天然产物合成灵感哪里来?直接“破解”基因信息

大自然无疑是最伟大的化学家,数量庞大、结构多变、活性丰富的天然产物就是她的杰作。这样说来,天然产物的全合成,就像人类化学家在合成领域与她进行的深邃对话。当前的天然产物全合成按照其实现方式可分为两大“门派”,一派走有机反应合成路线:基于缜密设计,通过若干步反应高效、精确合成目标产物,堪称“化学艺术”。从R. B. Woodward到E. J. Corey、K. C. Nicolaou,还有现在如日中天的P. S. Baran等等,都是这一门派代表人物。另一派则是在生物遗传学指导下,利用“生物合成基因—合成酶—天然产物”机制合成目标产物。尤其是在聚酮合酶(PKS)和非核糖体肽合成酶(NRPS)领域,成果丰硕,充满“生物智慧”。那么,这两大门派的研究有没有交叉呢?当“生物智慧”邂逅“化学艺术”,又会迸发出怎样的火花?美国洛克菲勒大学的Sean F. Brady教授团队,近期就做了这样一例“从生物中来到化学中去”的交叉研究。Sean F. Brady教授。图片来源:Rockefeller University近年来,大量资源投入到人类微生物基因组的测序和生物信息学分析中,揭示出越来越多的天然产物生物合成基因簇(biosynthetic gene clusters, BGCs),其中不少BGCs在自然条件下并没有表达,也就不参与生物合成,称为“沉默BGCs”。对于学术界来说,“沉默BGCs”相当于一个有待开发、潜力巨大的信息库。那么如何去开发它呢?Sean F. Brady教授没有走“基因表达—酶—合成天然产物”的大众路线,而是采用“合成-生物信息天然产物(synthetic- Bioinformatic Natural Products, syn-BNPs)”方法,用生物信息学算法代替基因转录、翻译和体内酶催化的天然产物生物合成,从而预测这些沉默BGCs的产物,随后再进行体外化学合成。他们以人类微生物基因组中的非核糖体肽合成酶(NRPS)的BGCs为研究对象,希望在“syn-BNPs”方法指导下,利用固相多肽合成技术,合成出生物活性好、结构多样的天然产物环肽。他们分析了1298条人类相关细菌的NRPS-BGCs,从中筛选鉴定出48条有价值的沉默NRPS-BGCs,其中25条适合syn-BNPs的结构预测。这48条BGCs超过一半来自口腔细菌,其余分别来自胃肠道、皮肤、泌尿生殖道、呼吸道和血液。从分类上看,这些BGCs主要来自变形菌门,其次是放线菌门和厚壁菌门(图1)。图1. 生物信息学分析人类基因组鉴定出48条NRPS BGCs。图片来源:J. Am. Chem. Soc.有趣的是,这与从其它环境中分离培养的细菌种群结构有很大的区别。一般情况下,放线菌门被认为贡献的活性天然产物最多,本实验贡献BGCs最多的中却是变形菌门。拟杆菌门被认为在人类微生物种群中最常见。但是在实验中,该类细菌未贡献目标BGCs。意外也许是新发现的起点,Sean F. Brady坚信筛选出的NRPS-BGCs是指导下一步环多肽合成的“理想说明书”。虽然获得的“说明书”对于多肽序列的预测非常好,但是却难以预测环化的模式。在经典的NRPS生物合成中,多肽环化因内部亲核试剂的不同,可分为三种模式,分别是:(1)多肽链N末端作为亲核试剂(cHT式);(2)氨基酸侧链作为亲核试剂(cSC式);(3)在N-酰化多肽中一端的脂肪酸上N可作为亲核试剂(cFA式)(图2a)。图2. (a) 25条BGCs生物信息学预测多肽与化学合成;(b) 合成3种一般环肽构型的方案。图片来源:J. Am. Chem. Soc.既然不确定是哪一种环化模式,那就3种都合成吧。他们选择固相多肽合成技术,针对每一个NRPS-BGCs合成了上述3种模式环肽。他们对已知环状非核糖体肽(NRP)分析显示,如果存在2个以上的亲核侧链,主体结构成环倾向于形成最大环,而含脂肪酸的环肽经常通过脂肪酸的-氧化成环。基于这些分析,他们用2,3-二氨基丙酸代替丝氨酸/苏氨酸进行侧链环化,用3-氨基癸酸合成所有含脂肪酸的环肽(图2b)。他们从25条NRPS-BGCs中预测出30条多肽序列,共合成86个syn-BNP目标环肽,其中4个多肽因为没有任何亲核氨基酸,无法合成侧链环肽而排除。经过一系列化学处理以及高压液相色谱纯化,最后得到72个目标环肽用于生物分析。他们将获得的环肽进行生物活性测试。首先筛选其抑制金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、大肠杆菌(Escherichia coli)、白色念珠菌(Candida albicans)的能力。遗憾的是,没有筛选到任何环肽有抑制上述细菌、真菌的能力。随后,他们用MTT代谢活性分析法,测试了环肽对人宫颈癌细胞系(HeLa细胞系)的抑制能力(图3),得到了5个活性环肽(syn-hoagimin A、syn-hoagimin B、syn-rhodomin、syn-parascrofin、syn-kroppenstin,图4)。图3. (a) 单剂量syn-BNP环肽抑制细菌、真菌、HeLa细胞生长的作用;(b) 活性syn-BNP环肽对HeLa细胞生长抑制作用的量效曲线。图片来源:J. Am. Chem. Soc.为了验证观察到的活性,Brady团队将活性好的5个环肽重合成、纯化,并用高分辨质谱鉴定,然后用MTT法重新测试。在4种细胞系(HeLa、HT-29、A549、NCl-H1299)测试中,5个环肽显示了从微摩到纳摩的抑制活性。在这些活性环肽当中,syn-rhodomin和syn-hoagimin的BGCs来自Rhodococcus hoagii,分离自人类皮肤,是一种条件致病菌。Syn-parascrofin的BGCs来自细菌Mycobacterium parascrofulaceum,分离自人类呼吸系统,也是条件致病菌。Syn-kroppenstin的BGCs来自细菌Kroppenstedtia eburnea,是一种好氧、产芽孢的革兰氏阳性菌,可来自人类和其他自然环境,此菌致病性还有待确认(图4)。图4. 具有生物活性的syn-BNP环肽结构和其细菌基因组来源。图片来源:J. Am. Chem. Soc.以往研究通过生物信息学挖掘“沉默生物合成基因簇”,往往是创造合适的生物化学环境让其表达,例如将基因簇异源表达,然后再检测其合成的天然产物。Sean F. Brady团队用生物信息学+有机化学合成的方式,直接”破解“出沉默天然产物生物合成基因簇里的信息,合成出结构新颖复杂,生物活性好的环肽。这样的操作堪称“生物智慧”与“化学艺术”结合的完美范例。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):Bioactive Synthetic-Bioinformatic Natural Product Cyclic Peptides Inspired by Nonribosomal Peptide Synthetase Gene Clusters from the Human MicrobiomeJ. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 15737-15741, DOI: 10.1021/jacs.9b07317(本文由水村山郭供稿)

来源: X-MOL 2019-11-18

一个烟头引发的科学研究

将一个烟头扔到田间地头会有什么后果?火灾,肯定是第一个会想到的答案,不过这并不是唯一答案。德国布伦瑞克工业大学植物科学研究所的Dirk Selmar等学者做了一系列田间试验 [1],发现丢弃在地里的烟头,内含的尼古丁(nicotine)会被雨水冲刷到土壤中,然后被农作物高效吸收(图1)。图1. 丢弃地里的烟头释放尼古丁被农作物吸收。图片来源:Environ. Pollut. [1]吸收有多高效?他们计算发现,即使每平方米只丢了一个烟头,这块地生长的农作物尼古丁含量也超过欧盟标准10倍!看到了吗?烟头的危害之大,超乎想象!(为了自己和他人健康,不要吸烟!强烈鄙视公共场所抽烟以及乱丢烟头等丑陋行为!)图片来源于网络烟头里面的尼古丁是一种生物碱类天然产物,总体上看,这种天然产物是从环境中转移到了植物之中。那么,除了生物碱,其它类型的天然产物,会不会在自然界中被转移或吸收?天然产物的转移,是从降解植物组织或材料(如烟草)到受体植物,还是从活体植物到活体植物?天然产物被植物吸收后,会在植物体内各部分转移,或发生进一步结构转化吗?解答这些问题,是“天然产物横向转移(horizontal natural product transfer)”这一新概念的主要内容。Dirk Selmar等学者对这个新概念进行了系统深入的研究。他们发现,最初对于“天然产物横向转移”的关注点在于从腐烂降解植物中释放的化合物进入到受体植物。这类化合物相对于受体植物,称为“外来化合物(xenobiotics)”,且主要是生物碱,通过根细胞被动运输被吸收到受体植物中。Dirk Selmar团队认为,苯酚类化合物在植物中释放、吸收特点与生物碱类似,也可以作为横向转移的候选化合物。他们选择香豆素类化合物伞形酮(umbelliferone,图2)作为外源化合物模式分子。图2. 伞形酮(umbelliferone)结构。图片来源:Phytochemistry [2]他们将外源伞形酮加入培养测试植物的水培式培养基中,设置不加外源化合物的空白对照培养植物。引入的5种测试植物分为两类:不含内源伞形酮的植物幼苗(亚麻、萝卜、豌豆);本身含内源伞形酮的植物幼苗(大麦、水芹)。培养一周后,5种植物叶片都检测到大量伞形酮。大麦、水芹类含内源伞形酮的植物,其伞形酮含量显著增高(图3)。这表明外源伞形酮的确被测试植物根吸收,并转移到叶片里。进一步数据化分析伞形酮亲水-疏水性质,显示伞形酮能够以被动运输方式通过植物细胞膜。所有数据显示伞形酮能够被完整的植物根所吸收,也说明了“天然产物横向转移”不仅限于生物碱,还能发生于苯酚类化合物。图3. 受体植物中伞形酮及其衍生物浓度情况。图片来源:Phytochemistry [2]有趣的是,他们发现当伞形酮加入培养基后,测试的大麦幼苗中莨菪亭(scopoletin)的浓度也显著增加。他们在伞形酮处理培养后的水芹中,除检测到莨菪亭,水芹中还能检测到一系列香豆素类化合物。随后,他们根据实验结果和相关文献,推测伞形酮进入测试植物后,不仅会被转移,在某些测试植物中,其化学结构还会被修饰。这种化合物进入植物中的修饰转化,类似动物肝脏的作用,学术界称为“绿色肝脏(green liver)”转化。他们推测的伞形酮结构修饰过程是:伞形酮被吸收进入某些受体植物后,6位被羟基化生成esculetin,esculetin在大麦中6位被甲基化生成莨菪亭;在水芹中,6位还可以被糖基化,生成esculin。莨菪亭可以进一步糖基化,生成scopolin。从伞形酮到莨菪亭的转化过程中,可能有P450酶的参与(图4)。图4. 被受体植物吸收后的伞形酮在受体植物中的结构转化过程。图片来源:J. Agric. Food Chem.[3]Dirk Selmar团队进一步探究天然产物在邻近活体植物之间的转移。他们选择吡咯唎嗪类生物碱(Pyrrolizidine alkaloids, PAs)作为外源化合物。在盆栽实验中,富含PAs的植物S. jacobaea作为供体植物,在同盆中共培养多种受体植物,期间供体植物几乎没有叶子脱落,排除了供体植物叶子落到土中释放PAs被受体植物吸收的情况,且实验植物健康没有虫害。两个月后,定量分析受体植物所含的PAs。结果发现,所有共培养的受体植物均可检测到高浓度PAs。因此可以推测PAs是从供体植物根系释放到土壤中,被邻近受体植物根系所吸收的(图4)。图5. 天然产物横向转移示意图。图片来源:J. Agric. Food Chem. [3]总之,天然产物横向转移过程可以是从植物产品中释放,从腐烂降解植物中释放,也可以是从健康供体植物根系中释放。两者都是化合物通过土壤被邻近的受体植物吸收后被转移到其它部位(如叶片),并且被吸收的化合物在受体植物体内可能发生进一步结构转化。当然,关于这一新概念的研究还有很多内容需要拓展、验证。关于它的进一步研究,为我们解释植物间作轮作的机制,利用植物进行天然产物传递、转化打开了一扇窗口。参考文献:1. Uptake of nicotine from discarded cigarette butts—A so far unconsidered path of contamination of plant derived commodities. Environ. Pollut., 2018, 238, 972−976, DOI: 10.1016/j.envpol.2018.01.113https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749117346304?via%3Dihub2. Uptake and modification of umbelliferone by various seedlings. Phytochemistry, 2019, 157, 194-199, DOI: 10.1016/j.phytochem.2018.10.032https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0031942218305107?via%3Dihub3. Horizontal Natural Product Transfer: Intriguing Insights into a Newly Discovered Phenomenon. J. Agric. Food Chem., 2019, 67, 8740−8745, DOI: 10.1021/acs.jafc.9b03619https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.9b03619(本文由水村山郭供稿)

