α-Methylvalin ist eine nichtproteinogene Aminosäure. Sie ist eine von mehreren chiralen α,α-Dialkylaminosäuren, die auf den Meteoriten Murray und Murchison gefunden wurden und einen leichten Enantiomerenüberschuss aufweisen, welcher in Richtung der Homochiralität der α-Aminosäuren irdischer Lebewesen weist. Von der essentiellen Aminosäure Valin unterscheidet sie sich durch eine α-ständige Methylgruppe. Industriell produziertes α-Methylvalin dient vor allem der Herstellung von Pflanzenschutzmitteln.
Vorkommen Die Verbindung wurde auf den kohligen Chondriten Murray und Murchison gefunden. Der festgestellte Enantiomerenüberschuss für das (S)-Enantiomer beträgt 2,2 % (Murray) bzw. 3,2 % (Murchison).S. Pizzarello, J. R. Cronin: Non-racemic amino acids in the Murray and Murchison meteorites. In: Geochimica et Cosmochimica Acta, 2000, Band 64, S. 329–338, doi:10.1016/S0016-7037(99)00280-X. Ebenda nachgewiesene chirale Alkansäuren wie 2,3-Dimethylbuttersäure, dessen α-Amino-Derivat α-Methylvalin ist, wurden dagegen als Racemat vorgefunden.José 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.
Herstellung Der älteste Weg zur Darstellung von α-Methylvalin ist die Strecker-Synthese aus 3-Methylbutanon.K. Kurono: Biochemische Zeitschrift, 1922, Nr. 134, S. 434, z. n. Arnstein/Margreiter 1958. Bessere Ausbeute und Reinheit können mit der Methode von Pfister et al.K. Pfister 3rd., W. J. Leanza, J. P. Conbere, H. J. Becker, A. R. Matzuk, E. F. Rogers: α-Methyl-α-amino Acids. I. Homologs of Glutamic Acid, Methionine and Diaminopimelic Acid. In: Journal of the American Chemical Society, 1955, Band 77, S. 697–700, doi:10.1021/ja01608a045. erhalten werden, in der anstelle des α-Aminonitrils das entsprechende Hydantoin-Derivat 5-Methyl-5-isopropylhydantoin gebildet und hydrolysiert wird. Auch eine Darstellung aus 2,3-Dimethylbuttersäure über α-Bromierung und anschließende Substitution mit Ammoniak ist möglich.Bonner, Tatum, Beadle: Archives of Biochemistry, 1944, Band 3, S. 88, z. n. Reaxys.
Bei allen vorgenannten Syntheserouten entsteht das Racemat. Eine enzymatische Racematspaltung ist mit der Methode von Marshall et al. möglich, indem zunächst das Amid mit Trifluoressigsäureanhydrid gebildet wird. Carboxypeptidase A katalysiert nur die Spaltung der Peptidbindung des (S)-Enantiomers, dessen Konfiguration jener proteinogener Aminosäuren entspricht. Das freigesetzte (S)-Enantiomer und das unverändert N-trifluoracetylierte (R)-Enantiomer können durch Extraktion voneinander getrennt werden. Anschließende Hydrolyse des letzteren mit Natriumhydroxid liefert auch das freie (R)-Enantiomer. Alternativ können mit anderen chiralen Verbindungen diastereomere Derivate gebildet werden, die sich durch Umkristallisation oder Chromatographie trennen lassen.Edwin Vedejs, Stephen C. Fields, Michael R. Schrimpf: Asymmetric transformation in synthesis: chiral amino acid enolate equivalents. In: Journal of the American Chemical Society, 1993, Band 115, S. 11612–11613, doi:10.1021/ja00077a076.Daniel Obrecht, Udo Bohdal, Clemens Broger, Daniel Bur, Christian Lehmann, Ruth Ruffieux, Peter Schönholzer, Clive Spiegler, Klaus Müller: L-Phenylalanine Cyclohexylamide: A simple and convenient auxiliary for the synthesis of optically pure α,α-disubstituted (R)- and (S)-amino acids. In: Helvetica Chimica Acta, 1995, Band 78, S. 563–580, doi:10.1002/hlca.19950780305.
