Mise en kvidence des tautomkres knoliques des hydroxypyridines dans la source du spectromktre de masse

A. MAQUESTIAU, Y. VAN HAVERBEKE ET C. DE MEYER UniversitP de I'Etat, Fnclrlth des Sciences, Service de Cltimie Orgnniqlre, Mons, Belgiq~re

ET

A. R. KATRITZKY, M. J. COOK ET A. D. PAGE University ofEnst Artglin, School of Chemicnl Sciences, Norwich, England

R e ~ u le 6juin, 1974

A. MAQUESTIAU, Y. VAN HAVERBEKE, C. DE MEYER, A. R. KATRITZKY, M. J. COOK e t A. D. PAGE. Can. J. Chem. 53,490 (1975).

L'utilisation de melanges approximativement Cquimolaires d'hydroxypyridines et de DO- pyridines permet la mise en Cvidence sur la perte de CO, d'un effet isotopique, identique e n ce qui concerne les isomeres 3 et 4. Ce rCsultat suggkre que les tautomkres Cnoliques constituent essentiellement la phase gazeuse, comme le confime d'ailleurs une etude des rapports d'abondance metastable au niveau d'ions fragments hydroxypyridine et sur les mCmes ions cries par ionisation directe. La 2-hydroxypyridine exhibe Cgalement un effet isotopique quoique plus faible ainsi que le confirme I'Ctude de mClanges Cquimolaires 2 t thoxy et 2tthoxy-ds-pyridines. La mise en evidence du tautomkre Cnolique est Cgalement invoquCe pour cet isomkre.

A. MAQUESTIAU, Y. VAN HAVERBEKE, C. DE MEYER, A. R. KATRITZKY, M. J. COOK, and A. D. PAGE. Can. J. Chem. 53,490 (1975).

3- and 4-Hydroxypyridines exist in their enolic form, in the gas phase, as evidenced by the similarity of the deuterium isotope effects on the loss of CO, calculated on nearly equimolar mixtures of HO- and DO-pyridines. This is confirmed by analysis of metastable ratios evaluated on hydroxypyridine fragment ions and on the same ions produced by direct ionization. 2-Hydroxypyridine shows a weaker isotope effect for the same reaction and this is confirmed by the study of an equimolar mixture of 2-ethoxy- and 2-ethoxy-ds-pyridines. It is shown that 2-hydroxypyridine also exists as its enolic form, in the gas phase.

Introduction Les 2-, 3- et 4-hydroxypyridines (1, 2 et 3)

Ctant des composCs susceptibles de participer B un Cquilibre protomere du type Cnol-cCtone ont fait l'objet de nombreuses recherches tant B 1'Ctat solide qu'en solution. Les rtsultats des Ctudes spectroscopiques et physico-chimiques Ctablissent que les 2- et 4-hydroxypyridines existent presque exclusivement sous forme pyridone B 1'Ctat cristallin et en solution; par contre, l'isomere 3-hydroxy se prCsente comme tel B 1'Ctat condens6 et dans les solvants de faible constante diklectrique (1) (schCma 1). En phase gazeuse, au contraire, quelques donnCes rCcentes de la 1ittCrature indiquent une plus grande stabilitC des tautomeres Cnoliques. Ainsi, Grlanneberg et Undheim (2), par des mesures de potentiels d'ionisation, concluent B la presence unique des molCcules 2-, 3- et 4-hydroxypyri- dines. La prCpondCrance de l'isomere Cnolique a encore CtC confirmCe par spectroscopie u.v.: h 120-140 "C en phase vapeur, le dCrivC 2-

4-Hydroxypyridine 4-Pyridone Forme Cnolique-(OH) Forme pyridone-(NH)

hydroxylC existe en tant que tel B raison de 65 + 15% (3).

Nous nous proposons dans le prCsent travail, de confirmer l'existence prCpondCrante des formes Cnoliques des hydroxypyridines dans la source du spectrometre de masse par la mise en Cvidence d'effets isotopiques primaires mesurCs au niveau des ions de fragmentation directe et mktastables. La manifestation de tels effets a d'ailleurs dCjB permis d'apporter de prCcieux renseignements mCcanistiques (4-6).

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migration O I * - [671

hydrogkne , - HCN

RCsultats expCrimentaux et discussion Les spectres de masse des 3- et 4-hydroxy-

pyridines mentionnts dans la litttrature (7, 8) rivklent une Climination compttitive de HCN et de CO au dtpart des ions moltculaires; par contre, le dtrivt Zhydroxy perd quasi spCcifi- quement une moltcule de CO. Pour 2 et 3, dont on a remplact l'hydrogkne tautomtrisable par du deuterium, nous observons l'expulsion de cyanure d'hydrogkne quasi sptcifiquement sous forme DCN. Ce phtnomkne n'a trouvt, jusqu'a prtsent, aucune explication pleinement satis- faisante.