来源: X-MOL 2019-11-15

去绿野寻觅天然产物的仙踪

在一个阳光明媚的周末,年轻的情侣携手徜徉于香气扑鼻的花丛中,或者一对夫妇推着载有宝宝的婴儿车漫步于树影婆娑的林间小路,多么轻松愉快的场景……等一下,绿叶红花之外好像还有惊喜?原来,每一种植物面前都有一面有趣的海报板,介绍它的种属和代表性天然产物,旁边再加上有机分子的3D模型(图1)。这样既美又涨知识的“绿野天然产物秀”是不是很有趣?图1. 有趣的绿野天然产物秀。图片来源:C&EN [1] / UC Davis[2]美国加州大学戴维斯分校(UC Davis)的植物园就是这样一个举办绿野天然产物秀的地方(图2)。融天然产物研究的魅力于植物的勃勃生机中,让每一个非科研工作者也能了解、接近天然有机化学,感受它在日常生活的方方面面中发挥的作用。图2. 美国加州大学戴维斯分校的Arboretum花园。图片来源:UC Davis [3]这个创意在UC Davis植物园中形成了两场独立的天然产物秀,分别由Jared T. Shaw教授和研究生Quynh Nhu Nguyen组织策划。Jared T. Shaw教授的灵感,来自一次横穿植物园去参加会议的步行,这个占地百多英亩的花园美景震撼了他,让他突然觉得,在这里办一个植物药用价值的展示会是一件非常棒的事情。Jared T. Shaw教授的计划与UC Davis植物园的学术协调员Elaine Fingerett一拍即合(图3),后者一直想调整植物园仅仅展示植物形态特征的功能,她希望植物园能发挥更大作用,尤其是扮演“花园学术报告厅”的角色,展示UC Davis学者的研究成果。图3. Jared T. Shaw教授和Elaine Fingerett在商议如何布置展示图片来源:C&EN [1]Jared T. Shaw教授多年来一直在和当地高中自然科学教师合作。他走进中学课堂,向中学生介绍自己的天然产物及其它生物活性分子合成工作。同时,也将中学生带到UC Davis植物园,让他们了解学习植物中的天然产物。每个孩子会选择一个天然产物,在课堂上介绍,并且所有孩子通过投票来决定哪一个是最受大家欢迎的天然产物。有感于中学生对天然产物浓厚的学习兴趣,Jared T. Shaw教授觉得应该以更生动、有活力的方式将天然产物知识介绍给非科研工作者,引发普通民众的兴趣。于是,Jared T. Shaw教授决定与UC Davis植物园工作人员合作,开发永久性的展示设施。他的设施展示在描述药用植物时,包含植物用途、它们所含的天然产物以及它们的一些传统信息。整个项目预算4200美元(图4)。图4. Jared T. Shaw教授制作的天然产物海报。图片来源:C&EN [1]同时,Jared T. Shaw教授强调,出于药物研究者的责任心,有必要阐释一些药用植物致毒致幻作用。例如,曼陀罗属的一种草本植物Datura wrightii,能产生东莨菪碱,此种致幻性生物碱使得这种植物曾备受美洲土著推崇,也常被滥用。当Jared T. Shaw教授在完成他的计划的同时,另一场“天然产物秀”也在紧张准备中。化学专业研究生Quynh Nhu Nguyen受到一次“科学中的艺术”展览启发,想展示植物中产生的化合物。她的计划,得到了导师Dean J. Tantillo教授的支撑。Dean J. Tantillo教授虽然致力于植物来源萜类天然产物生物合成机制的研究,却不是一位植物学专家。所有他邀请植物学教授Philipp Zerbe参与进来。Philipp Zerbe教授在植物分类方面有很深的造诣。这样他们就形成了3人团队,合作推进计划。这个团队举办了一个临时展览,主题名为“走进树丛邂逅化学”[2],展览重点突出了13个天然产物及其来源植物。Zerbe教授选择化合物的标准,是普通民众在日常生活中较为熟系类型,这些化合物往往用于制药或有其它工业用途。展示信息图文并茂,内容非常丰富,包括化合物特性、植物如何产生这些化合物、它们的传统和现代用途以及与之相关的UC Davis研究项目。参考着可以通过智能手机扫描二维码直接链接到课题组网站。其中,Nguyen最喜欢的天然产物是银杏内酯B(ginkgolide B),因为其来源植物银杏的树形优美,且化合物带有很多环,结构很有趣(图5)。图5. Nguyen制作的天然产物海报。图片来源:UC Davis [2]这场展示的亮点,是每一个天然产物都有3D打印的分子模型。这些模型是由Nguyen用高斯软件优化结构,在Tantillo实验室的3D打印机中打印、成型(图6)。图6. 天然产物分子3D打印模型的制作过程。图片来源:UC Davis[2]天然产物秀还吸引了不少当地民众来到这个开放性的植物园,其中大部分是非科研工作者。他们认真地聆听Zerbe教授和Nguyen的讲解,对这些化合物以及产生它们的植物表现出浓厚的兴趣。他们提了很多问题,想知道这些植物的更多信息,尤其是植物如何产生这么有趣的天然产物,整个现场气氛热烈(图7)。图7. 当地民众参加UC Davis植物园的天然产物秀。图片来源:UC Davis[2]或许,与绿野美景结合,是宣传推广天然产物化学的一条捷径。参考资料:1. Showcasing natural products in situ, C&EN, 2016, 94, 23–24, DOI: 10.1021/cen-09419-educhttps://pubs.acs.org/doi/10.1021/cen-09419-educ2. Walking in the Woods with Chemistryhttp://blueline.ucdavis.edu/Walking2.html3.https://arboretum.ucdavis.edu/arboretum(本文由水村山郭供稿)

来源: X-MOL 2019-08-24

天然产物药物高效得,只因双羰试剂联姻硫

双羰基,一种独特而重要的分子结构单元,广泛存在于天然产物和药物分子中(图1)。传统获得双羰基分子的方法是通过α-酮酰氯制备而来。该法的主要弊端,不仅仅是酰氯的对水敏感性和强酸低兼容性,会导致较多副反应;还存在不易存储运输、局限于现场制备的问题。因此,发展一种温和高效、广泛普适的稳定可储存双羰基化试剂,就有可能带来这一重要功能单元的广泛应用。图1. 含双羰基结构单元的天然产物与药物蛋白质在生命活动的响应调控和生命信息的传递过程中,往往需要在肽链分子上连接某种分子或分子团,以改变蛋白质的功能。如果蛋白质的分子链上接一个乙酰基分子时,即为“乙酰化”修饰,蛋白质的乙酰化是改变蛋白质功能最主要的修饰方式之一。修饰后的蛋白质可以对细胞内的各类通路进行精准的调节与控制。由于乙酰化修饰普遍存在于人体的代谢酶之中,并且调节代谢通路及代谢酶的活性,因此,蛋白质修饰后的调控功能与各类药物在人体中的效用发挥息息相关,能为各类药物的开发和使用提供重要依据。硫酯,由于其同时具备催化条件下良好的反应性和常态条件下的高度稳定性,常常作为优秀的酰基转移试剂,在生命活动中充当关键中间体,例如蛋白修饰与改性、信号通路与抑制、大环内酯与肽链的生物合成中,等等。乙酰基辅酶A就是生命体中进行酰基转移的硫酯,乙酰辅酶A由辅酶A(CoA)的SH基与乙酰基形成硫酯键,在乙酰化酶HAT的调节下对组蛋白进行乙酰化,是生命体中酶催化酰基转移过程的重要因子(图2)。图2. 生命体中的组蛋白乙酰化与脱乙酰化最近,华东师范大学姜雪峰团队借鉴硫酯的仿生合成思路,发展了一种双羰基硫酯类试剂。该试剂的设计既利用了双羰基C-S键能较低的高反应性,而且还“反向”借用了其良好的热力学稳定性的双重性质。图3. 新型双羰基硫酯类试剂该团队早在2012年便发现α-羟酮类分子的α位在特定条件下可以产生自由基(Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 12570)。2014年又发展出了铜催化下α-羟酮对端炔和吲哚的双羰基化反应,进一步展示了该类化合物作为双羰基化试剂的潜质(Org. Lett., 2014‚ 16‚ 4400)。2016年他们发现,硫粉可以在特定条件下产生三硫阴离子自由基,启动自由基链式反应(Org. Lett., 2016‚ 18‚ 5756)。他们设想:如果运用三硫阴离子自由基捕获α-羟基酮自由基,然后重排、异构化,即可十分方便的获得1,2-二羰基硫酯(图4)。这一系列稳定试剂的高效克级构建将为双羰基酰化反应带来广泛的便利。图4. 新型双羰基硫酯类试剂的合成为了进一步建立该类双羰基试剂的多样性用途,他们将该双羰基试剂应用于不同类型化合物的双羰基化反应:不但可与各类胺、手性天然氨基酸以及各类醇等杂原子化合物在温和条件下进行双羰基化反应,还可与硼酸酯在钯催化下偶联实现广谱的碳连双羰基化(图5)。图5. 新型双羰基硫酯类试剂的多样化应用尤其需要指出的是,采用这种双羰基化试剂只要再通过1-2步反应,即可高效构建含双羰基的药物分子及天然产物。例如,抗肿瘤药物Indibulin是德国ASTA公司开发的具有促进微管蛋白解聚作用的新型小分子抑制剂,在体内显示出较强的抗肿瘤活性,而且在体内未见其显示出系统毒性,它还具有结构简单、易于合成、口服易吸收、对多药耐药肿瘤有效等优点。用这类双羰基试剂与相应的胺可以一步构建该药物分子(图6a)。不同家族的天然产物polyandrocarpamide C(图6b)和9,10-phenanthrenequinone(图6c)可以运用这类双羰基试剂简单、直接、高效“归一性”的获得,并且非常便于建立类似物库,为药物的快速开发提供了新的试剂与方案。图6. 新型双羰基硫酯类试剂参与的药物分子及天然产物构建该工作发表在Nature Communications 杂志上。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):Design and application of α-ketothioesters as 1,2-dicarbonyl-forming reagentsM. Wang, Z. Dai, X. Jiang*Nat. Commun., 2019‚ DOI: 10.1038/s41467-019-10651-w

