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Pentacycloanammoxic acid methyl ester

投稿作者alberto-caeiro

1. 背景介绍

生命有着令人惊奇的适应性,上至大气的平流层,下至海洋最深处的海沟,都有生命活动的存在。生命一般通过光合作用,直接或间接的获得能量,除此之外,还有一些无机营养生物通过无机氧化还原反应获得能量。1977年,Broda教授猜想这种无机营养生物可能从铵和亚硝酸的反应(NH4++NO2→N2+2 H2O)中获得能量,并于1995年被证实为第一例自然发生的获能反应,现在被称作厌氧氨氧化[1]。厌氧氨氧化反应在之后也被应用于处理污水中的化学肥料。

由于这些应用厌氧氨氧化反应的微生物其缓慢的生长,这些微生物都难以繁殖和测试其能力。在适宜的实验室条件下,许多细菌能20min繁殖一次,然而对于厌氧氨氧化细菌,这一时间为两星期。直到1999年,CandidatusBrocadiaanammoxidants和CandidatusKueneniastuttgartuensis这两种细菌才成功繁殖。通过RNA测序,这些细菌被认为是浮霉菌目(Planctomycetales)中的一员。然而这些细菌却有一些与已知细菌不同的性质,如其染色质储存在膜约束的细胞质中(membrane-bound cellular compartment)、细胞质缺少肽聚糖。这些独特的性质和能力,使浮霉菌目(Planctomycetales)拓宽了人类对于生命的认知。

Candidatus B anammoxidants和其他厌氧氨氧化细菌的亚细胞结构有厌氧氨氧化体(anammoxosome),一类用于分离厌氧氨氧化反应器与其他物质的有膜细胞器。在2002年Damste和同事报道了分离一类含有线性的聚环丁烷结构的脂类物质,并完成其结构分析。从微生物中分离的含有聚环丙烷、聚环戊烷、聚环己烷脂类膜都已有过报道[2],但在此之前,聚环丁烷的结构还没有过报道,虽然自然界中环丁烷物质在某些地方有过报道,但只有一例二级代谢物含有聚环丁烷结构aplydactone。这些梯烷结构碎片明显含有大量的张力能,在生物合成不清楚的情况下,缺少能量的厌氧氨氧化细菌应用这些奇怪结构作为膜结构一定是有理由的。

这类梯烷结构碎片主要存在于厌氧氨氧化体膜中。厌氧氨氧化反应中会产生肼和羟胺这类高毒性中间体[3],并且肼是高能物质。因此为了防止这类中间体渗透流失毒害细菌,也为减少能量损耗,需要一类致密的膜结构,这类梯烷结构脂类膜应该是为了解决此问题而出现的。与此猜想相同,厌氧氨氧化体膜对于小分子有非常低的渗透比,即使是在接近沸腾的条件下,初次之外,分子模型结构显示,这类膜有很高的致密度参数d=1.5,而普通的膜的膜致密度参数d=1.2。

由于其特殊的生物功能和独特的梯烷结构碎片,E. J. Corey 在2004[4]年和2006[5]年两次完成了Pentacycloanammoxic acid methyl ester的全合成。从自然界中分离得到的天然产物量极少,全合成得到的产物对后面的生物功能研究有重要作用。

1Molecular structures of selected ladderane lipids isolated from Candidatus B anammoxidants and aplydactone (2)

Ladderane——梯烷,由Miller和Schulman在1988年定义[6],反映的是有梯子一样的结构的烷烃,梯烷前会有【n】来表示其阶梯的级数,例如此次的天然产物Pentacycloanammoxic acid methyl ester是【5】Ladderane。此外,梯烷也有顺反结构式,如下图所示,顺式梯烷的张力会更加大,至今也没有顺式梯烷被报道。

2molecular structure of the simplest ladderane

 

2. 第一代全合成

1)逆合成分析

天然产物Pentacycloanammoxic acid methyl ester的合成中只有一个难题,那就是全反式结构【5】梯烷的合成,但是这个问题却是非常困难的。虽然通过光化学中的【2+2】环加成很有吸引力,但都不是很实用[7]。因此,Corey教授设计了如下的合成路线。长烷基链可通过Wittig反应得到,醛46可作为天然产物的关键前体;醛46可以通过环戊酮经环收缩得到;最上方的两个环丁烷可通过消除N2得到,重氮化合物48即可作为这样的前体;48可以通过49及50的【2+2】环化反应[8]得到,但由于49没有手性及50是内消旋,得到的天然产物是外消旋体;50可由二溴化物51得到。

