一个月内天然产物全合成再登《自然》：银杏叶中白果内酯的高效不对称合成

一个月内天然产物全合成再登《自然》：银杏叶中白果内酯的高效不对称合成
2019/10/23 7:30:00 学术经纬





     ▎学术经纬/报道

     翻开化学发展史的花名册，有一位化学家理应画上浓墨重彩的一笔。人们回忆那时的他：喜欢收集蓝色的领带；烟瘾成性，哪怕做实验也毫不避讳；谈起化学便滔滔不绝，一次演讲可长达3个小时。他便是伍德沃德(Robert Burns Woodward)先生，有人称他为“现代有机合成之父”，或许并不夸张。伍德沃德先生完成了数十类结构复杂、难度极高的有机化合物的合成与结构解析，对现代有机合成化学产生了深远的影响，也因此获得1965年的诺贝尔化学奖。全合成(total synthesis)这一术语便应运而生。美国化学会(ACS)旗下的《化学与工程新闻》(C&EN)杂志不惜笔墨，曾多次以封面文章的形式褒奖他在有机化学中的贡献。

     ▲《化学与工程新闻》的往期封面(图片来源：参考资料[1])

     说到全合成，不久以前，美国加州理工学院(California Institute of Technology)Sarah E. Reisman教授在顶级学术期刊Nature上刊登了二萜天然产物(+)-perseanol的全合成工作(天然产物全合成跻身《科学》后再登《自然》，Reisman教授梅开二度)。不到一个月时间，Nature期刊再次以同行评议(peer-reviewed)文章的形式发表了另一项该领域的重要研究成果。美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute，TSRI)的Ryan A. Shenvi与Masaki Ohtawa教授合作，共同报道了银杏叶提取物白果内酯((-)-bilobalide，1)的高效不对称合成。既然是一篇未经排版编辑便见刊的手稿，我们可以从中感受到文章发表的迫切性，也从侧面体现了其重要性。依据以往的经验，天然产物全合成的研究发表在顶级学术期刊上已十分困难，然而短期之内却接连出现第二篇文章，想来必定有其过人之处。学术经纬团队就借此与大家一起来讨论一下这项工作。

     ▲图片来源：参考资料[2]

     十月的上海依旧草木长青，而此时北方的落叶乔木叶子已开始泛黄。有这样一种树，早在侏罗纪时期便出现在地球上，素有“活化石”之称。其躯干挺拔、寿龄绵长，叶片呈扇形、形似蝴蝶，从古至今都被赋予一种浓厚的人文气息。人们为它起了一个好听的名字——银杏树(还有一个接地气的名字：鸭掌树)。唐代山水田园派诗人王维曾写下赞美银杏的诗：文杏裁为梁，香茅结为宇。不知栋里云，去作人间雨。而时值深秋，银杏树化作一身华丽的金黄色，伫立之地也便成为人们观赏游玩的好去处。

     ▲图片来源：Pixabay

     银杏树可供观赏，银杏叶也具有诸多药用价值。银杏叶用作中草药早在中国宋代便有详细记载，其提取物的药用功效在日本及欧洲国家也得到普及。20世纪50年代末期，银杏叶还广泛用作土农药，防治蚜虫及蠕虫效果显著。到目前为止，人们已从银杏叶中分离出160多种化合物，其中包括黄酮、萜内酯、聚戊烯醇、银杏酸、酚酸及其他有机酸等多类药物活性分子。药理研究表明，部分成分对心脑血管、神经退行性疾病等具有重要的功效。不过，还有几种分子在人体过量摄入后存在严重的不良反应，如下图中的银杏内酯A(ginkgolide A，3)和银杏毒素(ginkgotoxin，4)：前者可抑制血小板聚集，导致出血时间增加，严重时可诱发脑溢血；后者可抑制维生素B6的吸收，并导致γ-氨基丁酸合成受阻，从而出现抽搐及意识丧失。因此，银杏叶提取物直接入药时需谨慎对待。

     ▲银杏内酯A(3)与银杏毒素(4)(图片来源：参考资料[2])

