Биологическое и медицинское значение производных имидазола и тиазола

Биологическое и медицинское значение производных имидазола и тиазола

Курсовая работа по органической химии

Кафедра химии и методики преподавания химии

Оренбург, 2004

Введение

Имидазол и тиазол – пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами. У имидазола два атома азота, а у тиазола – один атом азота и один атом серы. Значение производных имидазола и тиазола очень велико. На их основе изготовлены препараты, применяющиеся для лечения многих заболеваний, в том числе и онкологических. Имидазольное ядро входит в состав таких важных для человека веществ, как азотистые основания, витамины, ферменты, аминокислоты.

Цель данной курсовой работы – показать важность этих двух соединений, обобщив материал из разных отраслей науки (химия, фармакология, медицина), применение производных этих веществ в лечебной практике и повседневной жизни. 

В данной курсовой были решены следующие задачи:

1) Рассмотрены основные способы получения имидазола и тиазола, а также их производных;

2) Проанализировано строение имидазола и тиазола, и на основе строения были сделаны выводы о возможных химических свойствах этих соединений;

3) Проведена классификация производных имидазола и тиазола;

4) Приведены основные производные имидазола и тиазола и описаны их значение и применение. 

Данная тема может быть применена на факультативных занятиях по гетероциклическим соединениям, для расширения знаний по гетероциклическим соединениям и как научно-познавательный материал.

Производные имидазола

Химия имидазола

Получение имидазола

Имидазол получают конденсацией глиоксаля с аммиаком в присутствии формальдегида: 



Производные имидазола получают аналогично, действую аммиаком и формальдегидов на производные глиоксаля:



СТРОЕНИЕ ИМИДАЗОЛА:

В молекуле имидазола имеются 2 сопряжённые двойные связи. Эти связи с 4 π-электронами дополняются несзязывающими электронными парами атомов азота, и возникает единая 6π-электронная ароматическая система. В π-электронном сопряжении атомы азота принимают неодинаковое участие: один атом азота (под номером 3) обладает свободной электронной парой и является нуклеофильным центром. Он называется имидазольным атомом азота. Другой атом азота (под номером 1) отдаёт 2 электрона и характеризуется дефицитом электронов. Он называется пиррольным атомом азота. Двойные связи неравномерно распределяются по кольцу. Ниже приведены резонансные структуры имидазола:



Молекулярная диаграмма имидазола наглядно показывает всё вышеперечисленное:



Молекулы имидазола образуют между собой водородные связи:



Химические свойства имидазола:

Имидазол – более сильное основание, чем пиррол. Амфотерность приводит к тому, что его участие в той или иной реакции зависит от среды: в кислой среде кольцо заряжается положительно, в щелочной – отрицательно.



Реакции электрофильного замещения протекают либо по атомам азота, либо по атомам углерода, но наиболее предпочтителен первый вариант.

Такой механизм реакции требует наименьшие энергетические затраты. 

Производные имидазола могут вступать в реакцию с галоидным алкилом с образованием солей:





Однако помимо реакций электрофильного замещения молекула имидазола может вступать и в реакции нуклеофильного замещения:



Для имидазола возможны и специфические реакции: металлирование и карбоксилирование:





Имидазол также может вступать в конденсацию с альдегидами:



ФЕНИЛМИМДАЗОЛИЛЭТИЛЕН

НЕКОНДЕНСИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ ИМИДАЗОЛА:

Природным производным имидазола является аминокислота гистидин, которая при декарбоксилировании превращается в гистамин.

 

гистидин гистамин

Гистамин токсичен. Он вызывает спазм гладкой мускулатуры и расширение капилляров с увеличением проницаемости их стенок, вызывает падение кровного давления.

Аминокислота гистидин входит в состав некоторых препаратов: один из них – рифотироин. 

Рифатироин или пироглутамил-гистидил-пролинамид (трипептид). Другое название – тиролиберин. Это белый или слегка желтоватый аморфный порошок, хорошо растворимый в воде. Является гипоталамическим фактором, высвобождающий тиреотропный гормон гипофиза, мощный стимулятор секреции пролактин. Применяют при диагностике гипотиреоза, для оценки состояния гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной системы при разных эндокринных заболеваниях.

К простейшим производным имидазола относят:

1) 2-нитороимидазол. Это белое кристаллическое вещество, растворяющееся в воде и органических растворителях. Является очень сильным антибиотиком, однако из-за своей токсичности в настоящее время в медицине не применяется.

