紫杉醇(paclitaxel),一种高效、低毒、广谱的天然抗癌药物,在临床上已经广泛用于乳腺癌、卵巢癌和部分头颈癌和肺癌的治疗。紫杉醇作为一个具有抗癌活性的二萜生物碱类化合物,其新颖复杂的化学结构、广泛而显著的生物活性、全新独特的作用机制、奇缺的自然资源使其受到了植物学家、化学家、药理学家、分子生物学家的极大青睐,使其成为20世纪下半叶举世瞩目的抗癌明星和研究重点。
2023年南科大李闯创团队在Chemical Reviews上发表文章,首次系统总结了近三十年来紫杉醇的全合成进展,侧重从合成策略和经验教训方面进行陈述和点评,论文对紫杉醇从发现到成为明星抗癌药的传奇发现和全合成之旅进行了回顾,并展望了未来该领域的研究方向。
目前,紫杉醇(Taxol)是医药市场上最优秀的天然抗肿瘤药物之一,被认为是近20年内最有效的抗癌药物之一,同时也是是全球销量第一的植物抗癌药。紫杉醇在临床上是用于乳腺癌、卵巢癌和部分头颈癌和肺癌的治疗的一线药物,其国际医药市场需求巨大。
紫杉醇的传奇之旅始于1962年。当年8月,美国植物学家Barclay开始从华盛顿州收集短叶红豆杉(Taxus brevifolia)的树皮和枝叶,其提取物后续被发现具有良好的生物活性。短叶红豆杉,是第四纪冰川遗留下来的活化石植物,广泛分布于美洲、欧洲和亚洲,在地球上已有250万年的生存历史。红豆杉生长速度缓慢,从小树苗长成大树需要数百年,被称为植物中的“大熊猫”。
1971年,美国分析化学家Wani博士首次通过X射线衍射和核磁共振分析,完全确定了紫杉醇的结构:紫杉醇(图1)具有一个独特的6-8-6-4四环骨架,含有高达11个立体手性中心,且高度氧化。化学家们无不感叹,紫杉醇是一种只有自然界才能调制出的“怪物”。
1979年,美国叶史瓦大学的分子药理学家Horwitz博士在Nature上撰文,首次阐明了紫杉醇的独特抗癌机理。紫杉醇能促进微管蛋白聚合,抑制微管蛋白的解聚。
1989年,NCI决定将紫杉醇的后期开发权转交给在抗癌药物研发方面具有丰富经验的百时美施贵宝(Bristol-Myers Squibb,BMS)公司。
1990年,美国佛罗里达州立大学的Holton团队开发了一条高效的商业化的半合成路线,并最终被BMS公司所采用,成为商业化生产紫杉醇的替代路线。值得一提的是,Holton教授通过向BMS公司转让其紫杉醇半合成的专利获得了巨额财富,Holton教授及其工作单位佛罗里达州立大学获得了超过3.5亿美元的收入。2008年,美国Phyton Biotech公司通过培养红豆杉的树皮细胞生物合成紫杉醇,拥有7万5千升的产能设施(2008年数据),年产能超100千克紫杉醇。
1992年,美国FDA批准紫杉醇注射液上市,用于治疗晚期卵巢癌。经过BMS公司近10年的努力,紫杉醇已经成为在非小细胞肺癌、卡波济氏肉瘤、膀胱癌、食道癌、胃癌、前列腺癌和恶性黑色素瘤等诸多癌症的治疗用药。在2001年的销售巅峰时期,年销售额达到20亿美元,成为名副其实的重磅明星抗癌神药。
后续有多个紫杉醇及其类似物被开发为药物并上市。比如:多西他赛(1996年上市),白蛋白紫杉醇(2005年上市)和卡巴他赛(2010年上市)。
有机合成化学家们从上个世纪八十年代开始探索紫杉醇的全合成,紫杉醇的全合成在上个世纪九十年代成为了有机全合成的“圣杯”,全世界所有做有机全合成的课题组都期望想参与进来,以期证明自己能够挑战这个全合成的“珠穆朗玛峰”。因此,紫杉醇也被公认为历史上最难合成的分子之一。
