论文的研究目标和意义
本文于2024年12月18日在线发表于JACS。研究目标是通过仿生合成 (biomimetic synthesis) 的方法，以简洁高效的路线合成一种名为 Azorellolide 的复杂二萜类天然产物。Azorellolide 结构复杂，含有7个手性中心，其中3个是季碳手性中心，具有很大的合成挑战。作者希望通过模拟其可能的生源合成途径，利用环丙基甲基阳离子 (cyclopropylcarbinyl cation) 化学，开发出新颖高效的合成策略。
A concise synthesis of the complex diterpene azorellolide, inspired by speculations on biosynthetic cationic cascades, is presented. The approach, guided by computation, relies on the intramolecular interception of a cyclopropylcarbinyl cation by an appended carboxylate.
这类策略对天然产物全合成领域具有重要意义。许多天然产物，尤其是萜类化合物，都是通过碳正离子环化级联反应生成的。因此，对这类反应的理解和利用，有助于开发出更高效实用的仿生合成方法，推动该领域发展。此外，Azorellolide 本身也具有一定的生物活性，包括胃黏膜保护、抗菌、抗寄生虫等作用，因此其合成研究也有潜在的药物开发价值。
论文提出的新思路和方法
本文最大的创新点在于利用分子内环丙基甲基阳离子/羧酸盐对捕获策略，巧妙地构建了 Azorellolide 的复杂多环骨架。
We reasoned that a high degree of selectivity could be achieved through intramolecularization (Figure 1B).
图1
作者首先提出环丙基甲基/环丁基/高烯丙基阳离子(CC/CB/HA)在生源合成中可能扮演的重要角色。这类活性中间体可以通过快速平衡互变，然后被分子内或分子间的亲核试剂选择性捕获，从而实现复杂结构的构建。但要在实验室条件下实现这一过程具有选择性挑战。
In principle, such cations can exist as rapidly interconverting discrete species or represent resonance structures (bicyclobutonium ions). If all four of their carbon atoms are distinguishable, the reactivity of these cations with nucleophiles or bases can be dauntingly complex (Figure 1A).
为此，作者提出了分子内捕获策略。通过在侧链引入羧酸基团，可以实现对环丙基甲基阳离子的高度选择性和区域选择性捕获，从而避免复杂的混合物生成。这一策略得到了DFT计算的支持。
此外，作者在关键的环丙基甲基阳离子生成过程中，采用了β-内酯的异构化策略，避免了使用不稳定的三级醇作为前体。在酸性条件下，β-内酯可以开环生成阳离子中间体，然后再环化生成目标产物。而在路易斯酸条件下，则主要发生 dyotropic 重排生成热力学更稳定的γ-内酯副产物。因此 β-内酯的酸促重排成为该合成的关键步骤。
Exposure to Lewis acids, such as BF3·Et2O, Zn(OTf)2, Sc(OTf)3 or (C6F5)3B, led to clean isomerization to γ-lactone 21 through what can be seen as a type I dyotropic rearrangement. The single crystal X-ray structure of 21 is shown in Figure 5. Azorellolide could not be identified under these conditions.
By contrast, treatment of 8 with a range of strong protic acids gave azorellolide as the main product accompanied by varying amounts of δ-lactone 19 and γ-lactone 21 (Table 1, Figure 6).
通过仿生合成策略实现二萜 Azorellolide 的首次全合成
本文报道了复杂二萜Azorellolide 的首次全合成，突出特色在于受天然产物生物合成过程的启发，利用环丙基甲基阳离子化学实现了关键骨架的构建。全合成的关键在于一个β-内酯异构化反应，在质子酸促进下一步构建了三个手性中心。作者通过系统的实验条件筛选和理论计算，阐明了该反应的机理和选择性控制。研究成果为 azorellane 型二萜类天然产物的合成开辟了新途径，展示了仿生合成策略在复杂分子骨架高效构建方面的优势。
1. 利用计算化学指导合成路线设计
为了实现 Azorellolide 中独特的 5/6/6/3 并环骨架的构建，作者提出了一个关键策略，即利用分子内环丙基甲基阳离子/羧酸对捕获来仿生环化过程。这一设想首先通过理论计算予以验证。
We evaluated the interconversion of the terminal cations and their nucleophilic interception with quantum mechanical calculations (relative free energies in kcal/mol; mPW1PW91/6-31+G(d,p); see SI for additional details).
