Baran组全合成JACS：抗生素Dynobactin A的首次全合成-CBG资讯-科易网技术创新

Baran组全合成JACS：抗生素Dynobactin A的首次全合成

化学技术生物技术

CBG资讯 2024-03-27 261

导读

最近，美国斯克利普斯研究所Phil S. Baran课题组报道了强效抗生素dynobactin A的首次全合成（LLS 16步）。该研究工作以呋喃基和对溴苯基作为天然产物中最敏感一级酰胺和对苯酚替代物，利用氮杂环丙烷开环策略构建两个独立的β-芳基氨基酸片段，实现dynobactin A的汇聚式全合成。相关研究成果发表在近期的《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.3c11560）。

背景介绍和逆合成分析（Figure 1）

天然产物darobactin A（1）和dynobactin A（2）是最近发现的两个低细胞毒性抗生素（Figure 1），对革兰氏阴性菌表现出强效抗菌活性，能通过突变避开细菌耐药性。两个天然产物都以BamA蛋白为靶点，BamA蛋白是BAM复合物中的一种细菌插入酶，能促进革兰氏阴性菌外膜蛋白的折叠和插入。相比稠合双环七肽分子1，dynobactin A（2）是由两个大环通过肽键连接起来的非稠合双环十肽分子。这种非稠合双环结构赋予dynobactin A更大的分子柔性和额外的离子电离位点，使其水溶性是分子1的20倍以上。此外，2中的C21位、C39位立体中心构建难度极大。总之，dynobactin A（2）具有的复杂生物活性和独特分子结构，使其合成极具挑战性。

Phil S. Baran课题组和David Sarlah课题组曾在2022年同时报道了darobactin A（1）的全合成（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 14458−14462; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 14026−14030）。最近，Phil S. Baran课题组进一步完成了十肽天然产物dynobactin A（2）的首次全合成。其逆合成分析如Figure 1所示：氮杂环丙烷化合物7和2-甲基四氢呋喃反应生成β-支链氨基酸6，6和天冬酰胺-丝氨酸二肽（Asn-Ser）、炔烃片段5偶联，并经Larock大环化构建吲哚环，得到西侧片段3；氮杂环丙烷化合物9和咪唑化合物发生开环反应，再和组氨酸（His）、丝氨酸（Ser）偶联，生成东侧片段4；两个大环片段3和4通过缬氨酸（Val）连接，接着偶联精氨酸（Arg）和苯丙氨酸（Phe），最终得到天然产物dynobactin A（2）。

（Figure 1, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

Dynobactin A的全合成（Figure 2、Scheme 1）

为了实现dynobactin A的全合成，首先要合成AA片段6和9（β-branched amino acid），为此作者开展了大量AA合成策略尝试。如Figure 2所示，西侧片段或东侧片段的A-D四种合成策略，都未能实现AA片段的理想合成。为了合成西侧片段，作者尝试了亲核性烯醇化物和环氧化物间的开环反应（A策略），但所得开环产物β-立体中心在后续反应中会发生异构化。为了合成东侧片段，作者尝试了三种策略但均不理想：1）咪唑片段和β-卤代酪氨酸发生亲核取代反应（B策略），易发生消除生成不饱和脱氢氨基酸或发生底物降解；2）咪唑片段和酪氨酸衍生的醌化合物发生仿生分子内环化反应（C策略），易发生底物异构化或降解；3）组氨酸上咪唑片段和N-酰基氮杂环丙烷发生开环反应（D策略），受酰基氮杂环丙烷的“扭曲酰胺”特征影响，易发生丝氨酸ɑ-位立体中心异构化或消除等副反应。

（Figure 2, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（图 1 in SI, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（图 2 in SI, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

理论上来说，为了实现氮杂环丙烷的顺利开环，需要利用吸电子基团（例如对甲苯磺酰基）活化氮原子，但活化基团的引入会带来额外的合成难题，且活化基团的后期脱除也存在问题。为此，作者认为氨基无保护基的氮杂环丙烷，可能是更合理和更高效的底物选择。基于此，对于关键的氮杂环丙烷开环反应，作者开展了如图1 in SI所示模板反应研究（详见SI），结果显示酸、溶剂和咪唑环C5位所带基团对反应影响很大（5-Br-Imi.>5-I-Imi.>5-Me-Imi.）。其中5-Br-Imi.作底物时，主要副产物氮杂环丙烷二聚杂质最少，所得产物产率最高。如Table 1 in Scheme 1a所示，模板反应所得条件和结论也适用于组氨酸（His）底物。氮杂环丙烷9和5-Br-His 11的反应比和5-H-His 10的反应所得产物产率更高（65% vs 18%）。对于这一现象，作者认为在开环反应中，氮杂环丙烷和亲核试剂间的质子解离平衡会影响产物和二聚杂质比率，底物间的pKa差距过小会导致二聚体杂质增多（图2 in SI）。开环反应所得产物在Zn/AcOH条件下还原脱去咪唑环C5位溴，得到产物8。8和丝氨酸（Ser）偶联，然后用TBAF脱去Fmoc和TES保护基，接着在筛选出的PyAOP/HOAt酰胺化条件下实现关环，即可得到东侧片段4。

西侧片段3的合成则采用了如Scheme 1b所示路线：氮杂环丙烷7和2-甲基呋喃发生开环反应，生成中间体6；6先和天冬酰胺-丝氨酸二肽13（Asn-Ser）偶联，再和炔烃5偶联，得到产物14；14经钯催化Larock大环化反应，构建吲哚环，得到17环产物15（未发现阻转异构化）；15经RuCl₃/NaIO₄氧化和酰胺化，将2-甲基呋喃片段转化成所需一级酰胺片段，再经酯水解反应得到西侧片段3。利用2-甲基呋喃片段作一级酰胺替代物，可以避免路线中发生诸如异构化和酰亚胺生成等非理想副反应。对于呋喃片段的氧化裂解，作者尝试了不同的底物组合，发现15作底物时反应产率最高（Table 2 in Scheme 1b）。

对于十肽的构建，作者也尝试了不同的底物组合，发现3和V-4的组合产率最高（entry 4 in Table 3）。如Scheme 1c所示，东侧片段4脱去Boc保护基后，和缬氨酸（Val）偶联，得到产物17。17脱去三苯甲基（Trityl）保护基后，和西侧片段3偶联，得到产物18。18发生酯水解后，和精氨酸-苯丙氨酸二肽（Arg-Phe）偶联，得到十肽产物20。20经Miyaura硼酸酯化、一锅脱去除苄基和乙酰基外所有保护基、氧化硼酸酯成酚羟基、钯碳氢气脱去苄基、乙二胺脱去吲哚氮上乙酰基，最终实现天然产物dynobactin A（2）的首次全合成（LLS 16步）。2的相关谱图数据和分离文献一致。