Imidazol

Imidazol

Nazewnictwo Nomenklatura systematyczna (IUPAC) 1H-imidazol Inne nazwy i oznaczenia 1,3-diazol, 1,3-diaza-2,4-cyklopentadien
Ogólne informacje
Wzór sumaryczny	C3H4N2
Masa molowa	68,08 g/mol
Wygląd	białe lub żółte kryształy o zapachu aminowym
Identyfikacja
Numer CAS	288-32-4 13028-65-4 (cytrynian) 1467-16-9 (chlorowodorek) 2200-49-9 (octan) 5587-42-8 (sól sodowa)
PubChem	795
SMILES C1=CN=CN1
InChI InChI=1S/C3H4N2/c1-2-5-3-4-1/h1-3H,(H,4,5) InChIKey RAXXELZNTBOGNW-UHFFFAOYSA-N
Właściwości Gęstość 1,0303 g/cm³ (101 °C)[1]; ciało stałe Rozpuszczalność w wodzie 2060 g/kg (19 °C)[4] w innych rozpuszczalnikach rozpuszczalny w eterze dietylowym, acetonie, pirydynie, dobrze w etanolu, słabo w benzenie[1] Temperatura topnienia 88,52 °C[1] Temperatura wrzenia 257 °C[1] logP −0,08[2] Kwasowość (pKa) 6,99[3] Współczynnik załamania 1,4801 (589 nm, 101 °C)[1]
Budowa Układ krystalograficzny jednoskośny[1] Moment dipolowy 3,8 ± 0,4 D[5]
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich [dostęp 2017-01-04] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie podanej karty charakterystyki Niebezpieczeństwo Zwroty H H302, H314, H360D Zwroty P P201, P280, P305+P351+P338, P310 NFPA 704 Na podstawie podanego źródła[7] 1 3 0   Temperatura zapłonu 145 °C (zamknięty tygiel)[2][6] Temperatura samozapłonu 480 °C[2] Numer RTECS NI3325000 Dawka śmiertelna LD50 970 mg/kg (szczur, doustnie)[6]
Podobne związki
Podobne związki	pirazol, pirol, triazol, tetrazol
Pochodne biologicznie czynne	puryna, histamina, histydyna, metronidazol, pilokarpina, tinidazol, ornidazol, mykonazol
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa)

Imidazol – heterocykliczny związek chemiczny o charakterze aromatycznym. Tautomerem 1H-imidazolu jest niearomatyczny 2H-imidazol (oba są 1,3-diazolami), a metamerem – aromatyczny pirazol (1,2-diazol).

Substancje zawierające w swojej strukturze pierścień imidazolowy są rozpowszechnione w przyrodzie, wiele z nich ma istotne funkcje biologiczne. Przykładami mogą być histydyna czy histamina. Ugrupowanie imidazolowe obecne jest w alkaloidach imidazolowych oraz w wielu lekach o charakterze przeciwgrzybicznym, np. nitroimidazolu.

Budowa cząsteczki

Imidazol tworzy pięcioczłonowy, płaski pierścień o charakterze aromatycznym (posiada sekstet elektronów π i spełnia regułę Hückla)^[8][9]. 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.

Struktury rezonansowe imidazolu

Występowanie

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:

Schemat dekarboksylacji histydyny do histaminy

Związek ten odpowiedzialny jest za występowanie wielu objawów odpowiedzi alergicznych oraz pełni rolę neurotransmitera w układzie nerwowym.

Otrzymywanie

Imidazol został po raz pierwszy otrzymany przez Heinricha Debusa w 1858 roku, 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^[10]:

Synteza imidazolu metodą Debusa (R₁, R₂, R₃ = H)

Metoda ta, mimo stosunkowo niskiej wydajności, nadal znajduje zastosowanie do otrzymywania C-podstawionych imidazoli.

Obecnie istnieje wiele modyfikacji tej metody. W jednej z nich reagentami są dibenzoil, formaldehyd oraz amoniak, rozpuszczalnikiem lodowaty kwas octowy, a proces jest wspomagany mikrofalowo. Produktem tej reakcji jest 2,4,5-trifenyloimidazol^[11].

Otrzymywanie pochodnych imidazolu

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

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:

Tworzenie dwóch wiązań

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.

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.

Tworzenie czterech wiązań

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^[12].

Inne drogi syntezy

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.

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

Możliwe jest również otrzymywanie arylowych pochodnych imidazolu poprzez wykorzystanie związków dikarbonylowych:

Właściwości

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 pK_a wynosi 14,5, co czyni go kwasem słabszym od kwasów karboksylowych, fenoli oraz imidów, jednakże mocniejszym od alkoholi. pK_BH+
imidazolu wynosi 7, co oznacza, że jest on stosunkowo słabą zasadą, znacznie słabszą od amin alifatycznych (pK_BH+
ok. 10–11), jednak ok. 100-krotnie silniejszą od pirydyny i amin aromatycznych (pK_BH+
ok. 5).

Zastosowanie

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

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.

Zastosowania medyczne

Ugrupowanie imidazolowe wchodzi w skład wielu leków. Syntetyczne pochodne imidazolu zawarte są w wielu fungicydach, stosowanych w leczeniu poważnych grzybic^[13] 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.

Przypisy

Bibliografia

• CRC Handbook of Chemistry and Physics, William M.W.M. Haynes (red.), wyd. 97, Boca Raton: CRC Press, 2016, ISBN 978-1-4987-5429-3  (ang.).
• M.R. Grimmett: Imidazoles and their Benzo Derivatives (iii) Synthesis and Applications. W: Comprehensive Heterocyclic Chemistry. A.R. Katritzky, C.W. Rees (red.). T. 5: Five-membered Rings with Two or More Nitrogen Atoms. Elsevier, 1984. DOI: 10.1016/B978-008096519-2.00076-X. ISBN 978-0-08-096519-2.