对映异构体(全合成“出马”,对映异构辨真假)
2024年03月20日 靓嘟嘟
本文来自微信公众号:X-MOLNews
对于合成化学和药物化学的研究者来说,新颖的天然产物结构往往让人痴迷,比如本文中xestocyclamine A((-)-1, 图1),它是一个含有杂原子、桥环、不饱和双键的多环生物碱,并且结构立体、环环相扣,不但有桥头碳、氮原子“提纲挈领”,还有3个双键嵌合其中,堪称大自然化学合成中的“艺术”。有趣的是,这件精妙的艺术品并不孤独,它还有一个“孪生姊妹”——ingenamine((+)-3, 图1)。
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图 1. (-)-keramaphidin B和(+)-keramaphidin B生物起源推测,以及报道的xestocyclamine A和ingenamine的结构。图片来源:J. Am. Chem. Soc.
自从这两个化合物被分离出来后,人们就推测了它们的生物起源:认为它们可能是源于含有3-烷基吡啶单元的大环二聚体A,通过跨环“Diels-Alder”反应生成中间体B,B再被还原为天然产物(-)-keramaphidin B((-)-2, 图1)。然而,令人疑惑不解的是,(-)-keramaphidin B在自然界中存在对映异构体 (+)-keramaphidin B((+)-2, 图1),而与(-)-keramaphidin B和(+)-keramaphidin B结构最相似的一对类似物却是上文提到的一对假对映异构体xestocyclamine A 和ingenamine。说它们“假”,是因为它们在11元环内双键的位置不同,前者在22、23位,后者在23、24位。这就很奇怪了,结构如此相似的两对天然产物,一对是镜像对称异构体,一对却是镜像假对称异构体,事出蹊跷则很可能有谬误,那么如何确定正确结构呢?剧情到这个时候,就该请全合成出马了。
虽然这两对天然产物及其衍生物本身均具有重要的生物研究价值,但是其结构成谜并且合成也充满挑战:尽管化学家进行了大量的条件优化,(-)-keramaphidin B和(+)-keramaphidin B的体外仿生合成产率依然很低;xestocyclamine A和ingenamine更是自发现后25年来还从未进行过全合成研究。直到最近,德国马克斯普朗克煤炭研究所的Alois Fürstner教授(点击查看介绍)研究团队才攻克了这一全合成挑战,通过化学全合成解开了化合物结构解析的谜团,证实xestocyclamine A就是ingenamine真正的对映异构体,而不是此前说的假对映异构体。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc. 上,第一作者为孟占朝(Zhanchao Meng)博士。
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Alois Fürstner教授。图片来源:马普所
2002年,Danishefsky课题组通过精巧的“Diels-Alder/缝合”环化策略形成了含氮四环骨架,并通过“烷基-Suzuki”偶联反应实现了11个单位的大环闭合,合成了xestocyclamine A中的五环核心骨架(Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 1581-1584,图2)。在此基础上,Fürstner教授课题组以xestocyclamine A为首要合成目标。在设计合成路线时,他们考虑到以下几点:(1)优选考虑用化学上正交的方法学实现两个大环的连续关环;(2)如果此前成功的“烷基-Suzuki”关环反应以某种形式保留在合成路线中,最好同时伴随着炔烃关环复分解反应(RCAM);(3)理想状态下,选择能够有利于大环闭合的合成模块;(4)无论选择哪种方法,都必须能够控制包含桥头季碳的结构边缘立体中心;(5)跨环策略在熵值和空间取向上存在一定的不足,因此可能并不合适。
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图2. Danishefsky课题组的合成研究路线。图片来源:J. Am. Chem. Soc.
作者进行了逆合成分析:用H和I型化合物作为前体,通过Michael/Michael 级联反应,使H的高亲电性能够在邻位立体中心的立体化学控制下,为第一个C-C键的形成提供动力。同时,这一关键步骤能够产生优良的Michael供体G,后者可以和亲电性较差的化合物反应,从而形成了适度官能化的桥连二氮杂环片段F。而化合物F再通过E、D、C中间体最终形成目标化合物1(图3)。
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图3. 逆合成分析路线。图片来源:J. Am. Chem. Soc.
接下来,作者开始合成H型化合物6和I型化合物9。先前的研究曾报道过化合物6需要9步才能合成(Tetrahedron, 1995, 51, 5935-5950),而他们在本文中改进了化合物6的合成步骤(图4):从化合物4出发,通过O-硅基化和区域选择性的C-H键氧化合成内酰胺化合物5(两步总收率:55%,ee值:> 99%),且这两步都能以>18 g 的规模进行。随后,用过量的LiHMDS将5去质子化并依次添加氯甲酸烯丙酯、PhSeCl,将所得的产物在严格中性的条件下用双氧水处理,以76%的收率得到化合物6。同时,他们从化合物7开始,通过酰化/烷基化反应得到化合物8,后者在Pd2(dba)3·CHCl3的作用下脱羧脱氢得到化合物9。
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图4. 化合物6和9的制备路线。图片来源:J. Am. Chem. Soc.