来源: X-MOL 2019-06-17

天然产物也玩“变性”:从结构复杂性到活性多样性

天然产物是地球上最庞大的生物活性物质库,相比于人工合成的小分子而言,它们绝大多数都拥有多环、多手性中心的骨架,这些特殊的结构特征也赋予其独特的生理活性。随着对有机化学的深入理解,合成化学家已经能从类似的合成方法实现从一种到多种天然产物的构建,即复杂性到多样性(Complexity to Diversity, CtD)策略。而且,这种CtD策略的研究有助于药物的研发。近日,美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的Paul J. Hergenrother教授(点击查看介绍)课题组也将CtD应用于截短侧耳素(pleuromutilin)的多样性衍生,通过简短的合成步骤便实现了多种环系结构的构建,有些环结构在以往尚无报道。他们还在这些化合物中发现了一种铁死亡诱导剂(ferroptocide),可迅速高效地诱导肿瘤细胞的铁死亡。与常用于抗生素的截短侧耳素类化合物相比,这些新衍生物的生物活性明显转变,表现出强大的抗肿瘤活性。相关结果发表在Nature Chemistry 上。图1. Hergenrother Lab。图片来源:UIUC截短侧耳素是一种从真菌中发现的拥有5/6/8元三环体系和8个连续手性中心的二萜化合物,可通过抑制细菌50S核糖体发挥抗菌作用。常规多样性的衍生方法对其外围进行简单的修饰以拓展其抗菌谱,而Paul J. Hergenrother等人则对核心骨架进行修改,通过简洁的合成路线分别合成了十七个扩环、环断裂或稠环的衍生物P1-P17。图2. 通过CtD策略对截短侧耳素环进行修饰。图片来源:Nat. Chem.研究人员利用基于肿瘤细胞的表型筛选试验发现苗头化合物P4具有最强的抗乳腺癌细胞系ES-2活性,半数抑制浓度IC50达到6.7 μM,且无溶血作用。他们又通过[4+2]环加成反应得到P18(即后文提到的铁死亡诱导剂),发现对ES-2细胞系的IC50降低到1.6 μM;进一步对R1和R2进行改造暂时未发现活性和选择性都优于P18的化合物(尽管P23活性提高但没有选择性)。另外,实验表明,P18对从病人肿瘤中新分离的15种肿瘤细胞的抑制活性也优于常规的化疗药物如顺铂、5-氟尿嘧啶、依托泊苷以及促凋亡药物PAC-1。有意思的是,将P18的N-N键换成C-C键后(P28-P30)活性都有降低。图3. 铁死亡诱导剂的发现。图片来源:Nat. Chem.研究人员通过多肿瘤细胞的抗增殖实验,发现合成的P18杀死肿瘤细胞如ES-2和Mia PaCa-2的速度明显比大多数凋亡诱导剂(如Raptinal)要快,这一现象暗示这个化合物可能并非通过促凋亡来诱导细胞死亡。随后,研究人员发现用该化合物处理后细胞中也没有观察到切断的PARP-1(与凋亡通路激活有关)。另外,通过染色发现细胞线粒体中活性氧物种(ROS)明显升高。这些数据说明P18可能通过作用于线粒体发挥抗肿瘤增殖作用。图4. P18通过非凋亡通路诱导细胞死亡。图片来源:Nat. Chem.那么具体的机制是什么呢?研究人员进行了三组实验:已知的铁死亡诱导剂RSL3组、P18组和铁离子鳌合剂DFO组。结果发现,P18组和RSL3组现象一致,而预先加入铁离子鳌合剂DFO组却未观察到相关现象。另外他们还发现,铁死亡诱导剂P18诱导细胞死亡的能力要比两种铁死亡诱导的工具化合物RSL3和Erastin强很多。图5. P18通过铁死亡途径抑制肿瘤细胞增殖。图片来源:Nat. Chem.在之前的构效关系研究中,研究人员就发现铁死亡诱导活性依赖于α-氯乙酯基团的存在,而药物化学家都知道这一结构很容易与靶点中半胱氨酸残基形成共价键。为了寻找靶点,研究人员进行了一系列实验,最终发现铁死亡诱导剂P18相关的靶点是硫氧还原蛋白(Thioredoxin,TNX)——细胞中抗氧化系统的关键蛋白之一。此外,研究人员发现在免疫完全的Balb/c小鼠上铁死亡诱导剂P18才能发挥肿瘤抑制作用,而在免疫功能严重缺失的SCID小鼠上却完全没有效果,表明P18具有免疫刺激功能,尤其T细胞和B细胞在铁死亡诱导剂P18发挥药效过程中也有不可忽视的作用。图6. 作用靶点的发现。图片来源:Nat. Chem.图7. 铁死亡诱导剂P18具有免疫调节功能。图片来源:Nat. Chem.总结Hergenrother教授课题组通过简单的反应操作对天然产物进行“二次开发”,从复杂性到多样性的转变,不仅仅体现结构的多样性,更重要的是实现了活性的多样性,由此将常用作抗生素的截短侧耳素类化合物转变为具有抗肿瘤作用的化合物。笔者窃以为,合成化学家的最高境界是“以终为始”,即,不光要通过聪明才智简洁合成天然产物,还要充分挖掘和丰富其应用范围,探讨天然产物及其衍生物对于生命体的作用。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):Diverse compounds from pleuromutilin lead to a thioredoxin inhibitor and inducer of ferroptosisNat. Chem., 2019, 11, 521–532, DOI: 10.1038/s41557-019-0261-6导师介绍Paul J. Hergenrotherhttps://www.x-mol.com/university/faculty/181

来源: X-MOL 2019-06-05

北京大学雷晓光课题组发现萜类天然产物合成中新的自由基化学

探索天然产物生源合成途径对于天然产物合成以及化学生物学研究具有重要意义。例如生源合成途径中的“环化/后期氧化”(cyclization/late-stage P450-mediated oxidation)策略被运用于一系列具有抗癌活性二萜的全合成中。生源合成上,从共同的生源前体香叶基香叶基焦磷酸(GGPP, 1, 图1A)出发,通过萜类环化酶(terpenoid cyclase)催化的多步碳正离子环化和重排反应可产生各种二萜类天然产物(Nat. Prod. Rep., 2011, 28, 1035–1053),例如抗癌药物紫杉醇(Taxol)、巨大戟醇(ingenol)和抗生素截短侧耳素(pleuromutilin)。因此,人们对二萜类天然产物的生物合成和仿生合成进行了广泛的研究。北京大学雷晓光课题组在前期的工作基础之上(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 3112-3116; J. Nat. Prod., 2018, 81, 298−306),近期对香茶菜属(Isodon)二萜的合成研究取得一系列新的重要进展,完成了5个香茶菜属二萜分子的首次不对称全合成,并且发现由紫外光或自然光引发的[3.2.1]桥环骨架自由基重排反应可以高效促发二萜类天然产物的骨架重排,从而揭示了该自由基重排——而非传统上认为的碳正离子重排——是该类天然产物可能的生物合成过程。研究成果分别在线发表于Chem 杂志 [1] 和Angew. Chem. Int. Ed.杂志 [2]。雷晓光课题组洪本科博士、刘伟龙博士和博士生王进为 Chem 文章共同第一作者,北京大学余志祥课题组与山东大学娄红祥教授为该研究工作提供了帮助。博士生吴金宝和日本籍博士后Yuichiro Kadonaga博士为Angew. Chem. Int. Ed.文章共同第一作者。该系列工作得到国家自然科学基金(杰出青年基金、重点项目、和创新群体项目)、科技部重点研发计划、973项目、以及北大-清华生命联合中心的资助。图1. 二萜类天然产物的结构、生源途径和骨架重排。图片来源:Chem [1]香茶菜属二萜是一类结构复杂的多环活性天然产物,迄今为止已分离鉴定出1000多种该家族天然产物。与诸多其他二萜天然产物一样,其生源合成是从GGPP(1)出发,通过一些列酶促环化反应得到共同的生源前体2,随后通过碳正离子重排得到已知的香茶菜属二萜结构,包括ent-kaurane型(3)、jumgermannenone型(4)和ent-beyerene型(5)(图1B)(Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 2847–2854)。生源推测不同类型香茶菜属二萜的骨架之间的转化也是通过碳正离子重排实现的。例如最初的生源途径认为,jungermannenone型是从ent-kaurane 型通过两种可能的碳正离子重排而来(图1C)。Hanson课题组和Baran课题组正是受到这类碳正离子重排生源途径的启发,他们成功地将ent-kaurane型二萜stevioside(6a)(Phytochemistry, 1990, 29, 2712–2715)和steviol(6b)(Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 9019–9022)通过酸催化的碳正离子重排反应转化为ent-beyerene型二萜isoteviol(5)。图2. 光引发的[3.2.1]桥环骨架重排。图片来源:Chem [1]受到上述生源途径以及Hansan和Baran课题组成功的仿生转化的启发,作者开始着手研究ent-kaurane骨架到jungermannenone骨架的重排转化。他们首先以化合物7为模型底物,经过大量的条件筛选,最终发现在302 nm紫外光的照射下,7以33%的收率转化为目标产物8,8在相同的条件下以52%的收率转化为7(图2A)。该紫外光引发的[3.2.1]桥环骨架重排反应可能通过β,γ不饱和酮的1,3酰基迁移实现(J. Org. Chem., 1969, 34, 450–454; Chem. Rev., 1976, 76, 1–74),前期的机理研究表明该重排反应可能经过两种自由基反应途径(J. Am. Chem. Soc., 1978, 100, 6278–6280; J. Am. Chem. Soc., 1982, 104, 2456–2466; J. Am. Chem. Soc., 1986, 108, 5527–5530; J. Am. Chem. Soc., 1996, 118, 176–184; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 12498–12502):经过自由基对(cage radical pair)中间体9的分步过程和双自由基(diradical)中间体10的准协同过程(quasi-concerted pathway)(图2B)。在天然产物的生源合成途径中自由基过程并不罕见,例如ε-viniferin(Science, 2016, 354, 1260–1265)和pyrrole-imidazole型生物碱(Science, 2014, 346, 219–224)在生源上都经过自由基中间体。近年来,Maimone课题组运用自由基串联环化反应高效地完成了蛇孢菌素二倍半萜(ophiobolin sesterterpene)(–)-6-epi-ophiobolin N 的合成(Science, 2016, 352, 1078–1082);Trauner课题组通过紫外光照的条件完成了intricarene的仿生合成(Nat. Commun., 2014, 5, 5597)。而在推测的香茶菜属二萜的生源合成途径中并不涉及光照或自由基的过程。作者推测ent-kaurane骨架和jungermannenone骨架可以通过后期的(late-stage)紫外光引发的[3.2.1]桥环骨架重排相互转化,并且可能在太阳光下自发的发生,这可能为香茶菜属二萜提供另一种可能的生源途径。为了证实这一猜想,作者开始着手复杂的ent-kaurane 型二萜3和jungermannenone型二萜4的合成,逆合成分析见图2C。图3. 香茶菜属二萜3和4的无保护基合成。图片来源:Chem [1]作者从商业可得的醇13开始(图3),通过3步反应得到醛12,12经过对映选择性的SOMO自由基环化反应以78%收率和85% ee值得到11,经过一次重结晶后ee值可以提高至96%,并且通过单晶确定了其绝对构型,11随后通过5步反应得到烯炔中间体16,经过自由基还原环化反应构建出ent-kaurane骨架产物22,最后通过氧化切断环外双键和α-亚甲基化完成了ent-kaurane类型二萜(+)-ent-kurandienone(3)的首次不对称合成。3经过选择性的Luche还原后得到关键ent-kaurane 骨架中间体24,24在254 nm紫外光的照射下,能够以58%的收率顺利得到jungermannenone型二萜(-)-jungermannenone C(4)并回收28%原料24。(-)-jungermannenone C(4)在365 nm紫外光的照射下,可以21%的收率生成24并回收71%的原料4。为了进一步验证ent-kaurane 型二萜和jungermannenone型二萜的生源关系,作者发现当把24和4直接用太阳光照射时,二者仍可顺利地相互转化。至此,作者分别以12步和14步高效完成了(+)-ent-kurandienone(3)和(-)-jungermannenone C(4)的首次不对称全合成,整个合成路线中没有使用任何保护基团。此外,从24和4在太阳光下的相互转化来看,24也可能是天然产物。图4. 萜类的后期光照骨架重排。图片来源:Chem [1]作者将该紫外光引发的[3.2.1]桥环骨架重排反应应用于其他ent-kaurane 型二萜、jungermannenone型二萜或其衍生物上(图4)。ent-kaurane 型二萜25和26在紫外光照射下可顺利转化为jungermannenone型骨架产物27和28。反之,27和28也可顺利转化为ent-kaurane 型产物25和26。6,7-seco-ent-kaurane型化合物29可以转化为30,反之亦然。随后,作者发现该骨架重排反应在倍半萜santonide(31)和parasantonide(32)上也可顺利发生,分别生成33和34。而烯胺35在紫外光照射下只可生成单一产物36。这些重排的萜类产物的结构首先由二维核磁确定,其中rac-4、28、30、33、34 和36的结构由单晶衍射进一步确认。图5. 高氧化态香茶菜属二萜 53、54和55的合成。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed. [2]同时,作者在高氧化态香茶菜属二萜的合成中也取得了重要进展,非常高效的完成了(-)-1α,6α-diacetoxyjungermannenone C(53)、(+)-12-hydroxy-1α,6α-diacetoxy-ent-kaura-9(11),16-dien-15-one(54)和(+)-jungermatrobrunin A(55)的首次不对称合成(图5)。从商业可得的原料37出发,首先通过不对称的Michael加成反应以88% ee得到40,经过重结晶后ee可提高至94%,并且通过单晶衍射确定了绝对构型。40经过钯催化的α-芳基化和甲基化得到顺式十氢萘产物42。42经过Jones氧化和硼氢化钠还原获得反式十氢萘产物45,并且一步构建出4个手性中心。随后经过5步反应得到烯炔中间体49,49通过自由基还原环化反应构建出jungermannenone骨架51,最后通过脱保护和亚甲基化后,以12步完成了(-)-1α,6α-diacetoxyjungermannenone C(53)的合成。作者发现在365 nm紫外光的照射下,(-)-1α,6α-diacetoxyjungermannenone C (53)可顺利转化为ent-kaurane型二萜(+)-12-hydroxy-1α,6α-diacetoxy-ent-kaura-9(11),16-dien-15-one(54);而在254 nm紫外光照射下,54也可顺利转化为jungermannenone型二萜53。53经过可见光介导的Schenck ene 反应可得到过氧桥环天然产物(+)-jungermatrobrunin A(55)。由于53、54和55分离自同一种植物,而自然界中的太阳光同时含有紫外光和可见光,作者认为53、54和55在生源上可能是在太阳光的照射下相互转化而来。事实上作者发现53在光敏剂和氧气的条件下,在太阳光照射下会同时得到54和55。而在太阳光的直接照射下,53和54会顺利地相互转化。这进一步表明ent-kaurane型二萜和jungermannenone型二萜在生源上可能由紫外光引发的[3.2.1]桥环骨架自由重排反应相互转化而来。小结雷晓光课题组非常高效地(12-14步)完成了5个香茶菜属(Isodon)二萜首次不对称合成。在合成中多次使用了高效的自由基化学反应,其中包括后期的光照[3.2.1]桥环骨架自由基重排反应。该反应被应用于一系列复杂萜类天然产物或类似物的后期骨架重排中,表明其具有良好的适用性和官能团耐受性。该发现不但揭示了紫外光或自然光引发的自由基重排可能是该类天然产物真正的生物合成途径,从而丰富了我们对于萜类天然产物生物合成多样性的认识,而且也为自由基化学在天然产物合成中的广泛应用提供了新的指导思路。1. 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):Photoinduced Skeletal Rearrangements Reveal Radical-Mediated Synthesis of TerpenoidsBenke Hong, Weilong Liu, Jin Wang, Jinbao Wu, Yuichiro Kadonaga, Pei-Jun Cai, Hong-Xiang Lou, Zhi-Xiang Yu, Houhua Li, Xiaoguang LeiChem, 2019, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.04.0232. 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):13‐step Enantioselective Total Synthesis of (+)‐Jungermatrobrunin AJinbao Wu, Yuichiro Kadonaga, Benke Hong, Jin Wang, and Xiaoguang LeiAngew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201903682(感谢论文作者对本报道的支持!)

