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中國海洋大學王楊課題組Nat. Commun.: 四氫-β-咔啉不對稱催化合成及其全合成應用

來源:中國海洋大學      2024-08-08
導讀:近日,該團隊在Nature Communications(Nat. Commun. 2024, 15, 6429)發(fā)表論文,以3,4-二氫-β-咔啉氧化物作為原料,發(fā)展了在手性磷酸催化下與烯醚的不對稱1,3-偶極環(huán)加成反應,以優(yōu)異的產(chǎn)率和立體選擇性得到了三類THβC并異噁唑衍生物(含有兩個手性中心、含有連續(xù)三個手性中心和含有季碳手性中心)。

四氫-b-咔啉 (Tetrahydro-b-carboline, THbC) 是一類重要的含氮化合物,廣泛存在于天然產(chǎn)物和活性分子中。該類結(jié)構(gòu)具有顯著的生理活性,其中一些化合物被作為藥物使用,如利血平 (Reserpine)、育亨賓 (Yohimbine)和他達拉非(Tadalafil)等 (圖1)。THβC獨特的結(jié)構(gòu)和顯著的活性已經(jīng)吸引了眾多研究者的目光,特別是在不對稱催化合成領(lǐng)域。目前在不對稱催化合成THbC衍生物方面存在一些挑戰(zhàn),首先是如何構(gòu)建具有連續(xù)手性中心的THbC衍生物,特別是與C1直接相連的手性中心,目前主要通過分步反應合成,存在非對映選擇性差的問題。其次是如何合成含有C1季碳手性中心的1,1-二取代的THbC衍生物。含有C1季碳手性中心的1,1-二取代THbC衍生物的不對稱合成主要依賴于Pictet-Spengler反應,但目前發(fā)展的Pictet-Spengler反應局限于從醛出發(fā)構(gòu)建C1位非季碳手性中心THβC骨架,或者具有活化羰基的酮參與反應,導致THbC骨架C1位取代基必須連有羰基,限制了產(chǎn)物的進一步合成轉(zhuǎn)化。如何高立體選擇性地實現(xiàn)C1季碳THbC結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑具有很大挑戰(zhàn)。最后是如何將發(fā)展的方法學應用到THbC類天然產(chǎn)物的集群式合成中。該類天然產(chǎn)物數(shù)量眾多,如果能夠發(fā)展多樣性導向的合成方法并且實現(xiàn)該類天然產(chǎn)物的集群式合成,那將為其活性研究奠定堅實基礎。為了解決上述挑戰(zhàn),發(fā)展新的合成子和新的不對稱催化反應合成THbC骨架是很有必要的。

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圖1. 含四氫-β-咔啉結(jié)構(gòu)的天然產(chǎn)物和藥物分子

中國海洋大學王楊副教授團隊致力于含氮雜環(huán)的新型不對稱催化合成方法研究及其導向的藥物化學和天然產(chǎn)物合成近日,該團隊在Nature CommunicationsNat. Commun. 2024, 15, 6429發(fā)表論文,以3,4-二氫-β-咔啉氧化物作為原料,發(fā)展了在手性磷酸催化下與烯醚的不對稱1,3-偶極環(huán)加成反應,以優(yōu)異的產(chǎn)率和立體選擇性得到了三類THβC并異噁唑衍生物(含有兩個手性中心、含有連續(xù)三個手性中心和含有季碳手性中心)。產(chǎn)物中N?O鍵便于進行衍生化,作者發(fā)展了兩種N?O鍵切斷方法,包括鹵代烷/DABCO條件切斷N?O鍵合成β-氨基酯和SmI2/MeOH條件切斷N?O鍵得到β-氨基醇。以兩種N?O鍵切斷方法為關(guān)鍵反應,完成了40THβC吲哚生物堿的集群式不對稱合成(圖2. b)。該研究成果近期發(fā)表在Nature Communications上,本文的第一完成單位是中國海洋大學醫(yī)藥學院。王楊副教授為通訊作者。文章的共同第一作者是中國海洋大學博士研究生田曉晨宣騰飛及浙江工業(yè)大學高井昆。浙江工業(yè)大學楊云芳教授作為共同通訊作者進行了DFT計算的研究。

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2. 3,4-二氫-β-咔啉氧化物參與的不對稱催化反應

在確定最佳反應條件后,作者對于3,4-二氫-β-咔啉氧化物與烯醚環(huán)化反應的底物范圍進行了考察 (圖3)。結(jié)果顯示,當?shù)孜?/span>1與乙烯基乙醚2a反應時,在底物吲哚的4位、5位、6位、7位引入不同電子效應的取代基,均能以中等至優(yōu)異的產(chǎn)率和對映選擇性得到目標產(chǎn)物,同時產(chǎn)物的Dr值大于19>1。當使用二取代的烯醚2b參與反應,相應的目標產(chǎn)物含有連續(xù)三個手性中心,并具有優(yōu)異的產(chǎn)率和立體選擇性。使用酯基取代的底物6作為底物,得到的產(chǎn)物具有季碳手性中心。重新優(yōu)化了反應條件,能夠以中等至優(yōu)異的產(chǎn)率和對映選擇性得到相應的目標產(chǎn)物7。

