2,3-Dimethylbuttersäure ist eine chemische Verbindung aus der Gruppe der chiralen aliphatischen Carbonsäuren. Sie ist eines der sieben Skelettisomere der Capronsäure und leitet sich formal von Buttersäure ab. Mit einem Stereozentrum (α-ständig zur Carboxylgruppe, Position 2) tritt die verzweigtkettige Verbindung in zwei Enantiomeren auf. Man findet sie vereinzelt sowohl in der belebten als auch der unbelebten Natur: die freie Säure etwa als Stoffwechselprodukt kohlenwasserstoffverarbeitender Bakterien oder in Spuren auf Meteoriten, in gebundener Form unter anderem in mehreren Wolfsmilcharten, zu deren Reizwirkung Diterpenester der 2,3-Dimethylbuttersäure wesentlich beitragen. Verwendung findet sie in erster Linie als Ausgangsstoff zur Synthese anderer Verbindungen. Erstmals genauer charakterisiert wurde sie 1886 durch van Romburgh.
Der systematische Name der Verbindung lautet 2,3-Dimethylbutansäure. Früher war die Bezeichnung als Methylisopropylessigsäure üblich, ergo als eine mit Methyl- und Isopropylgruppe substituierte Essigsäure, worin sich die klassische Gewinnung durch Malonestersynthese widerspiegelt. Ihre Salze und Ester heißen 2,3-Dimethylbutyrate oder 2,3-Dimethylbutanoate, die Acylgruppe 2,3-Dimethylbutyryl- oder 2,3-Dimethylbutanoyl-Gruppe.
Geschichte mini|links|Pieter van Romburgh als Rektor der Universität Utrecht (1918). Erstmals genauer beschrieben wurde 2,3-Dimethylbuttersäure durch Pieter van Romburgh im Jahre 1886P. van Romburgh: Sur l’acide méthylisoyropylacétique préparé avec l’éther méthylisopropylacétylacétique et avec l’acide méthylisopropylmalonique. In: Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas, 1886, Band 5, S. 228–239, doi:10.1002/recl.18860050704. im Rahmen der Strukturaufklärung einer bis dahin unbekannten Komponente römischen Kamillenöls, 3-Methyl-1-pentanol.P. van Romburgh: Sur l’alcool hexylique dextrogyre de l’essence de Camomille romaine. In: Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas, 1886, Band 5, S. 219–227, doi:10.1002/recl.18860050703. Sein Zugang durch Malonestersynthese ist heute noch der lehrbuchartige Weg zur Darstellung von 2,3-Dimethylbuttersäure. Er ging davon aus, dass bereits zwanzig Jahre zuvor Wladimir Wassiljewitsch Markownikowvgl. W. Markownikoff: Untersuchungen über Isomerie der Fettsäurereihe. In: Zeitschrift für Chemie, 1866, Band II (Jg. 9), S. 501–503. sie aus einem Amylen erhalten, aber nicht näher charakterisiert hatte.
Vorkommen mini|links|Zypressen-Wolfsmilch enthält mehrere reizende Diterpenester der 2,3-Dimethylbuttersäure, die Cyparissias-Faktoren. Freie 2,3-Dimethylbuttersäure wurde in sonnengetrocknetem Virginischen TabakB. Kimland, A. J. Aasen, S.-O. Almqvist, P. Arpino, C. R. Enzell: Volatile acids of sun-cured greek Nicotiana tabacum. In: Phytochemistry, 1973, Band 12, S. 835–847, doi:10.1016/0031-9422(73)80688-0. und manchen Cantaloupe-MelonenRita Metrani, Guddadarangavvanahally K. Jayaprakasha, Bhimanagouda S. Patil: Optimization of Experimental Parameters and Chemometrics Approach to Identify Potential Volatile Markers in Seven Cucumis melo Varieties Using HS–SPME–GC–MS. In: Food Analytical Methods, 2022, Band 15, S. 607–624, doi:10.1007/s12161-021-02119-9. sowie im Sekret des WeißschwanzgnuBarend V. Burger, Desmond Slade, Marlize Z. Bekker, Aron H. Goitom: Mammalian exocrine secretions XIX. Chemical characterization of the interdigital secretion of the Black Wildebeest, Connochaetes gnou. In: Zeitschrift für Naturforschung C, 2020, Band 75, S. 339–351, doi:10.1515/znc-2019-0159. gefunden. Festgestellt wurde sie auch im Zellkulturüberstand bei gemeinschaftlicher Fermentation von Garnelenschalen durch Bacillus subtilis und Lactiplantibacillus plantarum.Yun Nian Tan: Upcycling of biomaterials from seafood waste and their applications. Dissertation, Nanyang Technological University 2021, S. 66. Online verfügbar auf der Website der