从1980年至今,已有40余年,超过60个课题组参与其中。在此期间,一共开发了11条不同的全合成路线(图2),但是都没能够成为大量合成紫杉醇的替代方案,主要是由于路线比较长,目前最短的全合成路线是南方科技大学李闯创团队的合成方案,总的效率相比之前的方案有大幅度提高。
回顾紫杉醇的全合成之旅,不难发现,紫杉醇的全合成是极具挑战的。至今,在这11个完成全合成的研究团队中,有6个是美国化学家,有4个是日本化学家,有且仅有1个是中国化学家。这些研究团队均是世界著名的顶尖合成化学家,如:Nicolaou、Holton、Danishefsky、Wender、Mukaiyama、Kishi、Baran等,他们不仅是紫杉醇全合成领域的开拓者,同时也是引领当代合成化学发展的大师。
Chemical Reviews上发表文章,系统性总结了近三十年来全世界科学家在紫杉醇全合成上的研究进展,借此,我们针对其全合成策略、路线进行梳理:
基于形成 C9-C10 键的合成
1.1 路线一:以天然产物为起始原料,通过一系列化学反应形成 C9-C10 键,最终合成紫杉醇。选择合适的天然产物作为起始原料,如巴卡亭 III;对起始原料进行保护基团的引入和官能团的转化;通过碳 - 碳键形成反应形成 C9-C10 键;进行后续的官能团转化和脱保护反应,得到紫杉醇。
Nicolaou, 1994
1.2 路线二:以非天然产物为起始原料,通过合成子的构建和拼接形成 C9-C10 键,最终合成紫杉醇。设计合成子,选择合适的起始原料进行合成子的构建;将合成子进行拼接,形成 C9-C10 键;进行后续的官能团转化和脱保护反应,得到紫杉醇。
Kuwajima, 1998
1.3 路线三:2006 年,Takahashi及其同事报道了一种令人印象深刻的(±)- 紫杉醇的形式合成,采用了收敛策略:收敛方法基于在 C1-C2 位点处 A 环和 C 环的偶联的 1,2 - 加成反应,以及随后的微波辅助烷基化,在 C9-C10 位点构建具有挑战性的 B 环。此外,在合成的最后阶段实现了 C9 位置的选择性氧化和氧杂环丁烷 D 环的形成。
Takahashi, 2006
合成从片段 59 和醛 60 开始,它们分别代表用于 1,2 - 加成反应的 A 环和 C 环前体,分别由容易获得的化合物经过 13 步和 9 步制备(立体选择性的 1,2 - 加成反应通过用叔丁基锂处理 59 来实现,随后所得的烷基锂在三氯化铈存在下与 60 的醛基反应,以 78% 的产率得到 61。化合物 61 通过一个 13 步的序列转化为关键前体 62,该序列涉及 C1-C14 烯烃的羟基导向环氧化、环氧化物的区域选择性还原开环以及一系列官能团操作。在这个序列中,所需的 C1 - 醇部分的引入是通过涉及环氧化和随后的环氧化物开环的策略实现的,这与Nicolaous合成路线相似。保护的氰醇 62 的关键分子内烷基化在六甲基二硅基胺基锂存在下通过微波辐射辅助进行,以 49% 的产率得到所需的环化产物 63。二醇 64 是氧杂环丁烷形成的前体,经过 10 步序列获得。用二异丙基乙胺处理 64 以 77% 的产率得到所需的氧杂环丁烷 65。所得醇的乙酰化,随后通过碳酸酯环的区域选择性亲核开环进行。
2. 基于形成 C10-C11 键的合成
2.1 路线一:Danishefsky及其同事在 1995 年采用收敛策略完成了紫杉醇的标志性全合成。合成紫杉醇的方法基于以下关键反应:(i)在 C1-C2 位点进行 A 环和 CD 环偶联的 1,2 - 加成反应;(ii)分子内 Heck 偶联反应在 C10-C11 位点安装八元 B 环;(iii)在合成后期实现 C9 和 C13 的选择性氧化以及侧链的安装。该全合成的其他显著特点包括独特的手性库方法,利用简单易得的 Wieland-Miescher 酮作为起始原料,以及在早期安装氧杂环丁烷 D 环。
