九年磨一剑，砺得梅花香：耶鲁Herzon团队实现pleuromutilin抗生素全合成

1929年英国的细菌学研究专家Alexander Fleming在培养细菌时偶然注意到，从空气中落入培养基的青霉菌形成的菌落可以抑制细菌的生长，最早的抗生素——青霉素由此得以发现。随后在第二次世界大战期间，Fleming与其他人合作成功提取出青霉素用于治疗战场负伤引起的细菌感染，自此抗生素开始投入使用。随着相关研究的不断发展，人们陆续发现不同种类的抗生素，用于对抗多种病原体（细菌、真菌等）带来的健康问题，与此同时还实现了抗生素的人工合成。然而，抗生素在临床上的累积使用会逐渐诱发病原体产生耐受性，甚至导致耐多药的“超级细菌”出现。对原始的抗生素进行适当改造或开发新型的抗生素，在应对感染性疾病的治疗中便显得尤为重要。

截短侧耳素类抗生素（pleuromutilin）是一种双萜类真菌代谢产物，人们早在20世纪50年代初期便发现这种物质具有抗病原微生物活性，用于抑制革兰氏阳性病原体（GPPs）时具有显著的效果。自此，人们便发展了半合成的方法研发出数千种pleuromutilin衍生物，以此改善母体pleuromutilin的药理特性。然而(+)-pleuromutilin中稠合的三环骨架为药理活性位点，以往的半合成策略主要集中于改变分子中单一位置的官能团。例如，人们目前已完成了超过3000种C14位侧链修饰的pleuromutilin衍生物，而对该分子较大程度的改变仅可以通过全合成的方法实现，但目前为止尚无有效的全合成途径。另一方面，尽管临床医学已在革兰氏阳性病原体的治疗中取得了可喜的成绩，但面对大肠杆菌、铜绿假单孢菌等革兰氏阴性病原体（GNPs）仍旧力不从心。已有的大多数C14位侧链修饰的pleuromutilin抗生素同样仅对革兰氏阳性病原体具有明显的活性。1986年，Heinz Berner等人通过EtZnI参与的逆烯丙基化-烯丙基化反应可以使pleuromutilin中C12位的季碳中心发生差向异构化，得到C12位1:1的差向异构体混合物。基于这一发现，2015年Nabriva Therapeutics的研究人员将母体pleuromutilin的另一C12位差向异构衍生物的C=C双键进行官能团化修饰，得到一系列具有广谱抗菌活性的12-epi-pleuromutilin，这些化合物表现出对各种革兰氏阴性病原体有效的抑制活性。寻找高效的pleuromutilin全合成策略，突破pleuromutilin半合成改性的固有局限成为人们关注的问题。

图１. 母体pleuromutilin及12-epi-pleuromutilin的结构。图片来源：Science

最近，耶鲁大学的Seth B. Herzon教授及其团队发展了一种模块化合成途径，以简单的原料环己烯酮（9）出发，通过关键的烯酰胺中间体7与新戊碘8发生后期开环-环化反应，分别高对映选择性地得到(+)-pleuromutilin的C12位差向异构的衍生物(+)-12-epi-mutilin（4）与(+)-11,12-di-epi-mutilin（26），相关成果发表在Science 上。

图2. 12-epi-pleuromutilin的合成思路。图片来源：Science

Herzon教授设计的合成路线如下，为了合成关键的烯酰胺中间体7，他们设计了不对称Michael共轭加成C-酰化策略，环己烯酮（9）在Cu(OTf)₂与手性配体L*的催化条件下，与Zn(CH₃)₂发生对映选择性1,4-加成，基于烯醇酸锌独特的反应活性，得到的锌物种经CH₃Li原位活化，并与CH₃OC(O)CN反应得到C-酰化的β-酮酯产物，伴随着进一步非对映选择性α-甲基化反应，以两步71%的产率得到10（> 20: 1 dr, 97: 3 er）。10在非亲核性碱KHMDS存在的条件下发生羰基α-位攫氢，互变异构后利用PhNTf₂捕获得到三氟甲磺酸乙烯酯11（88％）。11经Pd催化的羰基-乙烯基串联插入转化为二烯酮12（83％），并在Cu(OTf)₂的作用下发生Nazarov环化形成氢化茚酮13（88％）。随后他们使用Et₂AlCN对13进行共轭加成得到C9位3:1的差向异构混合物，副产物可以使用DIBAL-H原位选择性还原，并用稀NaOH溶液处理发生C4位立体中心定量反转，最终得到单一的顺式二氢茚酮15（以13计算产率为65％），其中15的相对构型通过X-射线单晶衍射加以证实。接下来作者利用(TMSOCH₂)₂对酮羰基进行保护得到16（84%）。由于氰基与酯基具有相似的反应活性，实现氰基的选择性官能团化成为合成中的难点，最终作者发现16在过量的CH₃Li存在下与Boc₂O反应得到烯酰胺中间体7（80%）。该串联过程可能涉及CH₃Li对氰基亲核加成后得到相应的锂化物种17，随后分子内环化、去质子化形成18。另一偶联试剂新戊碘8则是通过PMBOCH₂Cl对手性的巴豆酰胺19进行对映选择性α-烷基化得到中间体20（60％, 7:1 dr），随后LiAlH₄还原酰胺（71%）并发生脱氧碘代（74%）制备得到。