来源: X-MOL 2019-05-15

知否,知否?你分离的天然产物,绝大多数是人工产物

昨夜雨疏风骤,浓睡不消残酒。试问卷帘人,却道海棠依旧。知否,知否?应是绿肥红瘦。李清照的这首《如梦令•昨夜雨疏风骤》不仅道出了女词人爱花惜花之情,也通过女词人之口委婉批评了卷帘侍女观察不仔细,回答不走心(图1)。事实上,科研工作也常常会遇到“昨夜雨疏风骤”的疑惑。此时,把握住实验现象的细节,走心地推理分析才能得到正确的结论。在天然产物研究中,有一个让科研工作者非常头疼的问题:提取分离到人工产物。天然来源的化合物,在生物培养和萃取纯化过程中,可能发生一些非酶促反应,产生了结构已经发生改变的非天然化合物。那么,对于天然产物研究者来说,最终分离得到的,是天然产物的“红”,还是人工产物的“绿”呢?可有经过一番严谨的实验设计推理“知否”过?图1.如梦令•昨夜雨疏风骤。图片来源于网络美国加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋研究所的Chambers C. Hughes课题组(图2)就作了这样走心的研究,得出他们的天然产物其实是“绿肥红瘦”——绝大多数所谓的天然产物是人工产物。图2. Chambers C. Hughes 助理教授(左)及课题组成员(右)。图片来源:Hughes Research Group[1]他们首先对人工产物的概念进行了定义,指出人工产物在转化形成中不需要酶催化,是培养分离纯化中,通过生物和非生物试剂修饰的代谢产物。在多数情况下,人工产物容易在天然产物亲电位点与亲核试剂或溶剂反应中产生。如植物代谢产物Palmatine在分离过程中与溶剂反应形成假碱化合物2和人工产物3-5。5产生于含氢氧化铵和三氯甲烷的常规提取过程。用甲醇萃取海绵Hyrtios产生人工产物6、7。用水溶液萃取海绵Zyzzya,产生8、9。在分离纯化过程中,10会氧化成11。另一方面,含亲核位点的天然产物与亲电试剂反应产生人工产物比较少见,如在含有甲醛的生长介质中,二聚体13来自化合物12(图3)。图3. 人工产物 2-5、7、9、11、13的形成 图片来源:J. Nat. Prod. [2]Chambers C. Hughes课题组得到的人工产物就是少见的第二类。他们从一株海洋链霉菌CNR-698中分离到Ammosamides系列化合物,这是已知天然产物中,“唯二”拥有吡咯[4,3,2]喹啉骨架的。研究发现,Ammosamides系列的部分化合物有多样生物活性,如细胞毒活性、靶向肌球蛋白、抑制醌还原酶等。已有报道显示Ammosamide B(15)已经完成了化学全合成。另一方面,Chambers C. Hughes课题组一直在寻找具有亲电特性的天然产物,技术上他们使用硫醇探针19和三乙胺进行探索。他们将硫醇探针19加入到链霉菌CNR-698萃取物中,产生一个单加合物20。由于硫醇探针上的溴原子也带入到20,凭借溴的同位素特征,通过高分辨质谱(HRMS)和核磁共振图谱(NMR)可以确定20的结构。通过反向合成分析,能判断出加合物20来源于Ammosamide C(16)。令他们奇怪的是,含有加合物20、探针19和三乙胺的混合物从红-紫色渐变为蓝色,经检测发现有Ammosamide A(14)和含溴化合物21形成。此前的细胞靶标研究发现,Ammosamide C(16)的亲电亚胺离子对于代谢物的生物活性很关键。但是16的细胞靶标和代谢机制还未阐明(图4)。图4 . Ammosamide A(14)和含溴化合物21形成 图片来源:J. Nat. Prod. [2]这些实验观察结果促使他们假设:Ammosamide C(16)是Ammosamides系列的前体。而这些Ammosamides系列化合物是人工产物,由非催化的、自发化学转化形成,是由于16上C-2位活跃的亚胺官能团亲电性引起的。他们设计实验来验证这个假设。在一个关键性实验中,少量16加入A1培养基,缓冲液pH为10以模拟发酵培养基的碱度。5天后产生Ammosamide B(15)和E(18)。pH调到6.8,对转化影响甚微。而且16在碳酸氢钠水溶液中可以清晰转化为15,用半胱氨酸处理16并调节pH值为10,16转化为Ammosamide B(15)、E(18)和A(14)。虽然,以前也有人推测14和15来源于16,但这是第一次在实验条件下展示这个转化过程(图5)。当然,凡事不能绝对,Chambers C. Hughes并不否定酶存在催化这一系列化合物转化的可能性。图5. Ammosamide A(14)、B(15)、C(16)、D(17)和E(18)的结构。图片来源:J. Nat. Prod. [1]Ammosamide C(16)在这一系列转化中重要性不言而喻。但是这个代谢产物在菌株CNR-698中产量甚微,且具有亲水性,使得有机溶剂和疏水性树脂无法萃取。他们在纯化萃取上下了一番功夫,尤其是浓缩过程中酸化(加三氟乙酸)保护天然产物,大幅度减少了人工产物的生成。通过16 L培养物获得了100 mg目标产物16。有了足够的Ammosamide C(16),他们继续设计实验,用不同的亲核试剂与之反应,以判断16的亚胺官能团反应活性,并获得足够数量的各种产物以便于进行完整的结构鉴定。用含胺的亲核试剂处理16产生了化合物23(n-丙胺和4-氯苯胺)和Ammosamide G(24),用含硫亲核试剂(n-乙酰半胱胺、乙硫醇和4-溴苯硫醇)处理16时,产生了化合物26-28,16转化为15只需提供最基本的水。他们假设这些转化都经过形成缩醛化合物22、25和29的过渡阶段,它们暴露在空气中被逐渐氧化。在惰性气体下进行反应时,可以看到清晰的颜色变化,伴随着两种缩醛的形成和随后的氧化(图6)。图6. Ammosamide C(16)通过缩醛22、25、29过渡阶段形成一系列人工产物。图片来源:J. Nat. Prod. [2]考虑到亲核试剂在自然界的存在具有广泛性,Chambers C. Hughes课题组认为:Ammosamides含有活跃的亚胺官能团可能代表一种策略。即能够使得Ammosamides骨架刻意多样化,进而产生能够显示多种生物学功能的一整类分子。随后,他们注意到Ammosamides B(15)在甲醇中长时间暴露于空气和阳光下,会转化为Ammosamides D(17)。这种转化现象在其它溶剂如四氢呋喃(THF)、二甲亚砜(DMSO)中未发现,表明这个转化需要质子化溶剂。这与先前的研究认为是酶催化产生化合物17形成了鲜明对比。Chambers C. Hughes课题组对他们得到的所有Ammosamides进行了针对HCT-116结肠癌细胞的细胞毒活性测试。Ammosamide C(16)和其丙胺加成物23显示中等细胞毒活性,Ammosamide A(14)、B(15)、D(17)的细胞毒活性非常小。有趣的是,带有脂肪族胺、乙胺和异丙胺的Ammosamide L和M,对癌细胞HCC44显示显著的细胞毒活性。这些结果表明这类化合物针对真核细胞的细胞毒活性,可能与其代谢产物生态功能有联系。他们也对Ammosamide A-C进行了抗菌活性测试,测试菌株为两类海洋来源菌,结果显示化合物16对Bacillus菌株有显著抑制作用。化合物16对海洋革兰氏阳性菌株有显著作用可能反应了这类天然产物的真实生态功能。总结(1)含有亲电位点的天然产物较少见,但是其生物活性好,结构多样化程度高,所以Chambers C. Hughes课题组一直致力于用他们设计的含硫探针和三乙胺去寻找这类化合物,所谓“工欲善其事,必先利其器”。(2)在研究分离自海洋链霉菌CNR-698的Ammosamides类化合物时,他们走心的发现探针19加入Ammosamide C(16)时,红-紫标记的混合物逐渐变蓝,期待的“红”-加成物20出现了,还意外出现了“绿”-Ammosamide A(14),且这个转化过程不需要催化完全自发进行。(3)于是,他们设计实验模拟微生物发酵培养下的条件,发现Ammosamide C(16)在弱碱或弱酸条件下,能自发转化为-Ammosamide A(14)、B(15)和E(18),说明14、15和18是人工产物。(4)为了模拟自然条件下存在的多种亲核试剂对Ammosamides的影响,在获得足够量Ammosamide C(16)的基础上,他们用含硫、含胺亲核试剂和水分别处理16,含胺试剂处理16产生了化合物23和Ammosamide G(24),含硫试剂处理产生化合物26-28,15则只需水就可以从16转化过来。他们还发现15在甲醇中长时间暴露于阳光和空气,会转化为Ammosamide D(17)。这样一来,除了16,其余全是自发转化产生的人工产物,实验结果呈现“绿肥红瘦”的景象。(5)最后,他们还测试了这类化合物的细胞毒活性和抗菌活性,推测这类化合物含有活跃的亚胺官能团,在自然条件下结构自发多样化,可能代表了一种自然策略,可以显示多种生物活性或生态功能(图7)。图7. Ammosamides 系列人工产物的形成 图片来源:J. Nat. Prod. [2]参考资料:1.http://hughes.ucsd.edu/2. Thiol-Based Probe for Electrophilic Natural Products Reveals That Most of the Ammosamides Are Artifacts, J. Nat. Prod., 2017, 80, 126-133, DOI: 10.1021/acs.jnatprod.6b00773导师信息:http://scrippsscholars.ucsd.edu/chughes/(本文由水村山郭供稿)

