Beckmann裂解反應在天然產物Fumagillin和Ovalicin前體及衍生物全合成中的應用*

林成剛, 祝曙英, 全 旭, 邱銀華, 史海健

(南京工業大學 化學化工學院,江蘇 南京 210009)

煙曲霉素(Fumagillin， Chart 1)是一個源自真菌的天然產物，于1990年發現其具有強抑制新生血管作用后[1，2]，更加引起了人們極大的興趣，出現了許多對Fumagillin及其衍生物的合成報道，Fumagillin的類似物TNP-470(Chart 1)便是其中之一。TNP-470不僅具有較低的毒性，而且有比Fumagillin高50多倍的抑制新生血管的作用，已進入了Ⅲ期臨床試驗[3，4]。而與Fumagillin的結構類似的卵假散囊菌素(Ovalicin， Chart 1) 是從真菌PseudorotiumOvalis[5，6]中分離出來的倍半萜烯，其抑制新生血管的作用可以和TNP-470相媲美[7]，而且作用機制也相似。

新生血管抑制劑是新一類正在用于臨床治療人類癌癥和其他疾病的新藥, 也是治療癌癥的一個全新的有效途徑。最新研究發現Fumagillin和Ovalicin及其衍生物抗新生血管作用的機制是對內皮細胞增殖具有很強的抑制作用和較高的選擇性。Fumagillin和Ovalicin作用的共同靶點是2-型蛋氨酸氨基肽酶(MetAP2)[8]。對Fumagillin和Ovalicin及其衍生物的合成研究引起人們廣泛關注，并顯示了良好的發展前景[9～12]。

從Fumagillin和Ovalicin的分子結構可以看出，他們均含有相同的環己烷和特殊的連四取代基的基本骨架，其中環的3-位～6-位四個取代基均可以具有手性。因此設計和合成在連四位上有相應手性取代的環己烷骨架結構可能是合成Fumagillin和Ovalicin及其衍生物的關鍵所在。

本文首次采用手性砌塊Hajos酮(1)為原料,經環氧化、酸催化開環、烷基化(或酰基化)仲羥基、一步立體選擇性氫化/縮酮保護等反應,方便地在雙環上適當的位置引入烷氧基。并將Beckmann裂解反應的新方法[13，14]應用于其中的關鍵步驟，將5-員環開環生成相應的烯-腈化合物，高收率地合成了Fumagillin和Ovalicin前體及衍生物3-[1-烷氧基-5,5-(1,2-亞乙二氧基-5-甲烯基)環己基丙腈(7a～7d)和2-甲氧基-3-丙腈-4-甲烯基環己酮(8a),其結構經NMR, IR和MS表征，確證為未見文獻報道的新化合物。由于其為液體，將其制成衍生物2-甲氧基-3-丙腈-4-甲烯基環己基-2，4-二硝基苯腙(9a),并采用X-單晶衍射確證9a的構型。

8a的合成為進一步深入研究Fumagillin和Ovalicin類似物提供了良好的基礎。

Chart 1

CompabcdefRMeEtpentylAcPhCO-Bn

Scheme1

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

Yanaco型顯微熔點儀(溫度計未經校正)；Perkin-Elmer-343型旋光儀(鈉光源，ν=598 cm-1)； Bruker MD (300～500) MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標)；Shimider 1DP440型紅外光譜儀(KBr壓片或液膜法)；雙聚焦VG-ZAB-MS型質譜儀(70 eV); Perkin-Elmer-241C型元素分析儀。

(3aS,4aS,7aS)-3a,4-環氧-7a-甲基五氫茚-1,5-二酮(2)[15]， (7aS)-4-烷氧基-7a-甲基五氫茚-1,5-二酮(4a～4f)[16]參照文獻方法制備；其余所用試劑均為市售分析純或化學純。

1．2 合成

(1) (7aS)-4-羥基-7a-甲基五氫茚-1,5-二酮(3)的合成

(2) 5的合成(以5a為例)

在反應瓶中加入4a18 g(41 mmol)， 乙二醇80 mL和THF 20 mL，攪拌使其溶解；用濃鹽酸調至pH 5～6后加入10%Pd/C 0.5 g，室溫常壓加氫反應10 h。用CH2Cl2(20 mL)稀釋后過濾，濾液減壓蒸除溶劑，殘余物加水(100 mL),用CH2Cl2(3×50 mL)萃取，合并萃取液，依次用水、飽和NaCl溶液洗滌，無水MgSO4干燥,減壓蒸除溶劑，粗品物經硅膠柱層析(洗脫劑：A=10 ∶1)純化得(3aS,7aS)-4-甲氧基-5,5-(1,2-亞乙二氧基)-7a-甲基五氫茚-1-酮(5a)。

用類似的方法合成5b～5e。

(3) 6的合成(以6a為例)

