【全合成】Baran 《JACS》(+)-Ingenol的简洁全合成

‍

引言

该文第一作者为Steven J. McKerrall

通讯作者为有机合成领域大牛Phil S. Baran教授

该研究报道了结构特殊、复杂的二萜天然产物(+)-Ingenol的简洁全合成：

关于Ingenol的全合成，我们之前分享过一篇报道《Ingenol全合成之旅：从46步到14步！》（点击阅读详情）。

此次，我们再来学一学该化合物全合成的详细解析

1

简介

数十年来，结构复杂的萜类天然产物，不断推动有机合成在策略和方法学上的研究进展。

作为二级新陈代谢产物，萜类通常具有大量的氧化态，以及独特的分子骨架，这对于合成极具挑战。

萜类化合物具有重要的生理学活性，需要开发更有效的制备方法，以便应用在药物研究开发中。

在植物Euphorbia属中，通常含有多种高氧化态的二萜天然化合物，其中最引人关注的是二萜醇ingenol。该化合物在1966年由Hecker和同事从Euphorbia ingens中分离获得，因此命名其为ingenol。直到1967年，将该化合物进行三乙酸酯化，通过X-射线单晶结构衍射才确定了该化合物的结构。

对于合成研究而言，Ingenol主要存在的挑战有：

1）空间位阻大，并且连续的手性三醇

2）手性季碳中心

3）二甲基环丙烷并环结构

4）双环[4.4.1]十一烷含有一个反式内桥立体化学构型，即in/out立体化学中心。这样的结构导致双环骨架具有很大的张力

Ingenane二萜化合物，除了具有独特的复杂结构外，还有重要的生理学活性。Ingenol衍生物经过研究，被证明具有抗肿瘤、抗HIV等活性。由LEO药物公司开发的ingenol mebutate 3，在2012年被FDA批准作为一类首选治疗光线性角化病用药

从E. peplus分离，化合物3是通过筛选澳大利亚土著居民使用的药用植物发现的。有趣的是，治疗作用机制还没有被很好地理解。有人提出了一种双相机制，最初是不明确的坏死细胞杀伤机制，随后是蛋白激酶C激活介导的免疫刺激，最终导致细胞凋亡。

目前，化合物3是通过繁琐的分离获得，产率很低，每公斤分离纯化后仅获得约1.1 mg。另外，人们也开发了方法半合成3，通过ingenol1经过三步反应合成，ingenol1的分离收率约250 mg/Kg。相对而言，具有较大优势。

虽然这些方法可以为临床实验和开发提供必需数量的产物，但是分离纯化操作极其低效、困难，并且成本高。

此外，生物工程方法也因不甚了解的复杂生物合成而受到严重阻碍。最重要的是，从开发新药的角度来看，1的半合成修饰是有限的，严格的构效关系仍然难以捉摸。

这些挑战促使LEO制药公司与Baran实验室开展合作，目的是为1的化学合成开发蓝图，以适应大规模的制备

2

逆合成分析

此前数十年，有三个关于ingenol的全合成报道：

这每一个全合成报道，都是具有里程碑意义的成就。但是，这些全合成存在的主要问题是，需要经过大量的合成步骤（37-46步反应）制备目标化合物1。

为了获得完全合成的甲丁酸ingenol类似物(3)，还需要一种能够适应后期多样化的方法。为此目的，寻求一种权宜之计的合成方法，既能制备大量的化合物1，又能将后期的中间体转移到新的类似物3

作者对1的逆合成分析受到大戟二萜（Euphorbia）生物合成的极大影响

生物合成认为从casbene(15)的形成开始，然后逐步环化，生成lathyrane(16)、tigliane(17)、ingenane(18)和daphnane(19)天然产物的碳骨架。但是，只有casbene(15)的生物成因被详细地描述过，后续的生物合成步骤是推测的。中间环化的建议最好的支持是每个中间支架存在氧化的天然产物(20 - 23)。

在不同的环化酶步骤中安装的氧化水平也仍然是一个谜，很可能是一些环化酶和氧化酶步骤在大戟二萜的生物合成中相互缠绕。然而，首先形成一个未功能化的碳骨架，然后通过氧化和重排形成不同的分子的普遍智慧被保留了下来。

逆合成分析开始于这样一个认识：连接tigliane(17)和ingenane(18)骨架的生物合成步骤是一个极大简化的断开。化合物17至18的重排形成全碳四元立体中心，安装双环骨架，固定in/out立体化学。

虽然1的生物合成仍停留在很大程度上的推测，重排很可能是pinacol型1,2迁移，因为tigliane天然产物通常包含phorbol (23,C-10)中必要的叔醇。此外，将异戊二烯规则应用于1表明了结构重排。

进一步支持这个的证据有：1的逆-pinacol重排，获得tigliane型化合物24。活化化合物25的仲醇，经历类似的1,2-迁移，生成化合物26.

