白藜芦醇（resveratrol）及其低聚物是一类重要的天然产物，包含数百种结构不同的化合物。体外实验表明，白藜芦醇具有抗氧化、抗炎、抗癌及心血管保护等作用，但是分离过程却颇具挑战。因此，许多课题组致力于发展创新的方法来合成这些复杂的分子，如阳离子环化、过渡金属催化和试剂控制的溴化。先前曾报道过在自然界中，低聚可能是通过苯氧基自由基中间体进行的（Chem. Rev., 2015, 115, 8976–9027）。
正是这种生源合成假说，激发了美国密歇根大学的Corey R. J. Stephenson教授（点击查看介绍）和加拿大渥太华大学的Derek A. Pratt教授（点击查看介绍）团队对这一领域的探索。他们前期曾报道过使用持久性苯氧基自由基（如1）来合成C8–C8'白藜芦醇二聚体pallidol和quadrangularin A以及四聚体nepalensinol B（3）和vateriaphenol C（4，图1；Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 3754–3757；Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 7851–7866；Science, 2016, 354, 1260–1265，点击阅读详细）。近日，他们利用持久性苯氧基自由基及其相应的苯醌亚甲基化物二聚体之间的平衡（分别为1和2），实现了白藜芦醇四聚体vitisin A 和 vitisin D的全合成。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc. 上。
图1. 白藜芦醇四聚体合成中持久性自由基的发散反应性。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
在研究8A-9A平衡时，作者发现了C3-C8'白藜芦醇低聚物合成的新机会（图2A）。在高于50 °C的Van't Hoff分析中出现间断性，这表明可以采用另一种不可逆的反应路径来合成9A。重要的是，当二聚体8A中的TMS换成叔丁基（8B）时，在相应的实验中并未观察到这种间断性。随后的NMR分析表明，加热后的C8–C8'二聚体8A重排至δ-viniferin核心骨架11。作者推测这种重排是通过中间体C3–C8'二聚体10A进行的。鉴于9A与8A处于平衡状态，这意味着它也与C3-C8'二聚体10A处于平衡状态。据推测，由于10A迅速分解为δ-viniferin核心骨架11，因此未观察到10A。值得注意的是，C8–C8'到C3–C8'的异构化以及随后的环化生成11几乎都是定量转化的。
图2. （A）从持久自由基平衡的热力学研究中发现C8b–C8c到C3c–C8b异构化。（B）基于后期同源异构化反应的vitisin四聚体的逆合成分析。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
如图2A所示，计算结果与以下假设一致：白藜芦醇低聚反应依赖于C8–C8'和C3–C8'组成异构体的平衡。事实上，许多课题组已经意识到白藜芦醇（S1）可以通过单电子氧化策略直接转化为δ-viniferin（11A）。尽管具有优异的收率，但将该策略扩展到高阶低聚物却未成功。值得一提的是，Sako等人在2004年报道了vitisin B（5A）的半合成（J. Org. Chem., 2004, 69, 2598–2600），即在50 °C的甲醇中用乙酸银处理分离的(+)-ε-viniferin，以20 mg的规模和40％的产率得到vitisin B。迄今为止，C3c–C8b融合的白藜芦醇四聚体表现出一些引人注目的生物活性，如Lee等人发现vitisin B（5A）是丙型肝炎NS3解旋酶的有效抑制剂（IC50 = 3 nM，Br. J. Pharmacol., 2016, 173, 191–211），而vitisin A（6）对同一靶标也具有活性（IC50 = 35 nM）。因此，需要开发一种原料易得且可靠的合成方法。
苯醌亚甲基化物二聚体2是可能的C3c-C8b白藜芦醇四聚体异构化方法的关键（图2B）。重要的是，该骨架在外消旋原料12氧化后仅形成单一的非对映异构体，这意味着在相同对映异构体前体之间进行选择性二聚，以相同的方式得到vitisin B (5A)。在C8b–C8c到C3c–C8b的异构化过程中，这种立体化学完整性的保留直接将2转化为vitisin B的核心骨架（5）。由于5A是6和7的生源合成前体，因此这种新颖的形式[1,5]-迁移原则上可以提供C3c–C8b四聚体的多个生物活性成员的合成途径。
图3. 由12A的电化学二聚反应合成硅基保护的2A。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