在反應瓶中依次加入5a5.7 g(12 mmol)， AcONa 7.0 g(37 mmol), NH2OH·HCl 5.0 g(36 mmol)及無水乙醇50 mL，攪拌下回流反應2 h(TLC跟蹤)。冷卻至室溫,倒入水(100 mL)中,用CH2Cl2(3×20 mL)萃取，合并有機層，用無水MgSO4干燥，減壓蒸除溶劑得(3aS,7aS)-4-甲氧基-5,5-(1,2-亞乙二氧基)-7a-甲基五氫茚-1-酮肟(6a)。

用類似的方法合成6b～6d。

(4) 7的合成(以7a為例)

在反應瓶中加入五氯化磷1.0 g(4.9 mmol)和2,6-二甲基吡啶1.0 mL(10 mmol)的二氯甲烷(10 mL)溶液,氮氣保護，攪拌下于-10 ℃滴加6a1.0 g(4 mmol)的二氯甲烷(10 mL)溶液,滴畢，反應10 min(TLC跟蹤)。用NH4Cl飽和水溶液淬滅反應，分出有機層,水層用CH2Cl2(2×20 mL)萃取，合并有機層，依次用水(20 mL), 5%碳酸氫鈉溶液(20 mL)和水(20 mL)洗滌，無水Na2SO4干燥,減壓蒸除溶劑，粗品經硅膠柱層析(洗脫劑：A=10 ∶1)分離得7a。

用類似的方法合成7b～7d。

(7)8a的合成

(8)9a的合成

在反應瓶中加入8a100 mg和95%乙醇2.0 mL，攪拌下滴加2，4-二硝基苯肼(10滴)，滴畢，放置片刻，過濾，濾餅用少量95%乙醇洗滌，干燥后用乙酸乙酯重結晶得橙紅色晶體9a， m.p.178 ℃～179 ℃; IRν: 3 433, 3 188, 3 108, 2 967, 2 922, 2 847, 2 247, 1 618, 1 587, 1 519, 1 327, 916, 718 cm-1。

2 結果與討論

1作為一個單一手性且含有多個活性官能團的二環化合物，已經被化學家廣泛的應用于天然化合物的合成[17，18]。但還未見用1為原料合成Fumagillin及其衍生物。本文利用本課題組發展的Beckmann裂解方法，將1中兩環連接處的甲基方便地轉化成為環外甲烯基，進而可以形成Fumagillin中的環丙氧基。

首先采用環氧化法合成2。本文選擇了低溫并縮短反應時間，可以大大減少雜質的生成[19]，產率達95．8%，無須純化便可直接用于下步反應。

使用H2SO4/AcOH/MeOH體系在室溫對2進行開環反應，可順利得到3,產率90%。再對3中的羥基進行烷基化或?；磻捎名u代烴、酸酐或酰氯試劑。烷基化反應可將3與鹵代烴在無水K2CO3存在下，在丙酮溶液中回流即可得到4a～4c,4e，4f。?；磻恍?與酸酐在吡啶溶液中室溫反應即可得到4d,收率均能達到80%以上。當使用MeI作為烷基化試劑時，則得4a，其中的甲氧基已經為合成Fumagillin骨架上3-甲氧基作好了準備。

采用加氫-保護的一鍋法[14]可將4進行保護加氫一步就可得到5。在該反應中，酸堿度對反應的影響很大。當pH為3～5時,主要得到氫化-保護產物(5);在弱堿性條件(pH>7)下或不用醇作溶劑時則主要得到加氫產物(Ⅱ)。這對于制備不同的單一產物非常有用(表1)。反應物的結構對保護加氫有一定的影響，在4-位上取代基位阻增大,產率有所降低；為戊基時,還出現了五員環上羰基被保護的產物。

表1 4的結構對氫化反應的影響Table 1 Effect of sturctures of 4 on hydrogenation

a芐基被脫去；b為五員環上羰基被保護的產物

5a～5d在羥氨鹽酸鹽和醋酸鈉存在下可方便地得到相應的肟6a～6d，產率均在90%以上。Beckmann裂解反應采用PCl5/2,6-lutidine/CH2Cl2, 0 ℃～室溫的條件下，反應體系形成均相，可以順利地得到化合物7。在裂解過程中，較不活潑的甲基被轉變為烯基，同時開環，并在支鏈的一端形成腈基，這些基團為進一步合成Fumagillin和Ovalicin提供了條件。裂解反應的產物7a～7d的產率在80%～90%；最后7a在稀酸條件下水解，高產率地得到8a。

8a的IR譜顯示了硝基和羰基在2 245 cm-1和1 728 cm-1的中強吸收；氫譜中在5．12處為兩個烯基的質子。由于8a為液體，所以將其與2,4-二硝基苯肼制成苯腙晶體9a,并對9a進行了單晶X-射線分析(圖1)，確證了8a的結構為3aR, 4R, 7aS-構型。

