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Science:利用氧化光環(huán)化策略實(shí)現(xiàn)Securiflustra securifrons生物堿的合成

來源:化學(xué)加原創(chuàng)      2024-03-07
導(dǎo)讀:Securines和securamines是一種細(xì)胞毒性生物堿,其含有活性烯烴和嵌入骨架的雜環(huán),且由四到六個(gè)氧化環(huán)所組成。這種結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性賦予了分離物豐富的化學(xué)性質(zhì),但在分離后的近三十年中阻礙了對(duì)這些分離物的合成。近日,美國(guó)耶魯大學(xué)(Yale University) Seth B. Herzon課題組發(fā)展了一個(gè)靈活的反應(yīng)途徑分別實(shí)現(xiàn)了其三類骨架的八個(gè)分離物的合成。該策略由疊氮化物38和49的模塊化組裝(13步,產(chǎn)率6-10%)開始,通過連續(xù)的氧化光環(huán)化和后期官能團(tuán)修飾進(jìn)行。利用此方法,僅需17-19步反應(yīng),12-13次純化,就可以0.5-3.5%的總收率得到目標(biāo)產(chǎn)物。此外,作者還使用微晶電子衍射(MicroED)對(duì)一種中間體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。文章鏈接DOI: 10.1126/science.adl6163。

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(圖片來源:Science

正文

Bryozoa是結(jié)構(gòu)多樣的鹵化次生代謝物的豐富來源。1996年,Christophersen課題組報(bào)道了對(duì)bryozoan Securiflustra securifrons提取物中securamines A(1)和B(2)的結(jié)構(gòu)表征(Fig. 1A)。隨后,化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了具有細(xì)胞毒性的六環(huán)bis(aminal)分離物securamines D(3)和C(4),以及在C2-C3鍵上氧化態(tài)不同的相關(guān)分離物[如securamine G(5)]或吲哚啉上的鹵化產(chǎn)物[如securamine I(6)]。盡管它們的結(jié)構(gòu)相對(duì)較小,但這些生物堿的化學(xué)合成具有很大的挑戰(zhàn),包括不穩(wěn)定的順式烯酰胺、新戊基仲烷基氯、堿性鹵代咪唑和鹵代吲哚啉等。最近,美國(guó)耶魯大學(xué)Seth B. Herzon題組發(fā)展了一個(gè)靈活的反應(yīng)途徑反別實(shí)現(xiàn)了securines和securamines的三類骨架的八個(gè)分離物的合成(Fig. 1)。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),收獲更多商業(yè)合作機(jī)會(huì)。

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(圖片來源:Science

首先,作者利用Weinreb課題組合成chartelline C(9)時(shí)的方法來合成醛1(Fig. 2A)。利用商業(yè)可得的4-乙腈基咪唑20與NaH和BOMCl (benzyl chloromethyl ether)反應(yīng)可以以80%的產(chǎn)率得到N1-BOM異構(gòu)體21(800 mg規(guī)模)。此外,當(dāng)將此反應(yīng)放大至10 g規(guī)模時(shí)仍可以以60%的產(chǎn)率得到21。隨后,21在KOtBu和CH3I存在下發(fā)生甲基化,以94%的產(chǎn)率得到α-季碳腈22(6.5 g 規(guī)模)。22通過與BnN(CH3)3Br3的位點(diǎn)選擇性溴化以69%的產(chǎn)率得到C5-溴咪唑23(2.0 g 規(guī)模)。23與烯基錫試劑24通過鈀催化的Stille偶聯(lián)以92%的產(chǎn)率,以單一的順式非對(duì)映體得到烯醇醚產(chǎn)物25(3.9 g 規(guī)模)。25通過去質(zhì)子化和CBr4溴化得到C2-溴咪唑,其可以通過Schwartz’s試劑對(duì)腈還原以87%的產(chǎn)率得到醛18

