Imidazol

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Imidazol
Imidazol
Nazewnictwo
Ogólne informacje
Wzór sumaryczny C3H4N2
Masa molowa 68,08 g/mol
Wygląd biały lub prawie biały, krytaliczny proszek[3]
Identyfikacja
Numer CAS 288-32-4
13028-65-4 (cytrynian)
1467-16-9 (monochlorowodorek)
2200-49-9 (octan)
5587-42-8 (sól sodowa)
PubChem 795[6]
Podobne związki
Pochodne biologicznie czynne puryna
histamina
histydyna
metronidazol
pilokarpina
tinidazol
ornidazol
mykonazol
Podobne związki pirazol, pirol, triazol, tetrazol
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa)

Imidazol (1,3-diazol) – heterocykliczny związek chemiczny o charakterze aromatycznym. Imidazol zaliczany jest do grupy alkaloidów, substancje zawierające w swej strukturze pierścień imidazolowy są rozpowszechnione w przyrodzie, wiele z nich ma istotne funkcje biologiczne. Przykładem może być aminokwas białkowy histydyna a także aminy biogenne takie jak histamina. Ponadto wiele leków o charakterze przeciwgrzybicznym (np nitroimidazol) zawiera ugrupowanie imidazolowe. Izomerem imidazolu jest pirazol (1,2-diazol).

Historia odkrycia[edytuj | edytuj kod]

Synteza imidazolu opisana przez Debusa

Imidazol został po raz pierwszy otrzymany przez Heinricha Debusa w 1858, jednakże wiele pochodnych tego związku było znanych już w latach 40' XIX wieku. Synteza imidazolu została przeprowadzona przy użyciu glioksalu i formaldehydu w środowisku amoniaku.[7]. Synteza Debusa, mimo stosunkowo niskiej wydajności nadal znajduje zastosowanie do otrzymywania C-podstawionych imidazoli.

Obecnie istnieje wiele modyfikacji tej metody. W jednej z nich reagentamidibenzoil, formaldehyd oraz amoniak. Stosowanym rozpuszczalnikiem jest lodowaty kwas octowy a sam proces jest przyśpieszany przy użyciu mikrofal. Produktem reakcji jest 2,4,5-trifenyloimidazol[8].

Struktura i właściwości[edytuj | edytuj kod]

Struktura i właściwości elektronowe[edytuj | edytuj kod]

Imidazol tworzy pięcioczłonowy, płaski pierścień o charakterze aromatycznym (posiada sekstet elektronów π i spełnia regułę Hückla). Ponieważ jeden z atomów wodoru jest labilny i może być położony na jednym z dwóch atomów azotu imidazol może występować w dwóch równoważnych formach tautomerycznych. Z powodu znacznego momentu dipolowego związek ten jest wysoce polarny, dlatego też cechuje się dobrą rozpuszczalnością w wodzie i innych rozpuszczalnikach polarnych. Poniżej przedstawiono kilka struktur rezonansowych imidazolu.

Resonance-imidazole.png

Właściwości kwasowo-zasadowe[edytuj | edytuj kod]

Imidazol wykazuje własności amfoteryczne, tj. może być zarówno donorem protonów (kwasowa grupa >N-H), jak i akceptorem protonów (zasadowa grupa =N-). Imidazol jest bardzo słabym kwasem, jego pKa wynosi 14,5, co czyni go kwasem słabszym od kwasów karboksylowych, fenoli oraz imidów, jednakże mocniejszym od alkoholi. pKbH+ imidazolu wynosi 7, co oznacza, że jest on stosunkowo słabą zasadą, znacznie słabszą od amin alifatycznych (pKbH+ ok. 10–11), jednak ok. 100-krotnie silniejszą od pirydyny i amin aromatycznych (pKbH+ ok. 5).

