四川大学秦勇团队Chem:天然产物集群式合成新突破

近60%的小分子化学药物来源于天然产物及其类似物。结构复杂多样的天然产物作为创新药物的重要来源,在新药发现中起到了重要的作用。天然产物的全合成工作难度高、挑战性强,是有机化学和药物化学的重要研究领域。随着现代有机合成技术和方法学的不断发展,除一些结构极端复杂的天然产物外,人类实现单个或少数几个同一家族天然产物的合成已不再遥不可及。而如何在合成方法学实现进一步突破,快速有效地进行大量天然产物的集群式合成仍然极具挑战性(参考:Burke的化学“登月计划”,Science, 2017, 356, 231)。近日,四川大学华西药学院的秦勇教授团队利用光催化的自由基串联反应,快速制备了多种吲哚生物碱骨架,并进而实现了33个具有重要生理活性的单萜吲哚生物碱的集群式合成。相关研究结果近期发表在Chem 上,该工作主要由四川大学博士生汪小蓓、夏栋梁、周瑞捷、周骁汉和重庆大学博士生秦文芳、周启龙、刘文涛、戴翔、王慧婧等共同完成。单萜吲哚生物碱结构复杂多样、分布广泛、数量大(超过3000个)、生理活性显著,其中的许多成员如利血平、喜树碱、长春花碱等作为临床药物使用,一直以来是药物化学家和合成化学家的重要研究领域。如图1A所示,单萜吲哚生物碱根据单萜结构部分的骨架差异可分为三种骨架类型,分别为柯楠因型(Corynanthe)、白坚木型(Aspidosperma)和依波加明型(Iboga)。从生源合成上看,所有单萜吲哚生物碱都可以归为由色胺和裂环番木鳖苷经异胡豆苷合酶(Strictosidine synthase)和胡豆葡萄糖苷酶(Strictosidine glucosidase)催化缩合首先得到柯楠因型中间体,再通过该中间体转化为非重排型(蓝色,图1A)和重排型(黑色,图1A)的天然产物。虽然自由基串联反应是一种非常高效的成键方法,但如何有效地控制其高反应性和较差的选择性则是能否利用该反应合成天然产物的关键。本研究中,作者创造性地设计了以简单易得的手性苯胺(如2,图1B)为底物,在碱性条件下去质子化,进一步在光参与的催化条件下氧化成氮自由基,并进攻烯胺β位形成C-N键。所得的酰胺氮的α位碳自由基可进一步发生分子内自由基加成(途径a),得到白坚木型衍生物3,或通过分子间自由基加成(途径b)得到四氢咔波啉衍生物4。若底物中酰胺氮的侧链上含有接受自由基的官能团时(双键或三键),则可发生分子内/分子间/分子内的自由基串联反应生成柯楠因型衍生物5。图1. 研究背景与合成设计。图片来源:Chem经过深入细致的反应条件筛选,作者最终确定以Ts保护的手性苯胺2为底物,Ir(dtbbpy)(ppy)2PF6为光敏剂,KHCO3为碱,在蓝光LED灯的照射下,分别实现了上述三类自由基串联反应。如图2所示,他们首先以底物2a进行分子内/分子内串联尝试确定最佳反应条件,以良好的收率和高非对映选择性得到产物3a。随后他们对反应的底物范围进行了扩展,以中等到良好的收率得到骨架丰富、稠合方式多样的白坚木型衍生物3b–3n。该自由基串联反应对水不敏感,可在四氢呋喃和水的混合溶剂中顺利进行。产物的立体化学均得到了良好的控制,尤其是C2和C3位。此外,多种官能团如酯基、氰基、酮基、醛基等都体现出良好的兼容性。图2. 白坚木型衍生物3的制备。图片来源:Chem随后,作者发现底物2o和Michael受体6–9在上述最佳条件下,经过分子内/分子间自由基串联反应可生成多种四氢咔波林衍生物4a–4n(图3A)。作者进一步通过底物10a–10g和Michael受体7反应进行分子内/分子间/分子内自由基串联反应,以较好的收率和高非对映选择性得到柯楠因型衍生物5a–5i(图3B)。所有产物的立体化学均得到了良好的控制。该反应同时生成三个新的化学键和两个新的环系结构,不仅立体选择性地构建了柯楠因生物碱骨架,并且在骨架远端引入了各种官能团,如氰基、醛基、酮基和末端双键等,为进一步的官能团化奠定了基础。图3. 四氢咔波啉衍生物4和柯南因型衍生物5的制备。图片来源:Chem基于上述方法学的研究,作者以此为关键反应,成功合成了33个分属于四个不同家族的单萜吲哚生物碱及4个天然产物的非对映异构体。如图4所示,底物2p经分子内/分子内自由基串联反应,可以较高收率成功构建C20位季碳手性中心得到中间体12a和12b。后者经5~9步可分别完成(+)-eburnamenine等6个eburnamine–vincamine家族天然产物的全合成。图4. Eburnamine–Vincamine家族生物碱的全合成。图片来源:Chem底物10c与Michael受体6c发生分子内/分子间/分子内串联反应,经酸处理后一锅法高效发生4个成键反应,新形成3个环系,得到含有育亨宾类单萜吲哚生物碱基本骨架的四个非对映异构体28a、28b、29a和29b。主要异构体29a和29b通过进一步官能团转化,快速合成了(+)-yohimbane等8个育亨宾类生物碱和(–)-yohimbinone等3个天然产物的非对映异构体(图5)。图5. 育亨宾家族生物碱的全合成。图片来源:Chem如图6A,化合物10h与Michael受体6i发生分子内/分子间/分子内串联反应,以高收率得到两组混合物51a–51b和51c–51d。利用产物在C15位的立体多样性和末端双键的顺反差异,以51a–51d为原料通过简单的修饰即可高效合成(+)-isogeissoschizol等8个柯南因家族生物碱和1个天然产物的非对映异构体(+)-3-epi-isogeissoschizol。化合物10f与Michael受体6i发生分子内/分子间/分子内串联反应可高效地制备非对映异构体62a–62d(图6B)。以62为原料,他们进一步实现了(+)-corynantheol等另外5个柯南因家族生物碱和(+)-ajmalicine等6个杂育亨宾家族生物碱的全合成。图6. 柯南因和杂育亨宾家族生物碱的全合成。图片来源:Chem──总结──秦勇教授团队发展了一种新颖的光氧化还原催化的自由基串联反应。该自由基串联反应操作简便,对水不敏感,可用于规模化合成。他们从简单的原料出发,以该反应为关键步骤,通过6~14步简洁地合成了33个单萜吲哚生物碱,这在过去是很难实现的。该工作的主要创新性在于:1) 发明了一种无需对氮原子进行衍生化而直接从N-H键官能团化生成氮自由基的方法;2) 巧妙利用氮自由基的缺电子特性,反转了两个原本带负电性的苯胺氮原子和烯胺β碳原子间的反应性,发展了新的手性吲哚啉的合成方法;3) 通过对反应的底物和反应试剂进行合理设计,解决了通常情况下难以控制自由基串联反应中的化学选择性和立体选择性的问题。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 Radical Cascade Enabling Collective Syntheses of Natural ProductsChem, 2017, 2, 803, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.04.007(本稿件来自Chem)

来源: X-MOL 2017-06-12

毒胡萝卜素的全合成:Evans vs. Baran,谁更高效?

