stereoisomere aromastoffe

Z Lebensm Unters Forsch (1992) 195:426-428

Originalarbeit

Stereoisomere Aromastoffe

L I X . 3 - M e r c a p t o h e x y l - und 3 - M e t h y l t h i o h e x y l a l k a n o a t e - S truktur und E i g e n s c h a f t e n der E n a n t i o m e r e n

Bernhard Weber, Hans-Peter Haag und Armin Mosandl

Institut fiir Lebensmittelchemie, Johann Wolfgang Goethe-Universit/it Frankfurt, Robert-Mayer-Strasse 7-9, W-6000 Frankfurt/Main, Bundesrepublik Deutschland

Eingegangen am 29. Juni 1992

Zeitschrift ff ir

�9 Springer-Verlag 1992

Stereoisomeric flavour compounds LIX. 3-Mereaptohexyl- and 3-methylthiohexylalkanoates - structure and properties of the enantiomers

Summary. The synthesis of the optically pure stereo- isomers of the acetates, butanoates and hexanoates of 3- mercaptohexanol and 3-methylthiohexanol, which are known to be flavour compounds of yellow passionfruits, is presented. The sensory characteristics of the stereo- isomers are given and the chirospecific differentiation us- ing capillary gas chromatography and Octakis (2,3-di-O- acetyl-6-O-tert.-butyldimethylsilyl)-y-cyclodextrin as the chiral stationary phase is discussed.

Zusammenfassung. Die Synthese der optisch reinen Ste- reoisomeren der als Aromastoffe der gelben Passions- frucht bekannten Acetate, Butanoate und Hexanoate des 3-Mercaptohexanols und des 3-Methylthiohexanols wird vorgestellt. Die sensorische Bewertung der Stereoisome- ren wird aufgezeigt und die M6glichkeiten zur analytischen Stereodifferenzierung werden beschrieben.

1 Einleitung

Chirale schwefelhaltige Aromastoffe leisten einen wichti- gen Beitrag zum Aroma der gelben Passionsfrucht (Pas- siflora edulis f . flavicarpa). 2-Methyl-4-propyl-l,3-oxathian (5) und 3-Methylthiohexanol (4) wurden erstmals von Winter et al. [1] identifiziert. Die Darstellung der optisch reinen Stereoisomeren fiber diastereomere Camphanoyl- thiolester von 3 und ihre sensorischen Eigenschaften sind von Mosandl et al. [2-6] beschrieben worden. Versuche zur enantioselektiven Synthese von 3 wurden von Picken- hagen und Br6nner-Schindler [7] publiziert. Engel und Tressl [8] haben vor kurzem die Identifizierung von 3- Mercaptohexanol (3) sowie der Acetate, Butanoate und

Correspondence to." A. Mosandl

Hexanoate des 3-Mercaptohexanols ( la-c) und des 3-Methylthiohexanols (2a-e) aus gelben Passionsfrfich- ten ver6ffentlicht. Im folgenden wird die Synthese der optisch reinen Stereoisomeren der Ester 1 a--e und 2 a-c vorgestellt und fiber die sensorischen Eigenschaften der Ste- reoisomeren berichtet. Die derzeitigen M6glichkeiten zur analytischen Stereodifferenzierung werden aufgezeigt.

SH 0 SH

l a - c 3

SCH3 Q SCH3

2 a - c 4

R a CH 3 O~.5~ b C3~7

C CsHII

2 Experimenteller Teil

2.1 Racemisches 3-Mercaptohexanol (3). Nach [5] trans-2-Hexenal (Aldrich 13,265-9) mit HzS unter Piperidinkatalyse bei Raumtem- peratur (2-3 h) zu 3-Mercaptohexanal umsetzen; direkt anschlie- Bend mit NaBH4 zu 3 reduzieren. S/iulenchromatographische Reini- gung an Kieselge160 (Merck 7734, Korngr6ge 0,063~),200 mm) mit Pentan/Diethylether (2 + 1).

2.2 Enantiomere des 3-Mercaptohexanols (3). Nach [3-5]: Racemi- sches 3 mit 2,3fachem molaren OberschuB an frisch dest. Acetyl- chlorid (Fluka 00990) in trockenem CCl4 bei Raumtemperatur zu racemischem l a umsetzen, bis diinnschichtchromatographisch quantitative Umsetzung angezeigt wird. L6sungsmittel und fiber- schiissiges Sfiurechlorid unter Vakuum abziehen und Produkt direkt mit 1,3facher molarer Menge an (1S,4R)-Camphansfiurechlorid (synthetisiert nach [6] durch Umsetzung yon (1S,4R)-(-)-Camphan- sfiure (Merck 818207) mit Thionylchlorid) unter Dimethylaminopy- ridinkatalyse zu den diastereomeren Thiolestern umsetzen. Sfiulen- chromatographische Reinigung an Kieselge160 mit Pentan/Diethyl-

