鉤吻素子的合成研究進(jìn)展

劉雪艷

福建醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院藥物化學(xué)系，福建福州 350122

鉤吻素子(koumine)，見圖1，是趙承嘏先生1931 年從草藥鉤吻(gelsemium elegans benth)中分離出來的，并確定分子式為C20H22N2O[1]。 到1981 年，利用核磁共振、X-射線單晶衍射分析以及化學(xué)降解法等手段確定了其精準(zhǔn)的立體結(jié)構(gòu)[2-3]。 可以發(fā)現(xiàn)，鉤吻素子是一個(gè)由6 個(gè)環(huán)駢合而成的“籠狀”假吲哚型生物堿，具有6 個(gè)手性碳原子（編號為C3、C5、C15、C16），其中包含兩個(gè)全碳季碳中心（編號為C7、C20）。 這種特異性的結(jié)構(gòu)輪廓賦予了鉤吻素子獨(dú)特的生物活性。

圖1 鉤吻素子與其晶體結(jié)構(gòu)

作為胡蔓藤全草鉤吻提取物的主要單體成分，鉤吻素子表現(xiàn)出眾多的藥理活性。 例如可以治療癌性疼痛和長期疼痛，且治療指數(shù)大，無嗎啡的成癮性與耐受性；可以通過調(diào)控細(xì)胞周期實(shí)現(xiàn)抗腫瘤的目的；可以增強(qiáng)巨噬細(xì)胞吞噬能力，促進(jìn)機(jī)體免疫調(diào)節(jié)；可以降低類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的抗體產(chǎn)生，改善腫脹、痛敏、關(guān)節(jié)炎指數(shù)等癥狀；另外對銀屑病，抗血小板聚集的治療有一定作用[4-7]。 新近研究表明，鉤吻素子可顯著改善肝細(xì)胞的脂肪樣病變，可用于非酒精性脂肪性肝炎的治療等[8-11]。另一方面， 鉤吻素子也是鉤吻總生物堿中的毒性較低的一種，如小鼠皮下注射鉤吻素子LD50 為99.0 mg/kg，僅為總堿的1/58（總堿LD50 為1.70 mg/kg）。 廣泛的生理活性與相對較弱的毒性， 使得鉤吻素子具有創(chuàng)制新型藥物的重大潛能。

目前，鉤吻素子主要通過從植物中提取得到，如先利用溶劑浸漬法提取鉤吻總堿，再通過柱層析（或高速逆流色譜）分離制備[12-13]，這種方法耗時(shí)長、步驟繁瑣，收率極低，嚴(yán)重制約了鉤吻素子的后續(xù)研究與臨床應(yīng)用。

利用化學(xué)合成或仿生合成一直是解決天然藥物來源不足的重要手段[14-15]。 例如抗瘧藥物青蒿素、抗腫瘤藥物紫杉醇以及抗老年癡呆癥藥物石杉堿甲等， 這些天然藥物的人工合成是它們上市推廣并造福人類的重要前提。 基于此，該文對鉤吻素子的半合成、全合成以及關(guān)鍵中間體合成進(jìn)展進(jìn)行綜述， 并詳細(xì)闡述了其手性中心的構(gòu)建， 以期促進(jìn)鉤吻素子及其類似物相關(guān)研究的進(jìn)步。

1 鉤吻素子的半合成

在鉤吻素子結(jié)構(gòu)被闡明清楚的基礎(chǔ)上，Lounasmaa等[16]人提出了鉤吻素子生源合成假說。他們認(rèn)為鉤吻素子可能是通過Hydroxygardnutine 1（羥蓬萊葛堿，一種馬錢科植物蓬萊葛的提取物）轉(zhuǎn)化而來（圖2），可以通過分子內(nèi)關(guān)環(huán)，一步構(gòu)建C7、C20 2 個(gè)全碳季碳中心得到目標(biāo)產(chǎn)物。 之后，基于這一生源合成假說，兩組分別完成了鉤吻素子的半合成。

