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1929年英國的細菌學研究專家Alexander Fleming在培養細菌時偶然注意到，從空氣中落入培養基的青霉菌形成的菌落可以抑制細菌的生長，最早的抗生素——青霉素由此得以發現。隨后在第二次世界大戰期間，Fleming與其他人合作成功提取出青霉素用于治療戰場負傷引起的細菌感染，自此抗生素開始投入使用。隨著相關研究的不斷發展，人們陸續發現不同種類的抗生素，用于對抗多種病原體（細菌、真菌等）帶來的健康問題，與此同時還實現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病原體產生耐受性，甚至導致耐多藥的“超級細菌”出現。對原始的抗生素進行適當改造或開發新型的抗生素，在應對感染性疾病的治療中便顯得尤為重要。

截短側耳素類抗生素（pleuromutilin）是一種雙萜類真菌代謝產物，人們早在20世紀50年代初期便發現這種物質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，人們便發展了半合成的方法研發出數千種pleuromutilin衍生物，以此改善母體pleuromutilin的藥理特性。然而(+)-pleuromutilin中稠合的三環骨架為藥理活性位點，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。例如，人們目前已完成了超過3000種C14位側鏈修飾的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，但目前為止尚無有效的全合成途徑。另一方面，盡管臨床醫學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C14位側鏈修飾的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-烯丙基化反應可以使pleuromutilin中C12位的季碳中心發生差向異構化，得到C12位1:1的差向異構體混合物。基于這一發現，2015年Nabriva Therapeutics的研究人員將母體pleuromutilin的另一C12位差向異構衍生物的C=C雙鍵進行官能團化修飾，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注的問題。

圖１. 母體pleuromutilin及12-epi-pleuromutilin的結構。圖片來源：Science

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

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

Herzon教授設計的合成路線如下，為了合成關鍵的烯酰胺中間體7，他們設計了不對稱Michael共軛加成C-酰化策略，環己烯酮（9）在Cu(OTf)2與手性配體L*的催化條件下，與Zn(CH3)2發生對映選擇性1,4-加成，基于烯醇酸鋅獨特的反應活性，得到的鋅物種經CH3Li原位活化，并與CH3OC(O)CN反應得到C-酰化的β-酮酯產物，伴隨著進一步非對映選擇性α-甲基化反應，以兩步71%的產率得到10（> 20: 1 dr, 97: 3 er）。10在非親核性堿KHMDS存在的條件下發生羰基α-位攫氫，互變異構后利用PhNTf2捕獲得到三氟甲磺酸乙烯酯11（88％）。11經Pd催化的羰基-乙烯基串聯插入轉化為二烯酮12（83％），并在Cu(OTf)2的作用下發生Nazarov環化形成氫化茚酮13（88％）。隨后他們使用Et2AlCN對13進行共軛加成得到C9位3:1的差向異構混合物，副產物可以使用DIBAL-H原位選擇性還原，并用稀NaOH溶液處理發生C4位立體中心定量反轉，最終得到單一的順式二氫茚酮15（以13計算產率為65％），其中15的相對構型通過X-射線單晶衍射加以證實。接下來作者利用(TMSOCH2)2對酮羰基進行保護得到16（84%）。由于氰基與酯基具有相似的反應活性，實現氰基的選擇性官能團化成為合成中的難點，最終作者發現16在過量的CH3Li存在下與Boc2O反應得到烯酰胺中間體7（80%）。該串聯過程可能涉及CH3Li對氰基親核加成后得到相應的鋰化物種17，隨后分子內環化、去質子化形成18。另一偶聯試劑新戊碘8則是通過PMBOCH2Cl對手性的巴豆酰胺19進行對映選擇性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

作者進一步設計烯酰胺中間體7與新戊碘8的偶聯過程，8在t-BuLi存在的條件下發生鋰-鹵交換，得到的有機鋰物種與7反應，加入稀酸水解發生開環得到甲基酮21（48%）。兩組新戊基片段得以成功偶聯的關鍵在于，構建的環狀酰胺可以活化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。接下來他們設想通過還原環化的方式利用炔基醛23來構建目標分子中的八元環，將Ni(cod)2與氮雜環卡賓前體IPr混合，在Et3SiH的存在條件下順利實現了這一過程。從理論上講，利用醛與炔通過該方式合成中等環系會受到反應動力學的不利影響，但該反應得以成功的條件在于23中其他兩組稠合環的剛性束縛可以降低環化后產生的熵損失；另一方面，烯丙醇產物24中C10與C14位的碳原子為sp2雜化，可以減小八元環產生的跨環非鍵相互作用。形成的烯丙基硅基醚為單一非對映異構體，經TBAF消除硅烷保護得到烯丙基醇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%的產率得到25（C10位> 20: 1 dr），其中25的絕對立體化學通過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分步還原轉化。其中產物4經進一步官能團轉化可分別得到(+)-12-epi-pleuromutilin（29）、O-trityl-12-epi-pleuromutilin（30）等其他pleuromutilin衍生物。

圖5. (+)-12-epi-mutilin的進一步衍生化。圖片來源：Science

——總結——

Herzon教授及其團隊設計的抗生素pleuromutilin及其衍生物的全合成路線具有深遠的意義，為此他提到自己從2008年起便開始從事相關課題的研究，屢敗屢戰，在鍥而不舍的努力下終于得以攻克這一難題。縱觀藥物研究的發展歷史，人們在投入新型抗生素的開發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領域，抵御耐藥性的研究一直得不到突破性的進展。本文的研究則打破了以往無法實現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優化其合成路線，與此同時對所得不同pleuromutilin衍生物進行藥物活性測試，如果相關研究可以順利進行，他們還會將開發的新型化合物繼續推向臨床水平測試，以期推動抗生素新藥的蓬勃發展。