利用2-碘苯腈,通過三步可以以51%產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)β-酮磷酸酯17的合成。而1718可以通過Masamune-Roush烯基化實(shí)現(xiàn)偶聯(lián),以91%的產(chǎn)率,單一的(E)-非對(duì)映異構(gòu)體得到相應(yīng)的α,β-不飽和酮26(3.0 g 規(guī)模)。α,β-不飽和酮26通過烯醇醚的水解以及與碘乙酰胺19加成可以以兩步87%的產(chǎn)率得到消旋的大環(huán)前體27(3.1 g 規(guī)模)。27經(jīng)歷堿介導(dǎo)的環(huán)化得到大環(huán)內(nèi)酰胺28(19:1 dr),并通過NOE效應(yīng)分析結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬,確定了C2和C20中心的相對(duì)構(gòu)型。

在涉及重構(gòu)12元大環(huán)內(nèi)環(huán)酰胺28中幾乎所有官能團(tuán)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化過程中,作者發(fā)現(xiàn)28在23 oC無水鹽酸-二氧六環(huán)溶液(4.0 M)中溶解,以單一的非對(duì)映體得到氯化的1-氮雜雙環(huán)[7.3.0]十二-2,10-二烯29。當(dāng)該反應(yīng)在0 oC的甲苯和二氧六環(huán)的混合溶液中反應(yīng)時(shí),反應(yīng)速率降低,并且可以用LC-MS鑒定轉(zhuǎn)化中涉及的中間體(Fig. 2B)。這些研究表明,異丙氧基的初始取代得到30。30通過烯酮的氫-氯化(3031)以及隨后的消除(3132)得到烯胺,其可以經(jīng)歷縮環(huán)得到β,γ-不飽和-γ-內(nèi)酰胺33。33經(jīng)歷互變異構(gòu)得到羥基吡咯34,并通過C12質(zhì)子化得到觀察到的產(chǎn)物29?;诂F(xiàn)有數(shù)據(jù),也不能排除經(jīng)歷35的反應(yīng)過程。

在其它可還原官能團(tuán)存在的情況下,硝基芳烴29通過與四羥基二硼和4,4'-聯(lián)吡啶的選擇性還原得到復(fù)雜的內(nèi)酰胺產(chǎn)物15。由于很難獲得分析純的中間體2829,作者在規(guī)?;苽鋵?shí)驗(yàn)中并沒有對(duì)其進(jìn)行提純。經(jīng)1H NMR分析,從27經(jīng)歷三步可以以49%的產(chǎn)率得到內(nèi)酰胺15(> 20:1 dr,2.6 g規(guī)模)。其中包括1)堿介導(dǎo)的環(huán)化;2)氫氯化、烯胺形成、擴(kuò)環(huán)、互變異構(gòu)/芳構(gòu)化、質(zhì)子化(Fig. 2B);3)硝基的選擇性還原。接下來,芳胺15與TBSOTf和2,6-lutidine反應(yīng)得到硅醚吡咯36,其與四氯化錫在-78 oC反應(yīng)得到β,γ-不飽和-γ-內(nèi)酰胺37, 1512-epi-15(3:2:1)。遺憾的是,作者嘗試使用Lewis酸或Br?nsted酸來誘導(dǎo)37的環(huán)化時(shí)均僅得到15,表明15是熱力學(xué)穩(wěn)定的立體異構(gòu)體(Fig. 2C)。

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(圖片來源:Science

接下來,由N-芳基疊氮化物的最新光化學(xué)進(jìn)展和N-芳基乃春插入脂肪族C-H鍵中獲得啟發(fā),作者設(shè)想通過C-H胺化來構(gòu)建N13-C12鍵,從而獲得順式吡咯吲哚啉骨架(Fig. 3A)。當(dāng)15在Crabtree催化劑催化下進(jìn)行氫化反應(yīng),并通過與4-硝基苯甲酰氯的?;梢砸?9%的產(chǎn)率得到39。盡管核磁分析結(jié)果可以證明反應(yīng)經(jīng)歷了想要的立體選擇性,但作者還是嘗試?yán)肵-射線單晶衍射進(jìn)行驗(yàn)證。然而,由于該化合物為薄的微晶片狀,因此不適合常規(guī)晶體學(xué)研究。于是作者通過微晶電子衍射(MicroED)證實(shí)了BOM醚在固態(tài)中填充了四個(gè)構(gòu)象,這也解釋了作者無法生長(zhǎng)出單晶的原因。

