活性天然产物莪术烯的全合成

郭晶晶 袁长春 傅凯 荀苗苗 马文兵 王志强 李志春

莪术烯（Curzerene）是从姜黄属植物的根茎中分离提取的萜烯呋喃类天然产物，具有抗炎、抗癌、抗利什曼病等多种生物活性. 本文以商业化试剂（+）-马鞭草烯酮（6）为手性原料，首先通过已知的3步反应得到关键酮化合物（4）；4再与1，1-二甲氧基丙酮发生由TiCl4-Et3N介导的用于构建丁烯酸内酯的串联环化反应，分别以56%和20%的收率得到天然产物isogermafurenolid（2）及其异构体8-epi-isogermafurenolid（2′）；最后，2与2′经DIBAL-H还原、酸促进脱水呋喃化一锅反应，以82%的收率合成了目标天然产物莪术烯. 该合成路线共5步， 总收率34%.

温莪术; 榄香烯型倍半萜; 莪术烯; 全合成

O629.9A2023.035001

收稿日期： 2022-11-11

基金项目： 山西省基础研究计划（20210302123016）

作者简介： 郭晶晶（1996-）， 女， 山西太原人， 硕士研究生.  E-mail：1158936974@qq.com

通讯作者： 袁长春. E-mail： ycc543700483@nuc.edu.cn

Total synthesis of bioactive natural product Curzerene

GUO Jing-Jing1，2， YUAN Chang-Chun1，2， FU Kai1，2，

XUN Miao-Miao1，2， MA Wen-Bing1， WANG Zhi-Qiang1， LI Zhi-Chun1

（1.School of Chemistry and Chemical Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. Dezhou Industrial Technology Research Institute， North University of China， Dezhou 253034， China）

Curzerene is a natural product of terpene furans isolated from the curcuma rhizomes， which has various biological activities such as anti-inflammation， anti-cancer and anti-leishmaniasis. In this paper， commercially available （+）-verbenone （6） was utilized as chiral starting material to synthesize Curzerene in 5 steps with 34% total yield. A key ketone compound 4 was first obtained through a known three-step reaction. Then ketone 4 and 1，1-dimethoxyacetone underwent TiCl4-Et3N-mediated cyclization reaction to afford natural products isogermafurenolid （2） and its isomer 8-epi-isogermafurenolid （2′） in 56% and 20% yield， respectively. Finally， the target Curzerene was synthesized from 2 and 2′ with 82% yield by a one-pot reaction of DIBAL-H reduction and subsequent acid promoted dehydration.

Curcuma wenyuji； γ-Elemene-type sesquiterpenes； Curzerene； Total synthesis

1 引 言

姜科姜黄属植物温莪术是我国的传统中药，中医以其根茎入药具有行气破瘀，通经止痛的效果［1-3］. 温莪术根茎中含有的大量挥发油成分，通常被称之为“莪术油”［4，5］，现代医学研究表明，莪术油具有抗炎、抗肿瘤、调节免疫、抗菌等多种药效作用［6］，其有机化学成分主要含有倍半萜醇和倍半萜烯类化合物［7］，如：莪术醇、莪术双酮、榄香烯以及莪术烯等. 鉴于莪术油巨大的医学应用价值［8］，其含有的有效活性单体也颇受关注. 例如莪术醇在治疗肝癌方面具有显著的疗效［9］. 更值得一提的是，β-榄香烯作为非细胞毒性抗癌药物，现已被列为国家级二类抗肿瘤新药，用于治疗肺癌和乳腺癌［10］.

