Полный синтез стрихнина в химии описывает полный синтез сложной биомолекулы стрихнина . Первый сообщенный метод группой Роберта Бернса Вудворда в 1954 году считается классическим в этой области исследований. [2] [3] [4] [5]
В то время это стало естественным завершением сложного процесса выяснения молекулярной структуры , который начался с выделения стрихнина из бобов Strychnos ignatii Пьером Жозефом Пеллетье и Жозефом Бьенеме Каванту в 1818 году. [6] Основными участниками всех усилий были сэр Роберт Робинсон с более чем 250 публикациями и Герман Лейхс с еще 125 статьями за 40 лет. Робинсон был удостоен Нобелевской премии по химии в 1947 году за свою работу по алкалоидам, включая стрихнин.
Процесс химической идентификации был завершен публикациями Робинсона в 1946 году [7] [8] [9] и позднее подтвержден Вудвордом в 1947 году [10]. Рентгеновские структуры, устанавливающие абсолютную конфигурацию, стали доступны между 1947 и 1951 годами благодаря публикациям Йоханнеса Мартина Бийвота [11] [12] и Дж. Х. Робертсона [13] [14].
Вудворд опубликовал очень краткий отчет о синтезе стрихнина в 1954 году (всего 3 страницы) [15] и пространный отчет (42 страницы) в 1963 году. [16]
Существует гораздо больше методов, о которых сообщают исследовательские группы Магнуса, [17] Овермана, [18] Кюне, [19] [20] Равала, [21] Боша, [22] [23] Фоллхардта, [24] [25] Мори, [26] [27] Шибасаки, [28] Ли, [29] Фукуямы [30] Вандервала [31] и Макмиллана. [32] Также известен синтетический (+)-стрихнин. [33] [34] Рацемические синтезы были опубликованы Падвой в 2007 году [35] и Андраде [36] и Рейссигом в 2010 году. [37] В своей публикации 1963 года Вудворд процитировал сэра Роберта Робинсона, который сказал [38] что по размеру молекул это самое сложное из известных веществ .
Молекула стрихнина C 21 H 22 N 2 O 2 содержит 7 колец, включая индолиновую систему. Она имеет третичную аминогруппу , амидную , алкеновую и эфирную группы. Природное соединение также является хиральным с 6 асимметричными атомами углерода , включая один четвертичный.
Синтез кольца II был выполнен с помощью синтеза индола по Фишеру с использованием фенилгидразина 1 и производного ацетофенона ацетовератрона 2 (катализатор полифосфорная кислота ) с получением 2-вератрилиндола 3. Группа вератрила не только блокирует 2-положение для дальнейшего электрофильного замещения , но и станет частью скелета стрихнина. Реакция Манниха с формальдегидом и диметиламином ) дала грамин 4. Алкилирование иодметаном дало промежуточную четвертичную аммониевую соль , которая реагировала с цианидом натрия в нуклеофильном замещении до нитрила 5 , а затем в восстановлении с литийалюминийгидридом до триптамина 6. Амин-карбонильная конденсация с этилглиоксилатом дает имин 7 . Реакция этого имина с TsCl в пиридине с образованием замкнутого в кольцо N-тозильного соединения 8 была описана Вудвордом как согласованная нуклеофильная атака енамина и формально реакция Пикте-Шпенглера . Это соединение должно образовываться как диастереомерная пара , но было обнаружено только одно соединение, хотя какое именно, не исследовалось. Наконец, новообразованная двойная связь была восстановлена боргидридом натрия до индолина 9 с атомом водорода C8, приближающимся с наименее затрудненной стороны (этот протон удаляется позже в последовательности и не имеет значения).
