具抗癌活性的菲并吲哚里西丁類生物堿構效關系及不對稱全合成研究進展

楊 晉，祁利民

1北方民族大學化學與化學工程學院;2 國家民委化工技術重點開放實驗室，銀川 750021

生物來源的菲并吲哚里西丁類生物堿主要分布在蘿藦科的娃兒藤屬(Tylaphora)、鵝絨藤屬(Cynanchum)和桑科的榕屬(Ficus)，此外，在班蝶科的班蝶屬(Ideopsis)中也發現有該類生物堿的存在。自1935年首次從印度藥用植物印度娃兒藤(Tylaphora indica)中發現娃兒藤堿(tylophorine，1)以來，已分離得到該類化合物近80 個［1，2］。這類生物堿具有抗病毒、抗炎等多種生物活性，其中，最引人注目的是抗腫瘤活性，根據現有文獻報道，已發現的化合物中約25%具有抑制腫瘤細胞生長的活性，引起了藥學家和化學家的極大興趣，相繼展開了該類生物堿的全合成工作。但是，這類化合物在擁有抗癌活性的同時，也有一定的毒副作用，例如密花娃兒藤堿(tylocrebrine)在一期臨床研究中發現具有很高的中樞神經作用而終止研究［3］，從而制約了這類高活性生物堿的進一步開發利用。因此，以菲并吲哚里西丁類生物堿為先導化合物，明確構效關系，利用現代化學和生物學的方法，在不影響抗腫瘤生物活性的前提下，降低毒性，是解決這類生物堿開發的必由之路。本文對具有抗腫瘤活性的菲并吲哚里西丁類生物堿的構效關系和不對稱全合成研究進展進行了綜述。

1 構效關系

已報道的全合成和結構修飾工作為菲并吲哚里西丁類生物堿的構效關系提供了大量可供分析的數據，這些數據提示我們，菲并吲哚里西丁類生物堿化學結構中菲環的取代基、C14位是否被氧化、N 原子的存在形式都可能影響這類生物堿的抗腫瘤活性。

1.1 菲環

天然存在的菲環開裂的菲并吲哚里西丁類化合物，如secoantofine(5)等，通常表現出較弱的抗腫瘤活性［4-6］(見表1 和圖1)，但是，tyloindicine I(12)是一個例外，在美國國家癌癥研究中心的抗腫瘤藥物篩選中表現優異，是最有可能開發為藥物的先導化合物之一［7］。這個化合物的化學結構中包含了一個高度不飽和的吲哚環，可能是其具有高抗腫瘤活性的原因之一。因此，對于菲并吲哚里西丁類生物堿，就抗腫瘤活性來說，擁有較長的共軛鏈，并具有兩個芳香環，是必要的。

表1 所列具有抗腫瘤活性的化合物，在C2上均連有甲氧基，說明C2上連有的基團對該類化合物的抗癌活性影響顯著［4，8］。當C6上甲氧基被羥基取代后，抗腫瘤活性進一步增強，如化合物3 對腫瘤細胞的生長抑制作用要強于娃兒藤堿［4，9］;如果2，3-二氧甲基被2，3-二氧亞甲基取代，則活性大大降低［9］。Kim 小組［10］對安妥分(antofine，2)菲環上不同取代基對抗癌活性的影響進行了研究，在C2連有甲氧基的右旋安妥分對HCT116 腫瘤細胞株抑制作用的IC50值為9.9 nM，如果在C2上引入異丙氧基或與C3位形成亞甲二氧基，抗腫瘤活性將降低100倍。另外，在保證C2位上為甲氧基的同時，在C6上引入羥基，也會增強化合物抑制腫瘤細胞生長的活性。這一結果提示，具抗癌活性的菲并吲哚里西丁類生物堿的C2上不能連有較大空間位阻的基團，而且在與受體結合時，如果C6上的羥基可能與受體形成了氫鍵。

1.2 N 原子

天然存在的菲并吲哚里西丁類生物堿中吲哚環上的N 原子存在形式有兩種:游離N 原子和氮氧化物。通常，形成氮氧化物的化合物對于腫瘤細胞的生長抑制作用要比相應的化合物低5～10 倍［4，11］。有研究表明，腫瘤細胞生長環境的pH 值與該類生物堿的pKa 越接近，則該類生物堿的細胞抑制活性越顯著，如娃兒藤堿在pH 7.0 環境下的細胞毒活性要高于在pH 5.8 環境下呈現的活性，這一現象提示，非質子化的N 原子可能更有利于與受體結合從而發揮抑制作用［12］。