图3. 烯酰胺中间体7与新戊碘8的合成。图片来源：Science

作者进一步设计烯酰胺中间体7与新戊碘8的偶联过程，8在t-BuLi存在的条件下发生锂-卤交换，得到的有机锂物种与7反应，加入稀酸水解发生开环得到甲基酮21（48%）。两组新戊基片段得以成功偶联的关键在于，构建的环状酰胺可以活化C14位的羰基，并减小两分子间的空间排斥。接下来21在碱的诱导下与乙烯基三氟甲磺酸酯（Cornins' reagent）作用并脱水得到炔22（81%）。22消除对甲氧基苄基保护基，并在Dess-Martin试剂的氧化条件下以两步83%的收率得到炔基醛23。接下来他们设想通过还原环化的方式利用炔基醛23来构建目标分子中的八元环，将Ni(cod)₂与氮杂环卡宾前体IPr混合，在Et₃SiH的存在条件下顺利实现了这一过程。从理论上讲，利用醛与炔通过该方式合成中等环系会受到反应动力学的不利影响，但该反应得以成功的条件在于23中其他两组稠合环的刚性束缚可以降低环化后产生的熵损失；另一方面，烯丙醇产物24中C10与C14位的碳原子为sp²杂化，可以减小八元环产生的跨环非键相互作用。形成的烯丙基硅基醚为单一非对映异构体，经TBAF消除硅烷保护得到烯丙基醇24（60％, > 20: 1 dr, > 20: 1 rr）。

图4. (+)-12-epi-mutilin和(+)-11,12-di-epi-mutilin的合成。图片来源：Science

随后他们利用Dess-Martin试剂氧化烯丙醇24，SmI₂对烯酮中间体立体选择性还原以两步98%的产率得到25（C10位> 20: 1 dr），其中25的绝对立体化学通过X射线单晶衍射加以证实。作者又使用过量的Na对二酮25进行单电子还原（C14位的e: a > 20: 1，C11位的e: a = 3: 1），缩酮水解后分别得到(+)-12-epi-mutilin（4）和(+)-11,12-di-epi-mutilin（26）。以上过程同样可以实现分步还原转化。其中产物4经进一步官能团转化可分别得到(+)-12-epi-pleuromutilin（29）、O-trityl-12-epi-pleuromutilin（30）等其他pleuromutilin衍生物。

图5. (+)-12-epi-mutilin的进一步衍生化。图片来源：Science

——总结——

Herzon教授及其团队设计的抗生素pleuromutilin及其衍生物的全合成路线具有深远的意义，为此他提到自己从2008年起便开始从事相关课题的研究，屡败屡战，在锲而不舍的努力下终于得以攻克这一难题。纵观药物研究的发展历史，人们在投入新型抗生素的开发中长期得不到丰厚的回报，致使一大批制药公司舍弃了相关领域，抵御耐药性的研究一直得不到突破性的进展。本文的研究则打破了以往无法实现pleuromutilin及其衍生物全合成的壁垒，在实验室中便可以通过简单的商品化原料来制备。Herzon教授表示他们将继续优化其合成路线，与此同时对所得不同pleuromutilin衍生物进行药物活性测试，如果相关研究可以顺利进行，他们还会将开发的新型化合物继续推向临床水平测试，以期推动抗生素新药的蓬勃发展。

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A modular and enantioselective synthesis of the pleuromutilin antibiotics

Science, 2017, 356, 956, DOI: 10.1126/science.aan0003

部分内容编译自：https://phys.org/news/2017-06-chemists-forge-path-antibiotics.html

（本文由夜若岚尘供稿）

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