3-烷基哌啶(吡啶)生物堿(又稱manzamine生物堿)是一類具有廣譜生物活性和新穎結(jié)構(gòu)的生物堿,一些具有代表性的3-烷基哌啶(吡啶)生物堿包括manzamine,ingenamine,haliclonin以及今天所要介紹的halicyclamine生物堿等。它們擁有相似的生源合成途徑,Baldwin和Whitehead以及Marazano分別提出過(guò)他們的生源合成假說(shuō)。
Baldwin-Whitehead假說(shuō)認(rèn)為部分還原的雙-3-烷基二氫吡啶大環(huán)化合物A可以發(fā)生分子內(nèi)DA反應(yīng)從而得到五環(huán)亞胺陽(yáng)離子中間體B。B發(fā)生還原則可以得到keramaphdine類生物堿。若發(fā)生異構(gòu)則可以得到新的亞胺陽(yáng)離子C,C經(jīng)水解,開(kāi)環(huán)便可以得到manzamine生物堿。若B發(fā)生逆Manich反應(yīng),斷裂橋頭的C-C鍵則可以得到halicyclamine類生物堿。Baldwin在1998年也采取仿生的DA反應(yīng)合成了keramaphdine B(收率為0.2-0.3%),盡管收率不高,證明了他們的生源合成假說(shuō)的可行性。
而Marazano則認(rèn)為大環(huán)胺基戊二烯醛衍生物G或者F是關(guān)鍵中間體,經(jīng)跨環(huán)Micheal加成或插烯Mannich反應(yīng)來(lái)形成四環(huán)或五環(huán)化合物。Marazano也在1999年采取仿生合成的方式合成了halicyclamine B的雙哌啶骨架,一定程度上也證明了它們的生源合成假說(shuō)的可行性。
圖1. 兩種3-烷基哌啶生物堿的生源合成假說(shuō)(圖片來(lái)源:Angew. Chem. Int. Ed.)
Halicyclamine生物堿就是上述譜系中的一類生物堿。它們擁有廣譜的生物活性,可以抗真菌,抗細(xì)菌,也可以作為細(xì)胞毒劑。例如halicylcamine A (1) 可以抑制結(jié)核分枝桿菌H37Ra的生長(zhǎng),這類生物堿是潛在的一類抗結(jié)核藥物。但是這類四環(huán)生物堿還未有合成報(bào)道,合成上的挑戰(zhàn)和化學(xué)生物學(xué)上的前景促使作者對(duì)epi-tetradehydrohalicyclamine進(jìn)行了合成研究。
圖2. 代表性的四環(huán)halicyclamine生物堿及相關(guān)的吡啶鹽物種(圖片來(lái)源:Angew. Chem. Int. Ed.)
作者以tetradehydrohalicyclamine B (6)和epi-tetradehydrohalicyclamine B (7)作為目標(biāo)分子,提出了逆合成分析(圖3)。由于目標(biāo)天然產(chǎn)物etradehydrohalicyclamine B (6)和epi-tetradehydrohalicyclamine B (7)中存在吡啶鹽結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生還原,水解,開(kāi)環(huán)等反應(yīng),于是作者計(jì)劃通過(guò)H的N-烷基化這種溫和的反應(yīng)來(lái)形成大環(huán)及吡啶鹽。H則可以由I經(jīng)酰胺的α-烷基化獲得。I則可以追溯到兩個(gè)簡(jiǎn)單的片段J和K,并通過(guò)RCAM(大環(huán)炔烴復(fù)分解反應(yīng))構(gòu)建I中的大環(huán)。
圖3. 逆合成分析(圖片來(lái)源:Angew. Chem. Int. Ed.)
作者首先從3,5-二溴吡啶 (8)出發(fā)嘗試合成10。然而在鈀、鎳、銅或鐵等催化作用下均不能得到目標(biāo)產(chǎn)物10。吡啶毒化催化劑是一種可能的原因。隨后使用3-溴吡啶11與鋅試劑進(jìn)行偶聯(lián)可以順利得到3-烷基吡啶12。但是對(duì)12進(jìn)行吡啶C-5位的溴化和硼化都無(wú)法成功。由于吡啶-3位的偶聯(lián)反應(yīng)性較差,最終作者另辟蹊徑,首先將3,5-二溴吡啶8制成格氏試劑13,與活性更高的烯丙基溴反應(yīng)得到了烯丙基取代的吡啶15,再對(duì)15的末端烯烴進(jìn)行官能團(tuán)化,將其轉(zhuǎn)變?yōu)榱思谆财?,得到了片?/span>10。
圖4. 片段10的合成(圖片來(lái)源:Angew. Chem. Int. Ed.)
