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求岩沙海葵毒素的全合成路线?

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岩沙海葵毒素,也被称为岩沙毒素(Palytoxin),是一种结构极其复杂、生物活性强大的海洋天然产物。它的全合成是一个巨大的挑战,也是有机合成领域的“珠穆朗玛峰”之一。要详细介绍岩沙海葵毒素的全合成路线,我们需要深入了解其独特的分子结构以及实现这一目标所采取的策略和关键步骤。

首先,让我们回顾一下岩沙海葵毒素的惊人之处:

分子结构的复杂性: 岩沙毒素拥有100多个手性中心,分子量接近3000道尔顿。其骨架由一个庞大的、高度氧化的聚醚链构成,链上布满了羟基、醚键、酮基、双键等多种官能团,并且这些官能团的立体化学构型至关重要,直接影响其生物活性。
极高的毒性: 尽管结构复杂,岩沙毒素的毒性却非常惊人,能够干扰细胞的离子通道,导致细胞功能紊乱,最终可能引发死亡。
生物合成的神秘性: 其确切的生物合成途径至今仍未完全阐明,这使得全合成的研究更具探索性。

由于岩沙海葵毒素的庞大和复杂性,对其进行全合成通常需要分段构建,然后将各个片段进行巧妙的偶联。下面,我们将尝试勾勒出一条典型的(也是极具挑战性的)全合成路线,但这仅仅是众多可能方案中的一个代表,实际研究中会涉及更多的精妙设计和优化。

全合成策略:分段构建与偶联

一条可行的全合成路线通常会将岩沙海葵毒素分子分解成几个相对容易合成的片段,然后通过一系列的化学反应将这些片段精确地连接起来。最常见的策略是将分子大致分为几个“块”,比如:

1. 片段 A: 通常是分子的一端,可能包含一些起始的复杂结构或官能团。
2. 片段 B、C、D...: 中间的片段,可能包含大量的羟基和手性中心,是合成的难点所在。
3. 片段 Z: 分子的另一端,也可能具有特殊的官能团或连接点。

最终,这些片段通过高效且立体选择性的偶联反应(如Wittig反应、烯烃复分解反应、碳碳键形成反应等)被逐一连接,最终形成完整的岩沙海葵毒素分子。

一个高度简化的全合成流程示例(基于已报道的合成研究,但为了叙述的流畅性和避免过于“学术化”,细节会做一定程度的简化和调整):

第一阶段:片段的合成 构建复杂的骨架与立体化学

这一阶段是全合成的核心和难点。需要利用各种现代有机合成方法,从简单的起始原料出发,一步步构建起岩沙海葵毒素庞大而精密的三维结构。

1. 手性原料的选择与手性诱导: 合成如此多的手性中心,会用到各种手性催化剂(如Sharpless不对称环氧化、Jacobsen环氧化等)、手性辅助剂或直接使用天然手性原料(如糖类、氨基酸等)来精确控制每个手性中心的构型。例如,合成一个拥有多个相邻手性羟基的片段,可能需要使用手性二羟基化试剂或通过底物控制的反应来实现。
2. 聚醚链的构建: 岩沙海葵毒素的聚醚结构是其一大特色。构建这些醚键通常会涉及:
Williamson醚合成: 通过醇负离子进攻卤代烷或磺酸酯。
环醚的开环: 利用酸或Lewis酸催化,开环环氧化物或环氧烷,形成线性的羟基醚链。
分子内的环化: 在合适的条件下,一个分子内的羟基进攻另一个位置上的离去基团,形成环醚结构。由于岩沙海葵毒素中存在大量的六元和七元环醚,这需要精巧的反应设计来控制环的大小和立体化学。
3. 氧化与还原的选择性控制: 分子中包含大量不同氧化态的碳原子(羟基、酮基)。在合成过程中,需要精确地控制氧化和还原反应,确保官能团在正确的位置上进行转化,并且不影响其他敏感的官能团。保护基策略在这里至关重要,需要对羟基、酮基等进行选择性保护和脱保护,以避免副反应。
4. 碳碳键的形成: 构建庞大的碳骨架需要多种碳碳键形成反应:
Wittig反应或HornerWadsworthEmmons反应: 用于形成烯烃双键,特别是连接片段的关键步骤。
烯烃复分解反应: 可以高效地连接含有烯烃的片段,构建大环或长链。
Aldol反应或其变体: 用于形成新的碳碳键和控制羟基的立体化学。
Michael加成反应: 形成1,4加成产物,引入新的碳链。

假设我们已经成功地合成了几个关键片段,例如:

片段 1: 包含分子一端的复杂结构和官能团。
片段 2: 中间段,可能包含几个环醚结构和多个手性羟基。
片段 3: 另一个中间段,可能也含有多个手性中心和官能团。
片段 4: 分子另一端的片段,包含最后的关键官能团。