毒胡萝卜素(Thapsigargin)是复杂的高氧化态倍半萜内酯,1978年由Christensen等人从地中海植物毒胡萝卜(Thapsia garganica)中分离得到,同时还分离出一大类愈创木内酯(guaianolide)结构的天然产物(图1),这些天然产物统称为thapsigargins。毒胡萝卜素是细胞内钙离子转运酶的高效抑制剂,选择性达到纳摩尔级别,该分子的C-8酯基衍生物Mipsagargin(G-202)作为前药目前已处于临床二期实验。图1. 毒胡萝卜素及其类似物的结构。图片来源:JACS毒胡萝卜素由于其独特的结构和潜在的生物活性,吸引了众多有机合成化学家对该分子进行合成研究,早些年的S. V. Ley(Org. Lett., 2007, 9, 663-666)以及近期的Phil S. Baran都报道过毒胡萝卜素的全合成(ACS Cent. Sci., 2017, 3, 47-51,点击阅读详细)。最近,加拿大女王大学化学系的P. Andrew Evans教授在JACS 上报道了该课题组对于毒胡萝卜素精彩的全合成,作者从手性原料香芹酮出发,总共12步完成了毒胡萝卜素简洁高效且可以大规模制备的全合成。论文第一作者为Evans组博士生Dezhi Chen。P. Andrew Evans教授(左)和Dezhi Chen(右)。图片来源:Queen's University图2. 毒胡萝卜素的生源合成假说及本文的合成策略。图片来源:JACS如图2所示,对于毒胡萝卜素及其类似物Nortrilobolide,都可以逆推至共同的关键中间体三环化合物6。而毒胡萝卜素的生源合成可能如图2B所示,5C单位的片段和10C单位的片段偶联之后,在环化酶的作用下关环得到epi-Kunzeaol,接着发生氧化内酯化,最后经数步转化得到目标分子。基于生源合成假说,作者提出的逆合成分析如图2C,关键中间体6可以由7制得,7则由化合物8发生醛酮的Pinacol偶联反应得到,8可以逆推至商品化的原料R-香芹酮,后者廉价易得,1克仅售18美分。图3. 毒胡萝卜素的全合成。图片来源:JACS具体合成过程如图3所示,作者从R-香芹酮出发,烯丙基位氯代、DIBAL-H还原酮羰基,随后羟基TBS保护得到化合物11。钯催化的氯代物和羰基α-位的交叉偶联反应得到化合物12,臭氧化选择性切断六元环上的双键并发生分子内缩合得到五元环的不饱和醛8,将8的溶液慢慢加入到[V2Cl3(THF)6]2[Zn2Cl6]溶液中,醛酮羰基还原偶联并发生原位内酯化得到内酯化合物7,d.r.选择性大于19:1,选择性Mukaiyama水合,在位阻较小的端烯处以优秀的d.r.选择性发生水合得到叔醇13,并由单晶确定了其结构和立体化学,乙酰基保护叔醇得到14,氢氧化钯条件下消除苄基保护基,IBX氧化后硼氢化钠还原得到羟基构型翻转的产物6,选择性依然十分理想,所有这些步骤都可以克级规模制备。作者还从6出发,先将二级醇羟基酯化,接着Jones氧化原位消除羟基的TBS保护基,并将其氧化为不饱和酮得到15,三价锰条件下在混合溶剂中羰基α-位氧化羟基化并发生原位酯化,以中等收率得到化合物16,最后,硼氢化锌还原酮羰基并与酸酐17发生Yamaguchi酯化,完成了毒胡萝卜素的全合成,整条合成路线非常简洁高效,并且可以实现大量制备。图4. Nortrilobolide的全合成。图片来源:JACS作者继续从关键中间体6出发,先对8位的羟基进行酰化得到丁酯,在醋酸条件下原位消除五元环上羟基的TBS保护,最后再和酸酐17发生Yamaguchi酯化,就完成了另一个天然产物Nortrilobolide的全合成。Baran的ACS Central Science 论文和Evans的JACS 论文发表前后仅相隔约四个月,与十年前的Ley的42步全合成路线相比都有很大的进步。对比之下,哪个小组效率更高呢?Baran小组的11步合成路线,总产率0.137%,14步合成路线,总产率0.637%。而Evans小组从手性原料香芹酮出发,以Pinacol偶联/原位内酯化反应等关键步骤以12步完成了毒胡萝卜素的全合成,总产率5.8%,还可以大规模制备。同时,Evans小组还从关键中间体6出发,两步完成了另一个天然产物Nortrilobolide的全合成,总产率13.3%。另外,关键中间体7的合成是目前为止最简洁的合成愈创木内酯骨架的方法。Evans的JACS文章也得到了C&EN的亮点评述[1],Christensen认为,P. Andrew Evans教授对于高度氧化的核心骨架的构建能在早期以正确的立体构型合成是至关重要的,这使得整体合成、对类似物的合成以及构效关系的研究更加方便。西班牙加迪斯大学(University of Cádiz)的Javier Moreno-Dorado说,P. Andrew Evans和Phil S Baran的合成路线哪个更高效还存在争议,很难去评判他们的效率高低。但这两条路线都使得毒胡萝卜素及其类似物的大规模合成成为可能,对于新药发现都具有重要意义。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 Concise, Efficient and Scalable Total Synthesis of Thapsigargin and Nortrilobolide from (R)-(−)-Carvone J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 6046−6049, DOI: 10.1021/jacs.7b01734参考资料:1. http://cen.acs.org/articles/95/i19/Improved-routes-thapsigargin.html

