川大陈芬儿院士/唐培教授团队Angew. Chem.：Tacaman生物碱的立体发散式全合成

最近， 四川大学陈芬儿院士、唐培教授团队 基于酶催化Baeyer-Villiger反应和酸调控立体选择性串联环化策略，完成了5个顺式和3个反式tacaman生物碱的不对称全合成，并通过DFT计算解释了氢键在立体化学控制中的关键作用。相关研究成果发表在近期的 Angewandte Chemie International Edition 杂志上( Angew. Chem. Int. Ed. 2024 , e202407149)。

象牙胺-长春胺 （eburnamine-vincamine）类单萜吲哚生物碱主要从夹竹桃科中分离得到，具有脑血管扩张、神经保护、降压等活性，目前已有4个药物上市销售，分别是长春胺（vincamine）、长春西汀（vinpocetine）、长春布宁（eburnamonine）和溴长春胺（brovincamine）。根据该家族生物碱的骨架结构特征，可以分为四种主要类型：eburnane-vincane 型、tacaman 型、schizozygane 型和bisindole 型。20世纪60年代，Kuehne首次完成vincamine的全合成，开启了对eburnamine-vincamine生物碱合成研究的热潮，此后大量合成研究被陆续报道。尤其在过去十年间，秦勇、祝介平、童荣标、张敏、Trost、Stoltz、Boger、Romiti等知名化学家的优雅策略和精妙合成，更是将这一领域的研究推向了新的高度。值得注意的是，近年来的合成工作往往聚焦于eburnane–vincane，schizozygane和bisindole 三种类型。

Tacaman型生物碱 （Scheme 1）主要来源于 Tabernaemontana eglandulosa 。在生源合成中，由于生源前体dehydrosecodine采用了不同的环合路径，造就了tacaman型与其他骨架类型不同的结构特征，即具有C3/C14相邻叔碳立体中心。这类化合物展现出独特且优异的生物活性，如vindeburnol具有抗抑郁作用，已处于临床三期研究；3- epi -deethyleburnamonine具有激活 α -肾上腺素受体活性等。目前，对tacaman型生物碱的合成大多依赖于手性辅基或手性池，不对称催化路线仅有两条。鉴于C3/C14顺式和反式的tacaman生物碱都具有相应的活性，因此发展一条立体发散式的合成路线，同时完成顺式和反式tacaman生物碱的不对称全合成，对于该类生物碱的化学合成和立体化学研究，以及相应药物化学探索具有重要意义和价值。

Scheme 1. Representative tacaman alkaloids, highlighting the cis -fused ( 1 − 5 ) and trans -fused ( 6 − 8 ) members, as well as the biogenetic hypothesis. （来源： Angew. Chem. ）

近年来，陈芬儿院士、唐培教授团队聚焦于eburnamine-vincamine生物碱的全合成研究（ Chem. Eur. J. , 2020 , 26 , 10439; Chem. Commun ., 2021 , 57 , 11669; Chem. Commun. , 2022 , 58 , 1402; Org. Lett. , 2022 , 24 , 2409; Green Synth. Catal. , 2022 , 3 , 291）。在前期工作基础上，最近该团队实现了tacaman生物碱的立体发散式全合成。如Scheme 2所示，作者设想以酰亚胺离子中间体 12 作为关键的合成分叉点，期望发生酸调控的acyl-Pictet-Spengler串联环化反应，当吲哚基团从 Si 面加成得到顺式吲哚并喹诺里西啶骨架 13a ；相反，采用 Re 面进攻时则生成反式四环骨架 13b 。不难看出，受 Si 面羟乙基位阻影响，实现顺式选择性更具有挑战性。酰亚胺离子 12 可以由化合物 11 经过醛胺缩合反应得到， 11 可以由环庚酯 10a 与色胺经过氨解反应制备，而 10a 可以由4-取代环己酮经不对称Baeyer-Villiger反应得到，由此构建关键的C14手性中心。

Scheme 2. Design of tacaman alkaloid synthesis via a stereodivergent route.（来源： Angew. Chem. ）

如Figure 1所示，首先进行了化学催化不对称Baeyer-Villiger反应研究。尝试了多种条件，仅发现取代环己酮 9a 在冯氏手性氮氧配体/Sc络合物催化下，能以87% ee 和30%的收率得到 R - 10a 。接着，转向进行生物酶催化的Baeyer-Villiger反应探索。最终，在双突变株 Mut2 作用下，能在500毫克反应规模、以92%的GC收率（84%分离收率）、99% ee 的对映选择性得到 R - 10a 。同时，通过分子动力学模拟推测了 Mut2 比野生型具有更优催化效果的原因：在 Mut2 催化下， 9a 的羰基碳原子到FAD的碳原子（4a）的距离更近（5.7 Å vs. 5.0 Å），而到精氨酸氢原子(H ^ε )的距离也更近（8.5 Å vs. 1.8 Å），可能使得反应活性显著提高。

Figure 1 . Evaluation of asymmetric Baeyer-Villiger oxidation conditions. A) For the asymmetric Baeyer-Villiger oxidation. B) Chemical Baeyer-Villiger oxidation; C) Asymmetric Baeyer-Villiger oxidation catalyzed by WT CHMO Acineto and its variants (Mut1 and Mut2). （来源： Angew. Chem. ）

