河豚毒素的简单合成
文章出处：David B. Konrad, Klaus-Peter Rühmann, Hiroyasu Ando, Belinda E. Hetzler, Nina Strassner, Kendall N. Houk, Bryan S. Matsuura, Dirk Trauner. A concise synthesis of tetrodotoxin. Science 2022, 377, 411-415.
摘要：河豚毒素(TTX)是一种具有神经毒性的天然产物，是神经科学不可或缺的探针，是生物合成和生态的谜，是合成化学的著名目标。在这里，作者提出了从一个葡萄糖衍生物通过22个步骤立体选择性合成TTX。TTX的中心环己烷环及其α-叔胺部分是通过氧化腈的分子内1,3-偶极环加成，然后炔基加成得到的异恶唑啉。Ru催化的羟基化反应为二恶-金刚烷核心的形成奠定了基础。胍的引入、伯醇的氧化和后期的向异构化得到TTX和无水TTX的混合物。这种合成方法可以很容易地获得具有生物活性的衍生物。
河豚毒素(TTX)是一种具有神经毒性的天然产物，一个多世纪以来，它一直激励和赋予化学家和生物学家力量。作为电压门控钠通道的选择性阻滞剂，它在动作电位的阐明中起着至关重要的作用，在神经系统中仍被常规用于沉默可兴奋细胞。它与河豚、海星、海螺、章鱼、蟾蜍和蝾螈等不同物种的隔离，促使人们对其真正的生物生产者、生物合成和生态作用进行深入研究。现在很明显，TTX是由细菌合成的，由后生动物宿主积累，以抵御捕食者。它的毒理学和治疗效用在人类已经研究了几十年，仍然是一个正在进行的研究主题。
作为一个合成目标，TTX因其提供的纯粹的智力挑战和展示方法和战略进步的机会而闻名。它简单的碳结构，由一个环己烷环和C1和C2侧链组成，与点缀它的密集的极性*能官**团网络形成鲜明的对比。两个羟基在同步关系中以邻酸的形式与羧酸结合形成TTX的特征二恶-金刚烷核心，通过α-叔胺与环胍融合。一个伯羟基，两个仲羟基，一个叔羟基，以及一个半胺基，进一步增加了分子结构的复杂性，其特征是四个环和九个相邻的立体中心。
1972年，Kishi和Fukuyama首次以外消旋形式完全合成TTX，这是有机合成领域的里程碑式成就，在当时似乎难以超越。沉寂了30多年后，Isobe课题组于2003年发表了第一个不对称合成。随后不久，Hinman和Du Bois进行了不对称合成(2003)，第二种Isobe方法(2004)，以及Sato课题组的外消旋体和两种不对称合成(分别为2005、2008和2010)。在2017年和2020年，Fukuyama和Yokoshima课题组重新研究了该分子，并公布了两种不同的TTX不对称路径。此外，Alonso (2010)、Ciufolini (2015)和Hudlicky (2018)等研究团队也发表了一些拦截前期合成后期中间产物的研究。研究这种分子的其它方法也已概述。
对之前合成的分析揭示了几个共同的特征，促使作者采取不同的策略：(i) 环己烷核心要么被纳入起始材料，要么形成较早，然后通过环氧化、二羟基化或烯丙基氧化的方式添加氧。(ii) C8a上的α-叔胺是通过C-N键形成建立的，这必须克服相当大的空间位阻。为了解决这一挑战，已经采用了几种方法，如分子内氮转移(sigma向性重排、氮杂氮共轭加成、氮腈插入)和分子间SN1型亲核取代。(iii) 二恶-金刚烷总是自发形成的，经过精心编排的顺序来调节C10的氧化态，设置不稳定的C9的立体中心。(iv) 每一次合成都在后期引入胍，并在最后一步使用可进行全面去保护的保护基团。
作者的合成分析的指导思想是试图将环己烷核心的形成与α-叔胺的建立尽可能紧密地联系起来，而与之前的全合成相比，这些战略关键步骤在很大程度上是独立的。为此，作者建立了一个线性前驱体，该前驱体包含TTX骨架的所有氧*能官**团，然后通过形成环的反应将其连接起来。接下来，通过C-C键形成引入α-叔胺，引入C2片段，最终与二恶-金刚烷结合。最后，作者需要开发一种高效氧化和内酯化C2片段的方法。
