Analysis of raman spectra of 6-methyl-3-(tietan-3-yl)pyrimidine-2,4 (1H, 3H)-dione.pdf Введение Благодаря широкому спектру фармакологической активности ряд производных урацила широко применяется в медицинской практике для лечения онкологических заболеваний (фторурацил, тегафур), в антиретровирусной терапии иммунодефицита человека (зидовудин, фосфазид), в качестве иммуностимулирующих средств (пентоксил) и анаболических препаратов (оротовая кислота, магния оротат) [1]. Особый интерес представляют производные урацила, содержащие тиетанильной цикл, проявляющие выраженную гипотензивную [2], антиоксидантную [3], противомикробную и противогрибковую [4] активность. Большинство ведущих фармацевтических производителей и испытательных лабораторий благодаря эффективности и экспрессности метода спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) успешно применяют его для контроля технологического процесса производства фармацевтических препаратов и для идентификации контрафактной лекарственной продукции [5, 6]. Цель данной работы - изучение спектров КР новых потенциально биологически активных тиетанилпроизводных урацила и возможности применения метода спектроскопии КР в анализе лекарственных препаратов. Экспериментальная часть 6-Метил-3-(тиетан-3-ил)пиримидин-2,4(1H, 3H)-дион, далее (МТП) - кристаллическое вещество, полученное по методике [7]. Тиетанилурацил представляет собой белое с желтоватым оттенком кристаллическое вещество с характерной температурой плавления, нерастворимое в воде, спирте, растворимое в диметилформамиде, диметилсульфоксиде и растворах щелочей. Спектры КР получены на фурье-спектрометре FT-Raman NXR 9650 с охлаждаемым жидким азотом Ge-детектором в области 4000-70 см-1 с разрешением 2 см-1. В качестве источника возбуждения использовался лазер Nd:YVO4 с длиной волны 1064 нм и мощностью до 1.5 Вт. Погрешность в определении положения в спектре полос КР составляет 0.4 см-1. Измерения инфракрасных (ИК) спектров проводилось на ИК-фурье-спектрометре Nicolet iS10 с разрешением 4 см-1 в области 4000-400 см-1. Обработка фурье-спектров осуществлялась с помощью программного комплекса OMNIC [8], позволяющего проводить компьютерную обработку сложных спектров (разложение на отдельные полосы, детальный анализ, фильтрация, сглаживание). Формы контуров составляющих аппроксимировались симметричными кривыми вида функций Фойгта. Оптимизация геометрических параметров молекулы МТП и решение колебательной задачи выполнялись в приближении гибридного функционала плотности DFT/B3LYP [9] с базисным набором 6-311++G(d, p), учитывающим диффузионные и поляризационные эффекты атомных орбиталей. Для визуализации полученных результатов применялась программа ChemCraft [10]. Соответствие найденных структур минимумам на поверхности потенциальной энергии устанавливали по отсутствию отрицательных элементов в диагонализированной матрице Гессе. Рассчитанные частоты колебаний использовали без масштабирующих коэффициентов. Результаты и их обсуждение В литературе имеется всего лишь одна работа по изучению колебательного спектра, ИК-спектра, тиетанилпроизводных 6-метил(амино)урацила [11]. Отнесение полос спектров было сделано без привлечения квантово-химических расчетов. Данные по спектрам КР отсутствуют. При первичном анализе экспериментального спектра исследуемого вещества и сопоставлении его с рассчитанными теоретическими спектрами мономера и димера, выяснилось, что частота валентного колебания ν(NH) в спектре димера смещена на 340 см-1 в низкочастотную область по сравнению со спектром мономера. Такое смещения частоты валентного колебания ν(NH) возможно из-за образования в образце сложных H-ассоциатов c водородной связью C-O•••H-N. Моделирование сложных H-ассоциатов (тетрамеры и т.