背景介绍

仿生合成、多样性发散合成以及化学合成与合成生物学的协同结合策略在天然产物的全合成中越来越被广泛重视。特别是以自然界含量丰富的可再生资源或者易得的简单化合物为原料将绿色环保的原子经济学合成理念以及高效高立体选择性串联反应的新颖设计应用到天然产物理想全合成中更具有实际应用价值。

呋喃及其衍生物是自然界中广泛存在的一种可再生的廉价生物质原料，已经被成功运用于高分子聚合材料与各种有机反应之中，其中一类著名的反应便是 Achmatowicz 重排反应。Achmatowicz 反应在很温和的氧化条件下可以很方便地将呋喃醇转变为二氢吡喃六元环，进而进行更多后续的衍生并转化成更有价值的复杂结构，例如进行糖基化，环加成，Michael 加成等等。The University of Texas 的 Stephen F. Martin 课题组，南方科大的李闯创课题组以及香港科大的童荣标课题组等均在 Achmatowicz 重排反应在天然产物全合成的应用方面做了很多漂亮的工作。

Aza-Achmatowicz 反应是 Achmatowicz 反应的一个衍生，其反应底物是基于呋喃胺类物质，经过氧化重排后产生哌啶类衍生物，这一类含氮结构在很多天然产物特别是具有生物活性的生物碱和药物分子中占据着核心骨架的位置。然而，相对于 Achmatowicz 重排反应在合成应用中的遍地开花，Aza-Achmatowicz 反应的应用相对较少，特别是在复杂吲哚类天然产物中的应用还没有报道。

研究出发点

我们实验室一直对以自然界丰富的可再生资源或者廉价生物质原料为底物，通过高效高选择性转化策略来进行复杂且具有生物活性的天然产物，特别是吲哚类生物碱的理想全合成有着浓厚的兴趣。

基于 Aza-Achmatowicz 反应的巨大应用潜力，我们设想能否将其应用到吲哚类天然产物的全合成之中，并由此提出了几点设计。如 Scheme 1 所示，如果吲哚与呋喃分别构建在氮原子的两侧，如化合物 1，那么经过Aza-Achmatowicz 反应就可能会形成中间体 Ts-1，由于这个中间体有着易被进攻的亚胺结构，那么具有亲核性的吲哚 2 位就有可能对这个位点做出进攻，从而产生四环化合物 2。化合物 2 是一系列吲哚类天然产物的重要结构骨架，如 Pleiocarpamine；如果吲哚和胺基分别通过碳链取代在呋喃的同侧 2- 和 3-位，如化合物3所示，那么经过 Aza-Achmatowicz 反应就可能会形成中间体 Ts-2，这时吲哚的2位对这个位点进攻的话就有可能形成化合物 4。对化合物 4 进一步的转化就会合成天然产物 Aspidophylline 的骨架；另外一种情况是呋喃，烷基胺和吲哚三个官能团被同一个碳连接，如化合物 5 所示。经过 Aza-Achmatowicz 反应就可能会形成中间体 Ts-3，同样，若吲哚的 2 位对亚胺进攻形成新的六元环后，就会形成一个包含吲哚 [3.3.1] 四环体系 6。化合物 6 是一系列天然产物如 Macroline/Sarpagine/Ajmaline 生物碱的共同中间体，所以一旦完成这个转化，后面可以合成的天然产物分子非常多。另外需要注意的是 Scheme 1 里面的设计仅仅是基于简单的色胺类底物（烷基取代在吲哚 C3 位）发生串联反应的部分例子，其他类型的排列组合也会产生更多样的吲哚类多环体系。

当然，如果以烷基取代在 C2 位的吲哚衍生物为原料，Aza-Achmatowicz 反应之后的亲核加成环化反应如果发生在吲哚 C3 位或者吲哚的 NH 上，另外两套串联反应产物组合也可能会被高效构建。（具体细节见 supporting information）

▲ Scheme 1. Approaches to constructing indole-fused tetracyclic ring systems and selected examples of indolealkaloids.