来源: X-MOL 2017-06-06

Science:“穿墙术”,天然产物小分子的补铁大招

“铁”对人体来说十分重要,在各种各样的生物学功能中发挥着关键作用,例如血红蛋白运输氧以及血糖转化为细胞所需能量。这么重要的铁离子是不是应该经常补补呢?呃……别被药厂的口服液广告给忽悠了。的确,缺少铁离子会引起类似缺铁性贫血的疾病,但铁离子水平太高也不是好事,血色素沉着症就是由其引起的疾病之一。铁离子水平在细胞和组织中保持着很微妙的平衡,低了不行,高了也不行。而维持这种平衡的关键是离子转运蛋白,有些可以燃烧能量将铁离子主动转运进入细胞,有些依靠离子浓度差被动转运离子。打个比方,如果细胞是一个由城墙环绕的城堡,铁离子转运蛋白就是城墙上的“门”,铁离子只能通过这些蛋白进出细胞“城堡”。但是由于各种原因,比如基因突变,离子转运蛋白有可能失去原有的功能或者干脆缺失,这就好比细胞“城堡”上的“门”坏掉了或者干脆就被堵死了,只剩下城墙内外的铁离子们一脸懵圈,进也进不去,出也出不来。这种情况导致的疾病很难用药物治疗,因为大多数药物是通过阻断或提高现有蛋白质的活性而起作用,现在药物作用的对象——离子转运蛋白或者挂掉了或者玩失踪,再厉害的药物也无从下手,补再多的铁也是无用。那该怎么办呢?最近,Science 杂志报道了化学家们发现的最新补铁大招——基于天然产物小分子的“穿墙术”!他们关注的焦点不再是细胞“城堡”上的“门”——离子转运蛋白,而是希望直接穿透细胞“城堡”厚实的“城墙”——脂质双分子层,将铁离子转运进细胞。视频来源:Science这一重要的工作由美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)Martin Burke、哈佛大学Barry H. Paw及Marianne Wessling-Resnick、东北大学Jonghan Kim 等人完成,他们所用到的天然的小分子化合物是提取自台湾扁柏(Chamaecyparis taiwanensis)的桧木醇(hinokitiol),它可以利用铁离子梯度来恢复细胞的铁转运功能。实验证明,铁转运蛋白缺陷的大鼠及小鼠中,这种化合物能促进其肠道对铁的吸收;铁转运蛋白缺陷的斑马鱼中,这种化合物能使其重新获得产生血红蛋白的能力。这些发现揭示了小分子恢复细胞铁转运能力的一般机制,或可用于其他离子,有希望用于相关疾病的治疗。部分作者与铁络合物模型。从左到右,后排:Martin Burke教授、James Fan、Christopher Nardone;前排:Anna SantaMaria、Anthony Grillo(本文一作)、Alexander Cioffi。图片来源:UIUCBurke教授团队多年来一直在寻找在蛋白缺陷情况下恢复离子转运功能的方法。这项工作中,他们采用了基因工程手段去除了酿酒酵母细胞的一种被动铁转运蛋白的基因,从而阻止了细胞的生长。然后,他们用这种细胞来筛选一个小分子天然产物库,这些小分子都具有(或者被预测具有)结合铁的能力。他们将这些小分子逐一加入到酵母培养体系中,看是否有可能恢复细胞的生长能力。最终,桧木醇脱颖而出。而且,在缺失另外一种铁转运蛋白的酵母体系中,桧木醇也能一样地回复该酵母的生长能力,效果类似。这说明,桧木醇转运铁的能力很可能与铁转运蛋白无关。小分子利用离子梯度实现铁离子的跨膜转运。图片来源:Science进一步的研究发现,三个桧木醇分子可以围绕着一个铁原子形成络合物,并将其与周围环境隔离开。同时,桧木醇分子外端含有亲脂基团,这利于其穿过细胞膜的脂质双分子层。桧木醇(右)与铁结合后的晶体结构(左)。图片来源:Science接着,研究人员将桧木醇应用于缺乏铁转运蛋白的动物模型中。他们发现,通过口服给药的方式,桧木醇能促进二价金属转运蛋白(DMT1)缺陷型大鼠和膜铁转运蛋白(ferroportin)缺陷型小鼠的肠道对铁的吸收。在DMT1缺陷型和线粒体转铁蛋白(mitoferrin)缺陷型的斑马鱼中,将桧木醇加入养殖斑马鱼的水缸中,就能使其重新获得产生血红蛋白的能力。桧木醇可增加铁转运蛋白缺陷的斑马鱼产生血红蛋白的能力。图片来源:Science波士顿儿童医院的Leonard Zon教授表示,桧木醇将帮助科学家更好地了解不同铁转运蛋白在疾病中的作用,比如他们可以敲除这些蛋白质的基因,然后使用桧木醇来恢复正常功能。杜克大学医学院院长Nancy Andrews教授表示,这一发现可能给多种相关疾病带来新的治疗方法。不过,Zon和Andrews都认为,桧木醇要想成为临床使用的药物还要走很长的路,更多的工作需要完成以确保它对人类是安全的,不会造成不必要的副作用。【X-MOL提示:本文内容仅属学术研究范畴,不能指导临床药物的使用。任何药物的服用与停用,都应以医嘱为准!】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):Restored iron transport by a small molecule promotes absorption and hemoglobinization in animalsScience, 2017, 356, 608-616, DOI: 10.1126/science.aah3862部分内容编译自:https://news.illinois.edu/blog/view/6367/499712(本文由冰供稿)

来源: X-MOL 2017-05-15

Burke的野心:十亿美金的化学“登月计划”

众所周知,天然产物在医药、材料、染料等各个领域都有着举足轻重的作用,和人类日常生活密切相关,然而,受限于分离困难、来源有限等原因,天然产物的合成就显得至关重要。然而天然产物的全合成又绝非是一件易事,动辄几年十几年才完成一个分子,更有甚者,搬了几年砖,做出的手性中心不对甚至做不出来也是常有的事(有同感的搬砖小伙伴们握个手吧)。穷则思变,还能有更好的办法吗?近期,Science杂志上一篇题为“A moonshot for chemistry ”的评论备受关注,讲述美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)新生代化学家Martin Burke教授的化学“登月计划”——合成大多数的天然产物分子及它们的结构类似物。该计划如果成功,你我或许就此不用再搬砖啦,做药物研发的小伙伴也不用担心没有足够多的候选分子啦。Burke教授可以说是不折不扣的人生赢家,先看看简历:1998年在约翰•霍普金斯大学获得化学学士学位,2003年在哈佛大学获得化学博士学位(导师Stuart L. Schreiber),2005年又在哈佛拿到了医学博士学位,现在是UIUC的教授(点击阅读详细)。除了本人高富帅之外,Burke的太太正是大名鼎鼎的美女化学家、同在UIUC的M. Christina White教授,有图有真相(单身汪是否被虐到了)。图片来源:UIUCBurke教授最具代表性的工作就在于MIDA硼酸酯(N-methyliminodiacetic acid boronate)迭代偶联技术,这也是目前小分子合成自动化最有希望的技术之一(点击阅读详细)。 尽管已经取得了很多成绩,Burke教授并未停止前进,他还有更大的“野心”。他发现不少化学外的研究领域都在基金管理机构那里成功“推销”了他们的大型研究计划,生物学界拿到了数十亿美元来破译人类基因组,物理学界说服政府资助发现希格斯玻色子(Higgs boson)的巨大的强子对撞机(gargantuan Large Hadron Collider),肿瘤医学界旨在攻克癌症的研究计划所获资金更是多的惊人。而与此同时,在数十个研究领域里的化学家们经常要为仅有的少量的资金挤破头。凭什么啊,化学家就不能获得更多的资助了? Burke想改变这个现状,在今年的美国化学会(ACS)会议上,他提议化学家们应主动联合起来,合成大多数的天然产物分子及它们的结构类似物,这些来源于微生物、植物和动物的化合物有数十万种之多。“这将是我们这个领域的一个‘登月计划’,”Burke说。天然产物在现代社会中有着无数用途,一半以上的药物来源于天然产物,其它如染料、诊断探针、香水、甜味剂、洗涤剂等很多都与天然产物有着密切的关系。Burke说:“在地球上可能没有一个家庭没有受到天然产物的影响”。但是发现、分离和测试新的天然产物是相当缓慢且艰苦的工作。以bryostatins为例,这个家族天然产物包括20个成员,于1976年首次分离自海绵状的海洋生物苔藓虫中。活性测试显示该家族天然产物具有治疗阿尔茨海默症和艾滋病的潜力,潜在需求巨大。然而,仅仅提取18克的bryostatin-1,就需要破碎14吨的苔藓虫!合成新的bryostatins也是一样的困难重重,每一种都需要数十步的化学转化。Burke认为可以有更好的方法。两年前,他和同事们就发明了一种小分子自动化合成机器,可以像“搭积木”那样创造成千上万的天然产物化合物及其类似物(Science, 2015, 347, 1221-1226,点击阅读详细),最关键的是这种方法还可以扩大化和自动化。分子生物学家早已经能自动化的合成短链DNA、蛋白质、糖链等,这都是革命性的生物医学成就。Burke认为,“在天然产物领域,可以做同样的事情,这不仅对化学,而且对社会有重大的积极影响。”图片来源:Science两年前,Burke估计他的小分子自动化合成机器可以从5000种不同的合成砌块出发,组装出自然界75%的天然产物来。5000种合成砌块,与组成DNA的仅仅4个碱基相比,对于化学品供应商来说是一个极大的挑战。但是现在,Burke表示问题变得更容易了。他的实验室最近与佐治亚理工学院的计算生物学家Jeffrey Skolnick联手组建团队,他们调研了天然产物的文献,找到了282487种天然产物,并绘制了它们的结构图。Skolnick团队设计了一个算法将每一个化合物打碎,仅仅断裂Burke的机器可以组装的碳原子之间的单键,然后计算重建化合物库需要多少个独立的结构单元。结果相当鼓舞人心,只用1400个合成砌块就足以合成75%的天然产物,其中还包括并非由生物体产生的天然产物相关化合物。“这表明这个问题并非无限,找到解决方案是很有可能的。”Burke说。Burke 和他的小分子自动化合成机器。图片来源:CHRIS BROWN / ScienceBurke估计,这项工作如果利用他的小分子自动化合成机器,从一系列的小分子合成砌块组装出一个个天然产物来,可能耗资10亿美元,需要20年时间。这个想法一提出来,各路大咖也是众说纷纭。罗氏在瑞士巴塞尔的制药研究全球负责人John Reed说:“这将是一项超强大的技术,我不得不认为这将是革命性的。即使只合成一半的化合物,我觉得都值得。”“这是一个意义深远的想法,”印度ThinQ制药的总裁Mukund Chorghade说,他认为这对药物发现来说具有重要意义,因为它可以为开发新的治疗方法提供了无数的先导化合物。当然也有不同的声音。有机合成大牛、美国加州大学欧文分校(UC Irvine)的Larry Overman认为“Martin Burke是一个有远见的人,但天然产物分子的结构比生物大分子如DNA和蛋白质复杂的多,自动合成机器是否可以复制这样的复杂性,目前还不清楚。”一个更困难的问题可能是如何确保获得大量的研究资金,以满足如此大规模的全合成计划。美国的有机合成研究项目的主要资助者——国立综合医学研究所(NIGMS)的主任Bob Lees指出,近年来NIGMS在大型项目投入的资金已在减少,更多的资金投向了单个研究者的项目。再加上美国总统特朗普对待科学研究一贯的态度,Burke的化学“登月计划”前景并不是那么明朗,甚至有可能会变得异常艰难。编译自:http://www.sciencemag.org/news/2017/04/billion-dollar-project-would-synthesize-hundreds-thousands-molecules-search-new

