五环单萜吲哚生物碱 (+)-Arboridinine 包含吲哚啉并 6/6/7 含氮笼状结构，分子中共有四个手性中心，其中两个全碳季碳，一个三级羟基。本文通过金鸡纳碱衍生物催化的不对称 Michael 加成反应成功构建第一个手性中心后，采用 double-Mannich 反应、Fischer 吲哚合成反应、吲哚 3-位的去芳构化反应、钴催化的脱羧氧乙酰化反应等共 14 步完成天然产物 Arboridinine 的不对称全合成。
背景介绍
具有新颖的吲哚啉并 6/6/7 含氮笼状结构的五环单萜生物碱 (+)-Arboridinine 由马来西亚大学的 Toh-Seok Kam 小组于 2015 年从 Malayan Kopsia arborea 中分离得到，并通过 NMR, MS 和单晶衍射确定其结构和绝对构型。生物活性研究表明，(+)-Arboridinine 虽然没有明显的 KB 细胞毒性，但是对去氧肾上腺素诱导的离体大鼠主动脉环收缩具有一定的舒张作用（EC50 4.98 μM）。2018 年，Scott A. Snyder 小组报道了该分子的首次消旋体全合成以及形式不对称合成（JACS, 2018, 140, 919-925）.
研究出发点
2015 年 9 月，我加入兰州大学翟宏斌教授课题组，经过几个月的锻炼，对全合成工作初窥门径。在年底准备博士课题的开题工作时，我曾对选择研究工作相对成熟的天然产物分子还是最新分离得到的相对新颖的化合物作为目标分子而举棋不定。恰逢五环单萜生物碱 Arboridinine 的分离鉴定工作刚刚发表，该分子新颖的笼状结构以及稠密的手性中心深深地吸引了我,于是我打算尝试该分子的全合成。
在经过和李云老师（我的共同指导老师）的多次讨论之后我们起初确定了两条合成路线，其核心反应都是通过double-Mannich 反应来引入 [3.3.1] 氮杂桥环体系。然而在李老师反复推敲之后我们决定不采用常规的色胺衍生化的策略合成 Arboridinine。而是另辟蹊径，先利用分子间 double-Mannich 反应来实现桥环体系的构建，然后在后续引入吲哚，随后分子内关环来构筑笼状体系结构。
这样做的好处在于：1）将难度大的反应步骤放于合成的前期，有利于降低合成的风险。2）此外由于采用了分子间反应作为关键反应策略，从而加强了合成的汇聚性，整体合成效率也随之大大提高。随后，我们按照该思路展开了对Arboridinine (1) 的全合成研究工作。
图文解析
通过对 Arboridinine (1) 结构的分析，我们提出了以下逆合成思路：桥头羟基可以通过 8 进行烯丙位氧化构筑；8 中的笼状结构可以通过化合物 9 进行吲哚 3-位的亲核取代反应实现合环；9 中的吲哚片段可以通过 Fischer 吲哚合成由 10 制备得到；10 中的 [3,3,1] 桥环骨架可以通过 12 进行double-Mannich 反应完成（图1）。
▲ 图1 Arboridinine(1) 的逆合成分析
我们首先制备了已知化合物 12，并在 1 当量苄胺、2 当量甲醛水溶液条件下进行了经典的 double-Mannich 反应的尝试，虽然收率较高 (80 %)，但是我们得到的是一组差向异构体 (d.r. = 3 : 2)，两者在常规条件下无法进行有效的分离。随后，我们用混合物进行了多种 Fischer 吲哚合成反应的尝试，期望可以将两者进行分离，但是都没有得到预期产物。因此我们调整合成思路，底物 12 可以先进行 Fischer 吲哚合成反应，再进行 double-Mannich 反应，同样可以得到我们预期的产物。我们尝试了多种条件，基本都是得到单一化合物 16，其结构通过 X-ray 进行了验证。
▲ 图2
随后我们对改良后的 double-Mannich 反应(苄胺的衍生物和酮化合物在 Lewis acid 参与的条件下)进行了尝试。我们尝试了多种 Lewis acid（MeSiCl3，TiCl4，TMSCl）和反应溶剂（DCM，THF，MeCN），在克级反应时都具有较好的区域选择性和较高的收率，同时 10 的结构通过 X-ray 得到验证。但当我们在几十克级规模制备时，TiCl4 会产生大量的副反应，TMSCl 会产生用量较多、后处理会发生喷洒的危险等问题。所以我们最终选定 MeSiCl3+MeCN 体系作为该反应的最佳条件。
随后我们对底物 10 进行选择性还原。Red-Al 以较好的区域选择性、立体选择性和较高的收率得到单一还原产物 19（产物经 NOESY 验证其相对构型）并在醋酸条件下顺利发生 Fischer 吲哚合成反应得到 20。随后我们选用了相对易于操作的 Goldman Oxidation 顺利得到酮类化合物 21,并在钯碳、甲酸铵条件下顺利脱除苄基保护基。我们希望接下来通过还原氨化反应得到关环前体 23，但我们得到的是吲哚 3-位进攻亚胺中间体后形成的六元环笼状结构化合物 22。虽然参照文献在醋酸条件下进行氰基硼氢化钠的还原反应顺利得到了我们的预期产物 23（图3），但是后期的关环反应无法成功实现。
▲ 图3
