第四章仿生合成031114

药物和天然产物的

仿生合成法闻韧复旦大学药学院一、次生代谢产物的生物合成1.初生代谢与次生代谢初生代谢(Primarymetabolism)指在植物，昆虫或微生物体内的生物细胞通过光合作用，碳水化合物代谢和柠檬酸代谢，生成生物体生存繁殖所必需的化合物，如糖类，氨基酸，脂肪酸，核酸及其聚合衍生物（多糖类，蛋白质，酯类，RNA,DNA），乙酰辅酶Ａ等的代谢过程，这些化合物成为初生代谢产物。初生代谢过程对于各种生物来说，基本上是相同的，其代谢产物广泛分布于生物体内。次生代谢是从某些初生代谢产物作为起始原料，通过一系列特殊生物化学反应生成表面看来似乎对生物本身无用的化合物，如萜类、甾体、生物碱、多酚类等，这些次生代谢产物就是人们熟知的天然产物。次生代谢及其产物对于不同族，种的生物来说,常具有不同的特征，而且，次生代谢产物的体内分布具有局限性，不像初生代谢产物那样分布广泛。目前对于初生代谢及其产物的研究归属于生物化学的领域，而对次生代谢及其产物的研究已扩展到天然药物化学、化学生态学、植物分类学等学科。对初生代谢产物和次生代谢产物的区分，有时也不很明显，如已被生化学家广泛研究的葡萄糖、果糖和甘露糖是初生代谢产物，而结构上与其密切有关的其他糖类如D-查尔糖(D-Chalcose）、L-链霉糖(L-Streptose）和D-麦氨糖(D-Mycaminose)都被划为次生代谢产物，又如L-脯氨酸(L-Proline)是初生代谢产物，而同样广泛分布的六元环类似物哌啶酸(L-Pipecolicacid)却被认为是一个次生代谢产物。极大多数次生代谢产物对生成它们的生物有哪些影响或直接作用，尚有待于进行深入探讨。近十年来研究表明，次生代谢产物生成与生物所处的外界环境（生长期、植物开花期、季节、温度、产地、光照等）密切相关。如幼嫩的栎树叶含很少的鞣酸，随着栎树的迅速生长，树中鞣酸量也增加，到秋季栎树叶含鞣酸的量达最高,这可能由于在栎树生长过程中会受到各种动物的袭击，而鞣酸具有收敛、难以消化等性质，是幼虫生长的抑制剂。因此，坚韧成熟的叶子及其高含量的鞣酸，可保护植物的生长。为此，次生代谢产物可成为非滋养性化学物质，它能控制周围环境中其他生物的生态学，在生物群的共同生存，演变过程中发挥重要作用。2.次生代谢产物生物合成途径次生代谢产物是初生代谢的继续，二者又是互相联系的。初生代谢生成的乙酸、甲瓦龙酸、莽草酸是次生代谢的原料，成为次生代谢产物的前体，又常是某些初生代谢产物的前体，如芳香氨基酸同为多肽、蛋白质和生物碱的前体，多酮同为脂肪酸和黄酮的前体。次生代谢的主要途径根据不同的起始原料，可分为以下五类：(1)莽草酸(Shkimicacid)途径：生成芳香化合物(Aromatics)（酚、氨基酸等）；(2)

-多酮(Polyketides)途径：生成聚炔类(Polyalkynes)、多酚(Polyphenol)、前列腺素(Prostaglandins,PGs)、四环素(Tetracyclins)、大环抗菌素(Macrolide)；(3)甲瓦龙酸(Mevolonicacid)途径：生成萜类(Terpenoids)、甾体(Steroids)；(4)氨基酸(Amonoacid)途径：生成青霉素(Peniciline)、头孢菌素(Cephloxine)、生物碱(Alkaloids)；(5)混合途径：如由氨基酸和甲瓦龙酸生成吲哚生物碱(IndoleAlkaloids)，由