圖2 Lounasmaa 等提出的鉤吻素子生源合成假說

劉鑄晉等[17]利用老刺木堿2（Vobasine，結(jié)構(gòu)上與鉤吻素戊同屬于蛇根精類生物堿） 為起始原料， 通過LiAlH4 還原得到老刺木二醇3 （Vobasindiol）， 之后在40%稀硫酸與SeO2/H2O2體系中，一步完成脫水、烯丙基氧化（riley oxidation）和骨架重排，通過兩步反應(yīng)，獲得了鉤吻素子，從而第一次實(shí)現(xiàn)了鉤吻素子的半合成（圖3A）。 這一工作不僅驗(yàn)證了上述生源合成假說，同時(shí)揭示了鉤吻素子與老刺木堿或鉤吻素戊之間可能存在著的生源關(guān)系， 也為后來鉤吻素子的合成提供了積極的借鑒意義。 盡管如此，該反應(yīng)仍存在不足之處。 從反應(yīng)機(jī)理上看（圖式3B），該路線對可能涉及的立體選擇性幾乎沒有加以控制， 例如利用LiAlH4 還原C3 位羰基時(shí)會(huì)產(chǎn)生一組對映異構(gòu)體；C7、C20 成鍵形成2 個(gè)全碳季碳中心時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生二組非對映異構(gòu)體等。 這些異構(gòu)體的產(chǎn)生可能也是目標(biāo)分子總收率不高（小于25%）的原因。

圖3 劉鑄晉等對(-)-Koumine 的半合成(A)及其可能的反應(yīng)機(jī)理(B)

Takayama 等[18]完全按照Lounasmaa 等人提出的生源合成假說， 以天然產(chǎn)物Hydroxytaberpsychine 1 為起始原料，在經(jīng)LiAlH4 還原后，五元氧環(huán)在3 位開環(huán)得到羥基類衍生物， 然后在吲哚母環(huán)上N 原子引入芐基保護(hù)基以及對側(cè)鏈羥基進(jìn)行酯化保護(hù)得到4。 4 在AlCl3 的作用下，經(jīng)過芳甲醚去甲基化反應(yīng)得到5，后在三氟磺酸酐的作用下，羥基轉(zhuǎn)化為三氟磺酸基，在鈀催化劑的體系下，脫除三氟磺酸基得到8。至此，經(jīng)過6 步反應(yīng)成功去除吲哚母環(huán)上的甲氧基。 對吲哚母環(huán)脫除芐基保護(hù)基后，在強(qiáng)堿性條件下，通過醋酸鈀和三苯基膦體系中一步催化完成C7 和C20 的高效環(huán)合，得到了目標(biāo)分子，總收率為21%（圖4）。

圖4 Takeyama 等對(-)-Koumine 的仿生合成

令人印象深刻的是， 在該合成中前驅(qū)體11 經(jīng)C7與C20 發(fā)生分子內(nèi)環(huán)合， 以優(yōu)異的立體選擇性和較高的收率獲得了鉤吻素子。 首先，對這一過程運(yùn)用量子化學(xué)半經(jīng)驗(yàn)分子軌道（MNDO）理論計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)11 具有兩種構(gòu)象： 舒展構(gòu)象的穩(wěn)定態(tài)11 s 與折疊構(gòu)象的不穩(wěn)態(tài)11 u。兩種構(gòu)象的能量差僅為5.5 kcal/mol，因此在普通加熱的條件下就能實(shí)現(xiàn)兩種構(gòu)象之間的快速地相互轉(zhuǎn)化（圖5）。 另外，C7 與C20 之間的距離間隔小于2.5A。，這為環(huán)合提供了便利。

圖5 鉤吻素子前驅(qū)體的構(gòu)象及立體控制合成

最后，在烯丙位引入易離去基團(tuán)，如碳酸酯基、酯基、磷酸酯等，在強(qiáng)堿性三苯基膦體系中，過渡金屬醋酸鈀氧化加成離去基團(tuán)離去，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的π-烯丙基金屬中間體，具有優(yōu)異的立體選擇性。 該方法極大的提高了整體的合成率， 且環(huán)合方法也成為后續(xù)眾多鉤吻素子全合成的標(biāo)準(zhǔn)方法。

生源合成的步驟具有簡單高效的優(yōu)點(diǎn)， 但是生源合成的原料均是來源于天然產(chǎn)物， 仍然不易獲得，因此，按照劉鑄晉和Takayama 等生源合成路線均難以對鉤吻素子進(jìn)行克級規(guī)模的制備。 而通過生源合成過程來指導(dǎo)化學(xué)合成天然產(chǎn)物的策略是一種高效的途徑,同時(shí)按照可能的生源途徑設(shè)計(jì)完成天然產(chǎn)物的合成，也為生源合成提供證據(jù)。 面對綠色化學(xué)和日益增長的需求等問題， 利用簡單易得商品化的原料對鉤吻素子的全合成具有更為積極的意義。

