大蒜活性物质阿霍烯ajoene的全合成

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提到大蒜，大家并不陌生，它不仅是众多美味菜式的重要调料，也被不少人视为保健食品。生吃大蒜是出镜率颇高的个人嗜好，虽然可能有些益处，但不论是它还是吃它的人，味道却不算美好。完整的大蒜其实没有明显刺激性气味，一旦切碎或研磨后，大蒜细胞组织被破环，细胞内的蒜氨酸酶释放，很短时间内将蒜氨酸等转化为强烈辛辣味的挥发性物质，其中大部分是含硫的化合物，如大蒜素（allicin1）。allicin虽名为大蒜素，但该化合物并不稳定，会继续生成其他物质，其中重要的产物是本文的主角阿霍烯（ajoene 2），该转化过程如图1所示。20世纪80年代，Apitz-Castro等人发现大蒜甲醇萃取物中某些新物质具有抗血小板活性，随后在1984年，Block等人经仔细研究后发现了该物质为（E,Z)-4,5,9-trithiadodeca-1,6,11-triene-9-oxide，并命名为ajoene（阿霍烯），ajo取自大蒜的西班牙语名称。

图1. 阿霍烯的转化过程。图片来源：J. Am. Chem. Soc., 1984, 106, 8295.

阿霍烯（ajoene）具有多种生物活性，如抗细菌、抗真菌、抗血小板以及抗癌活性等。生物活性试验需要大量的阿霍烯，但阿霍烯在大蒜中的含量只有0.1-0.5%，提纯需要大量的工作，从大蒜中提取并不可行。另外一条途径是从大蒜素allicin合成，如Block等人报道了仿生合成途径，将大蒜素在丙酮水溶液中加热发生重排反应，虽然仅需一步，但体系中同时生成了活泼含硫中间体，由此导致其他副产物生成，产物收率只有34%。该方法也无法实现阿霍烯的结构修饰及其取代产物的合成。Hunter等人则从相应的硫醇出发，通过多步合成了一系列阿霍烯衍生物，但这种方法无法用于合成阿霍烯。

日前，英国卡迪夫大学（Cardiff University）的Thomas Wirth等人发展了一条阿霍烯简单有效的全合成路线，反应从简单的溴化物出发，经由硒醚中间体，最终通过苯硒基的氧化消除高效得到阿霍烯产物。该方法还可实现大规模的制备合成，从而为此类化合物的药物活性的研究，并进一步对其改性提供了物质基础。相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

作者以溴化物3为起始物料，与硫脲反应后水解为相应的硫醇，再丙炔基化为硫醚4，4与2-硝基苯硒腈和三丁基磷反应后得到硒醚6，或者直接由二溴化物3和原位生成的苯硒阴离子反应得到硒醚5，然后再引入丙炔基团，这一途径生成6的总收率分别为29%（6a）和63% (6b)。

图2. 化合物6的合成路线。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

接着6溶解在脱气甲苯中，和自由基引发剂偶氮二环己基甲腈（ACCN）加热到85 ℃后，用注射泵缓慢加入硫代乙酸得到化合物7，其中7a（E/Z = 2:3）的收率为50%，7b（E/Z = 2:3）的收率为64%。虽然E和Z式异构体可以通过柱层析提纯，因下步反应是非立体选择性的，因而无分离必要。在氢氧化钾的甲醇溶液中7发生水解反应，接着与硫磺酸烷基酯8反应生成9。为避免高活性中间体发生副反应，反应温度控制在-40℃。从7a转化为9a立体结构可以保持，化合物7b则发生了些许变化，如7b的E/Z = 1:1，9b则变为2:3，即使在低温下也会转变，（Z）-7b参与反应生成混合物9b，E/Z = 3:2，这步反应的收率都较高，在85%以上。

图3. 阿霍烯的合成。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

最后一步反应是苯硒基氧化消除反应生成烯烃双键，同时硫醚氧化为亚砜。在2当量30% H₂O₂的作用下，反应生成了E/Z = 2：3的阿霍烯，收率分别为27% (9a)和23% (9b)，相比之下，硝基作为吸电子基团修饰苯硒基并没有提高太多收率。苯硒基氧化消除反应是关键步骤，其反应机理如图4所示。

图4. 苯硒基氧化消除生成烯烃双键的机理

作者以硒醚7a为模板底物进行氧化消除反应条件的筛选，双氧水作为氧化剂时，最好收率也只有23%（entry 1）；当使用过氧化脲作为氧化剂时，收率提高至33%（entry 4）；高碘酸钠作为氧化剂时，亚砜11作为主要产物，收率高达50%（entry 5）；间氯过氧苯甲酸mCPBA可以作为合适的氧化剂，收率提高至37%（entry 6），加入碱可以抑制副反应，如加入2当量的二异丙基胺DIPA，收率提高到46%（entry 8）；延长反应时间对结果影响不大（entry 9）。

图5. 氧化消除条件的优化。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

扩大规模后，阿霍烯的全合成收率有所提高。4 mol量级规模下，5的收率可以达到58%，形成硫醇并炔丙基化后6b的产率为87%（2.9 mol）。自由基加成硫代乙酸的收率与小规模反应类似，达到75%（1.4 mol），硫代乙酸裂解并发生硫烯丙基化得到9b，产率为74% (1.1 mol)。最后氧化消除苯硒基得到169 g 阿霍烯（0.72 mol），产率为65%，分离纯化后进行HPLC和核磁共振分析，纯度为90%。

群体感应（quorum sensing，QS）是细菌通过分泌和检测特定的信号分子实现细胞-细胞之间信息交流的一种机制，例如革兰氏阴性细菌可释放N-酰基高丝氨酸内酯。QS可促进细菌同步特定基因的表达，由此对其致病性造成影响，在生物膜的形成过程中具有重要作用。而最近的研究发现，阿霍烯是一种有效的QS抑制剂，可对抗绿脓杆菌Pseudomonas aeruginosa和金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus。作者使用报告菌株（绿脓杆菌Pa01 lasB-gfp），通过群体感应抑制剂（QSI）活性来评价化学合成法和大蒜提取法得到阿霍烯的活性，两者都为E式和Z式的混合物，均对QS具有有效的抑制活性。除此之外，两种途径获得的阿霍烯活性类似，大蒜提取法得到的阿霍烯IC₅₀值为27.7 μM，合成法为28.5 μM。

图6. 大蒜提取法和合成法得到阿霍烯对绿脓杆菌的QS抑制活性。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

——总结——

Thomas Wirth教授从简单的溴化物出发，经由硒醚中间体，最终通过苯硒基的氧化消除高效得到阿霍烯产物，由此发展了一条合成阿霍烯简单有效的路线，该方法在大规模的制备合成中更具有优势，为阿霍烯及其衍生物的生物活性研究提供了重要的物质基础。

原文

Short Total Synthesis of Ajoene

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 12290, DOI: 10.1002/anie.201808605

导师介绍

Thomas Wirth

http://www.x-mol.com/university/faculty/41608