-多酮和莽草酸生成黄酮类(Flavonoids)。上述次生代谢途径可归纳如下图：二、仿生合成

天然产物的生物合成过程，完全在正常的自然条件下（室温或接近室温）进行的，其合成的高效率、高立体特异性是体外任何一个化学合成方法所不可比拟的，而且没有任何难以忍受的化学污染，因此，这种天然的合成能力和方法，确可成为我们借鉴的“理想的合成”。由此发展引来的“仿生合成”（Biomimeticsynthesis）是以模拟次生代谢产物生物合成作为合成策略的设计方法。在仿生合成中所模拟的对象（生物合成催化酶、中间体、反映机理或反应条件、试剂等），大部分是实际存在的，但也包括那些假设性而尚未证实的，或仅仅为了理解而提出的生物合成过程。仿生合成及其实例：1.模拟酶催化单碳片段转移反应（onecarbon-fragmenttransfer）2.模拟代谢途径(1)模拟

－多酮（Polyketide）(2)模拟氨基酸(aminoacid)途径3.模拟活性前体(Reactiveprecusors）及其混合代谢途径模拟酶催化单碳片段转移反应

（onecarbon-fragmenttransfer）

许多天然产物含有N-甲基、O-甲基或芳性C-甲基，这种生物甲基化反应，极大多数在ATP参与下，蛋氨酸（Methionine）（129）首先S-腺苷化，然后活化了的S-甲基被转移到有关亲核试剂分子上。单碳片段转移在生物体内，首先摄取单碳片段和发挥转移作用的，并非蛋氨酸（129）而是辅酶四氢叶酸（Tetrahydrofolicacid）（THF）（130）。四氢叶酸可分别和甲醛、甲酸衍生物反应，生成5,10-亚甲基-四氢叶酸（131）和5-甲基-四氢叶酸（132）。()经NADH还原作用，生成N(5)-甲基-四氢叶酸()，再在B12参与下将N-甲基转移到高半胱氨酸(Homocycteine)（134）SH基上，生成蛋氨酸（129）。尿苷酸(Uridylicacid)(UMP)(135）生物转化为胸腺嘧啶核苷酸(Thymidylicacid)(TMP)（137）其过程中所需的5-甲基，是从四氢叶酸的另一个单碳衍生物5,10-(CH2)-THF（131）直接转移而来。在这个反应中（131）在酸性下来开环成亲电性N＋(5)-(CH2)-THF（136），然后在另一个酶蛋白(Enz-SH)的帮助下，将（136）中N(5)上亚甲基转移到UMP（135）的C-5位上，再经还原，生成TMP（137）。

辅酶四氢叶酸摄取和转移一个单碳片段，可简单的视为咪唑烷的形成和开环的二个过程其开环的容易程度和立体选择性，主要取决于四氢叶酸的5,10位二个氮原子碱性具明显差别的性质(PKa值分别是4.8~5.5和-1.3)。四氢叶酸的作用，也可归结为贮存和提供一个“隐蔽”的Ra-合成子。自二十世纪80-90年代起以Paudit为主要代表对叶酸辅酶的仿生模型进行了广泛研究。他们首先应用上述原理设计合成了多取代咪唑烷化合物（imidazolidine）（138）作为5,10-(CH2)-THF的模拟结构，将其中C-2及其所连接的基团或侧链一起转移到另一分子中具亲核性质的位置上。利用这些人工合成的THF模型成功合成了一系列吲哚生物碱，包括

-咔啉、育亨宾、Aspidosperma和Eburnamine生物碱等衍生物。咪唑烷化合物他们设计的1-酰基-3-甲基-4,4-二甲基的咪唑烷化合物中，4位两个甲基取代可提高此五元杂环的稳定性，而1位和3位分别引入酰基和甲基是为了增加二个氮原子的碱性差别，如同四氢叶酸N10和N5那样PKa值分别是-1.3和4.8~5.5)。。利用THF模型合成吲哚生物碱（一）首先由1,1-二甲基乙二胺（139）和甲酸酯生成相应的咪唑啉化合物（140）然后前后引入酰基和甲基而得到N,N’-二取代咪唑啉（141）经还原生成2-为取代咪唑烷（142）；若与不同的亲核试剂反应，则可得到不同的2-取代咪唑烷（138）如和格式试剂反应生成（143）。利用THF模型合成吲哚生物碱（二）当1,3-二甲基-6-氨基尿嘧啶（144）-作为尿嘧啶和SH-酶蛋白的模拟组合分子和咪唑烷化合物（142）进行反应时，结果发生类似于生物合成的单碳片段转移过程，生成尿嘧啶的二聚物（145）。其反应历程如下：利用THF模型合成吲哚生物碱（三）另外，利用咪唑烷化合物（138）和色胺（146）进行反应，其单碳片段转移的结果，可方便的得到