计算结果表明，含环丙基结构的碳正离子5 与高烯丙基正离子4 可快速互变，并与质子化的 azorellolide6 形成平衡。而从 5 直接生成 6 的过渡态能垒很低，有利于反应的进行。此外，作者还计算了四种可能的竞争产物(19, 21, 8 和9)的相对能量，发现目标产物 azorellolide 在热力学上最稳定。这些理论分析为后续的实验研究提供了重要依据。
图3
2. 系统优化β-内酯异构化反应条件
在最初的尝试中，作者选择三级醇17 作为环化前体。但在各种酸性条件下，都难以得到目标产物。
With 17 in hand, we attempted its dehydration and transformation to azorellolide under a variety of acidic conditions (Figure 4, bottom). However, despite extensive efforts, we were unable to find or cleanly isolate azorellolide.
分析表明，这可能是由于三级醇易于分子内成氢键而稳定，从而难以发生质子化生成碳正离子(图4)。为此，作者改用β-内酯 8 作为前体。
图4
随后，作者考察了路易斯酸和质子酸对β-内酯异构化反应的影响。使用BF3·Et2O等路易斯酸时，主要生成了 γ-内酯副产物21，而没有 azorellolide 生成。这可能是因为路易斯酸催化下，dyotropic 重排是不可逆的(图5)。相比之下，质子酸如对甲苯磺酸等能以中等收率得到目标产物。
图5
为进一步优化反应效率，作者系统筛选了一系列取代的苯磺酸。发现2-溴-4-三氟甲基苯磺酸的效果最佳，在甲苯/乙腈混合溶剂中，azorellolide 的分离收率可达39%。使用三氟乙醇作溶剂，并用对甲苯磺酸酐活化，收率进一步提高到48%(图6)。值得注意的是，强酸性条件(如硝基取代)反而使副反应加剧。综合实验数据表明，β-内酯前体的选择以及酸促条件的精细调控是实现骨架高效构建的关键。
表1
图6
3. 阐明β-内酯异构化机理
为阐明β-内酯异构化过程的机理，作者进行了进一步的理论计算。无论是质子酸还是路易斯酸条件下，反应都经由两个连续的 dyotropic 重排过程，涉及 1,2-H 迁移和 C-O 键形成。
For both proton and Lewis acid promoted rearrangements, initial ring-opening to 22/4 is predicted to be followed by concerted 1,2-H shift/C−O bond formation, making these reactions stepwise dyotropic processes.
值得指出的是，从β-内酯8直接生成γ-内酯21在热力学上非常有利(ΔG = -12.2 kcal/mol)。但在质子酸条件下，这一过程是可逆的，从而使得热力学稍稳定的 azorellolide 也能生成。路易斯酸条件下的不可逆性，解释了γ-内酯的专一生成。这些分析加深了对反应机理和选择性控制的认识。
小结
通过以上系统研究，作者成功实现了二萜 Azorellolide 的首次全合成，突破了以下关键科学问题：
利用仿生合成策略，通过 β-内酯异构化巧妙地构建了含多个手性中心的并环骨架，为该类天然产物的合成提供了新思路。 系统优化了关键异构化反应的条件，并通过理论计算阐明了反应机理。实验和理论相结合，揭示了选择性控制的根源。 为开发azorellane 型二萜的全合成方法奠定了基础。所建立的合成策略具有潜在的普适性，可用于衍生物的制备和构效关系研究。
这些发现彰显了天然产物全合成研究的重要意义。一方面，通过模拟生物合成过程，可以发展出高效实用的新合成方法。另一方面，也为理解和拓展复杂天然产物的化学空间提供了新的视角。相信这项研究将推动相关领域的进一步发展。
研究成果的影响和应用
本文研究成果为开发 azorellane 二萜类天然产物的全合成方法提供了新思路。Azorellolide 的首次全合成得以实现，为该类天然产物的合成研究树立了一个里程碑。更重要的是，文中总结提出的仿生合成策略，尤其是分子内亲核捕获环丙基甲基碳正离子的策略，可以为更多复杂多环天然产物的合成设计提供借鉴。此外，多环萜类骨架也是药物分子设计的重要模板，因此本研究对创新药物研发也有一定的启示作用。
从应用角度看，Azorellolide 本身具有胃黏膜保护、抗菌、抗寄生虫等生物活性，但之前很难获得足够量进行深入研究。而本文报道的 β-内酯异构化策略，能以最长线性步骤13步、5.7% 总收率制备 Azorellolide，使后续的药理学和构效关系研究成为可能。此外，作者还提出热力学上更稳定的γ-内酯 21 或许也是一个可能存在的天然产物。所以未来或许可以围绕该骨架，开展针对性的天然产物发现和药物研发工作。