来源: X-MOL 2017-05-13

立体可控地合成天然产物Kalihinol C

Kalihinols家族天然产物是一类具有复杂骨架结构和官能团的异氰萜类(isocyanoterpenes,ICT)活性分子。其中Kalihinol A具有高效的抗恶性疟原虫活性,其EC50值可达1 nM,不过其作用机制尚不十分清楚。前人对于Kalihinols家族天然产物的合成也进行了一些研究,精确地控制高度官能团化骨架中手性中心成为合成的难点。近期,美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute,TSRI)的Ryan A. Shenvi教授在JACS 上发表文章,报道了简洁高效、立体可控地合成Kalihinol C的方法。其亮点包括:新的杂原子dendralene合成子的使用、原位烯烃异构化以及新的合成异氰的方法。近年来,Shenvi课题组利用新的dendralene以高非对映选择性的Diels-Alder反应为关键步骤合成了amphilectene(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 19604)和adociane(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 7268)两种异氰萜分子,考虑到amphilectenes和Kalihinols结构上的对应关系,作者希望模仿可能的生源合成途径,将中间体4中的氧亲核试剂嵌入dendralene中,进而以基于dendralene的方法实现Kalihinol的全合成。 图1. Kalihinol家族天然产物及可能的生源合成途径。图片来源:JACS如图2所示,作者首先从乙酰乙酸叔丁酯7出发,经缩合反应得到化合物8,进而在TBSOTf作用下形成TBS保护的烯醇硅醚,并发生酯交换得到杂原子的dendralene合成子5。另一方面,作者由化合物9出发,经亲核试剂进攻,原位硒化,并进一步氧化/消除得到磷酸二乙酯取代的端烯6作为亲双烯体。图2. D-A反应的前体5和6的合成。图片来源:JACS化合物5和6在氢氟酸的作用下脱除TBS保护基,并发生分子间Diels-Alder反应,烯醇异构化后β-位的二甲氨基发生消除得到α,β-不饱和酮。随后羧酸负离子作为亲核试剂进攻化合物6中间的双键(见图1中的合成子4),产生的碳负离子发生Michael加成反应并进一步互变异构得到三环化合物10。在LiCl加热的条件下10发生类似Krapcho反应脱掉磷酸酯基,甲基格氏试剂进攻酮羰基得到三级醇,最后在KOH碱性条件下水解内酯并脱羧得到二醇化合物11,该过程可以以克级规模制备。接着酮羰基发生Wittig反应转化为端烯,在DMSO、KOt Bu或者DMSO、KH条件下经过渡态12发生动力学控制的烯烃异构化得到化合物2a,2a在钒氧化剂条件下先发生环内双键环氧化,随后缓慢发生侧链双键环氧化,羟基作为亲核试剂进攻侧链环氧烷得到四氢呋喃片段和三级醇。反应又在碘化钠条件下发生六元环的环氧开环得到碘化醇19,金属锌脱卤并进一步发生消除得到化合物15(机理见图4)。15侧链的醇羟基经三氟乙酸酐修饰,加热条件下发生消除得到端烯,环内的醇羟基与此同时发生三氟乙酰化,并在TMSCN、Sc(OTf)3作用下发生亲核取代引入异氰基,得到化合物25(具体过程见图5)。DMDO条件下六元环上的双键发生环氧化,随后在NH3、甲醇条件下发生环氧开环,最后在TfOCF2H条件下引入了另一个异氰基(Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 2092),由此简洁高效地完成了Kalihinol C的全合成。而最后三步反应也为Kalihinol类天然产物中A环异氰基的引入提供了一条高效、高化学选择性及立体选择性的途径。图3. Kalihinol C的立体可控性全合成。图片来源:JACS图4. 化合物15合成的机理。图片来源:JACS图5. 化合物25合成的机理。图片来源:JACS——总结——Ryan A. Shenvi课题组报道了一条简洁高效、立体可控地合成Kalihinol C的路线。该路线中的几个关键反应包括:新的杂原子dendralene合成子的使用,通过一锅法D-A/环化反应得到六元/六元反式并环,在DMSO、KOt Bu条件下原位发生烯烃异构化以及新的合成异氰的方法。这对于Kalihinol家族其它天然产物的合成具有重要意义。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) :Stereocontrolled Synthesis of Kalihinol CJ. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 3647-3650, DOI: 10.1021/jacs.7b01124X-MOL有机领域学术讨论QQ群(450043083)

来源: X-MOL 2017-04-03

铱催化的羰基化合成香豆素类和黄酮类化合物

香豆素及其衍生物是一类重要的香料,常用作定香剂、脱臭剂,配制香水和香料,也用作饮料、食品、香烟、塑料制品、橡胶制品等的增香剂。医药上,香豆素类药物作为一类口服抗凝药物存在。香豆素在紫外光下,常显蓝色荧光。在C-7位引入羟基后,可使荧光加强,荧光在可见光下也能观察到。基于他的重要性,合成化学家一直致力于香豆素新合成方法的开发。近日,吴小锋教授(点击查看介绍)领导的课题组成功实现了过渡金属铱催化的碳氢活化羰基化合成香豆素类化合物。1 他们以简单的苯酚和炔烃作为原料,在一氧化碳氛围下,成功的实现了香豆素的高效高选择性的合成。在官能团兼容性方面,该催化体系表现杰出。包括碘和溴在内的各种取代基都能被很好的兼容(图一)。值得一提的是,这是首例以苯酚和炔烃为原料的3+2+1成环反应。图一. 铱催化的羰基化合成香豆素类化合物有意思的是,通过配体的调节,另外一个选择性产品黄酮类化合物也能很好的实现(图二)。2图二. 铱催化的羰基化合成黄酮类化合物1. 该论文作者为:Fengxiang Zhu, Yahui Li, Zechao Wang, Xiao-Feng Wu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):Iridium-Catalyzed Carbonylative Synthesis of Chromenones from Simple Phenols and Internal Alkynes at Atmospheric PressureAngew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14151-14154, DOI: 10.1002/anie.2016087152. 该论文作者为:Fengxiang Zhu, Zechao Wang, Yahui Li, Xiao-Feng Wu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):Iridium-Catalyzed and Ligand-Controlled Carbonylative Synthesis of Flavones from Simple Phenols and Internal AlkynesChem. Eur. J., 2017, DOI: 10.1002/chem.201700233导师介绍吴小锋http://www.x-mol.com/university/faculty/14478X-MOL催化领域学术讨论QQ群(210645329)