15通過連續(xù)氫化以及與tBuONO和TMSN3反應(yīng)可以以64%的產(chǎn)率得到疊氮化物38。其在紫外光照射下可以以43%的產(chǎn)率的得到N5-BOM securamine A (14)(5:1 Z/E)。隨后在BCl3存在下脫除BOM并將吡咯吲哚啉開環(huán)為吲哚,可以以70%的產(chǎn)率得到securine A(17步,12次純化,3%總產(chǎn)率),且天然的和合成的securine A在DMSO-d6中的核磁共振波譜數(shù)據(jù)一致。此外,當(dāng)將疊氮化物38首先與BCl3反應(yīng)可以以86%的產(chǎn)率得到NH咪唑40,其在紫外等照射下可以以16%的產(chǎn)率得到securamine A(17步,12次純化,1.4%總產(chǎn)率)。將N5-BOM securamine A (14)在可見光引發(fā)下可以得到溴化物45和咪唑啉酮46。46可以經(jīng)歷水的取代以及隨后的BCl3脫保護(hù)可以以27%的產(chǎn)率得到securamine D (3)(18步,12次純化,2.7%總產(chǎn)率)(Fig. 3B)。

通過對(duì)β-酮膦酸酯17中的芳烴進(jìn)行修飾,預(yù)計(jì)可獲得更多的securamines(Fig. 3C)。作者首先利用醛18通過六步以24%的產(chǎn)率得到C16溴代苯胺48。其通過還原和疊氮轉(zhuǎn)移可以以64%的產(chǎn)率得到疊氮產(chǎn)物49。49在利用BCl3脫芐氧基甲基醚后實(shí)現(xiàn)C-H胺化可以以29%的產(chǎn)率得到Securamine B (2)(17步,12次純化,1.8%總產(chǎn)率)。此外,當(dāng)先經(jīng)歷C-H胺化再經(jīng)歷脫保護(hù)可以以55%的產(chǎn)率得到securine B (8)(17步,12次純化,3.5%總產(chǎn)率)。對(duì)Securamine B (2)進(jìn)行直接的光氧化可以以22%的產(chǎn)率得到securamine C (4) (18步,12次純化,1.4%總產(chǎn)率)。在securamine C (4)中加入Bu4NBH4可以以50%的產(chǎn)率得到securamine G (5)(19步,13次純化,0.7%總產(chǎn)率)。此外,對(duì)securamine C (4)進(jìn)行溴化可以以34%的產(chǎn)率得到securamine I (6)(19步,13次純化,0.5%總產(chǎn)率)。

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(圖片來源:Science

總結(jié)

Seth B. Herzon題組實(shí)現(xiàn)了securines和securamines中三類骨架的八個(gè)分離物的合成。其中氫-氯化串聯(lián)(2829)可以在一步中將許多具有挑戰(zhàn)性的官能團(tuán)引入到分子內(nèi),同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了中間體骨架的有效重塑。此外,連續(xù)的光化學(xué)C-H胺化和單線態(tài)分子氧的環(huán)加成可以快速構(gòu)建吡咯吲哚啉骨架和六元環(huán)骨架。此胺化方法將為此類亞結(jié)構(gòu)的合成提供通用的策略。此外,此研究也證實(shí)了MicroED可以作為復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)測(cè)定不可或缺的工具。

文獻(xiàn)詳情:

Brandon W. Alexander, Noah M. Bartfield, Vaani Gupta, Brandon Q. Mercado, Mark Del Campo, Seth B. Herzon*. An oxidative photocyclization approach to the synthesis of Securiflustra securifrons alkaloids. Science, 2024, 383, 849-854. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl6163.

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