Индолин 9 был ацетилирован до N-ацетильного соединения 10 ( уксусный ангидрид , пиридин ), а затем вератрильная группа была затем раскрыта с помощью озона в водной уксусной кислоте до муконового эфира 11 (что стало возможным благодаря двум электронно-донорным метоксидным группам). Это пример биоинспирированного синтеза, уже предложенного Вудвордом в 1948 году. [39] Расщепление ацетильной группы и гидролиз эфира с помощью HCl в метаноле привели к образованию пиридонового эфира 12 с дополнительной изомеризацией экзоциклической двойной связи в эндоциклическую двойную связь (разрушая один асимметричный центр). Последующая обработка иодистым водородом и красным фосфором удалила тозильную группу и гидролизовала обе оставшиеся эфирные группы с образованием дикислоты 13 . Ацетилирование и этерификация ( диазометан ) дали ацетилдиэфир 14 , который затем подвергли конденсации Дикмана с метилатом натрия в метаноле до енола 15 .
Для удаления спиртовой группы C15 енол 15 был преобразован в тозилат 16 ( TsCl , пиридин ), а затем в меркаптоэфир 17 (бензилмеркаптид натрия), который затем был восстановлен до ненасыщенного эфира 18 никелем Ренея и водородом . Дальнейшее восстановление водородом/ палладием на углероде дало насыщенный эфир 19. Гидролиз щелочного эфира до карбоновой кислоты 20 сопровождался эпимеризацией по C14.
Это конкретное соединение уже было известно из исследований деградации стрихнина. До сих пор все промежуточные продукты были рацемическими , но хиральность была введена на этой конкретной стадии посредством хирального разделения с использованием хинидина .
Затем атом углерода C20 был введен уксусным ангидридом с образованием ацетата енола 21 , а свободный аминокетон 22 был получен гидролизом соляной кислотой . Кольцо VII в промежуточном соединении 23 было закрыто окислением диоксидом селена , процессом, сопровождающимся повторной эпимеризацией в C14.
Образование 21 можно представить как последовательность ацилирования, депротонирования, перегруппировки с потерей диоксида углерода и снова ацилирования:
К дикетону 23 был добавлен ацетилид натрия ( алкинилирование ) (привнося атомы углерода 22 и 23), что дало алкин 24. Это соединение было восстановлено до аллилового спирта 25 с использованием катализатора Линдлара , а литийалюминийгидрид удалил оставшуюся амидную группу в 26. Аллильная перегруппировка в спирт 27 (изострихнин) была вызвана бромистым водородом в уксусной кислоте с последующим гидролизом серной кислотой . На последнем этапе для (−)-стрихнина 28 обработка 27 этанольным гидроксидом калия вызвала перегруппировку двойной связи C12-13 и замыкание кольца в сопряженном присоединении гидроксильным анионом.
В ходе этих усилий сначала был синтезирован один из многочисленных продуктов распада стрихнина (соединение реле), соединение, также доступное в несколько этапов из другого продукта распада, называемого альдегидом Виланда-Гумлиха . На последнем этапе сам стрихнин был синтезирован из соединения реле.
Синтез Овермана (1993) взял хиральное циклопентеновое соединение в качестве исходного материала, полученного ферментативным гидролизом цис -1,4-диацетоксициклопент-2-ена. Этот исходный материал был преобразован в несколько этапов в триалкилстаннан 2 , который затем был связан с арилиодидом 1 в реакции Стилле в присутствии оксида углерода ( трис(дибензилиденацетон)дипалладий(0) , трифениларсин ). Внутренний двойник в 3 был преобразован в эпоксид с использованием гидропероксида трет-бутила , затем карбонильная группа была преобразована в алкен в реакции Виттига с использованием Ph 3 P=CH 2 , а группа TIPS была гидролизована ( TBAF ) и заменена трифторацетамидной группой (NH 2 COCF 3 , NaH ) в 4 . Затем произошла циклизация (NaH), в результате которой эпоксидное кольцо раскрылось, а трифторацетильная группа была удалена с помощью KOH, что дало азабициклооктан 5 .
Ключевым этапом была аза - реакция Копа - Манниха, инициированная конденсацией амина и карбонила с использованием формальдегида и образованием 6 с количественным выходом:
В конечной последовательности стрихнин был получен через альдегид Виланда-Гумлиха ( 10 ):
Промежуточное соединение 6 ацилировали с использованием метилцианоформиата , и две защитные группы ( трет-бутил и ) удаляли с использованием HCl / MeOH в 7. Двойная связь C8C13 восстанавливалась цинком (MeOH/H + ) до насыщенного эфира 8 (смесь). Эпимеризация по C13 с метилатом натрия в MeOH давала бета-эфир 9 , который восстанавливался диизобутилалюминийгидридом до альдегида Виланда-Гумлиха 10. Превращение этого соединения с малоновой кислотой в (−)-стрихнин 11 уже было известно как процедура.