Otrzymywanie[edytuj | edytuj kod]

Istnieje wiele metod pozwalających na syntezę układu imidazolowego. Wiele z nich pozwala na wprowadzenie do pierścienia różnych grup funkcyjnych. Syntezy te mogą zostać sklasyfikowane na podstawie ilości tworzonych wiązań, koniecznych do utworzenia układu heterocyklicznego. Przykładowo synteza Debusa wymaga uformowania wiązań (1,2), (3,4) oraz (1,5) przez co zaliczana jest do grupy syntez poprzez 3 wiązania. Poniżej zostaną przedstawione wybrane metody syntezy układu imidazolowego oraz jego pochodnych funkcjonalnych.

Tworzenie jednego wiązania[edytuj | edytuj kod]

Wiązania (1,5) oraz (3,4) mogą zostać utworzone w wyniku reakcji imidu z α-aminoaldehydem lub α-aminoacetalem w wyniku czego ma miejsce cyklizacja prowadząca do utworzenia pierścienia imidazolowego

Synteza przez utworzenie jednego wiązania

Tworzenie dwóch wiązań[edytuj | edytuj kod]

Wiązania (1,2) oraz (2,3) mogą zostać łatwo utworzone poprzez reakcję 1,2-diaminoalkanu z alkoholem, aldehydem lub kwasem karboksylowym w wysokiej temperaturze. Proces wymaga użycia katalizatora takiego jak tlenek glinu lub platyna, który służy do dehydrogenacji powstałego produktu kondensacji.

Synteza poprzez dwa wiązania

Wiązania (1,2) i (3,4) mogą zostać utworzone przez ogrzewanie N-podstawionych α-aminoketonów z formamidem. Pomimo relatywnie niskiej wydajności metoda ta jest dogodna do syntezy 1,4-dipodstawionych pochodnych imidazolu.

Synteza poprzez aminoketony

Tworzenie czterech wiązań[edytuj | edytuj kod]

Obecnie jest to główna metoda syntezy, charakteryzuje się ona wysoką wydajnością także w przypadku otrzymywania pochodnych imidazolu. Zasadniczo stanowi ona adaptację metody nazywanej syntezy Debusa-Radziszewskiego. Wyjściowym materiałem są podstawiony glioksal, aldehyd amina oraz amoniak lub sól amoniowa[9].

Synteza poprzez cztery wiązania

Inne drogi syntezy[edytuj | edytuj kod]

Możliwe jest otrzymanie imidazolu poprzez fotolizę pochodnych tetrazolu. Proces daje dobrą wydajność jedynie wtedy, gdy 1-winylotetrazol jest efektywnie generowany ze związków cynoorganicznych takich jak 2-tributylostannylotetrazol.

Synteza poprzez pochodną tetrazolu

Innym przykładem syntezy układu imidazolowego jest reakcja w fazie gazowej. Zachodzi ona w zakresie temperatur pomiędzy 340 a 480°, substratami są formamid, etylenodiamina oraz wodór. Reakcja wymaga użycia katalizatorów metalicznych i prowadzi do uzyskania bardzo czystego produktu.

Ciekawą drogą syntezy jest otrzymywanie arylowych pochodnych imidazolu poprzez wykorzystanie związków dikarbonylowych.

Synteza poprzez związki dikarbonylowe

Zastosowania i rola biologiczna[edytuj | edytuj kod]

Zarówno sam imidazol jak i związki zawierające układ imidazolowy znalazły wiele zastosowań. Jednym z zastosowań imidazolu jest oczyszczanie białek modyfikowanych genetycznie. Jeżeli białko takie posiada na jednym z końców sekwencję złożona z kilku powtórzonych histydyn to może ono zostać oczyszczone za pomocą chromatografii powinowactwa na złożu zawierającym kationy niklowe. Roztwór imidazolu jest wykorzystywany do wypłukiwania związanych białek (jest to możliwe z uwagi na to, że kompleksy tworzone z niklem przez cząsteczki imidazolu są stabilniejsze niż te tworzone przez peptyd polihistydynowy.

Zastosowania przemysłowe[edytuj | edytuj kod]

Wiele pochodnych imidazolu ma zastosowanie w przemyśle i technice. Termostabilne tworzywo sztuczne, polibenzoimidazol zbudowane jest z polimerycznych łańcuchów, zawierających reszty imidazolowe połączone z pierścieniami benzenu. Wiele związków stosowanych w elektronice oraz przemyśle fotograficznym także zawiera pierścień imidazolowy. Sam imidazol jest często stosowany jako inhibitor procesów korozji wielu metali przejściowych takich jak miedź.

