DOI: https://doi.org/10.62972/1726-4685.2026.2.375
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Vagif М. Abbasov وآخرون
الموضوع الرئيسي: التخليق متعدد المكونات للدورات غير المتجانسة
نظرة عامة
تقدم البحث بروتوكولًا اصطناعيًا فعالًا للimidazoles ثلاثية الاستبدال باستخدام تفاعل تكثيف متعدد المكونات يسهل بواسطة محفزات السائل الأيوني والإشعاع فوق الصوتي. أظهر التفاعل، الذي يشمل البنزيل، أسيتات الأمونيوم، والألدهيدات العطرية في الإيثانول، تنشيطًا جزيئيًا محسنًا وانتقالًا للكتلة بسبب الطاقة فوق الصوتية. من بين المحفزات التي تم اختبارها، أظهر 1-بيوتيل-3-ميثيلimidazolium هيدروسلفات أداءً متفوقًا، مما أدى إلى إنتاجية أعلى للمنتجات وأوقات تفاعل أقصر، مما يبرز كفاءته التحفيزية في ظل الظروف فوق الصوتية. تم توصيف مشتقات imidazole التي تم تصنيعها من خلال 1H NMR، 13C NMR، وطيف FT-IR، مما يؤكد هياكلها ونقاوتها العالية.
استكشفت الدراسة أيضًا تخليق معقد لوفين-حمض النيتريك، الذي تم توصيفه بواسطة طيف FT-IR، مما أشار إلى تشكيل معقد حمض-قاعدة. تم استخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتحسين هندسة المتفاعلات والمعقد، كاشفة أن التفاعل مدفوع أساسًا بواسطة الروابط الهيدروجينية بين حمض النيتريك والنيتروجين المنزوع البروتون من imidazole، دون نقل كامل للبروتون. تسلط النتائج الضوء على مزايا المنهجية المقترحة من حيث الكفاءة، التوافق البيئي، وإمكاناتها في الكيمياء الطبية، التحفيز، وعلوم المواد، مما يثبت استراتيجية السائل الأيوني المدعومة بالأشعة فوق الصوتية كنهج قوي لتخليق imidazoles الوظيفية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية imidazoles ثلاثية الاستبدال، وهي فئة من المركبات الحلقية غير المتجانسة التي تتميز بإدماج ثلاث مجموعات وظيفية متميزة في قلب imidazole. تظهر هذه المركبات تعديلًا إلكترونيًا ملحوظًا بسبب الجمع بين المجموعات المستبدلة المانحة للإلكترونات والسالبة، مما يعزز انتقائيتها وتفاعليتها في سياقات كيميائية وبيولوجية متنوعة. تُعرف imidazoles ثلاثية الاستبدال بأن لها أنشطة صيدلانية متنوعة، بما في ذلك خصائص مضادة للبكتيريا، مضادة للفطريات، مضادة للفيروسات، مضادة للطفيليات، ومضادة للسرطان، مما يجعلها قيمة في الكيمياء الطبية. بالإضافة إلى ذلك، تلعب دورًا حيويًا في التحفيز، علوم المواد، والتطبيقات الصناعية، مثل تثبيط التآكل ونقل الإشارة.
تؤكد الورقة على الحاجة إلى استراتيجيات اصطناعية محسنة لـ imidazoles ثلاثية الاستبدال، لا سيما تلك التي تتماشى مع مبادئ الكيمياء الخضراء. غالبًا ما تتضمن الطرق التقليدية ظروفًا قاسية ومذيبات سامة، مما يثير الاهتمام في تحفيز السائل الأيوني. تعمل السوائل الأيونية، مثل أملاح imidazolium، كمذيبات ومحفزات فعالة، مما يسهل التفاعلات متعددة المكونات تحت ظروف معتدلة ويعزز العوائد. تعمل دمج الإشعاع فوق الصوتي مع تحفيز السائل الأيوني على تحسين هذه التفاعلات من خلال تحسين انتقال الكتلة والتنشيط الجزيئي. تقترح الدراسة نهجًا اصطناعيًا جديدًا يجمع بين هذه التقنيات، مما يظهر كفاءة عالية، وقابلية لإعادة الاستخدام، وإمكانات تطبيقات في مجالات علمية متنوعة، مدعومة بحسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) التي توضح التفاعلات الجزيئية الأساسية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في دراستهم التجريبية حول تخليق imidazoles ثلاثية الاستبدال. تشمل المواد الكيميائية الرئيسية البنزيل، أسيتات الأمونيوم، ومجموعة متنوعة من الألدهيدات (بنزالدهيد، 4-ميثوكسي بنزالدهيد، و4-كلوروبنزالدهيد)، جميعها مستمدة من Aldrich وتم استخدامها دون تنقية. تم اختيار الإيثانول كمذيب بسبب سميته المنخفضة وملاءمته لعمليات التحفيز القائمة على السائل الأيوني.
