道法自然”解决悬而未决50年的生源合成问题

2020年注定是不平凡的一年。眼下COVID-19还在全球肆掠，人们不是宅在家就是只能“敬而远之”。另一方面，起源于东非肆虐非洲的蝗灾更是70年未遇，有近2000万人已经面临着严重的粮食威胁。虽然非洲沙漠蝗能给我国造成大规模危害的概率很小，但我们也有需要担心的另一种害虫——草地贪夜蛾。这种害虫在我国云南、四川等地区肆意破坏农作物，受其影响农田面积近50万亩。更让人担忧的是，截至当前草地贪夜蛾的防治还没有任何针对性的商业化产品，防治形势十分紧迫。

影响人类农业安全的蝗虫和草地贪夜蛾。图片来源于网络

与高毒性合成农药（例如有机磷类）相比，生物农药，尤其来自微生物的杀虫或抗菌农药，具有防效高、毒性低、无残留、对生态环境影响小等优点，逐渐成为全球农作物抗虫的主要方向。在这个背景下，不得不提到1969年Birch和Wright等人发现的brevianamides类生物碱（J. Chem. Soc., 1969, 12, 644-645），它们是一类由丝状真菌青霉（Penicillium）或曲霉（Aspergillus）产生的异戊二烯基化吲哚类生物碱天然产物，研究显示该家族成员Brevianamide A对草地贪夜蛾与烟芽贪夜蛾等鳞翅目昆虫的幼虫具有显著的杀虫活性。与单氧代哌嗪型生物碱（如驱虫药paraherquamides、钙调蛋白抑制剂malbrancheamides和具有神经保护作用的chrysogenamides）类似，brevianamides也含有双环[2.2.2]-重氮辛烷骨架，只是哌嗪环被双氧代（类似的还有细胞毒性化合物stephacidin A和notoamide A）。1970年，Porter和Sammes等人基于有机化学原理与大量的仿生合成实验，提出双环[2.2.2]-重氮辛烷很可能是通过分子内[4+2] Diels-Alder环加成反应生成，而催化这一反应的生物催化剂则可能是一种稀有的Diels-Alderase酶（即D-A酶假说）。然而，50年过去了，仍然没有证据支持这种酶的存在。同时由于其复杂的结构和反应性及选择性问题，目前还没有针对brevianamide A的实用的合成路线。

D-A环化反应及含有双环[2.2.2]-重氮辛烷骨架的代表性天然产物。图片来源：Nat. Chem.

1998年，Williams等人提出了新的生源合成途径（J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 1090–1091; Bioorg. Med. Chem., 1998, 6, 1233–1241），他们认为从(+)-deoxybrevianamide E（3）开始，通过去手性氧化得到非手性中间体4（pathway 1），随后经对映选择性的Diels–Alder环化得到含有双环[2.2.2]-重氮辛烷骨架的对映体混合物（5和ent-5），两者都可以通过(R)-选择性的吲哚氧化和[1,2]-烷基迁移分别得到(+)-brevianamide A和B。不过，该假设有一个很大的bug——不能解释手性的来源，因为Diels–Alder环化会产生一种不期望的非对映体作为主要产物。因此，他们又提出了另一条途径（pathway 2），即(+)-deoxybrevianamide E (3)先发生非对映选择性的吲哚氧化得到中间体6，然后通过立体专一性的[1,2]-烷基迁移得到中间体7，再经二酮哌嗪氧化和Diels–Alder环化就能得到(+)-brevianamide A和B。然而，体外实验证实该途径也是不可行的，因为中间体7很不稳定，且6容易发生5-exo-trig环化生成天然产物brevianamide E（8），导致无法进一步转化为(+)-brevianamide A和B。

Williams等人提出的两条生源合成途径。图片来源：Nat. Chem.

近日，英国爱丁堡大学的Andrew L. Lawrence 教授团队提出了一条新型的生源合成途径，他们认为(+)-brevianamide A （1）可能是从(+)-dehydro deoxybrevianamide E（9，一种青霉或曲霉分离得到的天然产物）出发，依次经过非对映选择性的吲哚氧化、立体专一性的[1,2]-烷基迁移、互变异构和Diels–Alder环化转化而来。尽管中间体11也有可能发生5-exo-trig环化生成12，但后者并非天然产物，说明不太可能成为阻碍后续转化的“死胡同”，或许还是走向成功的“必由之路”。基于该假设，他们实现了(+)-brevianamide A (1) 的7步高效全合成，总收率为7.2%，并可以750 mg规模制备，相关结果发表在Nature Chemistry上。

修正的生源合成途径。图片来源：Nat. Chem.

研究人员以市售的L-色氨酸甲酯13为起始原料，将氨基进行邻苯二甲酰基保护后，经Danishefsky反异戊烯化反应以21 g规模制备中间体15，两步总收率为69%。由于水解甲酯15时会伴随着邻苯二甲酰基开环得到16，所以研究人员通过S_N2型去甲基化（LiCl in DMF）来制备17，后者经草酰氯转化为相应的酰氯后与亚胺18发生缩合得到19。但后续想要脱除邻苯二甲酰基保护基却并不容易，传统的脱保护剂如肼、乙二胺、甲胺、羟胺、乙醇胺或苯肼都会发生酰胺键断裂的副反应。研究人员认为可能是上述试剂亲核性太强所致，当使用亲核性较弱的氨甲醇溶液时，不仅能脱除邻苯二甲酰基保护基，而且可以自发环化得到目标产物。也就是说，仅需五步，便可以34%的总收率实现(+)-dehydrodeoxybrevianamide E（9）的全合成且只需两次色谱纯化，而先前的合成需要12步，总收率仅为8％。

随后，研究人员将9经氧化剂（如二氧杂环丙烷、氧杂吖丙啶、单线态氧或过氧酸）处理后，便可得到非对映异构体20和12。值得一提的是，当使用m-CPBA时，可以较高的非对映选择性（d.r. 64:36）和较好的收率（57%）得到非对映异构体20和12，两者在氢氧化锂作用下可发生5-exo-trig环化、[1,2]-烷基迁移和Diels–Alder环化的Domino反应，以63%的收率转化为(+)-brevianamide A（1）和(+)-brevianamide B（2），经柱色谱分离后，得到750 mg的(+)-brevianamide A（1）和60 mg的(+)-brevianamide B（2）。此外，将中间体20置于相同条件下发生反应，便可得到非天然的对映异构体(-)-brevianamide A和(-)-brevianamide B。值得一提的是，(+)-brevianamide A 和(+)-brevianamide B 的非对映比例为93:7，与从青霉菌brevicompactum中分离的比例一致。因此，他们猜想在brevianamides的生源合成中Diels–Alder环化可能是自发进行的，而不需要特殊的Diels–Alderase酶参与。更巧的是，就在本文送审期间，Williams、Sherman和Li等人也鉴定出brevianamide A的生物合成基因簇 ^[1]，结果也支持Andrew L. Lawrence课题组提出的这种自发的、非酶参与的Diels–Alder环化。

Brevianamide A和B的全合成。图片来源：Nat. Chem.

总结

很显然，像brevianamide A和B这类超级复杂骨架的合成是不能按照传统的逆合成分析去思考，仿生合成或许是个不错的手段，不过前提是要有合理的生源合成假设。Andrew L. Lawrence课题组正是在修正前人提出的生源合成途径的基础上，创造性地提出自发的、非酶参与的Diels–Alder环化途径，仅以7步和7.2%的总收率便可实现brevianamide A的全合成。由此可见，道法自然对于解决科学难题是多么重要。