Bull. SOC. Chim. Belg. vo1.93/n012/1984

ETUDE DE LA DECARBONYLATION DU 1-ACETYLIMIDAZOLE ET DU 1-ACETYLPYRAZOLE IONISES.

A. MAQUESTIAU~, A. TOM MA SET TI^, c. PEDRECAL-FREIRE~, J. ELGUERO' et R. FLAHHANG~.

a L a b o h a t o i h e d e C h i m i e O n g a n i q u e , U n i u e h s i t s d e [ ' € t a t ,

7 0 0 0 Mons, B e t g i q u e .

b U e p a h t a m e n t o Q u i m i c a 0 h g a n i c a . U n i v e a s i d a d C o m p t u t e n s e , M a d h i d - 3 , E s p a n a .

'Institute d e Q u i m i c a M e d i c a , C S I C , M a d h i d - 6 . E s p a n a .

Received : 12/10/1984 - Accepted : 30/11/1984 ABSTRACT.

Collisionally activated dissociations (CAD) spectra have been used to in- vestigate the structures of ions produced by decarbonylation of I-acetylimida- zole [ I ] and acetylpyrarole [I21 ionized by electron impact. T h e results a r e best explained by the f o r m a t i o n of non classical methylene-azolium ions. T h e l o s s of carbon dioxide from I-mechoxycarbonylimidazole [?I does not produce theae ions but inatead leads to ionized C-methyl-Z(or 4)H-imidazole. A mixture of structufea is produced by electron impact induced fragmentation (loss of C2H4) of I-(Z-hydroxypropyl)imidazole I 9 1

INTRODUCTION.

Les ions moleculaires metastables d'azolides et derives benzocondenses su- 1 bissent presque tous une perte de cetgne , reaction classiquement observee en

spectrometrie de masse pour les derives de type anilide2. Les derives acetyles de l'imidazole I , du pyrazole 2 et du 1,2,4-triazole 3 se mettent en evidence par une perte exclusive (pour 2 et 3 ) ou preponderante ( pour I 1 de monoxyde de carbone. Une telle fragmentation est surprenante, car elle ne concerne en ge- neral que les ions rnoleculaires de type " phenol " ou " quinone *I2. Des resul- tats prelirninaires obtenus en serie imidazole sugqerent que rnethylimidazole [ 41 est a exclure' .

Plusieurs etudes theoriques et experimentales recentes

la formation de 1-

ont permis de predi-

re et verifier l'existence de " complexes ion-dip6le " stables en phase gazeu- 5e . Ainsi, l'ion methylene oxonium [CH2-OH21+., obtenu par ionisation dissocia- tive de 1'BthylSne glycol4, est plus stable que l'ion " classique " [CH3-OHl+' d'environ 45 kJ.mo1-' '. La technique experimentale la plus appropriee pour la mise en evidence de ces structures " non classiques " est l'activation par col- lision qui genere en general des pics intenses associes aux deux partenaires du complexe et un signal intense pour le processus d'ionisation collisionnelle .

3

6

- 1057 -

Les motifs structuraux requis pour observer la formation de ce type de complexe sont i) la presence d'un groupe migrant sur l'heteroelernent, ii) la presence d'un site accepteur (heteroelement) et enfin (iii) la presence d'un bon groupe partant ( a 2 , CH20, ... 1 . Ces motifs se retrouvant dans le cas des azolides 1 B 3, nous en avons repris l'btude en vue de verifier la formation eventuelle d'un m&ne type de complexe.

RESULTATS ET DISCUSSION. ~~

C o m e mentionne dans l'introduction, l'ion moleculaire du l-acetylimidazo- la [I1 (m/z 110) elimine 28 daltons tant en source (figure lA) queen region li- bre de champ (figure lg). Dana les deux cas, la particule expulsee est le mono- xyde de carbone comme l'indiquent des mesures de masse precise en haute resolu- tion sur lee ions m/z 82 de source , ainsi que l'analyse du spectre MIKE (Mass- analyzed ion kinetic energy spectrum) des ions m/z 111 on les pertes de 28 et 29 daltons sont observees dans un rapport proche de 4'. Comme reaction competi- tive, on observe essentiellement la formation de m/z 68 en source (perte de ce- the), ions dont la structure imidazole ionis6 est verifiee par leur spectre CAD (Collisionally activated decomposition).

7

A

28

8 82

68 L

ml z E -

Figure 1 (A) Spectre de masse (70 eV) du 1-acetylimidazole [ I ] et (B) spectre MIKE de l'ion moleculaire.