Außerdem gibt es verschiedene Wege zur selektiven Synthese eines Enantiomers:Carlos Cativiela, María Dolores Díaz-de-Villegas: Stereoselective synthesis of quaternary α-amino acids. Part 1: Acyclic compounds. In: Tetrahedron: Asymmetry, 1998, Band 9, S. 3517–3599, doi:10.1016/S0957-4166(98)00391-7. Seebach et al. entwickelten einen Weg, das Stereozentrum von Aminosäuren zu alkylieren, ohne es dabei zu racemisieren. Auf diese Weise kann auch (S)-α-Methylvalin aus natürlich vorkommendem (S)-Valin erhalten werden.Dieter Seebach, Johannes D. Aebi, Reto Naef, Theodor Weber: α-Alkylation of Amino Acids without Racemization. Preparation of Either (S)- or (R)-α-Methyldopa from (S)-Alanine. In: Helvetica Chimica Acta, 1985, Band 68, S. 144–154, doi:10.1002/hlca.19850680118. Beide Enantiomere können gezielt durch diastereoselektive Alkylierung chiraler α-Cyanoester dargestellt werden.Carlos Cativiela, María D. Díaz-de-Villegas, José A. Gálvez, Yolanda Lapeña: Chiral 2-cyano esters as synthetic intermediates in the synthesis of R and S α-methylvaline. In: Tetrahedron, 1995, Band 51, S. 5921–5928, doi:10.1016/0040-4020(95)00260-F.
Eigenschaften und Verwendung Infolge des Nichtvorhandenseins eines α-ständigen Wasserstoffatoms sind die Enantiomere von α-Methyl-α-aminosäuren wie α-Methylvalin stabiler gegenüber Racemisierung als jene von α-H-α-Aminosäuren wie Valin.Z. Martins, M. A. Sephton: Extraterrestrial Amino Acids. In: Andrew B. Hughes (Hg.): Amino Acids, Peptides and Proteins in Organic Chemistry. Volume 1 - Origins and Synthesis of Amino Acids. Wiley-VCH, Weinheim 2009, ISBN 978-3-527-32096-7, S. 18. Unter verschiedenen nichtproteinogenen Aminosäuren erweist sich die optische Aktivität von (S)-α-Methylvalin als besonders resistent gegenüber γ-Strahlung: Obwohl sich bei einer Dosis von 3,2 MGy etwa 30 % radiolytisch zersetzen, bleiben etwa 90 % der optischen Aktivität erhalten. Franco Cataldo, Giancarlo Angelini, Yaser Hafez, Susana Iglesias-Groth: Solid state radiolysis of non-proteinaceous amino acids in vacuum: astrochemical implications. In: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2013, Band 295, S. 1235–1243, doi:10.1007/s10967-012-2167-2.
Die Sekundärstruktur von Peptiden aus achiralem α-Methylalanin kann dadurch beeinflusst werden, welches der Enantiomere als N-Terminus angefügt wird. Mit (R)-α-Methylvalin bilden sich – ebenso wie mit (S)-Valin – überwiegend linkshändige 310-Helices aus, mit (S)-α-Methylvalin dagegen rechtshändige. Ursache hierfür ist, dass die β-Schleife vom Typ II, wie sie im Falle von (S)-Valin begünstigt wird, im Falle von (S)-α-Methylvalin durch die ekliptische Konformation der zusätzlichen Methylgruppe destabilisiert wird, sodass bevorzugt eine β-Schleife vom Typ III entsteht, was zu einer rechtshändigen 310-Helix führt. Das spiegelbildliche (R)-Enantiomer induziert dementsprechend die linkshändige Helix.Matteo De Poli, Marta De Zotti, James Raftery, Juan A. Aguilar, Gareth A. Morris, Jonathan Clayden: Left-Handed Helical Preference in an Achiral Peptide Chain Is Induced by an l-Amino Acid in an N-Terminal Type II β-Turn. In: The Journal of Organic Chemistry, 2013, Band 78, S. 2248–2255, doi:10.1021/jo302705k. Das Verhältnis der beiden Konformationen beträgt etwa 3:1. Jordi Solà, Gareth A. Morris, Jonathan Clayden: Measuring Screw-Sense Preference in a Helical Oligomer by Comparison of 13C NMR Signal Separation at Slow and Fast Exchange. In: Journal of the American Chemical Society, 2011, Band 133, S. 3712–3715, doi:10.1021/ja1097034.
In der Industrie wird α-Methylvalin zur Herstellung verschiedener Herbizide verwandt, unter anderem von Imazapyr (enthalten in der Pflanzenschutzmittelformulierung Arsenal).Theo Sonke, Bernard Kaptein, Hans E. Schoemaker: Use of Enzymes in the Synthesis of Amino Acids. In: Andrew B. Hughes (Hg.): Amino Acids, Peptides and Proteins in Organic Chemistry. Volume 1 - Origins and Synthesis of Amino Acids. Wiley-VCH, Weinheim 2009, ISBN 978-3-527-32096-7, S. 79.
Einzelnachweise
Kategorie:Alpha-Aminosäure Kategorie:Butansäure