作者最终的复古合成分析总结在图1中。虽然并不是所有的化合物在作者的研究开始时都被如此详细地定义，但它抓住了作者合成计划的精髓。作者推断TTX可以追溯到化合物1型炔基异恶唑烷的氧化，这将源于双环异恶唑啉化合物2，分子内1,3-偶极环加成的产物。硝基甲烷在化合物2的组装中起着关键的作用，它首先与乙醛发生三分子间Henry反应，然后脱水生成反应性的氧化腈中间体，在(3+2)环加成过程中闭合中心环己烷环。作者之前已经开发了一种类似于化合物3的不对称合成不饱和醛的方法，通过Kiyooka aldol反应，并将其用于制备kweichowenol A，一种从Uvaria kweichowensis植物中分离出来的多氧环己烯。尽管类似的路线给了醛化合物3足够的量来进行TTX的合成，作者发现从葡萄糖衍生的构建模块化合物4开始会更实用和经济。在整个合成过程中，葡萄糖的所有碳和两个立体中心都被保留下来，使其成为一种有吸引力的起始材料。
图1
先前已知的外旋甲基构建模块化合物5是由市售的葡萄糖衍生物化合物4按十克比例三步合成的，Sato课题组也在TTX的方法中使用了这一方法。对苄基缩醛的区域选择性还原裂解将一个苄基醚放置在C5上，生成化合物6 (图2)。随后的二羟基化然后安装在C6上具有正确的绝对构型的叔醇，以及TTX的C11伯醇，以优异的产率得到单一的对映体化合物7。保护邻苯二醇作为*酮丙**，随后发生Appel反应，得到初级碘化物8。在Soengas和Silva开发的条件下，化合物8在低温下与叔丁基锂处理后发生还原裂解，生成δ,ε不饱和醛(化合物12，图3)，它在硝基甲烷的加入下进行Henry原位反应。这就得到了硝基醇化合物9a和9b作为对映体的可分离的1: 1混合物。
图2
有了硝基醇化合物9a和9b，作者准备尝试关键的氧化*腈丁**环加成，以形成河豚毒素的环己烷核心。苯基异氰酸酯和催化量的三乙胺对异构体化合物9a进行脱氢氧化腈环加成反应，得到中等产率的单一异构体异恶唑啉化合物10。副产物N-苯基氨基甲酸酯化合物11的X射线晶体结构证实了C8和C4a的立体构型。虽然C4a的立体中心相对于TTX是倒立的，但作者推断，这种异恶唑啉对映体对于亲核试剂形成受阻的叔胺更容易接近。将对映体化合物9b暴露在相同的反应条件下只能导致其分解。
Henry反应的对映选择性差和环加成产率低严重阻碍了材料的产率。下一步，作者需要开发一种策略，可以有选择地在C8上安装立体中心，最理想的是有一个受保护的羟基，这在随后的环加成中是至关重要的。作者推断，这可以通过脱水生成相应的硝基烯烃，然后与适当的O亲核试剂进行共轭加成来完成。这是通过对化合物8进行相同的还原裂解和Henry反应序列来实现的，随后进行原位脱水，得到的只有硝基烯烃化合物14作为E异构体。化合物14在使用对茴香醇的锂化醇盐处理时发生了oxa-Michael加成反应，可能生成硝酸钠阴离子化合物15。该中间体可以被boc-酸酐(来自化合物16)拦截，从而触发生成瞬态氧化*腈丁**化合物17和随后的1,3-偶极环加成反应，得到高产率的异恶唑啉化合物18。这个串联反应是对映选择性的，提供了TTX的中心环己烷核心，正确地配置在C8上，而不是错误地配置在C4a。
通过量子力学和密度泛函理论的计算，进一步探讨了xa-Michael加成反应的对映选择性和1,3偶极环加成的机理。结果表明，与其它5种可能的过渡态相比，PMB醇盐的加入至少有利于的立体选择性形成化合物15 (∆G273K = 3.4 kcal·mol-1)。在主要过渡态下，碳链对形成的键呈反式构型，如Felkin-Anh模型所提出，烷氧基与双键同步，烷氧基内部的排列有利于环加成。