图文解析

我们对 Scheme 1 中的第三种设计进行了实验验证。在由简单的吲哚衍生物与呋喃合成所需的化合物 5 后，我们开展了对这一类串联反应的探索。如 Scheme 2 所示，我们开始的时候期望在没有保护基的情况下也能先发生 Aza-Achmatowicz 反应并顺利进行与吲哚亲核环化的串联组合。但是，在一般氧化条件下，没有保护基的吲哚与裸露的胺的氧化要优先于呋喃氧化，导致 Aza-Achmatowicz 反应不能顺利的进行。在经过大量的不同保护策略的探索后，我们欣喜地发现，只有在吲哚上有了 Boc 保护，同时用三氟乙酰基保护了胺后才能以很少的分离产率拿到了目标产物（ ~ 5 % ）。虽然产率很低，但这毕竟打开了我们基于 Aza-Achmatowicz 反应合成复杂吲哚 [3.3.1] 四环体系的大门。下面我们通过一系列条件的优化，包括胺上保护基的替换，还有氧化剂、溶剂等条件的变化，以 80 % 的分离产率得到了目标产物。

▲ Scheme 2. Investigation the impact of protecting groups on the oxidation.

在完善反应条件优化之后，我们首先对这类高效串联反应的普适性进行了研究。对氮上面的保护基与吲哚上的各个位置进行不同官能团的取代之后，我们设计的串联反应都能顺利进行，并且均有着不错的分离产率。只有烷基胺上面连接着强吸电子基团 2,4-二硝基苯磺酰基时产率较低(6f)，经过分离后发现大部分产物停留在化合物7（scheme2）的阶段。此外呋喃上面有取代的底物譬如甲氧基取代的呋喃也能高效参与反应(6r)，更有挑战性的九元与十元大环体系也能被顺利构建(6p 和 6q)等，这些底物的成功大大拓展了这类串联反应在合成中的应用范围。

Table 1. Substrate scope

[a] Reaction conditions: substrate 5 (0.05 mmol), NBS (0.06 mmol), CH3COONa·3H2O (0.15 mmol), MeCN:H2O (4:1, 2.5 mL) at 0 oC to r.t. for 20 min to 60 min (depends on the disappearance of the substrate 5). [b] Then with silica gel in refluxing toluene for 20 min. [c] Isolated yields. Ts = p-toluenesulfonyl, Ms = methanesulfonyl, NBS = N-Bromosuccinimide, MeCN = Acetonitrile.

在完成了底物拓展之后，我们接下来将这一新颖的串联反应应用到天然产物 Alstofolinine A 的首次不对称全合成中(Scheme 3)。在用 Ellman 试剂与大位阻的还原试剂控制立体选择性完成了手性胺 9 的合成之后，我们用 m-CPBA 将亚砜氧化成了单一对映异构体磺酰胺产物 5 g。针对我们串联反应的底物 5 g，应用最优化条件，我们以 70 % 的分离产率完成了该关键步骤，顺利得到了单一构型的 6 g。然后对 6 g 进行吲哚氮上的甲基化与双键的还原得到化合物 10，β-羧酸酯化同时上Tf基团完成 11 的合成。Stille 偶联反应与 Pd/C 还原联合以高产率得到 Alstofolinine A 的骨架结构 13。但是最后的脱保护又遇到了困难，按照经典的脱保护基的方法如在苯甲醚溶液中加三氟甲磺酸或者三氟乙酸都只能使底物分解。