2 鉤吻素子的全合成研究

Magnus 等[19]以色氨酸[(S)-(-)-Tryptophan]為起始原料完成了(+)-Koumine 的全合成(圖6)。 Magnus 等首先對吲哚環(huán)N 原子上進(jìn)行芐基保護(hù)基后對羧基側(cè)鏈酯化得到14；14 與苯甲醛進(jìn)行縮合制得15，在NaBH4 進(jìn)行還原胺化制備16。 16 利用Cooks 等人發(fā)展的Pictet-Spengler 環(huán)合方法， 在苯的介質(zhì)中與2-氧代戊二酸回流， 制得了一對以吲哚環(huán)為母核的三環(huán)羧基消旋體化合物17；為了對消旋體進(jìn)行拆分，對羧基進(jìn)行酯化后，通過柱層析即可分離得到一對非對映異構(gòu)體18，19（dr.2:1）。 18 經(jīng)Dieckmann 環(huán)合，構(gòu)建了四環(huán)化合物20，該步反應(yīng)的速率和C-3 的構(gòu)象異構(gòu)化有關(guān)。 合成的下一個(gè)重要階段是通過15 號位上N 原子烷基化后橋接一個(gè)線性C4 單位后形成喹諾啶環(huán)體系。20 在酸性條件下經(jīng)過7 d 時(shí)間水解脫羧， 然后利用10%Pd/C 作為相轉(zhuǎn)移催化劑，移除15 號位上的芐基保護(hù)基制得21，隨后與溴丙炔在乙醇的介質(zhì)中進(jìn)行N-烷基化反應(yīng)得到丙基胺22。 22 在碳基處引入叔丁基三甲基硅酯保護(hù)基得到23；在強(qiáng)堿性條件下，在丙炔上引入甲氧甲酰基，成功構(gòu)建了線性C4 單位，隨后在去除保護(hù)基的狀態(tài)下應(yīng)用LiBF4 構(gòu)建酮酯25。 25 在TFA/Pyrrolidine 的體系中促進(jìn)分子內(nèi)Michael 環(huán)化制備一組非對映異構(gòu)體26/27；Tebbe 試劑將26/27 碳基還原為烯烴得制得28/29。 28/29 進(jìn)行還原胺化是極為困難的， 所以應(yīng)用異戊二烯在四氫呋喃介質(zhì)中構(gòu)建手性季碳中心。 最后經(jīng)在強(qiáng)堿性條件下，分子內(nèi)環(huán)合制得（+）-Koumine(圖6)。

圖6 Magnus 等對(+)-Koumine 全合成

該路線通過色氨酸側(cè)鏈的手性季碳原子和Pictet-Spengler 環(huán)合構(gòu)建了兩個(gè)手性季碳中心，完成了對(+)-Koumine 的全合成；在最終C7, C20 環(huán)合時(shí)，發(fā)現(xiàn)互為非對映異構(gòu)體的36/37 均能在相同條件下生成 (+)-Koumine，因此在建立喹諾啶環(huán)體系產(chǎn)生的順反異構(gòu)體均能環(huán)合生成目標(biāo)產(chǎn)物， 從而避免了分離順反異構(gòu)體降低總產(chǎn)率。

針對Magnus 等合成路線過于冗長的問題，Bailey等[20]人進(jìn)行了對鉤吻素子的前驅(qū)體合成步驟進(jìn)行優(yōu)化，以化合物39 為起始原料，分別對11 號位和吲哚母環(huán)N原子進(jìn)行保護(hù)后， 經(jīng)過Dieckmann 環(huán)合反應(yīng)制得了41,41 在去除苯乙酸甲酯保護(hù)基后制得了化合物42（圖7）。 相比于Magnus 等的合成方法，化合物42 是合成(-)-Koumine 的前驅(qū)體， 且極大地簡化了前驅(qū)體蛇根精骨架的合成步驟。