未来研究方向和机遇
仿生合成研究不仅能加深对天然产物生源合成过程的理解，也能促进新合成方法学的发展。就本文研究体系而言，还有以下一些方向值得进一步探索：
- 多环萜类骨架的快速构建新方法
在本文中，七元环是通过分子间 Barbier 反应/RCM 过程引入的。未来可以探索更多此类骨架多样性导向的合成策略，为复杂天然产物搭建平台。 - 环丙基甲基阳离子中间体的扩展研究
本文利用β-内酯前体生成关键碳正离子。而在生源合成中，这类中间体可能经由多种途径生成。对其生成和反应机制的进一步研究，可以极大拓展仿生合成的范围。 - β-内酯异构化反应的方法学研究
本文的β-内酯异构化步骤收率还不够理想。未来围绕该反应开展更多条件筛选和机理研究，并扩大底物适用范围，将有助于建立一类普适性的新合成方法。 - azorellane 二萜的药物研发
Azorellolide 及类似二萜具有广谱生物活性，包括抗炎、抗菌、抗肿瘤等作用。未来可借助本文的合成策略，开展构效关系研究，并发现更多此类先导化合物，推动创新药物开发。
Critical Thinking
尽管作者提出 β-内酯异构化策略是在模拟生物合成过程，但实际上酶催化过程中可能并不经由这样的内酯中间体。这在一定程度上削弱了仿生合成的概念。要真正模拟生物过程，需要更多相关的生物合成研究作为基础。 关键的 β-内酯异构化步骤收率不高(39%)，产物也难以与副产物分离。作者并未对此做过多讨论。这可能成为该路线应用的瓶颈。 二萜骨架的早期合成步骤相对繁琐(从维生素D2出发需10步)，且线性收率只有20%。作者似乎过于强调仿生合成的概念，而忽视了路线的实用性。未来可以考虑从更简单易得的原料出发优化合成。 文中对 Azorellolide 的生物活性几乎未做讨论。作为天然产物全合成的重要驱动力，这方面内容有些欠缺。如果能增加一些初步的活性评价数据，论文的说服力会更强。 作者提出γ-内酯21可能也是一种天然存在的产物。但并未给出太多证据支持这一设想。或许可以对相关植物的提取物进行更仔细的分析。 从合成化学的角度，β-内酯的异构化机制还有待进一步阐明。作者主要是通过DFT计算给出推测，但实验证据略显不足。或许可以通过同位素标记等手段，捕捉到更多反应中间体。
[图片] Biosyn导师：Dirk Trauner
https://www.traunergroup.org/the-group/dirk-trauner
Dirk Trauner是一位杰出的有机化学家,目前担任宾夕法尼亚大学的Penn Integrates Knowledge讲席教授。他出生于奥地利林茨,在维也纳大学学习生物和化学,并在柏林自由大学获得了化学学士学位。随后,他在Johann Mulzer教授的指导下在法兰克福大学和维也纳大学攻读研究生,获得了博士学位。在服完光荣的奥地利军役后,他成为了纪念斯隆-凯特琳癌症中心Samuel J. Danishefsky教授的博士后。在纽约度过了美好的两年后,Trauner博士加入了加州大学伯克利分校化学系,并逐步晋升为终身副教授和劳伦斯伯克利国家实验室成员。2008年,他作为化学和化学遗传学教授迁至慕尼黑大学。2017年春,他以Janice Cutler化学讲席教授的身份回到美国纽约大学。2022年7月,他迁至宾夕法尼亚大学,担任Penn Integrates Knowledge讲席教授。
Trauner教授研究的广泛目标是用具有挑战性的目标分子展示化学合成的力量,并将其用于建立合成生物途径。他因在光遗传学和光药理学方面的开创性贡献而闻名,利用合成的光开关赋予各种目标对光的敏感性。他开发的化学工具在神经科学和细胞生物学中特别有用,而且还有望成为精准治疗手段。尽管广泛涉足生物学和生理学,但正如合成(和预测)120多种天然产物所证明的那样,Trauner博士内心依然是一名有机化学家。
Dirk Trauner获得了2021年ACS Cope学者奖、2016年Emil Fischer奖章和2016年Otto Bayer奖。他是德国国家科学院Leopoldina的成员、奥地利科学院的通讯院士以及英国皇家化学学会的会员。Dirk还获得了Kitasato奖章、Alfred P. Sloan研究金、欧洲研究委员会高级研究金以及1997年奥地利化学学会最佳论文奖。他是Organic Syntheses的编委、ACS Central Science、ACS Chemical Neuroscience、Cell Chemical Biology和Chem的编辑顾问委员会成员。他的学生已经在许多领先的制药公司和大学任职。
在业余时间,Dirk感慨自己没有成为一名伟大的建筑师。