д.) возможно, но оно требует существенно больших затрат машинного времени, а уверенности в том, что полученные при этом результаты внесут больше ясности в ответ на поставленный вопрос, нет. Поэтому авторы сочли нецелесообразным моделирование Н-комплексов, содержащих более двух молекул, и сосредоточились на моделировании димеров. Молекула МТП обладает симметрией СS и состоит из 23 атомов и имеет 63 нормальных (мод) колебаний. Димеры (состоят из 46 атомов и имеют 132 нормальных (мод) колебаний) принадлежат к группе симметрии С2h, где действует правило альтернативного запрета в ИК- и КР-спектрах. Однако в кристаллическом состоянии это правило строго не работает, так как в экспериментальных спектрах можно наблюдать проявления межмолекулярных взаимодействий типа водородной связи между атомами кислорода и водорода мономеров пиримидинового цикла. Расчёты в приближении B3LYP/6-311++G(d, p) выполнены в двух вариантах: 1) в гармоническом приближении; 2) в гармоническом приближении с использованием «спектроскопической» массы атома водорода равной 1.088 а.е.м. (механический ангармонизм) [12, 13]. Для расчёта колебательного спектра любой молекулы решающим этапом является определение её правильной геометрической структуры. Оптимальная геометрия изолированной молекулы и димера, рассчитанные в приближении B3LYP/6-311++G(d, p), приведены на рис. 1. Рис. 1. Молекула МТП: а - мономер, б - циклический димер В табл. 1 указаны некоторые длины связей и углы между связями для изолированной молекулы. Таблица 1 Рассчитанные равновесные структурные параметры молекулы МТП Параметр d, Å Параметр Угол, град Параметр Угол, град R(N1-C2) 1.433 A(C2-N1-C3) 123.7 A(N1-C10-C16) 118.4 R(N1-C3) 1.389 A(C2-N1-C10) 117.5 A(N1-C10-C17) 118.4 R(N1-C10) 1.476 A(C3-N1-C10) 118.8 A(N1-C10-H19) 104.4 R(C2-C4) 1.452 A(N1-C2-C4) 115.5 A(C16-C10-C17) 97.4 R(C2-O8) 1.218 A(N1-C2-O8) 120.6 A(C16-C10-H19) 109.0 R(C3-N6) 1.392 A(C4-C2-O8) 123.9 A(C17-C10-H19) 109.0 Окончание табл. 1 Параметр d, Å Параметр Угол, град Параметр Угол, град R(C3-O7) 1.217 A(N1-C3-N6) 115.0 A(C10-C16-S18) 89.6 R(C4-C5) 1.350 A(N1-C3-O7) 124.3 A(C10-C16-H20) 115.4 R(C4-H11) 1.080 A(N6-C3-O7) 120.7 A(C10-C16-H21) 114.0 R(C5-N6) 1.377 A(C2-C4-C5) 121.5 A(S18-C16-H20) 114.4 R(C5-C9) 1.498 A(C2-C4-H11) 116.8 A(S18-C16-H21) 110.3 R(N6-H12) 1.010 A(C5-C4-H11) 121.7 A(H20-C16-H21) 111.3 R(C9-H13) 1.089 A(C4-C5-N6) 118.9 A(C10-C17-S18) 89.6 R(C9-H14) 1.095 A(C4-C5-C9) 124.9 A(C10-C17-H22) 114.0 R(C9-H15) 1.095 A(N6-C5-C9) 116.2 A(C10-C17-H23) 115.5 R(C10-C16) 1.541 A(C3-N6-C5) 125.3 A(S18-C17-H22) 110.3 R(C10-C17) 1.541 A(C3-N6-H12) 113.8 A(S18-C17-H23) 114.4 R(C10-H19) 1.087 A(C5-N6-H12) 120.9 A(H22-C17-H23) 111.3 R(C16-S18) 1.862 A(C5-C9-H13) 110.6 A(C16-S18-C17) 76.9 R(C16-H20) 1.089 A(C5-C9-H14) 110.7 R(C16-H21) 1.087 A(C5-C9-H15) 110.7 R(C17-S18) 1.862 A(H13-C9-H14) 108.5 R(C17-H22) 1.087 A(H13-C9-H15) 108.5 R(C17-H23) 1.089 A(H14-C9-H15) 107.7 Данные квантово-химического расчёта свидетельствуют о том, что молекула этого соединения характеризуется практически