Danishefsky, 1995
合成路线从高度官能化的 CD 片段 71 开始,该片段由(S)-Wieland-Miescher 酮经 10 步制备。烯烃 71 的二羟基化得到三醇中间体,该中间体经过一锅法操作,包括伯醇的硅烷化、三氟甲磺酰化和醇诱导的脱硅以及自发的 SN2 环化,以 46% 的总收率得到所需的氧杂环丁烷 72,然后在 10 步内转化为醛 73。乙烯基锂试剂 74 与 73 偶联以 93% 的收率得到 75,在 C2 处具有所需的立体化学。氰醇基团的水解得到二烯酮中间体,该中间体经过 C2-OH 导向的环氧化,然后区域选择性的环氧化物开环,以 42% 的总收率生成二醇 76,然后在 5 步内转化为 Heck 前体 77。在 Pd (PPh3) 4 和 K2CO3 存在下处理 77,导致有效的分子内 Heck 偶联反应,以 49% 的收率提供二烯 78。紫杉醇的全合成在另外 15 步中完成。
2.2 路线二:Kishi及其同事于 2000 年完成了紫杉醇全合成,其作为博士论文发表。合成策略的关键特征包括:(i)[2,3]- 维蒂希重排以引入 C8 全碳季碳中心;(ii)1,2 - 加成反应在 C1 - C2 位点连接 A 环和 C 环;(iii)在 C10 - C11 位点进行分子内 NHK 偶联以安装 B 环;以及(iv)在合成后期实现氧杂环丁烷 D 环的形成、C13 氧化和侧链的安装。
Kishi, 2000
合成始于正丁基锂促进的 93 的 [2,3]- wittig重排,以 80% 的产率得到 94 的 C8 全碳季碳中心和 C9 羟基。由 94 经过 11 步制备的 C 环片段 95 与由 96 衍生的乙烯基锂偶联,以 97% 的产率得到 AC 片段 97,然后经过 8 步转化为酮 98。后者通过一个三步序列进行精细合成,包括安装 C18 - 甲基、形成烯醇三氟甲磺酸酯,随后脱硅和氧化,以 86% 的总产率得到 NHK 前体 99。使用二氯化铬 - 二氯化镍与二(1,5 - 环辛二烯)镍配合使用实现了 99 的 NHK 偶联,以 52% 的产率得到单一非对映异构体 100。然后,化合物 100 经过七步转化为 101。102 中的氧杂环丁烷 D 环和 C2 - 苯甲酸酯由 101 通过一系列的二羟基化、SN2 环化、乙酰化和苯基锂加成构建。最后,从 102 经过另外四步完成了紫杉醇的全合成。
2.3. 路线三:Nakada及其同事在 2015 年使用收敛策略完成了紫杉醇的形式合成,该合成的显著特点如下:(i)在 C1-C2 位点进行 1,2 - 加成连接 A 环和 C 环;(ii)通过 Pd 催化的烯基化反应在 C10-C11 键形成处安装 B 环;(iii)通过成熟的 SN2 环化反应构建氧杂环丁烷 D 环。该合成的另一个显著特点包括一种不寻常的路易斯酸诱导的分子内 1,5 - 氢迁移和苯亚甲基形成级联反应,用于生成 C3 立体中心。
Nakada, 2015