-四氢咔啉衍生物（147），其反应历程如下：利用THF模型合成吲哚生物碱（四）如用1-对甲氧基苯磺酰基取代的咪唑啉类类似物和硝基甲烷反应生成相应咪唑烷，其与色胺反应可高收率地得到胡秃子碱衍生物（148）。利用THF模型合成吲哚生物碱（五）同样，若咪唑啉试剂（141）先和适当的1,3-二噻烷衍生物(作为d1-合成子等价试剂)（149）反应生成相应的2-取代咪唑烷衍生物（150），再和色胺（146）作用，则经单碳片段转移历程，直接生成育亨烷骨架化合物，后用LAH还原酰胺羰基以及用RaneyNi脱二噻烷基，生成育亨烷衍生物（151）。SynthsismethodsofBeta-Carbolines单碳片段转移反应的优点与Pictet-Spengler反应相比，上述单碳片段转移反应是以下优点：1）制备咪唑啉化合物（141）较容易，其为结晶较稳定，可作为实验室保存的试剂；2）当（145）和各种d-合成子反应时，可方便的得到相应的2-取代咪唑烷化合物，其相当于一个“隐蔽”的Pictet-Spengler反应所需的较大分子醛，而后者常常在合成中难以直接得到；3）在Pictet-Spengler反应时，为使反应完全，常需设法出去反应中生成的水，而咪唑烷衍生物的单碳片段转移反应时在非水介质中进行的，其操作和后处理比前者方法更方便。Pictet-SpenglersynthsisofPyridindololSynthesisofPyridindololbyonecarbonTreaction–prepofreagentSynthesisofPyridindolol

byonecarbonTreactionPandit和Singh其他仿生合成方法Pandit和Singh也分别发展了含二个杂原子的五元或六元杂环作为四氢叶酸模型结构如苯并咪唑、六氢嘧啶、恶唑和恶嗪化合物等的仿生合成方法。例如以邻苯二胺和乙酸反应环合成苯并咪唑啉，再经季铵化生成季铵盐，其与十二碳双格氏试剂反应，可高收率的得到麝香酮中间体（152）；用六氢嘧啶化合物（153）和色氨酸甲酯反应，可方便地将六氢嘧啶环的C2及其所接侧链一起接到色胺酸的氨基N原子上，后环合成

-咔啉生物碱（154）等。

2.模拟代谢途径（1）模拟

－多酮（Polyketide）的途径在次生代谢中，乙酰辅酶Ａ在VitH和ATP参与下经

-羧化，转化成活泼的丙二酸单酰辅酶A，再在乙酰辅酶Ａ的作用下发生脱羧和酰化，生成乙酰乙酰辅酶Ａ：它再依次和丙二酸单酰辅酶A反复作用，生成

-多酮的活性形式（155）。当（155）经历分子内醛醇缩合或杂原子参与的环合等生化过程，就可生成相应的多酚类黄木灵(Xanthoxylin)、四环素(Tetracyclin)或含氧杂环秸霉素(Citrinin)等天然产物。桔霉素、黄木灵和四环素的仿生合成HMG-CoAreductase抑制剂的作用机理Lovasatine的结构式模拟

-多酮途径合成酚类采用模拟

-多酮途径，可仿生合成天然酚类或酚结构的生物碱衍生物[。如模拟

-四酮仿生合成了以下：又如以下天然多酚类Landomycinoneangucyclinone前体（156）的模拟

-多酮仿生合成：异喹啉生物碱合成假设关于具有多个含氧取代基的(Ancistrocladeline)（157）和(Tetradehydro-triphophylline)（158）在热带植物中生物合成过程还不清楚，由于他们在异喹啉环上有萘基取代(5位或7位)，所以不能期望在正常情况下由酪氨酸和羰基化合物经Pictet-Spengler环合反应而生成。近年来，根据生物体内常见的酚性偶联反应和

-多酮环合成多酚类的途径，已假设这二个生物碱是由（159）和（160），或者（160）和（161）组合氧化偶联而成，而这些多酚类前体均可由共同的

-五酮（162）环合而得，体外合成成功[139]证实了这个。Ancistrocladeline和Tetradehydro-triphophylline的逆合成分析