Toutes ces tliminations sont appuytes par des transitions mttastables, qui dans le cas de I'expulsion de CO prtsentent un sommet concave, traduisant une liberation d'tnergie cinttique.

La perte de HNC ne se con~o i t pas aistment au dtpart d'une forme NH (Zpyridone ou 4- pyridone). I1 faut d'ailleurs remarquer que l'tlimination de HCN, observte au dtpart de l'isomkre 3-hydroxypyridine, incapable de prC- senter une forme pyridone, accrtdite cette suggestion. Par contre, l'tlimination de CO peut &tre envisagte aussi bien a partir d'une forme lactame qu'au dtpart d'un ion de type CH obtenu par migration de l'hydrogkne hydroxy- lique de I'tnol (schema 2).

De telles migrations d'hydrogkne ont d t j i t t t invoqutes pour expliquer, notamment, la dtgra- dation du phtnol et de l'aniline (rtf. 8, p. 116 et rtf. 9). Si un tel rearrangement, uniquement

concevable au dtpart d'une forme tnolique, constitue l'ttape dtterminante, le marquage au deuterium de l'hydrogkne hydroxylique modifie les probabilitts de rupture des liaisons 0-H et 0-D. I1 en rtsulte une diminution de I'intensitt de l'ion fille ou mttastable associt a l'tlimination de CO. La manifestation de tels effets isotopiques correspondrait donc a la mise en tvidence de tautomkres tnoliques.

La mesure de ces effets n'est toutefois pas simple, car les dtrivts monodeuttrits des 3- et 4-hydroxypyridines tliminent une moltcule de DCN. Les pics correspondants se confondent avec ceux provenant de la perte de C O et il est ntcessaire pour les distinguer de travailler a haute rtsolution. Dans ces conditions, afin d'augmenter la prtcision de la mesure, seules les valeurs relatives i du rapport des intensitts ([M - CO].+)/(M.+) sont dttermintes et ce sur des melanges approximativement tquimoltcu- laires en produits mono- et non deuttrits.

Les rtsultats exptrimentaux sont repris au tableau 1.

Les valeurs pour les pics mttastables ne peuvent bien entendu pas &tre dttermintes a cause de la superposition mentionnte ci-dessus. Pour des raisons identiques, il n'est pas possible

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masses precises m*

- CO - [671 67.042 47.25 HO-Pyridine

[951 - HCN - [@I 68.026 48.67 f - CO - [@I 68.048 48.16

DO-Pyridine - DCN

[961 - [681 68.026 48.16

TABLEAU 1. Valeurs de i des melanges equirnolkulaires des

hydroxypyridines non- et rnonodeutCriees

Pyridine i

2-Hydroxy (1) 1 .04 3-Hydroxy (2) 1.47 4-Hydroxy (3) 1.41

d'evaluer l'effet isotopique tventuel sur la perte de H(D)CN et ce aussi bien au niveau des ions de fragmentation directe et mttastables comme illustrt ci-aprts (schCma 3). Les valeurs mesurtes des effets isotopiques primaires (i) rapporttes au tableau 1 sont de l'ordre de grandeur de celles auxquelles on pouvait s'attendre au vu des donntes de la litttrature (10, 1 l), du moins pour les dtrivts 3- and 4-hydroxylts.'

Comme, d'une part la 3-hydroxypyridine existe entitrement sous forme OH, et comme d'autre part, on peut a priori admettre un m&me effet isotopique pour une rupture 0-H d'un hydroxyle fix6 en position 3 ou 4, la quasi tgalitt de i pour 2 et 3 laisse prtsumer que la 4-hydroxypyridine se trouve au moins de f a ~ o n largement prtdominante, sous forme OH en phase gazeuse. Ces rtsultats sont en parfait accord avec les conclusions du travail de Grarnneberg et Undheim (2). La valeur de i de 1.04 pour la 2-hydroxypyridine ne permet par contre pas, A ce stade, de tirer de conclusions.

'Bien que des effets isotopiques secondaires de l'ordre de deux aient CtC rapport& par Neeter et Nibbering (1 l), il faut rernarquer qu'il est difficile de chiffrer indkpendem- rnent un effet isotopique prirnaire et secondaire pour de tels processus de rkarrangernent prototropique; en gCnCral, la seule considkration des effets isotopiques primaires est appliquCe (4, 5, 6, 10).

