具抗癌活性的菲并吲哚里西丁類生物堿構(gòu)效關(guān)系及不對(duì)稱全合成研究進(jìn)展

楊 晉，祁利民

1北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院;2 國(guó)家民委化工技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021

生物來(lái)源的菲并吲哚里西丁類生物堿主要分布在蘿藦科的娃兒藤屬(Tylaphora)、鵝絨藤屬(Cynanchum)和?？频拈艑?Ficus)，此外，在班蝶科的班蝶屬(Ideopsis)中也發(fā)現(xiàn)有該類生物堿的存在。自1935年首次從印度藥用植物印度娃兒藤(Tylaphora indica)中發(fā)現(xiàn)娃兒藤堿(tylophorine，1)以來(lái)，已分離得到該類化合物近80 個(gè)［1，2］。這類生物堿具有抗病毒、抗炎等多種生物活性，其中，最引人注目的是抗腫瘤活性，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道，已發(fā)現(xiàn)的化合物中約25%具有抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的活性，引起了藥學(xué)家和化學(xué)家的極大興趣，相繼展開了該類生物堿的全合成工作。但是，這類化合物在擁有抗癌活性的同時(shí)，也有一定的毒副作用，例如密花娃兒藤堿(tylocrebrine)在一期臨床研究中發(fā)現(xiàn)具有很高的中樞神經(jīng)作用而終止研究［3］，從而制約了這類高活性生物堿的進(jìn)一步開發(fā)利用。因此，以菲并吲哚里西丁類生物堿為先導(dǎo)化合物，明確構(gòu)效關(guān)系，利用現(xiàn)代化學(xué)和生物學(xué)的方法，在不影響抗腫瘤生物活性的前提下，降低毒性，是解決這類生物堿開發(fā)的必由之路。本文對(duì)具有抗腫瘤活性的菲并吲哚里西丁類生物堿的構(gòu)效關(guān)系和不對(duì)稱全合成研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 構(gòu)效關(guān)系

已報(bào)道的全合成和結(jié)構(gòu)修飾工作為菲并吲哚里西丁類生物堿的構(gòu)效關(guān)系提供了大量可供分析的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)提示我們，菲并吲哚里西丁類生物堿化學(xué)結(jié)構(gòu)中菲環(huán)的取代基、C14位是否被氧化、N 原子的存在形式都可能影響這類生物堿的抗腫瘤活性。

1.1 菲環(huán)

天然存在的菲環(huán)開裂的菲并吲哚里西丁類化合物，如secoantofine(5)等，通常表現(xiàn)出較弱的抗腫瘤活性［4-6］(見表1 和圖1)，但是，tyloindicine I(12)是一個(gè)例外，在美國(guó)國(guó)家癌癥研究中心的抗腫瘤藥物篩選中表現(xiàn)優(yōu)異，是最有可能開發(fā)為藥物的先導(dǎo)化合物之一［7］。這個(gè)化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)中包含了一個(gè)高度不飽和的吲哚環(huán)，可能是其具有高抗腫瘤活性的原因之一。因此，對(duì)于菲并吲哚里西丁類生物堿，就抗腫瘤活性來(lái)說(shuō)，擁有較長(zhǎng)的共軛鏈，并具有兩個(gè)芳香環(huán)，是必要的。

表1 所列具有抗腫瘤活性的化合物，在C2上均連有甲氧基，說(shuō)明C2上連有的基團(tuán)對(duì)該類化合物的抗癌活性影響顯著［4，8］。當(dāng)C6上甲氧基被羥基取代后，抗腫瘤活性進(jìn)一步增強(qiáng)，如化合物3 對(duì)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用要強(qiáng)于娃兒藤堿［4，9］;如果2，3-二氧甲基被2，3-二氧亞甲基取代，則活性大大降低［9］。Kim 小組［10］對(duì)安妥分(antofine，2)菲環(huán)上不同取代基對(duì)抗癌活性的影響進(jìn)行了研究，在C2連有甲氧基的右旋安妥分對(duì)HCT116 腫瘤細(xì)胞株抑制作用的IC50值為9.9 nM，如果在C2上引入異丙氧基或與C3位形成亞甲二氧基，抗腫瘤活性將降低100倍。另外，在保證C2位上為甲氧基的同時(shí)，在C6上引入羥基，也會(huì)增強(qiáng)化合物抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的活性。這一結(jié)果提示，具抗癌活性的菲并吲哚里西丁類生物堿的C2上不能連有較大空間位阻的基團(tuán)，而且在與受體結(jié)合時(shí)，如果C6上的羥基可能與受體形成了氫鍵。