莪术烯（Curzerene，图1）作为莪术油中另一含量较高的有效活性单体［8， 11］，在医学研究方面也倍受关注. 其一，莪术烯在炎症治疗方面展现了巨大的医学应用前景：2006年，孙秀燕等［12］发现莪术烯对TNF-α炎症因子的分泌具有显著的抑制效果；2008年，王珊等［13］发现莪术烯在一定的浓度下对小鼠体内NO的释放展现出了很好的抑制效果，同时对正常的细胞增殖没有产生显著的干扰. 其二，莪术烯在抗肿瘤方面表现出了良好的生物活性：2017年，王友娣等［11］通过研究发现，莪术烯可以下调肺癌中谷胱甘肽s-转移酶（GST） A1的表达，并显示出抑制肿瘤的特性，同时显示出低毒、对裸鼠的器官没有损伤；2022年，Cheng等［14］发现莪术烯可抑制U251和U87胶质瘤细胞中谷胱甘肽s-转移酶（GST）A4和mRNA的表达，同时显示出抑制肿瘤的活性. 其三，2021年巴西学者［15］报道了莪术烯在抗利什曼病方面的体外研究，结果表明莪术烯可以有效的抑制利什曼病原虫的繁殖生长. 其四，也最为有趣的是，印度学者［16］为了在天然产物中寻求治疗新型冠状病毒肺炎（COVID-19）的药物，通过使用Auto Dock Vina软件对选取的天然产物分子与SARS-CoV-2刺突蛋白（PDB ID 7DDD）进行了分子对接分析，发现莪术烯展现了不错的对接分数. 这对后续治疗新型冠状病毒肺炎的药物发现具有一定的意义.

莪术烯（图1化合物1）属于榄香烯型倍半萜天然产物，分子结构中有两个手性中心，其中10号位为季碳手性中心. 对其展开全合成有一定的难度，截止目前有两个研究小组报道过它的合成. 1988年，Bohlmann小组［17］从哈格曼乙酯（Hagemanns ester）出发，经过长达十多步的转化首次报道了莪术烯消旋体的合成. 2019年，Barrero小组［18］从吉马酮（Germacrone）出发，利用钯配合物介导的Cope重排反应以及I2/DMSO介导的α-异丙烯基酮呋喃化反应，两步高效地实现了莪术烯的合成，但同样是完成了其消旋体的合成. 本研究小组对榄香烯型萜类天然产物的全合成具有浓厚的兴趣，目前已完成了多例该类型天然产物的合成工作［19］. 本研究论文在以往研究的基础上实现了莪术烯的手性合成.

异吉马呋内酯（Isogermafurenolide，图1化合物2）为γ-丁烯酸内酯类天然产物，同样也是从姜黄属植物温郁金的根茎中分离提取的天然产物［20，21］. 生物活性评价研究表明该化合物亦具有抗炎、抗肿瘤、神经防护等多种生物活性［22，23］. 从逆合成角度分析（图1），异吉马呋内酯经过还原能够得到半缩醛化合物3，然后3经过脱水芳香化过程，即可生成莪术烯. 而异吉马呋内酯则可通过化合物4与1，1-二甲氧基丙酮（化合物5）经TiCl4-Et3N介导的构建丁烯酸内酯化反应实现［24］. 酮化合物4为已知化合物，可由（+）-马鞭草烯酮经3步已知反应获得［19］. 莪术烯及异吉马呋内酯具体的合成路线见图2.

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

瑞士Bruker公司Advance Ⅲ HD 600 MHz型核磁共振波谱仪（CDCl3或C6D6为溶剂，TMS为内标；溶剂各残余峰为CDCl3∶1H NMR = 7.26， 13C NMR = 77.16; C6D6∶1H NMR = 7.16）；美国Thermo Fisher Exactive Plus型高分辨质谱仪.

（+）-马鞭草烯酮购自百灵威科技有限公司；四氯化钛、三乙胺、DIBAL-H、1，1-二甲氧基丙酮均购自萨恩化学技术（上海）有限公司；四氢呋喃、二氯甲烷均为分析纯， 使用前四氢呋喃加入金属钠重蒸处理，二氯甲烷加入氢化钙重蒸处理.

2.2 合 成

2.2.1 化合物4的合成 化合物4可通过已知的3步反应制备［19］，总收率55%.

2.2.2 Isogermafurenolide （2）和8-epi-isogermafurenolid （2′）的合成与结构表征 将4（178.28 mg，1.0 mmol）溶于10 mL干燥的二氯甲烷中，-78 ℃下向该溶液中加入四氯化钛（284.5 mg， 0.16 mL，1.5 mmol），10 min 后加入干燥的三乙胺（202.4 mg， 0.28 mL，2.0 mmol ）. -78 ℃下搅拌30 min，加入1，1-二甲氧基丙酮（5，236.3 mg， 0.24 mL，2.0 mmol）后将反应液自然升温至室温；反应24 h（TLC跟踪），加入50 mL蒸馏水淬灭反应，加入30 mL乙酸乙酯稀释，分相，水相用乙酸乙酯萃取3次（每次30 mL），有机相用无水Na2SO4干燥抽滤后，在旋转蒸发仪上减压浓缩后，经硅胶层析柱［ 洗脱剂：A=V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）=10∶1］纯化后，得白色固体Isogermafurenolide （2）共130.1 mg，收率56%；淡黄色油状液体8-epi-isogermafurenolid （2′）共46.5 mg，收率20%.

