重庆大学张敏团队Nat Comm：基于homo-Mannich反应的Sarpagine生物碱集群式全合成和结构多样性改造

天然产物是创新药物的主要结构来源。天然产物结构复杂、天然来源有限，其化学结构也需要深度改造以提升成药性。因此，开发高效简洁的合成方法和策略，实现天然产物家族多分子的集群式全合成和结构深度改造，深入开展活性研究，发现天然产物新活性和作用机制，并揭示其构效学关系，具有重要的科学研究价值和新药研发应用前景。Sarpagine生物碱历史悠久，主要来自于夹竹桃科和钩吻科等具有传统用药历史的植物中，目前已有超过100个成员被分离鉴定，但鲜有活性研究报道。

重庆大学药学院张敏教授（点击查看介绍）团队长期致力于具有重要活性的生物碱的全合成和活性研究。该课题组基于环丙醇对亚胺加成（homo-Mannich反应）的发现，开发了C–H键氧化—homo-Mannich串联和连续反应，实现吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环的快速构建，完成了萨杷晋碱、钩吻碱、马钱子碱的全合成（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6420; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 13105；Nature Chem. 2023, 15, 1074）；开发了吲哚不对称烯丙基去芳构化—homo-Mannich反应组合，完成了白坚木碱、蕊木碱、山橙碱和ibophyllidine碱等的全合成（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202307286）。开发了环丙醇对富电子芳环的加成，实现了schizozygane碱的全合成（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 19975）。以亚胺叶立德的偶极环加成反应为关键步骤，完成了hetisine和hetidine型C₂₀-二萜生物碱和系列活性杂环化合物合成（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 937; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 961; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 7088; J. Med. Chem. 2023, 66, 9866）。

在前期研究中，构建吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环骨架使用的C–H键氧化—homo-Mannich串联反应十分依赖N-PMP基团，尽管其使用可以协助C–H键氧化和homo-Mannich串联反应高效发生，但其引入和去除也为合成路线带来了额外的步骤。为进一步提高构建吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环骨架的效率，张敏课题组近日利用甲酰胺1的Bischler-Napieralski反应产生亚胺离子2，随后其与分子内的环丙醇基团发生homo-Mannich反应，在无保护基使用下快速高效地实现了吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环骨架的构建，从而进一步缩短了sarpagine生物碱的全合成路线，也为其多样化衍生提供了方法学基础（图1和2）。以此为关键反应，完成了系列sarpagine生物碱天然产物的全合成。抗肿瘤活性研究发现天然产物vellosimine和N_a-methylvellosimine具有中等的抗肿瘤活性。得益于sarpagine生物碱核心骨架—吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环骨架新构建方法的开发，作者合成了一系列的天然产物衍生物，找到了活性提高10倍以上的衍生物15ai，并揭示了其作用机制为诱导铁死亡发挥抗肿瘤作用。研究成果于近日发表在Nature Communications 上。

图1. 研究背景

图2. Bischler-Napieralski/homo-Mannich反应序列的底物范围

天然产物全合成路线如图3所示。该研究以L-色氨酸酯为原料，通过N-甲酰化和Kulinkovich反应两步制备具有多种取代的手性环丙醇1，进而通过新发展的Bischler-Napieralski/homo-Mannich反应序列构建吲哚并氮杂[3.3.1]壬烷桥环骨架。随后，通过酮羰基α-联烯化反应构建氮杂[2.2.2]辛烷桥环骨架。以化合物14为关键中间体，通过对C16位羰基和C20位联烯的官能团转化，完成了vellosimine (4)、N_a-methylvellosimine (5) 和10-methoxyvellosimine (6) 的不对称全合成。以15a为中间体，经过酯化、钯碳氢化还原和N-季铵盐化实现alkaloid Q3 (7)的全合成。此外，15a经过N-甲酰化、aldol/Cannizzaro串联、N-脱甲酰化反应得到二醇18，DDQ氧化18生成醚19，随后经AZADO氧化和NIS/MeOH氧化得到酯20。20经TFA/Et₃SiH还原和联烯的氢化还原，实现了polyneuridine (8)全合成。polyneuridine (8)经N-季铵化转化为天然产物macusine A (9)。对20进行N-甲基化和钯碳氢化还原，便实现了dehydrovoachalotine (10) 全合成。

图3. Sarpagine生物碱的全合成

经过初步的抗肿瘤细胞增殖实验筛选，发现天然产物vellosimine和N_a-methylvellosimine具有中等的抗细胞增殖活性。进一步对该类sarpagine生物碱进行结构优化，发现衍生物15ai可将活性提高10倍（表1）。随后，通过系统的活性研究发现，化合物15ai具有诱导肿瘤细胞铁死亡的作用。将铁死亡抑制剂Ferrostatin-1或ROS抑制剂N-乙酰半胱氨酸与化合物15ai共培养处理细胞后，发现共培养组的细胞存活率显著提升。流式细胞术证实15ai可显著诱导脂质ROS和胞质ROS水平增加，并且该诱导趋势可被Fer-1抑制。此外，使用透射电镜分析了细胞形态学变化，结果表明15ai处理后的细胞出现线粒体肿胀的现象（细胞发生铁死亡的一个显著特征）。最后，通过Western Blotting实验证实了化合物15ai可通过下调SLC7A11，减少GSH合成，诱发ROS积累，从而诱导肿瘤细胞铁死亡（图4）。

表1. Sarpagine生物碱及其衍生物活性数据

图4. 化合物15ai诱导MDA-MB-231细胞铁死亡

总结

该研究发展了一种Bischler-Napieralski/homo-Mannich反应新组合，高效简洁地实现了sarpagine生物碱核心骨架—吲哚并9-氮杂双环[3.3.1]壬烷桥环骨架的构建。以此为关键步骤，完成了系列sarpagine生物碱和衍生物的多样性合成。通过活性研究发现了活性提高10倍以上的天然产物衍生物，并揭示了其作用机制。

该论文由邱寒月、费兴海、杨娇娇、乔桢、袁珊等多届学生和老师接力完成，通讯作者是张敏教授。该研究得到国家自然科学基金委、中央高校基本科研业务费、重庆市科技局、泸州市科学技术和人才工作局等的经费支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Bischler-Napieralski and Homo-Mannich Sequence Enables Diversified Syntheses of Sarpagine Alkaloids and Analogues

Hanyue Qiu, Xinghai Fei, Jiaojiao Yang, Zhen Qiao, Shan Yuan, Hu Zhang, Ling He, and Min Zhang*

Nat. Commun., 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-41268-9

导师介绍

张敏

https://www.x-mol.com/university/faculty/18698