استخدمت الدراسة محفزات السائل الأيوني الصديقة للبيئة القابلة للذوبان في الماء، وتحديدًا 1-بيوتيل-3-ميثيلimidazolium هيدروسلفات (1-B-3-MIHS) وN-ميثيل بيروليدون هيدروسلفات (N-MPHS)، لتسهيل تخليق المركبات المستهدفة. يبرز اختيار هذه المحفزات التزام البحث بممارسات الكيمياء المستدامة مع تحقيق أداء تحفيزي فعال في عملية التخليق.
نتائج
يقدم البحث دراسة شاملة حول تخليق وتوصيف 2،4،5-ثلاثي فينيل-1H-imidazole (A1) مع الصيغة الجزيئية C$_{21}$H$_{16}$N$_{2}$. تؤكد التحليلات الطيفية، بما في ذلك 1H NMR وFTIR، على التكوين الناجح للمركب، كاشفة عن قمم مميزة تتوافق مع ميزاته الهيكلية. استخدمت الإجراء الاصطناعي دورقًا دائري القاع بثلاثة رقاب، حيث تم دمج البنزيل، أسيتات الأمونيوم، ألدهيد عطري، والإيثانول. من الجدير بالذكر أنه تم استخدام الإشعاع فوق الصوتي لتعزيز التنشيط الجزيئي، تلاه تسخين محكوم لتسهيل تفاعل التكثيف. أدى استخدام المحفز 1-B-3-MIHS إلى تحسين العوائد بشكل كبير (90.8-95.7%) وتقليل أوقات التفاعل (14-17 دقيقة) مقارنةً بـ N-MPHS، الذي حقق نتائج أقل (84.9-87.6%) مع أوقات تفاعل أطول (19-22 دقيقة).
قدمت حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) رؤى حول التفاعل بين imidazoles ثلاثية الاستبدال وحمض النيتريك، مشيرة إلى أن الشكل الأكثر استقرارًا للملحق يتكون من خلال الروابط الهيدروجينية بين النيتروجين المنزوع البروتون من imidazole وحمض النيتريك، دون نقل كامل للبروتون. تتماشى هذه النتيجة مع بيانات FT-IR التجريبية، مما يشير إلى تشكيل ملحق حمض-قاعدة مستقر بدلاً من ملح أيوني. تختتم الدراسة بأن أنماط التفاعل المحسنة المستمدة من حسابات DFT ذات صلة في ظل الظروف التجريبية، مما يدعم آليات التفاعل المقترحة واستقرار المنتج.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير بروتوكول اصطناعي فعال لـ imidazoles ثلاثية الاستبدال، باستخدام تحفيز السائل الأيوني والتنشيط فوق الصوتي. شمل التفاعل دمج البنزيل، أسيتات الأمونيوم، والألدهيدات العطرية في الإيثانول، مع محفز سائل أيوني بنسبة 10 مول % وتنشيط فوق صوتي في درجة حرارة الغرفة. أظهرت الطريقة تحسينات كبيرة في معدلات التفاعل وعوائد المنتجات بسبب تأثيرات التجويف، كما تم مراقبتها بواسطة كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة (TLC). تم توصيف مشتقات imidazole التي تم تصنيعها باستخدام NMR وطيف FT-IR، مما يؤكد سلامتها الهيكلية ونقاوتها العالية.
بالإضافة إلى ذلك، نجحت البحث في تخليق معقد حمض النيتريك المستقر لـ 2،4،5-ثلاثي فينيل-1H-imidazole، الذي تم توصيفه بواسطة FT-IR، مما أشار إلى تشكيل ملحق حمض-قاعدة من خلال تفاعلات انتقائية. قدمت حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) رؤى حول طبيعة المعقد، كاشفة أن الروابط الهيدروجينية بين حمض النيتريك ونيتروجين imidazole المنزوع البروتون هي التفاعل الأساسي، دون نقل كامل للبروتون. تسلط النتائج الضوء على قوة استراتيجية السائل الأيوني المدعومة بالأشعة فوق الصوتية لتخليق imidazoles الوظيفية وتقدم رؤى قيمة حول سلوكها في تكوين معقدات حمض-قاعدة، مما يشير إلى إمكانيات تطبيقات في الكيمياء الطبية وعلوم المواد.
DOI: https://doi.org/10.62972/1726-4685.2026.2.375
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Vagif М. Abbasov et al.
Primary Topic: Multicomponent Synthesis of Heterocycles
Overview
The research presents an efficient synthetic protocol for trisubstituted imidazoles utilizing a multicomponent condensation reaction facilitated by ionic liquid catalysts and ultrasonic irradiation. The reaction, involving benzil, ammonium acetate, and aromatic aldehydes in ethanol, demonstrated enhanced molecular activation and mass transfer due to ultrasonic energy. Among the catalysts tested, 1-butyl-3-methylimidazolium hydrosulfate exhibited superior performance, yielding higher product outputs and shorter reaction times, thus underscoring its catalytic efficacy under ultrasonic conditions. The synthesized imidazole derivatives were characterized through 1H NMR, 13C NMR, and FT-IR spectroscopy, confirming their structures and high purity.