Isogermafurenolide （2）： ［α］D20 +19 （c 1.0， MeOH）; 1H NMR （400 MHz， CDCl3） δ 5.73 （dd， J = 17.4， 10.8 Hz， 1H）， 5.00 （brd， J = 10.4 Hz， 1H）， 4.99 （brs， 1H）， 4.97 （brd， J = 17.6 Hz， 1H）， 4.83 （dd， J = 11.6， 6.0 Hz， 1H）， 4.73 （s， 1H）， 2.67 （dd， J = 14.4， 4.4 Hz， 1H）， 2.55 （t， J = 13.6 Hz， 1H）， 2.20 （dd， J = 12.4， 6.0 Hz， 1H）， 2.04 （dd， J = 12.8， 4.0 Hz， 1H）， 1.82 （t， J = 1.6 Hz， 3H）， 1.76 （s， 3H）， 1.17 （s， 3H）; 1H NMR （400 MHz， C6D6） δ 5.38 （dd， J = 17.6， 10.8 Hz， 1H）， 4.84 （t， J = 1.6 Hz， 1H）， 4.78 （dd， J = 10.8， 0.8 Hz， 1H）， 4.70 （dd， J = 17.6， 0.8 Hz， 1H）， 4.48 （s， 1H）， 4.19 （dd， J = 11.6， 6.0 Hz， 1H）， 2.10 （dd， J = 14.4， 4.0 Hz， 1H）， 1.82 – 1.72 （m， 2H）， 1.62 （t， J = 1.6 Hz， 3H）， 1.54 （dd， J = 13.6， 4.0 Hz， 1H）， 1.50 （s， 3H）， 0.66 （s， 3H）; 13C NMR （100 MHz， CDCl3） δ 174.9， 162.1， 146.7， 145.0， 120.2， 114.0， 112.0， 78.0， 53.1， 45.9， 40.9， 28.5， 24.9， 17.1， 8.4; HRMS （ESI）： m/z 计算值 C15H20O2 ｛［M+H］+｝， 233.1536， 实测值233.1535.

8-epi-isogermafurenolid （2′）： ［α］D20 -25 （c 1.0， MeOH）; 1H NMR （600 MHz， CDCl3） δ 5.89 （dd， J = 17.4， 11.8 Hz， 1H）， 5.30 （s， 1H）， 5.22 （d， J = 18.0 Hz， 1H）， 5.18 （d， J=10.8 Hz， 1H）， 4.86 （dd， J = 12.0， 6.6 Hz， 1H）， 4.82 （s， 1H）， 4.68 （s， 1H）， 2.73～2.62 （m， 2H）， 2.59 （d， J = 7.0 Hz， 1H）， 2.31 （dd， J = 13.2， 6.6 Hz， 1H）， 1.81 （s， 3H）， 1.72 （s， 3H）， 1.00 （s， 3H）; 13C NMR （100 MHz， CDCl3） δ 174.9， 162.1， 147.3， 146.5， 120.9， 114.1， 113.3， 78.3， 49.6， 40.9， 39.4， 28.8， 28.1， 25.5， 8.4; HRMS （ESI）： m/z 计算值 C15H20O2 ｛［M+H］+｝， 233.1536， 实测值233.1536.

2.2.3 莪术烯（1）的合成与结构表征 将2与2′的混合物（比例为2.8∶1， 185.6 mg，0.8 mmol）溶于8.0 mL干燥的四氢呋喃中，-30 ℃下向反应液中缓慢加入1.36 mL二异丁基氢化铝（1.0 mmol/L in toluene）.滴加结束后将反应液缓慢升至-10 ℃，再加入5.6 mL四氢呋喃与5.4 mL 10%硫酸的混合溶液，然后将反应液置于0 ℃下搅拌30 min，接着加入30 mL蒸馏水，最后加入30 mL乙酸乙酯分相. 水相用乙酸乙酯萃取3次（30 mL × 3），有机相用无水Na2SO4干燥抽滤后，在旋转蒸发仪上减压浓缩后经硅胶层析柱［洗脱剂：A=V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）= 20∶1］纯化后得无色油状1共141.6 mg，收率82%.