3First-generation retrosynthetic analysis of racemic Pentacycloanammoxic acid methyl ester

 

2)第一代全合成

Corey的全合成是从环辛四烯52与溴的加成反应开始的,经过53所示的瞬时中间体,发生对旋的6π电环化反应得到二溴化物54[9]; 54与55发生hetero-Diels-Alder反应,得到从凸面进攻的产物51;下一步是选择性的还原碳碳双键,但是由于分子中含有两个溴原子,弱的N-N单键以及两个Cbz保护基,操作起来非常困难。最终在经过NaNO2处理过的PtO2的催化下,实现了选择性的氢化[10]。PtO2催化剂经NaNO2处理后会中毒,使活性降低,而活性降低的催化剂正好选择性地还原双键;双键还原后的产物56脱除两个溴原子后得到环丁烯50。

4Synthesis of cyclobutene50

环丁烯50及环戊酮49经光诱导的【2+2】环加成[8]反应得到5并环产物57;小心地进行氢解反应去除Cbz保护基得到中间体58,随后氧气直接氧化得到重氮化合物48;48本打算直接消除氮气得到另外两个环丁烷,但不论在光催化或者加热条件下都不能直接得到梯烷47[11];但当羰基经二甲氧基保护后的59在光照和加热条件下的确可以得到少量(6%)的47,这里有两种可能的机理,一是直接消除氮气得到双自由基,然后自由基成键,得到62;另一种是N-C键先异裂得到63,后消除氮气得到62,62随后在酸性条件下脱保护得到(±)-47。

5Synthesis of pentacyclic ketone (±)-47 through the decomposition of azo compound 48

6Alternative mechanism of the synthesis of pentacyclic ketone (±)-47

在逆合成分析中,Wolff重排被用于环戊酮的环收缩。需要的重氮化物70通过由Regitz发展的两部反应得到,(±)-47与甲酸酯在碱性条件下发生Claisen缩合,形成的烯醇66与TsN3反应,经67和68过渡态得到重氮化物70;重氮化物在光照条件下发生Wolff反应,得到需要的【5】梯烷(±)-74,70首先光照脱除氮气形成卡宾,随后重排得到的烯酮72随即被甲醇捕获,得到73,后处理后,以72%收率得到(±)-74。

虽然(±)-74的构型与期望的有所不同,但是可在后面的反应中得到热力学更稳定的exo产物。(±)-74首先被DIBAL-H还原得到的初级醇随后经Swern氧化得到醛,醛75在碱性条件下发生平衡反应得到更稳定的醛46;醛46与76发生Wittig反应得到烯烃77,随后C-C双键被还原[12]得到羧酸78,最后发生官能团转化反应得到甲酯,即为最终产物Pentacycloanammoxic acid methyl ester (±)-1。

7Total synthesis of Pentacycloanammoxic acid methyl ester (±)-1

 

3. 第二代全合成

1)逆合成分析

虽然Corey大师首次确定了Pentacycloanammoxic acid methyl ester (1)的结构并完成了全合成,但是得到的产物是内消旋体,并不是光学活性的,于是,第二代的全合成工作主要不表就是完成单一结构的合成,实现不对称化[5]

第二代全合成也是利用【2+2】光催化环加成反应实现环丁烷的构建,但是它对不对称反应缺少有效的思路控制反应,绝对构型的控制非常困难。天然产物中含有9个连续的手性中心,有非常高的不对称度。实际上,在没有烷基链时,梯烷是一个内消旋体。所以,实现绝对构型的控制可以从内消旋的梯烷出发,实现一种构型参与反应,造成去对称化。

于是在逆合成分析中,(+)-47是通过80与81发生不对称的【2+2】环加成得到的79脱除硅碎片后得到;81由82经Wolff重排,得到的环收缩产物;82又可通过49与83发生【2+2】环加成得到。

8Second -generation retrosynthetic analysis of Pentacycloanammoxic acid methyl ester (+)-1

 

2)第二代全合成

49与83在光照条件下,经【2+2】环加成得到环戊酮82,同理经过Regitz procedure得到重氮化物84;发生Wolff重排后得到的甲酯被水解得到羧酸85;羧酸85先发生反应生成酰氯,随后发生Barton脱羧反应(Barton decarboxylation),得到溴化物91;随后发生消除反应得到内消旋体81。