Синтез Кёне 1993 года касается рацемического стрихнина. Исходные соединения триптамин 1 и 4,4-диметоксиакролеин 2 были подвергнуты реакции вместе с трифторидом бора с образованием ацеталя 3 в виде одного диастереомера в последовательности конденсации амина-карбонильной группы / сигматропной перегруппировки .
Гидролиз с хлорной кислотой дал альдегид 4. Реакция Джонсона -Кори-Чайковского ( триметилсульфоний иодид / н-бутиллитий ) превратила альдегид в эпоксид , который реагировал in situ с третичным амином до аммониевой соли 5 (загрязненной другими продуктами циклизации). Восстановление ( палладий на углероде / водород ) удалило бензильную группу до спирта 6 , дальнейшее восстановление ( цианоборогидрид натрия ) и ацилирование ( уксусный ангидрид / пиридин ) дало 7 в виде смеси эпимеров (по C17). Затем замыкание кольца III в 8 было достигнуто с помощью альдольной реакции с использованием бис(триметилсилил)амида лития (используя только эпимер с правильной конфигурацией). Еще большее восстановление ( борогидрид натрия ) и ацилирование привели к эпимерному диацетату 9 .
Реакция элиминирования, опосредованная DBU , образует олефиновый спирт 10 , а последующее окисление Сверна приводит к образованию нестабильного аминокетона 11. На последних этапах реакция Хорнера-Уодсворта-Эммонса ( метил 2-(диэтилфосфоно)ацетат ) дает акрилатный эфир 12 в виде смеси цис- и транс-изомеров , которые могут быть переведены в правильное (транс) направление путем применения света в фотохимической перегруппировке, эфирная группа восстанавливается ( DIBAL / трифторид бора ) до изострихнина 13 , а рацемический стрихнин 14 образуется в результате замыкания кольца, катализируемого основанием, как в синтезе Вудворда.
В синтезе хирального (−)-стрихнина, проведенном Кёне в 1998 году, исходным материалом был хиральный триптофан .
В синтезе Равала (1994, рацемический) амин 1 и енон 2 были объединены в конденсации амина-карбонильной группы с последующим гашением метилхлорформиатом до триена 3 , который затем реагировал в реакции Дильса-Альдера (бензол 185 °C) до гексена 4. Три сложноэфирные группы были гидролизованы с использованием иодотриметилсилана, образуя пентациклический лактам 5 после гашения метанолом в комбинации из 7 стадий реакции (одна из них конденсация Дикмана ). Сегмент C 4 6 был добавлен в алкилировании амина , а реакция Хека 7 образовала изострихнин 8 после снятия защиты TBS.
Общий выход (10%) на сегодняшний день является самым большим из всех опубликованных методов [40]
В синтезе Боша (1999, хиральный) олефиновая группа в дионе 1 была преобразована в альдегид путем озонолиза , и хиральный амин 2 был образован в двойном восстановительном аминировании с ( S )-1- фенэтиламином . Фенилэтильный заместитель был удален с использованием ClCO2CHClCH3 , а енонная группа была введена в элиминацию Грико с использованием TMSI , HMDS, затем PhSeCl, затем озона и затем диизопропиламина, образуя карбамат 3. Аминогруппу сняли защитой путем кипячения в метаноле, а затем алкилировали с использованием ( Z )-BrCH2CICH = CH2OTBDMS до третичного амина 4. Затем произошла восстановительная реакция Хека с последующим метоксикарбонилированием (LiHMDS, NCCO2Me ) до трицикла 5 . Реакция с цинковой пылью в 10% серной кислоте удалила защитную группу TBDMS , восстановила нитрогруппу и привела к восстановительной аминокарбонильной циклизации в один шаг до тетрациклического 6 (эпимерная смесь). На последнем шаге реакция альдегида Виланда-Гумлиха 7 с NaH в MeOH дала правильный эпимер, за которым последовало восстановление метилового эфира DIBAH .