Cependant, comme cette substance n'tlimine pas de HCN, il n'y a pas superposition des pics relatifs B la perte de CO et DCN dans la moltcule deuttrike. 11 est donc possible ici, de mesurer l'effet isotopique i* au niveau des transitions mttastables (premitre rtgion libre de champ).

Les valeurs de i et i* mesurtes B basse rtsolu- tion sur un mtlange tquimoltculaire de 2- hydroxypyridine non et monodeuttrits sont reprises au tableau 2. Comme o n peut le remar- quer, le faible effet isotopique (i) mesurt A basse rCsolution (1.07, tableau 2)' est quasi identique B celui obtenu B haute resolution (1.04, tableau 1). Ce rtsultat confirme la prtcision des valeurs renseigntes au tableau 1. La faible valeur de i mesurte au niveau d'ions de fragmentation directe, pour la 2-hydroxypyridine, permet de douter de l'existence d'un effet isotopique riel et partant exclut B ce stade toute conclusion quant B la composition de la phase gazeuse. I1 est d t s lors apparu plus inttressant de confirmer la manifestation de l'effet isotopique au niveau de transition metastable de premitre rtgion libre de champ. I1 est en effet bien ttabli que l'effet isotopique augmente avec la diminution de l'tnergie moyenne interne de 17ion prkcurseur (lo), et ce pour un m&me mtcanisme de rtar- rangement. L'observation de la valeur de i* de 1.8, au niveau mttastable, (tableau 2), permet de conclure B la prtsence, au moins partielle, du tautomtre Cnolique de la 2-hydroxypyridine en phase gazeuse. En effet, la diminution de l'intensitt du mttastable correspondant B l'tlimi- nation de CO suite B la substitution isotopique implique une migration prCalable de I'hydrogtne

'Valeur corrigke pour la contribution en 13C.

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* -CO - [671 * - HCN - [681

hydroxylique au cours d'une ttape dtterminante. Une forme 2-pyridone pouvant tliminer directe- ment CO, n'aurait conduit par constquent aucune modification d'intensitt suite au mar- quage au deuterium, aussi bien au niveau d'ions de fragmentation directe que metastable, tout au moins si l'on exclut l'effet isotopique secon- daire. Le bien-fondt d'une telle hypothkse de travail sera d'ailleurs confirm6 plus loin par l'ttude d'un mtlange 2-tthoxy et 2-tthoxy-d,- pyridines.

TABLEAU 2. Valeurs de i et i* d'un rnClange equirno- ICculaire de 2-hydroxypyridine non- et monodeutCriks

Cre'ations d'ions "in situ" Les substituants tthyle ou acttyle fixts sur un

hettroClCment tel l'azote ou l'oxygkne tliminent par un mtcanisme unique a quatre centres, respectivement de l'ithylkne et du ctttne (4, 5, 12, 13). A partir des 3- et 4-Cthoxy ou acttoxypyridines, il est donc, en principe, possible de crter un ion fragment identique en structure celui d'un ion moltculaire de type OH (schema 4).

Les rapports d'abondance mttastables pour la perte de HCN et de CO, mesurts au dtpart des ions fragments M - CH,CO~.+ et M - c,H,~.+ issus respectivement des substrats acttoxy et tthoxypyridines, et ceux mesurts sur les ions moltculaires hydroxypyridines corre- spondants sont renseignts au tableau 3. La similitude dans les rapports d'abondance pour les dtrivCs substituts en 3 (Tableau 3) implique 1'identitC de structure des ions fragments M - CH,CO~.+ et M - C,H,~.+ et de l'ion moltculaire de la 3-hydroxypyridine (1 4, 15, 16). Comme on sait de manikre non ambigue que cette substance existe sous forme OH, ce rtsultat confirme l'tlimination de cCtene. ou d'ethylkne par un mtcanisme A quatre centres. Un m&me schCma de fragmentation s'appliquant en toute logique aux dtrivts 4 substituts, la quasi tgalitt des valeurs renseigntes pour 3, 6 et 7 (tableau 3) dtmontre a nouveau l'existence de la 4-hydroxypyridine, en phase vapeur dans le spectromktre de masse, sous forme Cnolique.

