五環單萜吲哚生物堿 (+)-Arboridinine 包含吲哚啉并 6/6/7 含氮籠狀結構，分子中共有四個手性中心，其中兩個全碳季碳，一個三級羥基。本文通過金雞納堿衍生物催化的不對稱 Michael 加成反應成功構建第一個手性中心后，采用 double-Mannich 反應、Fischer 吲哚合成反應、吲哚 3-位的去芳構化反應、鈷催化的脫羧氧乙酰化反應等共 14 步完成天然產物 Arboridinine 的不對稱全合成。
背景介紹
具有新穎的吲哚啉并 6/6/7 含氮籠狀結構的五環單萜生物堿 (+)-Arboridinine 由馬來西亞大學的 Toh-Seok Kam 小組于 2015 年從 Malayan Kopsia arborea 中分離得到，并通過 NMR, MS 和單晶衍射確定其結構和絕對構型。生物活性研究表明，(+)-Arboridinine 雖然沒有明顯的 KB 細胞毒性，但是對去氧腎上腺素誘導的離體大鼠主動脈環收縮具有一定的舒張作用（EC50 4.98 μM）。2018 年，Scott A. Snyder 小組報道了該分子的首次消旋體全合成以及形式不對稱合成（JACS, 2018, 140, 919-925）.
研究出發點
2015 年 9 月，我加入蘭州大學翟宏斌教授課題組，經過幾個月的鍛煉，對全合成工作初窺門徑。在年底準備博士課題的開題工作時，我曾對選擇研究工作相對成熟的天然產物分子還是最新分離得到的相對新穎的化合物作為目標分子而舉棋不定。恰逢五環單萜生物堿 Arboridinine 的分離鑒定工作剛剛發表，該分子新穎的籠狀結構以及稠密的手性中心深深地吸引了我,于是我打算嘗試該分子的全合成。
在經過和李云老師（我的共同指導老師）的多次討論之后我們起初確定了兩條合成路線，其核心反應都是通過double-Mannich 反應來引入 [3.3.1] 氮雜橋環體系。然而在李老師反復推敲之后我們決定不采用常規的色胺衍生化的策略合成 Arboridinine。而是另辟蹊徑，先利用分子間 double-Mannich 反應來實現橋環體系的構建，然后在后續引入吲哚，隨后分子內關環來構筑籠狀體系結構。
這樣做的好處在于：1）將難度大的反應步驟放于合成的前期，有利于降低合成的風險。2）此外由于采用了分子間反應作為關鍵反應策略，從而加強了合成的匯聚性，整體合成效率也隨之大大提高。隨后，我們按照該思路展開了對Arboridinine (1) 的全合成研究工作。
圖文解析
通過對 Arboridinine?(1) 結構的分析，我們提出了以下逆合成思路：橋頭羥基可以通過 8?進行烯丙位氧化構筑；8?中的籠狀結構可以通過化合物?9?進行吲哚 3-位的親核取代反應實現合環；9?中的吲哚片段可以通過 Fischer 吲哚合成由?10?制備得到；10?中的 [3,3,1] 橋環骨架可以通過?12?進行double-Mannich 反應完成（圖1）。
▲ 圖1 ?Arboridinine(1) 的逆合成分析
我們首先制備了已知化合物?12，并在 1 當量芐胺、2 當量甲醛水溶液條件下進行了經典的 double-Mannich 反應的嘗試，雖然收率較高 (80 %)，但是我們得到的是一組差向異構體 (d.r. = 3 : 2)，兩者在常規條件下無法進行有效的分離。隨后，我們用混合物進行了多種 Fischer 吲哚合成反應的嘗試，期望可以將兩者進行分離，但是都沒有得到預期產物。因此我們調整合成思路，底物 12?可以先進行 Fischer 吲哚合成反應，再進行 double-Mannich 反應，同樣可以得到我們預期的產物。我們嘗試了多種條件，基本都是得到單一化合物 16，其結構通過 X-ray 進行了驗證。
▲ 圖2
隨后我們對改良后的 double-Mannich 反應(芐胺的衍生物和酮化合物在 Lewis acid 參與的條件下)進行了嘗試。我們嘗試了多種 Lewis acid（MeSiCl3，TiCl4，TMSCl）和反應溶劑（DCM，THF，MeCN），在克級反應時都具有較好的區域選擇性和較高的收率，同時?10?的結構通過 X-ray 得到驗證。但當我們在幾十克級規模制備時，TiCl4?會產生大量的副反應，TMSCl 會產生用量較多、后處理會發生噴灑的危險等問題。所以我們最終選定 MeSiCl3+MeCN 體系作為該反應的最佳條件。
隨后我們對底物?10?進行選擇性還原。Red-Al 以較好的區域選擇性、立體選擇性和較高的收率得到單一還原產物 19（產物經 NOESY 驗證其相對構型）并在醋酸條件下順利發生 Fischer 吲哚合成反應得到?20。隨后我們選用了相對易于操作的 Goldman Oxidation 順利得到酮類化合物 21,并在鈀碳、甲酸銨條件下順利脫除芐基保護基。我們希望接下來通過還原氨化反應得到關環前體 23，但我們得到的是吲哚 3-位進攻亞胺中間體后形成的六元環籠狀結構化合物?22。雖然參照文獻在醋酸條件下進行氰基硼氫化鈉的還原反應順利得到了我們的預期產物 23（圖3），但是后期的關環反應無法成功實現。
▲ 圖3