Ключевой реакцией в синтезе Фолльхардта (2000, рацемический) была алкиновая тримеризация производного триптамина 1 с ацетиленом и органокобальтовым соединением CpCo(C 2 H 4 ) 2 (ТГФ, 0 °C) в трицикл 2 после снятия защиты аминогруппы (конденсация MeOH/H 2 O). Последующая реакция с нитратом железа привела к присоединению [1,8] -конъюгата к тетрациклу 3 , алкилированию амина с ( Z )-1-бром - 4-[(трет-бутилдиметилсилил)окси]-2-иодбут-2-еном (см. синтез Равала) и карбонатом лития , а также изомеризации диеновой системы (NaOiPr, iPrOH) с образованием енона 4 . Реакция Хека, как и в синтезе Равала ( ацетат палладия / трифенилфосфин ), сопровождающаяся ароматизацией, приводит к образованию пиридона 5 , а восстановление алюмогидрида лития и снятие защиты группы TBS приводит к образованию изострихнина 6 .
Синтез Мори ((-) хиральный, 2003) был первым, содержащим асимметричный этап реакции . Он также включает большое количество реакций, катализируемых Pd. В нем N-тозиламин 1 реагировал с аллилкарбонатом 2 в аллильной асимметричной замене с использованием Pd 2 (dba) 3 и асимметричного лиганда (S-BINAPO) на хиральный вторичный амин 3. Затем происходило десилилирование группы TBDMS с помощью HCl до гидроксида , а затем до нитрила 4 ( NaCN ) через бромид ( PBr 3 ). Реакция Хека ( Pd(OAc) 2 / Me 2 PPh ) и дебромирование ( Ag 2 CO 3 ) давали трицикл 5 . Восстановление нитрила LiALH 4 до амина и его защита Boc 2 O до бок-амина 6 сопровождалось вторым аллильным окислением ( Pd(OAc) 2 / AcOH / бензохинон / MnO 2 ) до тетрацикла 7. Гидроборирование-окисление ( 9-BBN / H 2 O 2 ) дало спирт 8 и последующее окисление по Сверну кетон 9. Реакция с LDA / PhNTf2 дала енолтрифлат 10 , а трифлатная группа была удалена в алкене 11 реакцией с Pd(OAc) 2 и PPh 3 .
Детозилирование 11 ( нафталинида натрия ) и амидирование хлоридом кислоты 3-бромакрилоилхлоридом дало амид 12 , а другая реакция Хека дала пентацикл 13. Изомеризация двойной связи ( натрий / iPrOH ), снятие защиты группы Boc ( трифторметансульфоновая кислота ) и алкилирование амина с помощью (Z)-BrCH2CICH = CH2OTBDMS ( см. Равал) дали соединение 14 (идентичное одному из промежуточных соединений Фолльхардта). Конечная реакция Хека ( 15 ) и снятие защиты с помощью TBDMS образовали (−)-изострихнин 16 .
Синтез Шибасаки ((-) хиральный, 2002) был вторым опубликованным методом полного синтеза стрихнина с использованием асимметричной стадии реакции . Циклогексенон 1 реагировал с диметилмалонатом 2 в асимметричной реакции Михаэля с использованием AlLibis(бинафтоксида) для образования хирального диэфира 3. Его кетонную группу защищали как ацеталь (2-этил-2-метил-1,3-диоксолан, TsOH ), а карбоксильную группу удаляли ( LiCl , ДМСО 140 °C) в моноэфире 4. Фрагмент C2 добавляли как амид Вайнреба 5 для образования эфира PMB 6 с использованием LDA . Затем кетон восстанавливали до спирта ( NaBH3CN , TiCl4 ) , а затем удаляли воду ( DCC , CuCl ) для образования алкена 7 . После восстановления эфира ( DIBAL ) до спирта и его защиты TIPS (TIPSOTf, триэтиламин ) ацетальная группа была удалена (каталитический CSA ) в кетоне 8. Затем путем окисления Саегусы был образован енон 9. Превращение в спирт 10 было достигнуто посредством альдольного присоединения Мукаямы с использованием формальдегида , за иодонированием до 11 ( йод , DMAP ) последовало сочетание Стилле ( Pd2dba3 , Ph3As , CuI ) , включающее нитробензольное звено 12. Спирт 13 был образован после защиты SEM ( SEMCl,i-Pr2NEt) и удаления TIPS ( HF ).