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ether (7 + 3). Durch fraktionierte Elution k6nnen bereits diastereo- merenangereicherte Fraktionen (bis 90% Anreicherung) erhalten werden. Diastereomeren-Trennung fiber prfiparative HPLC an Si 60, 5 pm. Diastereomeren-Reinheit iiberprfifen mittels HPLC oder CGC an DB 210 (>99%). Nach [3-5] erhfilt man dutch reduktive Esterspaltung mit LiA1H4 aus dem zuerst eluierten Diastereomeren I enantiomerenreines (R)-3 und aus dem als zweites eluierten Diaste- reomeren II enantiomerenreines (S)-3. Elutionsreihenfolge durch Coelution mit Referenzsubstanzen mit bekannter absoluter Konfi- guration bestfitigen.

2.3 Enantiomerenreines 3-Methylthiohexanol (4). (R)-3 bzw. (S)-3 mit Methyljodid nach [3-5] zu (R)-4 bzw. (S)-4 umsetzen.

2.4 Enantiomere der Ester (1 a-e, 2a--e). 0,1-0,2 mmol optisch reines 3 bzw. 4 in 1-2 ml trockenem CC14 16sen und 2,5fache molare Menge des S~iurechlorids (Butters~iurechlorid: Aldrich 10,961-4, Hexans~iurechlorid: Merck 800191) direkt zugeben. Fest verschlos- senen Kolben 3 h bei Raumtemperatur unter Rfihren stehen lassen. AnschlieBend Reaktionsansatz unter Vakuum auf 0,3-0,5 ml ein- engen, auf eine Sfiule mit 5 g trockenem Kieselgel 60 iiberffihren und Produkte mit Pentan/Diethylether (95+5) eluieren. S~ulen- chromatographische Reinigung an 5 g Kieselgel 60 (Aktivitfitsstufe II): Spfilen mit 20 ml Pentan und 40 ml Pentan/Dichlormethan (9+1); fraktioniert eluieren: l a, 2a-e mit Pentan/Diethylether (95 + 5), 1 b und 1 emit Pentan/Dichlormethan (8 + 2).

2.5 Diinnschichtchromatographie. TLC-Platten (Polygram Sil G/ UVz54, Macherey & Nagel). FlieBmittel: Pentan/Diethylether (2 + 1); Detektionsmittel: 2 g PhosphormolybdfinsS.ure, 1 g Cer-(IV)-sul- fat in 90 ml H20 und 10 ml HzSO 4 16sen; 105 ~ 5 min; la: Rf= 0,66; 3: Rf=0,23.

2.6 Prdparative HPLC. Gerfit Knauer HPLC-Pumpe Model164 mit prfiparativem Pumpenkopf; Knauer UV/VIS Filterphotometer mit 0,4 mm-MeBzelle; Einspritzsystem Rheodyne Modell 7125 (500 pl- Probenschleife); Merck LiChrosorb Si 60, 5 ~tm, 250 mm• 20 mm ID; FlieBmittel Pentan/Diethylether (7+3) mit einem Flul3 von 15 ml/min oder Pentan/Diethylether (8 +2) mit einem FluB von 20 ml/min; Detekion bei 254 nm; Retentionszeiten jeweils vor den pr~iparativen Trennungen mit Standards bestimmen.

2.7 Capillargaschromatographie. Gerfit Carlo Erba HRGC 6000 Vega Series- Sfiule 1: DB 210 (J & W) 30 rn x 0,32 mm ID, 0,25 [xm; 50 kPa Hz; Splitinjektion bei 210 ~ Split: 30 ml/min; FID 230 ~ Temperaturprogramm: 130 ~ min/5 ~ ~ rain; Diastereomer I: t R = 25,97 min; Diastereomer 1I: tR = 26,27 min. - Sfiule 2: Glascapillarsfiule 32 m x 0,23 mm ID, belegt mit 4%o (50% Octakis(2,3-di-O-acetyl-6-O-tert.-butyldimethylsilyl)-v-cyclodextrin in OV-1701-vi) [9, 10]; 150 kPa Hz; Splitinjektion bei 230 ~ Split 30ml/min; FID 280~ Temperaturprogramm: 80~ 20 min/l,5 ~ ~ min/1 ~ ~ (R)-I a: t R= 32,16 min; (S)-la: tR=33,25 rain; (R)-2a: tR=38,58 rain; (S)-2a: tR=39,09 rain; (R)-lb: tR=50,81 min; (S)-lb: tR=51,77 rain; (R)- le: tR=74,33 min; (S)-I e: tR=74,85 min.

