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Science:河豚毒素简洁全合成

作为一种神经毒性的天然产物,河豚毒素(河鲀毒素,tetrodotoxin,TTX,图1)被发现已超过百年。先说一个冷知识,河豚毒素并非产自河豚。虽然最开始是从河豚中被发现,但科学家们后续又从海星、海蜗牛、章鱼、蟾蜍和蝾螈等不同物种中分离到了TTX,也就是说,河豚很可能并不是河豚毒素的直接生产者。经过一系列研究,现在已经知道,TTX由细菌合成并积累在动物宿主体内,作为防御捕食者的手段之一(Mar. Drugs20108, 577–593)。想想那些因毒性而绕过河豚的吃货,这一防御手段的高明之处就可见一斑。


回到正题。TTX是典型的选择性钠离子通道阻断剂,在人类中的毒理学和治疗效用已经研究了几十年,此外,它复杂而又迷人的富氧互连环结构也是合成化学家眼中的明星。如图1所示,TTX的碳骨架由带有C1和C2侧链的环己烷环组成,两个顺式羟基与羧基形成了TTX的标志性二氧杂金刚烷核心,并通过α-叔胺与环胍稠合。另外,该分子含有四个环和九个连续的手性中心,同时还有一个伯羟基、两个仲羟基、一个叔羟基以及一个半缩胺醛,这进一步增加了分子的结构复杂性。事实上,早在1972年Kishi和Fukuyama团队就率先完成了外消旋TTX的全合成。2003年,Isobe课题组报道了首例TTX的不对称全合成。随后,还有一些课题组完成该分子的全合成,例如:Hinman和Du Bois课题组的不对称合成,Isobe课题组的二代合成,Sato课题组的消旋体合成及两次不对称合成,Yokoshima和Fukuyama团队分别于2017和2020年报道的两种全新的TTX全合成路线。

图1. 逆合成分析。图片来源:Science


美国纽约大学Dirk TraunerBryan S. Matsuura等研究者对此前的合成工作进行了分析,尝试寻找更高效的新合成策略:1)在起始原料中引入环己烷核心,或在合成的早期构建环己烷核心碳骨架,其中羟基官能团由烯烃环氧化、双羟基化或者烯丙位氧化引入;2)C8a位的α-叔胺通过C-N键的形成来引入,这必须克服大位阻;3)二氧杂金刚烷结构自发形成,在此期间须合理安排反应序列以调整C10的氧化态并设置C9的立体化学;4)在合成的后期引入胍基,并使用适合在最后一步整体脱保护的保护基。近日,他们以22步总步骤、11%的总收率实现了河豚毒素相对简洁的立体选择性全合成。他们从廉价易得的葡萄糖衍生物4出发,先将其转化为醛3,再与硝基甲烷经分子间Henry反应、脱水、分子内1,3-偶极环加成得到双环异噁唑啉衍生物2,接着进行炔基加成得到炔基异噁唑烷1,最后经氧化得到TTX。相关成果发表在Science 上。

图2. 形成碳环核心的初步尝试。图片来源:Science


首先,从商品化原料4出发,经过3步反应得到带有环外双键的双环化合物5,再在DIBAL的作用下进行区域选择性还原得到带有伯羟基的葡萄糖衍生物6(图2),接着在环外双键上进行立体选择性双羟基化反应,以98%的产率得到单一立体构型的叔醇中间体7(其中C6位立体构型是正确的)。将7中的双羟基进行保护后,伯羟基经Appel反应转化为碘代物88在叔丁基锂的作用下发生开环得到δ,ε-不饱和醛中间体12,随后与硝基甲烷发生Henry反应得到非对映异构体混合物(9a9b=1:1)。接下来,作者用异氰酸苯酯和催化量的三乙胺处理非对映异构体9a来引发脱水、环加成反应,以中等的收率得到单一的非对映异构体异噁唑啉10和副产物11,后者的X-射线衍射分析显示C4位立体构型与河豚毒素的C4位构型相反。为此,作者对反应过程进行了改进(图3),具体而言:8经还原、Henry反应、甲磺酰化以及原位消除后仅得到E-式烯烃14,再发生oxa-Michael加成反应得到中间体15,随后在Boc2O的作用下生成氧化腈中间体17,接着进行分子内1,3-偶极环加成反应,立体专一性地得到C8位立体构型正确的异噁唑啉18,并且该步反应还能以10克级规模进行合成。随后,18在硝酸铈铵(CAN)的作用下脱除PMB保护基得到中间体1010在BF3•Et2O的存在下与三甲基硅基乙炔锂发生立体专一性亲核加成得到炔基异噁唑烷19。至此,作者已经完成了TTX的环己烷核心骨架的立体专一性构建。