Universität. Die hydrocarbonoklastischen Bakterienarten Gordonia terrae und Rhodococcus erythropolis sind imstande, vicinal dimethylsubstituierte Alkane zu 2,3-Dimethylbuttersäure zu oxidieren.Annett Mikolasch, Anne Reinhard, Anna Alimbetova, Anel Omirbekova, Lisa Pasler, Peter Schumann, Johannes Kabisch, Togzhan Mukasheva, Frieder Schauer: From oil spills to barley growth – oil-degrading soil bacteria and their promoting effects. In: Journal of Basic Microbiology, 2016, Band 56, S. 1252–1273, doi:10.1002/jobm.201600300. Gebunden als Ester von Diterpenen findet sie sich in verschiedenen Wolfsmilcharten.Giovanni Appendino: Ingenane Diterpenoids. In: A. Douglas Kinghorn, Heinz Falk, Simon Gibbons, Jun'ichi Kobayashi (Hrsg.): Progress in the Chemistry of Organic Natural Products: Volume 102. Springer, 2016, ISBN 978-3-319-33172-0, S. 33–39. Diese Euphorbia-Faktoren genannten Diterpenester vom Ingenan-Typ sind stark reizend, wobei die Stärke der Reizwirkung unter anderem von der Position der 2,3-Dimethylbutyrylgruppe abhängt.H. H. Ott, E. Hecker: Highly irritant ingenane type diterpene esters from Euphorbia cyparissias L. In: Experientia, 1981, Band 37, S. 88–91, doi:10.1007/BF01965588. Der Methylester 2,3-Dimethylbuttersäuremethylester findet sich als mikrobielle flüchtige organische Verbindung im Gießkannenschimmel Emericella nidulansGuido Fischer, Regina Schwalbe, Manfred Möller, Rene Ostrowski, Wolfgang Dott: Species-specific production of microbial volatile organic compounds (MVOC) by airborne fungi from a compost facility. In: Chemosphere, 1999, Band 39, S. 795–810, doi:10.1016/S0045-6535(99)00015-6. und in Holzfäule.Rumi Konuma, Kiwamu Umezawa, Atsushi Mizukoshi, Kensuke Kawarada, Makoto Yoshida: Analysis of microbial volatile organic compounds produced by wood-decay fungi. In: Biotechnology Letters, 2015, Band 37, S. 1845–1852, doi:10.1007/s10529-015-1870-9.
Abiotischen Ursprungs ist 2,3-Dimethylbuttersäure, die – neben anderen organischen Verbindungen – in verschiedenen kohligen Chondriten nachgewiesen wurde, namentlich dem Murchison-MeteoritenJosé C. Aponte, Rafael Tarozo, Marcelo R. Alexandre, Conel M.O’D. Alexander, Steven B. Charnley, Christian Hallmann, Roger E. Summons, Yongsong Huang: Chirality of meteoritic free and IOM-derived monocarboxylic acids and implications for prebiotic organic synthesis. In: Geochimica et Cosmochimica Acta, 2014, Band 131, S. 1–12, doi:10.1016/j.gca.2014.01.035. sowie den in der Antarktis niedergegangenen Chondriten Yamato 791198,Akira Shimoyama, Hiroshi Naraoka, Hiroshi Yamamoto, Kaoru Harada: Carboxylic Acids in the Yamato-791198 Carbonaceous Chondrites from Antarctica. In: Chemistry Letters, 1986, Band 15, S. 1561–1564, doi:10.1246/cl.1986.1561. Asuka 881458Hiroshi Naraoka, Akira Shimoyama, Kaoru Harada: Molecular Distribution of Monocarboxylic Acids in Asuka Carbonaceous Chondrites from Antarctica. In: Origins of Life and Evolution of Biospheres, 1999, Band 29, S. 187–201, doi:10.1023/A:1006547127028. und Lonewolf Nunataks 94101. Einen massenspektrometrischen Hinweis auf ihr Vorhandensein gibt es auch für den Murray-Meteorit.George U. Yuen, Keith A. Kvenvolden: Monocarboxylic Acids in Murray and Murchison Carbonaceous Meteorites. In: Nature, 1973, Band 246, S. 301–303, doi:10.1038/246301a0. Im Hinblick auf die chemische Evolution ist dabei das Enantiomerenverhältnis chiraler Alkansäuren wie 2,3-Dimethylbuttersäure von Interesse: Soweit bisher untersucht (Murchison und LON 94101), handelt es sich dabei stets um racemische Gemische – während bei den ebenfalls gefundenen Aminosäuren wie 2-Amino-2,3-dimethylbuttersäureJohn R. Cronin, Sandra Pizzarello: Enantiomeric Excesses in Meteoritic Amino Acids. In: Science, 1997, Band 275, S. 951–955, doi:10.1126/science.275.5302.951. oft ein leichter Enantiomerenüberschuss besteht, der in Richtung der Homochiralität der Aminosäuren irdischer Lebewesen weist.