2) Мерказолил или 1-метил-2-меркаптоимидазол. Другое название этого вещества – тиамазол. Это белый или желтоватый кристаллический порошок со слабым специфическим запахом и горьким вкусом. Является синтетическим антитиреоидным средством, то есть вызывает уменьшение синтеза тироксина в щитовидной железе, благодаря чему оказывает специфическое лечебное действие при её гиперфункции. Применяют при диффузном токсическом зобе.

К более сложным производным имидазола относятся:

1) Нафтизин или 2-(α-нафтилметил)-имидазолина нитрат. Другое название вещества - санорин. Это белый с желтоватым оттенком кристаллический порошок, трудно растворим в воде. Нафтизин – прекрасное сосудосуживающее средство, поэтому его в основном применяют при острых ринитах, при воспалении гайморовых пазух, для остановки носовых кровотечениях, при аллергических конъюнктивитах.

2) Галазолин или 2-(4'-третбутил-2',6'-диметилбензил)-имидазолина хлорид. Другое название - отривин или ксилометазолин. По своему действию близок к нафтизину. Применяется при ринитах, ларингитах, синуситах, воспалениях гайморовой пазухи, сенном насморке и других заболеваниях полости носа и горла.

3) Клофелин или 2-(2,6-дихлорфениламино)-имидазолина гидрохлорид. Другие названия: Гемитон, Катапресан. Это белый кристаллический порошок, растворимый в воде. Клофелин является хорошим α-адреноблокирующим средством, поэтому его назначают в качестве антигипертензивного средства при различных формах гипертонии, а в глазной практике – для лечения глаукомы.

 4) Фентоламин или 2-[N-пара-толил-N-(мета-оксифенил)-аминометил]-имидзолина гидрохлорид. Это белый или кремовый порошок, мало растворимый в воде. Фентоламин как и клофелин относится к группе α-адреноблокаторов, то есть блокирует адренорецепторы., поэтому его применяют при расстройствах периферического кровообращения (болезнь Рейно, акроцианоз и др.), при лечении трофических язв конечностей, пролежней, отморожений и т.д. Фентоламин усиливает секрецию инсулина, вследствие чего может быть полезен больным сахарным диабетом.

5) Метиамид или 1-метил-2-[2-(5-метилимидазол-4-лил)-метилтиоэтил]мочевина. Является первым из известных Н2-блокатор, предложенный в качестве лекарственного препарата. Однако он не нашёл применения в связи с большим числом побочных явлений (агранулоцитз и др.)

6) Этимизол или бис-(метиламид)-1-этилимидазол-4,5-дикарбоновой кислоты. Это белый кристаллический порошок, мало растворимый в воде. Оказывает стимулирующее влияние на дыхательный центр и относится к группе дыхательных аналептиков, активизирует адренокортикотропную функцию гипофиза, что приводит к повышению уровня глюкокортикостероидов в крови, улучшает краткосрочную память, способствует повышению умственной работоспособности. Применяют при отравлении наркотиками, после хирургического наркоза, и др.

7) Миконазол или 1-[2,4-дихлор-β-(2,4,-дихлорбензолокси)-фенэтил]-имидазол. Другое название – альбистат, гонофит, дерманистат. Применяют при поражении кожи и ногтей дерматофитами и грибками, сопровождающихся воспалениями. Эффективен при микозах с суперинфекцией грамположительными бактериями.

8) Мазиндол или 5-(4-хлорфенил)-2,5,-дигидро-3Н-имидазол-[2,1-а]-изоиндол-5-ол. Другое название – теренак, теронак. Обладает анорексигенным и антидепрессивным действием, так как является эффективным α-адреноблокатором. Применяют в комплексной терапии ожирения. 

К неконденсированным производным имидазола относится также и алкалоид пилокарпин.

Пилокарпин – алкалоид, выделяемый из растения Pilocarpus Jobarandi, произрастающего в Бразилии. Это бесцветные кристаллы или белый кристаллический порошок без запаха. Он применяется в офтальмологии для снижения внутриглазного давления, при острой непроходимости артерии сетчатки, при атрофии зрительного нерва. Пилокарпин возбуждает периферические м-холинорецепторы, вызывающие усиление секреции пищеварительных и бронхиальных желёз.

КОНДЕНСИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ ИМИДАЗОЛА:

К одному из важнейших конденсированных производных имидазола относится бензимидазол. 

