一叶萩型生物碱连氮手性碳构型翻转现象及其机制

      大戟科(Euphorbiaceae)白饭树属(Flueggea)植物全世界约有12种，我国主产4种，其中一叶萩和白饭树可作药用。白饭树属植物富含生物碱类成分，其中一叶萩型生物碱(Securinega alkaloids)是该属植物的特征性成分，其结构具有独特的四环桥连骨架结构，且结构中包含多个手性中心。2009年，日本学者报道了一对在一叶萩新碱型生物碱的C-13位连有一个哌啶环片段(piperidin-2-yl)的新型一叶萩型生物碱secu′amamines F和G (图1)，并采用NOE技术结合ECD方法对这两个生物碱的绝对构型进行了推测。然而，该对生物碱C-13位所连有的哌啶环作为一个独立的手性簇，与生物碱母核的空间距离较远，且其构象在室温条件下可自由翻转，故采用上述构象依赖的方法对该对生物碱的绝对构型进行确定似有不妥。另外，文献中还报道了secu′amamines F和G的甲醇溶液在室温条件下可发生缓慢的相互转化，并由此推测该对生物碱互为一对以C-13–C-2′键为手性轴的阻转异构体。然而，该对生物碱哌啶环片段的邻位并未连有可阻碍其自由旋转的大基团，同时其分子内也无明显的氢键效应，因此有学者对secu′amamines F和G为一对阻转异构体的结论产生了质疑。那么，secu′amamines F和G的立体构型究竟如何？两者之间的相互转化又是由什么因素引起的？

图1. Secu′amamines F和G的推测结构及旋转互变

本课题组近年来对我国产3种大戟科白饭树属植物一叶萩、白饭树和聚花白饭树的一叶萩型生物碱类成分进行了系统研究，并取得了一系列研究成果(Angew Chem., Int. Ed., 2014, 53, 5796; Org. Lett.2018, 20, 7703; Org. Lett.2012, 14, 3096; Org. Lett.2011, 13, 3888; Chem. Commun. 2014, 50, 9284; ACS Chem. Neurosci. 2016, 7, 1442)。近期，该课题组从一叶萩中发现了三对C-13位连有哌啶环片段的一叶萩型生物碱(1–6, 图2)，并首次通过单晶X-射线衍射实验结合ECD方法确证了它们的绝对构型，它们分别为三对C-2ʹ位的差向异构体，包括4个新化合物。此外，基于观测到的三对差向异构体的互变现象，利用HPLC和NMR技术结合氘代实验，并以DFT计算方法为辅助，对这些化合物的差向异构化机制进行了研究，揭示了一个新颖的连氮手性碳构型翻转机制。相关成果发表于Org. Lett. (2020, 22, 3673–3678. DOI:10.1021/acs.orglett.0c01167)。

图2. 三对生物碱(1–6)的分子结构及其差向异构化

首先，在LC-MS技术的指导下，该课题组从一叶萩枝叶中分离获得了6个具有相似色谱行为和相同分子质量的生物碱类化合物，并运用1D和2D核磁共振实验确定了化合物1–6具有与文献中报道的secu′amamines F和G相同的平面结构。通过常规的NOESY实验，作者先确定了化合物1–6中刚性的一叶萩新碱骨架的相对构型结构，然而因它们C-13位的柔性片段哌啶环的构象可随意翻转，故给整个分子立体结构的确定带来了极大挑战。随后，他们通过尝试一系列的培养条件，成功获得了化合物1、3和5的晶体以及化合物2的盐酸盐晶体，并采用单晶X-射线衍射技术和ECD方法确定了这些化合物的绝对构型(图3)。其中，fluepidines A–D (3–6)为4个新化合物，还首次确证了已知化合物secuʹamamine F(1)的绝对构型，并纠正了secuʹamamine G(2)的立体结构。

图3. 化合物1-3和5的单晶X-衍射结构

有趣的是，在研究过程中，作者发现这些化合物(1和2，3和4，5和6)在甲醇溶液中可发生缓慢的差向异构化(C-2ʹ手性翻转)，各对差向异构体之间可进行相互转化，并经8~9周达到平衡。随后，以化合物1和2为例，作者利用HPLC技术监测了温度、溶剂等条件对其差向异构化现象的影响。结果如图4中所示，当化合物1和2储存于质子性溶剂甲醇中时，随着保存温度的升高，二者的相互转化速度明显加快；当化合物储存在非质子性溶剂乙腈中时，即使将温度升至55 °C，化合物1和2也未发生明显的相互转化现象；而将储存溶剂换为水时，在同样温度下，化合物1和2的互变速度明显快于其在甲醇中的互变速度。以上实验结果提示，化合物1和2间的相互转化过程需要质子性溶剂的介导，应涉及到了一个质子转移的过程。