2.8 Spektroskopische Daten. 1H-NMR: Ger~it Bruker WM 300 (300 MHz, CDC13, TMS); 1 a und 2 a identisch mit Spektren in [8]; lb: 6=0,94 (m; 6 H; 2x CH3), 1,39 (d; 1 H; J=7,2 Hz; SH), 1,44- 1,77 (m; 7 H; 3 x CH 2 und 1 H (diastereotop) an C2), 2,02 (m; 1 H; 1 H (diastereotop) an C2), 2,29 (t; 2 H; J=7,4 Hz; O-CO-CH2), 2,88 (m; 1 H, CH-S), 4,25 (t; 2 H; J = 6,7 Hz; C H 2 - O ). - 1 e: 6 = 0,91 (m; 6 H; 2 x CH3), 1,39 (d; 1 H; J = 7,4 Hz; SH), 1,29-1,76 (m; 11 H; 5 x CH 2 und 1 H (diastereotop) an Cz), 2,01 (m; I H; 1 H (diastereotop) an Cz), 2,30 (t; 2 H; J=7,5 Hz; O-CO-CH2) , 2,88 (m; 1 H; CH-S), 4,25 (t; 2 H; J=6,8 Hz; CH2-O). - 2 b : 6=0,93 (m; 6 H; 2 x CH3) , 1,44-1,69 (m; 6 H; 3 x CH2), 1,86 (m; 2 H; 2 H an C2), 2,02 (s; 3 H; S-CH3), 2,28 (t; 2 H; J = 7,4 Hz; O-CO-CH2), 2,61 (m; 1 H; CH-S), 4,24 (t; 2 H; J=6,8 Hz; CH2-O).-2c: 6 =0,91 (m; 6 H; 2 x CH3), 1,29-1,65 (m; 10 H; 5 • CHz), 1,86 (m; 2 H; 2 H an C2),

2,02 (s; 3 H; S-CH3), 2,29 (t; 2 H; J = 7,5 Hz; O-CO-CH2), 2,60 (m; 1 H; CH-S), 4,23 (t; 2 H; J = 6,8 Hz; CH2-O ). Massenspektroskopische Daten siehe [8].

3 Ergebnisse und Diskussion

Engel und Tressl [8] beschrieben vor kurzem erstmals die Identifizierung der Acetate, Butanoate und Hexanoate des 3-Mercaptohexanols (1 a-c) und des 3-Methylthiohe- xanols (2 a--c) in gelben Passionsfrfichten. Diese Verbin- dungen, wie auch die bereits bekannten Aromastoffe 2-Methyl-4-propyl-l,3-oxathian (5)und 3-Methylthiohe- xanol (4) k6nnen aus 3-Mercaptohexanol (3) dargestellt werden. Die optisch reinen Stereoisomeren von 1 und 2 lassen sich so aus den optisch reinen Stereoisomeren von 3 synthetisieren. Diese werden entsprechend frfiheren Ar- beiten zur Stereoisomerendarstellung von 4 und 5 herge- steUt [2-5]. Hierbei wird racemisches 3 nach Acetylierung der prim~ren Hydroxylgruppe in trockenem CC14 mit optisch reinem (1S, 4R)-Camphansfiurechlorid zu den diastereomeren Thiolestern umgesetzt, die fliissigchromato- graphisch getrennt werden k6nnen. Bei bekannter Eluti- onsreihenfolge werden nach racemisierungsfrei verlau- fender Esterspaltung mit LiA1H 4 die optisch reinen Stereoisomere von 3 mit bekannter absoluter Konfigura- tion erhalten.

Die reinen Enantiomere der 3-Mercaptohexylalka- noate (1 a-e) werden anschlieBend durch Umsetzung mit den jeweiligen S~iurechloriden erhalten. Bei den durchge- fiihrten Mikroansfitzen (0,1-0,2 mmol) wurden die be- sten Ausbeuten (bis 93 %) mit den unter 2.4 angegebenen Bedingungen erzielt. Wfihrend bei den Acetaten sowohl iiberschiissiges Acetylchlorid als auch das als Nebenpro- dukt anfallende Diacetat mit dem L6sungsmittel abgezo- gen werden k6nnen [3, 5], miissen die h6hersiedenden Sfiurechloride dutch Adsorption an trockenem Kieselgel 60 entfernt werden. Die Dibutanoate bzw. Dihexanoate werden bei der nachfolgenden sfiulenchromatographi- schen Reinigung an Kieselgel 60 (Aktivitfitsstufe II)