由

-三酮衍生物（163）或其氨化物（164）和丙酮双负离子进行双度C-酰化反应，生成

-五酮（165）或其氨化物（166），其不经分离直接环合成（165）或（166），再经甲基化和环合反应，得到上述生物合成假设中的酚性中间体（159）、（160）和（161）。这亦成为仿生合成某些萘环或异喹啉天然产物的新方法。

Claisen缩合反应、Dieckmann环合反应用于仿生合成

-五酮对于仿生合成

-五酮来说，采用通常的

-三羰基衍生物和丙酮

-碳负离子之间的往往不能得到预期的目的。原因：这是由于丙酮单碳负离子的活性不够之故，欲进行缩合反应，必须提高反应温度。但此时，不仅引起该试剂的分解，且易发生丙酮的自身缩合，

，

’多烃化等。若应用高度亲核性的对称酮

，

’-双碳负离子（酮先用过量KH处理，后再在TMEDA中和1moln-BuLi反应而生成），则可在极温和条件下顺利的进行酮羰基

-烃化或酰化反应，亦很少有

，

’-双缩合副产物。丙酮

，

’-双碳负离子在Claisen缩合反应用于仿生

-多酮反应Claisen缩合反应用于仿生

-多酮反应Dieckmann环合反应在模拟

-多酮仿生反应中应用6-Methylsalicyclicacid的模拟

-多酮仿生合成(2)模拟氨基酸途径许多重要异喹啉或氢化异喹啉生物碱，都由芳香族氨基酸（苯丙氨酸或酪氨酸）的代谢所产生；其过程的主要特点为1）芳香族氨基酸的芳核羟基化，脱羧和O-甲基化，生成酚羟基化的

-芳乙胺；2）

-芳乙胺与适当羰基化合物进行Pictet-Spengler缩合反应；3）酚性氧化偶联反应。以下为罂粟碱（(Papaverine（167）、阿朴吗啡生物碱（aporphinoid）（168）、（169）,吗啡生物碱-吗啡（Morphine）（170）、可待因（Codeine）（171）和蒂巴因（Thebaine）（172）的生物合成：生物合成途径罂粟碱（(Papaverine）的仿生合成（USP3823234)

(Vasodilator,Cerespan,Papetmin,Albatran))吗啡生物碱的仿生合成在吗啡生物碱的仿生合成研究中，首先在体外实现的模拟性氧化偶联反应是Barton采用了铁氰化钾作为氧化剂，将瑞枯灵(reticuline)（173）转化为吗啡二烯酮化合物(Salutaridine)（174），可惜收率太低(0.03%)。若用四醋酸铅作为氧化剂时，得到2.7%的（174）和14%的

，

’-偶联副产物Isoboldine（169）；若Ｎ-酰化去甲瑞枯灵在三氟乙酸铊(THFA)的作用下，偶联收率明显提高。芳香偶联反应机理及其应用瑞枯灵的合成新发展瑞枯灵（173）的合成有了新发展，即可由工业制备罂粟碱的中间体（175）为原料，经氧化、选择性O-去甲基化、还原、N-甲基化和氢解反应而制得，或由香草醛（176）分别制得的苯乙胺（177）和苯乙酸（178）起，经缩合得（179）、再N-甲基化反应制得。Mecanismofbenzyl-CH2tocarbonylgroup若在上述第二条合成路线中，采用含有D-(+)-N-苄氧羰基脯氨酸配体的手性氢化硼钠来还原环合生成的亚胺化合物，则可对应选择性合成(R)-(+)-N-去甲基瑞枯灵[(R)-(179)]，经甲基化后生成与天然吗啡绝对构型相同的(R)-(+)-瑞枯灵[(R)-(173)]。

也可巧妙地利用其分子对称性特点，由二分子异香草醛经McMurry还原偶联反应成对称二苯乙烯化合物，再经Sharpless不对称双羟基化、开环氨基化以及Pomeranz-Fritsch环合等反应的不对称合成路线得到(R)-(173)－－蒂巴因（172）转化为可待因（171）和吗啡（170）的反应早已成为工业上较成熟的吗啡生物碱的方法，在吗啡的全合成策略中，瑞枯灵（173）氧化偶联反应日益受到重视，并成为仿生合成吗啡中的一个关键问题。

