我国科学家在复杂生物碱合成领域取得重大突破 为创新药物研发开辟新路径

问题:复杂天然产物“合成难、做全更难” 在天然产物合成与药物分子构建领域,含螺环-桥环骨架、同时携带多个立体中心的四氢异喹啉类生物碱长期被视为合成化学的前沿方向之一。

此类分子往往以紧凑的三维骨架提供高度构象刚性,从而在与生物靶标结合时呈现更强的选择性与活性潜力。

典型代表如吗啡、抗肿瘤活性分子曲贝替定等,均体现了复杂骨架与显著药理作用之间的关联。

五环高原阿朴啡碱(Homoproaporphine)是一类主要自秋水仙科等植物中分离得到的四氢异喹啉类天然产物。

其结构具有6/6/6/6/6并环体系,兼具螺环-桥环骨架与多位点立体化学差异。

正因“环系密集、立体中心多、可变位点多”,不仅“合成一个”难,实现同一骨架不同立体构型的“立体多样性合成”更是挑战:既要在有限步骤内构建多环骨架,又要在关键节点实现可控、可切换的立体选择性。

原因:结构复杂性与选择性要求叠加,传统路线代价高 业内普遍面临的瓶颈在于两点:一是螺环-桥环等张力结构的构筑需要精确的成环时机与反应路径,否则易产生副反应或构型混杂;二是多个立体中心的“串联式”控制要求在不同阶段分别设定选择性,若依赖保护-脱保护、官能团转换的传统策略,往往步骤冗长、原子经济性不足,且难以实现同一骨架的系统化立体变体制备。

随着创新药研发与化学生物学研究对“结构库”和“构型库”需求提升,如何通过更简洁、可推广的方法实现复杂天然产物及类似物的快速构建,成为合成化学的重要课题。

影响:以C-H键为抓手提升合成效率,为药物分子构建提供新范式 据介绍,黄俊团队提出“逐步C-H键精准调控”策略,设计“两阶段C-H键环化与官能团路径”相结合的合成路线,完成了4种五环Homoproaporphine生物碱的立体多样性合成。

该成果近日在《美国化学会志》在线发表,显示我国高校在复杂分子合成方法学与天然产物全合成领域持续取得进展。

该工作的重要意义在于,将过去常被视作“惰性键”的C-H键转化为可被精确调用的“合成手柄”,在减少预官能化步骤的同时,把成环、立体控制与骨架搭建更紧密地耦合起来,为高效获得多环活性天然产物及药物骨架提供了新的方法学支撑。

对策:多手段协同实现“可控成环+可控立体”,打通关键难点 从论文披露的路线要点看,该策略围绕关键骨架与关键手性中心,采用多种选择性控制手段协同推进: 其一,通过手性亚磺酰胺诱导的高选择性Csp2-H环化反应,构建四氢异喹啉核心片段,为后续多环并合奠定立体基础。

其二,借助可见光催化的脱羧Csp2-H环化,高效搭建全碳螺环骨架,为螺环-桥环体系的形成提供关键支点,也体现了光催化在复杂骨架构筑中的工具价值。

其三,通过“局部去对称化”的1,2-羰基迁移反应,实现全碳季碳手性中心的非对映选择性构建,解决了季碳中心构筑难、构型难控的痛点。

其四,利用Csp3-H差向异构化实现C6a位手性中心的非对映选择性建立,使多立体中心的最终定型具备可调控空间。

总体而言,上述环化、迁移与异构化步骤在路线设计中相互衔接,形成“分阶段设定选择性”的技术组合,增强了同一骨架下不同立体构型可获取性,为“立体多样性合成”提供了可操作的解决思路。

前景:服务天然产物衍生化与先导化合物发现,推动方法学向可拓展平台演进 业内人士认为,能够在同一路线框架中实现多种立体构型的制备,将显著提升天然产物类似物库的构建效率,为后续活性筛选、构效关系研究与先导化合物优化提供更丰富的结构资源。

随着绿色化学理念与高效合成需求提升,基于C-H键直接转化、光催化等技术的组合式策略,有望进一步向更广泛的多环生物碱、药物分子骨架拓展,并在降低步骤数、提升原子经济性及规模化可行性方面持续优化。

同时,该研究也提示未来方向:一是将“逐步C-H键精准调控”从个案拓展为通用平台,形成更强的底物适用性与可预测的选择性规律;二是与自动化合成、计算设计、药物化学评价体系形成联动,缩短“合成—筛选—优化”的转化链条,使方法学创新更快服务于生命健康领域需求。

黄俊团队的这项研究成果代表了我国高校在基础化学研究领域的创新能力和国际竞争力。

从基础理论到应用前景,从方法创新到实际应用,这项工作展现了科学研究的完整价值链。

随着这类合成方法的不断完善和推广,必将为新药研发、材料科学等多个领域带来新的机遇,也将激励更多科研工作者在合成化学的前沿阵地上不断探索和突破。