副标题：高法尼醇的催化不对称多烯环化生成降龙涎香醚
多烯环化（polyene cyclization）反应是自然界中最复杂、最具挑战性的反应之一。在酶的催化下，从非环前体出发，一步构建多个碳碳键、环系和手性中心，进而从结构简单的前体组装出复杂的分子骨架。例如，鲨烯环化酶（SHC）能够有效将非环三萜角鲨烯转化为五环 (+)-hopene（图1a、1b）。根据Stork-Eschenmoser假说，环化酶能够促进底物预组织和构象选择、稳定瞬态电荷并特异性地选择初始质子化位点（图1c、1d）。此外，角鲨烯也被认为是三萜(+)-龙涎香醇（龙涎香的主要成分）的生物合成前体，而龙涎香中最重要的气味成分是罕见的天然萜类化合物(−)-降龙涎香醚（2a），一般通过(+)-龙涎香醇的光氧化形成。迄今为止，(−)-降龙涎香醚的最有效合成方式是利用基因工程SHCs进行多烯环化。受SHC和其它萜烯环化酶的启发，化学家致力于发展小分子催化剂来实现多烯环化反应，但是要想对产物分布和立体化学进行精确控制并非易事（图1c），这是因为：1）多烯底物远端双键的区域选择性质子化对于避免形成副产物6和7至关重要；2）在逐步过程中形成了由环高法尼醇3质子化产生的不期望非对映异构体；3）对整个环化过程进行对映控制以获得单一的对映体降龙涎香醚极具挑战性。
近日，诺奖得主、德国马克斯•普朗克煤炭研究所教授Benjamin List（点击查看介绍）带领的研究团队利用组内发展的具有受限空间结构的手性超强Brønsted酸催化剂——亚氨基双磷酰亚氨酸酯（IDPi），成功地实现了高法尼醇的不对称多烯环化反应（图1e），以良好的产率和优异的对映选择性、非对映选择性构建了(−)-降龙涎香醚和倍半萜内酯天然产物(+)-香紫苏内酯。实验研究表明该反应主要通过符合Stork-Eschenmoser假说的协同途径进行，而机理研究表明IDPi催化剂的仿酶微环境对于获得超高选择性至关重要。相关成果发表在Nature 上。
图1. (−)-降龙涎香醚的起源及其多烯环化合成。图片来源：Nature
首先，作者选择 (3E,7E)-高法尼醇为模板底物对溶剂和手性Brønsted酸催化剂进行筛选，结果显示氟化醇如六氟异丙醇（HFIP）可以显著提高反应性，同时IDPi催化剂能将高法尼醇转化为降龙涎香醚2a及其次要的非对映异构体5β,8α,9β-降龙涎香醚2c。基于此，作者对结构多样化的IDPi催化剂进行了优化（图2a），结果显示催化剂8d（HFIP为溶剂）能以40%的产率和7:93 e.r.值获得产物2a，进一步筛选发现螺环己基-2-芴基取代的IDPi催化剂8g（全氟叔丁醇PFTB为溶剂）能以54%的产率、>20:1 d.r.值和95:5 e.r.值获得产物2a，这意味着IDPi催化剂能够一步法形成两个C-C键和一个C-O键，同时对四个立体中心（包括一个季碳立体中心）进行立体控制。另外，当使用强酸性但结构受限较小的PADI催化剂9进行反应时获得了复杂产物混合物（图2b），这进一步展现出催化剂受限活性位点的重要性。如图2c所示，作者还进行了十克级规模合成，在定量回收催化剂并纯化后以52%的产率、92:8 d.r.值和95:5 e.r.值得到(−)-降龙涎香醚（5.2 g），同时得到部分环化产物5和10（两者产率为47%），这相当于在20 h反应时间内理论体积生产率为296 g l-1，而目前优化的(−)-降龙涎香醚生物催化生产工艺在72 h内能实现300-450 g l-1 (3E,7E)-高法尼醇的完全转化。最后，作者还将该方法应用于倍半萜内酯天然产物(+)-香紫苏内酯（工业合成降龙涎香醚的关键中间体）的不对称合成（图2d）。具体而言，将(3E,7E)-高法呢酸（由(E)-橙花叔醇制备而成）置于IDPi催化剂8g和PFTB条件下进行反应，能以46%的产率、>7:1 d.r.值和94:6 e.r.值获得所需的天然产物12。
图2. 反应条件优化和规模化。图片来源：Nature