同时，对底物的普适性进行了考察。如Figure 2所示，当取代基为Me、Et、 n -pentyl时表现出良好的反应活性（73%-88%分离收率），以及优异的对映选择性（99% ee ）；当取代基为芳香烃时，包括吸电子和供电子芳烃，均表现出较好的反应活性（66%-93%分离收率）和较高对映选择性（88%-99% ee ）。

Figure 2 . Substrate scope of the enzymatic Baeyer-Villiger oxidation.（来源： Angew. Chem. ）

在利用酶催化Baeyer-Villiger反应成功构建C14手性中心后，接着进行关键的立体发散式串联环合研究。如Table 1所示， 10a 与色胺经氨解得到酰胺 11 ，参考前期工作基础（ Chem. Commun. , 2021 , 57 , 11669）中的条件， 11 在CHCl ₂ COOH作用下，顺利以27:1 dr , 95% ee 得到反式构型化合物 13b 。在更具挑战的顺式环合探索中，作者筛选了大量手性磷酸和手性硫脲催化剂，均未得到满意结果。接着对无机酸进行筛选，最终在40% H ₂ SO ₄ 下，以3.7：1 dr , 95% ee 得到顺式四环骨架 13a 。

Table 1 . Optimization of the acid-triggered cyclization cascade.（来源： Angew. Chem. ）

为了探究在不同酸作用下表现出立体选择性差异的原因，作者选取了代表性的CHCl ₂ COOH和H ₂ SO ₄ 条件进行了密度泛函理论计算分析（Figure 3）。在CHCl ₂ COOH作用下，其羧基氧与吲哚2位及酰亚胺离子形成氢键（ Int3 / Ts2 ），使吲哚优先通过 Re 面对酰亚胺离子发生亲核进攻，产生反式四环骨架 13b ；而在H ₂ SO ₄ 体系下，其强酸性使得底物羟基氧与吲哚氮氢形成氢键 （ Int7 / TS4 ），从而控制吲哚优先从 Si 面进攻，生成顺式产物 13a 。此计算结果与实验现象相符，揭示了氢键稳定中间体，诱导产生不同加成方向的关键作用。

Figure 3 . Density functional theory calculations for the acid triggered cyclization cascade involving the Pictet-Spengler reaction. （来源： Angew. Chem. ）

在完成顺式四环骨架 13a 和反式骨架 13b 的立体选择性构建后，接着进行tacaman生物碱的立体发散式全合成。首先是顺式生物碱的合成研究（Scheme 3）， 13a 经酰胺还原及Ley–Griffith氧化，以两步共77%的收率，得到(+)-deethyleburnamonine ( 5 )。 13a 经保护、aldol缩合和脱水得到 Z / E 烯烃混合物 16 ，通过立体选择性氢化以6:1 dr 得到目标产物 15b ，由此完成了C20乙基的组装。接着， 通过酰胺还原/脱保护以及Ley–Griffith氧化关环，完成(+)-tacamonine ( 1 )的制备。而将 1 用DIBAL-H处理则立体专一性的生成 (–)-decarbomethoxytacamine ( 2 )。另外，从共同中间体 Z / E - 16 出发，系统筛选了Mukaiyama水合反应条件，最终以70%收率、13:1 dr 得到叔醇 17a ，接着经羟基保护及类似转化，顺利完成(+)-tacamonidine ( 3 )和 (–)-tabercamine C ( 4 )的合成。

Scheme 3 . Total syntheses of (+)-tacamonine ( 1 ), (−)-decarbomethoxytacamine ( 2 ), (+)-tacamonidine ( 3 ), (−)-tabercamine C ( 4 ), and (+)-deethyleburnamonine ( 5 ).（来源： Angew. Chem. ）

最后，进行反式生物碱的合成。如Scheme 4所示，反式四环中间体 13b 经酰胺还原得到醇 20 后，通过Parikh-Doering氧化及碱性条件处理，以55%的收率、13:1 dr 得到 (–)-vindeburnol ( 7 )。同时，对醇 20 换用Ley–Griffith氧化，则可生成(–)-3- epi -deethyleburnamonine ( 6 )，再经DIBAL-H还原内酰胺，可立体专一性的完成(+)-16- epi -vindeburnol ( 8 )的制备。

Scheme 4 . Total syntheses of (−)-3- epi -deethyleburnamonine ( 6 ), (−)-vindeburnol ( 7 ) and (+)-16- epi -vindeburnol ( 8 ).（来源： Angew. Chem. ）

四川大学陈芬儿院士、唐培教授团队以酶催化Baeyer-Villiger氧化和酸调控acyl-Pictet-Spengler串联环合为关键策略，完成了5个顺式和3个反式tacaman生物碱的立体选择性全合成，其中(–)-decarbomethoxytacamine和(–)-tabercamine C为首次不对称合成。通过DFT计算研究进一步探讨了酸调控立体选择性的原因，推测氢键是环合方向控制的关键因素。该工作不仅实现了多个tacaman生物碱的立体发散式全合成，还彰显了生物酶催化在天然产物全合成中的巨大潜力。

这一研究成果于 2024 年 7月 1 日以标题“Stereodivergent Total Synthesis of Tacaman Alkaloids”在线发表于 Angewandte Chemie International Edition (DOI: 10.1002/anie.202407149)。该研究工作主要由四川大学博士生 陈向桃 、 王慧婧 副教授，以及武汉工程大学 曾婕 老师等完成， 陈芬儿 院士、 唐培 教授为该论文共同通讯作者。