圖1 9a的分子結構Figure 1 Molecular structure of 9a

3 結論

Fumagillin和Ovalicin天然產物及其衍生物是新一類高效抗新生血管作用的化合物，研究它們的合成有著重要意義。首次利用手性純的Hajos酮為原料嘗試對Fumagillin及其衍生物進行了合成，思路新穎，合成路線簡便可行。

利用保護加氫的反應，一步就可以方便地在加氫的同時將環己酮羰基保護起來，為下步反應選擇性的在五員環酮進行反應提供了有效的保證。改進了反應條件，同時大大地縮短了合成路線。

將Beckmann裂解反應巧妙的應用到二環體系中，并選擇PCl5/2,6-二甲基吡啶/CH2Cl2體系反應，順利開環，得到了單一的環外雙鍵的產物烯腈，具有立體選擇性強、產率高、操作方便、反應時間短等特點，共七步反應，順利地得到8a，總收率38%。

[1] McCorkindale N J, Sime J G. The configuration of fumagillin[J].Proc Chem Soc，1961：331-331.

[2] Folkman J, Ingber D E. Inhibitors of angiogenesis[J].Semin Cancer Biol，1992,(3):89-96.

[3] Ingber D, Fujita T, Kishimoto S,etal. Synthetic analogues of fumgillin that inhibit angiogenesis and suppress tumor growth[J].Nature，1990,348:555-557.

[4] Toi M, Takayanagi T, Souma R, Tominaga T. Inhibition of vascular endothelial growth factor induced cell growth by an angiogenesis inhibitor AGM-1470 in capillary endothelial cells[J].Oncology Reports，1994,1:423-426.

[5] Sigg H P, Weber H P. Isolation and structure elucidation of ovalicin[J].Helv Chim Acta，1968,51:1395-1408.

[6] Bollinger P, Sigg H P, Weber H P. Die struktur von ovalicin[J].Helv Chim Acta，1973,56：819-830.

[7] Griffith E C, Su Z, Turk B E,etal. Methionine aminopeptidase(type 2) is the commontarget for angiogenesis inhibitors AGM-1470 and ovalicin[J].Chem Chemistry & Biology，1997,4:461-471.

[8] Turk B E, Su Z, Liu J O. Synthetic analogues of TNP-470 and ovalicin reveal a common molecular basis for inhibition of angiogenesis and immunosuppression[J].Bioorg Med Chem，1998,6:1163-1169.

[9] Klein C D P, Schiffmann R, Folkers G,etal. Protonation states of methionine aminopeptidase and their relevance for inhibitor binding and catalytic activity[J].Biol Chem,2003,278:47862-47867.

[10] Keezer S M, Ivie S E, Krutzsch H C,etal. Angiogenesis inhibitors target the endothelial cell cytoskeleton through altered regulation of heat shock protein 27 and cofilin[J]．Cancer Research，2003,63：6405-6412.

[11] Ogata T, Kurabayashi M, Maeno T,etal. Angiogenesis inhibitor TNP-470(AGM-1470) suppresses vascular smooth muscle cell proliferation after balloon injury in rats[J].J Surg Res,2003,112:117-121.

[12] Zhou G C, Tsai C W, Liu J O. Fumagalone,a reversible inhibitor of type 2 methionine aminopeptidase and angiogenesis[J].J Med Chem,2003,46:3452-3454.

[13] 吳奇，祝曙英，晏昶皓，等． 手性多環化合物的Beckmann裂解反應研究[J].合成化學,2009,17(4):397-404.

[14] Shi H J. Facile method for stereoselective synthesis of new chiral (1R,4aR,8aR)-1,3,4,4a,5,7,8,8a-octahydro-2-methylenenaphthalene-6-one-1-propanenitrile,an important precursor of solanapyrones[J].Synthetic Communications,2006,36：237-248.

[15] Barton D, Bath S, Billington D C,etal． Total synthesis of (-)-ovalicin and analogues from L-quebrachitol[J]．J Chem Soc Perkin 1,1995:1551-1558．

[16] Baggaley K H, Brooks S G, Green J,etal. Bicyclo[4．3．0]nonanes(hydrindans)[J]．J Chem Soc C:Organic,1971:2671-2678．

[17] Hajos Z G, Parrish D R. (+)-(7aS)-7a-methyl-2,3,7,7a-tetrahydro-1H-indene-1,5-6H-dione[J].Org Syn,1985,63:362-372.

[18] Paqutte L A， Wang T-Z， Sivik M R. Enantioselective synthesis of natural (-)-austalide B,an unusual ortho ester metabolite produced by toxigenic cultures of Aspergillusustus[J].J Am Chem Soc，1994,116:2665-2666.

[19] Shi H J, Li Y Z, Hu H W. (3aS,4S,5R,7aS,1′R,2a′S,6′S,6a′S)-5-(2′,5′-dioxo-2a′-methyl-6′,6a′-epoxyperhydroinden-1′-yl)-3a,4-epoxy-5-hydroxy-7a-methylperhydro-1H-inden-1-one[J].Acta Cryst，2004,60:1275-1276.