое количество фрагментов с массами не более 300 а.е.м., что может быть полезно при использовании данных соединений в качестве матриц МАЛДИ для исследования низкомолекулярной области биополимеров. Отмечено, что при увеличении мощности лазера происходит ионизация более крупных фрагментов молекул, включая димеры и сложные ионы, которые могут рассматриваться как фрагменты димеров, либо являющиеся результатом перегруппировок образующихся в ходе распада низкомолекулярных фрагментов и исходных молекул, что характеризуется появлением в масс-спектрах второй группы сигналов более низкой интенсивности с m/z от 300 до 555 а.е.м. Ранее эта особенность в литературе не обсуждалась. Склонность к димеризации данных молекул может быть объяснена наличием в кристаллах 3a-арилбензопирролоимидазолонов межмолекулярных водородных связей и π–π-стэкинговых взаимодействий сэндвичевого типа.