     银杏萜内酯是一类罕见的天然产物，迄今尚未在其他植物中发现，其中白果内酯((-)-bilobalide，1)具有特殊的倍半萜内酯结构。临床前研究表明，这种化合物可通过抑制γ-氨基丁酸受体(GABAARS)加快神经元间电脉冲信号传递速度，从而修复唐氏综合症小鼠模型的大脑损伤，改善其认知功能。1作为GABAARS抑制剂具有很大的优势，相比于木防己苦毒素(picrotoxinin，2)，其神经毒性大大降低，并且也不会像银杏内酯那样影响血小板聚集功能。初步研究发现，该化合物与以上两种GABAARS抑制剂对中枢神经系统具有不同的作用机制，但具体靶点尚不十分明确。倘使进一步研究，可能会为脑功能障碍、老年痴呆症等神经退行性疾病的治疗带来新的希望。

     ▲白果内酯(1)与木防己苦毒素(2)(图片来源：参考资料[2])

     不过，1在银杏叶中的含量极低，加上与多种复杂的代谢产物混合，分离起来较为困难，因此更适合通过人工合成的方式获取。前文我们已提到，1具有倍半萜内酯结构，存在三组五元环内酯结构，其中两个五元环内酯与环戊烷核心骨架稠合。早年美国哈佛大学的Elias J. Corey教授团队以24步反应实现了1的对映选择性合成，北卡罗来纳大学教堂山分校(University of North Carolina, Chapel Hill)的Michael T. Crimmins教授课题组则以17步反应完成了1的外消旋体合成。两种方法均可有效构建环戊烷核心结构，但后续需要繁琐的氧化态调整过程，前者经历11步氧化还原反应，后者也需要8步。如此看来，合成路线仍旧可能进一步缩短，合成效率存在很大的提升空间。

     ▲以往1的全合成工作(图片来源：参考资料[2])

     通过逆合成分析，作者认为1中存在两组稠合的五元环内酯，忽略C10位的OH，这一部分可近似看作对称结构，因此1可从5出发，通过C10位选择性氧化获得，5又可以进一步分解为对称的二酯与七个碳原子构成的片段，两者通过特定的反应偶联即可。如此操作可大幅度减少氧化态调整的步骤。

     ▲该工作合成1的策略(图片来源：参考资料[2])

     但C10位OH的引入存在很大挑战。经过构象分析，他们发现C10所在的内酯为内侧取向，对于该位点的两个H原子(绿色)，其中一个H原子靠近C8位修饰的大位阻^tBu，另一个H原子包覆在碗状分子腔内，两者均很难发生反应。相比之下，C1所在的内酯为外侧取向，其中一个H原子(蓝色)在碗状分子腔外，更容易发生反应。

     ▲C10位引入OH存在的困难(图片来源：参考资料[2])

     受此启发，作者设想假使可以将5的碗状骨架暂时重排，使C10的H原子翻转至分子腔外，便可以实现其选择性氧化，随后再恢复原始骨架状态即可。C8位的OH邻近C4位的酯基，假使OH对酯基亲核进攻的角度在Bürgi-Dunitz角范围内，便可以实现相应的内酯开环，并进一步与OH缩合，此时原始内侧取向的内酯便可通过碗状分子骨架部分翻转暴露出相应的H原子反应位点。

     不过，要想实现这样的过程也并不容易。5中存在三个对碱敏感的反应位点：环戊烷修饰的OH、内侧取向及外侧取向的内酯，直接加入3当量的强碱并在低温下使用酸淬灭反应会导致5严重分解。他们经过反应条件的优化发现，仅加入1当量的KHMDS便可攫取C8位OH的氢，进而促进其对C4位亲核加成/取代形成中间体16a，但随后使用Davis试剂对其氧化仍旧仅得到C1位氧化的产物，也就是说，此时依然倾向于攫取原始外侧取向内酯α位的氢。最终，他们通过在体系中加入BzOH形成相应的苯甲酸酯16c实现了C10位的氧化。受苯甲酰基空间位阻及电子效应的影响，C10位的H原子反应位点可得到更大程度的裸露，其酸性也进一步增强，从而更容易发生攫氢反应。该过程或许会是这项工作最大的亮点。