La creation "in situ" de la 4-pyridone, esptrte au dtpart de la N-tthyl-4-pyridone n'a

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TABLEAU 3. Rapports d'abondance metastable (seconde region) pour la perte de HCN et de CO

compose I [m* [m* (-C0)1 (- HCN)l I , , , , c = ~ ~

OEt 5 1.24

OEt 7 2.50

I

six e - r 2 centres I H

pu malheureusement Ztre rCalisCe, celle-ci se dCgradant presque exclusivement par une perte de monoxyde de carbone au dCpart de l'ion molCculaire, excluant ainsi une confirmation suppltmentaire de nos rCsultats.

L'absence dlClimination competitive de HCN et de CO dans le cas de la 2-hydroxypyridine ne permet pas une analyse semblable ?I celle mentionnte au tableau 3. Ntanmoins, les 2- Cthoxypyridines donnent naissance sous l'impact Clectronique, du moins partiellement, A des ions fragments de type 2-hydroxy (vide infra).

I1 est donc possible d'Cvaluer des effets iso- topiques pour 1 ou pour des ions correspondants formCs in situ au depart de spectres relevis sur des melanges 50: 50 en produits deutCriC et non deutirit (tableau 2). La quasi Cgalitt des valeurs de i, d'une part, et de i*, d'autre part, confirme l'existence en phase gazeuse du tautomhe

Cnolique pour 1; une telle CgalitC observke a la fois sur les transitions mCtastables et ordinaires, correspondant a I'elimination d e CO (tableau 2), pourrait mZme suggCrer I'existence unique de la forme 2-hydroxypyridine, rCsultat dCja avancC par Grlanneberg et Undheim (2). En effet, un melange, a 1'Ctat gazeux, d e 2-pyridone/2- hydroxypyridine aurait conduit a des effets isotopiques plus petits que 1 . 0 9 ~ et 1.7 obtenus au dipart d'Cthoxypyridine a moins que cette derniere ne se dCgrade aussi via un mecanisme a six centres pour donner le mEme mClange, ce qui parait totalement improbable (schtma 5). I1 peut toutefois sembler surprenant que la 2-hydroxypyridine, contrairement aux deux autres isomeres, ne perde pas de molCcule de HCN. Ceci pourrait toutefois s'expliquer par

3Valeur corrigie pour la contribution du 13C.

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l'intervention d'un effet ortho, exerct par l'azote pyridinique qui faciliterait le transfert de l'hydrogbne hydroxylique et accrtditerait d'ail- leurs par la m&me occasion notre hypoth6se selon laquelle une forme 2-pyridone tlimine difficile- ment HNC. L'abaissement notable de l'tnergie d'activation correspondant a l'tlimination de CO, tclipserait par voie de constquence toute possibilitt de perte de HCN. L'intervention de cet effet ortho pourrait expliquer la petite valeur de l'effet isotopique observt sur la 2-hydroxy- pyridine et d'autre part certaines fragmentations propres aux pyridines substitutes en position 2, comme la perte intense d'un radical hydrogbne et mtthyle au dtpart des substrats 2-mtthoxy- et 2-tthoxypyridines, conduisant probablement a la quaternisation de l'azote. De tels effets ortho exercks par l'azote pyridinique ont CtC mentionnts dans la litttrature (ref. 7, pp. 427, 465 et 471 ; 17).

Conclusions L'ttude de mtlanges OH- et OD-pyridines

rtvele une diminution de l'intensitt de l'ion fille et de l'ion mttastable correspondant l'tlimina- tion de CO, suite au marquage isotopique. Cette observation suggere que les tautombes tnoliques constituent principalement la phase gazeuse. En effet, dans ce cas, l'expulsion de CO ne peut se concevoir que suite a la migration de l'hydrogene hydroxylique et ceci dans une ttape dtterminante. Par contre, les formes lactames, pouvant Climiner directement CO sans rtarrangement, ne prt- senteront pas un tel effet isotopique primaire.

L'tgalitt dans les effets isotopiques primaires et secondaires, relatifs a la perte de CO, au dtpart des substrats 3- et 4-hydroxypyridines, vtrifie le bien-fondt de nos hypothbses. L'ana- logie dans les rapports d'abondances mttastables, calcults d'une part au niveau d'ions fragments hydroxypyridines, et d'autre part au niveau des m&mes ions, rtsultant d'une ionisation directe, confirme tgalement nos rtsultats. L'isombre 2- hydroxypyridine prtsente aussi un effet iso- topique, beaucoup plus faible certes mais rtel, sur la perte de CO. Celui-ci se retrouve exacte- ment sur les ions fragments 2-hydroxypyridines, cr t ts via une Climination d'tthylbne au dtpart de 2-tthoxypyridine. Si cette tlimination procbde suivant le micanisme conventionnel a quatre centres, cette tgalitt dans les effets isotopiques

suggbre que le tautombre Cnolique constitue quasi uniquement la phase gazeuse.