来源: X-MOL 2019-02-16

被“遗漏”的抗真菌分子连接三苯基膦基团可克服真菌耐药

世界上每年有超过3亿人发生真菌感染,每年约160万人因真菌感染而死亡,超过疟疾和结核病的总死亡率。目前临床上用于治疗真菌感染的药物种类有限,真菌耐药的广泛出现进一步加剧了真菌感染的治疗难度,因而开发新型抗真菌药物,发现克服真菌耐药的策略对治疗真菌感染具有重要意义。11月30日,Nature Communications 在线发表了山东大学药学院天然产物化学生物学教育部重点实验室娄红祥(点击查看介绍)研究组的论文,基于该团队长期以来对苔藓植物化学成分抗真菌活性的研究,报道了一种抗真菌药物发现的新方法,并借助该方法合成了一类对多种耐药类型真菌均具有强抑制作用的抗真菌剂。作者以致病真菌白色念珠菌为模型,首次通过建立荧光标记的野生菌和外排泵敲除菌共培养模型,对苔藓植物来源的萜类小分子库进行高通量筛选,发现了一批对敲除菌有活性而对野生菌无活性的化合物,即潜在外排泵底物(potential efflux pump substrates,PEPSs),而这类型化合物在传统的筛选策略中常被忽略。作者将这些化合物通过化学连接三苯基膦基团后即可变为对野生菌有效的抗真菌剂,并对多种耐药类型的真菌均表现出了强的抗真菌作用。该方法大大拓展了抗真菌的药物发现渠道,而且为克服真菌耐药提供了一种有效策略。该研究进一步通过化学修饰,得到一种与临床抗真菌药两性霉素B活性相当的杀菌剂IS-2-Pi-TPP,它可以有效清除对药物高度耐药的真菌被膜,并在小鼠皮肤真菌感染模型中表现出了好的治疗效果。该研究为抗真菌药物的发现提供了一种新途径。图1. PEPS共价连接三苯基膦克服真菌耐药的机制该研究工作由娄红祥教授团队的常文强副教授和博士生刘军等完成。山东大学药学院天然产物化学生物学教育部重点实验室为唯一作者单位。该研究工作得到了国家自然科学基金重点项目及面上项目等资助。该论文作者为:Wenqiang Chang, Jun Liu, Ming Zhang, Hongzhuo Shi, Sha Zheng, Xueyang Jin, Yanhui Gao, Shuqi Wang, Aiguo Ji, Hongxiang Lou原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此访问):Efflux pump-mediated resistance to antifungal compounds can be prevented by conjugation with triphenylphosphonium cationNat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-07633-9导师介绍娄红祥https://www.x-mol.com/university/faculty/23535 联系方式:louhongxiang@sdu.edu.cn

来源: X-MOL 2018-12-18

从天然产物中来,到Nature封面上去

Arylomycin是一类具有抗菌活性的大环脂肽类天然产物。近日,优化后的这类天然产物分子作为新一类抗生素登上了Nature 杂志封面,该文作者主要来自美国大名鼎鼎的基因泰克公司(Genentech)。Arylomycin的抗菌活性早已被发现,Christopher Heise与Peter Smith等作者在撰写这篇文章的时候并没有从化合物本身出发,而是从临床亟须解决的多重耐药(MDR)细菌入手。多重耐药细菌又称“超级细菌”,能够抵抗人类已经拥有的大部分抗生素,可引起严重甚至致命的感染,让病人面临无药可用的绝境。多重耐药细菌中的革兰氏阴性菌(Gram-negative bacteria)尤其难以对付,尽管无数大小制药企业努力攻关,投入了无数的资金和人力,但在过去50年里,还没有任何一类针对革兰氏阴性菌的新型抗生素获批上市,难度可见一斑。图片来源:Nature咱们首先得做一个简单科普。革兰氏阳性菌(Gram-positive bacteria)和革兰氏阴性菌是指对革兰氏染色反应分别产生阳性和阴性结果的细菌,它们的细胞壁具有不同的结构(下图)。革兰氏阴性菌具有两层膜结构,为其构成了严密防护,特别当这些细菌出现了多药耐药突变之后,问题就变得更加棘手,人类往往束手无策。图片来自网络基因泰克的科研团队针对这一世界性难题发起挑战。他们以具有抗菌活性的天然产物arylomycin为先导化合物进行了结构优化,得到了可有效杀死革兰氏阴性菌并且较arylomycin对耐药菌株活性提高500倍的分子G0775。本君今天就从该文章的学术内容角度简单分析一下。Arylomycin的抗菌活性是基于对信号肽酶(SPase)的抑制作用,这是前人研究的结果。但是,在革兰氏阴性菌中这个酶位于双层膜结构中间和内膜部分,这就使得arylomycin对革兰氏阴性菌的活性大为降低。那为什么基因泰克的科研团队坚持开发这个化合物而不是另起炉灶呢?我想这是许多同学关心的学术问题。重点来啦,他们从旁人的研究中得到了启示,arylomycin对于突变的革兰氏阴性菌信号肽酶LepB的结合力显著下降。这就说明,arylomycin这个化合物能透过双层膜结构的外膜,到达信号肽酶靶点!既然能过外膜、到靶点,那么提高化合物和靶点结合力就是了。这种事对药物化学工作者来说简直是家常便饭啦,特别是目标靶点还有晶体结构,那完全可以用上教科书里的各种药物设计手段实现“精准打击”,合理药物设计。具体的优化策略并不难,保留arylomycin与靶点结合的大环肽类结构,优化原有的脂肪肽链以提高活性,进一步引入亲电反应“弹头”氰基酰胺用于和靶点生成共价键,最后根据文献报道修饰两个酚羟基,最终得到了活性提高的新分子G0775。具体化合物结构如下图。图片来源:Nature结构优化得到的G0775对多种革兰氏阴性菌的抑菌活性还是非常突出的,全面超越原来的arylomycin(Table 1)。同时,G0775对耐药菌株的作用更是非常了得(Table 2)。这很可能解决抗生素研发领域的一大重要技术难题。图片来源:Nature讲完了药物对细胞表型变化影响(抑菌),就该聊聊机制了。这个套路在Nature 的文章中也不例外。作者主要从两个层面讲了G0775全新的作用机制。其一是化合物和靶点的作用形式;其二是阐述了G0775如何到达靶点。咱们先说第一点,既然化合物设计来自蛋白晶体结构,那么G0775与靶点的共晶结构自然备受期待。笑点来啦,作者原文明确写到,当初设计化合物的时候亲电“弹头”结构的引入是为了和靶点中的丝氨酸91(S91)形成共价键以增强结合力。结果,最后的共晶结果告诉我们,G0775与赖氨酸(K146)形成了共价键,没有S91什么事。为了更直接的验证这个事实,他们做了G0775与靶点混合后的质谱。结果依旧“打脸”,结合位点的确在LDYIKR肽段的赖氨酸。“歪打正着”也好,“幸运光环加身”也好,G0775与靶点的结合的确很强,酶动力学结果从具体数据层面证实了这一点(KI = 0.44 nM)。所以,各位同学如果你们要想证明自己的化合物和某个靶点的相互作用,可以从上述三个维度阐述问题,毕竟这是Nature 标准哦。至于另一个作用机制嘛,作者合成了一些带电荷的衍生物,又利用突变菌株证明了G0775并不是从极性物质常规的通道蛋白(porin)透过外膜的。这算不上什么特别的机制,作者也就没把实验结果放在正文部分。一句话,G0775不走寻常路。图片来源:Nature文章最后,作者给出了一些动物实验结果,当然这也是标准套路啦。在多种动物模型上评价了G0775对包括多重耐药菌在内的多种革兰氏阴性细菌感染的治疗作用。实验结果咱就不赘述了吧,能上Nature封面的文章结果自然差不了。图片来源:Nature照例,本君还是在最后斗胆点评几句。私以为,这篇文章最大的亮点就是对革兰氏阴性菌杀灭的全新机制。至于药物化学部分,作者并没有详述优化过程。在本君看来也并没有太多的新意,脂肪链的替换常见于各类脂质模拟物药物,看似精准的基于晶体结构的合理药物设计,在这个例子上更是带了几分幽默感。若是从药物开发的角度来讲,共价结合药物永远绕不开系统的毒性风险。当然,这么大的环再加上两个芳环,G0775的药代行为又会是怎样呢?反正没有药代数据和毒性数据已经发到顶刊封面了,不知道是基因泰克故意雪藏关键数据为其新药做准备,还是像本君担心的那样:风险均已兑现,忍痛毙项目发论文进行“废物利用”呢?大伙拭目以待吧。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):Optimized arylomycins are a new class of Gram-negative antibioticsNature, 2018, 561, 189-194, DOI: 10.1038/s41586-018-0483-6(本文由乐只君子供稿)