Бензимидазол – гетероцикл, в котором имидазольное кольцо конденсировано с бензольным. Бензимидазольная система входит в состав ряда природных веществ, а также лекарственных препаратов.



1) Витамин В12 или цианокобаламин Соα-[α-(5,6-диметилбензимидазолил)]-Соβ-кобамидцианид или α-(5,6диметилбензимидазолил)-кобамидцианид. Это кристаллический порошок тёмно-красного цвета без запаха. Гигроскопичен. Трудно растворим в воде. Обладает высокой биологической активностью. Он является фактором роста, необходим для нормального кроветворения и созревания эритроцитов; участвует в синтезе лабильных метильных групп и в образовании холина, метионина, креатина нуклеиновых кислот; способствует накоплению в эритроцитах соединений, содержащих сульфгидрильных группы; оказывает благоприятное влияние на печень и нервную систему, активирует свёртывающую систему крови. Оказывает лечебный эффект при болезни Аддисона-Бирмера, при анемии, при дистрофии, заболевании печени (циррозы, гепатит). Содержится в мясе, рыбе, куриных яйцах, и других продуктах, содержащий животный белок.

2) Дибазол или 2-бензилбенимидазола гидрохлорид. Это белый со слегка сероватым оттенком кристаллический порошок с горько-солёным вкусом, трудно растворим в воде, легко – в спирте. Гигроскопичен. Обладает сосудорасширяющим, спазмолитическим и гипотензивным действием. Оказывает стимулирующее влияние на функции спинного мозга. Применяют при спазмах кровеносных сосудов и гладкой мускулатуры внутренних органов, при лечении нервных заболеваний. 

3) Мебендазол или метил-5-бензоил-2-бензимидазол карбамат. Действует на разные виды гельминтов, наиболее эффективен при энтеробиозе. 

ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ

Пурин – бициклическое гетероциклическое соединение, образованное конденсированными ядрами пиримидина и имидазола. Пурин устойчив к действию окислителей, хорошо растворим в воде, амфотерен. Наиболее важны гидроксипурины и аминопурины, принимающие активное участие в процессах жизнедеятельности. 

1) Аденин или 6-аминопурин. Является обязательным компонентом нуклеиновых кислот, входит в состав некоторых коферментов, например, кофермента А.

2) Гипоксантин или 6-гидроксипурин образуется в организме в ходе метаболизма нуклеиновых кислот (при дезаминировании аденина).

3) Ксантин или 2,6-диоксипурин. Как и ксантин, образуется в ходе метаболизма нуклеиновых кислот, в частности при дезаминировании гуанина.

4) Гуанин или 2-амино-6-гидроксипурин. Как и аденин является важным компонентом нуклеиновых кислот.

Пуриновое ядро входит в состав некоторых алкалоидов, таких как кофеин, теофиллин и теобромин и биологически активных веществ, например, мочевая кислота

5) Кофеин или 1,3,7-триметилксантин – алкалоид, содержащийся в листьях чая, бобах кофе и других растениях. Это белые шелковистые игольчатые кристаллы или белый кристаллический порошок горьковатого вкуса без запаха, плохо растворим в воде. Возбуждает ЦНС, дыхание, повышает артериальное давление, стимулирует сердечную деятельность, повышает умственную работоспособность, уменьшает усталость и сонливость, понижает агрегацию тромбоцитов, повышает секрецию желудка. Большие дозы истощают нервные клетки. Применяется как стимулятор ЦНС, для повышения двигательной активности при инфекционных заболеваниях, сопровождающихся угнетением ЦНС, при отравлении наркотиками и другими ядами, при спазмах сосудов головного мозга. 

6) Теобромин или 3,7-диметилксантин – алкалоид, добываемый из шелухи семян какао. Это белый кристаллический порошок, горький на вкус, мало растворим в воде. Оказывает стимулирующее влияние на сердечную деятельность, несколько расширяет венечные сосуды сердца и мускулатуру бронхов, усиливает мочеотделение. Применяется при спазмах сосудов мозга, при отёках сердечной и почечной природы.



7) Теофиллин или 1,3-диметилксантин – это алкалоид, содержащийся в чайных листьях и кофе. Это белый кристаллический порошок, мало растворимый в воде. Он стимулирует сокращение миокарда, расширяет мускулатуру бронхов, возбуждает ЦНС. Это один из сильнейших ингибиторов фосфодиэстеразы. Применяется как бронхолитическое средство, как мочегонное средство при застойных явлениях сердечного и почечного происхождения.