第二阶段:片段的偶联 精准连接,构筑整体

这是将分散的“积木”组合成完整结构的阶段,同样充满挑战。

1. 片段之间的连接:
Wittig反应或HWE反应: 如果两个片段之间通过一个双键连接,可以利用这两种反应。需要将一个片段转化为带有羰基的结构,另一个片段转化为带有磷叶立德或磷酸酯的结构,然后进行偶联。这需要对反应的Z/E选择性有很好的控制。
烯烃复分解反应: 如果片段的连接点是双键,可以使用烯烃复分解来连接。这对于构建大的环状结构或连接较长的片段特别有用。
醚键形成: 在一些情况下,片段之间也可能通过形成醚键来连接。这通常涉及到醇与活化羟基(如卤代烷、磺酸酯)的反应。
其他碳碳偶联反应: 如Suzuki偶联、Stille偶联等(尽管在岩沙海葵毒素的报道中可能较少用到,但在合成类似复杂分子时是常用手段)。

2. 连接顺序的优化: 连接的顺序非常关键。需要选择那些不易引起副反应、产率较高的连接方式。通常,将最容易受损的片段放在最后连接,以最大限度地减少其暴露在苛刻反应条件下的时间。

3. 立体化学的保持: 在偶联过程中,需要确保已经建立的立体化学不被破坏。例如,在Wittig反应中,如果烯烃的立体化学是关键,就需要使用能够高选择性生成特定构型烯烃的试剂。

第三阶段:官能团的调整与最终脱保护

在将所有片段连接起来形成大致骨架后,还需要进行一些微调和最终的脱保护步骤。

1. 官能团的转化: 例如,将某个酮基还原成羟基,或者将某个保护基转化为所需的官能团。
2. 氧化态的调整: 如果需要的话,进行最后一步的氧化或还原。
3. 最终脱保护: 将之前用于保护敏感官能团的保护基全部脱去,露出最终的羟基、酮基等。这需要使用温和且高选择性的脱保护条件,避免损伤整个分子。
4. 纯化与表征: 经过漫长而复杂的合成步骤,最终产物通常需要通过高效液相色谱(HPLC)、质谱(MS)、核磁共振(NMR)等手段进行严格的纯化和结构确认,以确保合成的产物就是目标分子岩沙海葵毒素,并且具有正确的立体化学。

挑战与意义

反应的效率和选择性: 任何一个步骤的低产率或选择性不高都可能导致整个合成路线的失败。
保护基的策略: 合理的保护基选择和脱保护顺序是成功的关键。
纯化: 每次反应后产物的分离纯化都极其困难,特别是当分子越来越大、越来越相似时。
反应条件的控制: 对温度、溶剂、试剂用量等都需要精确控制。

意义:

岩沙海葵毒素的全合成不仅仅是“造出一个分子”,它还:

验证了其结构: 通过全合成得到与天然产物一致的物质,可以有力地证明其结构解析的正确性。
推动了合成方法学的发展: 为了克服合成中的难题,化学家们不断开发出新的反应和策略,极大地丰富了有机合成的工具箱。
为生物学研究提供材料: 通过化学合成可以获得足够量的岩沙海葵毒素,用于深入研究其作用机制、开发潜在的药物或研究工具。
展现了人类智慧的结晶: 这类极其复杂的天然产物的全合成,是对有机合成化学家们创造力、毅力和精准控制能力的终极考验。

总而言之,岩沙海葵毒素的全合成是一项令人惊叹的科学壮举,它融合了有机合成化学的各种前沿技术,是对人类合成能力的极限挑战。要详细地描述每一个具体的反应步骤,需要查阅大量的原始科学文献,因为即使是合成一个片段,也可能包含几十个反应步骤,每一步都需要精心设计和优化。但上述的框架,应该能让你对这项艰巨的任务有一个大致的了解。

网友意见

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不请自来

岩沙海葵毒素的全合成

岩沙海葵毒素 (palytoxin) 的大致结构在1981年被测定,但其具体的立体构型当时一直没有被搞清楚。这一迄今发现手性中心最多的天然产物的全合成,是由哈佛大学著名化学教授 Yoshito Kishi 及其团队完成的。他们用时两年,测定了该结构中全部64个手性碳原子的具体构型。

1986年,Kishi 教授接手合成岩沙海葵毒素,至1994年合成成功,大体可以分为两个阶段:

第一阶段 (1986-1989)

通过逆合成分析,Kishi 教授带领的团队将 palytoxin 切断为九个小分子,在正式准备 palytoxin 的全合成前就已经完成了它们的合成。

Kishi 教授带领的研究团队用时三年,完成了合成 palytoxin 的一个重要中间体——PTC ,此结构涉及了逆合成分析切断产物中的八种。

因此即便花费了较长的时间来测定立体结构,他们还是及时地在1989年发表了第一篇论文 Natural products synthesis : palytoxin ,宣告岩沙海葵毒素的重要中间体已经被合成了。其合成路线如下

第二阶段 (1989-1994)

尽管从 palytoxin 到 PTC 只用了三年时间,Kishi 教授的团队却在最后一步的酰胺键形成上花费了整整五年。一是因为此处的酰胺键极难形成,二是因为 palytoxin 中实际上是一个烯胺的结构,还涉及到了顺反异构。最终,1994年 Kishi 教授发表了论文 Synthesis of Palytoxin from Palytoxin Carboxylic Acid ,标志着 palytoxin 全合成的完成。

第一个问题的解决方案为

第二个问题的解决利用的是引入苯基硒化物


参考文献
Natural products synthesis : palytoxin
Synthesis of Palytoxin from Palytoxin Carboxylic Acid
Palytoxin : an inexhaustible source of inspiration — personal perspective

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