莪术烯 （1）： ［α］D20 -8.7 （c 0.5，CHCl3）; 1H NMR （400 MHz， CDCl3） δ 7.06 （bs， 1H）， 5.88 （dd， J = 17.2， 10.8 Hz， 1H）， 5.00 （dd， J = 12.4， 0.8 Hz， 1H）， 4.97 （dd， J = 5.2， 0.8 Hz， 1H）， 4.87 （t， J = 1.2 Hz， 1H）， 4.76 （bs， 1H）， 2.68 （bd， J = 16.4 Hz， 1H）， 2.42 （m， 2H）， 2.36 （d， J = 16.0 Hz， 1H）， 2.30 （t， J = 7.2 Hz， 1H）， 1.92 （d， J = 1.2 Hz， 3H）， 1.75 （s， 3H）， 1.07 （s， 3H）; 13C NMR （100 MHz，CDCl3）： δ 149.7， 147.4， 147.3， 137.3， 119.5， 116.6， 112.9， 111.1， 50.1， 40.3， 36.3， 24.6， 24.3， 19.6， 8.3；HRMS （ESI）： m/z 计算值 C15H20O ｛［M+H］+｝， 217.1587， 实测值217.1590.

3 结果与讨论

莪术烯和异吉马呋内酯的全合成路线如图2所示. （+）-马鞭草烯酮作为廉价易得的手性化合物，在天然产物全合成中常作为理想的起始原料. （+）-马鞭草烯酮经过与乙烯基格氏试剂的Michael加成反应、酸性条件下四元环的定向开环反应和K2CO3/MeOH条件下的乙酰基脱保护反应这三步已知反应［19］，能以55%的收率得到已知酮化合物4.

酮化合物4在TiCl4-Et3N体系的介导下（图3）［24］，首先与1，1-二甲氧基丙酮经由中间态7发生交叉aldol反应得到中间体8，接着发生分子内的环化反应得到中间态9，然后脱除TiCl3OH可得到中间态10，最后经水解可得到目标化合物2（isogermafurenolide）及其差向异构体2′（8-epi-isogermafurenolid）. 其中化合物2为热力学稳定主产物，收率为56%; 2′为副产物， 收率为20%. 化合物2经1H NMR、13C NMR、HRMS和旋光度的表征与提取分离报道一致［17， 20， 21］，确认完成了异吉马呋内酯（2）的全合成工作.

2与2′的混合物（比例为2.8∶1）首先用DIBAL-H将其还原成半缩醛中间体，然后用酸后处理使其脱水芳香化，最后可一锅以82%的收率实现目标分子莪术烯（1）的全合成. 其结构通过1H NMR和13C NMR进行了表征（图4和图5），此外还通过HRMS表征了其结构，以上表征结果均与提取分离报道一致［17，18］.

4 结 论

本文以商品化的天然手性源（+）-马鞭草烯酮为初始原料，经过与乙烯基格氏试剂Michael加成反应、酸性条件下四元环定向开环反应和K2CO3/MeOH脱乙酰基保护反应，首先得到已知化合物4；4接着与1，1-二甲氧基丙酮（5）发生由TiCl4-Et3N介导的γ-丁烯酸内酯化反应，分别得到化合物2及其差向异构体2′；最后2与2′经DIBAL-H还原反应、酸催化脱水芳香化反应生成目标产物莪术烯（1）. 综上，本文以5步34%的总收率实现了莪术烯的手性全合成，其结构经1H NMR、13C NMR和HRMS表征与报道一致.

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引用本文格式：

中 文： 郭晶晶， 袁长春， 傅凯， 等. 活性天然产物莪术烯的全合成［J］. 四川大学学报： 自然科学版， 2023， 60： 035001.

英 文： Guo J J， Yuan C C， Fu K， et al. Total synthesis of bioactive natural product Curzerene ［J］. J Sichuan Univ： Nat Sci Ed， 2023， 60： 035001.