JACS: 北京生科研究所李超課題組全合成了三個複雜二萜類天然產物

導 讀

2019年5月15日，北京生命科學研究所李超課題組在《Journal of the American Chemical Society》發表題為“Tandem Decarboxylative Cyclization/ Alkenylation Strategy for Total Syntheses of （+）-Longirabdiol， （-）-Longirabdolactone， and （-）-Effusin”的論文。該研究發現了一種金屬銅催化的脫羧/環化/烯化串聯反應，併成功地應用於C19位被氧化的貝殼杉烷型二萜的首次全合成。

內 容

貝殼杉烷型二萜是一類結構非常複雜且具有重要生物活性的天然產物。目前，已有近千個此類化合物從植物中分離得到。在化學結構上，此類天然產物往往含有複雜的環系骨架結構（包括並環，螺環和橋環）和高度的氧化態，是有機合成界關注和研究的重點。在生物活性上，此類天然產物往往展現出抗菌，抗腫瘤和抗病毒等重要活性。其母體植物（香茶菜屬植物）是一類常見的抗炎症中藥，如冬凌草。具有高度氧化態的此類天然產物是有機合成的難點之一，尤其是C19位被氧化的螺環內酯類貝殼杉烷型二萜，因為C19位的選擇性氧化會引起C4產生一個季碳中心，所以目前還沒有成功的全合成報道。

圖1：螺環內酯類貝殼杉烷型二萜（圖片來源於JACS期刊）

在這項研究中，研究人員首先根據這類複雜天然產物的結構特徵，設計並實現了一種高效的串聯環化/烯化反應。該關鍵反應首次揭示了廉價金屬銅催化的脫羧/環化/烯化串聯偶聯反應：從簡單易得且穩定地原料出發，一步獲得具有較高複雜度且具有多個手性中心的關鍵順式內酯類中間體。在這過程中，研究人員透過篩選發現了一個關鍵新增劑（2-溴丙酸）可以很好地提高整個串聯反應的效率，從而高效地構建了具有環張力的五元內酯（環張力的產生源自於C4位的季碳中心）。進一步地底物適用範圍拓展發現，該合成方法具有很好的實用性，這也為合成具有更高氧化態的此類天然產物提供了很好的合成方法。

圖2：過去的報道（圖片來源於JACS期刊）

圖3：擬合成分析（圖片來源於JACS期刊）

研究者設想透過氧化，可以從長鏈二醇（4）中分離得到長鏈杜拉酮（5）和（6）。透過經典的乙烯基自由基環化，可以獲得4的雙環辛烷環9（9結構見圖2）。12中的乙烯基側鏈可以透過13上的烯丙基化來安裝。由羧酸14經脫羧基6-內三角自由基環化得到含有γ-二取代的δ-纈內酯的化合物13。化合物14可以很容易地由苄基醚15合成。15的羧酸酯可進一步與酸16斷開，16的羧酸可透過17中烯烴部分的氧化裂解而得到。關鍵中間體17的合成，作者採用了串聯脫羧環化/烯化策略（圖4），以高的立體選擇性地從羧酸18合成了γ-內酯17。

圖4：串聯脫羧環化/烯化策略（圖片來源於JACS期刊）

圖5：氧化還原活性酯22的合成（圖片來源於JACS期刊）

附圖：（+）-（19）的合成（圖片來源於JACS期刊）

化合物（+）-（19）是透過rac-20（市售）經過5步反應以87%的ee值和35%的總收率製備而得。（+）-（19）再次與溴乙酸叔丁酯縮合，提供了一種可以用N-羥基鄰苯二甲醯亞胺（NHPI）活化的羧酸酯，以高的產率得到氧化還原活性酯22，合成路線如圖5所示。

圖6：自由基環化/烯化反應的最佳化（圖片來源於JACS期刊）

設想22可以透過單電子還原脫羧，提供一個可以參與5位-外三環化反應的中間體，由此產生的二級自由基可參與連續的烯化反應。在最初的研究中使用了乙烯基鋅試劑，這與Baran組在脫羧烯化方面的開創性研究非常相似。然而，22與乙烯基鋅試劑使用各種鎳或鐵配體配合物的反應導致了C6位的直接烯化。這可能歸因於鐵或鎳催化的脫碳反應的反應速率太快。研究者更換為Reisman和 Weix組開發的RAE和SP2-鹵化物之間的還原交叉耦合反應方法。令人欣慰地，22和β-溴苯乙烯暴露於（DTBBPY）NiBr2和鋅粉中，以34%的產率提供所需產物17，作為3。2：1非對映體混合物（圖6）。透過進一步最佳化反應條件，將反應收率提高至60%（4。2：1非對映體混合物）。