     ▲C10位后期的选择性氧化(图片来源：参考资料[2])

     反过来我们再看作者设计的合成路线，其中从二酯类化合物6a出发，与醛6b发生不对称Reformatsky反应十分必要。如果使用6a的非溴代底物参与Aldol反应，碱性过强的情况下7很容易发生逆向分解。

     ▲1的合成路线(图片来源：参考资料[2])

     当在C8位引入羟基时，作者选择了Drago-Mukaiyama水合反应使大位阻的烯烃8发生选择性水合得到9，反应遵循马氏规则。不过，这一过程在标准反应条件下产率和立体选择性均十分不理想。作者在以往的研究中发现，Ph(ⁱPrO)SiH₂作为还原剂在过渡金属催化的氢原子转移(HAT)反应中具有独特的效果，可有效提高烯烃还原、水合、氢化胺化及共轭加成的产率及反应速率，改善其官能团兼容性；除此之外，催化剂的负载量及反应温度可以显著降低，溶剂的选择范围也进一步拓宽。于是他们改进了水合反应的条件，在体系中加入Ph(ⁱPrO)SiH₂，发现溶剂的极性对产物的非对映选择性具有重要的影响。当反应选择极性较低的C₇H₁₄作为溶剂时，目标产物9的比例最佳。

     ▲8转化为9反应条件的优化(图片来源：参考资料[2])

     对于氧杂环丁烷的构建，作者意外发现9在强Br?nsted酸的作用下可顺利环化。不过，使用非手性的TsOH主要得到外型(exo)的异构体11，并且无法进一步发生差向异构化转化为内型(endo)异构体10。但选择合适构型的手性酸可提高10的比例，最终他们以催化量的手性联萘酚磷酸酯(-)-B作为催化剂实现了这一过程。

     ▲9转化为10反应条件的优化(图片来源：参考资料[2])

     整体来看，Ryan Shenvi与Masaki Ohtawa教授的工作仅需要线性10步反应便可实现1的高效不对称合成，仅涉及3步氧化态调整，其中前9步在正常情况下仅需要一个人在七天时间内就能完成。虽然这项工作并非首次实现白果内酯1的全合成，但其关键意义在于，反应路线及合成效率均得到了明显的改善，并且从5至1的转化设计思路十分精妙，由此将为大量获得1提供新的方案，帮助人们进一步研究1的中枢神经系统的作用机制。此外，该合成策略对于其他银杏萜内酯及银杏叶提取物的合成理应具有重要的借鉴性。

     还记得当年在北京，钓鱼台附近的银杏大道是观赏银杏的地标性位置。每逢周末，前去拜访的人络绎不绝。适逢清冷之际，走在满地金黄的石板路上，伴随着窸窸窣窣的声响，一袭秋风拂过，翩然起舞的叶片回归大地，承载着生命的轮回，却道是“落红不是无情物，化作春泥更护花”。

     ▲图片来源：Pixabay

     参考资料

     [1] Bethany Halford, (2017). Happy Hundredth, Robert Burns Woodward. C&EN, DOI: 10.1021/cen-09515-cover[2] Meghan A. Baker et al., (2019). Concise asymmetric synthesis of (?)-bilobalide. Nature, DOI: 10.1038/s41586-019-1690-5[3] Keiji Wada et al., (1988). Studies on the constitution of edible medicinal plants. I. Isolation and identification of 4-O-methyl-pyridoxine toxic principle from the seed of Ginkgo biloba L. Chem. Pharm. Bull., DOI: 10.1248/cpb.36.1779[4] Salvador Vale, (1998). Subarachnoid haemorrhage associated with Ginkgo biloba. Lancet, DOI: 10.1016/S0140-6736(05)79516-7[5] Chiu Chin Ng et al., (2017). Effects of bilobalide, ginkgolide B and picrotoxinin on GABAA receptor modulation by structurally diverse positive modulators. Eur. J. Pharm., DOI: 10.1016/j.ejphar.2017.04.019

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