来源: X-MOL 2018-09-23

天然产物(+)-Stephadiamine的首次全合成

有机合成化学家几十年来一直在寻找合成吗啡与哈苏班纳生物碱的高效方法。Marshall Gates等人于1952年首次报道了吗啡(1)的合成,随后化学家陆续发表了三十多篇相关的合成论文。哈苏班纳生物碱Hasubanonine(2)于1951年由Konto等人完成首次分离,随后人们也报道了很多该分子的合成方法。然而,该系列分子中Stephadiamine(3)的合成却并未得到人们的重视,这种天然产物由Taga等人于1984年首次完成分离。Stephadiamine的绝对构型可通过其苯甲酰化产物的X射线单晶衍射得以确定。从结构上看,Stephadiamine拥有五环骨架,同时包含氮杂[4.3.3]螺桨烷结构,含有四个手性中心,包括一个苄位的季碳中心、两个相邻的顺式三级胺手性中心和一个苄位含氧的季碳手性中心。与Stephadiamine相关的天然产物。图片来源:J. Am. Chem. Soc.最近,德国慕尼黑大学的Dirk Trauner教授及其团队通过高效的串联过程构建了氮杂[4.3.3]螺桨烷核心骨架结构,由此首次完成了天然产物(+)-Stephadiamine的全合成。他们还通过关键Tollens反应和Curtius重排反应构建了空间位阻较大的α-氨基内酯。相关工作发表在J. Am. Chem. Soc. 上。作者对Stephadiamine进行了逆合成分析。起初的策略是在后期修饰阶段通过化合物4的分子内双胺化反应同时构建相邻的顺式三级胺和氮杂[4.3.3]螺桨烷骨架。含有二胺和环戊烯羧酸酯结构的化合物4可通过α,β-不饱和酯5的还原Aldol缩合反应制备。5可由已知化合物萘满酮6合成,6又可由商品化的羧酸7合成。Stephadiamine逆合成分析。图片来源:J. Am. Chem. Soc.商品化的羧酸7首先转化成酰氯,接着在AlCl3的催化下与乙烯发生环化,以两步48%的总产率得到萘满酮6。6接着在Stork反应的条件下与溴代乙腈进行烷基化反应,得到的中间体接着与氯甲酸烯丙酯反应,再进行脱羧Tsuji烯丙基化反应,以三步73%的总收率得到萘满酮8,8接着与丙烯酸甲酯进行烯烃复分解反应,以97%的产率得到中间体5。顺利得到5以后,作者紧接着探究还原Aldol反应构建五元环的过程,使用Stryker试剂时,作者仅仅得到中间体5双键的还原产物,同时生成内酯9和微量预期的Aldol产物10。作者还尝试了一些其他的氢源如L-Selectride等,然而只会增加内酯9的生成。萘满酮8的合成和Aldol缩合反应的尝试。图片来源:J. Am. Chem. Soc.为了得到含有腈类结构的中间体10,作者尝试先对5进行氢化,得到中间体11,再与原位生成的甲醇钠反应,以非常优秀的合并产率分离出两种新的产物。令人惊讶的是,这两种产物分别是吡咯烷酮16和相应的C-7差相异构体17,两种化合物都含有3的氮杂[4.3.3]螺桨烷核心骨架。饱和酯11在甲醇钠的作用下得到烯醇酯12,接着进行分子内的Aldol反应得到烷氧化物13,13中的氧负离子随后亲核进攻腈,再发生消除反应得到中间体15。15接着再进行分子内的氮杂Michael加成反应,得到吡咯烷酮16和相应的C-7差相异构体17。串联反应构建氮杂[4.3.3]螺桨烷核心骨架。图片来源:J. Am. Chem. Soc.他们尝试对16和17去质子化并与各种亲电胺化试剂反应,然而要么得到难以鉴定的化合物,要么原料未发生反应。作者还尝试了其他的方法来引入第二个氨基,但都没有成功。作者猜测化合物16和17在去质子化这一步可能出现了问题。为了提高两种化合物中α-H的酸性,作者将其中的酯还原为醛18,并在过量氢氧化钾的存在下与甲醛反应,得到二醇化合物19,接着在DDQ的氧化条件下顺利环化得到中间体20。20接着进行Ley氧化/Pinnick氧化/Curtius重排三步反应,以75%的总收率得到化合物21。顺利得到21后,他们只需要氧化四氢吡喃形成内酯,并发生胺的保护基消除,就可完成3的合成工作。作者意识到,由于分子中存在苄位C-H键以及富电子的芳香环,氧化反应非常具有挑战性。作者尝试筛选了RuO4、KMnO4、CrO3、DMDO等氧化剂,却没有得到任何氧化产物。经过一系列失败的氧化反应后,作者果断放弃了氧化的策略,转而先断裂C11–O键并氧化C8位形成羧酸,接着进行杂环的重新环化。化合物21在PtO2/H2、Pd-C/H2、TFA/Et3SiH和AcOH/Et3SiH的条件下都不能有效断裂C-O键。作者接着将目光转向研究将苄醚转化为烯烃的不同条件,最终使用BF3•OEt2和醋酸酐可有效将21转化为烯烃中间体22,22接着与Boc2O反应,再发生水解得到中间体23。23再经过Ley氧化得到中间体24,接着进行碘参与的氧化反应得到25。作者尝试多种其他的氧化条件都得到类似的氧化结果,然而在碘/甲醇体系下可以高产率地得到酯中间体26。二胺的构建。图片来源:J. Am. Chem. Soc.由于酯26很难水解,因此作者直接将其在NBS的条件下环化得到化合物28,28通过自由基反应脱溴得到29,29的构型通过X射线单晶衍射得以确定。化合物29再通过硼烷还原酰胺和消除Boc保护基两步反应,最终完成3的合成工作。(+)-Stephadiamine的最终合成。图片来源:J. Am. Chem. Soc.作者在进行消旋Stephadiamine合成的同时,也对手性合成过程进行了探索。他们从烯丙基碳酸酯31出发,尝试合成手性化合物(S)-8,通过钯催化的Tsuji不对称脱羧烯丙基化反应,筛选了包括配体在内的诸多反应条件,但是反应结果不是很理想,对映选择性最高只有66%。手性化合物(S)-8合成条件的筛选。图片来源:J. Am. Chem. Soc.受到List等人工作的影响,作者在探索优化化合物8的对映选择性时,尝试了非对称酮的直接官能化反应。他们对底物32进行了一系列的条件优化,最终权衡产率和对映选择性,催化剂B脱颖而出,最佳的反应浓度是0.01 M,最佳的温度是15 ℃,在该条件下,反应以63%的产率和93%的对映选择性得到产物8。手性化合物(S)-8合成条件的筛选。图片来源:J. Am. Chem. Soc.总结Dirk Trauner教授及其团队首次报道了Stephadiamine的全合成工作,整个合成过程就像一个故事一般跌宕起伏。此外,作者通过细致的条件筛选完成了关键中间体的催化不对称合成,为Stephadiamine及其类生物碱的手性合成奠定了坚实的基础。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)Total Synthesis of the Norhasubanan Alkaloid StephadiamineJ. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b01918

来源: X-MOL 2018-07-16

基于多样性合成策略的天然产物全合成

天然产物全合成是有机化学研究领域中重要的研究方向,不仅能够促进有机合成方法学的发展与进步,同时在创新药物的发现等方面也有着不可替代的重要作用。从1828年化学家维勒人工合成尿素开始,经过近200年的发展,有机合成化学取得了巨大的进步。然而如何简洁高效地合成天然产物,尤其是对一类结构相关的天然产物进行高效合成是目前合成化学家们面临的新的挑战和努力方向。针对这一问题,多样性全合成的策略近年来得到合成化学家的广泛关注,已经成为国际热点研究的方向之一。北京大学药学院、天然药物及仿生药物国家重点实验室的贾彦兴教授(点击查看介绍)团队自2007年以来主要从事天然产物的全合成研究,完成了50多种天然产物的全合成。鉴于该课题组在这一领域的贡献,化学领域权威综述Chemical Reviews 邀请该课题组在天然产物全合成领域撰写评论综述。多样性全合成的策略相比于传统的目标导向全合成(TOS)策略具有更高的步骤经济性,因而合成效率更高,如采用TOS策略,完成n个天然产物需要4n个步骤;而采用多样性全合成策略,以A作为中间体,需要2n+2个步骤;以B为中间体,仅需要n+3个步骤。可见,中间体越靠后,步骤经济性越好,合成的整体效率越高。多样性全合成策略相比于传统的目标导向全合成策略也更具有挑战性,想要从同一中间体实现多个天然产物的全合成,首先需要掌握多个目标分子的结构骨架特点、取代基、立体化学和氧化态及其生源合成等更多信息;其次,共同中间体的设计是最重要、也是最困难的步骤,不仅需要考虑后期该中间体能够方便地转化到多个目标分子,而且也需要高效地实现其合成。线性合成与多样性合成的比较多样性合成的三种策略经过对文献的收集整理与分析总结,该研究团队对2013-2017年间基于多样性合成策略的天然产物全合成的工作进行了综述。根据实现多样性的策略不同,他们将文献分为三大类,并在每类中按照天然产物的种类进行评述:(a)通过共同中间体的不同氧化还原过程实现多样性合成;(b)通过共同中间体的骨架重排实现多样性合成;(c)通过在共同中间体上连接不同的附属片段实现多样性合成。该论文以“Divergent Strategy in Natural Product Total Synthesis”为题发表在Chemical Reviews 上,文章的第一作者是北京大学的博士研究生李磊。该论文作者为:Lei Li, Zhuang Chen, Xiwu Zhang, Yanxing Jia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):Divergent Strategy in Natural Product Total Synthesis Chem. Rev., 2018, 118, 3752, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00653贾彦兴教授简介贾彦兴,1997年于兰州大学化学系应用化学专业获得理学学士;2002年兰州大学化学系有机化学专业理学博士(导师:涂永强),2002-2007年在法国国家科学研究中心天然产物化学研究所从事博士后研究(导师:祝介平);2007年回国加入北京大学药学院、天然药物及仿生药物国家重点实验室开展独立研究工作,2011年晋升为教授;研究领域包括天然产物全合成、发展合成方法学及药物化学的研究;以通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Med. Chem.、Org. Lett.、Chem. Commun. 等杂志上发表论文50多篇;曾获得中美化学与化学生物学教授联合会“杰出青年教授奖”、第十一届中国药学会-施维雅青年药物化学奖等奖项。http://www.x-mol.com/university/faculty/49663

