圖1. 小檗鹼和兩面針鹼的構效關係
小檗鹼和兩面針鹼的藥物構效關係如圖1。對於小檗鹼骨架，胡椒基在降糖調脂和抗癌作用中必須保留，但其代謝不穩定；7位N修飾是透過異喹啉環還原後季銨化，N陽離子中心對於抗腫瘤作用有較大影響；8和13位主要是烷基修飾，鏈長短影響小檗鹼脂溶性，親脂性修飾可以提高抗菌活性，但會降低抗腫瘤活性；9位甲氧基可以選擇性脫除得到酚羥基，進而透過酯鍵、醚鍵等方式進行連線，是修飾最多的位點，多數可以提高抗腫瘤活性，連線基團不同對各類癌細胞具有多樣的活性（如9-O-二烯基小檗鹼抗人肝癌細胞活性是小檗鹼的102倍；9-O-桂皮酸小檗鹼在濃度30 mg/(Kg•D)時對小鼠腹膜內肉瘤菌株有95%的抑制作用）；10、11和12位點修飾後會影響降脂活性。對於兩面針鹼骨架，1位修飾報道較少，引入芳基可以提高抗菌活性；6位氧化成醯胺，同時5位N上連線不同末端脂肪胺，能夠提高抗Topo I（拓撲異構酶I）的活性，從而提高以Topo I為靶點的抗癌活性，如結腸癌、急性淋巴白血病等；在7和8位引入烷基醚，可增強抗宮頸癌活性；在9、11和12引入脂肪胺，或將12位C用N原子替換，均可以提高抗Topo I活性。
就目前對這兩類生物鹼的結構改造，小檗鹼的研究主要集中於對小檗鹼分子官能團的直接修飾，這種做法限制了小檗鹼骨架改造的官能團多樣性和位點選擇性：如小檗鹼1和4位修飾，通常運用親電反應進行烷基化或醯基化，無法實現化學選擇性，更可能發生的位點是12位；5和6位烷基鏈的修飾則更加困難，在非氧化芳香化的條件下，只能透過自由基反應實現修飾，而異喹啉季銨鹽並不能有效相容自由基。而對兩面針鹼骨架，為了在合成過程中避免化學選擇性問題的出現，2和3位往往都是相同官能團，同時4位的修飾也未見報道；1和12位的修飾主要在兩面針骨架上進行的親電反應，如傅克烷基化與醯基化，化學反應模型單一，官能團選擇性受限；6位修飾主要透過5位N季銨化後親核反應，如醇、胺、格氏試劑的進攻，往往只能引入醚、脂肪胺或烷基鏈。因此，開發官能團相容性好和修飾位點多的新合成路線，將對這兩類生物鹼成藥發現起到推動作用。
華東師範大學姜雪峰課題組基於“生物鹼調控多樣性合成”理念 (Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14960; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 5218; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 9028; J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 1334.)，對原小檗鹼和原兩面針鹼進行了“統一”逆合成分析：原小檗鹼和原兩面針鹼分別透過B環的C-N鍵切斷和C-C鍵切斷，得到一個共同的3-芳基異喹啉高階中間體，這一中間體可以由A環和C-D環透過Suzuki偶聯實現，其中A環透過設計的環硼酸來定向偶聯位點，C-D環3-滷代異喹啉則可由吡啶炔與取代呋喃環加成產物獲得（圖2）。這樣整個合成就會實現高效簡潔：1）一個前體，高選擇性獲得多取代吡啶炔；2）兩個家族，原小檗鹼和原兩面針鹼調控多樣性合成；3）三個模組，匯聚式合成得到核心中間體。
圖2. 原小檗鹼和原兩面針鹼的逆合成分析
基於此策略，他們首先設計合成了模組A共4個不同取代的環硼酸化合物（圖3）；其次透過設計高碘鹽作為芳炔前體離去基，僅在溫和條件下（叔丁醇鉀為鹼）即可獲得多樣性吡啶炔中間體模組C，與3-溴呋喃模組D發生環加成得到氧橋環產物，採用一價銥與三價鈧串聯催化一鍋合成3-氯異喹啉，同時實現氧橋環C-O鍵選擇性斷裂，共合成8個不同取代基的3-滷異喹啉模組C-D；再與4個環硼酸模組A以排列組合的形式發生Ullmann-Ma偶聯，獲得24個3-芳基異喹啉高階中間體模組A-C-D（圖5）。
圖3. 模組A的合成
圖4. 模組C-D的合成
圖5. 模組A-C-D的合成
基於不同反應途徑，隨後調控實現了C-N鍵與C-C鍵連線來構建B環，叢集式地合成了原小檗鹼和原兩面針鹼兩個家族天然產物。一方面，3-芳基異喹啉透過甲磺醯氯對醇羥基活化後發生分子內SN2親核取代，獲得24個原小檗鹼類生物鹼及其衍生物（圖6與圖7），並實現了脫氫紫堇鹼（Dehydrocorydaline）的克級合成。另一方面，130 ℃下用氫氧化鉀對芳基乙醇攫氫消除現場獲得芳基乙烯，可見光（λ = 450 nm）照射發生6-π電環化實現C-C鍵連線，合成12個原兩面針鹼類生物鹼及其類似物（圖6）。
圖6. 原小檗鹼和原兩面針鹼兩個家族調控合成
透過設計多取代吡啶炔和發展銥鈧串聯催化，快速獲得3-滷異喹啉，模組化、匯聚式、多樣性、家族式地調控合成36個原小檗鹼和原兩面針鹼類生物鹼。初步藥效探究便獲得了相較於胰腺癌治療藥物吉西他濱11%抑制率更好的結果23%（圖8）。
圖7. 原小檗鹼類生物鹼及衍生物的合成
圖8. 原小檗鹼和兩面針鹼類生物鹼及其衍生物對人胰腺癌SW1990細胞抑制作用
這一研究成果近期已經線上發表於Org. Lett.上。
Modular and Divergent Syntheses of Protoberberine and Protonitidine Alkaloids
Kai Liu, Xuefeng Jiang
Org. Lett., 2021, DOI: 10.1021/acs.orglett.0c04310
導師介紹
姜雪峰
https://www.x-mol.com/groups/Jiang_Xuefeng