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有机合成界的珠穆朗玛峰:岩沙海葵毒素的全合成路线!

日期: 来源:化学科讯收集编辑:
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这是一篇给热爱有机化学的同学看的故事







天然药物化学史话:岩沙海葵毒素


1971 年,Science 杂志首次公开报道从美国夏威夷海洋生物软体珊瑚Zoanthids “limu-make-o-Hana”(Palythoa sp.)中分离得到了PTX。在历经10 年研究后,美国夏威夷大学的Moor 教授研究团队和日本名古屋大学的Hirata 教授研究团队几乎同时报道了PTX 的化学结构。PTX 的分子式为C129H221O54N3,相对分子质量高达2677,是一个复杂的超级长链聚醚类(polyethers)化合物,也是目前发现的毒性最强的非肽类化合物。
聚醚类化合物是海洋生物二次代谢物中最重要的化合物之一,此类化合物具有结构新颖、特殊、相对分子质量大甚至超大、生物活性超强且剧毒、作用机制独特等特点。除PTX 外,此类化合物还有著名的刺尾鱼毒素(maitotoxin,MTX)、西加毒素(ciguatoxin,CTX)、大田软海绵酸(okadaic acid,OA)以及短裸甲藻毒素(brevetoxin,BTX)等。PTX 是目前最强的冠脉收缩剂,其作用比血管紧张素强100 倍。海洋聚醚类化合物有望在研制新型心血管药物和抗肿瘤药物中发挥重要作用。

PTX 的结构中含有64 个手性原子和7 个双键,理论上应该至少有不少于271 个立体异构体;此外,分子中还有10 个含氧环,还会涉及环上的顺反异构体,可能的立体异构体会更多。但是,美国哈佛大学的Kishi 教授领导的团队从1986 年开始,历经8 年的努力,终于在1994 年完成了PTX 的全合成。

Kishi 教授带领的研究团队通过逆合成分析法对PTX 的结构进行了仔细和缜密的研究,决定将PTX 分成若干个更易于合成的“碎片”或“片段”,试图首先合成这些“片断”,然后将这些“片断”拚接在一起,从而最终完成PTX 的全合成。其中最具有代表性的“片断”结构见图2。
F1 与F2可以通过Wittig 反应连接起来;
F2 与F3 可以通过Nozaki-Hiyama-Kishi 偶联反应连接起来;

F3 与F4可以通过Suziki coupling 反应连接起来;

F4 与F5 可以通过Homer-Wadsworth-Emmons olefination 成烯反应连接起来;

F5 与F6,F6 与F7 可以通过Wittig反应然后再通过氢化反应(hydrogenation)连接起来;

F7 与F8 也可以通过Nozaki-Hiyama-Kishi 偶联反应连接起来;

F8 与F9 可以通过形成酰胺的反应连接起来,最终按顺序拼接就会得到PTX 分子。

此后,Kishi 教授带领研究团队开始了这些“片断”的合成研究工作。在PTX 的全合成过程中发现和应用了不少新的非常有价值的化学反应、实验方法,其中卤代乙烯(vinyl halide)在温和条件下与醛(aldehyde)进行的选择性加成反应是最重要的反应之一。此反应最初是由日本京都大学的Nozaki 教授与合作者在1983 年发现的,在反应中使用的有机铬离子(organochromium)与金属镍催化剂在反应中起着非常关键的作用。

Kishi教授等将此反应改进并应用到PTX 的全合成中,如通过Wittig 反应完成F1 与F2 的连接后(F1+2)

利用此反应又将F1+2 与F3 连接到一起(F1+2+3)产率可达90%。

产率可达90%。现在此反应称为Nozaki-Hiyama-Kishi 偶联反应( Nozaki-Hiyama-Kishicoupling reaction),并在其他复杂分子的合成中被广泛应用。

到1989 年,Kishi 教授的研究团队已经完成了对PTX 分子绝大部分结构的合成工作,即完成将F1~F8 的合成及连接工作,得到了称为palytoxincarboxylic acid(PCA)的分子,最后只要将PCA中的羧基与F9 中的胺基形成酰胺即可大功告成,但是此项工作却花费了近5 年的时间。PCA 也是从海洋生物珊瑚Palythoa sp. 中分离得到的天然产物,对酸和碱极度敏感,这就意味着若将PCA 中的羧基与F9 中的胺基形成酰胺键是非常困难的。此外,PTX 结构中此酰胺上的胺基实际是一个烯胺(enamine)的结构,还涉及双键上顺反异构体的问题。幸运的是,经过不懈的努力找到了通过在烯胺的双键上连接苯基硒化物(phenylselenide)来解决影响选择顺反异构体产物的方法,最后一个难题被攻破了。

1994 年,Kishi 教授终于完成迄今为止相对分子质量最大、结构最复杂的天然产物分子的化学全合成。

PTX 是目前已完成化学全合成中相对分子质量最大、手性碳最多的天然产物之一,不论从反应路线设计还是反应难度上看,其全合成过程堪称攀登有机化学领域的珠穆朗玛峰。在PTX 的全合成过程中使用和发现了不少新的试剂、化学反应及机制等,不仅对有机合成而且对有机化学理论的发展都起到了非常大的推动作用。

Kishi教授是著名有机合成大师“伍德沃德(现代有机合成之父)”的学生,也是目前公认的世界最顶尖的有机化学家之一。


Woodward 曾这样描述有机合成:“有机合成非常刺激、冒险、富有挑战,甚至是伟大的艺术。”Corey 也曾说过:“有机化学家不仅是逻辑学家和战略家,而且是具有很强的判断力、想象力甚至创造能力的开拓者。这些额外的素质是非常实际和极其重要的,这样可以保证在合成的基本原理下进行艺术性的创造。”复杂天然产物的化学全合成已经成为有机化学领域中最为活跃的一个分支,不断发现的具有超出科学家想象的、具有新颖复杂结构的天然产物分子不断为有机合成化学家提供新的挑战,也为有机化学学科的发展提供了最直接的推动力,同时体现着一个国家科技发展的水平。PTX 的全合成已被美国化学会载入近百年来最伟大的成就之一,至今仍让科学家们津津乐道、赞叹不已。


原文选自:李 骘,刘诣等天然药物化学史话:岩沙海葵毒素的全合成









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