Tous les spectres ont CtC relevis sur un spectromttre A.E.I. MS 902, soit par introduction dans la source (Intr. dir.), soit via le systtme en verre (Intr. liq.), travail- lant i 70 eV (100 PA, 8 kV).

Les valeurs d'effet isotopique ainsi que les rapports d'abondance mentionnis constituent la moyenne de plusieurs balayages, effectuCs dans les mCmes conditions expkrimentales. La comparaison des transitions mCtas- tables de premiere rCgion libre de champ est rCalisCe par la technique de refocalisation d'ions (18, 19) (4 kV) en maintenant constante la tension du multiplicateur d'electrons.

La rialisation de mklanges tquimolaires en prpduits hydrogent et monodeuteri6 est rkaliske par Cchange direct dans la source du spectrometre g r k e i I'admission contr6lte de D 2 0 via le systeme d'introduction des gaz. L'Cvolution du taux de deutCriation est suivie au moyen de I'oscilloscope de I'appareil et I'admission de D 2 0 est coupCe des que I'on obtient un melange Cquimolaire. Les expkriences en haute rtsolution (environ 10.000) ont CtC rCalisCes avec la perfluorotributylamine, comme substance de rkfkrence. Les intensitis relatives rapportkes ci-apres sont rksumCes par rapport au pic de base. Seuls sont mentionnCs les fragments dont I'intensitC est supkrieure a 3%. 2-Hydroxypyridit~e: [95] Intr. dir.; Produit Aldrich; mle 96(6), 95(100), 68(5), 67(31), 66(7), 51(5), 50(4), 41(13), 40(11, 5), 39(23). 3-Hydroxypyridit~e: [95] Intr. dir.; Produit Aldrich; m/e 96(6), 95(100), 68(8), 67(4), 66(3), 55(4), 42(4), 41(7), 40(8), 39(15). 4-Hydroxypyridine: [95] Intr. Dir.; Produit Aldrich; m/e 96(6), 95(100), 94(4), 68(15, 51, 67(9), 66(3, 51, 55(6), 53(3, 5), 51(4), 50(3, 5), 42(4), 41(1 I), 40(8), 39(14), 38(4). 2-Ethoxypyridine: [I231 Intr. Liq.; p.6. 40-4Io/18 mm (litt. (20) 156"/760 mm); tnle 123(42), 122(7), 108(100), 96(4), 95(52), 79(89), 78(32), 67(70), 66(8), 52(14), 51(18), 50(5, 5), 41(9), 40(9), 39(25, 5), 38(8). 2-Ethoxy d5-pyridine: [I281 Intr. Liq. (20); mle 128(30), 126(5), 110(100), 97(4), 96(61), 82(10), 81(6), 80(96), 79(5), 78(23), 69(5), 68(91), 67(5), 66(6), 53(5), 52(13), 51(16), 50(6, 5), 42(10), 41(7), 40(10), 39(39), 38(13). 3-Ethoxypyridine: [I231 Intr. Liq.; p.6. 78-8O0/15 mm(21); m/e 123(52), 96(6), 95(100), 78(6), 68(6, 5), 67(8), 66(4), 55(3), 51(8), 50(3), 41(5), 40(7), 39(24), 38(6). 4-Ethoxypyridine: [I231 Intr. Liq.; p.6. 98-10O0/17 mm (litt. (22) 94"/14 mm); n ~ l e 123(91), 108(3), 96(7), 95(100), 78(14), 68(19), 67(16, 5), 66(3), 55(5), 53(3?, 52(4), 51(19), 50(7), 41(1 I), 40(9), 39(14), 38(3, 5). N-Ethyl-4-pyridone: [I231 Intr. Dir.; p.C. 170°/0.5 mm (23) (litt. (24) 180-195"/1.3 mm); tn/e 123(100), 122(4), 108(28, 5), 96(5), 95(19), 94(4), 82(14, 5), 81(3, 5), 80(55), 68(6), 67(17,5), 66(4), 54(6), 53(8), 52(5,5), 51(3), 43(3,5), 42(8), 41(12, 5), 40(11), 39(19), 38(5). 3-Ace'toxypyridine: [I371 Intr. Liq.; p.e. 98-100°/15 mm (litt. (25) 210"); n ~ / e 137(14), 109(5), 96(7), 95(100),

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