隨后作者對(duì)另外一個(gè)片段J進(jìn)行合成,首先是嘗試從2-哌啶酮出發(fā),經(jīng)3步簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化為了已知的Michael受體17。然而17與一系列的金屬試劑,包括格氏試劑、鋰試劑以及硼試劑的反應(yīng)均不能得到目標(biāo)產(chǎn)物21(圖5)。于是,作者采取了極性反轉(zhuǎn)的策略,將17轉(zhuǎn)化為了硼試劑18,然而作者使用硼試劑18與10進(jìn)行偶聯(lián)時(shí)也失敗了,無(wú)法得到目標(biāo)產(chǎn)物21。最終作者將硼試劑18轉(zhuǎn)化為了19,采取了最新的光催化的,Ni/Ir雙金屬催化的偶聯(lián)反應(yīng),19在Ir催化劑作用下首先形成烷基自由基,10也與Ni催化劑發(fā)生氧化加成生成芳基Ni物種,隨后芳基Ni物種與烷基自由基反應(yīng),再經(jīng)過(guò)還原消除,最終以60%的收率順利的得到了21。
圖5. 化合物21的合成(圖片來(lái)源:Angew. Chem. Int. Ed.)
隨后使用TFA脫除N-Boc,再通過(guò)N-烷基化可以順利的得到二炔化合物23。Alois Fürstner教授課題組對(duì)RCAM(大環(huán)炔烴復(fù)分解反應(yīng))進(jìn)行過(guò)很多的研究,發(fā)展了很多的催化劑以實(shí)現(xiàn)RCAM反應(yīng)。在[Mo]催化劑29的作用下,23可以發(fā)生RCAM反應(yīng)得到24,隨后與28進(jìn)行酰胺的α-烷基化得到25。23也可以先進(jìn)行酰胺的α-烷基化反應(yīng)生成26,再發(fā)生RCAM反應(yīng)得到25??偟氖章噬?,23先發(fā)生RCAM再進(jìn)行酰胺的α-烷基化反應(yīng)的收率會(huì)更高一些(圖6)。
圖6. 大環(huán)炔烴復(fù)分解反應(yīng)合成25(圖片來(lái)源:Angew. Chem. Int. Ed.)
作者也通過(guò)單晶X-衍射實(shí)驗(yàn)確定了24的結(jié)構(gòu)(圖7)。通過(guò)該單晶結(jié)構(gòu),可以知道內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)采取的半椅式的構(gòu)象,由于內(nèi)酰胺的剛性和平面性,RCAM反應(yīng)前體化合物23中的內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)也必定是半椅式構(gòu)象,才能滿足大環(huán)化反應(yīng)的構(gòu)象。這也表明酰胺結(jié)構(gòu)在對(duì)于23的RCAM反應(yīng)是非常必要的。
圖7. 大環(huán)炔烴復(fù)分解反應(yīng)產(chǎn)物24的單晶結(jié)構(gòu)(圖片來(lái)源:Angew. Chem. Int. Ed.)
隨后作者開(kāi)始了最后一個(gè)大環(huán)的合成工作,水和醋酸鎳的催化作用下,可以順利還原炔為順式烯烴得到30。隨后使用Vaska催化劑還原酰胺為烯胺,再使用氰基硼氫化鈉還原烯胺便可以得到叔胺32。使用TBAF脫除硅基保護(hù)基再碘代,得到烷基碘物種33,最后在乙腈中回流便可以自發(fā)得到目標(biāo)天然產(chǎn)物epi-tetradehydrohalicyclamine B (7),產(chǎn)率49%(圖8)。
圖8. epi-tetradehydrohalicyclamine B (7)的全合成(圖片來(lái)源:Angew. Chem. Int. Ed.)
總結(jié) Alois Fürstner教授課題組首先分別合成了兩個(gè)六元環(huán)片段10和19,吡啶基團(tuán)的存在往往會(huì)影響各種化學(xué)反應(yīng),然而作者采取了一系列方法以克服吡啶衍生物的活性過(guò)低的問(wèn)題,更是采取光催化的偶聯(lián)反應(yīng)得到了21。作者采取了自己課題組發(fā)展的RCAM策略構(gòu)建了大環(huán),最后通過(guò)分子內(nèi)大環(huán)親核取代反應(yīng)構(gòu)建含吡啶鹽的大環(huán),最終首次合成了epi-tetradehydrohalicyclamine B (7),也為后續(xù)化學(xué)生物學(xué)的研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
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