2009年，Kim和Choi报道了全甲基白藜芦醇二聚体13A的合成方法（Org. Biomol. Chem., 2009, 7, 2788–2795）。受此启发，作者尝试先制备苯并呋喃前体，同时采用新的保护基策略，值得注意的是，14A环化脱水后，以85%的收率得到苯并呋喃15A（图3）。由于异丙醚和甲基醚具有相似的稳健性，但异丙醚更易于裂解，因此选择异丙醚保护基，经C–H键芳基化反应得到13B，然后通过Lewis酸介导的脱保护、Kishi还原、硅基保护三步反应，无需中间纯化即可将13B转化为16。接着，通过C8b酯还原、Parikh-Doering氧化得到醛17，经Wittig烯化反应得到硅基保护的ε-viniferin类似物12A。此时，作者采用阳极氧化的二聚化方法来获得2A。为了确保完全的溶解度，加入二氯甲烷作为助溶剂并将电解质浓度降低一半，以63%的收率将12A转化为所需的苯醌亚甲基化物四聚体2A。
在此基础上，作者研究了C8b-C8c到C3c-C8b异构化的关键步骤。在热异构化条件下，2A可以很容易地获得vitisin B核心骨架（5B），但以四种C3c–C8b二氢苯并呋喃（DHB）异构体的混合物形式存在（图4）。升高温度可以改善DHB环的trans/cis比，这可能是由于热差向异构化导致。trans-DHB异构体是在18形成过程中从C8b到C3c的各种可能的面加成反应产生的，这表明在热异构化过程中保留了立体化学的完整性。O-硅基的脱保护条件还导致cis-DHB异构体差向异构化为相应的trans-DHBs，因此仅得到了两种产物。为了证明仅通过2A所示的相对构型发生形式[1,5]-迁移的假说，在2A和相应的TIPS保护的类似物2B之间进行了第二次交叉实验。热异构化后观察到交叉产物，进一步支持了C-C键的断裂和扩散与笼内重组产生异构体是竞争反应。但是，在HF•Et3N下进行TBS脱保护后，仅得到两种化合物19和20，这表明热异构化不会损失C8b-C8c二聚化所提供的立体化学的完整性。
图4. C8b–C8c到C3c–C8b的异构化，Friedel-Crafts环化和脱保护得到vitisin A。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
接下来，作者探究了O-硅基脱保护和质子脱硅的条件。在2A的异构化反应完成后，添加盐酸的甲醇溶液便可实现完全脱硅化，产生了vitisin A（6）及其C7b、C8二聚体（23）。vitisin A（6）是由这些化合物的生源合成中的vitisin B（5A）产生的。在DHB（21）质子化时酸介导的C7b–O键裂解产生了苯醌亚甲基化物（22）。值得注意的是，C10a–C7b键的形成仅提供图4中所示的相对构型，而C8b构型则决定了环化的面选择性。
为了防止发生Friedel-Crafts重排产生vitisin B（5A），将中间体19/20置于较温和的质子脱硅条件（Me3SiCl、KI、H2O以及溶剂MeCN）下反应1 h，便可得到vitisin D（7）和异构体26（图5A）。这是两个酸促进的环化结果，即原位环化生成vitisin A（6）后，C8c处的1,2-二苯乙烯质子化形成苯醌亚甲基化物互变异构体24/25，后者被间苯二酚环的C10d通过7-exo-trig环化捕获得到vitisin D（7）。
图5. A）C8b–C8c到C3c–C8b的异构化，Friedel-Crafts环化和脱保护得到vitisin D（4）。B）C5c-TMS在氟化物介导的脱硅化尝试中幸存下来。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
随后，作者尝试在碱性条件下合成vitisin B（5A）。很快便确定了C3/5b芳基硅烷基是通过氟化物介导的去硅化作用裂解的；但是，C5c-TMS仍保持完整（27/28，图5B）。研究表明，C3c–C8b DHB非常不稳定，实际上，在多种条件下都会转化为vitisin A（6）。尽管对脱硅化条件进行了广泛的评估，但通过这种方法获得vitisin B（5A）仍颇具挑战，相关方法还在进一步探索中。
总结
本研究利用持久性自由基首次实现了白藜芦醇四聚体vitisin A（总产率为3.3％）和vitisin D（总产率为3.7%）的全合成，从14A开始分别用了10步和11步。持久性自由基来自于温和的阳极氧化，随后的仿生转化将二聚体中间体迅速转化为四聚体，高效快捷地合成这些四聚体，为研究这些复杂分子的药理活性奠定了坚实的基础。
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Synthesis of Vitisins A and D Enabled by a Persistent Radical Equilibrium
Kevin J. Romero, Mitchell H. Keylor, Markus Griesser, Xu Zhu, Ethan J. Strobel, Derek A. Pratt, Corey R. J. Stephenson
J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 6499-6504, DOI: 10.1021/jacs.0c01714
导师介绍
Corey R. J. Stephenson
http://www.x-mol.com/university/faculty/1704
Derek A. Pratt
http://www.x-mol.com/university/faculty/6396
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