1.2 N 原子

天然存在的菲并吲哚里西丁類生物堿中吲哚環(huán)上的N 原子存在形式有兩種:游離N 原子和氮氧化物。通常，形成氮氧化物的化合物對(duì)于腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用要比相應(yīng)的化合物低5～10 倍［4，11］。有研究表明，腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境的pH 值與該類生物堿的pKa 越接近，則該類生物堿的細(xì)胞抑制活性越顯著，如娃兒藤堿在pH 7.0 環(huán)境下的細(xì)胞毒活性要高于在pH 5.8 環(huán)境下呈現(xiàn)的活性，這一現(xiàn)象提示，非質(zhì)子化的N 原子可能更有利于與受體結(jié)合從而發(fā)揮抑制作用［12］。

圖1 部分具有抗腫瘤活性的菲并吲哚里西丁類生物堿的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structures of phenanthroindolizidine-type alkaloids with antitumor activity

表1 部分菲并吲哚里西丁類生物堿的抗癌活性Table 1 The antitumor activity of some phenanthroindolizidine-type alkaloids

1.3 立體化學(xué)

右旋安妥分較消旋體的抗腫瘤活性高2 倍有余，說(shuō)明消旋體中可能只有一種對(duì)映體具有活性［10］。天然存在的菲并吲哚里西丁類生物堿C13a通常為S 構(gòu)型，將它們的抗腫瘤活性與合成的、具有C13a(R)構(gòu)型的化合物相比，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象:天然的、具有C13a(S)構(gòu)型的生物堿對(duì)HCT116和A549 腫瘤細(xì)胞株表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用，而合成的、具有C13a(R)構(gòu)型的生物堿對(duì)KB 腫瘤細(xì)胞株則抑制作用較強(qiáng)［4，10，13，14］。在C13a上引入羥基等基團(tuán)，可以有效地增加化合物的水溶性［15］，有利于新藥開發(fā)，因此，由C13a的立體化學(xué)帶來(lái)的構(gòu)效關(guān)系還有待進(jìn)一步的研究確認(rèn)。

部分天然的菲并吲哚里西丁類生物堿在C14上存在羥基，如娃兒藤定堿(tylophorindine，7)。有研究報(bào)道了娃兒藤定堿和娃兒藤堿等類似物對(duì)KB、HepG2 等腫瘤細(xì)胞株的抑制作用，結(jié)果提示，具有C14羥基的生物堿，C14的立體構(gòu)型是S 構(gòu)型的活性要優(yōu)于R 構(gòu)型［5，13，16］，這與天然發(fā)現(xiàn)的具C14羥基的菲并吲哚里西丁類生物堿C14大多為S 構(gòu)型相一致。

2 菲并吲哚里西丁類生物堿的不對(duì)稱全合成途徑

菲并吲哚里西丁類生物堿的全合成工作始于1950年代，隨著外消旋的小穗苧麻素和娃兒藤堿的合成并證明其具有與天然來(lái)源的生物堿相似的生物活性，有機(jī)化學(xué)家們開始研究全合成這類生物堿，娃兒藤堿和安妥分是最常使用的目標(biāo)化合物，這兩個(gè)化合物的分子結(jié)構(gòu)中都存在有手性中心。如前所述，菲并吲哚里西丁類生物堿的立體化學(xué)影響著其抗腫瘤活性，能夠合成非對(duì)映異構(gòu)體，不論是開展構(gòu)效關(guān)系研究，還是開發(fā)新藥，都是非常理想的目標(biāo)。因此，手性合成是本文綜述的重點(diǎn)。