8) Мочевая кислота или 2,6,8-тригидроксипурин – основной конечный продукт метаболизма азота у птиц и рептилий. Обычный промежуточный продукт метаболизма у животных. Мочевая кислота подвергается дальнейшему метаболизму в организме большинства млекопитающих, но не у человека, присутствует в моче всех плотоядных животных.

Пуриновое кольцо входит в состав так называемых антипуриновых оснований. Они по своему составу схожи с пуриновыми основаниями, но в отличие от них нарушают обмен веществ и тормозят биосинтез белков.

Антиподом пурина является 6-меркаптопурин и препараты на его основе. 

1) 6-меркаптопурин. Это жёлтый кристаллический порошок, не растворим в воде. Является антиметаболитом пуринов. Он активно вмешивается в пуриновый обмен вызывает нарушение синтеза нуклеиновых кислот. Применяют при лечении острого лейкоза, ретикулёза. Он обладает иммунодепрессивной активностью и иногда применятся для лечения аутоиммунных заболеваний – ревматоидного артрита, гепатита, волчанки.

2) Азатиоприн или 6-(1-метил-4-нитроимидазолил-5)-меркаптопурин. Другое название – имуран, имурел. Это светло-жёлтые с зеленоватым оттенком кристаллический порошок. Практически нерастворим в воде. Обладает цитостатической активностью и оказывает иммунодепрессивный эффект. В больших дозах угнетает функцию костного мозга, вызывает лейкопению. Применяют для подавления реакций тканевой несовместимости при пересадки органов, при заболеваниях полиартритом, язвенным колитом, красной волчанкой.

3) Фопурин или 6-диэтиленимидофосфамидо-2-диметиламино-7-метилпурин. Это белый со слегка зелёным оттенком порошок, растворим в воде. Обладает потивоопухолевой активностью, выражающейся в способности подавлять развитие лейкоза. В малых дозах препарат угнетает кроветворение. Применяют при остром лейкозе, при кожных ретикулитах и ретинобластоме.

ПРОИЗВОДНЫЕ ТИАЗОЛА

Химия тиазола

ПОЛУЧЕНИЕ ТИАЗОЛА

Химия тиазола хорошо изучена и методы синтеза тиазола и его производных тщательно разработаны. Общий способ их получения является взаимодействие α-галогензамещённых альдегидов и кетонов с амидами тиокислот:

 

СТРОЕНИЕ ТИАЗОЛА

Тиазол – гетероцикл с хорошо выраженными ароматическими свойствами. Тиазол устойчивее имидазола в энергетическом отношении, о чём говорит число резонансных структур:



Молекулярная диаграмма тиазола:

На основании этого можно сделать вывод о распределении электронной плотности. Положительный заряд на атоме серы говорит о наличии экранирующего эффекта в электронной оболочки атома и сильной делокализации его внешних электронов. Отрицательный заряд на атоме азота и положительный – на атоме серы согласуются с экспериментальными фактами: электрофильность атома возможна по атому серы, по атому азота не идёт; нуклеофильное замещение легче всего идёт по второму атому углерода из-за повышенной электронной плотности.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИАЗОЛА:

Тиазол – слабое основание, но он образует устойчивые соли: 

Реакции нитрования, сульфирования и галогенирования протекают с трудом. Но нитрование в положении 5 идёт легче при наличии в положении 2 аминогруппы. Тиазол может окисляться пероксидами с образованием N-оксидов:



НЕКОНДЕНСИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ ТИАЗОЛА:

Среди неконденсированных производных выделяют как лекарственные препараты, так и биологически активные вещества, такие как витамин В1.

Норсульфазол или 2-(пара-аминобензолсульфамидо)-тиазол. Другое название – амидотиазол, асептоцил, азосептал и др. Это белый или слегка желтоватый кристаллический порошок без запаха, мало растворим в воде. Эффективен при инфекциях, вызванных гемолитическим стрептококком, пневмококком, гонококком, кишечной палочкой. Применяют при пневмонии, церебральном менингите, сепсисах и др.