得到化合物6和9后,他们开始进行Michael/Michael 级联反应。然而与预料相反,Michael/Michael反应并没有以级联反应的方式进行,这是因为在强碱LiHMDS的存在下第二步反应是可逆的。幸运的是,通过改变碱试剂产生了化合物11。具体而言,化合物9经LiHMDS去质子化后生成的烯醇盐与受体6反应生成化合物10,光谱数据表明10是C2位异构体的混合物,但是其对C1位的立体化学具有关键性的控制。向该混合物中加入K2CO3,并在MeCN中回流,通过分子内Michael 加成生成笼状结构11,后者可从C2位异构体中分离出来。随后,经钯催化的脱羧烯丙基化产生化合物12,12桥环上的酮羰基通过NaBH4还原产生单一的非对映异构体醇。随后的消除反应经历了一系列艰难的探索,最终发现甲磺酸衍生物13与2,6-二甲基吡啶在170 ℃下反应,成功地产生烯烃产物14,收率72%。14在7-碘-2-庚烷的作用下进行N-烷基化形成产物15,后者在双组分催化体系(由化合物17和18组成)下,通过RCAM反应产生化合物16,至此目标产物的第一个大环完成关环(图5)。
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图5. 化合物16的合成路线。图片来源:J. Am. Chem. Soc.
接着,他们用过量的 L-Selectride来脱除16的氨基甲酸甲酯,随后通过还原性N-烷基化形成产物20。在Danishefsky课题组研究的启发下,他们用过量的9-H-9-BBN处理化合物20,区域选择性地在末端烯烃和内炔上进行硼氢化,得到化合物21,由于Csp3-BBN键比Csp2-BBN键稳定,因此添加稀HOAc会选择性地在21的烯基硼烷上发生质子分解,产生化合物22(保持12、13位烯烃双键为Z式,24位供体完整)。过量的酸用NaHCO3淬灭,混合物用THF稀释,并将所得的含22的溶液缓慢加入到含催化剂[(dppf)PdCl2]、AsPh3和Tl2CO3的THF/DMF/H2O溶液中,以48%的总收率生成产物23,标志着完成了第二个大环关环。最后通过内酰胺还原、脱保护,生成目标产物(-)-1。并通过波谱分析和单晶X-射线衍射证实(-)-1与此前报道的xestocyclamine A结构一致(图6)。
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图6. 目标化合物(-)-1的合成和晶体结构。图片来源:J. Am. Chem. Soc.
然而,(-)-1的游离碱和衍生盐(-)-1·2HCl的核磁数据与文献报道略有不同。考虑到前面提到的生物合成疑问,作者怀疑当年分离出这类化合物的课题组大概率在解析22、23位烯烃双键时出现谬误。他们推测xestocyclamine A要么就是ingenamine((+)-3),要么是ingenamine的对映异构体。
那么,如何去证明呢?答案还是全合成。他们选择化合物15作为起始原料,经末端烯烃的硼氢化/氧化、Wittig反应、N-脱保护、大环内酯化,以三步39%的总收率得到化合物28。后者经RCAM反应、炔烃还原、酮羰基还原(NaBH4)、硅基脱保护,最终得到了ent-ingenamine ((-)-3, 图7)。
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图7. 化合物(-)-3的全合成路线及和晶体结构。图片来源:J. Am. Chem. Soc.
有意思的是,(-)-3的核磁数据与严格无酸的天然产物ingenamine在[D4]-MeOH中的数据相匹配。由于在溶剂CDCl3/[D6]–DMSO中的光谱对溶剂比和痕量酸非常敏感,所以难以进行直接的比较。但是,当加入0.4当量的三氟乙酸时,(-)-3的核磁氢谱和碳谱重现了文献中报道的xestocyclamine A波谱数据,再结合这些样品的旋光数据,他们终于揭开了这个谜题:先前报道的xestocyclamine A结构解析有误,所有证据都倾向于它就是ingenamine的对映异构体。
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图8. 先前报道的xestocyclamine A结构解析有误。图片来源:J. Am. Chem. Soc.
总结
Alois Fürstner教授研究团队通过Michael/Michael级联反应、炔烃关环复分解、炔烃还原、酮羰基还原(NaBH4)、硅基脱保护等步骤实现了名义上xestocyclamine A((-)-1)的全合成,并且通过全合成揭示了先前文献中报道的xestocyclamine A的结构解析有误,证实了它就是ingenamine的对映异构体。
Total Synthesis Provides Strong Evidence: Xestocyclamine A is the Enantiomer of Ingenamine
Zhanchao Meng, Alois Fürstner
J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 11703-11708, DOI: 10.1021/jacs.0c05347
导师介绍
Alois Fürstner
https://www.x-mol.com/university/faculty/49815
(本文由水村山郭供稿)
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