来源: X-MOL 2018-06-05

天然产物(+)-sarcophytin的全合成

肉质软珊瑚是一类广为研究的肉兰属植物,其中可分离得到多种西松烷二萜类天然产物,几十年来一直都是合成化学家的研究热点。1998年,印度安德拉大学的Ammanamanchi Anjaneyulu等人从印度洋安达曼及尼克巴群岛的黄色皮革珊瑚中分离得到(+)-sarcophytin 1。随后一系列肉质软珊瑚家族的其他天然产物相继分离并表征,该类分子中包含顺-反-顺构型的十二氢菲核心骨架,C10位的三级醇与C3或C14位的酮可形成桥连的半缩酮结构。到目前为止,许多课题组已对C3位无酮官能团的chatancin 3进行了合成研究,但对于sarcophytin 1的合成尚无报道。最近,瑞士苏黎世联邦理工学院的Erick Carreira教授(点击查看介绍)从商品化的手性合成砌块出发,以烯酮作为亲双烯体、Z型的双烯酸酯作为双烯体,通过分子内的Diels–Alder环加成策略实现了(+)-sarcophytin 1及其对映异构体4的汇聚式合成。同时,他们还对(+)-sarcophytin的绝对构型进行了重新修正,由此确认了其正确结构。相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。图1. sarcophytin (1)及其衍生结构和逆合成分析。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.作者对4进行了逆合成分析,4中的C(11)-C(12)双键可以通过跨环的Diels–Alder反应进行构建。而在逆合成分析中一个关键的问题是,6中C(10)-C(11)双键的C(10)位能否引入一个羟基,同时产生不饱和酯5。四环中间体6可以从酯7通过Diels–Alder反应来构建。中间体7可以断裂为两个复杂程度相似的片段,从而实现汇聚式合成。中间体7中C(14)的构型对面选择性的控制至关重要,其构型会对C(4)、C(5)和C(13)的立体中心造成重要影响。此外,天然产物的C(12)位为sp2杂化,这就涉及中间体7中双烯酸酯需要选择顺式构型还是反式构型。考虑到天然产物中的C(1)位易于发生差向异构化,中间体7中也存在C(1)的构型需要选择R 还是S 的问题。这种逆合成分析思路可通过控制环加成反应的条件,将中间体7高效地转化为特定立体构型的6,因而具有灵活可控性。羟基烯酮9的制备已有文献报道,香茅醛10在PCC的作用下得到中间体11,接着在盐酸水溶液回流条件下发生异构化/逆Aldol缩合反应,以两步54%的总收率得到(S)-3-甲基环己酮中间体12。当作者使用大位阻的碱LDA或LiTMP时,目标产物环己烯基三氟甲磺酸酯13和副产物14的比例是2/1及3.4/1,而当使用NaHMDS作为碱,以二乙二醇二甲醚为溶剂,12与Comins试剂反应,以6/1的选择性得到主要产物13,13接着与丙烯酸甲酯发生Heck反应并水解,以59%的两步总收率得到反式的二烯酸15。为了合成顺式的二烯酸18,作者首先通过Negishi反应合成环己烯基炔基酯17,随后进行水解,并在Lindlar催化剂的催化氢化作用下顺利得到顺式二烯酸18。图2. 中间体15和18的合成。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.作者通过羟基烯酮ent-9分别与双烯体15和18发生DCC参与的酯化反应,合成了(E, anti )-19和(Z, anti )-19,两种中间体的C(1)位均是R构型。(E, anti )-19即使在150 ℃的加热条件下也不反应,(Z, anti )-19在100 ℃加热时能以54%的产率得到(1R,12S )-20中间体,然而中间体18与ent-9酯化得到的产物(Z, anti )-19产率较低,(E, anti )-19是主要副产物。作者还通过Mitsunobu反应合成了(E, syn )-19和(Z, syn )-19,其C(1)位均是S构型。(E, syn )-19即使在150 ℃加热条件下也不反应,而(Z, syn )-19在100 ℃的条件下就能以76%的产率得到(1S,12S)-20中间体。图3. Diels–Alder环加成反应。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.(1S,12S )-20继续进行烯烃环氧化反应,随后在DBU的作用下环氧开环得到烯丙醇中间体21,其构型通过X射线单晶衍射加以确定。21接着在碱性条件下,以K2S2O8作为氧化剂,在过渡金属盐RuCl3•nH2O的参与下发生内酯开环和醇羟基氧化反应,随后C(1)位发生原位差向异构化和半缩酮化,以64%的总收率得到中间体23。羧酸23进行酯化,最终完成了(+)-Sarcophytin的合成。图4. (+)-sarcophytin 1的全合成。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.分离得到的天然产物绝对构型一直存在一些疑问,这些怀疑来源于1中的十二氢菲核心骨架与其他同一家族的次级代谢产物如chatancin 3中C(5)、C(8)、C(10)和C(13)位置的立体中心为对映异构的关系。作者首先以(+)-sarcophytin 1中标注的绝对构型的分子为合成目标,以(R )-(-)-香芹酮和(R )-(+)-胡薄荷酮为起始合成原料,最终得到旋光值相反的产物(-)-sarcophytin 4。因此,该合成工作也证实了以往的怀疑,说明(+)-sarcophytin的构型应该是与该类家族天然产物其他成员的构型是一致的。——总结——Erick Carreira教授通过分子内的Diels–Alder环加成策略实现了(+)-sarcophytin 1的汇聚式合成,与此同时还重新确定了(+)-sarcophytin 1的正确结构。Z 构型的双烯酸酯作为合适双烯体可用于高立体选择性地构建十二氢菲核心骨架。其他西松烷二萜类天然产物分子的合成也在进一步的研究中。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):Total Synthesis of (+)-SarcophytinAngew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201711372导师介绍Erick Carreirahttp://www.x-mol.com/university/faculty/2773

来源: X-MOL 2018-01-17

天然产物(-)-sparteine及其结构类似物的克级规模全合成

天然产物sparteine(中文名:金雀花碱、鹰爪豆碱)及其结构类似物是不对称催化反应中常用的手性配体。Dieter Hoppe和Peter Beak课题组在上世纪90年代便报道了这类双胺化合物作为手性配体可与s-BuLi等有机锂试剂结合,实现不对称的去质子化过程。随后英国布里斯托大学的Varinder Aggarwal教授还利用这种不对称锂化过程制备手性硼试剂,设计了迭代同系链增长反应的流水线合成过程,由此进一步发展了sparteine及其结构类似物在不对称催化合成中的应用潜力。自然界中存在(-)-及(+)-sparteine两种构型,每种异构体可分别通过白羽扇豆碱进行拆分。相比之下,人们只实现了(+)-sparteine结构类似物的商品化,且成本较高。这类化合物只能通过天然产物萃取的方式获得,因而来源十分有限。因此,如果能实现该类天然产物的人工合成,许多问题便可以迎刃而解。在过去的几年里,许多研究团队都开展了(+)-和(-)-sparteine结构类似物的合成研究,然而这些路线要么步骤冗长合成不方便,要么选择性差,导致产率较低,最终仅可获得其中一种异构体。最近,英国约克大学的Peter O'Brien(点击查看介绍)等人分别以10步和8步线性步骤实现了(-)-sparteine及其类似物的克级规模合成,该合成路线无需天然产物原料的参与,且很好地实现了非对映选择性的控制,由此分别高效得到两种异构体。相应成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.作者首先对(-)-sparteine类似物进行了逆合成分析。该化合物可以从喹诺里西啶3出发,通过还原和N-甲基化反应来实现,而3可通过中间体2的Boc保护基消除以及胺对α,β-不饱和腈的共轭加成制得,最终逆推至简单的哌啶中间体(R)-1。将中间体(R)-1和(S)-1结合可以构建桥连亚甲基外的整个(-)-sparteine骨架。因此作者推测(-)-sparteine可通过二酯化合物5消除N-保护基、酰胺形成并还原来实现,而中间体5可通过(R)-1的烯醇式与(S)-1衍生α,β-不饱和酯的Michael加成来实现,因此(R)-1和(S)-1快速大量的制备是合成中较为关键的步骤。图1. (-)-sparteine及其类似物的逆合成分析。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.作者首先对(-)-sparteine类似物进行了全合成研究,首先利用文献已知的方法,2-吡啶乙酸乙酯发生吡啶氢化和Boc保护基修饰,以两步30 g规模、90%的总收率得到消旋中间体1。1在来自于洋葱伯克霍尔德菌的脂肪水解酶作用下进行动力学拆分,以49%的收率和98/2的对映选择性得到酯水解产物(S)-6,并以46%的产率和>99/1的对映选择性得到酯中间体(R)-1。(R)-1接着与2-溴甲基丙烯腈7进行烷基化反应,以93%的产率和优秀的选择性得到中间体2。中间体2接着进行Boc保护基消除和分子内的Michael加成环化反应,以两步84%的总收率和>19/1的非对映选择性得到环化产物3,其构型通过X射线单晶衍射加以确定。中间体3随后进行一锅法镍催化的氰基还原、内酰胺环化得到8,再进行N-甲基化和酰胺还原两步反应,以3.5 g规模得到最终的(-)-sparteine类似物。图2. (-)-sparteine类似物的合成。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.作者接下来对(-)-sparteine进行了全合成研究。(S)-6发生酯化得到(S)-1,该中间体在LiHMDS的作用下与Eschenmoser盐反应,以92%的产率和>99/1的非对映选择性得到胺中间体10,接着进行N-甲基化和DBU作为碱的的消除反应,以92%的产率顺利得到α,β-不饱和酯(S)-4。但令人失望的是,(R)-1对(S)-4的加成反应形成了复杂的混合物。为了解决这一问题,作者改变N原子修饰的保护基,苄基保护的(S)-11和(R)-12可分别以(S)-1和(R)-1作为原料高效地合成。(S)-11和(R)-12参与的加成反应可以得到很好的手性控制,经Michael加成、保护基消除并环化两步反应,以69%的总产率和>19/1的非对映选择性得到稠合的四环中间体13,13再进行还原和酸化,以1 g规模得到(-)-sparteine的硫酸盐产物。图3. (-)-sparteine的全合成。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.——总结——Peter O'Brien教授报道了天然产物(-)-sparteine及其结构类似物的克级规模全合成,产物的立体构型得到了很好的控制。该方法大大降低了sparteine及其类似物的商品化成本,为拓展该类结构在不对称催化合成中的应用奠定了重要的基础。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):Gram-Scale Synthesis of the (-)-Sparteine Surrogate and (-)-SparteineAngew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201710261导师介绍Peter O'Brienhttp://www.x-mol.com/university/faculty/45003

