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生物催化与自由基齐飞,杂萜合成共逆合成分析一色

在有机合成两百年的历史中有两个永恒的主题:战略——从何处断键(Synthetic Strategy)和战术——如何利用反应性去成键(Synthetic Tactic),由此可分为古典的正向合成分析法和现代的逆向合成分析法(Retrosynthetic Analysis)。后者首先是由有机合成大师、诺奖得主E. J. Corey在1964年创立,随后成型于其著作The Logic of Chemical Synthesis 中,是指导和影响无数现代有机合成工作者的战略思想。该思想与正向合成分析法的思维正好相反,强调由靶分子出发,用逆向切断、连接、重排和官能团互换、添加、脱除等方法,将其变换成若干中间体或原料,然后重复上述分析,直到中间体变换成所有廉价易得的合成子等价试剂为止。但战略往往是理想化的,实际上则需要配以好的战术去实现,这就要求每一步逆合成法有对应且靠谱的方法学作为支撑。例如,合成人员如果想避免官能团转换(functional group interconversions,FGIs),往往不可避免地会面对C-H键活化;如果想避免保护基的使用,就必须要先发展出化学选择性的方法学;如果想避免冗余的氧化还原反应,就应该先准备好直接构筑骨架的方法。这些情况催生出大量的方法学,同时也给合成人员带来不少挑战。

E. J. Corey及诺奖颁奖词。图片来源:诺贝尔奖官网


近年来,学术界和工业界的有机合成化学家一直对如何实现复杂化合物的高效合成抱有极大的兴趣。其中英国曼彻斯特大学的Nicholas J. Turner教授提出的“生物催化逆合成分析法”(Biocatalytic Retrosynthesis; Nat. Chem. Biol., 2013, 9, 285–288)和美国Scripps研究所的Phil S. Baran教授提出的“基于自由基的逆合成分析法”(Radical Retrosynthesis; Acc. Chem. Res., 2018, 51, 1807–1817)都非常著名。前者强调利用酶的定向进化及酶促反应优秀的立体/位置选择性,后者则注重发挥自由基特有的化学选择性和保真度,两者都是在逆合成分析法的战略思想框架下的补充和优化。


如下图所示的两类杂萜化合物(meroterpenoids; 1-11),其特征在于包含C3位氧化的补身烷(drimane; 1-5)或海绵烷(ent-isocopalane; 6-11)单元并稠合或螺非萜结构,传统的逆合成分析法不外乎两种:一是通过仿生多烯的串联环化反应来构建3-羟基十氢化萘骨架;二是通过Wieland–Miescher酮进行模块化组装。但第一种策略需要在多烯上进行对映选择性双羟化反应后再环氧化,不仅效率低(甚至低至2%)而且缺乏区域和对映选择性;而第二种策略则需要在十氢化萘骨架上进行繁琐的操作,且往往难以控制立体化学。

几种氧化杂萜类化合物的结构及传统的逆合成分析法。图片来源:Nat. Chem.


显然,传统的逆合成分析法并不能高效地合成杂萜类化合物。近日,美国Scripps研究所的Hans Renata教授团队利用酶催化的位置专一性和自由基的特殊反应性及汇聚和发散的思维高效地完成了8个meroterpenoid型天然产物的全合成,相关成果发表在Nature Chemistry 上。作者认为上述两类杂萜化合物可分别通过高级中间体1415进行发散合成转化而来(涉及氢原子转移还原HAT和多种基于自由基的C-C键构筑),而后者C3位羟基化的drimane型或isocopalane型骨架可由香水工业中常见的原料香紫苏内酯sclareolide(12)或香紫苏醇sclareol(13)通过酶催化位置选择性的氧化得到。

基于酶催化和自由基的逆合成分析法。图片来源:Nat. Chem.


