研究背景
金丝桃属植物（金丝桃科）广泛分布于温带地区，在世界各地的民间医药中都有其身影。金丝桃属植物中含多种类型的化合物，例如异戊二烯化的酰基氯葡糖醇，萜类，类黄酮，蒽酮，萘啶酮及一些螺环化合物，包括螺萜类，螺内酯，聚异戊二烯化的螺环酰基氯葡糖醇和螺酮。据报道，这些代谢物还具有广泛的药理特性，包括抗菌、抗肿瘤、抗氧化、抗艾滋病毒和抗抑郁活性等。 金丝桃在伊朗的民间医学中被用作防腐剂、镇痛剂、镇静剂和治疗头痛。先前对该种植物的植物化学和药理学研究表明，该植物富含次生代谢产物，尤其是多环聚异戊二烯基酰基氯葡糖醇（PPAPs）。PPAPs是一类在合成上富有挑战性和在结构上具有吸引力的天然化合物，其具有经异戊烯基取代修饰的酰基氯代葡萄糖醇衍生核心，此核心显示出多种药理活性。在系统探索具有新结构新生物活性次级代谢产物的过程中，作者从 H. scabrum的地上部分分离到三个前所未有的结构（1-3，图1）。尽管有许多具有三环[4.3.1.1]-十一烷骨架的同型高金刚烷PPAPs的实例，但化合物1因其具有三环-[4.3.1.1]-十一烷骨架的酯化PPAP而尤为独特，它向我们展示了第一个酯化PPAP的例子。化合物2是一个相当简单的单环聚异戊二烯化酰基氯葡糖醇（MPAP），具有用异戊二烯基取代修饰的独特环庚烷环，化合物3具则有罕见的5,5-螺酮内酯核心。 图1 化合物1-3的结构 化合物1，为黄色黏胶状{[α]25D+17.2（c=1.0，CH3OH）}。通过HR-ESIMS在m/z 535.3067[M+H]+（计算值535.3054）下推断其分子式为C33H42O6，表明其不饱和度为13。1（表1）的1 H NMR谱显示八个甲基单重峰（δH1.00,1.05,1.37,1.46,1.50,1.54,1.58,1.65），两个烯烃质子（δH5.26,1H,t,J=7.4 Hz；4.91,1H，m）和苯基（δH7.87,2H,dd,J=8.4,1.2Hz；7.51,1H,t,J=7.5Hz；7.36,2H，t，J=7.8Hz）。化合物1的13C NMR（表1）和HSQC光谱显示出33个碳信号，包含三个羰基[δC203.3，201.4，200.9]，苯甲酸酯基团[δC165.6，134.0，129.9×2，128.7×2，127.9]，八个甲基，四个亚甲基，四个次甲基和六个季碳。上述数据表明7-epi-clusianone（4，图5）的一些结构方面的情况，这是一种具有正常双环[3.3.1]-壬烷核心的BPAP，在本研究中也被分离。1和4之间的主要光谱差异是由于C-1处的丙烯基的NMR数据存在显着变化，在δC197.7处用δC165.6处的苄基酯取代δC197.7处的苄基酮，以及在δC196.5处用烯醇碳取代δC200.9处的酮。对1H和13C NMR光谱的详细分析表明，1中的[CHC(CH3)2OH]基团取代了4中C10处的异丁烯基部分。从H3-13（δH1.37）和H3-14（δH1.46）到C-12（δC75.0）和C-11（δC45.4）的关键HMBC相关性以及1H-1H COSY证实了这一推论。H-11（δH2.11）和H2-10（δH1.92和1.98）之间的相关性，如图2所示。此外，从H-11到C-3（δC89.5）、C-4（δC200.9）、C-2（δC201.4）和从H2-10到C-3和C-8（δC46.3）的HMBC相关性，通过C-11到C-3的连接证明了其五元环的基础。在HMBC谱中，由C-3共振（δC89.5）的高场位移支持的芳香质子（δH7.87）与（δC165.6）处的羰基共振相关性与其在4（δC115.9）处的相关性，表明在C-3处取代苯甲酸酯而不是苯基酮。此外，从H2-22和H2-6到δC200.9和δC203.3处的羰基共振的HMBC相关性证实了另外两个酮基在C-4和C-9处的位置。分子的其余部分与4的相似。因此，如图1所示建立了1的结构。 表1 化合物1和2的1H和13C NMR数据 图2 1H-1H COSY和化合物1和2的关键HMBC相关性 NOESY光谱（图3）证明了从H-7到H-6β和H3-33以及从H3-33到H-10β的相关性，且证明了它们的平面取向。同样，从H-27a到H3-32和H-6α，从H3-32到H-10α以及从H-10α到H-11的特征交叉峰显示出它们方向相同。