//研究背景
五环三萜类化合物（PTs）是最大的天然产物家族之一，许多在D/E环上具有较高氧化态的化合物具有广泛的生物活性，但难以获得。在这里，作者报告了PTs的D/E环上的位点选择性C-H羟基化，为这些重要天然产物的产生铺平了道路。作者发现Schönecker和Baran的Cu介导的有氧氧化可以应用在PT骨架上的选择性位点，过渡态吡啶亚氨基导向基团的手性结果出乎意料地受到影响。为了证明其适用性，从最丰富的三萜类原料齐墩果烷开始，合成了在C16或C22上带有羟基的三种代表性皂苷，并且通过顺序羟基化作为关键步骤合成在C16，C21和C22处带有羟基的邻苯二酚C。 //研究内容 五环三萜类化合物（PTs）是一大类天然产物，因其具有显着的生物和药理活性，如抗肿瘤，抗炎和抗病毒活性而备受关注。然而，对这些复杂分子可及性的深入研究因其可及性差而受到阻碍。PT通常在自然界中以非均相的方式存在，通过对基本五环骨架进行后修饰，尤其是酶促C–H键氧化和O-糖基化，大大增强了结构多样性。随着新的C-H键氧化方法的出现，一个新的阶段是为天然丰富的PT原料（如齐墩果酸）的化学多样化奠定基础。 图1 PT的主要类型包括齐墩果烷型，乌苏烷型，羽扇豆型和木栓烷型，羟基通常存在于C2，C3，C12，C16，C21，C22和C23（图1）。利用生物遗传3-OH，Baldwin等人率先在PTs上进行导向C-H氧化，通过C3-肟介导的环钯化过程中引入23-OH。Baran等人系统地研究了羽扇烷骨架上的C-H氧化。碘化可以在C12、C20或C28处的羟基自由基的引导下发生，值得注意的是，用甲基（三氟甲基）二氧杂环己烷可实现C16处的非导向氧化。作者尝试利用齐墩果酸中的天然C28羧酸基团作为衍生近端CH2单元的方法，用8-氨基喹啉酰胺或2-氨基甲基吡啶酰胺作为指导基团可实现钯在C15-C16或C21-C22处对脱氢的促进作用。然而，随后C28酰胺助剂的去除/转化并不成功。实际上，PTs的D/E环中CH2单元的实际有用的氧化/官能化仍然是一个挑战。在这里，作者报告了一种解决这个问题的有效方法及其在成功合成四种具有结构代表性和生物活性的高氧化态PT中的应用，这些PT包括在C16或C22上带有羟基的PT糖苷（1-3）和在C16，C21和C22处带有羟基的巴灵芝醇C（4）。 a为典型的PT骨架和常见的氧化位点，b来自齐墩果酸的PT糖苷（1-3）和巴灵芝醇C（4）的合成靶标。 //研究结果 １、PTs的选择性C–H羟基化反应 从最丰富的天然PT齐墩果酸开始，作者制备了一系列衍生物来探索C28功能残基对C–H的氧化作用（补充图1）。将Schönecker-Baran的Cu介导的C–H羟基化反应，以吡啶-2-基甲基苯胺（D1）作为瞬时导向基团，应用于C28醛5，得到16β-醇衍生物5-a，产率为51%（图2，条目1a）。亚胺中间体不稳定的性质可能是产率一般的原因，因此作者决定用更大的仲胺（吡啶-2-基）乙烷-1-胺D2取代伯胺D1作为导向基团。 图2：由过渡（吡啶-2-基甲基）亚胺基引导的油酸C28醛5的选择性C–H羟基化反应 令人惊讶的是，当外消旋体D2用于反应时，5-a的产率下降到40%，而22α-醇衍生物5-b以20%的产率新分离出来（条目1b）。这些异构体的结构通过对其衍生物的X射线衍射分析可被明确地确定（S20和S21，补充图3）。这一结果表明，手性甲基可以影响相应的亚胺-吡啶络合物铜中间体朝向16β-H或22α-H的方向，这两个方向都位于亚氨基氮的近端γ位置。事实上，当使用对映体纯D2（R）时，5-b的产率提高到40%，而5-a的产率降低到25%（条目1c）。相比之下，D2（S）的使用在70%的收益率下产生了5-a（条目1d）。当D3（R）较大时，5-b的位置选择性进一步提高，其产率提高到49%，而5-a的产率降低到15%（条目1e）。S对映体D3（S）的使用逆转了选择性，导致5-a作为唯一的C–H羟基化产物（58%；条目1f）。 图3：PT衍生物的位点选择性C-H羟基化的范围 接下来，作者使用Baran的标准条件（图3）研究了PT衍生物上这种可调转化的底物范围和官能团耐受性，其涉及亚胺形成（0.1当量TsOH，甲苯，80℃），Cu介导的C-H羟基化（1.3当量Cu（OTf）2, 2.0当量抗坏血酸钠，O2,50℃），并除去亚胺助剂（用Na4EDTA处理，或在某些情况下用1N HCl处理）。