Farmakologia i medycyna[edytuj | edytuj kod]

Ugrupowanie imidazolowe wchodzi w skład wielu leków. Syntetyczne pochodne imidazolu zawarte są w wielu fungicydach, stosowanych w leczeniu poważnych grzybic[10] oraz lekach skierowanych przeciw pierwotniakom oraz nadciśnieniu tętniczemu. Pierścień imidazolu jest obecny w cząsteczce teofiliny, będącej alkaloidem stymulującym ośrodkowy układ nerwowy. Ponadto pierścień ten występuje w merkaptopurynie stosowanej w leczeniu niektórych typów białaczek.

Znaczenie biologiczne[edytuj | edytuj kod]

Wiele naturalnych związków biologicznie czynnych zawiera ugrupowanie imidazolowe. Jednym z najistotniejszych jest histydyna, będąca aminokwasem białkowym. Bardzo wiele enzymów zawiera reszty histydynowe w swoich centrach aktywnych. Aminokwas ten może ulec dekarboksylacji do histaminy, będącej jedną z tzw. amin biogennych. Związek ten odpowiedzialny jest za występowanie wielu objawów odpowiedzi alergicznych oraz pełni rolę neurotransmitera w układzie nerwowym.

Dekarboksylacja histydyny do histaminy

Przypisy

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Imidazol (ang.). The Chemical Database. The Department of Chemistry, University of Akron. [dostęp 2013-03-10].
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 Imidazol (ang. • niem.) w bazie IFA GESTIS. Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA). [dostęp 2012-09-03].
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 Polskie Towarzystwo Farmaceutyczne: Farmakopea Polska VIII. Warszawa: Urząd Rejestracji Produktów Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Produktów Biobójczych, 2008, s. 3491. ISBN 978-8388157-53-0.
  4. 4,0 4,1 4,2 Imidazol (pol.). Karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich dla Polski.
  5. 5,0 5,1 Imidazol (ang.) w bazie ChemIDplus. United States National Library of Medicine. [dostęp 2013-03-10].
  6. Imidazol – podsumowanie (ang.). PubChem Public Chemical Database.
  7. Heinrich Debus. Ueber die Einwirkung des Ammoniaks auf Glyoxal. „Annalen der Chemie und Pharmacie”, s. 199-208, 1858. doi:10.1002/jlac.18581070209. 
  8. Crouch, R. David, Howard, Jessica L., Zile, Jennifer L., Barker, Kathryn H.. Microwave-Mediated Synthesis of Lophine: Developing a Mechanism To Explain a Product. „Journal of Chemical Education”. 83 (11), s. 1658, 2006. doi:10.1021/ed083p1658. 
  9. Patent US 6,177,575, rok 2001; A. J. Arduengo, F. P. Gentry, P. K. Taverkere, H. E. Simmons. Process for Manufacture of Imidazoles
  10. Comprehensive Pharmacy Review, Leon Shargel, 6th edition, p930.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  1. M.R. M.R. Grimmett: Imidazoles and their Benzo Derivatives (iii) Synthesis and Applications. W: A. R. Katritzky, C. W. Rees (red.): Comprehensive Heterocyclic Chemistry. T. 5: Five-membered Rings with Two or More Nitrogen Atoms. 1984. DOI:10.1016/B978-008096519-2.00076-X. ISBN 978-0-08-096519-2.
  2. A. R. Katritzky, C. W. Rees (red.). Comprehensive Heterocyclic Chemistry. Vol. 5, s. 469-498, (1984)
  3. Grimmett, M. Ross. Imidazole and Benzimidazole Synthesis. Academic Press, (1997)
  4. Brown, E.G. Ring Nitrogen and Key Biomolecules. Kluwer Academic Press, (1998)
  5. Pozharskii, A.F. et al. Heterocycles in Life and Society. John Wiley & Sons, (1997)
  6. Heterocyclic Chemistry TL Gilchrist, The Bath press 1985 ISBN 0-582-01421-2