通过将计算ECD光谱与实验光谱进行比较来指定绝对构型。实验数据显示在280和205nm处有两个正科顿效应（cotton effect CE），在220nm处有负CE（图4）。计算出1R，3S，5S，7R，11R的ECD谱与实验数据十分符合。 图3 化合物1和2的NOESY相关性 图4 化合物1的实验和TDDFT计算的ECD光谱的比较 图5中假设了1的生物合成途径。假定7-epi-clusianone（4），内二环聚异戊二烯化的酰基氯葡糖醇（endo-BPAP）为前体。1的结构新颖性涉及其烯酮部分在C-1处的异戊二烯链的环氧官能团上闭环，以形成刚性笼状四环-[4.3.1.1]-十一烷骨架。此外，需要用到Baeyer-Villiger氧化才能创建出1这个自然界首次出现的酯化PPAP。 图5 化合物1假定的生物合成途径 化合物2，为白色粉末{[α]25D+30.5（c=1.0，CHCl 3）}。其分子式通过HR-ESIMS在m/z 413.1941[M+H]+（计算值413.1959）处确定为C24H28O6，具有11个不饱和度。化合物2（表1）的1 H NMR谱显示单取代苯基信号（δH7.77,2H，dd，J=8.3,1.2Hz；7.46, 1H，t，J=7.4Hz；7.35,2H，t，J=7.7Hz），5个甲基单重峰（δH1.05,1.12, 1.20,1.39, 1.77），两个非对映异构亚甲基[（δH1.83,1H，m；2.13,1H，ddd，J=13.7,6.9,1.7Hz）和(δH 1.90, 1H, ddd, J = 12.9, 11.0, 9.2 Hz; 2.52, 1H, ddd, J = 12.9, 9.0, 1.2 Hz)]；还有三种甲基，包括一种含氧的(δH 2.43, 1H, dd, J = 12.1, 6.9 Hz; 3.61, 1H, m; 4.25, 1H, dd, J = 9.2, 1.2 Hz). 2的13C光谱（表1）显示24个碳信号，包括五个甲基，两个亚甲基，八个次甲基（五个芳族化合物）和九个季碳（一个芳族）。因此，可以计算出27个质子，而未计算的质子可能是由于结构中存在-OH取代基。在δC193.7（C-2），113.5（C-3）和179.0（C-4）处的去屏蔽的13C NMR共振显示出包含四取代烯烃基团和β-位置氧取代基的α，β-不饱和酮部分的存在。δC174.1（C-8）和193.5（C-18）处的共振表示另外两个羰基。δC72.6（C-15），83.6（C-9）和90.1（C-14）处的三个碳信号表示含氧sp3碳。考虑到sp2或sp碳共振的数量及11个不饱和度，清楚地推断出化合物2的三环核心结构，其具有七元碳环，环醚和内酯部分。通过解释COZY相关性（图2），可以认为通过H2-6，H-5和H2-13从H-7到H-14形成长的质子连接。HMBC谱显示H-5与C-3，C-4，C-6和C-7以及H-7与C-1和C-2的相关性，证明了七元碳环为核心的结构。从H-14到C-4，C-15，C-16和C-17的HMBC相关性构建出具有2-丙醇取代的醚环。HMBC从H3-10和H3-11到C-9和C-7以及从H-7到C-9的交叉峰证实了内酯部分的性质。根据H3-12与C-1，C-2，C-7和C-8的HMBC交叉峰，将第五个甲基置于C-1位置。在HMBC谱中，芳香质子（δH7.77）与（δC193.5）羰基共振的相关性支持C-3处苯甲酰基部分的存在。然而，没有观察到与C-3的直接HMBC相关性。 通过查看NOESY光谱解析2的相对立体构型（图3）。在NOESY光谱中，H3-12显示H-7和H-5的NOE相关性，表明它们为α取向。在H-5和H-14之间没有发现NOE相关峰，而是在H-5和H3-16之间检测到交叉峰，这表明H-14为β取向。从单晶X射线结构分析中获得了假定结构2的确凿证据，其精确地证实了其绝对构型为（1S，5S，7S，14R）（图6）。 图6 化合物2的分子结构（非H原子以50%水平绘制的热椭球体表示） 据报道，在自然界中存在许多双环和三环PPAP，然而化合物2是第一个具有用异戊二烯基取代基修饰的环庚烷环的单环聚异戊二烯化酰基氯葡糖醇（MPAP）。 在生物合成上，化合物2大概是衍生自普通的间苯三酚，通过在C-1处的甲基化和在C-5处的二烯基化，然后环氧化物中间体的C-烷基化形成C1-C7键（图7）。