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1929年英國的細(xì)菌學(xué)研究專家Alexander Fleming在培養(yǎng)細(xì)菌時偶然注意到，從空氣中落入培養(yǎng)基的青霉菌形成的菌落可以抑制細(xì)菌的生長，最早的抗生素——青霉素由此得以發(fā)現(xiàn)。隨后在第二次世界大戰(zhàn)期間，F(xiàn)leming與其他人合作成功提取出青霉素用于治療戰(zhàn)場負(fù)傷引起的細(xì)菌感染，自此抗生素開始投入使用。隨著相關(guān)研究的不斷發(fā)展，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)不同種類的抗生素，用于對抗多種病原體（細(xì)菌、真菌等）帶來的健康問題，與此同時還實現(xiàn)了抗生素的人工合成。然而，抗生素在臨床上的累積使用會逐漸誘發(fā)病原體產(chǎn)生耐受性，甚至導(dǎo)致耐多藥的“超級細(xì)菌”出現(xiàn)。對原始的抗生素進(jìn)行適當(dāng)改造或開發(fā)新型的抗生素，在應(yīng)對感染性疾病的治療中便顯得尤為重要。

截短側(cè)耳素類抗生素（pleuromutilin）是一種雙萜類真菌代謝產(chǎn)物，人們早在20世紀(jì)50年代初期便發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)具有抗病原微生物活性，用于抑制革蘭氏陽性病原體（GPPs）時具有顯著的效果。自此，人們便發(fā)展了半合成的方法研發(fā)出數(shù)千種pleuromutilin衍生物，以此改善母體pleuromutilin的藥理特性。然而(+)-pleuromutilin中稠合的三環(huán)骨架為藥理活性位點(diǎn)，以往的半合成策略主要集中于改變分子中單一位置的官能團(tuán)。例如，人們目前已完成了超過3000種C14位側(cè)鏈修飾的pleuromutilin衍生物，而對該分子較大程度的改變僅可以通過全合成的方法實現(xiàn)，但目前為止尚無有效的全合成途徑。另一方面，盡管臨床醫(yī)學(xué)已在革蘭氏陽性病原體的治療中取得了可喜的成績，但面對大腸桿菌、銅綠假單孢菌等革蘭氏陰性病原體（GNPs）仍舊力不從心。已有的大多數(shù)C14位側(cè)鏈修飾的pleuromutilin抗生素同樣僅對革蘭氏陽性病原體具有明顯的活性。1986年，Heinz Berner等人通過EtZnI參與的逆烯丙基化-烯丙基化反應(yīng)可以使pleuromutilin中C12位的季碳中心發(fā)生差向異構(gòu)化，得到C12位1:1的差向異構(gòu)體混合物。基于這一發(fā)現(xiàn)，2015年Nabriva Therapeutics的研究人員將母體pleuromutilin的另一C12位差向異構(gòu)衍生物的C=C雙鍵進(jìn)行官能團(tuán)化修飾，得到一系列具有廣譜抗菌活性的12-epi-pleuromutilin，這些化合物表現(xiàn)出對各種革蘭氏陰性病原體有效的抑制活性。尋找高效的pleuromutilin全合成策略，突破pleuromutilin半合成改性的固有局限成為人們關(guān)注的問題。

圖１. 母體pleuromutilin及12-epi-pleuromutilin的結(jié)構(gòu)。圖片來源：Science

最近，耶魯大學(xué)的Seth B. Herzon教授及其團(tuán)隊發(fā)展了一種模塊化合成途徑，以簡單的原料環(huán)己烯酮（9）出發(fā)，通過關(guān)鍵的烯酰胺中間體7與新戊碘8發(fā)生后期開環(huán)-環(huán)化反應(yīng)，分別高對映選擇性地得到(+)-pleuromutilin的C12位差向異構(gòu)的衍生物(+)-12-epi-mutilin（4）與(+)-11,12-di-epi-mutilin（26），相關(guān)成果發(fā)表在Science 上。

圖2. 12-epi-pleuromutilin的合成思路。圖片來源：Science

Herzon教授設(shè)計的合成路線如下，為了合成關(guān)鍵的烯酰胺中間體7，他們設(shè)計了不對稱Michael共軛加成C-酰化策略，環(huán)己烯酮（9）在Cu(OTf)2與手性配體L*的催化條件下，與Zn(CH3)2發(fā)生對映選擇性1,4-加成，基于烯醇酸鋅獨(dú)特的反應(yīng)活性，得到的鋅物種經(jīng)CH3Li原位活化，并與CH3OC(O)CN反應(yīng)得到C-酰化的β-酮酯產(chǎn)物，伴隨著進(jìn)一步非對映選擇性α-甲基化反應(yīng)，以兩步71%的產(chǎn)率得到10（> 20: 1 dr, 97: 3 er）。10在非親核性堿KHMDS存在的條件下發(fā)生羰基α-位攫氫，互變異構(gòu)后利用PhNTf2捕獲得到三氟甲磺酸乙烯酯11（88％）。11經(jīng)Pd催化的羰基-乙烯基串聯(lián)插入轉(zhuǎn)化為二烯酮12（83％），并在Cu(OTf)2的作用下發(fā)生Nazarov環(huán)化形成氫化茚酮13（88％）。隨后他們使用Et2AlCN對13進(jìn)行共軛加成得到C9位3:1的差向異構(gòu)混合物，副產(chǎn)物可以使用DIBAL-H原位選擇性還原，并用稀NaOH溶液處理發(fā)生C4位立體中心定量反轉(zhuǎn)，最終得到單一的順式二氫茚酮15（以13計算產(chǎn)率為65％），其中15的相對構(gòu)型通過X-射線單晶衍射加以證實。接下來作者利用(TMSOCH2)2對酮羰基進(jìn)行保護(hù)得到16（84%）。由于氰基與酯基具有相似的反應(yīng)活性，實現(xiàn)氰基的選擇性官能團(tuán)化成為合成中的難點(diǎn)，最終作者發(fā)現(xiàn)16在過量的CH3Li存在下與Boc2O反應(yīng)得到烯酰胺中間體7（80%）。該串聯(lián)過程可能涉及CH3Li對氰基親核加成后得到相應(yīng)的鋰化物種17，隨后分子內(nèi)環(huán)化、去質(zhì)子化形成18。另一偶聯(lián)試劑新戊碘8則是通過PMBOCH2Cl對手性的巴豆酰胺19進(jìn)行對映選擇性α-烷基化得到中間體20（60％, 7:1 dr），隨后LiAlH4還原酰胺（71%）并發(fā)生脫氧碘代（74%）制備得到。

