【有机】DNA毒性天然产物lomaiviticin A单体的全合成

摘要:近期,Seth Herzon课题组完成了修正后的(-)-lomaiviticin A结构的单体合成,从而在进一步佐证结构修订的同时,发展了合成(-)-lomaiviticin A所需的糖基化、重氮化及骨架构建等关键反应
2001年,Wyeth Pharmaceuticals和犹他大学的研究者通过生物活性指导手段分离细菌代谢物(-)-lomaiviticin A。(-)-lomaiviticin A的细胞毒性极高,对多种癌症细胞系的半抑制浓度(IC50)低至mM级别。基于核磁共振和高分辨率质谱,以及通过与已知天然产物kinamycin的结构进行对比,研究者将(-)-lomaiviticin A的结构鉴定为1。该分子结构具有C2对称性,包含两个重氮四氢苯并[b]芴基团(diazofluorene)和四个2,6-双脱氧糖基团。研究表明(-)-lomaiviticin A独特的二聚体结构以及重氮基团可以诱导产生细胞毒性极高的DNA双链断裂(DNA DSBs)。独特的活性作用机理和复杂的分子结构使得包括K.C Nicolaou、Matthew D. Shair 和Seth B. Herzon在内的许多课题组都将(-)-lomaiviticin A长期作为合成研究的目标分子。尽管如此,研究者们在长达二十年的时间里仍未能完成任何lomaiviticin家族天然产物的全合成。而由于同样没有晶体结构的支持,lomaiviticin的结构鉴定事实上始终未能得到验证。


2021年,Hosea M. Nelson课题组(加州理工大学)和Seth B. Herzon课题组(耶鲁大学)使用先进的高场核磁共振技术和微晶电子衍射(microED)手段,结合密度泛函理论计算(DFT)对(-)-lomaiviticin A的结构进行了了修正(2,图1)。近期,Seth Herzon课题组完成了修正后的(-)-lomaiviticin A结构的单体合成,从而在进一步佐证结构修订的同时,发展了合成(-)-lomaiviticin A所需的糖基化、重氮化及骨架构建等关键反应。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc.上。

目标分子(-)-lomaiviticin A修订前后的分子结构及单体的逆合成分析

逆合成分析和合成路线


萘酚衍生物7、糖基化给体17和23的合成


3的逆合成分析最终指向了合成重氮四氢苯并[b]芴的两个片段:保护的萘酚衍生物7和环己烯酮6,以及糖基化给体1723(图1)。萘酚片段7的合成首先由已知化合物8经氢化铝锂还原得到一级醇9,再经溴化后经过氧化去芳香化在酚羟基对位引入甲氧基得到酚1111经甲基保护后又经一步Appel反应得到二溴化物片段7(图2)。对于两个糖基化给体1723,已知的鼠李烯糖衍生物13经PMB保护和加成水两步反应得到还原糖15,再经酯化反应得到糖基邻炔基苯甲酸酯给体17。已知的岩藻烯糖衍生物18经手性翻转的叠氮取代反应产生烯糖20,再经乙酸加成和溴化反应得到糖基溴化物给体23


已知的二醇24经过IBX氧化和TMS保护得到最后一个片段环己烯酮6(图3)。环己烯酮6在KHMDS攫氢后同二溴化物7发生α-烷基化反应得到化合物2525在还原性自由基环化反应的条件下关环形成重氮四氢苯并[b]芴中五元环的结构并完成四环环系的构建,再经TBAF脱除硅保护基得到二醇5。作者通过两种不同的条件将二醇5转化为硒化物26,用于后续的糖基化反应。

环己烯酮6的合成以及目标分子3的全合成


β-糖L-pyrrolosamine的片段由Koenigs-Knorr糖基化反应引入。硒化物26与糖基溴化物23在硅酸银和4 Å分子筛的条件下反应,反应温度由−50°C逐渐升温至−20°C,进而高选择性的实现了β-糖基化(β:α = 15:1)。糖基化产物经苯硒基的氧化消除得到烯酮4。作者使用对甲苯磺酰叠氮对化合物4进行重氮转移反应,得到重氮氢化萘醌27。由于其不稳定,立即对其使用硝酸铈铵进行氧化脱保护得到重氮萘醌28。经过一系列条件筛选,作者最终选择了PPh3AuOTf催化的俞氏糖基化反应,实现了高选择性的α-糖基化(α:β > 20:1)并合成了全部片段链接完成的分子2929先经DDQ脱除糖片段的PMB保护,再经Staudinger反应和还原胺化在β-糖片段中引入二甲胺基团得到31。最后,作者使用乙醚溴化镁脱除酚羟基的苄基保护,完成了lomaiviticin A单体3的合成。


作者将单体3的核磁碳谱同(-)-lomaiviticin A进行了比较。除(-)-lomaiviticin A中桥连两个单体的2号碳外,其余的化学位移均方根误差仅为1.68 ppm。这一结果验证了结构修订的正确性。作者还以(-)-lomaiviticin A作为阳性对照对于合成的单体3进行了细胞毒性测试。对于测试的四种癌症细胞系,(-)-lomaiviticin A都具备nM级别的细胞毒性,而单体3则在<1 μM的浓度下不具备细胞毒性。这一结果进一步说明了(-)-lomaiviticin A的二聚体结构对于其细胞毒性起着决定性的作用。

总结

综上,来自耶鲁大学Seth B. Herzon课题组的研究人员们继2021年完成lomaiviticin家族天然产物的结构修订后,又于近期又完成了lomaiviticin A单体的全合成。该路线使用了高效的片段连接方法和高立体选择性的糖基化反应,为最终实现(-)-lomaiviticin A的全合成打下了基础。

本文的共同第一作者是课题组四年级博士生徐植和四年级博士生Mikaela DiBello。二年级博士生王泽淳,John A. Rose博士、陈磊博士和李昕博士均对本课题做出了贡献。

Stereocontrolled Synthesis of the Fully Glycosylated Monomeric Unit of Lomaiviticin A

Zhi Xu, Mikaela DiBello, Zechun Wang, John A. Rose, Lei Chen, Xin Li, Seth B. Herzon
J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c07631


本文的通讯作者Seth B. Herzon是耶鲁大学化学系Milton Harris ’29 Ph.D. 教授,耶鲁大学医学院药理与放射医学教授,耶鲁癌症研究中心成员。Herzon课题组致力于复杂天然产物的全合成研究。课题组在对于lomaiviticin家族天然产物,抗生素pleuromutilin及其衍生物,和肠道菌群基因毒素colibactin进行系统研究的同时,也在近年来完成了euonyminol, myrocin G, batzelladine B等多个复杂天然产物的全合成以及糖基化,烯烃官能化等有机方法学的发展研究。课题组重点关注天然产物分子或药物分子的细胞毒性,通过与生物和医学领域研究者的广泛合作,为阐明细胞毒性天然产物lomaiviticin和colibactin的作用机理做出了重要贡献,并在近期发展了一类针对脑癌的高特异性靶向抗癌分子。



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