来源: X-MOL 2017-02-18

Nature Chem.综述:从天然产物到药物设计

毫无疑问天然产物是药物开发的宝库。来自苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)的Gisbert Schneider教授(点击查看介绍)等在Nature Chemistry上撰写综述文章,总结近来天然产物启发药物发现的理论和实践,以及计算机辅助的天然产物研究。(Counting on natural products for drug design. Nature Chem., 2016, 8, 531-541, DOI: 10.1038/NCHEM.2479)药物研究人员经常在具有特定活性骨架、活性基团和优秀生物活性的天然产物分子中找到灵感,特别是在人类与传染病和癌症抗争的漫长历史中,许多天然产物扮演了重要的角色。例如,一些他汀类重磅药物就从天然产物衍生而来,包括治疗高胆固醇血症的瑞舒伐他汀(Rosuvastatin),药效团就copy了来自烂柠檬中青霉菌Penicillium citrinum的美伐他汀(Mevastain),如图1所示。图1. 美伐他汀和瑞舒伐他汀拥有不同的骨架结构,但是药效团相同。亲脂性基团用绿色表示,氢键受体用红色表示,氢键受体和供体用品红色表示。如两个化合物的晶体结构叠加图所示(瑞舒伐他汀为蓝色,美伐他汀为绿色),它们与靶标3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶的关键作用相同。酶的口袋溶剂可及表面环绕着瑞舒伐他汀,计算机药效团模型也支持此作用。图片来源:Nature Chem.正因为如此,天然产物在药物发现中的作用重要且持久。一项分析数据显示,从1939年起美国FDA批准上市的药物中,有相当数量含有天然产物片段,见图2所示。主要的天然产物数据库见表1。图2. a.天然产物药效片段。天然产物数据库The Dictionary of Natural Products database含有210,213个天然产物。通过计算机辅助虚拟反合成程序(RECAP法),产生了134,102个不同的片段(分子量在100到300之间)。许多片段出现在上市药物中,这些片段也能用于计算机从头设计药物分子,目前已经广泛运用于当今基于结构的药物设计软件中。b. 每年上市药物中含有天然产物片段的平均数。柱状图(蓝色)为片段得分,片段得分 = 匹配的片段数量/分子量。黑点代表每年美国FDA批准的药物数量。图片来源:Nature Chem.天然产物与合成小分子药物相比具有以下特点:①复杂的化学结构;②大量的sp3杂化的桥头碳原子和手性中心;③含氮原子少,含氧原子多;④多具有脂肪烷烃,只有38%的天然产物含有芳香环;⑤50%的天然分子不含有合成片段,但20%的天然产物环结构存在于上市药物分子中。现在的药物化学逐渐抛弃单纯的平面分子结构,转而强调三维空间设计,天然产物独特的结构恰好起到参考作用。90年代起,基于片段的药物发现(fragment-based drug discovery)开始崛起,绕开早期药物发现出现的毒性、缺乏有效性等缺陷,并借助于生物物理技术和配体筛选,分子结构逐步链接和增长,从而开发成为具生物活性的先导化合物。计算机辅助药物设计的发展,以及基于片段的从头设计(fragment-based de novo design),成为现代药物设计的重要方法。天然产物作为先导化合物的起点在药物设计这场旷日持久的挑战赛中,灵感来自天然产物的合成化合物绝对算是切实可行并富有创新精神的解决方案。从类药化合物总结出来的“五倍律”或“三规则”,有时反倒妨碍了药物先导的发现,不论是合成化合物还是天然产物,运用这些规则时要分外谨慎。图3列举了天然产物到生物活性分子的几个例子。化合物1是脱氧尼博霉素(Deoxynybomycin)的类似物,具有很好的抗金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus活性,而且可溶性更好,显著提高了感染小鼠的生存率。细胞生长抑制剂2来源于Spirotryprostatin B,通过不对称1,3-偶极环加成反应得到了这个包括季碳核心和三个叔碳手性中心的结构。基于生物活性合成的化合物3,拥有醉茄内酯Withanolide A的结构单元,可作为Hedgehog信号通路Smoothened受体的拮抗剂。化合物4是神经突生长的引诱剂,核心结构来自militarinone。大环类天然产物通常情况下难以进行结构优化,采用多样性导向合成策略可以得到结构多样的化合物库(如化合物5),而基于活性导向合成策略则得到更类似天然产物的化合物库(如内酰胺6,一种雄激素受体激动剂)。图3 天然产物启发具有生物活性的合成化合物。图片来源:Nature Chem.计算机辅助设计天然产物引发了灵感,计算机程序则提高了合理设计分子的效率。分子骨架或框架作为桥梁连接了天然产物和合成化合物这两个世界。计算机软件的核心是将天然产物和合成化合物形象化,通过逐步简化产生骨架树,得到直观的结构图(图4)。Koch等设计例了从海洋产物二倍半类萜烯dysdiolide的化合物库,其中19%的化合物拥有抑制11β-羟化类固醇脱氢酶I的活性。同样采用提取骨架的理念,2009年Wetzel发布了Scaffold Hunter软件,核心技术是对结构复杂的天然产物进行反卷积(de-convolution)分析,得到虚拟骨架树,使复杂生物活性物质的化学结构数据更直观,相似的结构表现出类似的活性,这种方法曾成功地应用在鉴定丙酮酸激酶的抑制剂和激活剂上。与高通量筛选相比,这种方法的命中率更高。不过,通过基于天然产物片段的分子设计得到的化合物活性经常只是弱到中等,后续进一步的结构优化是提高活性不可缺少的步骤。图4 计算机辅助设计小分子化合物,从天然产物模板中进行骨架简化。天然产物的骨架结构复杂,人工或计算机辅助进行结构简化,合成容易获得类似片段的骨架结构。一般原则可用同心圆阐明:逐步减少天然产物母核的结构复杂性,分解成片段,产生更小的具有吸引力的化学骨架。图片来源:Nature Chem.预测天然产物的大分子靶标缺乏天然产物靶标的确切信息曾一度阻碍了药物化学和药物发现中对分子骨架的设计,现在已经出现了不少颇具创新性的靶标预测工具,可帮助确定生物大分子靶标或者潜在的药物脱靶效应,可能有助于确定天然产物的生物活性。靶标预测可以指导天然产物的生物化学筛选,以减少实验数量,节省宝贵资源。例如,通过反向分子对接,橙皮内酯(meranzin)的靶点被确定为环氧化酶2(cyclooxygenase-2)和过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma);通过使用三维药效团模型Rollinger等人虚拟筛选了Ruta graveolens的16种代谢产物,所用数据集包括2,208种药效团模型,最终确定山小橘碱(arborinine)为人鼻病毒(human rhinovirus)外壳蛋白抑制剂,芸香苦甙(rutamarin)为大麻素受体2(cannabinoid-2 receptor)配体。PASS是较早面世的一款软件,它通过分子二维化学结构预测生物活性,曾成功应用在90多种海绵生物碱上,其中约80%具有抗肿瘤活性。此外还有很多其他软件或方法,它们的工作原理大都需要依赖以下信息:(1)化学结构类似药物的已知靶标信息,(2)明确的配体-受体对接信息,(3)基因序列和通路信息。这也不难理解这些软件或方法在预测天然产物靶标时经常出现有失误,特别是天然产物结构缺乏上述信息的时候,比如结构特别复杂或者特别新颖。与之相比,SPiDER软件通过拓扑药效团和物理化学性质双重信息来预测靶标,少了诸多限制。例如,在预测大环类天然产物archazolid A的靶标过程中表现出了令人震惊的准确性,预测archazolid A可以抑制5-脂氧合酶和前列腺素E2合酶1,部分激活法尼醇X受体,而且都获得了实验证实。天然产物和靶标的关系见图6所示。图6. 天然产物和合成生物活性分子的靶标预测以及结构分析。图片来源:Nature Chem.天然产物在药物发现中有特权?在药物发现中天然产物常常被提及为特权分子,它们频频在各类生物活性测试中表现出活性。这可能是由两种原因造成:(1)活性筛选时的假阳性,原因可能是天然产物所含活泼和不稳定官能团造成的非特异反应活性、溶解度问题、在测试条件下发生胶体聚集等等;(2)天然产物特定、可逆、浓度依赖的多靶标结合能力,又称为杂泛性。但也要值得注意,分析来看,天然产物中含有“非期望亚结构(undesired substructures)”的比例更高(见图6d、表2),例如约六分之一天然产物含有迈克尔受体基团。合成药物分子的杂泛性更强,更易出现结合多种靶标的情况(见图6e)。结论和展望天然产物在药物发现中的地位还无可动摇,现代化学和生物信息学等工具促进了基于天然产物的药物研发,如靶标预测软件、天然产物的代谢物研究、药效团的动力学和热力学帮助发现从天然产物中挖掘中先导化合物,实现从结构到片段再到结构的蜕变!http://www.nature.com/nchem/journal/v8/n6/full/nchem.2479.html附录 常见天然产物数据库Dictionary of Natural Products http://dnp.chemnetbase.comTraditional Chinese Medicine http://tcm.cmu.edu.twSuperNatural http://bioinformatics.charite.de/supernatural/ChEMBL http://www.ebi.ac.uk/chembl/MarinLit http://pubs.rsc.org/marinlit/导师介绍Gisbert Schneider教授:http://www.x-mol.com/university/faculty/2777X-MOL医药领域学术讨论QQ群(450658255)