圖1 部分具有抗腫瘤活性的菲并吲哚里西丁類生物堿的化學結構Fig.1 Chemical structures of phenanthroindolizidine-type alkaloids with antitumor activity

表1 部分菲并吲哚里西丁類生物堿的抗癌活性Table 1 The antitumor activity of some phenanthroindolizidine-type alkaloids

1.3 立體化學

右旋安妥分較消旋體的抗腫瘤活性高2 倍有余，說明消旋體中可能只有一種對映體具有活性［10］。天然存在的菲并吲哚里西丁類生物堿C13a通常為S 構型，將它們的抗腫瘤活性與合成的、具有C13a(R)構型的化合物相比，可以發現一個有趣的現象:天然的、具有C13a(S)構型的生物堿對HCT116和A549 腫瘤細胞株表現出較強的抑制作用，而合成的、具有C13a(R)構型的生物堿對KB 腫瘤細胞株則抑制作用較強［4，10，13，14］。在C13a上引入羥基等基團，可以有效地增加化合物的水溶性［15］，有利于新藥開發，因此，由C13a的立體化學帶來的構效關系還有待進一步的研究確認。

部分天然的菲并吲哚里西丁類生物堿在C14上存在羥基，如娃兒藤定堿(tylophorindine，7)。有研究報道了娃兒藤定堿和娃兒藤堿等類似物對KB、HepG2 等腫瘤細胞株的抑制作用，結果提示，具有C14羥基的生物堿，C14的立體構型是S 構型的活性要優于R 構型［5，13，16］，這與天然發現的具C14羥基的菲并吲哚里西丁類生物堿C14大多為S 構型相一致。

2 菲并吲哚里西丁類生物堿的不對稱全合成途徑

菲并吲哚里西丁類生物堿的全合成工作始于1950年代，隨著外消旋的小穗苧麻素和娃兒藤堿的合成并證明其具有與天然來源的生物堿相似的生物活性，有機化學家們開始研究全合成這類生物堿，娃兒藤堿和安妥分是最常使用的目標化合物，這兩個化合物的分子結構中都存在有手性中心。如前所述，菲并吲哚里西丁類生物堿的立體化學影響著其抗腫瘤活性，能夠合成非對映異構體，不論是開展構效關系研究，還是開發新藥，都是非常理想的目標。因此，手性合成是本文綜述的重點。

2.1 通過手性底物進行不對稱合成

1983年，Rapoport 小組完成了(S)-(+)-娃兒藤堿的全合成。在合成中，首先利用藜蘆醛(veratraldehyde)和3，4-二甲氧基苯乙腈通過羥醛縮合、氧化偶聯關環構建了菲環單元，然后再與(S)-(+)-二異丙基谷氨酸酯作用得到胺12，胺12 通過成環、水解得到酸13，酸13 可以非常容易地發生分子內的Friedel-Crafts 反應得到具有絕對構型的酮14，酮14 在三仲丁基硼氫化鋰的催化下將14 位的羰基還原為羥基，并進而在氫氧化鉛和碳的催化加氫及四氫鋁鋰還原可以得到(S)-(+)-娃兒藤堿;同時，還可以得到兩個在C14位上具有羥基的對映異構體15、16(圖2)［17］，這些化合物都具有良好的抗腫瘤活性。雖然Rapoport 小組得到的(S)-(+)-娃兒藤堿與天然來源的娃兒藤堿是對映異構體，但是通過引入(S)-谷氨酸衍生物作為手性試劑，在成功合成具有絕對構型的菲并吲哚里西丁生物堿的同時，確定了天然來源娃兒藤堿的絕對構型。

圖2 路線1Fig.2 Scheme 1

Nordlangder 和Njgoroge 報道了一條相對較短的(S)-(+)-娃兒藤堿的合成路線。在這條全合成途徑中所使用的手性底物是(S)-N-(三氟乙酰)-L-脯氨酰氯，手性底物與2，3，6，7-四甲基菲發生Friedel-Craft 反應生成(S)-N-(三氟乙酰)-2，3，6，7-四甲基-9-L-脯氨酰基菲，然后經還原羰基、脫去三氟乙酰基、關環得到(S)-(+)-娃兒藤堿(圖3)［18，19］。

圖3 路線2Fig.3 Scheme 2

Furstner 小組利用D-(-)-吡咯烷為手性底物，通過延伸側鏈的方法首先構建了吲哚環的片段，含有炔基鋰的吲哚環片段與多取代二苯發生Kumada偶聯，經Pictet-Spengler 反應，合成了(R)-(-)-安妥分(圖4)［20］。值得注意的是，利用這條合成路線合成的安妥分的立體化學與天然得到的安妥分一致。