The study further explored the synthesis of a lophine-nitric acid complex, characterized by FT-IR spectroscopy, which indicated acid-base complex formation. Density Functional Theory (DFT) calculations were employed to optimize the geometries of the reactants and the complex, revealing that the interaction is primarily driven by hydrogen bonding between nitric acid and the deprotonated nitrogen of the imidazole, without complete proton transfer. The findings highlight the advantages of the proposed methodology in terms of efficiency, environmental compatibility, and its potential applications in medicinal chemistry, catalysis, and materials science, establishing the ultrasound-assisted ionic-liquid strategy as a robust approach for synthesizing functionalized imidazoles.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of trisubstituted imidazoles, a class of heterocyclic compounds characterized by the incorporation of three distinct functional groups into the imidazole core. These compounds exhibit notable electronic modulation due to the combination of electron-donating and electron-withdrawing substituents, which enhances their selectivity and reactivity in various chemical and biological contexts. Trisubstituted imidazoles are recognized for their diverse pharmacological activities, including antibacterial, antifungal, antiviral, antiparasitic, and anticancer properties, making them valuable in medicinal chemistry. Additionally, they play crucial roles in catalysis, materials science, and industrial applications, such as corrosion inhibition and signal transduction.
The paper emphasizes the need for improved synthetic strategies for trisubstituted imidazoles, particularly those that align with green chemistry principles. Traditional methods often involve harsh conditions and toxic solvents, prompting interest in ionic-liquid catalysis. Ionic liquids, such as imidazolium-based salts, serve as effective solvents and catalysts, facilitating multicomponent reactions under mild conditions and enhancing yields. The integration of ultrasonic irradiation with ionic-liquid catalysis further optimizes these reactions by improving mass transfer and molecular activation. The study proposes a novel synthetic approach that combines these techniques, demonstrating high efficiency, recyclability, and potential applications in various scientific fields, supported by Density Functional Theory (DFT) calculations that elucidate the underlying molecular interactions.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their experimental study on the synthesis of trisubstituted imidazoles. The key reagents included benzil, ammonium acetate, and various aldehydes (benzaldehyde, 4-methoxybenzaldehyde, and 4-chlorobenzaldehyde), all sourced from Aldrich and used without purification. Ethanol was chosen as the solvent due to its low toxicity and suitability for ionic-liquid-based catalytic processes.
The study employed environmentally friendly and water-soluble ionic liquid catalysts, specifically 1-butyl-3-methylimidazolium hydrosulfate (1-B-3-MIHS) and N-methyl pyrrolidone hydrosulfate (N-MPHS), to facilitate the synthesis of the target compounds. This choice of catalysts underscores the research’s commitment to sustainable chemistry practices while achieving effective catalytic performance in the synthesis process.
Results
The research presents a comprehensive study on the synthesis and characterization of 2,4,5-triphenyl-1H-imidazole (A1) with the molecular formula C$_{21}$H$_{16}$N$_{2}$. Spectroscopic analyses, including 1H NMR and FTIR, confirm the successful formation of the compound, revealing characteristic peaks that correspond to its structural features. The synthetic procedure employed a three-necked round-bottom flask, where benzil, ammonium acetate, an aromatic aldehyde, and ethanol were combined. Notably, ultrasonic irradiation was utilized to enhance molecular activation, followed by controlled heating to facilitate the condensation reaction. The use of the catalyst 1-B-3-MIHS significantly improved yields (90.8-95.7%) and reduced reaction times (14-17 min) compared to N-MPHS, which yielded lower results (84.9-87.6%) with longer reaction times (19-22 min).
Density Functional Theory (DFT) calculations provided insights into the interaction between trisubstituted imidazoles and nitric acid, indicating that the most stable adduct forms through hydrogen bonding between the deprotonated nitrogen of the imidazole and nitric acid, without full proton transfer. This finding aligns with experimental FT-IR data, suggesting the formation of a stable acid-base adduct rather than an ionic salt. The study concludes that the optimized interaction motifs derived from DFT calculations are relevant under experimental conditions, supporting the proposed reaction mechanisms and product stability.
Discussion
In this study, an efficient synthetic protocol for trisubstituted imidazoles was developed, utilizing ionic-liquid catalysis and ultrasonic activation. The reaction involved the combination of benzil, ammonium acetate, and aromatic aldehydes in ethanol, with a 10 mol % ionic-liquid catalyst and ultrasonic activation at room temperature. The method demonstrated significant enhancements in reaction rates and product yields due to cavitation effects, as monitored by thin-layer chromatography (TLC). The synthesized imidazole derivatives were characterized using NMR and FT-IR spectroscopy, confirming their structural integrity and high purity.
Additionally, the research successfully synthesized a stable nitric acid complex of 2,4,5-triphenyl-1H-imidazole, characterized by FT-IR, which indicated the formation of an acid-base adduct through selective interactions. Density functional theory (DFT) calculations provided insights into the nature of the complex, revealing that hydrogen bonding between nitric acid and the deprotonated imidazole nitrogen is the primary interaction, without complete proton transfer. The findings underscore the robustness of the ultrasound-assisted ionic-liquid strategy for synthesizing functionalized imidazoles and offer valuable insights into their acid-base complexation behavior, suggesting potential applications in medicinal chemistry and materials science.