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咪唑及其衍生物的应用

简介

咪唑(Imidazole)是一种具有两个氮原子的五元芳香杂环化合物。氢原子在两个氮原子之间移动,因此存在两个互变异构体。咪唑不仅在生物体中的组氨酸存在,也是核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)嘌呤的组成成分。咪唑分子本身具有电子转移性好、易于功能化的特点。许多含有咪唑环的化合物具有良好的生物活性,在医药和农药领域发挥着重要作用。

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许多药物也含有咪唑环,如硝基咪唑和咪唑类抗真菌剂。近年来,咪唑类化合物已成为国内外新型含氮杂环化合物合成和应用的研究热点。咪唑环结构广泛存在于生物分子中,如组氨酸和相应的荷尔蒙组胺。[1-5]


图1. 咪唑的共振结构

生物学意义和应用

含有咪唑官能团的生物分子种类繁多,其中。最常见的则是含有咪唑侧链的氨基酸——组氨酸。组氨酸是生物体中最普遍的20种氨基酸之一,因此存在于许多蛋白质和酶之中,还是影响血红蛋白配位能力的重要组成部分。

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组氨酸在细胞内缓冲中发挥着非常重要的作用。[6]?组氨酸可以通过脱羧形成组胺,这也是一种具有降低血压,收缩子宫等功能的常见生物分子。细胞释放的组胺在过敏反应中产生时会引起荨麻疹。


图2. 组氨酸生成组胺的反应

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同时,研究发现一些药物可以选择性地作用于咪唑啉受体,降低对α2受体的作用,从而避免了可乐定的引起副作用,如莫索尼定

药物衍生物

取代的咪唑衍生物在治疗许多系统性真菌感染疾病方面具有十分重要的价值。[7]?酮康唑、咪康唑和克霉唑等咪唑类药物属于唑类抗真菌药物。

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相比之下,氟康唑、伊曲康唑和伏立康唑等则属于三唑类药物。咪唑和三唑二者间的差异也导致了细胞色素P450酶抑制机制的不同。咪唑化合物的N3与铁细胞色素P450中的血红素铁原子结合,而三唑的N4则与其血红素基团结合。对于细胞色素P450而言,三唑比咪唑具有更高的生物特异性,从而使得他们比咪唑更有效。[8]

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一些咪唑衍生物对昆虫有作用,例如硝酸硫康唑对可以消化角蛋白的澳大利亚地毯甲虫幼虫有很强的抗食性作用,硝酸益康唑对常见的袋衣蛾也很有效。[9]

工业应用

咪唑本身几乎没有直接的应用场景。相反,它是多种农用化学品的前体,包括抑霉唑、甘宝素、克霉唑、 咪鲜胺和联苯苄唑。[10]


图3. 咪唑类农用化学品——咪鲜胺

配位化学应用

咪唑在生物化学领域的一个重要应用则是在金属螯合亲和层析(IMAC)中纯化His-tag蛋白质。标记蛋白在色谱柱表面的珠孔中与镍离子介质结合,过量的咪唑通过色谱柱,将His-tag蛋白从镍配位中置换出来,最终纯化得到高纯度的靶蛋白。4H-吡咯并[1,2-Α]苯并咪唑衍生物(PBIS)是一类氮杂环化合物。研究表明,PBIS吡咯环上的氰基(-CN)和乙酯(-CO2Et)取代基具有良好的荧光助色性,而苯氧甲酰基(-COOPh)和苄基(-COOMe)具有淬灭作用。

参考文献

1.?Katritzky; Rees. Comprehensive Heterocyclic Chemistry. Vol. 5, p.469-498, (1984).

2. Grimmett, M. Ross. Imidazole and Benzimidazole Synthesis. Academic Press, (1997).

3. Brown, E. G. Ring Nitrogen and Key Biomolecules. Kluwer Academic Press, (1998).

4. Pozharskii, A. F., et al. Heterocycles in Life and Society. John Wiley & Sons, (1997).

5. T. L. Gilchrist. Heterocyclic Chemistry. The Bath press. 1985. ISBN?978-0-582-01421-3

6. Hochachka, P. W.; Somero, G. N. (2002). Biochemical Adaptation: Mechanisms and Process in Physiological Evolution. New York: Oxford University Press.

7. Leon Shargel (2007). Comprehensive Pharmacy Review (6th ed.). p. 930. ISBN 9780781765619.

8. Davis, Jennifer L.; Papich, Mark G.; Heit, Mark C. (2009). "Chapter 39: Antifungal and Antiviral Drugs". In Riviere, Jim E.; Papich, Mark G. (eds.). Veterinary Pharmacology and Therapeutics (9th ed.). Wiley-Blackwell. pp. 1019–1020. ISBN 978-0-8138-2061-3.

9. Sunderland, M. R.; Cruickshank, R. H.; Leighs, S. J. (2014). "The efficacy of antifungal azole and antiprotozoal compounds in protection of wool from keratin-digesting insect larvae". Textile Res. J. 84 (9): 924–931. https://doi.org/10.1177/0040517513515312

10. ?Ebel, K., Koehler, H., Gamer, A. O., & J?ckh, R. (2002). "Imidazole and Derivatives". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. https://doi.org/10.1002/14356007.a13_661.


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