然而,该策略并非毫无挑战。首先作者需要解决酶催化的C3位选择性氧化这一关键反应。此前虽然报道过利用化学方法对香紫苏内酯12进行C-H键官能团化(Science, 2010, 327, 566-571; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 696-702; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 7448-7451; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 4956-4959),但都是对C2位进行修饰。而全细胞真菌的生物转化法虽能够实现香紫苏内酯12的C3位羟基化,但缺乏位点选择性并伴随过度氧化。另外,也报道过酶催化的香紫苏内酯12的C3位选择性羟基化(ACS Catal., 2016, 6, 6306-6317),如P450BM3变体II-H8或来自Novosphingobium aromaticivorans DSM12444的单氧化酶CYP101B1,但往往需要在高稀释体系(底物浓度1 mM)中进行且最大规模为50 mg,总转化数(turnover number)约为1000。为了获得更廉价实用的C3位选择性羟基化方法,作者对P450BM3变体进行筛选和优化(下图)。用基于pET22b(+)- 和pRSF- 的载体进行高表达P450BM3变体,然后通过丙氨酸扫描变体1857发现变体1857 V328A (BM3 MERO1)能以> 95%的转化率得到3-(OH)-sclareolide 16(可在> 4g规模下进行,总转化数~5000),且没有检测到C2位羟基化的副产物。此外,带有C47R和 I94K突变的BM3 MERO3的效果与BM3 MERO1相当,而其他突变体如BM3 MERO2的效果则较差。值得一提的是,这些突变体也能以~30%的收率将香紫苏醇转化为3-(OH)-sclareol 17

优化P450BM3变体。图片来源:Nat. Chem.


在此基础上,作者尝试进行杂萜类化合物的合成(下图)。香紫苏内酯的酶促羟基化反应能够以较高的转化率和分离产率在克级规模上制备16,接着经过4步转化后拿到高级中间体14,相比之下,从Wieland–Miescher 酮制备中间体14至少需要八步,随后中间体14便可针对不同的α-吡喃酮类杂萜进行发散合成,分别以55%和64%的收率得到2324。接下来,作者尝试进行C9-C11位烯烃的还原,常见的Rh、Pt、Pd催化的加氢反应无法实现C9-C11位烯烃的还原。作者认为基于氢原子转移(HAT-)的氢化反应能够实现这一转化,结果表明232426在Mn(dpm)3、TBHP和PhSiH3的还原条件下(J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 1300-1303),以中等至较高的收率和优异的非对映选择性实现了Arisugacin F (1)、Phenylpyropene C (2)、Pyripyropene E (4) 的合成。此外,中间体14经过4步转化为酰氯27,接着与吡喃酮20进行Friedel-Crafts酰化反应,然后通过环化/还原反应实现了Phenylpyropene F (3)的合成。5-deoxyterreulactone C(28)可从23出发,结合C3位醇氧化,以两步64%的总收率实现其合成。

α-吡喃酮类杂萜化合物的发散合成。图片来源:Nat. Chem.


类似的,从香紫苏醇13出发,经过基于氢原子转移的分子内Giese偶联构筑C环以及BM3 MERO1位置选择性的羟基化等8步反应得到高级中间体3434通过镍催化的自由基交叉偶联(J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 920-921)与碘苯36反应并在酸催化下环化可制备Taondiol (10);与α-吡喃酮37反应并在酸催化下环化可制备Chevalone A (11)。34在叔丁醇的作用下消除HI后得到相应的二烯35,在硝酸铈铵的作用下与吡喃酮21发生基于单电子转移(SET)的[3+2]环加成反应,以83%的收率得到Decaturin E (6);与苯酚39发生基于SET的[3+2]环加成反应以及基于HAT的氢化反应则可制备Stypodiol (8)。

二萜类杂萜化合物的发散合成。图片来源:Nat. Chem.


总结


在逆合成分析思想框架下,Hans Renata教授团队结合基于酶的定向进化的生物催化逆合成分析法和基于自由基的逆合成分析法,仅用7-12步便可高效地完成两类共计8个杂萜类化合物的合成,有的路线总收率是前人所报道路线的五倍;同时也首次实现了2、3、6、11的合成。另外,这种策略对于指导有机合成人员采用新的断键方式进行逆合成分析及开发天然产物资源也是大有裨益的。

合成效率比较。图片来源:Nat. Chem.


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):

Merging chemoenzymatic and radical-based retrosynthetic logic for rapid and modular synthesis of oxidized meroterpenoids

Jian Li , Fuzhuo Li, Emma King-Smith, Hans Renata

Nat. Chem., 2020, 12, 173-179, DOI: 10.1038/s41557-019-0407-6


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