Kim 小組利用(R)-1-三丁基錫基-1-丁烯-3-醇為手性底物，與菲基溴反應，生成的具有手性的丙烯醇與三氯乙腈發生Pinner 反應生成亞胺基醚，該化合物脫去三氯乙酰保護基團，經Pictet-Spengler 反應，合成了(R)-(-)-安妥分(圖5)［21］。

圖4 路線3Fig.4 Scheme 3

圖5 路線4Fig.5 Scheme 4

我國學者在娃兒藤堿的全合成方面也做了大量的工作。Huang 小組的合成路線使用的手性底物是叔丁基L-焦谷氨酸酯，手性底物與菲基氯發生Friedel-Craft 反應生成(S)-(+)-娃兒藤堿(圖6)［22］。這條合成路線得到的產物具有很高的光學純度(92%，=+74.9°)。

圖6 路線5Fig.6 Scheme 5

2.2 利用手性催化劑進行不對稱合成

2003年，Kim 小組在完成安妥分的全合成研究時，使用了相轉移催化劑，該催化劑是一個手性催化劑17，使菲基溴與具亞胺結構的甘氨酸衍生物反應時，得到的亞氨基醚18 具有97% 光學純度，經Pictet-Spengler 環合反應，即可得到(R)-(-)-安妥分(圖7)［23］。

圖7 路線6Fig.7 Scheme 6

圖8 路線7Fig.8 Scheme 7

Chemler 小組采用了不同的構建菲環的合成途徑。以多取代的苯乙醇為原料，使之生成溴代產物，然后二聚生成二苯乙烷，在phenyliodine(Ⅲ)bis(trifluoroactetate)(PIFA)的作用下環合成菲環，再與pentenylamine 生成中間產物19，在環合時，采用了含有二價銅離子的手性催化劑20，在脫去二氧化硫基團后，再環合即得到(S)-(+)-娃兒藤堿(圖8)［24］。

2.3 使用手性試劑進行不對稱合成

Fukumoto 小組將多甲氧基取代的二苯乙烯酸與4-氨基丁先二乙基縮醛反應，生成化合物21，該化合物在具有手性的(-)芐基薄荷基三苯膦醋酸酯［(-)-phenylmentyl (triphenylphosphoranylidene)acetate］作用下發生Horner-Madsworth-Emmons 反應生成化合物22，化合物在TBSOTf 和三乙胺作用下發生雙Michael 重排得到與天然娃兒藤堿旋光一致的手性前體，再經還原，即可得到(-)-娃兒藤堿(圖9)［25］。

2.4 使用手性輔助劑進行不對稱合成

圖9 路線8Fig.9 Scheme 8

圖10 路線9Fig.10 Scheme 9

Commins 小組采用手性輔助劑(-)trans-2-(αcumyl)cyclohexyl ester 完成了(-)-娃兒藤堿的全合成。首先，吡啶鹽在手性輔助劑的引導下與格式試劑3-丁烯基溴化鎂發生非對映選擇性的加成反應，生成的化合物23 具有很高的光學純度;該化合物經脫去手性輔助劑后即可得到單不飽和的吲哚環，不飽和的吲哚環催化加氫，與3，4-二甲氧基苯基溴化鋅反應生成(-)-septicine，這個化合物也存在于天然界;(-)-septicine 在VOF3作用下即可生成(-)-娃兒藤堿(圖10)［26］。

3 結語

菲并吲哚里西丁類生物堿是一類具有較高活性的天然抗腫瘤生物堿，一直是藥物化學家們研究的熱點。雖然有大量的研究報告，但是依舊還有未能闡明的構效關系，如13、14 位的光學特性是否對抗腫瘤活性有影響，還更多的數據來驗證。

同時，菲并吲哚里西丁類生物堿的全合成也是研究熱點之一。對于這類化合物的全合成策略，可以明顯地分為兩類:先構建菲環和先構建吲哚環。先構建菲環，再進行碳鏈延伸，與五元含氮雜環連接，然后關環形成目標化合物的合成策略是目前合成這類化合物的主流。這種合成策略通常合成步驟在10 步以上，較為繁瑣。采用含氮雜環先構建吲哚環，然后與多取代苯連接，再關環形成目標化合物的全合成路線，相關報道較少，而且反應中可能會使用到一些較為苛刻的條件，實用性略顯不足。根據菲并吲哚里西丁類生物堿的分子結構特點，發展更為簡便、經濟的合成路線，或者在了解構效關系的基礎上，進行結構改造或結構修飾，是更好地利用和開發這類生物堿的有效途徑。

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