2.1 通過(guò)手性底物進(jìn)行不對(duì)稱合成

1983年，Rapoport 小組完成了(S)-(+)-娃兒藤堿的全合成。在合成中，首先利用藜蘆醛(veratraldehyde)和3，4-二甲氧基苯乙腈通過(guò)羥醛縮合、氧化偶聯(lián)關(guān)環(huán)構(gòu)建了菲環(huán)單元，然后再與(S)-(+)-二異丙基谷氨酸酯作用得到胺12，胺12 通過(guò)成環(huán)、水解得到酸13，酸13 可以非常容易地發(fā)生分子內(nèi)的Friedel-Crafts 反應(yīng)得到具有絕對(duì)構(gòu)型的酮14，酮14 在三仲丁基硼氫化鋰的催化下將14 位的羰基還原為羥基，并進(jìn)而在氫氧化鉛和碳的催化加氫及四氫鋁鋰還原可以得到(S)-(+)-娃兒藤堿;同時(shí)，還可以得到兩個(gè)在C14位上具有羥基的對(duì)映異構(gòu)體15、16(圖2)［17］，這些化合物都具有良好的抗腫瘤活性。雖然Rapoport 小組得到的(S)-(+)-娃兒藤堿與天然來(lái)源的娃兒藤堿是對(duì)映異構(gòu)體，但是通過(guò)引入(S)-谷氨酸衍生物作為手性試劑，在成功合成具有絕對(duì)構(gòu)型的菲并吲哚里西丁生物堿的同時(shí)，確定了天然來(lái)源娃兒藤堿的絕對(duì)構(gòu)型。

圖2 路線1Fig.2 Scheme 1

Nordlangder 和Njgoroge 報(bào)道了一條相對(duì)較短的(S)-(+)-娃兒藤堿的合成路線。在這條全合成途徑中所使用的手性底物是(S)-N-(三氟乙酰)-L-脯氨酰氯，手性底物與2，3，6，7-四甲基菲發(fā)生Friedel-Craft 反應(yīng)生成(S)-N-(三氟乙酰)-2，3，6，7-四甲基-9-L-脯氨酰基菲，然后經(jīng)還原羰基、脫去三氟乙?；㈥P(guān)環(huán)得到(S)-(+)-娃兒藤堿(圖3)［18，19］。

圖3 路線2Fig.3 Scheme 2

Furstner 小組利用D-(-)-吡咯烷為手性底物，通過(guò)延伸側(cè)鏈的方法首先構(gòu)建了吲哚環(huán)的片段，含有炔基鋰的吲哚環(huán)片段與多取代二苯發(fā)生Kumada偶聯(lián)，經(jīng)Pictet-Spengler 反應(yīng)，合成了(R)-(-)-安妥分(圖4)［20］。值得注意的是，利用這條合成路線合成的安妥分的立體化學(xué)與天然得到的安妥分一致。

Kim 小組利用(R)-1-三丁基錫基-1-丁烯-3-醇為手性底物，與菲基溴反應(yīng)，生成的具有手性的丙烯醇與三氯乙腈發(fā)生Pinner 反應(yīng)生成亞胺基醚，該化合物脫去三氯乙酰保護(hù)基團(tuán)，經(jīng)Pictet-Spengler 反應(yīng)，合成了(R)-(-)-安妥分(圖5)［21］。

圖4 路線3Fig.4 Scheme 3

圖5 路線4Fig.5 Scheme 4

我國(guó)學(xué)者在娃兒藤堿的全合成方面也做了大量的工作。Huang 小組的合成路線使用的手性底物是叔丁基L-焦谷氨酸酯，手性底物與菲基氯發(fā)生Friedel-Craft 反應(yīng)生成(S)-(+)-娃兒藤堿(圖6)［22］。這條合成路線得到的產(chǎn)物具有很高的光學(xué)純度(92%，=+74.9°)。

圖6 路線5Fig.6 Scheme 5

2.2 利用手性催化劑進(jìn)行不對(duì)稱合成

2003年，Kim 小組在完成安妥分的全合成研究時(shí)，使用了相轉(zhuǎn)移催化劑，該催化劑是一個(gè)手性催化劑17，使菲基溴與具亞胺結(jié)構(gòu)的甘氨酸衍生物反應(yīng)時(shí)，得到的亞氨基醚18 具有97% 光學(xué)純度，經(jīng)Pictet-Spengler 環(huán)合反應(yīng)，即可得到(R)-(-)-安妥分(圖7)［23］。