来源: X-MOL 2016-11-11

茶树内生菌次级代谢产物研究揭示了一种新的环庚三烯酚酮生物合成机制

中国科学院昆明植物研究所黄胜雄研究员通过对茶树(Camellia sinensis)中分离得到内生放线菌Streptomyces sp. KIB-H033的代谢成分研究,分离得到了具有吡啶环、环戊酮环、环庚三烯酚酮环、呋喃环及吡喃环五环并构的新颖骨架的托酚酮类天然产物罗博卢酮A和B(rubrolone)。而其中的罗博卢酮 B具有一个稀有的苯甲酸-吡啶环内盐基团,并利用ECD谱图的计算确认了该化合物轴手性。通过13C-标记的醋酸盐的喂养实验初步研究了其生物合成碳原子的来源并推测罗博卢酮独特的环庚三烯酚酮环结构骨架苷元是由微生物二型聚酮合酶(type-II PKS)参与合成的,其间还经历了复杂的氧化重排过程。由于自然界含有托酚酮环的天然产物相对较少,而且其环形成的生物合成化学机制研究不够深入,仅有一篇关于真菌代谢托酚酮类化合物密挤青霉酸(stipitatic acid)生物合成的报道(PNAS, 2012, 109, 7042)的文献。该发现与密挤青霉酸环庚三烯酚酮环的合成明显不同,代表着一个全新的环庚三烯酚酮环生物合成的化学机制。研究成果以“Tropolone Ring Construction in the Biosynthesis of Rubrolone B, a Cationic Tropolone Alkaloid from Endophytic Streptomyces”为题发表在Organic Letters(2016, 18, 1254)。论文发表后,该研究还被综述杂志Natural Product Reports(Nat. Prod. Rep., 2016, 33, 742)评选为热点研究化合物(Hot off the Press)。图:(A)罗博卢酮 B喂养实验及13C标记模式;(B)已报道的真菌代谢天然产物密挤青霉酸中环庚三烯酚酮的生物合成机制;(C)本研究推测的罗博卢酮中环庚三烯酚酮结构单元的生物合成机制。该论文作者为:Yijun Yan, Ya-Tuan Ma, Jing Yang, Geoff P. Horsman, Dan Luo, Xu Ji, Sheng-Xiong Huanghttp://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.orglett.6b00074Tropolone Ring Construction in the Biosynthesis of Rubrolone B, a Cationic Tropolone Alkaloid from Endophytic StreptomycesOrg. Lett., 2016, 18, 1254-1257, DOI: 10.1021/acs.orglett.6b000742016年广州国际有机化学会议信息时间:2016年11月26 – 29日地点:广州,广东工业大学网址:http://icoc.csp.escience.cn 点此阅读详细会议信息

