化学酶法10步合成13-Oxoverruculogen

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近日,美国布兰迪斯大学(Brandeis University)Chi P. Ting课题组报道了一种简明的化学酶法合成13-Oxoverruculogen的方法。其中,使用酶促C-H过氧化反应和铑催化的C-C键活化反应可分别构建天然产物中的八元内型过氧化物和五环骨架该策略涉及使用13-epi-Fumitremorgin B作为Verruculogen合酶(FtmOx1)内过氧化物的底物类似物。所得到的产物13-epi-Verruculogen是FtmOx1产生的第一种非天然内过氧化物,并用于13-Oxoverruculogen的第一次合成。该策略使这种天然产物能够从市售起始原料进行10步合成,并说明了利用生物催化和过渡金属催化反应获得具有挑战性的生物碱结构的混合方法。此外,这项工作证明了使用天然酶混交(native enzyme promiscuity)作为化学酶合成天然产物的可行策略。文章链接DOI:10.1021/jacs.3c07078





化学酶法10步合成13-Oxoverruculogen  第1张



有机过氧化物天然产物具有显著的生物活性。几种真菌异戊二烯基吲哚生物碱,13-Oxoverruculogen1)、Verruculogen2)和Fumitremorgin A3),含有内型过氧化物(endoperoxide)结构单元(Figure 1a)。其中,13-Oxoverruculogen已显示出对几种癌症细胞系的有希望的细胞毒性。其它的烟曲霉生物碱也显示出逆转多重耐药乳腺癌症耐药性的潜力。从结构上讲,这些天然产物含有由脯氨酸和色氨酸形成的二酮哌嗪核心骨架。此外,连接在色氨酸吲哚环上的异戊二烯侧链嵌入一个极不寻常的八元内型过氧化物环中,这将这些化合物与其它相关的二酮哌嗪生物碱区分开来。其它过氧化物天然产物,如青蒿素(4),通常与对抗恶性疟原虫的有效活性有关,并作为抗疟剂改善了全球无数人的生活。过氧化物天然产物结合其抗癌、抗生素和抗真菌活性,已成为许多合成工作者的焦点。2009年,J. Martin Bollinger Jr等课题组发现了一种Verruculogen合酶(FtmOx1)。这种酶是非血红素铁和α-酮戊二酸依赖性双加氧酶家族的一员,它将分子氧结合到Fumitremorgin B中形成Verruculogen52Figure 1b)。虽然许多研究小组已经报道了Fumitremorgin B(5)和Fumitremorgin C的合成,但只有Baran课题组报道了一种复杂的含有内过氧化物单元的相关化合物全合成,即Verruculogen(10步)和Fumitremorgin A(11步)。近日,Chi P. Ting课题组报道了一种简明的化学酶法合成13-Oxoverruculogen的方法。其中,以化合物8为底物,通过铑催化的C-C与C-H键活化,构建了天然产物的五环骨架(砌块7)。砌块7通过C12-C13双键的二羟基化和吲哚的N-异戊二烯化反应,构建了13-epi-Fumitremorgin B(砌块6)。砌块6通过酶促C-H过氧化反应,可实现13-Oxoverruculogen1)的合成(Figure 1c)。
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砌块7的合成(Scheme 1)。以N-Cbz-α-膦酸甘氨酸三甲基酯(9)为初始底物,在NaOH/MeOH/H2O条件下进行皂化反应(生成中间体10),然后在DCC/iPr2Net/HOBt条件下与L-脯氨酸苄基酯进行酰胺形成反应(生成酰胺中间体11),再于Pd/C/H2条件下进行Cbz的氢解以及在HOAc/MeOH条件下进行环化,可以三步96%的收率得到二酮哌嗪中间体12。中间体12与醛化合物13KOtBu/CH2Cl2条件下进行Horner-Wadsworth-Emmons反应,可以72%的收率得到中间体1488%组合收率,Z/E为6.3:1)。中间体14与异戊二烯溴化物在NaH条件下进行N-异戊二烯化反应,可以95%的收率得到中间体15。然而,中间体15 在Pd(OAc)2/oxone条件下进行烯丙基C-H氧化反应,意外地形成含有七元环的化合物16,收率为55%。因此,作者选择了另一种合成策略。中间体14与(2-溴亚乙基)环丙烷在NaH条件下进行烷基化反应,可以72%的收率得到中间体17。中间体17Rh(PPh3)3Cl/PPh3/TFA条件下进行环丙基开环、六元环形成以及N-Boc的脱除反应,可以45%的收率得到中间体7
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化学酶法合成13-OxoverruculogenaScheme 2)。中间体7NBS/THF/H2O 条件下进行反式双羟基化反应,可以75%的收率得到反式双羟基化中间体。反式双羟基化中间体与异戊烯氯在KOH/18-crown-6条件下进行选择性的异戊二烯化反应,可以60%的收率得到13-epi-Fumitremorgin B(6)。随后,通过对13-epi-Fumitremorgin B(6)的酶促C-H过氧化反应的优化后发现(Table 1),当以FtmOx1作为催化剂时,可以62%的收率得到13-epi-Verruculogen(18)。13-epi-Verruculogen(18)在DDQ条件下进行氧化反应,可以55%的收率得到(+)-13-Oxoverruculogen(1)。值得注意的是,13-epi-Fumitremorgin B是第一个通过FtmOx1进行内过氧化反应的底物类似物。同时,该策略强调了在天然产物的化学酶合成中使用天然酶的混杂性,其中使用底物类似物而不是天然底物。
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总结

美国布兰迪斯大学(Brandeis University) Chi P. Ting课题组报道了一种化学酶法十步合成13-Oxoverruculogen的方法。该策略的核心是使用Rh-催化的FACP异构化与酸介导的环化反应,专一性形成具有所需非对映选择性的六元环骨架。此外,底物类似物的后期酶促C-H过氧化可促使八元内型过氧化物环的形成。这些例子突出了后期C-H键官能团化的效用,有助于简化多环天然产物的合成。尽管过渡金属催化仍然是现代有机合成的基石,酶催化反应在小分子合成中的作用越来越大,它们在形成复杂过氧化物方面具有重要应用前景。

 Chemoenzymatic Synthesis of 13-Oxoverruculogen. 

J. Am. Chem. Soc.2023, https://doi.org/10.1021/jacs.3c07078


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