图3. 环己烷核心的非对映选择性路线的开发和叔胺的安装。图片来源:Science


接下来,作者试图对炔烃进行氧化处理以立体选择性地引入C9醇和C10内酯,最终参与形成TTX的标志性笼状结构。如图4A所示,作者最初的策略是通过金或银催化的中间体19上C8羟基与末端炔烃的5-endo-dig加氢醚化来形成所需的羟基内酯,但大量实验都以失败告终。为此,作者尝试将末端炔烃与C5或C7羟基发生加氢醚化反应形成桥联结构,然后将其氧化成所需的羟基内酯。具体来说,先将19中的羟基和胺基用Boc基团进行保护得到中间体20,在Pieber和Seeberger发展的光催化条件下能够有效地脱除C5和C7位苄基,并以较好的收率得到二醇21,随后在K2CO3的作用下选择性地脱除羟基上的Boc保护基并对邻二醇进行保护得到中间体22,在SmI2的作用下断裂N-O键使得异噁唑烷开环,并用TBS保护产生的伯羟基得到中间体23。受Trost和McDonald报道的催化生成金属-亚乙烯基卡宾工作的启发,作者选择CpRu(PPh3)2Cl为环化异构化催化剂,成功地将23转化为桥联的二氢吡喃中间体24。接着,向反应体系中加入5 equiv. Oxone并在EtOAc/MeCN/H2O混合溶剂下反应5 min便可一锅法实现羟基内酯25的合成,同时不会发生过度氧化(图4)。

图4. 继续合成和提出关键羟基内酯化的机制。图片来源:Science


至此,最后一个目标就是引入胍基,先将25中的Boc保护基和TBS保护基脱除得到氨基二醇26(图5),然后对裸露的两个羟基原位进行TMS保护后,按照Kishi发展的条件进行胍基化得到中间体27(具有TTX骨架的所有原子),再在三氧化铬-吡啶络合物的氧化条件下产生半缩醛胺异构体的混合物28,接着在3:1 TFA/H2O溶液中搅拌过夜,成功地脱除所有保护基并在酸性条件下发生差向异构化和分子内亲核进攻,以良好的收率得到(-)-TTX和4,9-anhydro TTX(30)的混合物(比例为1:1.4),并且两者可以相互转换。事实上,将TTX与30的混合物置于5% d3-AcOD-95% D2O的溶液中于60 ℃加热3天后,TTX与30的比例升为2.9:1,同时两者可在分析规模上进行分离。

图5. 河豚毒素的合成。图片来源:Science


总结


本文研究团队基于前人的合成工作,巧妙的设计了一条全新的合成策略,以22步反应、11%的总收率完成了迄今为止路线最短、效率最高的河豚毒素立体选择性全合成。该路线不仅可以规模化合成,也可以用于合成其它难以获得的河豚毒素类似物,以便更好地了解它们的生物合成和化学生态学意义。另外,该工作也为新一代基于河豚毒素衍生物的镇痛剂研发奠定了坚实的基础。


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 synthesis of tetrodotoxin

David B. Konrad, Klaus-Peter Rühmann, Hiroyasu Ando, Belinda E. Hetzler, Nina Strassner, Kendall N. Houk, Bryan S. Matsuura, Dirk Trauner

Science2022377, 411-415, DOI: 10.1126/science.abn0571


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