Cha证明了环氧醇27在AlMe3存在下，重排生成28（化合物1的碳环结构）。Paquette等人还尝试光-pinacol重排29，但这些努力被竞争性重排所阻碍，生成了31这样的产品

除了模仿生物合成反应形成内外立体化学，我们还试图借用自然界在萜类生物合成中采用的一般两相策略。

在这个设计中，非生物碳-碳键形成反应将提供一个关键的碳骨架，随后由底物控制的氧化和重排将提供1。

因此，目标化合物1可以由较低氧化态的前体32转化得到。Ingenane 32将由tigliane 34经历乙烯基频哪醇重排，通过碳正离子中间体33形成。34中的tigliane骨架将通过中间体35的Pauson - Khand (P-K)环化合成，最终反推得到起始原料为便宜的(+)-3-蒈烯(36)。除了产生1，这条路线还可以使关键羟基在后期多样化，合成甲基戊酸ingenol类似物(3)。

3

合成过程

作者首先合成烯炔Pauson-Khan反应的模型底物：

以(+)-3-carene 3a为底物，使用文献报道的方法，经过五步反应，转化为酮37

接下来，使用LiHMDS拔去a位氢，再和4-戊烯醛进行加成，以dr = 2:1，71%收率得到相应的加成醇38

随后，再CeCl3存在下，炔基锂和环酮发生亲核加成，再通过碳酸钾甲醇处理脱去炔基上TMS保护基，67%收率制备得到炔醇39。随后，作者尝试该底物进行P-K反应，但是没有生成期望的环化产物40

39没有经过理想的烯炔P-K环化，作者重新考虑化合物34的tigliane环系。

有报道P-K反应的几种变体：

特别是Brummond和Mukai实验室的报告，详细描述了铑催化的烯炔P-K反应，非常有前途，因为展示了7-甚至8元环可以很好地形成的例子

因此，进一步使用TBS选择性保护较小位阻的仲醇，得到41。再与八羰基合二钴进行反应，生成了插羰环化物42，收率90%

最后，尝试空气氧化环内烯酮的双键，收率为50%；更换过氧化氢进行氧化，则收率提高至80%

烯炔模型系统的合成再次从酮37开始，它被LiHMDS去质子化，然后用手性醛48处理，作为一个单一的可观察的非对映体，加成化合物49的收率为62%

随后，使用有机铈试剂进行乙炔化，脱保护，以5:1非对映体混合物，69%收率获得二醇51。二醇51在标准的P-K条件下快速分解，双TBS保护底物52在CO气氛下通过催化量[RhCl(CO)2]2的处理成功地进行了环化，得到了唯一的区域异构体二烯酮53，产率为33%。有了这个结果，在原则上，烯丙烯P-K反应可以将关键前体转化为ingenol(1)。

在构建可行的tigliane前体的概念证明之后，遇到的下一个挑战是安装缺失的C-11甲基。为了实现这个目标，发现(+)-carene 36通过NCS和DMAP处理，可以区域选择性地进行氯化，随后再通过臭氧氧化，两步收率48%获得a-氯代酮54:

经过条件筛选，发现使用LiNap处理，再和碘甲烷反应，可以生成所需的甲基酮；随后，LiHMDS处理后，与48进行亲核加成，得到丙烯基衍生的醇55。一锅法制备得到单一立体异构体55，收率达到44%

随后，通过乙炔基溴化镁对酮进行加成，发生乙炔基化，收率81%，非对映异构体比例为10:1

再次采用一锅法操作，依次使用TBSOTf和TMSOTf处理底物56，将其转化为相应硅基保护的醇57

接下来，催化量的[RhCl(CO)2]2作用下，底物在一氧化碳氛围中，二甲苯溶剂进行P-K反应。条件探索发现，催化剂对该反应收率影响大，此外反应需要在低浓度下进行更为有效。这可能是通过降低底物在溶剂中的浓度，减小了分子间的反应。不过，有利有弊，产率虽然提上去了，产能却是受限制。