1,3-偶极环加成反应可以通过两种可能的途径进行，一是通过碳酸叔丁基(Boc-OH)的消除，然后是*腈丁**氧化物的环加成，二是通过boc-硝酸酯的环加成，然后Boc-OH的消除。计算表明，Boc-OH的消除速度很快，势垒仅为9.9 kcal·mol-1 (∆G298K)，而两种环加反应的势垒均为23 kcal·mol-1。因此，氧化*腈丁**途径是非常有利的。计算研究进一步强调了C4a处实验观测到的自由能差为1.4 kcal·mol-1的立体异构体的明显偏好。虽然两种过渡态都采用椅形构象，但有利于观测产物的过渡态避免了烷氧基的1,3-双向相互作用。
用硝酸铈铵(CAN)脱去对甲氧基苄基(PMB)的保护作用后，化合物10在BF3·OEt2存在下，由双环异恶唑啉的凸面加成成锂化三甲基硅基(TMS)乙酰基。经TMS基团裂解后，将异恶唑烷化合物19分离为一个独立的对映体，它拥有TTX的所有骨架碳和9个立体中心中的5个，具有正确的绝对构型。化合物10中存在一个自由羟基，在去质子化后可能与亲核试剂协调，被发现是肟醚部分成功加入的关键。相比之下，异恶唑啉化合物18的转化率很低。锂化的TMS-乙酰酰内酯是非常有效的，而更功能化的C2合成子则没有反应。
图3
作者的下一个目标是对炔烃的氧化精制以引入立体的C9醇和C10内酯最终参与TTX标志性的邻酸的形成。作者最初的策略是将化合物19的C8羟基通过Au或Ag催化的5-内嵌氢化醚化到炔烃末端形成所需的羟基内酯(图4A)。合成的二氢呋喃氧化为羟基内酯，然后在最后的脱保护过程中进行转译内酯化异构化，将得到中心邻酸。不幸的是，大量的实验证明，这种方法是非常难以执行的，要求作者重新检查作者的合成序列。解决这一难题的逻辑方法是让炔烃末端与C5或C7羟基进行桥式氢化醚化，然后氧化生成所需的羟基内酯，这样就无需再进行转译内酯化步骤。然而，这种战略转化并非没有风险，因为这种形成桥的6-内环化鲜有先例。
为此，作者需要建立一个保护基团方案，该方案也将与随后引入胍基部分和最后步骤相兼容。化合物19暴露于Boc2O下得到化合物20，其特征是叔丁基碳酸酯和氨基甲酸酯部分。下一个关键的脱保护步骤需要C5和C7苄基醚在对氢化条件敏感的炔和异唑烷基团以及三个对酸敏感的保护基团的存在下同时断裂。经过大量的实验，作者发现，使用Pieber和Seeberger课题组最近介绍的显色光化学脱苯，可以干净地去除苄醚，这是一个特别有效的协议，以优异的产率提供二醇化合物21。C8醇上的boc基团和使用525 nm的绿色发光二极管作为光源是该反应成功的关键。使用不受保护的醇或更高能量的蓝光会导致底物完全分解。脱苯甲酰化后，碳酸盐进行选择性甲醇解得到三醇，该三醇可保护为双乙酰胺化合物22。在这一阶段，作者选择还原敏感的N-Boc异恶唑烷。通过使用SmI2，N-O键被很好的裂解，生成伯醇，然后作为化合物23的保护基团(图4A)。
现在，作者的合成的下一个关键步骤已经准备好了，将炔烃化合物23转化为羟基内酯化合物25。为了充分利用近端*酮丙**提供的空间环境，作者的目标是首先形成C10-O5键，生成一个二氢吡喃，然后可以立体选择性氧化为羟基内酯。最初，作者试图通过使用Au或Ag基对酸催化剂进行6-内环化来实现这一目标，但由于底物倾向于进行不希望的5-外环化，这一方法受阻。
作者解决这个问题的灵感来自于Trost和McDonald课题组关于催化生成偏二金属碳烯的报道，这将使炔烃末端(C10)亲电。作者发现，以CpRu(PPh3)2Cl为环异构化催化剂，在300 mg的规模下，化合物23可以转化为桥联二氢吡喃化合物24，产率接近100%。进一步推动这一发现，作者假设，通过将环异构化催化剂转化为氧化剂，生成的二氢吡喃可以转化为关键的羟基内酯化合物25。这一假设得到了Blechert课题组的支持，他们证明了通过使用Ru基的甲基化催化剂，环闭合甲基化可以与简单的双烯烃上的烯烃二羟基化结合。