在后續的關環反應中，我們遇到了很大阻力，尤其是要解決以下兩個問題：1）關環底物為羰基化合物還是環外雙鍵化合物；2）關環前體中發生反應的基團為烷基鹵代物還是酰胺鹵代物。帶著這樣的疑問我們又回到了化合物 21， 重新調整合成路線（圖4），采用了先引入雙鍵（降低 retro-Mannich 反應對于后續反應的影響），然而這步亞甲基化反應并沒有我們想象的那么容易，經過大量的嘗試，我們發現僅 Peterson 烯基化反應可以得到我們預期的亞甲基化產物。
后續的實驗表明，亞甲基化的底物在合環條件下的確表現出更好的穩定性，在使用活性更高的烷基碘代物側鏈時可以實現籠狀結構的關環，而溴代物，氯代物，甲磺酸酯，三氟甲磺酸酯等都無法實現該步轉化。然而當我們對關環產物 8?進行最后的羥基構筑時遇到了重重困難。而就在此時，美國芝加哥大學 Scott A. Snyder 教授發表了關于 Arboridinine 的首次全合工作，在該工作中，作者同樣進行了該步烯丙位氧化反應，同樣遇到了很大困難，無法得到預期產物。于是我們在經過一段時間的嘗試后放棄了這步嘗試。
▲ 圖4
采用第一條路線我們未能成功制備 Arboridinine，然而我們并沒有放棄，在仔細分析失敗的原因之后，我們重新設計了合成路線并考慮將不對稱合成工作引入到第二路合成路線中。在我們查閱文獻時發現，不對稱 Michael 反應的研究報道已有很多，所以我們認為可以通過該反應實現我們所需底物的不對稱合成。如圖5所示，我們設計了 Arboridinine 的不對稱合成方案。按照設計，天然產物 Arboridinine 的三級羥基可以通過一個脫羧羥基化反應實現引入，其前提 29?可以參照第一條成功的路線，逆推到化合物?31，光學純化合物?32?可以通過商業可得的原料丙二酸二甲酯與 4-己烯-3-酮發生不對稱 Michael 反應制得（圖5）。
▲ 圖5
我們參照類似實驗，為使丙二酸二甲酯與 4-己烯-3-酮能以較高的 ee 值、較好的轉化率并能實現放大量實驗進行了探索。我們首先制備了消旋體化合物 32，同時合成了 6 種常見的用于不對稱 Michael 反應的小分子催化劑，結合反應溶劑對反應的影響，通過對反應的收率以及 ee 值的測試，期望篩選出最佳的反應條件（圖6）。
All reactions were performed with 1.05 mmol of 33?and 1 mol of 34?and 5 mol % catalyst in 2 mL solvent at 40?oC; bIsolated yield; cN.D. = not determined; dReaction was performed at 54-gram scale of 33.
▲ 圖6
通過上述實驗結果不難發現，當反應體系為 THF 時，Cat1?具有很好的不對稱立體選擇性（96 % ee）和較高的收率（92 %），甚至當我們將規模放大至 54 g 底物時，仍可以保持 95 % 的 ee 值和 86 % 的收率。
當我們成功構筑第一個手性中心后，參照第一條合成路線的思路，我們得到化合物?37?后進行重結晶，將其 ee 值提高到 98 %。然后成功制得 Arboridinine 的骨架結構 29。隨后我們對羧酸甲酯轉化為羥基的關鍵反應進行了嘗試，由于我們特定的底物的復雜性（假吲哚結構和三級胺），該步反應面臨很大挑戰，一些經典的脫羧條件下均無法得到我們想要的產物。幸運的是，在醋酸碘苯、醋酸鈷條件下我們以 20 % 的收率得到了預期產物（圖7）。其最終結構通過核磁數據和單晶衍射數據加以確認。值得注意的是，我們的核磁譜圖數據與 Snyder 報道的完全一致，然而與分離文獻報道的數據存在一定出入。Snyder 小組在他們的合成中也發現了相同的現象，這也許是由于分離作者的樣品中存在少量的共軛酸造成的，但具體原因目前尚不清楚。
▲ 圖7
總結與展望
我們利用不對稱 Michael 加成反應，高立體選擇性的 double-Mannich 反應構建三環骨架，并用鈷催化的脫羧乙酰氧基化反應引入橋頭羥基，總共 14 步完成了 (+)-arboridinine 的首次不對稱全合成。值得一提的是，在整個合成過程中，絕大多數反應都是在數十克規模下完成的，這對將來做該天然產物的結構改造提供了很大的便利。
心得與體會
當初懷著敬畏之心來到蘭州大學有機化學專業求學，從最初對天然產物全合成一無所知到如今取得了一點小成績，加深了我對有機化學專業知識的理解。能夠在自己所喜歡的領域做到學有所用，同時又在解決問題中學到新的知識，這是一件十分快樂的事情。在本課題的完成過程中，有前進一小步時的快樂，也有被一步轉化困擾半年之久的痛苦，有急于畢業時的苦悶，也有苦苦掙扎后的釋然……在這過程中，我很感激翟老師給我提供來到蘭州大學求學的機會，同時非常感謝李老師在課題完成和文章寫作過程中給予的大力幫助，感謝課題組謝素君碩士在實驗中的幫助以及文章修改中提出中肯的意見。
▲ 第一作者：張振；通訊作者：李云, 翟宏斌；
通訊單位：蘭州大學；北京大學深圳研究生院
論文DOI：10.1021/jacs.9b02362