为了进一步探究多烯环化反应机制，作者进行了一系列实验。具体而言：1）由线性多烯1a形成三环化合物2a有两种可能的机制（图3a），即协同环化级联机制和逐步形成机制；2）在两个独立实验中，回收的(3E,7E)-高法尼醇的每个双键均观察到微小但具有统计学意义的13C KIEs（图2b），这说明质子化和C-C键形成同时进行；3）在-40℃进行的氘标记实验显示IDPi 8g催化的多烯环化产物2a仅观察到单个氘化位点（即3eq），这说明在IDPi 8g存在下大多数(−)-降龙涎香醚是通过协同多烯环化产生的（图3c），而PADI催化的多烯环化产物2a则观察到多个氘标记位点，这是逐步过程的特征；4）将高法尼醇的所有可能非对映异构体置于IDPi 8g催化条件下进行多烯环化反应（图3d），根据Stork-Eschenmoser假说，每种非对映异构体都可以通过协同多烯环化形成相应的三环醚产物，尽管(3E,7Z)-和(3Z,7Z)-高法尼醇（1c和1d）需要将温度升高至-30 ℃才能进行转化。
图3. 机理研究。图片来源：Nature
为了深入了解高化学选择性、非对映选择性和对映选择性的起源，作者将底物1a置于HFIP或PFTB溶剂中进行反应并通过气相色谱法和高效液相色谱法（HPLC）来监测对映体和非对映体比率（图4a、4b），结果显示在PFTB中产物2a的对映选择性和非对映选择性基本保持不变（95:5 e.r.和>20:1 d.r.），但在HFIP中产物2a的对映选择性随着反应的进行而增加（91:9→95:5 e.r.）、非对映选择性而降低（2a:2c：>20:1→89:11 d.r.），同时还检测到环高法尼醇中间体3a和3c，并且在反应过程中3a:3c的比例从1:2变为2:1，这说明动力学环外双键产物3c异构化为热力学环内双键异构体3a，而且α-异构体3a的对映体比率（16:84 e.r.）明显低于γ-异构体3c（1:99），进而表明存在动力学拆分。另外，在整个反应过程中以相似的对映体比率（1.5:98.5）获得了5β,8α,9β-降龙涎香醚2c（图4d），这说明其通过3c轴向构象异构体的质子化形成；而降龙涎香醚对映体比率的增加则可以通过3c赤道构象异构体的质子化和形成的对映纯降龙涎香醚进行解释，因此对映纯γ-环高法尼醇3c的赤道和轴向构象异构体的质子化可能是观察到对映选择性增加和非对映选择性降低的原因。相比之下，在PFTB中观察到2a的高非对映选择性似乎是高度协同多烯环化和逐步途径抑制的结果。为了探究这一假设，作者将单个异构体（3a、3b和3c）置于反应条件下研究了单环中间体的反应性（图4c），结果显示在HFIP中只有γ-环高法尼醇3c转化为降龙涎香醚异构体2a和2c，α-和β-异构体3a和3b仅产生痕量三环醚（<5%）；而在PFTB中3a、3b和3c的转化率均<5%，这一结果与氘标记实验相一致，进而说明在-40℃下单环中间体的质子化在逐步途径中不会发生。另一方面，在-30℃进行反应时获得了部分环化产物5和异构化产物10（源于单环中间体的质子化），这表明IDPi的受限活性位点优先选择醇附近更容易接近的双键而非拥挤的环己烯。综上，作者认为使用催化剂8g获得的高非对映选择性和对映体选择性的关键之处在于协同反应途径优于逐步过程（图4d）。
图4. 非对映选择性和对映选择性的起源、单环中间体的反应性和可能的机理。图片来源：Nature
总结
Benjamin List教授课题组利用IDPi催化剂实现了颇具挑战性的不对称多烯环化反应，并以良好的产率和优异的对映选择性、非对映选择性构建了(−)-降龙涎香醚和倍半萜内酯天然产物(+)-香紫苏内酯。实验研究表明该反应主要通过符合Stork-Eschenmoser假说的协同途径进行，而机理研究表明IDPi催化剂的仿酶微环境对于获得超高选择性至关重要。可以预见，该方法将在相关的多烯环化反应中得到广泛应用，并可能加速天然产物、药物分子、香料的不对称合成过程。
The catalytic asymmetric polyene cyclization of homofarnesol to ambrox
Na Luo, Mathias Turberg, Markus Leutzsch, Benjamin Mitschke, Sebastian Brunen, Vijay N. Wakchaure, Nils Nöthling, Mathias Schelwies, Ralf Pelzer, Benjamin List
Nature, 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07757-7
导师介绍
Benjamin List
https://www.x-mol.com/university/faculty/50088