La premiere structure envisagee pour les ions [H-CO]" do l-acetylimidazo- le [I1 &ant celle du 1-methylimidazole 141 ionise, nous en avons confront6 lea spectres CAD (tableau 1 et figure 2). Les differences spectrales sont tres im- portantes et montrent clairement une difference de structure entre ces deux ions. Si le compose 4 est caracterise par des pics intenses a m/z 55, 54, 42 et 40, les ions [M-CO]" de I se distinguent essentiellement par i) une elimi- nation de 14 daltons (m/z 681, ii) un signal tres intense et tres fin corres- pondant I un processus d'ionisation collisionnelle (charge stripping) condui- sant a [M-C0l2+ et iii) un signal a m/z 14 d'amplitude identique a m/z 15. Lea donneas du tableau 1 rnontrent aussi que lea ions m/z 82 form68 au depart de 1 ne Feuvent resulter du transfert du groupe methyle vers le cycle imidazole : les spectres CAD des ions moleculaires des 2- et 4-m6thylimidazoles 1 5 1 et t 6 1

- 1058 -

/ t 0' 'CHj

Figure 2 SpectresCAD (air) des ions m/z 82 du 1-acetylimidazole [ I 1 et du 1-methylimidazole [ 4 1 . La perte de H' n'est pas representee (cf. tableau 1).

m t en effet differents : absence de pics intenses a m/z 68 et de processus ionisation collisionnelle (le signal observe a m/z 41 correspond dans ces !ux cas a des fragments rnonocharges).

Ces premieres donnees experimentales amenent a proposer, pour les ions I-CO]" de I , la formation d'une structure non classique m6thylSne-azolim 'H2-AZOLEI+' resultant de l'interaction du methylane ionise et de l'imidazole -, 2- ou 4H).

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I 0

0

I m

Abon

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ion

s Pr

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z 8

1

68

67

66

55

54

53

52

51

42

41

40

39

38

30

29

28

27

26

15

14

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I&zo

le

I I1

4611

21

7

1

29 100

19

25

7 6

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17

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1

5 42

12

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1

1

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1

I560

1 -

5 9

100

69

13

18

7 44

22

36

10

5

2 3

22

11

10

4 I

2-M

e Mdazole

5 11

5681

-

6 4

39 100

16

17

7 38

33

33

8

4 0

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1

32

15

10

3 I

4-MeImldazole

6

I244

01 -

11

2 38

100

15

19

8 10

11

18

12

5

1

3 27

12

7

1

1

~~

7 I8

1461

-

37

2711

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I37

91

36

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16

I279

1 100

93

30

10

12

14

73

34

28

14

2

9 [3

800]

13

6

1.5

I138

1 100

17

27

5 11

30

13

5

3 1

3

32

10

7 1

1

Tabl

eau 1. Sp

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es CAD

(H

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ion

s m/z

82

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l'imidazole.

Les

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onde

nt a

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oces

sus

unim

olec

ulai

res.

Le 1-acetylimidazole marque au deuterium au niveau du groupe acetyle [ l a ] a et6 synthetise et le spectre CAD des ions [M-CO]+' est renseigne bleau 2 . La perte de 14 daltons observee pour I est transfonnee quantitative- ment en celle de 16 daltons pour la, ce qui confirme la presence d'un groupe methylhe dans les ions [M-CO]" de I. Par ailleurs, la perte unimoleculaire tres intense de H' observee pour [M-CO]'. de I est modiflee en les pertes de H' et D' dans un rapport quasi unitaire pour la ; ces fragmentations competitives seraient plutdt en accord avec une structure a' ou a"" dans lesquelles l'hy- drogene mobile est deplace vers le carbone 2 ou 4 du cycle imidazole (schema 1 ) .

dans le ta-

Abondances relatives ~ ~~

m/z 1841 1831 69 58 57 56 55 54 53 43 42.5 42 4 1 30 29 28 ~~ ~~

700 788 25 26 100 28 19 14 22 31 28 18 17 14 49 15

Tableau 2 . Spectre CAD des ions [M-CO]+' du N-acetyl-d3-imidazole [ l a ] (m/z 8 5 ) .