最后，甲基溴化镁对酮进行加成，转化为叔醇59，收率80%，同时回收18%的不饱和烯酮58。

至此，完成了环化酶阶段的合成过程，顺利将目标化合物1所有碳原子都构建在适宜的骨架中。剩下的工作，就是进行所需的氧化，以及分子骨架重排。

Pinacol重排研究

以二烯59为模型，进行Pinacol重排的研究：

结果发现，在一系列的酸条件下，均没有发生期望的重排，仅观测到叔醇被活化并消除得到的化合物61。

因此，在CeCl3和二氧化硅处理下，二烯59经过脱水得到化合物61，收率92%。

接着，使用四氧化锇将新生成的双键发生顺式双羟化，收率30%转化为二醇62。

再次尝试将二醇62进行重排，以获得所需的骨架化合物60。但是，尝试了一系列条件，均以失败告终。

这个模型研究表明，分子中存在的二烯结构，要求迁移的键和pi-体系接近平面，这导致迁移过程轨道几乎没有重叠。有理由表明，C-4/C-5烯烃严重阻碍了该反应的进行。因此，想办法将这些烯键进行转化，将有利于所需的pinacol重排。

随后，作者尝试对双键进行双羟化：

化合物59在四氧化锇作用下，位阻略微小的环内双键被顺式双羟化

随后，在TFA作用下，发生重排，分别获得两个螺化合物68（26%）和69（37%），差别在于季碳手性中心不同

螺酮68可能是通过65经过一个pinacol重排过程生成，而差向异构体69也证明了该机理过程

当化合物66在HFIP中进行加热时，分别生成差向异构体螺化合物70和稠环化合物71，进一步将这两个化合物衍生为相应的二硝基苯甲酸酯，通过X-射线单晶衍射，确证了化合物70和71的结构

二醇66与CDI在催化量的DMAP作用下发生反应，转化为碳酸酯72。相对而言，碳酸酯基团对于酸性条件具有稳定性。问题是，经过多种活化条件探索，发现该底物要么不反应，要么发生消除。

当使用MsCl和三乙胺处理72时，发生了叔醇脱水，生成二烯73，收率为77%

为了探索大位阻硅基保护基是否对反应有所影响，通过TBAF脱去硅基保护基，以45%收率获得相应的二醇74；随后，通过三氟乙酸处理74，以73%收率转化为双环醚化合物75.

作者广泛地筛选了各种Lewis酸、质子酸，以及活化试剂，结果，都没有将化合物66，72或74转化为所需的重排产物。

然而，淬灭试验条件不同，产物和产率变化很大，这促使作者研究并获得了所需结果。

当化合物72在二氯甲烷中，使用三氟化硼乙醚处理，并于-78 ^oC淬灭，回到得到只有原料；当反应缓慢升温至零度，获得消除的副产物；如果在-78 ^oC通入饱和碳酸氢钠淬灭，将会获得低收率的期望重排产物76

这些研究表明，反应淬灭温度对于生成物影响很大。经过调整发现，使用甲醇/三乙胺（1：1）在-40 ^oC淬灭反应，则期望产物76收率可达80%。

随后，在该条件下深入研究了Lewis酸，结果仅在使用三氟化硼乙醚时候，观测到产物76发生了重排，获得逆pinacol重排产物77；如果使用氢氟酸水溶液，则获得醚75

完成了in/out双环骨架的构建后，还需要经过两次烯丙基氧化，以及脱去TBS保护基，以实现目标化合物的全合成。

4

目标化合物

在二氧化硒作用下发生第一次烯丙基氧化，随后和醋酐原位进行乙酰化，得到相应的乙酸酯78，收率59%，该化合物是单一立体构型

随后，使用氢氟酸处理，脱去TBS保护基，没有发生逆pinacol重排，以90%收率获得醇79。该化合物衍生为对溴苯甲酸酯79’，经过单晶衍射取证化合物双环桥头碳为in/out构型，以及乙酸酯的立体中心结构

随后，使用Martin sulfurane处理，发生醇的消除，碱性条件处理，水解掉碳酸酯，生成20-脱氧ingenol 2，收率81%

最后的烯丙基氧化，采用了Wood合成相似的策略。Shibuya条件（二氧化硒与甲酸），化合物2发生烯丙基氧化，没有过氧化现象，顺利制备得到最终目标化合物ingenol 1，收率为76%。

至此，ingenol 1从(+)-carene出发，经过14步线性步骤，以总收率1.2%（平均每步收率为73%）完成了全合成。

结论

Baran等人通过模拟自然界合成的两相过程：环化酶阶段和氧化酶阶段。依次完成结构复杂的天然产物骨架环的构建，后续再通过适宜方法进行氧化。高效完成了结构复杂的二萜醇ingenol的全合成

通过该通用的方法，作者还实现了多个复杂天然产物的全合成。这是一个值得学习和深入研究的合成策略。

‍

‍