Imidasool

Imidasool (tuntud ka kui 1,3-diasool ehk 1,3-diasatsüklopenta-2,4-dieen) on orgaaniline ühend, mille keemiline valem on C3H4N2. Tegu on heterotsüklilise ühendiga, see tähendab, et see koosneb eri elementide aatomitest. Lämmastikud on viielülilises tsüklis eraldatud ühe süsinikuga ning on seega asendites üks ja kolm. Toatemperatuuril on imidasool tahke kristalne aine, mis on värvuselt valge või kergelt kollakas. Esimesena sünteesis seda ainet Heinrich Debus 1858. aastal ning seda nimetati glüoksaliiniks. Praeguse nime võttis kasutusele Arthur Rudolf Hantzsch 1887. aastal. Imidasooli molaarmass on 68,10 g/mol ja tihedus 1,23 g/cm3, mis on ligilähedane glütserooli tihedusele. Imidasool on aromaatne ühend, kuna omab kuut π-elektroni, mis on jaotunud tsüklile. Sellel on kaks tautomeervormi ning esineb ka mitmeid resonantsvorme. Positiivne laeng võib paikneda nii esimeses kui ka kolmandas asendis oleval lämmastikul. Resonantvormid erinevad kaksiksideme ja vaba elektronpaari paiknemise poolest. Mõned resonantsstruktuurid on näha kõrvaloleval joonisel. Sellest tulenevalt on molekul ka polaarne ja lahustub vees hästi. 20⁰C juures lahustub 100 grammis vees 241 grammi imidasooli. Imidasooli sulamistemperatuur on 90⁰C ja keemistemperatuur 256⁰C. Erinevate funktsionaalrühmade liitumine lämmastikele alandab ühendi keemistemperatuuri, kuna väheneb molekulisiseste vesiniksidemete moodustumise võimalus. Imidasool on amfoteerne aine, see tähendab, et tal on nii aluselised kui ka happelised omadused. Imidasooli aluselised omadused on palju tugevamad kui happelised. Selle pKb väärtus on 7,0 ja pKa väärtus on 14,9; mis teeb imidasooli happelisuselt alkoholidega sarnaseks. Sünteesiprotsessis reageerivad ammoniaagi keskkonnas omavahel glüoksaal ja formaldehüüd. Sõltuvalt lähteainetest saab sellest reaktsioonist erinevate funktsionaalrühmadega imidasoole. Kuigi meetodi puuduseks on madal saagis, kasutatakse seda mõnede imidasoolide tootmisel ka tänapäeval. Tegu on edasiarendusega Debus' sünteesireaktsioonist. Võrreldes Debus' sünteesiga on antud meetodi saagikus kõrgem: see jääb 60% ja 85% vahele. Reaktsioonis osalevad asendatud 1,2-dikarbonüül, aldehüüd ja ammoniaak. Reaktsioonikeskkond on vesi või alkoholi vesilahus ning reaktsioon toimub 50–100⁰C juures. Vastavalt algainete asendusrühmadele omab ka saaduseks olev imidasool neid samu asendusrühmi (joonisel kujutatud R1, R2 ja R3). Reaktsiooni esimeses etapis reageerivad dialdehüüd ja ammoniaak, selle tulemusena eraldub vesi ja moodustub diamiin. Reaktsiooni teises etapis liitub diamiinile aldehüüd ja saadakse imidasool. Ka selle reaktsiooni käigus eraldub vesi. Peale produkti destilleerimist ja kristallistumist on selle puhtus üle 99%. Meetod on laialdaselt kasutusel eri asendusrühmadega imidasoolide tööstuslikul saamisel. Kasutades väävelhapet katalüsaatorina, reageerib imidasool 60–80% lämmastikhappega 120–150⁰C juures ning reaktsiooni produktiks saadakse 4(5)-nitroimidasool. Sellisel meetodil ei ole võimalik nitrorühma liitumine teise asendisse ning kui teises asendis on mõni muu funktsionaalrühm, ei sega see reaktsiooni käiku. Imidasooli alküülimine dialküülsulfaadiga või alküülhalogeniididega toimub polaarses lahuses aluselises keskkonnas. Happelise katalüsaatori abil saab imidasooli ja alküülimidasoole alküülida 300⁰C juures, sel puhul on tegu gaasifaasis toimuva reaktsiooniga. Imidasooli heterotsükkel on looduslikes ühendites laialt levinud – seda leidub nukleiinhapetes puriinide koostises, mis on looduses kõige laialdasemalt levinud lämmastiku heterotsüklilid. Imidasool esineb puriini kujul ka DNA koostisosades guaniinis ja adeniinis. Aminohapetest on imidasooli histidiinis ja temale vastavas hormoonis histamiinis, mis on seotud igapäevaste toimingutega, näiteks magamine, söömine ja joomine. Imidasoolil on seega oluline roll paljudes bioloogilistes protsessides. Inimkehas osaleb see põletikuvastastes protsessides ja on seotud ka vererõhu reguleerimisega. Üks olulisemaid imidasooli derivaatide kasutusalasid on ravimitööstus. Mitmesuguseid imidasooli ühendeid, nagu ekonasoolnitraat, mikonasoolnitraat ja klotrimasool, kasutatakse seenhaiguste raviks. Need ühendid on ka antibakteriaalsed grampositiivsete bakterite suhtes, näiteks stafülokokid, mis on sagedasti seenhaigustega kaasnevad. Seenhaiguste tõrjumiseks kasutatakse imidasooli derivaate ka põllumajanduses. Imidasooltsüklit sisaldavaid polümeere saab kasutada valkude puhastamiseks. Need tõkestavad Ras valkude muteerumist ja seeläbi takistavad vähi levikut. Analoogseid