值得注意的是，齐墩果烷C28醛衍生物6的羟基化仍然是先天的C12-C13双键，是完全位点选择性的，在D2（R）存在下或16β-ol 6-a（65%）在D2（S）存在下仅提供出22α-ol6-b（47%；43%回收6）（条目1a和1b）。以较大的D3（R）和D3（S）作为导向基团，6-b的产率略有增加（53%），而6-a的产率显着增加至92%（条目1c和1d）。以齐墩果烷C28-醛7-9为底物获得了相似的结果，其中C12-C13双键（在6中）分别转化为C12-羟基，乙酰氧基和酮羰基。仅当C12乙酰氧基衍生物8用作底物且D2（R）作为导向基团时，位点选择性才会丧失，从而产生8-a（34%）和8-b（45%；条目3a）的混合物；然而，用D3（R）代替D2（R）仅产生8-b（66%）（条目3c）。戊烷衍生物10在羟基化时显示出类似的位点选择性，然而，与其齐墩果烷对应物9的反应相比，22α-ol产物（10-b）的产率在R配置的导向基团（条目5a和5c）存在下大大增加（65%和94%）。 甘草次酸衍生物11和12具有类似的齐墩果烷骨架，但在C30具有醛基官能团，因此可经受本羟基化步骤。R构型的导向基团，即D2（R）和D3（R），导致C19的位点选择性羟基化，仅得到19β-ol 11-b/12-b（42~67%；条目6a/7a和6c/7c）。S构型的导向基团，即D2（S）和D3（S），仅在C21处产生羟基化，得到21β-醇11-a/12-a，产率更高（62~89%；条目6b/7b和6d/7d）。 以具有不同C/D环连接和在α取向的C29处的醛官能团的雷公藤红素衍生物13作为底物。羟基化仅在C21发生，与导向基团的手性无关，以高收率提供了21α-ol 13 -a（47％至80％；条目8a-d）。导向基团的手性确实影响了13-a的产率，其中S-构型的导向基团更有利于羟基化。 接下来，作者研究了具有反式稠合五元E环的羽扇豆烷衍生物，即C28-醛14作为底物。羟基化仅在C16发生以提供14-a。值得注意的是，14-a以几乎定量的产率获得，其中S-构型的胺D2（S）和D3（S）作为导向基团（~97%；条目9b和9d），而用R-构型的胺D2（R）和D3（R）（53%和75%；条目9b和9d）以较低的产率获得。 最后，作者研究了甾体Δ6-i-二烯17酮15，据报道它是羟基化的较差的底物；在这里采用的条件下，12β-醇15-a仅以2%的收率获得，或用Cu（MeCN）4PF6代替Cu（OTf）2，用非手性（吡啶-2-基）甲烷-1-胺（D1）作为导向基团，产率为40%。在反应中应用本方法的手性胺，化合物15干净地转化为15-a，在D2（S）存在下（条目10b），最佳分离收率为66%（回收率为34%）。 上述转化的显着特征就是能与多环骨架上的各种官能团的相容性，包括羟基，甲硅烷基醚，乙酰基，烯烃，酮和烯酮基团。因此，可以容易地制备各种PT中间体并用于进一步精制成复杂的天然PT及其衍生物。在此，成功合成了三种代表性的天然齐墩果烷糖苷（1-3），它们在C16或C22处带有羟基，在C16，C21和C22处带有羟基的邻苯二酚C（4）。 ２、代表性PT皂苷1-3的合成 齐墩果烷3-O-糖苷1-3是中药植物的次要成分，每个成分在齐墩果烷骨架上都包含一个额外的羟基，即分别为16β-OH，16α-OH和22α-OH。柴胡皂苷 E（1）具有抗肿瘤和抗病毒活性，是柴胡（柴胡根）的生物标志物，也是一种常用的中药。皂苷2已从Albizia inundata和A.anthelmintica中分离出来，显示出有效的抗肿瘤活性。可可碱 I（3）是从地肤子的果实中分离出来的，主要用作止痒剂。 图4：合成应用 这些天然PT糖苷的合成开始于扩大6的位点选择性羟基化，其易于由齐墩果酸来分两步制备（86%收率）（图4）。没有优化先前条件的情况中，在D2（S）存在下6的克级规模羟基化得到的16β-ol 6-a作为唯一的异构体，产率为60%；使用D2（R）提供22α-ol 6-b产率为45%，再次为唯一的异构体。6-a和6-b的易得性确保了后续的转换。因此，用LiAlH4还原醛6-a，然后NBS诱导分子内醚化，得到相应的12-溴-13,28-醚，其在DBU的作用下经历消除，得到烯烃16（93%，三步）。16-OH的乙酰化，然后除去3-O-甲硅烷基，得到所需的糖苷配基17（72%）。17与易得的二糖亚胺酸酯18（补充图4）的缩合在TBSOTf的促进下顺利进行；然后将所得糖苷用MeOH中的KOH全面除去酰基，得到柴胡皂苷E（1），（73%，两步）。 