2) Тиамин (витамин B1) или 4-метил-5-β-оскиэтил-N-(2-метил-4-амино-5-метилпиримидил)-тиазолий хлорида гидрохлорид. Это белый кристаллический порошок, имеющий слабый запах дрожжей, легко растворим в воде. Применяют как специфическое средство для предупреждения и лечения гипо- и авитаминоза B1. В некоторых случаях применяют для лечения неврита, радикулита, невралгии, периферического паралича, при язве желудка и 12-перстной кишки, при атонии кишечника, заболевании печени, при дистрофии миокарда, дерматозах. Суточная доза – около 2 мг.

3) Фталазол или 2-(пара-фталаминобензосульфамидо)-тиазол. Это белый с желтоватым оттенком порошок, нерастворимый в воде. Применяют при дизентерии, колитах, гарстроэнтеритах, при оперативных вмешательствах на кишечнике, для предупреждения гнойных осложнений.

КОНДЕНСИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ ТИАЗОЛА

 1) 2-меркаптобензтиазол. Это светло-жёлтые моноклинные иглы, растворим в воде. Ингибирует полифенолоксидазу путём образованием хелатных комплексов с медью. Используется с цистеином или меркаптоэтанолом при выделении митохондрий.

2) Амиказол или 2-диметиламино-6-диэтидаминоэтокси-бензтиазола дигидрохлорид. Другое название – астерол, ателор, димазол. Это белый или слегка желтоватый кристаллический порошок, легко растворимый в воде, гигроскопичен. Является противогрибковым препаратом, эффективным в отношении дерматофитов и дрожжеподобных грибов рода Кандида. Применяют при эпидермофите стоп и других грибковых поражениях гладкой кожи.

3) Дитиазанин или 3-этил-2-[5'-(3"-этил-2-бензотиазолинилиден)-1',3'-пентадиенил]-бензотиазолий йодил. Другое название – делвес, нетоцид, телмецид. Относится к группе красителей (синий цианиновый). Применяется для лечения трихоцефализа, стронгилоидоза.

ПЕНИЦИЛЛИН

Пенициллин – антибиотик, вырабатываемый зелёной плесенью рода Pennicillium. Целебные свойства плесени было давно известно в народной медицине, которая издавна использовала плесень при лечении ран. Впервые пенициллин был получен Флемингом. К группе пенициллина относят большое число антибиотиков, имеющих единое пенициллиновую основу.

Все пенициллины являются кислотами и получаются из плесневых культур в виде натриевых или кальциевых солей.

Пенициллины очень нестойки. Они легко разрушаются при нагревании, при действии кислот, щелочей, окислителей, ферментов, солей тяжёлых металлов, этилового спирта, солнечного света. Наиболее устойчив бензилпенициллин. Он превосходит по своим бактериостатическим свойствам другие пенициллины, поэтому и наиболее ценен.



R= - бензилпенициллин R= - феноксипенициллин



R= - метициллин R= - оксациллин





R= диклоксациллин R= - ампициллин



R= - карбенициллин

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой удалось обобщить лишь небольшую часть сложного и многогранного материала, классифицировать этот материал, показать на его основе значимость производных имидазола и тиазола в жизни человека, показать основные способы получения имидазола и тиазола, связать строение имидазола и тиазола с их химическими свойствами, описать важнейшие производные имидазола и тиазола, привести их формулы и назвать по систематической и рациональной номенклатурам, привести синонимы некоторых лекарственных средств, их основные физические свойства, значение и применение.

Пройдет время, и на основе этих веществ будут синтезированы новые, более сложные препараты, которые, возможно, победят рак, СПИД, нервные и сердечно-сосудистые заболевания. 

Список литературы

Аничков С. Беленький М. "Учебник фармакологии" МедГиз: 1974г

Досон Н. и др. "Справочник биохимика" М.: "Мир" 1991г

Иванский А. "Химия гетероциклических соединений" М.: 1977г

Машковский М. Д. "Лекарственные средства (в 2-х т.) М.: 1986г

Несмеянов А. Н., Несмеянов Н. А. "Начала органической химии" т.2 М.: 1974г

Перекалин А., Зонис Н. "Органическая химия" М.:1982г

Петров А. А., Бальян Х. В, Трощенко А. Т. "Органическая химия" М.: 1981г

Ресурсы Интернета: www.

www.5ballov.ru

Тюкавкина Н. Бауков Ю. "Биоорганическая химия" М.:1985г

Химический энциклопедический словарь М.: "Химия", 1991г

Д. Ким "Введение в химию гетероциклических соединений" /"Соросовский образовательный журнал" №11 2001г/