圖7：β-取代苯乙烯的應用範圍（圖片來源於JACS期刊）

獲得最佳最佳化條件後，為了進一步瞭解其潛在的反應機理，研究者應用此串聯環化/烯化反應，進一步探索了一系列具有代表性的β-取代苯乙烯中的應用（如圖7）。透過實驗結果，作者得出結論，所觀察到的（E）-溴化乙烯23和RAE 22之間的串聯環化/烯化的烯化步驟所產生的sp2-sp3鍵的形成，實際上是由自由基加成片段過程和銅催化的自由基偶聯反應兩步所得。此外，（Z）-溴化乙烯23E和乙烯碸23F的低收率的原因可能是單一的加成片段機制的引起的結果。

圖8：環化片段的應用範圍（圖片來源於JACS期刊）

研究者隨後探索了此串聯環化/烯基化反應在構建結構多樣化的內酯系統的能力，實驗結果如圖8所示。季碳中心的構建仍然是有機合成中的一個挑戰，令人欣慰的是，季碳中心可以在最初的環化位置被成功構建，得到的產物32和33被分離。此外，儘管乙烯基烯烴34的收率相對較低（30%），但也可以在烯基化位置構建季碳中心；而在35的季碳中心構建時，結果並不理想。

圖9：C10季碳立體中心的構建（圖片來源於JACS期刊）

透過RuCl3和NaO4氧化分解苯乙烯17，從氧化還原酯（RAE）22中以46%的產率獲得羧酸16。利用Takeda方法將16與Boc2o酯化，得到88%產率的酯36，作為1。7：1的非對映體混合物。有趣的是，將36的混合非對映體與低密度脂蛋白（LDA）處理，然後新增Bomcl，得到37個單一的非對映體。研究人員推測在新形成的季碳中心觀察到的高立體選擇性應歸因於C4軸向甲基產生的1，3-二軸相互作用。因此，苄基甲基醚部分被安裝在較小的位阻面上。透過對38的X射線晶體學分析進一步證實了37的結構，該分析由37的TBU酯在TFA存在下的脫保護提供。

圖10：分子內Giese反應的初步研究（圖片來源於JACS期刊）

從邏輯上講，根據1，3-二軸相互作用對C10季碳中心立體化學結果影響，在酸38上的直接脫羧的Giese反應可能會產生不需要的立體異構體。為了克服上述凹面效應的1，3-二軸相互作用，37中的內酯部分被LiBH4降低，得到的二醇是由兩個大的TBS基團保護的。苄基醚15加氫後，新形成的醇與環己烷1，4-二烯-1-甲酸酯化得到酯39，收率69%。在對反應條件進行了廣泛篩選後，研究者發現在BHT存在下用Tesotf和2，6-lutine處理39，然後用AQ水解得到的TES酯。檸檬酸產生所需的羧酸，25與NHPI（NHPI）順序活化，以中等產量給出RAE 40。不幸的是，提出的分子內脫羧基Giese反應被證明是有問題的。由於Rae 40受到Baran還原性脫羧條件或Overman可見光光光催化條件的影響，產生了一種複雜的混合物。10c-e這些失敗主要是由於直接脫羧、烯烴遷移以及基於粗核磁共振分析的其他未知副反應造成的。用麥克米倫的光催化條件直接處理RAE40酸前體也沒有結果。

為了避免1，4-環己二烯部分的不穩定性，研究者接下來使用一種簡單的丙烯酸酯來進行6-內三環化反應。透過5個步以良好的收率從化合物15開始順利地製備了丙烯酸酯42。然而，RAE 42暴露在Baran的還原性脫羧條件下導致了RAE的直接脫羧和水解：未觀察到所需的內酯43。提高反應溫度只會導致分解。將RAE 42或其前體酸暴露於各種光催化條件下同樣不成功。10b-d作者推測，高張力的螺-內酯過渡狀態和左手邊擁擠的環己烷環可能阻止了環化過程。