该中间体含有双环[3.2.1]辛烷-2,4,8-三酮核心，其存在于较小的PPAPs组中。Baeyer-Villiger氧化，然后通过NADPH的亲核连接开环，然后形成环庚烷环。最后，通过侧链的醚化和内酯化连续形成hydrofuran和内酯环而产生化合物2。 图7 化合物2的假设生物合成途径 化合物3，为无色油状{[α]25D + 9.1（c = 1，CH3OH）}，在m/z 293.1,366[M+ Na]+（计算值293.1,365）上显示出准确的HR-ESIMS离子，其分子式为C14H22O5，并显示出不饱和度为4。从化合物3的13C NMR）谱（表2可观察到14个碳共振，对应五个甲基、二个亚甲基、二个甲基和五个四元碳。因此，二十一个氢与碳相连，因此余下的一个氢可能属于一个羟基。13C-NMR波谱显示的信号表明含有一个碳基（δC 172.7）和四个含氧碳[δC 76.5 (CH), 83.6 (C), 84.7 (C) 和85.8 (C)]。缺少任何其他的烯烃碳信号则表明3包含了三个杂环，以满足其不饱和度。在C5D5N中化合物3的1H NMR谱（表2）显示了五个甲基单体（δH 1.22，1.35，1.40，1.55，1.83，），两种非对映异构亚甲基 [(δH 2.30, 1H, m; 2.38, 1H, dd, J = 9.5, 2.1 Hz)和(δH 2.48, 1H, dd, J = 14.2, 3.9 Hz; 2.54, 1H, dd, J = 14.2, 5.8 Hz)]；还有两种甲基，包括一种含氧的(δH 4.37, dd, J = 5.7, 3.9 Hz) 和一种不含氧的 (δH 2.32, m)。3的部分结构是通过HSQC、1H-1H COSY和HMBC在C5D5N和CDCl3中的联合实验建立的。从H3-11和H3-12到C-7和C-6，从H3-10到C-6、C-8和C-9的HMBC相关性证实了内酯环的组成。HMBC的H-6和H2-5与C-4的交叉峰证实了五元杂环B的存在。HMBC数据（从H3-13和H3-14到C-1和C-2，以及从H-2到C-3和C-4的相关性）显示C1-C2-C3-C4之间的连接为环A（图8）。最后，H2-3与C-5、H2-5与C-3的相关性表明，叔碳C-4是C-3与C-5之间的桥头碳，是个螺酮。 表2 化合物3的1H和13C的NMR数据 图8 化合物3的（A）1H-1H COSY和关键HMBC及（B）NOESY NOESY光谱（图8）表示H-6，H3-10和H3-11之间以及H3-12和H-5β之间的相关性，强调了环B和C之间的连接。同样，注意到H-5α和H-3β之间，H-3α和H-2之间以及H-3β和H3-13之间及H3-10和H-3α之间的交叉峰，证实了环A和B连接。化合物3的ECD光谱在275nm处显示负考顿效应（CE），在250nm处显示正CE。将3的实验ECD曲线与计算的ECD曲线进行比较得出3的绝对构型为2S，4S，6S，8S（图9） 图9 化合物3的实验和TDDFT计算ECD光谱 带有5,5-螺酮内酯结构的化合物3首次从自然界中分离得到。从生物合成的角度来看，乙酸盐和甲羟戊酸途径可能参与这种新支架的生物合成。尽管两个异戊二烯C5单元似乎参与该过程，但它似乎并不符合常规的烷基化机理（图10）。 图10 化合物3的假设生物合成途径 从 H. scabrum的地上部分分离到三个前所未有的结构。化合物1为有三环-[4.3.1.1]-十一烷骨架的酯化PPAP尤为独特，向我们展示了从自然界中分离的第一个酯化PPAP的例子。化合物2具有用异戊二烯基取代修饰的独特环庚烷环，是一个相当简单的单环聚异戊二烯化酰基氯葡糖醇（MPAP），化合物3具则有不寻常的5,5-螺酮内酯核心。 本文于2021年1月14日发表于《Scientific Reports》，Sara Soroury为第一作者，Mahdi Moridi Farimani为通讯作者。通讯单位：伊朗德黑兰埃文沙希德·贝赫什蒂大学药用植物与药物研究所植物化学系。 原文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-020-79305-y#Sec2
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