图4. 溶剂对化合物1和2相互转化的影响

为了进一步探究分子结构中质子转移的具体过程，作者进行了氘代实验，结果如图5所示。在氘代溶液中，化合物1的1H NMR谱显示，随着氘代时间的延长，H-15a和H-15b的积分面积均逐渐减小。除H-15a和H-15b外，其余质子信号在不同溶剂中随氘代时间的延长其积分面积并未发生明显变化。进一步地，作者测试了化合物1在氘水中的高分辨质谱，结果显示，除能观测到化合物1的分子离子峰及结构中氨基和羟基等活泼质子被氘代后的离子峰信号外，还可观测到另外两个非活泼质子被氘代的离子峰信号。当对化合物2进行氘代实验时，所得结果与1类似。以上实验结果提示，化合物1和2的互变过程与C-15上的两个质子(H-15a和H-15b)有关，而与分子中其它质子无关。

图5. 化合物1的氘代实验结果

为了考察哌啶环氨基对化合物1和2互变的影响，作者随后进行了异构化阻断及恢复实验(详见原文)。结果表明，哌啶环上氨基的碱性可诱导互变的发生。作者还在实验中观测到C-7‒N-1键断裂产物7和8，这为差向异构化过程的竞争性反应结果。综合上述实验结果，作者提出化合物1和2的差向异构化经历了一个罕见的串联1,4-消除/1,4-加成过程(图6)。首先，在质子溶剂介导下，化合物1(或2)结构中哌啶环中氨基自身的碱性可诱导C-15位质子的离去，形成碳负离子中间体INT1(或INT2)。紧接着，经过1,4-共轭消除反应，C-2′−N-1′键发生断裂并形成C-13=C-2′和C-14=C-15双键，生成哌啶环开环中间体ROI。后者再经历一个分步的可逆过程，即1,4-共轭加成反应，最终重新关环并完成C-2′位手性碳构型的翻转。以上过程由化合物自身的碱性诱导，在质子性溶剂介导下离去C-15位质子，并引发分子内的串联反应，从而实现氮原子邻位手性碳C-2ʹ立体构型的翻转。

图6. 化合物1和2可能的异构化机制

为进一步验证该机制的合理性，作者运用量子化学计算的方法搜索其反应过程的过渡态，并对相关过渡态和中间体的自由能进行了模拟计算。结果表明(图7)，化合物1和2在质子溶剂介导下，可缓慢发生串联1,4-消除/1,4-加成，其反应速率与实测值接近。值得注意的是，在水溶液中，化合物1和2的转化速率较甲醇中更快，提示其在植物体内可自发快速发生转变。

图7. 化合物1和2在甲醇和水溶液中互变过程的DFT计算结果

综上，作者通过运用单晶X-射线衍射技术和ECD方法确定了三对C-13位连有柔性哌啶环片段的一叶萩型生物碱的绝对构型，并通过动态HPLC监测、氘代实验、阻断实验以及化学计算等方法对它们的差向异构化现象及其反应机制进行了研究，证实其经历了一个罕见的质子介导的串联1,4-消除/1,4-加成过程。该过程由化合物自身碱性所诱导，在质子性溶剂介导下通过离去C-15位质子引发分子内的串联反应，并完成氮原子邻位手性碳C-2ʹ立体构型的翻转。以上研究不仅首次确定了该类一叶萩型生物碱的立体构型，也揭示了一个新颖的氮原子邻位手性碳立体构型翻转机制，为理解生命体中化学物质构型转换现象提供了新的视角。

该研究成果以“Absolute configurations and stereochemical inversion mechanism of epimeric Securinega alkaloids from Flueggea suffruticosa”为题在线发表于Org. Lett. (2020, 22, 3673–3678. DOI:10.1021/acs.orglett.0c01167)。吴振龙博士、黄晓君博士和胡利军博士为该论文共同第一作者，叶文才教授和王英教授为通讯作者。