圖7 路線6Fig.7 Scheme 6

圖8 路線7Fig.8 Scheme 7

Chemler 小組采用了不同的構(gòu)建菲環(huán)的合成途徑。以多取代的苯乙醇為原料，使之生成溴代產(chǎn)物，然后二聚生成二苯乙烷，在phenyliodine(Ⅲ)bis(trifluoroactetate)(PIFA)的作用下環(huán)合成菲環(huán)，再與pentenylamine 生成中間產(chǎn)物19，在環(huán)合時(shí)，采用了含有二價(jià)銅離子的手性催化劑20，在脫去二氧化硫基團(tuán)后，再環(huán)合即得到(S)-(+)-娃兒藤堿(圖8)［24］。

2.3 使用手性試劑進(jìn)行不對(duì)稱合成

Fukumoto 小組將多甲氧基取代的二苯乙烯酸與4-氨基丁先二乙基縮醛反應(yīng)，生成化合物21，該化合物在具有手性的(-)芐基薄荷基三苯膦醋酸酯［(-)-phenylmentyl (triphenylphosphoranylidene)acetate］作用下發(fā)生Horner-Madsworth-Emmons 反應(yīng)生成化合物22，化合物在TBSOTf 和三乙胺作用下發(fā)生雙Michael 重排得到與天然娃兒藤堿旋光一致的手性前體，再經(jīng)還原，即可得到(-)-娃兒藤堿(圖9)［25］。

2.4 使用手性輔助劑進(jìn)行不對(duì)稱合成

圖9 路線8Fig.9 Scheme 8

圖10 路線9Fig.10 Scheme 9

Commins 小組采用手性輔助劑(-)trans-2-(αcumyl)cyclohexyl ester 完成了(-)-娃兒藤堿的全合成。首先，吡啶鹽在手性輔助劑的引導(dǎo)下與格式試劑3-丁烯基溴化鎂發(fā)生非對(duì)映選擇性的加成反應(yīng)，生成的化合物23 具有很高的光學(xué)純度;該化合物經(jīng)脫去手性輔助劑后即可得到單不飽和的吲哚環(huán)，不飽和的吲哚環(huán)催化加氫，與3，4-二甲氧基苯基溴化鋅反應(yīng)生成(-)-septicine，這個(gè)化合物也存在于天然界;(-)-septicine 在VOF3作用下即可生成(-)-娃兒藤堿(圖10)［26］。

3 結(jié)語(yǔ)

菲并吲哚里西丁類生物堿是一類具有較高活性的天然抗腫瘤生物堿，一直是藥物化學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。雖然有大量的研究報(bào)告，但是依舊還有未能闡明的構(gòu)效關(guān)系，如13、14 位的光學(xué)特性是否對(duì)抗腫瘤活性有影響，還更多的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證。

同時(shí)，菲并吲哚里西丁類生物堿的全合成也是研究熱點(diǎn)之一。對(duì)于這類化合物的全合成策略，可以明顯地分為兩類:先構(gòu)建菲環(huán)和先構(gòu)建吲哚環(huán)。先構(gòu)建菲環(huán)，再進(jìn)行碳鏈延伸，與五元含氮雜環(huán)連接，然后關(guān)環(huán)形成目標(biāo)化合物的合成策略是目前合成這類化合物的主流。這種合成策略通常合成步驟在10 步以上，較為繁瑣。采用含氮雜環(huán)先構(gòu)建吲哚環(huán)，然后與多取代苯連接，再關(guān)環(huán)形成目標(biāo)化合物的全合成路線，相關(guān)報(bào)道較少，而且反應(yīng)中可能會(huì)使用到一些較為苛刻的條件，實(shí)用性略顯不足。根據(jù)菲并吲哚里西丁類生物堿的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)展更為簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的合成路線，或者在了解構(gòu)效關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造或結(jié)構(gòu)修飾，是更好地利用和開發(fā)這類生物堿的有效途徑。

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