来源: X-MOL 2018-01-15

高氧化态对映-贝壳杉烯二萜的全合成:一类新型[5+2]串联反应的应用

香茶菜属植物广泛分布于亚洲,其提取物可用作传统中药,主要有抗菌、消炎、抗肿瘤等多种功效,目前已从中分离出超过1000个对映-贝壳杉烯二萜类天然产物,大部分具有中等到优异的抗肿瘤活性。该类四环二萜普遍含有[6,6,6,5]四环骨架,其中多个连续的手性中心和复杂多变的氧化态使其在全合成上具有很大的挑战。虽然目前已有不少漂亮的工作报道,然而其结构中特征的双环[3.2.1]辛烷骨架往往需要通过多步反应才能得以构建。最近,浙江大学化学系丁寒锋教授(点击查看介绍)课题组首次报道了一类新型[5+2]环加成串联反应,一步快速构建出双环[3.2.1]辛烷骨架,并应用该方法实现了四个高氧化态对映-贝壳杉烯二萜pharicin A、pharicinin B、7-O-acetylpseurata C 和pseurata C的首次不对称全合成。作者经过分析认为,对映-贝壳杉烯骨架(1)或许可由柏木烯骨架(2)出发,经C14(12→13)的Wagner–Meerwein重排得到(图1a)。受Pettus小组关于柏木烯类天然产物全合成的工作启发,作者推测乙烯基苯酚4a可在氧化去芳香化条件下获得两种[5+2]环加成中间体A和B。在中间体A中,侧链以反式进行加成,因此所形成的烯丙基碳正离子可迅速被羟基捕获,得到柏木烯骨架产物5a。与此同时,在中间体B中,由于空间构型的关系,侧链羟基无法直接捕捉碳正离子。因此他们设想,如果预先在苯酚6-位安装一个给电子基团(如OMe),或许可引发后续的pinacol型1,2-酰基重排反应构建出对映-贝壳杉烯骨架C,再经缩酮化后可得到产物6a(图1b)。图1. (a)推测的重排转化途径(b)串联反应设计思路。图片来源:Chem. Commun.基于以上设想,作者以4a为模型底物,对该[5+2]串联反应进行了条件筛选(图2)。首先在Pettus小组采用的Wessely条件下,原料大量分解,仅能获得少量的目标产物(entry 1)。经过对氧化剂、溶剂和温度的考察后,他们发现溶剂对反应结果起着极为重要的作用:当以PIFA为氧化剂、MeNO2为溶剂时,反应可以72%的收率专一性得到柏木烯骨架产物5a;而当以PIDA为氧化剂、HFIP为溶剂时,反应则以75%的收率选择性得到对映-贝壳杉烯骨架产物6a。值得一提的是,无论对于5a或6a,该串联反应均能够一步高效地构建出4个环和5个连续的手性中心(其中1个为季碳)。图2. [5+2]串联反应条件筛选 图片来源:Chem. Commun.随后,作者对[5+2]环加成/醚化串联反应进行了底物扩展(图3)。他们发现,反应均能以较好的收率获得柏木烯骨架产物(65–76%,5a–e)。从结果可以看出,芳环上取代基的电子效应对该反应基本没有影响。值得注意的是,当苯环3-位含有甲基时,能以更高的收率得到目标产物5f,可能是由于在反应过程中形成了更稳定的3°碳正离子。此外,侧链上多种取代基也体现出了良好的兼容性,以优异的收率和高选择性得到产物(65–76%,5g–j)。图3. [5+2]环加成/醚化串联反应的底物扩展 图片来源:Chem. Commun.接着,作者又对[5+2]环加成/pinacol型1,2-酰基重排串联反应进行了普适性研究(图4)。对于具有不同电子效应取代基的乙烯基苯酚底物,在标准条件下均能以中等到良好的收率得到相应的对映-贝壳杉烯骨架产物(52–81%;6a–b,6c',6d'以及6e–j)。总体而言,苯环上含有给电子基更有利于反应的进行。此外,作者还对侧链取代基进行了详细考察,反应也给出了令人满意的收率和非对映选择性(64–80%;6k',6q以及6l–o)。对结果进行分析,作者认为该选择性来源于反应过程中可降低侧链取代基与羰基空间斥力的exo 过渡态。随着侧链增长,由于Thorpe–Ingold效应下降,环己基并环产物6r'与6a相比收率有所降低。同时,三取代烯烃在该反应中依然具有很好的兼容性,分别以61%和57%的收率得到6u'和6v。图4. [5+2]环加成/pinacol型1,2-酰基重排串联反应的底物扩展。图片来源:Chem. Commun.在这些工作基础上,作者还通过控制实验对该串联反应机理进行了初步研究。在反应中加入自由基清除剂TEMPO或N-叔丁基苯基硝酮,4a仍能以良好收率转化为6b(图5a)。而在氧化自由基环化条件(FeCl3/DDQ)下,原料完全得到回收(图5b)。此外,对于侧链末端含有环丙烷结构的底物4w,在两种条件下均能获得环丙烷保留的螺环产物7(图5c)。上述实验可以排除自由基反应的可能,且证实了该串联反应是分步进行的。结合后期DFT计算分析,作者认为该反应可能经历了碳正离子过程,且计算结果与实际所观察到的溶剂效应一致。图5. 对反应机理的初步研究 图片来源:Chem. Commun.最后,为检验该方法学在合成中的应用潜力,作者还设计了一系列模型底物来构建天然产物或其类似物骨架结构(图6a)。其中值得一提的是,从含有端烯结构的乙烯基苯酚出发,所得产物8b与对映-贝壳杉烯骨架完全一致。图6. 四个对映-贝壳杉烯二萜天然产物的全合成。图片来源:Chem. Commun. & J. Am. Chem. Soc.在此基础上,该团队又运用该串联反应作为关键步骤实现了pharicin A、pharicinin B、7-O-acetylpseurata C 和pseurata C的全合成(图6b)。需要说明的是,这四个对映-贝壳杉烯具有高度的氧化态,在合成上挑战性很强,相关工作尚未有文献报道。作者从具有95% ee 的原料9出发,经5步常规转化得到烯醛10,再与芳基锂试剂发生1,2-加成反应可获得串联反应底物12。在PhI(CF3CO2)2/K2CO3条件下,12经[5+2]环加成/pinacol型1,2-酰基重排串联反应成功得到二酮13。值得一提的是,K2CO3在该反应中十分关键,可避免弱酸性条件下底物转化为邻亚甲基苯醌副产物,使反应收率提升至70%,并实现克级规模合成。最后,再经简短官能团转化,以14–16步反应、约6%的收率完成了以上四个天然产物的首次不对称全合成。该工作发表后被Synfacts 重点评述(Synfacts, 2017, 13, 674),并受到“Organic Chemistry Portal”(Dec. 4, 2017)专题报道。以上研究成果近期分别发表在Chem. Commun. 和J. Am. Chem. Soc. 上,文章的第一作者是浙江大学博士研究生何驰。1. 该论文作者为:Chi He, Zengbing Bai, Jialei Hu, Bingnan Wang, Hujun Xie, Lei Yu, Hanfeng Ding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 divergent [5+2] cascade approach to bicyclo[3.2.1]octanes: facile synthesis of ent-kaurene and cedrene-type skeletonsChem. Commun., 2017, 53, 8435-8438, DOI: 10.1039/c7cc04292b2. 该论文作者为:Chi He, Jialei Hu, Yubing Wu, Hanfeng Ding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):Total Syntheses of Highly Oxidized ent-Kaurenoids Pharicin A, Pharicinin B, 7-O-Acetylpseurata C, and Pseurata C: A [5+2] Cascade ApproachJ. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 6098-6101, DOI: 10.1021/jacs.7b02746导师介绍丁寒锋http://www.x-mol.com/university/faculty/26768

来源: X-MOL 2018-01-05

Angew热门文章:溴苯去芳构化指导天然产物lycoricidine和narciclasine的全合成

从石蒜科植物中提取出的异喹诺酮类生物碱是具有生物活性的一类重要天然产物,其中lycoricidine、narciclasine、7-deoxypancratistatin以及pancratistatin(1-4)等都具有十分明显的抗癌作用,对多种癌细胞表现出亚微摩尔的抑制活性。从结构上讲,这些生物碱具有高度官能化的氨基环醇母核结构,lycoricidine(1)与narciclasine(2)具有四个连续的立体手性中心,7-deoxypancratistatin(3)与pancratistatin(4)则存在六个。这类结构具有潜在的肿瘤抑制相关性,但在自然界中丰度很低,相关代谢产物的化学合成引起化学界的广泛关注。图1. 天然产物lycoricidine(1)、narciclasine(2)、7-deoxypancratistatin(3)和pancratistatin(4)的结构。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.目前人们已经报道了一些该类分子的合成方法,合成过程中需要借助去芳构化策略获得多官能化的环己烯或环己基结构,但实际操作中可行的转化反应十分有限,只有Tomas Hudlickly和Martin Banwell等人成功报道了微生物促进的芳香烃氧化过程实现了这一转化。最近,美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的David Sarlah教授(点击查看介绍)课题组成功发展了一种溴苯去芳构化双羟基化的反应,随后通过Suzuki偶联及开环构建关键的双芳基二氢二醇中间体,进而通过后续转化实现天然产物lycoricidine和narciclasine的全合成。该工作提供了一种高效的策略构建4-芳基取代的顺式二氢二醇,相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。David Sarlah教授。图片来源:UIUC作者此前报道了一种亲芳香体参与溴苯的去芳构化双羟基化反应,可以作为微生物促进芳香烃发生氧化的很好补充。溴苯发生双羟基化后可以得到溴-3,4-二氢二醇(6),可作为合成lycoricidine和narciclasine的良好砌块。他们设想这两种天然产物可以从溴苯和硼酸8出发,通过Suzuki偶联及其中两组烯烃的转化构建所需的顺式1,2-二醇和顺式1,4-氨基二醇结构。同时,为了提高去芳构化过程的原子经济性以及合成的总产率,作者认为亲芳香体MTAD和溴苯通过Narasaka-Sharpless双羟基化反应可以得到所需的双羟基联苯中间体11。其中芳基硼酸与去芳构化的二醇产物缩合得到环硼酸酯10,随后发生Suzuki偶联以及逆[4+2]反应得到目标中间体11。图2. 去芳构化反应和逆合成分析。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.作者首先考察溴苯与MTAD在可见光的作用下发生的Narasaka-Sharpless双羟基化反应,随后加入OsO4、硼酸8、NMO,以63%的产率得到双环中间体10a。作者随后对10a的Suzuki偶联反应进行了条件筛选,最终在Pd(dppf)Cl2/Et3N/THF的条件下得到最好的结果,以54%的产率得到偶联产物12,微量的水对硼酸酯的预水解、进而发生转金属化具有促进作用。12在酸催化下与2,2-二甲氧基丙烷反应,以86%的产率得到双羟基异丙叉基保护的产物13,接着在CuCl2/KOH的存在下加热发生逆[4+2]并水解得到中间体11a'。11a'发生亚硝基Diels–Alder反应和N-O键的还原断裂可以构建所需的1,4-顺式氨基醇中间体15。实验发现在亚硝基Diels–Alder反应中,亚硝基的电性对反应的选择性影响很大,芳香亚硝基化合物在环加成过程中可以专一性地得到所需的异构体,而乙酰基或烷基亚硝基修饰的物种参与反应则得到构型相反的异构体。15接着进行苯酚保护基消除得到酚中间体16,进一步氧化裂解消除氨基的保护基并发生缩酮水解两步保护基消除过程得到最终的天然产物lycoricidine (1)。其核磁共振表征与质谱分析结果与天然产物报道的数据一致。15进行醇羟基的硅烷保护得到中间体17,并通过Uchiyama反应进行原位乙酰基化,以50%的产率得到18。18接着进行四种经典的保护基消除过程得到最终的天然产物narciclasine (2)。图3. lycoricidine和narciclasine的天然产物全合成。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.鉴于去芳构化双羟基化反应是构建双芳基顺式二氢二醇化合物的重要方法,作者对该反应的底物普适性进行了考察,其底物适用范围广,苯环上取代基的电性和位阻对反应影响很小,不同底物都能以优秀的产率得到目标产物。图4. 双芳基顺式二氢二醇化合物的合成。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.——总结——David Sarlah教授课题组分别以7步和10步反应完成了天然产物lycoricidine和narciclasine的全合成。他们发展的溴苯的去芳构化反应是整个合成路线的关键步骤,提供了一种简单普适的策略构建多种不同的4-芳基取代的顺式二氢二醇化合物。该工作对快速高效合成相关结构的生物碱天然产物具有重要的指导意义。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):Total Synthesis of Lycoricidine and Narciclasine by Chemical Dearomatization of BromobenzeneAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 15049, DOI: 10.1002/anie.201709712导师介绍David Sarlahhttp://www.x-mol.com/university/faculty/203

来源: X-MOL 2017-12-02
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