圖7 Bailey 等對(-)-Koumine 全合成前驅(qū)體合成

Takayama 等[21]以簡單易得的商品化原料氮雜二環(huán)壬烷43， 經(jīng)過17 步反應(yīng)， 以總產(chǎn)率7%得到 (-)-Koumine （圖8）。 首先，43 在BH3.THF 的介質(zhì)中進(jìn)行Swern 氧化制得44；隨后對羥基進(jìn)行酯化保護(hù)后去除N原子上芐基保護(hù)基制備46；46 經(jīng)N 原子上偶聯(lián)C4 單位后與三異丙基硅基三氟甲磺酸酯反應(yīng)得到48。 48 通過一價(jià)金絡(luò)合物做催化劑，利用6-exo-dig 環(huán)合機(jī)理一次性構(gòu)建兩個(gè)手性季碳中心，制得所需產(chǎn)物49；同時(shí)也發(fā)生7-endo-dig 環(huán)合機(jī)理生成另一個(gè)副產(chǎn)物50。 值得一提的是，運(yùn)用三苯甲基醚作為羥基保護(hù)基（OTr）相比于甲氧基甲基醚（MOM）具有優(yōu)異的反應(yīng)選擇性，提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率（MOM 保護(hù)基： 50% yield; Tr 保護(hù)基：85% yield）。 49 在羥基脫除保護(hù)基的情況下， 利用Tebbe 試劑進(jìn)行Swern 氧化獲得52, 對52 母環(huán)上的羥基進(jìn)行還原后去除三苯甲醚保護(hù)基制備54。 54 利用Ficher 吲哚合成法制備化合物55， 然后使用與烯烴反應(yīng)具有高區(qū)域選擇性的9-BBN 進(jìn)行氫化還原后，在C17 處引入正確構(gòu)象的羥基得到56。 最后利用了Sakai組開發(fā)的C7 和C20 的高效環(huán)合方法，得到了目標(biāo)產(chǎn)物(-)-Koumine。

圖8 Takayama 等對(-)-Koumine 全合成

該路線運(yùn)用了逆合成分析的方法，一方面，利用一價(jià)金配合物進(jìn)行6-exo-dig 環(huán)合，一次性建立了兩個(gè)全碳季碳手性中心，高效構(gòu)建(-)-Koumine 哌啶環(huán)季碳手性原子的正確構(gòu)象；另一方面，利用9-BBN 的反應(yīng)區(qū)域選擇性構(gòu)建了正確的羥基。 同時(shí)該工作還可在吲哚環(huán)上構(gòu)建取代基，對(-)-Koumine 的結(jié)構(gòu)改造就有很好的借鑒意義。

Kerr 等[22]發(fā)展了分子內(nèi)硝酮[3+2]以及路易斯酸介導(dǎo)的環(huán)合反應(yīng)來制備(-)-Koumine（圖9）。 Kerr 組從起始原料60 開始，首先在鈀催化體系下進(jìn)行Still 耦合反應(yīng)生成化合物61，再利用銅催化乙烯基溴化鎂與61 共軛加成，生成內(nèi)酯62，但是該反應(yīng)并未完成乙烯基的不對成組裝。 值得注意的是，使用非手性配體72 能提高第二步反應(yīng)的收率和再現(xiàn)性， 特別是在放大反應(yīng)的情況下。 利用LiAlH4 還原內(nèi)酯62，制得二醇63；對63 烯丙醇基團(tuán)進(jìn)行區(qū)域選擇性取代并對羥胺進(jìn)行保護(hù)得到單一異構(gòu)體64。 64 與吲哚衍生物73 進(jìn)行組裝后，生成合成中間體65，隨后在苯的介質(zhì)中進(jìn)行回流，進(jìn)行分子內(nèi)硝酮[3+2]環(huán)化，獲得一組非對映異構(gòu)體66,67。 為了進(jìn)行拆分工作， 在混合狀態(tài)下用鎂去除對甲苯磺?；Ｗo(hù)基團(tuán)，生成無保護(hù)的吲哚母核；隨后對側(cè)鏈上的羥基進(jìn)行Swern 氧化生成醛類化合物，最后需對醛基進(jìn)行保護(hù)，以避免SmI2 還原。 自此，經(jīng)過3 個(gè)步驟后順利拆分制得69。 69 在路易斯酸BF3.OEt2 與乙腈的體系中，經(jīng)過Pictet-Spengler 環(huán)合反應(yīng)，羥基與吲哚母環(huán)8 號位上經(jīng)分子內(nèi)關(guān)環(huán)構(gòu)筑手性季碳中心得到化合物70。 最后利用了劉鑄晉的方法， 實(shí)現(xiàn)了 （-）-Koumine 的全合成。