9synthesis of mesocyclobutene system 81

虽然已有内消旋体81及手性环戊酮92,但是在反应时,并不能提供很好的手性诱导作用,于是手性硅烷80被设计用以实现不对称反应。共轭加成得到的93在HF中脱除TBS保护基,得到的羟基与TFAA反应得到酯,随后在DBU作用下消除得到80;令人欣慰的是,81与80发生的【2+2】不对称环加成反应良好,以44%的收率得到(+)-79和6%容易分离的异构体95;通过将81的去对称化,此反应一步实现了8个连续手性中心的确定,并构建了4个手性中心,并且为长久以来不对称【2+2】环加成的实现提供了新思路和新方法。

(+)-79首先发生烯醇互变得到烯基硅醚96,随后发生溴代反应得到97;溴化物97与TBAF反应脱除硅基碎片,得到的C负离子发生同时的消除反应得到不饱和酮98,在这其中,如果没有溴原子的存在,形成的C负离子会使临近的环丁烷开环,生成开环的烯醇;不饱和酮的氢化反应也十分麻烦,最终选用NaHTe(NaBH4与Te粉反应得到)进行还原得到(+)-47。

随后,由(+)-47制备Pentacycloanammoxic acid methyl ester (+)-1与第一代并无差异,最终得到天然产物Pentacycloanammoxic acid methyl ester (+)-1。

10synthesis of homochiralcyclopentenone 80 and total synthesis of (+)-Pentacycloanammoxic acid methyl ester

 

4. 总结

生命是如此的顽强,在人类的认知中难以生存的地方,仍然有生命在顽强地存活,其中的某些微生物含有的化学物质,是远超出人类想象的。

在Corey教授的全合成中,对与梯烷的构建,【2+2】环加成和Wolff重排有多次运用,在复杂梯烷的构建中,有重要的借鉴作用。其中,他们开发的不对称【2+2】环加成对其他环丁烷产物的合成会非常有用。

 

参考文献

  1. a) A. Mulder, A. A. Van de Graaf, L. A. Robertson, J. G. Kuenen, FEMS Microbiol. Ecol. 1995, 16, 177. b) A. Mulder, A. A. Van de Graaf, L. A. Robertson, J. G. Kuenen, Environ. Microbiol. 1995, 61, 1246;
  2. For a review on unusual lipids, see: M. De Rose, Gambacorta, Prog Lipid Res. 1988, 27, 153. doi.org/10.1016/0163-7827(88)90011-2;
  3. S. S. Damsté, M. Strous, W. I. C. Rijpstra, E. C. Hopmans, J. A. J. Geenevasen, A. C. T. van Duin, L. A. van Niftrik, M. S. M. Jetten, Nature 2002, 419, 708. doi:10.1038/nature01128;
  4. Mascitti, E. J. Corey, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 15664. DOI: 10.1021/ja044089a;
  5. Mascitti, E. J. Corey, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 3118. DOI: 10.1021/ja058370g;
  6. A. Miller, J. M. Schulman, J, Mol. Struct.: THEO-CHEM 1988, 163, 133;
  7. Mascitti, E. J. Corey, Tetrahedron Lett. 2006, 47, 5879. doi.org/10.1016/j.tetlet.2006. 06.066;
  8. For selected reviews on [2+2] photocycloaddition, see: a) M. T. Crimmins, Rev., 1988, 88, 1453. DOI: 10.1021/cr00090a002. b) D. I. Schuster, G. Lem, N. A. Kaprinidis, Chem. Rev., 1993, 93, 3. DOI: 10.1021/cr00017a001. c) T. Bach, Synthesis 1998, 683. DOI: 10.1055/s-1998-2054;
  9. C. Cope, M. Burg, J. Am. Chem. Soc., 1952, 74, 168. DOI: 10.1021/ja01121a043;
  10. C. Dart, H. B. Henbest, J. Chem. Soc., 1960, 3563. DOI: 10.1039/JR9600003563;
  11. For a review on the decomposition of azo compounds, see: P. S. Engel, Rev., 1980, 80, 99. DOI: 10.1021/cr60324a001;
  12. a) E.J. Corey, W.L. Mock, D.J. Pasto, Tetrahedron Lett. 1961, 2, 347. org/10.1016/ S0040-4039(01)91637-5. b) E. J. Corey, D. J. Pasto, W. L. Mock, J. Am. Chem. Soc., 1961, 83, 2957. DOI: 10.1021/ja01474a043;

 

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