En vue de trouver un autre mode de synthese d'ions de structure methylene- imidazolium, nous avons envisage de modifier la nature du groupe partant (CO)

en dioxyde de carbone, formaldehyde ou encore acetald8hyde. Ainsi, le spectre de masse du 1-methoxycarbonylimidazole [ 7 1 renseiqne dans la litterature" mon- tre une perte intense de C 0 2 generant des ions m/z 82 dont le spectre CAD est consign6 dans le tableau 1. Ce spectre montre de faqon immediate que la reac- tion attendue (migration d'un hydrogene avant la perte de C 0 2 ) n'est pas d'ap- plication : en effet, aucun signal n'est observe a m/z 68 (perte de CH2) et le pic d'ionisation collisionnelle n'est pas mis en evidence. La correlation de ce spectre avec celui du l-m6thylimidazole [ 4 1 et des isomeres C-methyles 5 et 6 n'est pas plus evidente et nous suggerons la formation des ions b et(ou) b'lors de la decarboxylation de 7' ' (schema 2 ) . L'elimination particulierement intense de HCN ( m h e en l'absence de gaz de collision) peut supporter un tel type de structure.

b - b'

Schema 2.

- 1061 -

Cooper et Irwin ont montre que quelques derives hydroxy-ethyles de l'imi- dazole eliminent une mol6cule d'aldehyde au depart de 1' ion moleculairel0 .Dan5 le cas du l-(2-hydroxy~thyl)-imidazole [ # I , cette reaction n'a lieu ni en sour- ce ( S ) , ni en region libre de champ (RLC) (schema 3). Les processus majeurs de

A CS

27 69

I I I

- [M-CH301+ m/z 69 R L C - [M-CHOI' m/Z 83

[M-CH20H]+ g+* L o n

m/z 81 e Schema 3.

82

95 1

I 126

mlz

Figure 3

(A) Spectre de masse (70 eV) du 1-(2-hydroxypropy1)imidazole [ 9 1 et ( E l spectre MIKE de l'ion moleculaire (m/z 126).

fragmentation sont la perte de 'CH20H en source et une competition entre dou- ble transfert d'hydrogene conduisant a m/z 69 et perte d'un radical formyle (m/z 83) en RLC. La perte d'aldehyde est mise en evidence tant en source qu'en RLC pour le l-(2-hydroxypropyl)imidazole 1 9 1 ionis6 (figure 3). Cette differen- ce de comportement entre U et 9 peut s'expliquer sur la base de donnees thermo- chimiques. Ainsi, en utilisant la methode des groupes 6quivalents12, on peut estimer que la chaleur de formation de 9 est inferieure a celle de 8 de 25 kJ. mol-l. Par ailleurs, les chaleurs de formation du formaldehyde et de l'acetal- dehyde sont connues13, respectivement de - 117 kJ.mo1-' et -166 kJ.mo1-I ( A = 50 kJ.mol-'1. Ceci signifie que l'energie critique requise pour former un ion fragment c o m u n par perte d'aldehyde est inferieure de 25 kJ.mol-I dans le cas de 9.

- 1062 -

Le spectre CAD des ions [M-C2H401+' de 9 est renaeigne au tableau 1. On observe un pic correspondant a la perte de methylane, ainsi qu'un pic intense a m/z 41 quand le gaz de collision utilise est l'air (ionisation collisionnel- le). Ces constatations suggerent la formation d'une structure commune a celle des ions [M-COI+' de I. Les spectres CAD ne sont cependant pas rigoureusement identiques, les principales differences se situant au niveau des fragments m/z 81 (-He) et 55 (-HCN) nettement plus intenses dans le cas de 9. Une competition entre transfert de l'hydrogene hydroxylique et transfert de methyle vers le no- yau imidazole pourrait justifier ces resultats (schema 4). Cette proposition est basee sur le spectre CAD des ions m/z 82 de ? qui montre aussi des pics tres intenses a m/z 81 et 55 et pour lesquels une structure de type b'a 6th avancee.

Lors de la formation de complexes ion-dipble, le groupe migrant peut etre un groupe alkyle. Ainsi, l'ion methyl methylene chloronium [CH2C1CH3]+' est ob- tenu par ionisation dissociative du chloroacetate de m6thyle14. Le l-propionyl- imidazole [I01 a ete etudie en vue d'evaluer une eventuelle competition entre migration d'hydrogene ou de methyle apres decarbonylation. Le spectre CAD des ions [M-CO]+' de I0 est confront6 I celui de l'ion moleculaire du 1-ethylimida- zole [ I l l dans le tableau 3. Les differences spectrales excluent de maniere cer- taine une identite de structure. L'observation d'une perte tres intense d'un radical methyle pour les ions [M-COl+' de 1 0 suggere que la migration de methy- le predomine pour donner naissance a un ion fragment de structure c ( s c h h a 5). L'elimination favorable de methyle conduit au fragment m/z 81 qui peut Stre egalement forme par dissociation directe de 1 I + ' .