планарным строением пиримидинового кольца и седловидной структурой тиетанового цикла. Анализ колебательных состояний Экспериментальный спектр (ИК и КР) исследуемого вещества - МТП - представлен на рис. 2. Отметим, что имеются 62 теоретические полосы активностью КР ≥ 1 A4/AMU, что близко к числу 61 полосы КР, наблюдаемых в экспериментальном спектре. Анализ экспериментального спектра сопоставлялся с теоретическим спектром циклического димера. Рис. 2. Экспериментальный спектр ИК (а) и КР (б) МТП Весь спектр был поделен на области валентных колебаний (4000-2000 см-1) и валентных и деформационных колебаний (2000-200 см-1), в которых проявляются наиболее интенсивные характеристические колебания структурных элементов, входящих в состав исследуемого вещества. Комбинационное рассеяние успешно применяется исследователями для изучения органических и неорганических веществ. По сравнению с ИК-спектроскопией, метод КР имеет преимущества при исследовании водных растворов, тонких волокон, микрообъектов, при изучении низкочастотных колебаний. Часто в ИК-спектре сложных молекул бывает трудно отделить поглощение наиболее интенсивных обертонов и составных тонов от полос поглощения фундаментальных частот для проведения правильного отнесения колебаний. Использование техники КР снимает эту проблему, так как обертоны и составные частоты в спектрах КР имеют низкую интенсивность. Теоретическая интерпретация спектра фундаментальных колебаний МТП основана на анализе спектра в предположении, что молекулы в кристалле формируют комплексы (димеры) с образованием водородной связи между атомами кислорода и водорода мономеров пиримидинового цикла. Рис. 3. Экспериментальный (а) и рассчитанные в приближении B3LYP/6-311++G(d, p) спектры КР мономера (б) и димера (в) в области 3700-2800 см-1 МТП Теоретический анализ колебательного спектра свободной молекулы МТП дает отклонение от экспериментального значения валентного колебания ν(NH) ~ 340 см-1 (рис. 3), что ставит под сомнение саму интерпретацию колебаний. Сдвиг полосы (340 см-1), ее аномально большие интенсивность и ширина, а также сложная форма указывают на наличие в образце комплексов с водородной связью. Оценка энергии водородной связи в димере проводилась с помощью эмпирической формулы, предложенной А.В. Иогансеном [14]: , где - сдвиг в сторону низких частот возмущенных валентных колебаний NH/CO. Энергия водородной связи составила 25.4 кДж/моль, что соответствует среднему значению энергии H-связи [15]. Образование димеров приводит к изменению длин валентных связей и углов, не примыкающих к водородным связям. Длины водородных связей RO-H = 1.77 Å, а валентные углы АCO-H = 125.7° и АNH-O = 178.1°. В табл. 2 приведены значения измеренных экспериментальных частот спектров ИК и КР, рассчитанные частоты нормальных колебаний молекулы МТП в гармоническом приближении для мономера и димера и частоты колебаний с учетом «спектроскопической» массы водорода, а также дано их отнесение по рассчитанным коэффициентам форм нормальных колебаний. Симметричные колебания, как правило, имеют интенсивные линии в спектрах КР, антисимметричные же колебания, если и проявляются в спектре КР, то обычно очень слабо. Таблица 2 Экспериментальный спектр (ИК и КР) и рассчитанные колебательные моды молекулы МТП и их отнесение к колебаниям определенных связей № моды Экспериментальный спектр, ν Расчет B3LYP/6-311++G(d, p) Отнесение ИК КР