然而，作者需要确定进一步氧化假设的二醇生成羟基内酯的条件，而不能过度氧化得到其它产物(例如氧化裂解或酮内酯生成)。这是通过向反应中加入氧酮和助溶剂混合物来实现的。据推测，在这些条件下，催化剂被氧化为RuO4，而RuO4又能以几乎完全的对映选择性氧化为所需的羟基内酯化合物25(图4B)。作者认为二次氧化的化学选择性是由于半缩醛中间体C10-H键氢化度的增加。这一单一反应结合了C10-O5键的形成和两个氧化事件，在过程中设置了C9的立体中心，并具有简化纯化的额外好处，因为环异构化催化剂与化合物24在二氧化硅上共极性。
图4
找到了羟基内酯问题的满意解决方案后，作者决定下一步安装胍基部分。用三甲基硅基三氟酯去除N-Boc保护基团，然后裂解硅醚，其中一个是瞬态的，得到氨基二醇化合物26。该化合物被原位保护为双三甲基硅基醚，然后在Kishi的条件下进行干净的鸟苷化，得到具有所有TTX原子的化合物27 (图5)。
在合成的最后阶段，作者必须克服两个最后的障碍：初级硅基醚的氧化和C4a立体中心的向异构化。Kishi指出，后者由于C5-O键易于消除的倾向而呈现出一种潜在的倾向，而之前的所有方法都在各自的合成中更早地设置了这个立体中心。然而，作者继续用Collins试剂处理双三甲基硅基醚化合物27，这影响了伯醇的选择性脱保护和氧化，导致化合物28作为半胺异构体的混合物。这种转化不可能在一个更稳定的叔丁基二甲基硅醚的位置上进行，即与化合物25的胍基化衍生物。粗产物28溶于25%的三氟乙酸中，室温搅拌过夜。值得注意的是，这影响了所需的退化、向异构化和环化，并使TTX和4,9-无水TTX的混合物的良好产率为1: 4.4。作者观测到化合物30以异常高的比例形成，这可以解释为胍参与了向异构化过程。N3氮与C4a醛在分子内缩合形成高度稳定的亚胺阳离子化合物29a，该亚胺阳离子可被消除生成烯胺化合物29b。质子化到热力学上更有利的亚胺化合物29c使亲电C4靠近C9羟基，其攻击速率在动力学上与溶剂溶解竞争。作者认为，C6氧和C4亚胺之间不利的正戊烷相互作用可能驱动消除和互异构化反应。然而，考虑到在这最后一步中发生的大量转化，很难(如果不是不可能的话)精确地确定事件的确切顺序，这些事件可能并行发生并在TTX上收敛。TTX和化合物30相互平衡，有利于TTX，它们可以很容易地相互转化。事实上，在5%的d3-AcOD 95% D2O的溶液中加热3天，TTX和脱水TTX的比例为2.9: 1。TTX和化合物30已在分析尺度上分离。
图5
总结了作者的战略决策，作者的路线展示了Huisgen环加成对高取代环醇的构建的力量。为此目的，不起眼的C1合成物硝基甲烷引人注目地参与了至少六次成键和断裂事件，将一个氧传递到C4，并在合成过程中将其氮和碳嵌入到α-叔胺中。虽然双环异恶唑啉化合物10在C4a处具有不正确的立体中心，需要后期的向异构化，但它引导了随后的乙酰酰亚胺从分子的凸面添加到所需的C8a-叔胺构型。虽然这种后期的向异构化有一些战略风险，但作者有理由相信，基于二恶-金刚烷核心的一致性，它会成功，这将使β消除或逆转录-羟醛反应可逆。化合物10的炔化强调了肟醚作为一个叔胺前体的用途，但也强调了在这一领域需要更多的方法发展。Ru催化炔烃化合物23的氧化内酯化反应是建立C9和C10羟基内酯的重要进展，在银杏内酯和类喹啉等其它天然产物的合成中具有重要的应用前景。此外，这一合成为显色光化学脱苯作用提供了一个实验场，并认识到在高度复杂的环境中实施新技术和方法的战略价值。
综上所述，这些战略决策导致了迄今为止河豚毒素合成过程中时间最短、效率最高的一次，在22个总步骤中完成了这一目标，从商业上可获得的起始原料中获得11%的总产率。作者的路线是可扩展的，可以适应其它稀缺河豚毒素衍生物的生产，以更好地了解它们的生物合成和化学生态学。它还负责获得TTX衍生品，这些衍生品可能用作下一代止痛药。