2a

l a lb l c

0 20 40 60 80 rain

Abb. l . Chirospezifische Trennung yon 3-Mercaptohexylalkanoaten (1 a-e) und 3-Methylthiohexylacetat (2 a) ((S)-konfigurierte Stereo- isomere angereichert) an Octakis (2,3-di-O-acetyl-6-O-tert.-butyldimethylsilyl)-y-cyclodextrin (Bedingungen siehe 2.7)

428 la

S >99,6%

R

30 40 min

Abb. 2. Synthetisiertes (S)-3-Mercaptohexyl- acetat (1 a) an Octakis(2,3-di-O-acetyl-6-O- tert.-butyldimethylsilyl)-7-cyclodextrin (Be- dingungen siehe 2.7)

durch fraktionierte Elution mit Pentan/Dichlormethan (8 + 2) abgetrennt.

Zur Synthese der optisch reinen 3-Methylthiohexylal- kanoate (2 a-e) wird optisch reines 3 nach [3-5] mit Me- thyljodid zu optisch reinem 4 umgesetzt, das in analoger Weise zu 2 a--e acyliert werden kann.

Aufgrund der hohen sensorischen Relevanz flfichtiger Schwefelverbindungen erscheint die enantioselektive CGC-Analyse von besonderer Bedeutung. Bisher konnte diese Aufgabe jedoch nur fiir wenige Verbindungen ge- 16st werden [22, 23]. Abbildung 1 zeigt die derzeit m6gli- chen chirospezifischen Trennungen der 3-Mercapto- hexylalkanoate (1 a-e) und des 3-Methylthiohexylacetats (2a) an der erstmals vor kurzem von Schmarr et al. [9, 10] beschrieben Octakis(2,3-di-O-acetyl-6-O-tert.- butyldimethylsilyl)-7-Cyclodextrinphase. Am Beispiel des (S)-3-Mercaptohexylacetats (1 a) wird gezeigt, dab die synthetisierten Stereoisomeren in hoher optischer Reinheit erhalten werden (Abb. 2).

In Ubereinstimmung mit Engel und Tressl [8] werden die 3-Mercaptohexylester im Vergleich zu den 3-Methyl- thiohexylestern als geruchsintensiver beurteilt. Erwar- tungsgem/iB nimmt die Geruchsintensit/it in beiden ho- mologen Reihen mit zunehmender Kettenl/inge ab. In der sensorischen Beurteilung yon optisch reinen Stereoiso- meren konnten schon ftir viele Stoffklassen unterschiedli- che Geruchseigenschaften der Spiegelbildisomeren nach- gewiesen werden [4, 11-22]. Ffir die Spiegelbildisomere der dargestellten Verbindungen (la--e, 2a--e) ergeben sich signifikante sensorische Unterschiede. Die tropisch-fruchtige Note der Passionsfrucht besitzen nur die (R)-konfigurierten Isomeren von 1 a und 1 b. Die (R)-konfigurierten Stereoisomeren der Verbindungen 2 a-e zeigen dagegen unspezifisch fruchtige Noten. Die (S)-konfigurierten Stereoisomeren hinterlassen in allen F/illen einen intensiveren Geruchseindruck als die ent- sprechenden (R)-konfigurierten Verbindungen und besitzen stets eine deutliche Schwefelnote. Nachdem nun optisch reine Stereoisomere verffigbar sind und erste M6g- lichkeiten zur chirospezifischen Analyse bestehen, sollen nun die analytische Stereodifferenzierung verbessert und Untersuchungen zur Enantiomerenverteilung der be- schriebenen Verbindungen in gelben Passionsfr/ichten durchgefiihrt werden.

Tabellel. Sensorische Bewertung der stereoisomeren Acetate, Butanoate und Hexanoate des 3-Mercaptohexanols (la-e) und des 3-Methylthiohexanols (2a-e)

Verbindung Absolute Verdttnnung Sensorische Bewertung Konfi- der Probe guration (in Ethanol)

la R 0,01% Durchdringend nach tropischen Frfichten (Passionsfrucht)

S 0,01% Durchdringend schweflig, krautig

lb R 0,1% Intensiv nach tropischen Frtichten (Passionsfrucht)

S 0 , 1 % Schweflig, zwieblig, sp~ter unspezifisch fruchtig

le R 1% Krautig, frische Schwefelnote S 1% Schweflig, brenzlig

2a R 1% Fruchtig (starker als (R)-2b, 2c) S 1% Intensiv schweflig, krautig

2b R 1% Sehr schwach, unspezifisch fruchtig

S 1% Zwieblig, sp~ter schwach fruchtig

2c R 1% Sehr schwach, unspezifisch fruchtig

S 1% Schwach zwieblig, r6stig

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