圖3. 烯酰胺中間體7與新戊碘8的合成。圖片來源：Science

作者進(jìn)一步設(shè)計烯酰胺中間體7與新戊碘8的偶聯(lián)過程，8在t-BuLi存在的條件下發(fā)生鋰-鹵交換，得到的有機(jī)鋰物種與7反應(yīng)，加入稀酸水解發(fā)生開環(huán)得到甲基酮21（48%）。兩組新戊基片段得以成功偶聯(lián)的關(guān)鍵在于，構(gòu)建的環(huán)狀酰胺可以活化C14位的羰基，并減小兩分子間的空間排斥。接下來21在堿的誘導(dǎo)下與乙烯基三氟甲磺酸酯（Cornins' reagent）作用并脫水得到炔22（81%）。22消除對甲氧基芐基保護(hù)基，并在Dess-Martin試劑的氧化條件下以兩步83%的收率得到炔基醛23。接下來他們設(shè)想通過還原環(huán)化的方式利用炔基醛23來構(gòu)建目標(biāo)分子中的八元環(huán)，將Ni(cod)2與氮雜環(huán)卡賓前體IPr混合，在Et3SiH的存在條件下順利實現(xiàn)了這一過程。從理論上講，利用醛與炔通過該方式合成中等環(huán)系會受到反應(yīng)動力學(xué)的不利影響，但該反應(yīng)得以成功的條件在于23中其他兩組稠合環(huán)的剛性束縛可以降低環(huán)化后產(chǎn)生的熵?fù)p失；另一方面，烯丙醇產(chǎn)物24中C10與C14位的碳原子為sp2雜化，可以減小八元環(huán)產(chǎn)生的跨環(huán)非鍵相互作用。形成的烯丙基硅基醚為單一非對映異構(gòu)體，經(jīng)TBAF消除硅烷保護(hù)得到烯丙基醇24（60％, > 20: 1 dr, > 20: 1 rr）。

圖4. (+)-12-epi-mutilin和(+)-11,12-di-epi-mutilin的合成。圖片來源：Science

隨后他們利用Dess-Martin試劑氧化烯丙醇24，SmI2對烯酮中間體立體選擇性還原以兩步98%的產(chǎn)率得到25（C10位> 20: 1 dr），其中25的絕對立體化學(xué)通過X射線單晶衍射加以證實。作者又使用過量的Na對二酮25進(jìn)行單電子還原（C14位的e: a > 20: 1，C11位的e: a = 3: 1），縮酮水解后分別得到(+)-12-epi-mutilin（4）和(+)-11,12-di-epi-mutilin（26）。以上過程同樣可以實現(xiàn)分步還原轉(zhuǎn)化。其中產(chǎn)物4經(jīng)進(jìn)一步官能團(tuán)轉(zhuǎn)化可分別得到(+)-12-epi-pleuromutilin（29）、O-trityl-12-epi-pleuromutilin（30）等其他pleuromutilin衍生物。

圖5. (+)-12-epi-mutilin的進(jìn)一步衍生化。圖片來源：Science

——總結(jié)——

Herzon教授及其團(tuán)隊設(shè)計的抗生素pleuromutilin及其衍生物的全合成路線具有深遠(yuǎn)的意義，為此他提到自己從2008年起便開始從事相關(guān)課題的研究，屢敗屢戰(zhàn)，在鍥而不舍的努力下終于得以攻克這一難題。縱觀藥物研究的發(fā)展歷史，人們在投入新型抗生素的開發(fā)中長期得不到豐厚的回報，致使一大批制藥公司舍棄了相關(guān)領(lǐng)域，抵御耐藥性的研究一直得不到突破性的進(jìn)展。本文的研究則打破了以往無法實現(xiàn)pleuromutilin及其衍生物全合成的壁壘，在實驗室中便可以通過簡單的商品化原料來制備。Herzon教授表示他們將繼續(xù)優(yōu)化其合成路線，與此同時對所得不同pleuromutilin衍生物進(jìn)行藥物活性測試，如果相關(guān)研究可以順利進(jìn)行，他們還會將開發(fā)的新型化合物繼續(xù)推向臨床水平測試，以期推動抗生素新藥的蓬勃發(fā)展。