polümeere saab kasutada ka DNA-s kindlate geenide blokeerimiseks. Lisaks sellele on nende polümeeride abil võimalik transportida hapnikku. Nahavähi raviks on võimalik kasutada asendatud 2-arüül-tiasolidiin-4-karboksüülhappe amiide. Sellised ühendid on stabiilsemad kui näiteks Dacarbazine, mis on üks põhilisi nahavähi ravimeid. Imidasooli derivaatide hea külg on nende stabiilsus, mis on tingitud imidasooltsükli esinemisest, samuti on neil kiraalse asenduse vajadus väiksem kui teistel sama eesmärki täitvatel ravimitel. Nitroasendatud imidasoolid on olulised kemoteraapias. Loomade raviks kasutatakse teiste hulgas 1,2-dimetüül-5-nitroimidasooli (dimetridasooli), 1-metüül-2-isopropüül-5-nitroimidasooli (ipronidasooli) ja 1-metüül-2-karbamoüüloksümetüül-5-nitroimidasooli. Inimeste raviks kasutatakse 4(5)-nitroimidasoolil või 2-metüül-4(5)-nitroimidasoolil põhinevaid ühendeid. Vase korrosiooni ärahoidmiseks kasutatakse asendatud polüvinüülimidasoole (PVI), näiteks polü-N-vinüülimidasool, polü-4(5)-vinüülimidasool ja polüallüülimdasoole (PAI), mis kantakse metalli pinnale õhukese kihina. Nii töödeldud vask ei oksüdeeru isegi 15 minuti jooksul 360 °C juures. Metallide korrosiooni takistamine on oluline, kuna korrosioon mõjutab nende elektrijuhtivust.     Alküülimidasoole kasutatakse polümeerides, peamiselt epoksüvaikudes ja polüuretaanis, nende tugevdamiseks. Imidasooli derivaadid on tarvitusel ka fotograafias ja ka mõnede värvide tootmisel.     Imidasoolid võivad moodustada sooli, kus katiooniks on protoneeritud lämmastik. Selliste soolade üldnimetus on imidasoolium, näiteks imidasooliumkloriid. Esimesi 1,3-dialküülimidasooliumil põhinevaid ioonvedelikke täheldati juba 1980. aastal. Neid imidasooli soolasid saab kasutada ioonvedelikena, mis on omadustelt lähedased vedelatele sooladele (näiteks vedel NaCl), kuid eksisteerivad vedelal kujul palju madalamal temperatuuril (enamasti toatemperatuuril). Imidasooli ioonvedelikele on veel omane kõrge keemiline ja soojuslik stabiilsus. Imidasoolil baseeruvaid ioonvedelikke oleks võimalik kasutada universaallahustitena keemias, kuna neis on võimalik lahustada ka kõrgmolekulaarseid ühendeid nagu tselluloos. Lisaks sellele on need ühendid mäluefektiga ja mittesüttivad. Erinevaid katiooni ja aniooni kombinatsioone on miljoneid, mis tähendab, et on võimalik luua spetsiifilisi lahusteid. Mainitud ioonvedelikke saaks ka lahustina taaskasutada, kuna nende omadused ei muutu reaktsioonide käigus. See omadus teeb antud ühendid omakorda loodussõbralikuks, kuna väheneb jääkide hulk. Imidasooli soolasid saab kasutada nanomaterjalides ja ka süsihappegaasi siduva reagendina. Imidasool võib olla soola koostises ka anioonina, sel juhul on lämmastiku aatom deprotoniseeritud ja liidab mitmesuguseid metallikatioone. Vastavaid soolasid nimetatakse imidasolaatideks. F. Ullmann, H. Pelc, Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry 7th ed, Wiley-VCH, Weinheim, 2009, 637–644. D. Heinrich, Ueber die Einwirkung des Ammoniaks auf Glyoxal, Annalen der Chemie und Pharmacie, Volume 107, Issue 2, 1858, 199–208. A. Hantzsch, Allegemeine Bemerkungen über Azole, Annalen der Chemie, Volume 249, Issue 1, 1888, 1–6. H. Rosemeyer, The Chemodiversity of Purine as a Constituent of Natural Products, Chemistry & Biodiversity Volume 1, Issue 3, 2004, 361. E. B. Anderson, T. E. Long, Imidazole- and imidazolium-containing polymers for biology and material science applications, Polymer, Volume 51, Issue 12, 28. mai 2010. L. Shargel. Comprehensive Pharmacy Review (6th ed.), 930. J Chen, Z Wang, Y Lu, J.T. Dalton, D. D. Miller, W. Li, Synthesis and antiproliferative activity of imidazole and imidazoline analogs for melanoma, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, Volume 18, Issue 11, 2008, 3183–3187. J. Jang, H. Ishida, A study of corrosion protection on copper by new polymeric agents: silane-modified imidazoles, Corrosion Science, Volume 33, No. 7, 1053–1066, 1992. F. P. Eng, H. Ishida, Corrosion protection on copper by new polymeric agents – polyvinylimidazoles, Journal of materials science, Issue 21, 1986, 1561–1568. A. Ramazani, A. Farshadi, A. Mahyari, F. Sadri, S. Woo Joo, P. Azimzadeh Asiabi, S. Taghavi Fardood, N. Dayyani, H. Ahankar, Synthesis of electron-poor N-Vinylimidazole derivatives catalyzed by Silica nanoparticles under solvent-free conditions, International Journal of Nano Dimension, Volume 7, Issue 1, 2016, 41–48. J. Ding, D. W. Armstrong, Chiral ionic liquids: Synthesis and applications, Chirality, Volume 17, Issue 5, 2005, 281–292.