来源: X-MOL 2016-11-03

天然产物研究新范例:从新颖结构到靶点确证

活性天然产物具有独特的生物相容性、新颖的结构骨架以及广泛的药理活性,时至今日依然是当今药物发现的一种重要手段。在天然产物研究学界,最具影响力的研究期刊莫过于Journal of Natural Products。通常,我们在这个期刊上读到的大量论文标题是这样的——“从XXX中分离得到了具有某某生物活性的某种结构类型的XXX A-J”,今天要向大家介绍这篇由意大利萨莱诺大学Nunziatina De Tommasi等人完成的论文,画风却别具一格,看一眼题目就知道这文章的闪光点——“Drug Affinity Responsive Target Stability (DARTS) Identifies Laurifolioside as a New Clathrin Heavy Chain Modulator”。(J. Nat. Prod., 2016, DOI: 10.1021/acs.jnatprod.6b00627)结构新颖的化合物是J. Nat. Prod.文章的基本要素。作者报道了从大戟属植物Euphorbia laurifolia分离得到的5个二萜新化合物(1-5)和一个单萜新化合物6。至于结构是不是非常新颖,贴出来大家一起品评吧。图片来源:J. Nat. Prod.结构解析部分咱们就不赘述了,包括DQF-COSY和1D-TOCSY在内的,您能想到的各种一维二维NMR手段作者都用上了。重点来了,天然产物的立体构型确定一直是个难点,以往大家都押宝于X-Ray单晶衍射技术,谁要是能将分离得到的一两毫克纯品养出单晶来,那绝对可以和师弟师妹吹个三年五载的。这些年,越来越多的学者选择用计算化学模拟ECD光谱和实际测得ECD光谱比较来确定化合物的立体构型。作者也使用了这种方法确定化合物1和2的立体构型。图片来源:J. Nat. Prod.寻找活性天然产物的直接作用靶点是非常困难的!非常困难的!非常困难的!(嗯,重说三!)但是呢,也不是完全无计可施,随着学科融合交叉发展还是有办法找到了一些作用靶点。比如,在活性化合物上接一些功能基团得到探针分子,再利用探针分子垂钓蛋白,结合生物质谱手段寻找作用靶点。这套方法目前相对成熟,也有一些成功案例,但是该策略最大的弊端就是需要对活性分子进行化学修饰。虽然通过活性评价可以证明修饰基团不影响活性,而且通过一些生物物理手段可以证明结合蛋白的片段是最初的活性化合物而不是引入的功能基团,但是,如果活性分子是结构复杂难以合成的天然产物,在自然界存在量又很低,那么对其进行化学修饰的难度可想而知。这样的活性天然产物该怎么找靶点呢?图片来自网络Drug Affinity Responsive Target Stability (DARTS)技术很好的解决了上述问题,其最大优势在于无需对活性分子进行任何化学修饰。我稍微科普一下,DARTS技术的基本原理是基于蛋白质的稳定性。文献报道,当蛋白质结合了小分子化合物后,其对蛋白水解酶的稳定性明显提高。直观地说,结合小分子的蛋白不容易被蛋白酶水解,这些蛋白就可以在电泳后被检测到,随后利用生物质谱可确定具体的靶点蛋白。图片来源:PNAS作者就是应用了这样的技术确定了laurifolioside (1)在PC-3和MCF-7细胞中的直接作用靶点是内涵素重链1(clathrin heavy chain 1)。图片来源:J. Nat. Prod.图片来源:J. Nat. Prod.在获得靶点信息之后,验证活性分子与靶点的相互作用则是另一个难点。作者并没有选择小分子与蛋白相互作用的直接检测手段,而是根据内涵素介导的细胞内吞功能进行了间接检测。通过检测化合物影响细胞对转铁蛋白(transferrin)的内吞作用变化来反映化合物对内涵素的作用。实验结果间接佐证了laurifolioside对内涵素的抑制作用。图片来源:J. Nat. Prod.文末,作者应用分子动力学模拟与分子对接等计算化学技术推测了laurifolioside与内涵素的结合构象,氢键疏水键作用位点及结合能量。图片来源:J. Nat. Prod.整篇文章看完之后,个人感觉这篇文章最大特点就是“虚实结合”。立体构型的确定用到了计算化学虚拟ECD光谱与实测ECD光谱的比较;靶点寻找部分先是用了DARTS实验找到可能的靶点,再用分子模拟手段推测作用形式。毫无疑问,DARTS技术找靶点是这篇文章最大的闪光点。当然,如果后面的靶点验证选择直接检测相互作用的技术就更好了,如果有laurifolioside与内涵素的共晶结果就更好了,如果有……就更好了……如果我说的这些都有了,估计我们也就在J. Nat. Prod.上看不到这篇文章了。好吧,历史不能假设。瑕不掩瑜,客观的讲这篇文章的架构在近年的J. Nat. Prod.上并不多见,绝对算得上卓尔不群。不知道各位做天然产物的朋友们看着手里测活待发的新化合物们有没有心头一凉,虎躯一震。嗯嗯,还是赶紧解结构去吧,解析出来才好找人合作嘛。http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jnatprod.6b00627PS: 我知道各位读者都很忙(懒),又对DARTS技术感兴趣,特奉上原始文献链接供大家学习。大伙要感谢的话就多多转发我的文章吧,希望我们的平台为更多朋友的工作学习带来帮助。Target identification using drug affinity responsive target stability (DARTS).http://www.pnas.org/content/106/51/21984.full.pdf(本文由乐只君子供稿)

来源: X-MOL 2016-10-25

Astellifadiene:绝对构型确定以及生物合成

日本东京大学Ikuro Abe教授和Makoto Fujita教授等人在从裸胞壳属Emericella variecolor NBRC 32302中寻找萜类合成酶基因和其在米曲霉中的基因功能表达过程中,发现了一个具有6/8/6/5环系的新二倍半萜astellifadiene(1)。通过NMR技术和Fujita发明的晶体海绵法(点击阅读相关)确证了astellifadiene的绝对构型。他们还通过体内和体外的同位素介入实验,提出了astellifadiene的生物合成途径。(Astellifadiene: Structure Determination by NMR Spectroscopy and Crystalline Sponge Method, and Elucidation of its Biosynthesis. Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 5785-5788, DOI: 10.1002/anie.201601448)近几十年来,微生物的基因测序取得蓬勃发展,由此验证了微生物具有产生目标化合物的潜力。这些基因数据不仅可用于快速鉴定已知化合物,还可用于新化合物的发现。由此,大量文献报道了分离未知化合物的方法和应用。随着大量的天然产物的发现,为满足快速鉴定天然产物结构的需求,对先进技术的发展有着迫切需求。确定化合物的平面结构和相对构型通常依赖于核磁共振波谱和质谱技术。然而,对于如何确定化合物的绝对构型还是存在着很大的挑战。晶体海绵法应运而生,用途广泛,甚至对于微量油状物亦可采用X-射线晶体学分析技术进行绝对构型确定。近年来,基因组采掘和真菌的二萜/二倍半萜合成酶的不同表达发现了不少新的萜类化合物。这些萜类合成酶由异戊烯转移酶(PT)和萜类环化酶(TC)组成。PT合成香叶基香叶基焦磷酸酯(GGPP)或香叶基金合欢基焦磷酸酯(GFPP),TC将聚戊烯基转化为环状产物。重要的是,通过基因采掘方法得到的萜类化合物拥有新颖的骨架类型。然而,仅仅使用传统的方法难以确定这些结构复杂的萜类化合物的构型,对于氧化度较低的萜类尤其如此。在此,Abe和Fujita等人报道了astellifadiene (1)的发现及快速结构确定方法。此外,该团队还对化合物1进行了环合反应机理研究。为了得到新的萜类化合物,研究者采用裸胞壳属Emericella variecolor  NBRC 32302作为一个潜在的萜类合成酶基因。该团队之前从真菌里发现了两个新的双官能团合成酶,它们可能是非典型的萜类合成酶基因。在其中,他们选择了一种716个氨基酸构成的蛋白质。根据之前对这类合成酶的官能团结构解析,这种基因异源表达在米曲霉NSAR1中。通过GC-MS分析含有该基因的转化株的菌丝提取物,结果表明,新的代谢物1质荷比为m/z 340 [M]+。由此,他们推测1是一个新的二倍半萜。通过HR-MS推知1的分子式为C25H40,则其不饱和度为6。13C NMR显示其25个碳信号中,有4个烯碳原子,表明1具有四环骨架。由1H-1H COSY、HMBC和NOESY相关谱,确定1的平面结构为6/8/6/5的四环新颖骨架结构,其绝对构型的确认则需用到晶体海绵法。通过X-ray Bijvoet方法,可以直接提供分子手性信息。由于1以油状形式存在,不适合进行普通的衍射研究。然而,在化合物没有晶体结构的情况下,晶体海绵方法可以直接确定化合物的绝对构型,因此,Abe和Fujita及合作者选择这种方法来确定化合物的绝对构型。这是首次应用这种技术来确定烃类化合物的绝对构型。通过形成一个多孔结构的晶体海绵[(ZnI2)2(tpt)3·x(solvent)]n [tpt =三异丙基乙磺酰(4-吡啶基)-1,3,5-三嗪],运用X-单晶衍射技术,确定了化合物1绝对构型为2S, 3S, 7R, 11R, 14R, 15S, 18S。此外,化合物1的优势构象为:A环和C环为椅式构象,而环B为环辛烯的船-船构象(如下图D标示)。接下来,研究者采用乙酸钠(1-13C)进行同位素示踪,探究了化合物1的环合机理。真菌的生物合成途径一般为甲羟戊酸途径,来源于乙酸钠(1-13C)的DMAPP和IPP在C1和C3处作了标记,因此,产生带有13C的GFPP在10位碳原子处。二倍半萜1的C-1,C-3,C-5,C-7,C-9,C-11,C-13,C-15,C-17,C-19被标记了同位素。结果表明,这些标记模式并不符合异戊二烯规则,由此证明在生物合成时,碳碳键发生了迁移。基于这些现象,Abe和Fujita团队提出了产生化合物1的环化的可能机理:GFPP消除了OPP后,发生在C-1–C-11和C-10–C-14的环合作用产生了一个11/5环系(2+);然后,随着末端π键的扩环作用和碳键重排形成C-13–C-15和C-14–C-18两个新键,从而形成一个具有11/6/5环系的中间产物3+;异丙基的一个甲基去质子化产生中间物4,至此,完成了反应的前半部分。C-3的质子化作用开启了二次环合作用形成C-2–C-6键,由此形成了5/8/6/5碳正离子5+。5+通过过键的迁移形成6+:一个二环[5.3.1]十一烷骨架。最后,从C-10到C-6的1,5-迁移反应和C-9的去质子化作用,形成了化合物1。在碳正离子6+中,H-10非常接近C-6,这点也支持从C-10到C-6的迁移反应的可能性。此外,研究者将[1-13C,2H3]乙酸钠或[2-13C,2H3]s乙酸钠加入1中,结果表明,当[1-13C,2H3]加入后,C24标有2H,而不是C25,由此说明初始的去质子化是发生在源自DMAPP的C-5的甲基处。此外,从C-10迁移至C-6的H原子也很重要。而且,实验结果表明,C-9上没有起初标记的氘原子,这一点和他们提出的发生在C-10和C-6之间的1,5-迁移反应是符合的。为进一步确证环合作用机理,Abe和Fujita等人在体外进行了大肠杆菌中重组EvAS的表达实验。在DMAPP、IPP和Mg2+条件下,合成1后,在重水里发生反应,以此验证4是否发生质子化反应。实验结果发现1中有一个氘原子,说明第二次环合作用是通过质子化反应开始的。环合反应首先是形成11/5的二元环碳正离子,这和fusicoccadiene、phomopsene、ophiobolin F以及stellatatriene的合成是一样的。这个发现说明了EvAS的TC域和上述提到的那些酶是一样的,都属于B分支。有趣的是,1的绝对构型和variecolin是类似的。考虑到它们结构的相似性,可以预测,化合物7可能和1一样,也是通过形成中间体5+,然后C-8再去质子化而形成。最后,基于同源模型fusicoccadiene的合成酶PaFS的晶体结构研究结果,证明TS的氨基酸残基包含在凹处的底端活性位点在EvAS中表现独特。在PaFS中由大至小的取代基F65,W225和M309极大地增加了EvAS中活性位点的容积,改变了其形状。这些不同之处或许可以解释萜类环化酶的基质和产出的特异性。http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201601448/abstract(本文由浮生若梦供稿)