最终又经过了一系列条件的筛选，我们才发现在 DCM 中使用大过量的 AlCl3 几乎可以定量的得到脱保护基的产物，该中间体不需要纯化直接甲基化就可以高效完成了这个天然产物 (-)-Alstofolinine A 的全合成。在完成方法开发和全合成基础上，我们针对合成出来的关键复杂中间体以及最终产物进行了详细的生物活性测试（结果见 SI），我们很惊喜地发现这一类骨架结构中的七个化合物可以针对四种不同的癌细胞系表现出高选择性的细胞毒性，这一结果为苗头药物分子开发和后续的构效关系优化提供了有效的药效骨架核心结构。

▲ Scheme 3. Asymmetric Total Synthesis of (-)-Alstofolinine A

总结与展望

基于简单呋喃底物或者生物质原料的(Aza-)Achmatowicz 串联反应是一类应用潜力十分巨大的反应类型。我们课题组报道的这种 Aza-Achmatowicz 与吲哚亲核环化的串联反应可以很方便高效地合成吲哚 [3.3.1] 四环复杂体系，且具有广泛的底物适用性，基于这一简洁串联策略，我们成功地完成了 Macroline 类生物碱 (-)-Alstofolinine A 首次手性全合成。我们相信这种方法可以合理扩展到合成更复杂的吲哚生物碱中，特别是 Scheme 1 和 SI 里的其他设计策略和合成途径也具有很强的可行性与实用性，我们实验室正系统性地深入进行这方面的实验和探索。

心得与体会

实验室成员除了日常紧张的实验外，每人都雷打不动地坚持讲反应、嚼文献、画机理，交流新想法，并且每周六都有高等有机课程学习或者专题报告。平常多看，多想，多积累，扎实的理论学习加上严谨的实验操作才能迅速在科研过程中找到新发现，真正去做一些自己原创性的东西。

课题组介绍

齐湘兵博士自2005年在美国德州大学西南医学中心（UTSouthwestern Medical Center）生物化学系 Joseph Ready 实验室攻读博士学位，2009 年获得有机化学/生物化学博士学位后分别在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）化学系与德州大学西南医学中心生物化学系进行博士后研究和药物开发工作。出国前在上海有机所工作，师从马大为教授从事药物开发和全合成研究，回国后担任北京生命科学研究所化学中心主任一职，负责小分子高通量筛选，药物开发以及有机合成研究。同时于 2018 年起受聘清华大学生物医学交叉研究院研究员。

实验室主要从事天然产物全合成, 有机合成方法学，药物化学特别是新靶点的药物开发(First in Class)。基于细胞水平的高通量小分子筛选或者天然产物的全合成后活性筛选等方式发现可以有效调控新生物通路的苗头化合物，结合药物化学策略优化小分子结构成特异性高活性分子探针，再利用化学生物学手段探索未知的分子生物学机理并进一步开发全新的生物医药靶点。基于新靶点的高通量小分子筛选和药物化学结合会进一步优化成药性（ADMET 等），开发成临床药物。课题组目前已经在小分子抑制乙肝病毒，生物钟调节（12 h shift），小分子诱导蛋白降解以及激酶抑制剂方向都有临床前药物分子在研发并获批多项相关专利。同时课题组在Nature Chemistry，Nature Methods，PNAS，JACS, Angewandt 和 JMC 等医药研发与合成化学领域发表多篇文章。

本实验室在国内顶尖大学如清华，北大，协和，北师大，中国农大等学校都有博士研究生招生资格，毕业时颁发相应学籍单位的博士学位证书。组内学术气氛浓厚，师生关系融洽。欢迎有创造性，有天然产物全合成，对药物研发感兴趣的学生报考。同时我们也有灵活的职工转博渠道，欢迎社会各界合成化学爱好者或者对化学生物学交叉学科有浓厚兴趣的科研人员加入团队。我们会提供全面的科研训练和学术培养机会，帮助职工进一步提升职业技能和科研素养，鼓励并推荐有科研激情与毅力的优秀员工继续读博深造，录取方式和培养方案均按照国际一流院校模式进行。

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▲ 第一作者：张磊; 通讯作者：齐湘兵

DOI: 10.1002/anie.201900156