合成始于醛 111 和乙烯基碘化物 112,它们分别代表 A 环和 C 环前体,用于 1,2 - 加成反应,这两种物质分别由容易获得的化合物经过 15 步和 11 步制备而成。高效的 1,2 - 加成反应通过用正丁基锂处理 112,然后使所得的乙烯基锂与醛 111 反应,以 95% 的产率得到单一非对映异构体 113。在 113 中对 C3-C4 烯烃进行羟基导向的环氧化,形成环氧醇中间体,然后该中间体在路易斯酸的诱导下发生从 C1 苄基醚到 C3 位点的分子内 1,5 - 氢迁移,并伴随苯亚甲基的形成,经过两步反应以 57% 的产率得到化合物 114,随后经过 4 步转化为 115。将 115 在 Pd 催化的分子内烯基化条件下进行环化,以 97% 的产率得到八元碳环 116,然后经过 7 步转化为 117。对 117 进行脱乙酰基,然后用 DBU 处理,以 96% 的总产率得到氧杂环丁烷 118。最后,氧杂环丁烷 118 在另外 5 步中转化为Nicolaous的中间体,从而完成了紫杉醇的合成。
2.4 路线四:Chida及其同事在自 2000 年开始初步研究历经 16 年的合成历程后,通过收敛策略报道了紫杉醇的形式全合成。合成方法是基于Shapiro reaction将 A 环和 C 环在 C1 - C2 位点连接起来,随后通过二碘化钐(SmI₂)介导的环化反应在 C10 - C11 位点构建具有挑战性的 B 环。此外,通过成熟的 SN2 环化反应形成氧杂环丁烷 D 环,得到Takahashi中间体。
从片段 127 和 128 开始,它们分别代表用于Shapiro 反应的 C 环和 A 环前体,分别由容易获得的起始材料经 19 步和 6 步制备。C 环片段 127 和 A 环片段 128 的螯合控制Shapiro 反应进行得很顺利,以 92% 的产率得到单一非对映异构体 129。化合物 129 随后经过几步转化为环化前体 130。在六甲基磷酰胺 - 四氢呋喃(HMPA-THF)中用 SmI₂对 130 进行环化反应,顺利地以 66% 的产率得到所需产物 132 和 133,它们在 C10 位点是 1.5:1 的非对映异构体混合物,同时还有少量来自 C10 - C13 环化的产物 131(29%)。幸运的是,132 和 133 都可以通过逐步方法转化为桥头烯烃 134,该方法包括连续的二羟基化和双Chugaev消除。从 134 开始经过 10 步序列完成了氧杂环丁烷前体 135 的合成。随后对前体 135 进行甲磺酰化,接着进行二羟基化和 SN2 置换,得到Takahashi氧杂环丁烷中间体 65,完成了紫杉醇的正式合成。
Chida, 2015
七年后,2022 年,Chida等人完成了他们高效且精简的紫杉醇全合成。在该合成中,C13 和 C5 羟基通过双重 Rubottom氧化引入,氧杂环丁烷 D 环通过一种新颖的银促进环化反应建立。最后,通过酯化反应引入侧链,完成了全合成。在他们的研究过程中,中间体 132 和 133 是根据他们之前的合成方案通过二碘化钐(SmI2)介导的环化反应合成的。这些中间体在酸的作用下去除甲氧基甲基(MOM)基团生成二醇,然后用戴斯 - 马丁氧化剂(DMP)氧化,并随后用三乙基硅基(TES)基团取代苯甲酰基(Bz)基团,以 65% 的总产率得到 136。用二异丙基氨基锂(LDA)和三乙基氯硅烷 / 三乙胺处理二酮 136,得到相应的硅基二烯醇醚,然后与二甲基二环氧乙烷(DMDO)反应,接着水解,最终以 60% 的产率得到单一非对映异构体的预期产物 137,表明双重鲁博托姆氧化的高效性和出色的非对映选择性控制。具有 C5 和 C13 位点所需立体化学的二醇 137 经过 9 步进一步转化为溴化物 138,从溴化物 138 出发,通过包括立体选择性二羟基化,然后用三氟甲磺酸银(AgOTf)促进环化的两步反应成功合成了氧杂环丁烷 139(产率 66%,两步)。紫杉醇的全合成在另外 5 步后完成。
Chida, 2022
3. 基于形成 C3-C8 键的合成