圖9 Kerr 等對(-)-Koumine 全合成

學(xué)者對雙環(huán)辛烷骨架的合成產(chǎn)生極大的興趣，圍繞酮α-烯丙基化構(gòu)建雙環(huán)辛烷骨架這一目標(biāo)展開了大量的研究工作，如探索SN2 反應(yīng)條件等，其研究成果對后續(xù)鉤吻素子全合成的發(fā)展也具有一定的借鑒意義[23-27]。

3 中間體骨架的合成

徐風(fēng)組等[28]對具有19-C，20-C 雙鍵，16-C 氧代的蛇根精骨架進(jìn)行合成， 他們的策略是通過立體專一性合成1，2，3，4-四氫-β-咔啉， 然后再通過自由基環(huán)化反應(yīng)，完成具有正確取代的蛇根精骨架的合成（圖10）。從L-色氨酸甲酯74 出發(fā)， 與3-甲氧碳基丙酰氯在吡啶中酰胺化得到75。 75 在三氯氧磷中進(jìn)行Bischler Napieralski 反應(yīng)，成功得到了3,4-二氫-β-咔啉76。 由于76 在NaBH4 還原體系中極不穩(wěn)定， 因此采用PtO2/EtOH 體系中常壓催化氫化立體專一性得到1，2，3，4-四氫-β-咔啉77，產(chǎn)率為99%。 得到77 后，用1-溴-4-乙酰氧基-Z-丁烯-2 與77 反應(yīng)，順利的得到了78。 經(jīng)過13C 波譜分析法對77 的檢測也確證催化氫化反應(yīng)的立體專一性。 再用乙烯基乙醚保護(hù)78 吲哚氨基，得到79。79 經(jīng)Dieckmann 反應(yīng)得到β-酮酯80。在室溫條件下經(jīng)Mn（Ⅲ）/Cu（Ⅱ）自由基環(huán)化反應(yīng)得到81。 由于81 的15 位羥基對酸對熱不穩(wěn)定，采用酯化的方式保護(hù)15 位的羥基， 再在HOAc/MeOH/H2O 的體系中除去吲哚保護(hù)基，得到83。 83 的合成克服了合成蛇根精骨架分子所遇到雜環(huán)高張力的問題。

圖10 徐風(fēng)組對于蛇根精骨架的合成

近年來， 學(xué)者開發(fā)探索鉤吻素子中間體的高效合成策略，以促進(jìn)鉤吻素子的全合成發(fā)展（圖11）[29-33]。 以鉤吻素子中間體85 為分支點(diǎn)， 在C3-N 鍵斷裂后，通過π-Lewis 酸催化仿生吲哚加成到丙二烯單元， 進(jìn)而構(gòu)建鉤吻素子支架。 因而，具有通用酮和丙二烯基團(tuán)的高級籠中間體——氮雜雙環(huán)辛烷85 為合成鉤吻素子的核心步驟。 具有指示手性碳中心的84，可以以L-色氨酸為起始原料，發(fā)生kulinkovich 環(huán)丙烷化反應(yīng)生成。然后，84 通過串聯(lián)胺氧化和環(huán)丙醇開環(huán)環(huán)化快速組裝氮雜雙環(huán)壬烷骨架并引入通用酮基團(tuán)。 氮雜雙環(huán)壬烷部分可通過迪克曼環(huán)化、烯烴復(fù)分解、吲哚基Friedel-Crafts 反應(yīng)、和[5+2]-環(huán)加成或環(huán)擴(kuò)大合成，氮雜雙環(huán)辛烷部分最常通過鈀催化偶聯(lián)過程通過酮的α-乙烯基化構(gòu)建，為了增加后期結(jié)構(gòu)多樣化，在C20 處引入更通用的丙二烯團(tuán)體[34-38]。

圖11 鉤吻素子中間體-氮雜雙環(huán)辛烷的逆合成

綜上所述， 該文對鉤吻素子的合成進(jìn)展進(jìn)行了全面綜述，包括半合成路線、全合成路線以及中間體骨架的合成路線，并詳細(xì)闡述了其手性中心的構(gòu)建，以促進(jìn)鉤吻素子以及相關(guān)衍生物的合成和研究。