在上述仿生的酚性氧化偶联反应中，均须采用能转移二个电子的氧化剂（如Tl3+—Tl1+,Pb4+—Pb2+,I3+—I1+,I1+—I1-等）。Szantay成功地发现某些非金属离子性氧化剂，若双（三卤乙酰氧基）碘苯：Ph(OCOCX3)2，或四乙基铵的双（三卤乙酰氧基）碘酸盐：Et4N+[I(OCOX3)2]等.氧化偶联选择性与酰基的立体化学有关。例如，N-酰基去甲瑞枯灵（180）在四醋酸铅和三氯乙酸作用下氧化偶联成N-酰基去甲吗啡二烯酮（181）时，其收率随着R基的位阻增大而提高，这可能由于体积较大的酰基迫使1-苄基移向四氢异喹啉环的假直立键方向，于是p,o’-偶联反应优先发生，提高了选择性。上述N-酰基，可用不同还原方法，或用酸性水解、再甲基化等而转化成N-甲基。

当瑞枯灵衍生物中苄基苯环的6位上预先引入阻断基（常选用卤素，因在以后还原反应中能同时被除去），则亦可明显的提高o,p’-偶联选择性。化合物（181），可选用慢慢滴入1mol溴素醋酸溶液的方法，选择性溴化成（183），然后在非金属离子性氧化剂作用下，得到收率为35~58%的N-酰基去甲吗啡二烯酮衍生物（184）

反应过程及收率吗啡合成：吗啡二烯酮（174）、其N-酰化物（182）或溴化物（184）经LAH还原（和脱卤），得到二烯醇（185），再在SOCl2/Py作用下，发生消除-加成反应，生成蒂巴因172）；在汞盐和甲酸切断（172）的烯醇醚键，生成

，

和

，

-不饱和酮（186）、（187）的混合物，经卤化氢加成或消除后得到纯（187），再经还原得到可待因（171），经O-去甲基化，生成吗啡（170）。小檗碱Berberline的仿生合成仿生氧化偶联反应的应用加兰他敏（Galanthamine)的仿生合成TotalSynthesisofGalanthamine3.模拟活性前体（Reactiveprecusors）及其混合代谢途径在天然产物的生物合成途径研究中尚有许多未被真正分离得到的活性前体，但在相同起始原料转化成不同天然产物方面,活性前体常常被假设能发挥关键作用，因此，研究这些模拟生物活性前体及其反应，不仅可为植物化学分类学以及天然产物结构多样性理论提供实验基础，也有可能发展成新类型的条件温和而有效的仿生合成方法。以下仅为生物碱中较重要的几个例子。（1）基于活性四氢吡啶前体的仿生合成活性前体四氢吡啶在体内可由赖氨酸经脱羧和氧化脱氨环合而生成。四氢吡啶存在二种异变异构体(188)和(189)，它们分别可作为亲电和亲核试剂。因此，在体内不同PH条件下可以假设生成二聚体(190)或三聚(191),(192)，这些活性前体可进一步生成天然生物碱。例如：例如，二聚体(190)在生物碱Nitraria和Lupine的生物合成途径中是一个重要原料，它的不同开环和闭环的方式导致这二个结构不同的生物碱。六氢吡啶结构单元的生物碱合成为此，Wanner发展了一条基于四氢吡啶活性前体的仿生合成一系列含六氢吡啶结构单元的生物碱。如由四氢吡啶二聚体(190)起，和甲氧基胺反应、开环、再用di-t-butylorthoquinone氧化脱氨闭环、NaBH4还原和臭氧化-还原，最后得到二聚体类型生物碱Lupinine（191）；若由二分子四氢吡啶的聚合体（192）起，和另一分子四氢吡啶反应得到（193），然后经臭氧化和分子内亚氨化和环合，再经NaCNBH3还原成三聚体类型生物碱Spartein（194）。反应过程：（2）基于吲哚生物碱

多样性中活性前体的仿生合成由于具广泛生理和重要生理活性，吲哚生物碱如Ajmalicine（阿马新）、Strychnine（士的宁）、Vincamine（长春胺）、Tabersonine（它波水宁）和Catharanthine（长春质），Hirsutine（叶苏啶）等的生物合成途径长期以来被十分重视而加以研究。现已基本上公认为由甲瓦龙酸(Mevolonicacid)衍生为C9―C10单萜Secologanin，其与一分子色胺反应，经体内不同生物转化反应而形成这些生物碱--称为“单萜吲哚生物碱。在自然界，同一种植物经如此生物合成途径能产生完全不同结构生物碱的多样性，仍然是科学家研究的兴趣和重点，