Mukaiyama小组在 1997 年完成了紫杉醇(Taxol)的不对称全合成。Mukaiyama 合成该目标分子的方法基于以下关键反应:(i)使用SmI3进行分子内羟醛缩合环化反应,在C3-C8位点构建八元环;(ii)立体选择性的迈克尔加成反应以及随后的分子内羟醛缩合环化反应,在C7-C8位点构建 C 环;(iii)频哪醇偶联环化反应,在C11-C12位点形成 A 环;(iv)选择性的C13氧化、氧杂环丁烷环的形成以及侧链的安装在合成后期完成。该全合成的其他显著特点包括独特的B-BC-ABC序列来构建分子复杂的三环核心,以及通过简便的 Corey - Winter 烯化反应引入C11-C12桥头双键。
Mukaiyama, 1997
4. 通过 II 型狄尔斯 - 阿尔德环加成反应进行合成
2020 年,Baran及其同事报道了一种极为精妙且简洁的紫杉醇全合成方法,该方法采用生物合成两相策略,其灵感来源于萜烯的两相生物合成,该研究项目于 2007 年启动。根据他们提出的两相策略,复杂天然产物的合成可分为两个阶段。在第一阶段,即环化酶阶段,天然产物的环系由简单的线性结构单元以汇聚或线性方式组装而成。在第二阶段,即氧化酶阶段,通过不同方式对烯烃和C-H进行选择性官能团化,从而得到结构多样的天然产物及其类似物。
该合成的显著特点包括:
(i)通过 II 型分子内狄尔斯 - 阿尔德反应(IMDA)来组装紫杉醇的 ABC 骨架;(ii)成功采用精心规划的序列,在C13、C5、C10和C9位点实现了一系列化学、位置和立体选择性的C-H氧化反应;
(iii)通过二氧杂环丙烷介导的C-H氧化反应在C1位点引入具有挑战性的桥头叔醇,并采用氧化还原中继策略引入所需的C7氧化;(iv)氧杂环丁烷环的形成和侧链的安装在合成后期完成。
Baran, 2020
5. 通过格Grob型断裂反应进行合成
5.1 路线一:1994 年,Holton 及其同事报道了一种精妙的紫杉醇全合成方法,这是最早成功合成该重要天然产物的方法之一。Holton 合成的几个显著特点包括:(i)通过环氧醇断裂反应(Grob型断裂反应)来组装具有挑战性的紫杉醇桥连双环 [5.3.1] AB 环系;(ii)Dieckmann缩合构建C环;(iii)通过分子内SN2环化反应构建氧杂环丁烷 D 环;(iv)在合成后期实现C9位氧官能团的引入和侧链的安装。
Holton, 1994
5.2 路线二:1997 年,Wender 及其同事报道了一种基于从蒎烯出发的手性池方法的简洁且立体可控的紫杉醇全合成。该合成的显著特点包括:(i)通过Grob型断裂反应组装紫杉醇的 AB 环系;(ii)通过温和的羟醛缩合环化反应构建 C 环;(iii)通过环化反应形成氧杂环丁烷环以及侧链的安装在合成后期完成。
Wender,1997
6. 基于形成C1-C2键的合成
2021 年,南科大李闯创课题组报道了一种简洁而精妙的紫杉醇不对称全合成方法。该小组合成紫杉醇的汇聚式方法基于A环和C环偶联的在C10-C11位点(顶部位置)进行,随后通过分子内SmI3介导的频哪醇偶联反应在C1-C2位点(底部位置)生成具有挑战性的B环。该合成的其他显著特点包括使用 Hutchins - Kabalka 方法还原重排策略来构建具有挑战性的C3立体中心,以及一锅法完成C2苯甲酸酯的形成和C13侧链的安装。
南科大李闯创,2021Holton, 199
值得一提的是,在抗癌药物紫杉醇的全合成中,合成化学家经历了漫长而曲折的探索过程,很多课题时间跨度长达十几年,正是这种不屈不挠的拼搏精神和持之以恒的坚持精神,才造就了甚为丰富的紫杉醇合成化学经验,也成为了后来研究者的宝贵财富,同时也培养了无数优秀的合成化学家与药物化学家。