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Aufklärung von Reaktionsmechanismen (gesamt)

Isotopenmarkierung - Beispiele

Die Vorgehensweise bei der Aufklärung von Reaktionsmechanismen mit Hilfe der Isotopenmarkierung soll hier an zwei Beispielen verdeutlicht werden.

Zunächst wird ein Beispiel aus den Grundlagen der organischen Chemie, die säurekatalysierte Veresterung, behandelt. Anschließend folgt ein Beispiel aus dem Bereich Biochemie/Naturstoffchemie.

18O-Markierung zur Untersuchung der säurekatalysierten Veresterung

Bei der Aufklärung des Mechanismus der säurekatalysierten Veresterung stellt sich die Frage, aus welchem Eduktmolekül (Carbonsäure oder Alkohol) das Sauerstoff-Atom im Produkt-Wassermolekül stammt bzw. welches Sauerstoff-Atom im Ester vorliegt. Dies kann durch Markierung des Alkohols mit dem Sauerstoff-Isotop 18O untersucht werden.

Abb.1
Veresterung mit 18O-markiertem Alkohol

Führt man die Reaktion mit 18O-markiertem Alkohol durch, so findet man das 18O-Isotop nach der Reaktion ausschließlich im Ester und nicht im Reaktionswasser. Dies deutet darauf hin, dass im Laufe des Mechanismus ein nucleophiler Angriff des Alkohol-Sauerstoff-Atoms auf das Carbonyl-Kohlenstoff-Atom der Carbonsäure (grüner Rahmen) mit anschließender Abspaltung des Alkoholprotons stattfindet.

Abb.2
Vollständiger Mechanismus der säurekatalysierten Veresterung

Für die Klärung der weiteren Aspekte des Mechanismus wie z. B. der Rolle der Säurekatalyse waren natürlich noch andere Experimente erforderlich, die zum Teil im Kapitel zur Untersuchung der Kinetik bei der Aufklärung von Reaktionsmechanismen erläutert werden.

Betrachten Sie nun doch einmal die praktische Durchführung einer Veresterung in den beiden folgenden Experimentalfilmen:

Experimentalfilm (I) Veresterung von Essigsäure mit Ethanol
Experimentalfilm (II) zur Darstellung von Essigsäureethylester

Aufklärung des Biosyntheseweges von Betaenon B mit 13C-markierten Substraten

Für den aus dem Pilz Phoma betae Fr. isolierten Sekundärmetaboliten Betaenon B [1] lag die Vermutung nahe, dass es sich um ein sogenanntes Polyketid handelt. Polyketide sind eine weit verbreitete Gruppe von Sekundärmetaboliten, die alle dem gleichen Biosyntheseweg entstammen. Das Grundgerüst aller Polyketide ist aus Acetateinheiten (aus Acetyl-CoA) aufgebaut. Methylverzweigungen können durch Einbau von Propionat statt Acetat oder durch nachträgliche Methyl-Gruppen-Übertragung von S-Adenosyl-L-methionin entstehen.

Die Polyketid-Biosynthese soll hier nicht näher erläutert werden. Doch wie konnte nachgewiesen werden, dass es sich bei Betaenon B um ein Polyketid handelt?

Dazu wurde der Pilz Phoma betae Fr. in verschiedenen Nährmedien kultiviert, die entweder mit den 13C-markierten Substraten [1-13C]-Acetat, [2-13C]-Acetat oder [Me-13C]-Methionin versetzt waren. Im Anschluß wurde das isolierte Betaenon B jeweils durch 13C-NMR-Spektroskopie untersucht. [2,3]

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Abb.3

Fette Bindung: Ursprüngliches Acetat, dessen C-1 durch einen Doppelpunkt gekennzeichnet ist. Stern: Methyl-Gruppe, die aus L-Methionin stammt.

Abb.4

3D-Darstellung: C-1 des ursprünglichen Acetats in grün und Methyl-Gruppen, die aus L-Methionin stammen, in blau.

Durch die Verstärkung der entsprechenden 13C-NMR-Signale konnte gezeigt werden, dass Betaenon B tatsächlich aus den 13C-markierten Acetateinheiten aufgebaut wird. Außerdem konnte bewiesen werden, dass die Methylverzweigungen nicht aus dem Einbau von Propionat sondern aus der Methyl-Gruppen-Übertragung von S-Adenosyl-L-methionin stammen, weil die entsprechenden 13C-NMR-Signale der Methyl-Gruppen nach der Kultivierung mit [Me-13C]-Methionin verstärkt waren.

Literatur

  1. Akitami Ichihara, Hideaki Oikawa, Kazuko Hayashi, Sadao Sakamura, Structures of Betaenones A and B, Novel Phytotoxins from Phoma betae Fr., J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 2907-2908.
  2. Hideaki Oikawa, Akitami Ichihara, Sadao Sakamura, Biosynthesis of Betaenone B, Phytotoxins of Phoma betae Fr., J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1984, 814-815.
  3. Hideaki Oikawa, Akitami Ichihara, Sadao Sakamura, Biosynthetic Study of Betaenone B: Origin of the Oxygen Atoms and Accumulation of Deoxygenated Intermediate using P-450 Inhibitor, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1988, 600-602.
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