在后续的关环反应中，我们遇到了很大阻力，尤其是要解决以下两个问题：1）关环底物为羰基化合物还是环外双键化合物；2）关环前体中发生反应的基团为烷基卤代物还是酰胺卤代物。带着这样的疑问我们又回到了化合物 21， 重新调整合成路线（图4），采用了先引入双键（降低 retro-Mannich 反应对于后续反应的影响），然而这步亚甲基化反应并没有我们想象的那么容易，经过大量的尝试，我们发现仅 Peterson 烯基化反应可以得到我们预期的亚甲基化产物。
后续的实验表明，亚甲基化的底物在合环条件下的确表现出更好的稳定性，在使用活性更高的烷基碘代物侧链时可以实现笼状结构的关环，而溴代物，氯代物，甲磺酸酯，三氟甲磺酸酯等都无法实现该步转化。然而当我们对关环产物 8 进行最后的羟基构筑时遇到了重重困难。而就在此时，美国芝加哥大学 Scott A. Snyder 教授发表了关于 Arboridinine 的首次全合工作，在该工作中，作者同样进行了该步烯丙位氧化反应，同样遇到了很大困难，无法得到预期产物。于是我们在经过一段时间的尝试后放弃了这步尝试。
▲ 图4
采用第一条路线我们未能成功制备 Arboridinine，然而我们并没有放弃，在仔细分析失败的原因之后，我们重新设计了合成路线并考虑将不对称合成工作引入到第二路合成路线中。在我们查阅文献时发现，不对称 Michael 反应的研究报道已有很多，所以我们认为可以通过该反应实现我们所需底物的不对称合成。如图5所示，我们设计了 Arboridinine 的不对称合成方案。按照设计，天然产物 Arboridinine 的三级羟基可以通过一个脱羧羟基化反应实现引入，其前提 29 可以参照第一条成功的路线，逆推到化合物 31，光学纯化合物 32 可以通过商业可得的原料丙二酸二甲酯与 4-己烯-3-酮发生不对称 Michael 反应制得（图5）。
▲ 图5
我们参照类似实验，为使丙二酸二甲酯与 4-己烯-3-酮能以较高的 ee 值、较好的转化率并能实现放大量实验进行了探索。我们首先制备了消旋体化合物 32，同时合成了 6 种常见的用于不对称 Michael 反应的小分子催化剂，结合反应溶剂对反应的影响，通过对反应的收率以及 ee 值的测试，期望筛选出最佳的反应条件（图6）。
All reactions were performed with 1.05 mmol of 33 and 1 mol of 34 and 5 mol % catalyst in 2 mL solvent at 40 oC; bIsolated yield; cN.D. = not determined; dReaction was performed at 54-gram scale of 33.
▲ 图6
通过上述实验结果不难发现，当反应体系为 THF 时，Cat1 具有很好的不对称立体选择性（96 % ee）和较高的收率（92 %），甚至当我们将规模放大至 54 g 底物时，仍可以保持 95 % 的 ee 值和 86 % 的收率。
当我们成功构筑第一个手性中心后，参照第一条合成路线的思路，我们得到化合物 37 后进行重结晶，将其 ee 值提高到 98 %。然后成功制得 Arboridinine 的骨架结构 29。随后我们对羧酸甲酯转化为羟基的关键反应进行了尝试，由于我们特定的底物的复杂性（假吲哚结构和三级胺），该步反应面临很大挑战，一些经典的脱羧条件下均无法得到我们想要的产物。幸运的是，在醋酸碘苯、醋酸钴条件下我们以 20 % 的收率得到了预期产物（图7）。其最终结构通过核磁数据和单晶衍射数据加以确认。值得注意的是，我们的核磁谱图数据与 Snyder 报道的完全一致，然而与分离文献报道的数据存在一定出入。Snyder 小组在他们的合成中也发现了相同的现象，这也许是由于分离作者的样品中存在少量的共轭酸造成的，但具体原因目前尚不清楚。
▲ 图7
总结与展望
我们利用不对称 Michael 加成反应，高立体选择性的 double-Mannich 反应构建三环骨架，并用钴催化的脱羧乙酰氧基化反应引入桥头羟基，总共 14 步完成了 (+)-arboridinine 的首次不对称全合成。值得一提的是，在整个合成过程中，绝大多数反应都是在数十克规模下完成的，这对将来做该天然产物的结构改造提供了很大的便利。
心得与体会
当初怀着敬畏之心来到兰州大学有机化学专业求学，从最初对天然产物全合成一无所知到如今取得了一点小成绩，加深了我对有机化学专业知识的理解。能够在自己所喜欢的领域做到学有所用，同时又在解决问题中学到新的知识，这是一件十分快乐的事情。在本课题的完成过程中，有前进一小步时的快乐，也有被一步转化困扰半年之久的痛苦，有急于毕业时的苦闷，也有苦苦挣扎后的释然……在这过程中，我很感激翟老师给我提供来到兰州大学求学的机会，同时非常感谢李老师在课题完成和文章写作过程中给予的大力帮助，感谢课题组谢素君硕士在实验中的帮助以及文章修改中提出中肯的意见。
▲ 第一作者：张振；通讯作者：李云, 翟宏斌；
通讯单位：兰州大学；北京大学深圳研究生院
论文DOI：10.1021/jacs.9b02362