Herstellung Aufbauende Synthesen Da eine Methylierung von Alkylgruppen nicht ohne Weiteres möglich ist, solange diese nicht durch benachbarte funktionelle Gruppen aktiviert sind, geht man für die Synthese von 2,3-Dimethylbuttersäure nicht von der Stammverbindung Buttersäure aus. Altbewährt ist die van Romburghsche Methode der Malonestersynthese.Sidney H. Metzger, A. F. Isbell: Highly Branched Alkylphosphorus Compounds. I. Synthesis of 2,3-Dimethylbutylphosphonyl Chloride. In: The Journal of Organic Chemistry, 1964, Band 29, S. 623–627, doi:10.1021/jo01026a025. An der CH-aciden Position zwischen den beiden Estergruppen von Malonsäurediethylester können durch zwei Substitutionsreaktionen die Methyl- und die Isopropylgruppe eingeführt werden. Nach Verseifung des Carbonsäureesters begünstigt die β-ständige Carbonylgruppe die einmalige Decarboxylierung der entstandenen Dicarbonsäure zur zweifach substituierten Essigsäure.Theodor Wieland, Wolfgang Sucrow: Gattermann · Wieland – Die Praxis des organischen Chemikers. de Gruyter, Berlin/New York 1982, ISBN 3-11-006654-8, S. 420. Nur von historischem Interesse ist dagegen die ebenfalls von van Romburgh beschriebene Darstellung aus Acetessigester mit geringer Ausbeute.
Eine dreistufige Synthese ausgehend vom Ethylester der 2-Brompropionsäure, 2-Brompropansäureethylester, beginnt mit einer Reformatzki-Reaktion mit Aceton. Aus dem gebildeten Alkohol kann infolge der CH-Acidität leicht Wasser abgespalten werden. Anschließende Hydrierung der dabei entstehenden Doppelbindung liefert 2,3-Dimethylbuttersäure.Roderick A. Barnes, Walter M. Budde: 2,3-Dimethylbutanal and 2-Ethyl-3-methylbutanal. In: Journal of the American Chemical Society, 1946, Band 68, S. 2339–2341, doi:10.1021/ja01215a059. Weitere Synthesewege sind die Carboxylierung von 2-Chlor-3-methylbutan,Avery A. Morton, Walter J. Le Fevre, Ingenuin Hechenbleikner: Condensations by Sodium. V. Preparation of Acids. Dicarboxylic Acids from Monohalogen Compounds. In: Journal of the American Chemical Society, 1936, Band 58, S. 754–757, doi:10.1021/ja01296a017 die nucleophile Ringöffnung von 2,3-Dimethylpropiolacton mit dem Normant-Cuprat Me2CuMgBr aus Methylmagnesiumbromid, Kupfer(I)-iodid und Lithiumchlorid,Tamotsu Fujisawa, Toshio Sato, Tatsuo Kawara, Masatoshi Kawashima, Hirofumi Shimizu, Yasuhiro Ito: A three carbon homologation by the ring-opening of β-propiolactones with diorganocuprates. In: Tetrahedron Letters, 1980, Band 21, S. 2181–2184, doi:10.1016/S0040-4039(00)78992-1. sowie Abwandlungen der Malonestersynthese mit Sulfonylderivaten.Ying-Che Kuo, Toyohiko Aoyama, Takayuki Shioiri: New Methods and Reagents in Organic Synthesis. 26. Reductive Desulfonylation of α-Sulfonylacetates. In: Chem. Pharm. Bull., 1982, Band 30, S. 2787–2792, doi:10.1248/cpb.30.2787.Waleed M. Hussein, Ross P. McGeary: Use of Ethyl (Benzothiazol-2-ylsulfonyl)acetate for Malonic Ester-type Syntheses of Carboxylic Acids and Esters. In: Australian Journal of Chemistry, 2014, Band 67, S. 1222–1227, doi:10.1071/CH14085. Bei der Oxidation von 2,3-Dimethylbutan mit Chrom(VI)-oxid entsteht ebenfalls 2,3-Dimethylbuttersäure, allerdings hält die Reaktion dort nicht an und liefert zusätzlich die Spaltprodukte Aceton und 3-Methylbutanon sowie Trimethylacrylsäure.G. Foster, W. J. Hickinbottom: 42. The synthesis and reactions of branched-chain hydrocarbons. Part XII. The oxidation of 2,3-dimethylbutane and some other hydrocarbons by chromium(VI) oxide. In: Journal of the Chemical Society, 1960, S. 215–218, doi:10.1039/JR9600000215.
Enantioselektive Synthesen Racemische 2,3-Dimethylbuttersäure kann durch mehrfache Umkristallisation mit Chinin aufgetrennt werden.P. A. Levene, R. E. Marker: The Configurational Relationship of Acids of the Isopropyl and Isobutyl Series to Those of the Normal Series. In: Journal of Biological Chemistry, 1935, Band 111, S. 299–312. Außerdem gibt es Möglichkeiten zur gezielten Synthese eines Enantiomers: