芸苔素内酯的合成研究进展

 

芸苔素内酯(brassinolide，1)是一种活性极高的植物内源激素，化学名称为(22R,23R,24S)-2α,3α,22,23-四羟基-24-甲基-B-高-7-氧杂-5α-胆甾-6-酮(见图1)。芸苔素内酯能够加快植物细胞伸长和分裂，调节植物的光合作用，提高植物的抗逆性(抗寒、抗旱、抗盐碱、抗病等)，可施用于多种作物，在农业生产中应用前景广阔。

 

 

芸苔素内酯存在于植物花粉、根、茎、叶和种子等多个部位，但含量极低，如花粉中含量约为1~100 ng/g(湿重)。因此，以天然存在的甾醇类似物为原料，人工合成芸苔素内酯成为了获得芸苔素内酯的主要途径。近几十年来，人们对芸苔素内酯的合成进行了不断的探索和研究，本文将对其合成方法进行综述。

 

 

1970年，Mitchell等首次报道在油菜花粉中发现了生物活性极高的物质，能引起菜豆幼苗节间伸长、弯曲甚至裂开的异常生长反应，但基于当时的分离、鉴定手段，没有确证结构。1979年，Grove等从40 kg油菜花粉中提取到4 mg结晶，经过XRD分析确定其结构并命名为芸苔素内酯。

 

 

1980年，Fung等首次报道由豆甾醇(2)立体选择性合成芸苔素内酯的方法。基于Salmond、Hutchins等报道的合成中间体3的方法，利用C-20手性将中间体3与E-构型的锂试剂(4)反应合成化合物5，经间氯过氧苯甲酸(MCPBA)氧化、LiBH₄/BH₃·THF还原，将C-24构型翻转得化合物7和8，区域选择性为3∶1。(22R，23R，24S)构型的化合物7经酸催化重排、缩酮化、C-3羟基磺酰化、硼氢化-氧化引入C-6羟基、Li₂CO₃/DMAC体系消除、Jones氧化C-6羟基、四氧化锇(OsO₄)氧化C-2双键、三氟过氧乙酸(CF3CO₃H)将B环内酯化并水解保护基合成芸苔素内酯(见图2)。

 

 

同年，Ikekawa等以(3β，20S)-3-[(四氢-2H-吡喃-2-)氧基]孕甾-5-烯-20-醛(13)为起始原料与3-甲基-1-丁炔基锂反应合成化合物14(见图3)。随后经还原、环氧化、反式开环，得到(23R,24S)-24-氰基化合物(15)，经二异丁基氢化铝还原并水解、乙酰化保护C-3 羟基、NaBH₄还原C-24醛基、甲磺化、碘代和氢化三丁基锡还原合成C-24甲基化合物16。甲磺酸酯(17)经硼氢化-氧化、过氧化氢氧化、PCC氧化、LiBr消除得到化合物11。随后借鉴VanRheenen等报道的用OsO₄/NMO(N-甲基吗啉-N-氧化物)体系氧化双键的方法，将化合物11氧化为cis-二羟基化物。经计算由化合物13合成芸苔素内酯收率为2%。

 

1982年，Mori等报道化合物2经磺酰化、溶剂化、Jones氧化、对甲基苯磺酸/环丁砜异构化合成化合物20，后经C-2双键氧化、缩酮化、O₃氧化、Me2S还原得化合物22。基于该课题组早期合成厨蚁(Pharaoh ant)性激素时报道的方法将化合物22与砜(23)连接，化合物24在Na/Hg/MeOH/EtOAc中消除、MCPBA氧化C-22双键、30％HBr/AcOH体系反式开环、AcOH/H₂O体系中乙酰氧基取代溴原子合成(22R，23R)化合物18，最后经CF₃CO₃H将B环内酯化并水解保护基合成芸苔素内酯(见图4)。

 

 

1984年，Mori等报道了侧链C-23、C-24环氧环的区域和立体选择性开环方法。Ikekawa等曾尝试在环氧环的C-24用有机铜试剂引入甲基未获成功，Mori在构建侧链时用Me₃Al开环，实现了直接在C-24位接上甲基，得到构型正确的芸苔素内酯的侧链(见图5)。异丙基炔基锂(25)对化合物22的醛基加成、P2-Ni/H₂/H₂NCH₂CH₂NH₂还原叁键、MCPBA环氧化双键、Me₃Al/n-BuLi开环得化合物27。由化合物2经16步反应合成芸苔素内酯，总收率3%。该方法具有很好的立体选择性，但Me₃Al试剂用量大且不稳定，反应需在-70 ℃、Ar保护下反应69 h。

 

 

1987年Mori等又报道了利用新型中间体i-甾酮二乙酰化物(30)合成芸苔素内酯的方法(见图6)。其中化合物31是由化合物28经Pd-C/H₂脱苄醚等4步得到，比甲基醚化合物经6步转化成烯酮收率高且步骤少。化合物31经双键氧化、羟基保护后以77%的收率得到化合物32。全程共15步，总收率为9%。

 

 

1991年，Sun等一改以前先环氧化再开环的方法，用OsO₄催化化合物33侧链C-22双键不对称双羟化，使反应步骤简洁，但具有(24S)-24-甲基的类固醇主要产生(22S, 23S)-异构体。该课题组基于Yamamoto和Sharpless的研究，发现在OsO₄-K3Fe(CN)6-DHQD体系中完成双键氧化可得到25%的(22R，23R)构型的芸苔素内酯(见图7)。

 

同年，McMorris等发现甾体母核与丁烯内酯锂盐发生Aldol缩合时，主产物构型遵守Cram规则即为(22R)构型，C-23的构型则由缩合时的反应温度决定，低于-70 ℃时以(R)构型为主。化合物3在-78 ℃/LDA条件下与3-异丙基丁烯内酯(35)缩合得(22R, 23R)中间体36，其经Pt/C催化氢化得到C-24异构体比例(S∶R)=78∶22的混合物，化合物37经LiAlH₄还原侧链内酯、缩酮化、重铬酸吡啶盐(PDC)氧化端基醇、三(三苯基膦)氯化铑脱羰基得到(24S)甲基构型产物41。化合物41经p-TsOH/丙酮-水合成化合物42(见图8)，化合物42经磺酰化合成化合物9，进而合成芸苔素内酯。化合物3与2，化合物3-二甲基丁烯内酯锂盐(43)缩合即得化合物44(见图9)，化合物44经催化氢化、LiAlH₄还原、MsCl/吡啶异构化、LiAlH₄还原伯醇得化合物46，化合物46经缩酮化保护合成化合物42。由化合物35构建侧链步骤较多，但Aldol缩合时产物构型单一，2种侧链构建方法的总收率均在32％~34%之间(以化合物3计)。

 

 

1992年，Tsubuki等利用二氢吡喃酮中间体46构建侧链(见图10)。缩合主产物48经NBS/THF体系内半缩醛化、PCC/CH₂Cl₂氧化、CeCl₃/NaBH₄/CH3OH-CH₂Cl₂还原C-23羰基、乙烯基乙醚/对甲苯磺酸吡啶鎓盐(EE/PPTs)体系保护其C-23羟基、二甲基铜酸锂/四氢呋喃[(CH₃)₂CuLi/THF] 与双键加成、LiAlH₄/乙醚体系还原、甲磺酰化、LiAlH₄还原、水解得化合物51。

 

 

1994年，Hazra等采用了一条新的合成侧链的路线(见图11)。以醋酸妊娠双烯醇酮52(16-DPA)为原料，经C-16双键选择性催化加氢、C-3脱保护基、上保护、LiAlH₄还原酮、POCl₃/Py体系脱水得到C-17，C-20 cis-烯烃54。分别用三异丙基氯化钛[Ti(i-Pr)₃Cl]、三甲基氯硅烷[(CH₃)₃SiCl]和TBS-CL 3种催化剂对其进行立体特异性烯反应，均生成(R)构型产物55。化合物55经MeOH/Py回流、Pd/C催化加氢、KOH/MeOH脱保护、CH₃COOK/PCC/CH₂Cl₂氧化得化合物3，全程共11步，总收率为36%。化合物3经1,3-二噻烷/正丁基锂还原、乙酰化、NBS/BaCO₃/Me₂CO体系脱除二噻烷、Wittig反应得化合物57，化合物57经MCPBA/Na₂HPO₄将双键环氧化、p-TSA/dioxane 将3，5位开环、(CH₃)₃Al/n-BuLi将环氧环开环并完成24位甲基化得46。该路线原料52较易得，但总的路线长，总收率为16%。

 

 

1997年，Back等采用了化合物22与金属有机硒化合物58缩合(见图12)构建侧链的方法。缩合得到含硒的C-23立体异构体的混合物，且没有相应的C-22差向异构体。将此粗品直接氧化，使原位硒氧化物顺式消除，主要转化为trans-烯丙醇(60)。化合物60在过氧化羟基异丙苯/钛酸四异丙基酯/L-(+) 酒石酸二乙酯体系中环氧化、苏式环氧化物经异丙基氯化镁/氰化亚铜体系开环得化合物27。由化合物2合成芸苔素内酯共12步，总收率为8%。

 

 

2003年，Peng等也是采用甾体母核和侧链连接的方式合成芸苔素内酯，在Aldol缩合中化合物3可以和α-甲硅烷氧基酮(62)在-78 ℃ LDA/THF体系下反应(见图13)，也可以在TiCl₄的介导下，使用硅基烯醇醚(66)代替烯醇化锂盐反应，化合物63脱除硅基给出(22R，23R)构型的中间体64。在化合物3和侧链62连接时，若温度为-78 ℃且在此温度下淬灭反应，则生成(22R，23R)的中间体。若温度为-78 ℃而淬灭温度高于0 ℃，则生成(22R，23S)的异构体，需要进行C-23异构化。化合物64经缩酮化、Wittig反应、催化加氢、脱保护基得到比例为70∶30的化合物46和68的混合物，化合物46可依图9的方法合成芸苔素内酯，而化合物68是合成24-表芸苔素内酯的重要中间体。

 

 

2013年，Hurski等提出了以具有较大空间位阻和能有效稳定碳负离子的硫缩醛(69)作为合成子与甾核偶联，随后经NaClO₂/2-甲基-2-丁烯/NaH₂PO₄体系构成酮、TBSOTf/2，6-二甲基吡啶体系保护C-22羟基，防止C-22羟基螯合控制，用二异丁基氢化铝(DIBAL-H)还原再用TBAF脱C-22羟基保护基构建侧链(见图14)。

 

 

 

芸苔素内酯的合成已经取得了极大的进步，但在其合成中仍然存在反应步骤多、反应体系复杂、溶剂用量大以及操作比较复杂等不利因素，所使用的部分试剂存在毒性大、易造成环境污染等问题，特别是手性异构体的生成导致收率下降。因此，探索更加适于工业生产的合成方法和新的立体专一性合成路线以满足市场需求，仍是研究人员努力的方向。