Во второй части последовательности спирт 13 был преобразован в трифлат ( трифторангидрид , N , N -диизопропилэтиламин ), затем был добавлен 2,2-бис(этилтио)этиламин 14 , за которым немедленно последовал цинковый порошок, устанавливая тандемную реакцию с восстановлением нитрогруппы до амина, 1,4-присоединением тио-аминной группы и амин-кетоконденсацией до индола 16. Реакция с ДМТСФ дала атаку тиония на C7, образовав 17 , затем иминная группа была восстановлена ( NaBH3CN , TiCl4 ), новая аминогруппа ацилирована ( уксусный ангидрид , пиридин ) , обе защитные группы спирта были удалены ( NaOMe / meOH ), а группа аллилового спирта была снова защищена (TIPS). Это позволило удалить этилтиогруппу ( NiCl2 , NaBH4 , EtOH/MeOH) до 18 . Спирт окисляли до альдегида с использованием окисления Париха-Деринга , а удаление группы TIPS дало полуацеталь 19, называемый (+)-диаболином, который представляет собой ацилированный альдегид Виланда-Гумлиха .
Синтез, представленный Бодвеллом/Ли (рацемический, 2002), был формальным синтезом , поскольку он производил соединение, уже полученное Равалем (№ 5 в синтезе Равала). Ключевым шагом была обратная реакция Дильса-Альдера с электронным спросом циклофана 1 путем нагревания в N , N -диэтиланилине (вытесняется диазот) с последующим восстановлением двойной связи в 2 до 3 боргидридом натрия / трифторметановой кислотой и удалением защитной группы карбамата ( PDC / целит ) до 4 .
Метод оспаривается Рейссигом (см. Синтез Рейссига).
Синтез Фукуямы (хиральный (-), 2004) начался с циклического амина 1. Хиральность была в какой-то момент введена в этот исходный материал путем ферментативного разделения одного из предшественников. Ацилоин 2 был образован путем окисления и гидролиза Руботтома. Окислительное расщепление ацетатом свинца образовало альдегид 3 , удаление нозильной группы ( тиофенол / карбонат цезия ) вызвало конденсацию амина и карбонильной группы с иминиевым ионом 4, продолжающим реагировать в трансаннулярной циклизации до диэфира 5 , который можно было преобразовать в альдегид Виланда-Гумлиха с помощью известной химии.
Метод, описанный Beemelmanns & Reissig (рацемический, 2010), является еще одним формальным синтезом, ведущим к пентациклу Равала (см. амин 5 в методе Равала). В этом методе индол 1 был преобразован в тетрацикл 2 (вместе с побочным продуктом) в одной каскадной реакции с использованием дииодида самария и HMPA . [41] Восстановление никелем Ренея / H 2 дало амин 3 , а однореакторная реакция с использованием метилхлорформиата , DMAP и TEA, затем MsCl , DMAP и TEA , а затем DBU дала предшественник Равала 4 с ключевыми атомами водорода в желаемой анти-конфигурации.
В прерванном пути промежуточное соединение 2 сначала было восстановлено до имина 5 , затем преобразовано в карбамат 6 , затем дегидратировано до диена 7 ( реагент Берджесса ) и, наконец, восстановлено до 8 ( цианоборогидрид натрия ). Атомы водорода в 8 находятся в нежелательном цис-соотношении, что противоречит результатам, полученным в 2002 году Бодвеллом/Ли для той же реакции.
В 2011 году группа Вандервала сообщила о краткой, самой длинной линейной последовательности из 6 шагов, полном синтезе стрихнина. [42] Он включал альдегид цинка , за которым следовала реакция анионной бициклизации и тандемная перегруппировка Брука / присоединение сопряжения .