- 1063 -

Abondances relatives

m/z 81 69 68 67 66 56 55 54 53 52 48 42 41 4C 39 29 28 27 26

[II]'' 1579 75 412 61 23 6 11 42 23 27 2 47 75 23 40 48 36 21 -

dy;ii*' 276 136 392 61 17 - 11 38 17 29 4% 82 2 31 19 - 41 21 14

Tableau 3 Spectres CAD (He ; normalise par rapport a m/z 41) de l'ion rnolecu- laire du 1-ethylimidazole [ 1 1 1 + ' et de l'ion [M-CO]" (m/z 96) issu du 1-propionylimidazole [I01 ionise. Les pics m/z 95 et 94 ne sont pas renseignee. ' : 45 % avec l'air comme gaz de collision.

Quelques resultats preliminaires ont ete obtenus dans la serie du pyrazole. Les spectres CAD des ions [M-CO]" du 1-acetylpyrazole [I21 et des 1-,3- et 4- methylpyrazoles [131, 1 1 4 1 et [151 sont consignds dans le tableau 4. Comme en serie imidazole, les ions [M-CO]" de 1 2 presentent un spectre CAD tres diff6- rent de celui des methylpyrazoles. La perte de methylene est mise en evidence, ainsi qu'un pic d'ionisation collisionnelle tres intense (figure 4). Ces carac- teristiques spectrales suggerent a nouveau la formation d'une structure non claseique d (schema 6 ) .

SchQna 6.

Abondances relative.

m h 81 68 67 66 55 54 53 52 42 41 40 39 38 29 28 27 26 15

[M-COl+~ de 160001 18 5 5 59 lo0 53 57 15 96 24 12 11 7 56 17 16 2

1-Me Fyramle [I-] 139001 - 2 15 I l l51 36 44 48 16 23 21 17 6 37 17 16 8

3-Me Pyramle [!A] 162601 - I 1 21 Il2f.l lo0 48 43 33 24 35 20 14 7 28 27 8 4

4-Me Pyratolc bfi [4030l - 5 2 1711 roo 20 26 3 6 4 10 8 5 31 12 6 0 . 5

Tableau 4 Spectre CAD dec ions m/z 8 2 des derives du pyratole 1A (gaa de collision : air).

- 1064 -

4 1

A B 42

40

Figure 4 Partie caracteristique des spectres CAD (air) des ions m/z 82 du 1- acetylpyrazole [I21 (A) et du 1-methylpyrazole [I31 (B).

CONCLUSIONS.

L'activation collisionnelle des ions [M-CO]" de I montre que leur struc- ture ne peut etre celle des ions moleculaires des methylimidazoles. L'examen de la nature des fragments est en accord avec la formation d'un " complexe ion- dip8le ,, entre le methylhe ionise et l'imidazole (1-, 2- ou 4H). Les ions [M-CO21+. du 1-methoxycarbonylimidazole [ 71 n'ont pas cette structure, mais plut8t celle d'un C-methyl-2(ou 4)H-imidazole. Cette derniere structure, ainsi que celle du " complexe ion-dip8le " est aussi probablement formee par rup- ture de l'ion moleculaire du l-(2-hydroxypropyl)imidazole [ 9 1 . La decarbonyla- tion du 1-acetylpyrazole [I21 ionis€ conduit aussi a un complexe ionique methy- lene-pyrazolium.

PARTIE EXPERIMENTALE.

Les spectres de masse et les spectres CAD ont et6 releves sur un spectro- metre AEI, MS 902, modifie par l'adjonction d'un secteur Qlectrique entre le secteur magnetique et le collecte~r'~. Le spectrometre est muni d'une chambre de collision en troisieme region libre de champ, le gaz de collision etant l'helium ou l'air. Le potentiel d'acceleration est de 8 kV, l'energie des elec- trons ionisants &ant fixee a 70 eV (courant de trappe de 100 a 500 UA).

litteraturell. Les composes N-alkyles (4, I I , tion directe de l'imidazole et du pyrazole. Les derives hydroxyalkyles B et 9 ont ete synthetises suivant la reference 16.

Les composes 1 , 5, 10 et 1 2 ont ete synthetises suivant les donnees de la 13) ont 6te prepares par alkyla-

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