Моно-мер, ν Димер, νгарм Димер, νsm ИК/КР ИК КР ИК КР 1 3082 3621 3283 3169 νas(NH) 2 3078 3245 3134 νs(NH) 3 3028 3029 3233 3232 3232 3121 3121 νas(CH)/νs(CH) 4 3016 3019 3157 3158 3158 3051 3051 νas(CH2)+νas(CH)/νs(CH2)+νs(CH) 5 2995 3005 3152 3153 3153 3046 3046 νas(CH2)/νs(CH2) 6 2974 2979 3137 3138 3138 3032 3032 ν(CH3) 7 2952 2953 3132 3131 3131 3023 3023 ν(CH)+ν(CH2) 8 2937 2937 3085 3090 3090 2985 2985 νas(CH3)/νs(CH3) 9 2922 2924 3083 3086 3086 2977 2977 νas(CH2)/νs(CH2) 10 2897 2863 3078 3085 3085 2975 2975 νas(CH2)/νs(CH2) 11 2860 2854 3028 3038 3038 2928 2928 ν(CH3) 12 1737 1723 1767 1766 1756 1763 1752 νs(CO)+δas(NH)/νs(CO)+δs(NH) 13 1702 1665 1723 1700 1713 1693 1697 δas(NH)+νas(CO)/δs(NH)+νas(CO) 14 1634 1642 1689 1685 1683 1682 1681 ν(CC)+νas(CO)/ν(CC)+νs(CO) 15 1604 1598 1520 1557 1532 δas(NH) 16 1539 1540 1498 1553 1533 δs(NH) 17 1518 1521 1498 1497 1450 1450 δas(CH2)/δs(CH2) 18 1494 1480 1479 1478 1435 1433 δ(CH3)+δ(CH2)/δ(CH3)+δ(CH2) 19 1453 1478 1478 1478 1427 1427 δ(CH3)+δ(CH2)/δ(CH3)+δ(CH2) 20 1412 1431 1477 1477 1477 1425 1425 δ(CH2)+δ(CH3)/δ(CH2)+δ(CH3) 21 1382 1425 1434 1447 1445 1424 1424 ρas(CN-H)/ρs(CN-H)+ 22 1365 1382 1418 1425 1426 1391 1393 ωas(CH3)+ρas(CN-H)/ωs(CH3)+ρs(CN-H) 23 1382 1365 1380 1401 1403 1367 1370 ωas(CH3)+ρas(CH)/ωs(CH3)+ρs(CH) 24 1365 1358 1350 1380 1380 1355 1354 ρas(CH)+ρas(CN-H)/ρs(CH)+ρs(CN-H) 25 1348 1290 1343 1344 1344 1305 1305 ρas(CH)/ρs(CH) 26 1291 1245 1257 1259 1260 1235 1236 ωas(CH2)+ρas(CH)/ωs(CH2)+ρs(CH) 27 1234 1227 1234 1234 1205 1206 ρas(CH)+ωas(CH2)/ρs(CH)+ωs(CH2) 28 1217 1214 1216 1216 1181 1181 ωas(CH3)/ωs(CH3) 29 1179 1203 1199 1201 1201 1175 1176 ρas(CH)+τas(CH2)/ρs(CH)+τs(CH2) 30 1151 1177 1160 1172 1174 1167 1169 νas(CNC)/νs(CNC) 31 1121 1122 1130 1136 1138 1128 1129 ρas(CH)+νas(CN)/ρs(CH)+νs(CN) 32 1073 1088 1090 1090 1079 1079 τas(CH2)/τs(CH2) 33 1069 1072 1080 1086 1084 1072 1070 τas(CH2)+ρas(CH)/τs(CH2)+ρs(CH) Окончание табл. 2 № моды Экспериментальный спектр, ν Расчет B3LYP/6-311++G(d, p) Отнесение ИК КР Моно-мер, ν Димер, νгарм Димер, νsm ИК/КР ИК КР ИК КР 34 1163 1063 1062 1038 1038 τas(CH3)/τs(CH3) 35 1033 1031 1047 1048 1049 1030 1031 τas(CH3)/τs(CH3) 36 1025 1040 1040 1041 1012 1012 ωas(CH2)+ρas(CH)/ωs(CH2)+ρs(CH) 37 1002 1015 1021 1022 997 998 ωas(CH3)/ωs(CH3) 38 947 947 970 965 966 941 941 τas(CH2)/τs(CH2) 39 934 933 947 950 949 938 938 ν(CCC)+ρ(CH) 40 845 877 889 859 ρas(NH)+ρas(CH) 41 858 876 877 850 851 ρas(CH2)+ρas(CH)/ρs(CH2)+ρs(CH) 42 844 848 817 ρs(NH)+ρs(CH) 43 834 838 836 821 821 ρas(CH)/ρs(CH)+ρs(NH) 44 807 798 814 816 815 812 811 δas(CCC)/δs(CCC) 45 766 767 774 772 773 772 ωas(NCN)/ωas(NCN) 46 720 726 737 724 724 715 714 ρas(CH)+ωas(CCN)/ρs(CH)+ωs(CCN) 47 703 692 687 695 691 690 686 νas(CSC)s+ρas(CH2)/νs(CSC)s+ρs(CH2) 48 654 676 676 678 677 675 675 νas(CSC)s+ρas(CH2)/νs(CSC)s+ρs(CH2) 49 646 655 647 655 653 651 650 δasпл(CNCCCN)/δsпл(CNCCCN) 50 632 631 618 621 622 620 620 δasпл(CNCCCN)+ωas(CH2)+ρas(CH)/δsпл(CNCCCN)+ωs(CH2)+ρs(CH) 51 577 573 590 568 568 564 563 τas(CH2)/τs(CH2) 52 549 542 540 549 546 547 546 δasпл(CNCCCN)/δsпл(CNCCCN) 53 541 539 536 539 539 537 537 δasпл(CNCCCN)+δasпл(CSCC)/ /δsпл(CNCCCN)+δsпл(CSCC) 54 519 516 511 498 495 492 490 δasнпл(CSCC)+ρas(CH2)/ /δsнпл(CSCC)+ρs(CH2)/ 55 494 497 493 445 439 444 438 δasпл(CNCCCN)+ρas(CO)/ /δsпл(CNCCCN)+ρs(CO) 56 438 431 425 414 415 412 413 δasнпл(CNCCCN)/δasнпл(CNCCCN) 