或将醛6-a进行Pinnick氧化和随后的苄基化，得到酯19（84%）。将在C16处带有β-OH的19暴露于Dess-Martin periodinane（DMP试剂），得到相应的C16酮，将其用NaBH4在乙醇中还原，得到必需的16α-ol 20作为主要产物（74%），以及16β-醇异构体19（14%）43。将羟基掩蔽为乙酰酯，然后除去3-O-甲硅烷基，得到糖苷配基21（61%）。在三氟甲磺酸的催化下用二糖亚胺酸酯22糖基化21，得到偶联的二糖23（81%）44。拆分23中的N-邻苯二甲酰基，将得到的胺乙酰化，得到24（两步产率86%）。最后，苄基酯的连续氢解和乙酸盐（NaOMe，MeOH/THF）的裂解产生albizia 皂苷 2（两步84%）。 在上述合成中使用的类似转化之后，通过Pinnick氧化和随后的苄基化将醛6-b转化为酯25（81%）。除去22α-OH的乙酰化和25中3-O-甲硅烷基得到所需的糖苷配基26（两步中79%）。在NIS和TMSOTf的促进下26与硫代糖苷27的缩合产生糖苷28（89%）。然后将28中的葡萄糖残基分三步（59%）转化为葡糖醛酸单元，即用BH3/Cu（OTf）2区域选择性地打开4,6-O-亚苄基，用TEMPO/BAIB氧化所得的6-OH，并用BnBr形成酯。最后，通过Pd/C氢解裂解苄基，然后用NaOMe的MeOH溶液除去酰基，得到kochianoside I（3）（两步79%）。 3、巴灵芝醇 C（4）的合成 从毛茛科植物中分离到巴灵芝醇C（4），显示出强大的抗炎、抗肿瘤和抗菌活性。在D环和E环上代表一个典型的含PT羟基，巴灵芝醇 C（4）成了检验目前在D/E环上引入羟基的方法学的一个目标。 图5：合成应用 因此，在D2（R）存在下通过当前羟基化引入的6-b中的22α-OH被消除，得到Δ21,22衍生物 3（72%）（图5）。化合物30经28-醛还原及随后之环氧化以提供β-环氧化物31（经两步87%）。然后，将28个羟基转化为醛，得到32个作为第二位选择性羟基化的底物。在标准条件下，以D2（S）为导向基团，得到了理想的16β-ol33，产率为68%，环氧化合物保持完好。16-羟基的成功引入为进一步转化为天然产物奠定了基础。事实上，28-醛转化成酯，16β-OH构型的反转，以及16α-OH的乙酰化反应得到了36（5个步骤75%）。在甲苯水溶液中BF3·OEt2的作用下，通过16α-O-乙酰基介导的6-外显式水解，选择性地打开36中的21,22-β-环氧化合物，得到21β，22α-二醇37（84%）。最后，除去3-O-TBS基团并将28酯还原为乙醇，同时裂解16-O-乙酰基，提供了巴灵芝醇C（4）（92%）外的条件。 //总结 用Schönecker和Baran的Cu介导的好氧氧化法在PTs的D/E环上实现了位置选择性C–H羟基化，其位置选择性受过渡吡啶亚胺基的手性控制。因此，将16β-ol/22α-ol或19β-ol/21β-ol引入齐墩果烷/乌苏烷骨架已成为一种方便的做法，可从相应的C28-或C30醛（即5-12）中获得，并且这些醛很容易从丰富的原料（如齐墩果酸、熊果酸和甘草次酸）中提取。在氟丁烷型C29-醛（即13）或羽扇豆烷C28-醛（即14）的羟基化反应中，导向基团手性的影响也很明显，其中不涉及区域选择性；当使用匹配的胺对映体时，相应的21α-ol产物（13-a）或16β-ol（14-a）的产率显著提高。除了导向基团的瞬时性质外，与各种官能团的良好相容性使本方法能够应用于制备可进一步转化的高级PTs衍生物。从药用植物中提取的3种具有生物活性的齐墩果酸苷（1-3），分别含有16β-OH、16α-OH或22α-OH。此外，在一对手性胺的引导下，成功地进行了顺序羟基化反应，合成了具有16，21，22-OHs特征性的巴灵芝醇C（4）。现有的PTs A/B环功能化方法，为从丰富的原料向高度多样化的天然PTs铺平了道路，因此对PTs进行深入的药物研究将成为未来可行的项目。 //原文信息 本文于2020年9月1日在线发表于《Nature》，第一作者为Tong Mu，通讯作者为：Biao Yu，通讯单位为中国科学院大学杭州高等研究院化学与材料科学学院 原文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-020-18138-9#Sec11