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圖3底物范圍

為了深入了解反應機理,作者與楊云芳教授團隊合作進行了密度泛函理論(DFT)計算 (圖4)。對于產(chǎn)物3a7b7h的形成,DFT計算揭示了手性磷酸與硝酮的氧原子具有氫鍵相互作用,底物以協(xié)同的方式加成得到目標產(chǎn)物。而1a2b的加成反應,手性磷酸則作為雙功能催化劑同時活化兩個底物,并且通過分步路徑進行。在反應過程中,首先形成C?O鍵,隨后形成C?C鍵,C?C的形成是決速步。根據(jù)前線分子軌道(FMO)分析,主要的FMO相互作用發(fā)生在2aHOMO1aLUMO之間。因此,手性磷酸與偶極子1a相互作用以降低其LUMO軌道能量。6b2a2b的反應中,也觀察到了該相互作用。然而,對于1a2b的加成反應,主要的FMO相互作用發(fā)生在1aHOMO軌道和2bLUMO軌道之間,與前述情況不同。在該反應中,手性磷酸傾向于通過與2b的乙?;纬蓺滏I相互作用來活化2b

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圖4. DFT計算

為了進一步得到多樣性和多官能團化的THbC衍生物,作者對N?O鍵的切斷進行了研究 (圖5)。產(chǎn)物中的異噁唑結(jié)構(gòu)與鹵代烷反應能夠形成季銨鹽,隨后在DABCO作用下開環(huán),得到不同N-烷基取代的b-氨基酯。在SmI2/MeOH條件下,N?O鍵可以被還原,將氨基用Boc基團保護,得到b-氨基醇。

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5. N?O鍵切斷

在建立了3,4-二氫-β-咔啉氧化物與烯醚的環(huán)化反應方法學以及N?O切斷方法以后,作者對于方法學產(chǎn)物在天然產(chǎn)物合成中的應用進行了探索。合成思路是用不同的鹵代烷參與N?O切斷反應,得到N-烷基-b-氨基酯,通過官能團轉(zhuǎn)化和結(jié)構(gòu)修飾,實現(xiàn)了Arborescidine家族、Harmicine、Corynanthe家族、Yohimbine家族等15個天然產(chǎn)物的全合成 (圖6)。

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6. Type I型產(chǎn)物在全合成中的應用

從夾竹桃科植物中分離得到的Eburnane家族生物堿具有多種生物活性,對于該類天然產(chǎn)物的全合成研究吸引了很多關(guān)注。目前,在Eburnane家族生物堿的全合成研究中,C20、C21位的立體化學控制一直是合成的難點。目前常用的方法是通過C20位的手性中心來誘導C21位手性中心的形成,如底物控制的Pictet-Spengler反應、Bischler-Napieralski反應與亞胺還原的串聯(lián)反應,但是反應的非對映選擇性通常較差,僅有個別底物能實現(xiàn)優(yōu)異的立體選擇性控制。在該工作中,作者以具有連續(xù)三個手性中心的Type II型產(chǎn)物5a作為原料,利用其產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中連續(xù)的手性中心,實現(xiàn)了24Eburnane家族生物堿的全合成,通過雙負離子中間體的排斥作用,實現(xiàn)了C20、C21位手性中心的立體選擇性控制(圖7)。另外,作者以具有季碳手性中心的Type III型產(chǎn)物7b作為原料,實現(xiàn)了1,1-二取代THβC天然產(chǎn)物Arbornamine的全合成(圖7. c)。

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圖7. Type II型產(chǎn)物和Type III型產(chǎn)物在全合成中的應用

Eburnane家族生物堿廣泛分布于夾竹桃科的植物體內(nèi),在分離過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)該家族天然產(chǎn)物具有生源合成的對映發(fā)散性,即兩種對映異構(gòu)體均存在于植物體中。作者以ent-5a為起始原料,完成了該家族生物堿的對映發(fā)散性合成 (圖8)。

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8. Eburnane家族生物堿的對映發(fā)散性合成


小結(jié)

王楊課題組發(fā)展了首例3,4-二氫-β-咔啉氧化物參與的不對稱催化反應。在手性磷酸催化下,該底物與烯醚的發(fā)生環(huán)加成反應,構(gòu)建了一系列高選擇性的THβC衍生物,具有優(yōu)異的產(chǎn)率和立體選擇性,并且完成了40THβC吲哚生物堿的集群式不對稱合成。該研究展示了3,4-二氫-β-咔啉氧化物在合成手性THβC骨架方面的巨大潛力。


通訊作者簡介

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王楊 副教授

王楊,中國海洋大學副教授,博士生導師。2019年加入中國海洋大學醫(yī)藥學院獨立開展研究工作,入選中國海洋大學“青年英才”工程第二層次。2020年入選山東省泰山學者青年專家。近年來在Science, Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal., Chem. Sci., Green Chem., Green Synth. Catal., Org. Lett., J. Org. Chem., Chem. Eur. J., Asian J. Org. Chem., Synthesis等期刊發(fā)表SCI收錄論文三十余篇,獲得授權(quán)專利4項。主要研究領(lǐng)域為含氮雜環(huán)的新型不對稱催化合成方法研究及其導向的藥物化學和天然產(chǎn)物合成。


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