57 321 409 318 317 314 314 ρas(C-CH3)/ρs(C-CH3) 58 285 305 264 265 263 265 Либрационные (CSCC+CH3) 59 254 262 249 246 Либрационные (CH3+CH2) 60 222 238 239 237 Либрационные (CH3+CH2) 61 197 205 211 211 209 210 Либрационные (CH3+CH2)+τas(CH2) Примечание. ν в см-1, νгарм - расчет частот в гармоническом приближении, νsm - расчет частот с использованием «спектроскопической» массы атома водорода, ν - валентное колебание, δ - деформационное (ножничное), ρ - маятниковое, ω - деформационное (веерное), τ - деформационное (крутильное), s - симметричное, as - антисимметричное, пл - плоскостное, нпл - неплоскостное колебание. В области 3400-2800 см-1 в основном присутствуют валентные колебания ν(NH), ν(СH), ν(СH2), ν(СH3). Валентные колебания связей C-H (Сsp2-Н и Сsp-Н) лежат выше 3000 см-1 (3028/3029 и 3016/3019 см-1). Колебания связей Сsp3-Н наблюдаются ниже 3000 см-1 (2952 и 2953 см-1). Валентные колебания метильных групп (СН3) располагаются в виде двух полос поглощения при 2974/2975 и 2860/2854 см-1. Валентные колебания метиленовых групп (СН2) также отмечаются в виде двух полос поглощения (2922/2924 и 2897/2863 см-1), обусловленных антисимметричными (νasCH2) и симметричными (νsCH2) валентными колебаниями. «Чистые» валентные колебания от функциональных групп (СH, CH2, СH3) в экспериментальном спектре выделить тяжело, так как каждая полоса ИК и КР представляет собой суперпозицию колебаний от этих групп. Для валентных колебаний аминогруппы ν(NH) характерны две полосы взаимодействующих колебаний, участвующих в водородных связях C-O•••H-N: антисимметричное 3082 см-1, симметричное 3078 см-1. Характерными для колебания пиримидинового фрагмента являются колебания карбонильной группы ν(СО) = 1737 и 1702 см-1 для ИК-поглощения и 1723 и 1665 см-1 для КР-спектров. Область 1380-1630 см-1 свойственна для полос поглощения ИК- и КР-спектров деформационных колебаний метиленовой и метильной групп δ(CH2)+δ(CH3). Деформационные колебания NH представлены в виде двух полос: антисимметричные (δas(NH) = 1604/1598 см-1) и симметричные δs(NH) = 1539/1540 см-1). Область низкочастотных колебаний 800-200 см-1 характерна для деформационных колебаний групп CH, CH2, а также плоскостных и внеплоскостных колебаний пиримидинового и тиетанового кольца. Присутствие в полосах поглощения ИК- и КР-спектров полос валентных колебаний S-(CH2)2-группы в области (703 и 654 см-1 - ИК, 692 и 676 см-1 - КР) свидетельствует о наличии тиетанового цикла. Колебания с частотой 285, 254 и 222 см-1 отнесли к либрационным колебаниям пиримидинового и тиетанового цикла. При объединении двух молекул в H-комплекс происходит расщепление частот изолированной молекулы, дополнительно появляются новые частоты, обусловленные образованием водородного мостика C-O•••H-N, при этом спектр существенно усложняется. Заключение 1. Полученные данные свидетельствуют о том, что молекула МТП характеризуется практически планарным строением пиримидинового кольца и седловидной структурой тиетанового цикла. 2. Частичный учет механического ангармонизма в применении к димеру МТП существенно улучшил согласие экспериментально-измеренных и вычисленных частот в высокочастотной и средней областях колебательного спектра. Это дало возможность полнее описать динамику молекулярной системы и интерпретировать её экспериментальные спектры ИК-поглощения и комбинационного рассеяния.

Скачать электронную версию публикации