来源: X-MOL 2016-07-12

红树林来源真菌Neosartorya udagawae中发现的抗甲型流感病毒活性的新骨架生物碱

红树林处于海陆交界处,具有独特的生态环境。中国海洋大学的李德海教授等人从红树林植物白骨壤(Aricennia marina)的根部内生真菌Neosartorya udagawae HDN13-313中发现了两个含有新颖喹唑啉骨架的fumiquinazoline类生物碱Neosartoryadins A(1)和B(2),以及生源相关的两个新结构fiscalins E(3)、F(4)和一个已知化合物fiscalin C(5),如图1所示。经典的fumiquinazoline类生物碱的是一类常见的真菌毒素,其吡啶[2,1-b]喹唑啉部分的C环一般为嘧啶环(如化合物3-5),而Neosartoryadins A和B中的C环骨架异化成吡啶环,同时还存在一个罕见的四氢呋喃环(D环)。作者推测化合物1-2是由关键中间体5在生物体内进一步经过氧化、水解、羟醛缩合等生合成过程转化而来。新化合物1-4的绝对构型是通过NOESY谱、电子圆二色谱(ECD)测试、含时密度泛函理论-电子圆二色谱(TDDFT-ECD)计算和单晶衍射等技术得以确定。化合物1-2经中国海洋大学王伟副教授评价,显示较强的抗甲型流感H1N1病毒的活性,其IC50值分别为66 μM 和58 μM(利巴韦林作为阳性对照,IC50 = 94 μM),为抗病毒药物的发现提供了新颖的模板结构。图1这一研究成果发表于《Org. Lett.》上。http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.orglett.5b02964原文标题:Neosartoryadins A and B, Fumiquinazoline Alkaloids from a Mangrove-Derived Fungus Neosartorya udagawae HDN13-313

来源: X-MOL 2016-03-07

中药白饭树活性成分的研究取得新进展

中药白饭树为大戟科白饭树属植物Flueggea virosa (Roxb. ex Willd.) Baill.的全株。具有清热解毒,消肿止痛,止痒止血之功效;常外用于湿疹,脓疱疮,过敏性皮炎等病症。中国科学院上海药物研究所张华研究员和岳建民研究员在前期从该中药中分离鉴定一系列一叶萩碱类寡聚体生物碱的基础上,对其微量化学成分的研究又取得了新的进展。在当前工作中,他们得到并阐明了一个新的二聚体生物碱(1, flueggether A)和一个新的单体生物碱(2, virosinine A)的化学结构,并通过X-射线单晶衍射实验和对比实验-计算圆二色谱数据分别确定了两个化合物的绝对构型。Flueggether A是该类生物碱寡聚体系列中首个通过醚键连接的例子,而virosinine A具有新颖的杂环骨架。该项工作中的圆二色谱理论数据由同单位的罗成研究员课题组通过含时密度泛函理论(TD-DFT)计算获得;体外抗HIV活性测试则由合作单位加拿大麦吉尔大学(McGill University)艾滋病中心的Mark A. Wainberg教授课题组完成。两个化合物均显示了温和的抗HIV活性,1和2的EC50值分别为120 ± 12和45.0 ± 4.5 mM。这一研究结果发表在《Org. Lett.》上。http://dx.doi.org/10.1021/acs.orglett.5b03320 原文标题:Flueggether A and Virosinine A, Anti-HIV Alkaloids from Flueggea virosa

来源: X-MOL 2016-01-08

利用Podocarpane型邻苯二醌的D-A环加成策略对Atisane型二萜的全合成

四川大学的刘波教授课题组通过对Podocarpane型邻苯二醌的Diels-Alder环加成进行探索,以较高的产率和选择性得到了一系列的[2.2.2]桥环结构。最终以三甲基硅基乙炔为亲双烯体,完成了Atisane型二萜天然产物中的高度官能团化的[2.2.2]桥环结构的构建。并以此为基础,利用Mn(III)/Co(II)-催化的高度化学选择性,区域选择性和非对映选择性的Mukaiyama羟基化反应构建了[2.2.2]桥环结构中正确立体构型的羟基。通过酸催化的仿生的掉缩酮保护—7元环内酯水解开环—关6元环内酯的串联反应,完成了天然产物Crotobarin和Crotogoudin的骨架构建。最终以14步反应,2.8%的总收率首次完成了天然产物Crotobarin消旋体的全合成。同时以14步反应,3.5%的总收率完成了天然产物Crotogoudin消旋体的全合成。整个合成路线中所涉及到的多数反应选择性好、操作简单、后处理方便,其中多步反应的产物可以不经纯化直接用作下一步反应。为Atisane型二萜天然产物的全合成提供了一条通用的简洁高效的路线。随后利用官能团化的[2.2.2]桥环中间体,简洁地完成了Atisane型二萜天然产物rac-atisane-3β,16α-diol和16S,17-dihydroxy-atisan-3-one的全合成。同时,通过对[2.2.2]桥环中间体骨架重排反应的研究,得到了其他具有[3.2.1]桥环骨架的二萜天然产物的结构类似物。为其他骨架类型的二萜天然产物的合成提供了一个可参考的方案。这一研究成果发表于《J. Am. Chem. Soc.》上。http://dx.doi.org/10.1021/jacs.5b08958  原文标题:Total Synthesis of Atisane-Type Diterpenoids: Application of Diels–Alder Cycloadditions of Podocarpane-Type Unmasked ortho-Benzoquinones

来源: X-MOL 2015-12-24
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