圖11：分子間Giese反應激發的螺內酯的合成（圖片來源於JACS期刊）

隨後，研究者透過LiBH4將內酯部分還原為37，隨後進行一鍋反應以保護生成的二醇和TBS基團，並用Tesotf脫除TButyl酯保護，得到88%產率的酸44。X-射線晶體學分析證實了酸性44的結構，表明環己烷的底面被一個大的TBS基團阻擋，從而為隨後從頂面開始的脫羧Giese反應提供了合適的途徑。為此，在THF中使用N-羥基鄰苯二甲醯亞胺（NHPI）和DIC直接活化44可提供84%產率的相應RAE；使用DMAP或CH2Cl2可導致較低產率。將所得的RAE暴露於含鎳（ClO4）2和鋅的2，2，2-三氟甲基丙烯酸酯中，成功地提供了所需的45作為單一的非對映體，產率為80%。10E在氫化條件下去除苄基，然後自發內酯化，生成關鍵的螺旋內酯，這是由於用苯二酸酐氧化CH，得到高產率的不飽和內酯46，並透過X射線晶體學分析證實了46的結構（合成路線如圖11所示）。

圖12：Longirabdiol （4）的合成（圖片來源於JACS期刊）

在獲得螺內酯46後，研究人員下一步探索了橋接環系統來完成全部的合成。事實證明，透過二烯烴46和1，3-丁二烯之間的Diels-Alder反應合成13似乎很簡單，在對各種引數（溫度、壓力、加入或不加入路易斯酸新增劑）進行條件篩選，但沒有拿到目標產物。此步反應。作者採用了兩個步進行：將烯丙基銅酸酯類立體選擇性共軛新增到46，然後用碘化烯丙基處理，得到一箇中等產率的二烯，作為一個單獨的非對映體。隨後，該二烯的RCM反應以97%的產率提供所需的化合物13。透過核磁共振來確證了13的結構。用LDA脫除13，然後用2，3-二溴丙烷烯丙基化，以 39%的收率得到12作為唯一的非對映異構體（同時回收率為51%的13）。研究者曾嘗試改善此反應的轉化率，但是沒有滿意的結果。將12暴露於NBU3SNH和ET3B引發5-exo自由基消除，由此產生的雙環［3。2。1］辛烷經過烯丙基氧化，經2步產生67%的醇。新形成的醇的經Dess-Martin氧化，然後使用LiBF4進行脫保護，給出longrabdool（4），經波普鑑定確證了4的結構（圖12）。研究者隨後用longrabdool（4）作為原料，順利合成了5和6天然產物。

圖13：longirabdolactone （5）和effusin （6）的合成（圖片來源JACS）

從伊索唐屬植物中提取的粗提取物已被證明具有抗腫瘤作用，已知的細胞毒性作用來自於分離的天冬氨酸。然而，迄今為止，尚不報道longrab二醇（4）、longrabdolactone（5）和effusin（6）的特異性生物活性。在合成了這三種天然產物之後，作者研究了它們對來自7種不同人體組織的10種癌細胞株的細胞活力的活性影響。如圖14所示，這些合成化合物顯示出廣泛且高的抗癌活性（在μm範圍內）；特別是，longrabdolactone（5）通常比其他兩種更有效，其中A673細胞中的IC50低於1μm。此外，作為這三種化合物的IC50值在10個被檢測的癌細胞系中高度相關，推測它們可能作用於相同的細胞靶點。

圖14：合成天然產物對10種不同癌細胞株的IC50值測試（μm）（圖片來源於JACS期刊）

李超研究員（圖片來源於北京生命科學研究所官網）

個人履歷

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2008 青島科技大學制藥工程學士

2013 北京生命科學研究所與天津大學聯合培養有機合成化學博士

2014-2017年 美國斯克裡普斯研究所博士後

2017-Present 北京生命科學研究所 研究員

研究方向

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（1）利用新型催化體系研究新穎的化學鍵構建方法，為化學分子的合成提供更理想策略。

（2）選擇與重大疾病相關的天然產物進行合成及活性最佳化，進而推動創新藥物的研究；

（3）探索活性天然小分子的生物學作用機制和其作用靶標；

（4）設計合成能夠選擇性標記，追蹤生物大分子或識別其相互作用的化學工具分子。

代表論文

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