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JACS:清華唐葉峰課題組在復(fù)雜天然產(chǎn)物全合成方面取得新進展

來源:化學(xué)加原創(chuàng)      2022-10-22
導(dǎo)讀:醌/氫醌-倍半萜是一類具有結(jié)構(gòu)多樣性和生物功能多樣性的天然產(chǎn)物,也是近年來全合成領(lǐng)域的研究熱點之一。近日,清華大學(xué)唐葉峰教授課題組發(fā)展了一種新穎高效的合成策略,以光促[2+2]環(huán)加成以及[1,2]-負(fù)離子重排-環(huán)丙烷碎裂化串聯(lián)反應(yīng)為關(guān)鍵步驟,完成了醌/氫醌-倍半萜Dysiherbols A, C, D的對映選擇性全合成。相關(guān)成果在線發(fā)表于Journal of the American Chemical Society(DOI: 10.1021/jacs.2c08435)。

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醌/氫醌-倍半萜是一類重要的海洋天然產(chǎn)物。該類天然產(chǎn)物的基本骨架由一個萜類片段和一個對苯酚(或?qū)Ρ锦┢螛?gòu)成。由于上述片段的存在形式和連接方式變化多端,該類天然產(chǎn)物表現(xiàn)出極其豐富的結(jié)構(gòu)多樣性。同時,該類天然產(chǎn)物具有豐富的生物活性(如抗癌、消炎、抗菌、抗氧化和抗抑郁等),從而可作為先導(dǎo)化合物或工具分子被廣泛應(yīng)用于藥物研發(fā)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

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圖1. 代表性醌/氫醌-倍半萜類天然產(chǎn)物(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)

DysiherbolsA-E是近年來發(fā)現(xiàn)的一組新型醌/氫醌-倍半萜類天然產(chǎn)物,其核心結(jié)構(gòu)最初被鑒定為6/6/5/6四環(huán)體系,其中包含三個連續(xù)全碳季碳手性中心(圖1),具有相當(dāng)?shù)暮铣商魬?zhàn)性。2021年,南開大學(xué)魯照永教授課題組與德國Schmalz教授課題組分別獨立完成了Dysiherbol A的全合成,并將其結(jié)構(gòu)修訂為更加復(fù)雜的6/6/5/6/6五環(huán)化合物(4)。然而,該家族其它同類天然產(chǎn)物如Dysiherbols B-E的真實結(jié)構(gòu)仍然有待于進一步通過全合成確認(rèn)。此外,Dysiherbols對多種腫瘤細(xì)胞以及核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)表現(xiàn)出顯著的抑制活性,因而吸引了合成化學(xué)家廣泛的研究興趣。

唐葉峰課題組長期從事活性天然產(chǎn)物全合成研究,其研究理念是通過發(fā)展新穎獨特的合成策略,實現(xiàn)目標(biāo)分子的高效、多樣性合成,為深入研究其生物功能和藥用價值提供物質(zhì)基礎(chǔ)。在本項研究中,唐葉峰課題組針對目標(biāo)分子Dysiherbols的結(jié)構(gòu)特點,在借鑒生源合成路徑的基礎(chǔ)上,提出了一種富有創(chuàng)造性的合成策略,從已知化合物出發(fā),利用苯醌和烯烴的分子內(nèi)[2+2]反應(yīng)、[1,2]-負(fù)離子遷移反應(yīng)以及環(huán)丙烷碎裂化反應(yīng)為關(guān)鍵步驟,僅通過10-13步反應(yīng)即得到了三個具有6/6/5/6/6五環(huán)骨架的天然產(chǎn)物Dysiherbols A, C和D,并對其分子結(jié)構(gòu)進行了修正(圖2)。

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圖2. Dysiherbols A, C, D的全合成(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)

除完成上述分子的全合成以外,該項研究的另一亮點在于發(fā)現(xiàn)了一種獨特的 [1,2]-負(fù)離子遷移反應(yīng)。與常見的正離子[1,2]-遷移反應(yīng)相比,負(fù)離子[1,2]-遷移反應(yīng)極為少見,且通常具有較高的反應(yīng)能壘(40-50 kcal/mol)。在本研究中,作者以計算化學(xué)為手段,對上述負(fù)離子[1,2]-遷移反應(yīng)機理進行了細(xì)致的研究。在綜合考慮了多種可能的反應(yīng)路徑(如協(xié)同的dyotropic重排反應(yīng)、逆Michael加成-Michael加成以及自由基歷程)之后,作者認(rèn)為以協(xié)同方式進行的負(fù)離子[1,2]-遷移反應(yīng)歷程與計算和實驗結(jié)果最為吻合(圖3)。

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圖3. [1,2]-遷移過程的初步計算研究(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)

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圖4. [1,2]-遷移過程的軌道對稱性計算研究(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)

此外,作者對上述負(fù)離子[1,2]-遷移反應(yīng)的過渡態(tài)進行了分析,發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)并不滿足前線軌道對稱性守恒(Woodward-Hoffmann規(guī)則),因而是一個軌道對稱性禁阻的轉(zhuǎn)化(圖4)。然而,由于反應(yīng)過程中存在釋放環(huán)張力的有利因素,同時伴隨著過渡態(tài)局部芳香性的產(chǎn)生,兩者均可以顯著降低反應(yīng)能壘,使得該反應(yīng)可在較為溫和的條件下順利進行。盡管“軌道對稱性禁阻”的化學(xué)轉(zhuǎn)化已有前人報道,但其在天然產(chǎn)物合成中的應(yīng)用則尚屬首次。因此,本項研究不僅進一步豐富了“軌道對稱性禁阻反應(yīng)”的類型,同時也展示了此類反應(yīng)潛在天然產(chǎn)物合成方面的應(yīng)用價值。

總結(jié)

唐葉峰教授課題組利用光促[2+2]環(huán)加成以及協(xié)同[1,2]-負(fù)離子重排-環(huán)丙烷碎裂化為關(guān)鍵步驟,從商業(yè)可得的原料出發(fā),通過12-15步反應(yīng),成功完成了三種醌/氫醌-倍半萜類天然產(chǎn)物的全合成以及結(jié)構(gòu)修正,為進一步深入研究其生物功能和藥用價值奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。該項研究由唐葉峰課題組獨立完成,第一作者為清華大學(xué)化學(xué)系的本科生胡圣錕同學(xué),通訊作者為唐葉峰教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金和清華學(xué)堂人才培養(yǎng)計劃的資助。


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