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維生素B12全合成

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鈷胺素，也被稱作維生素B12

維生素B12全合成在化學中是指對複雜的生物分子維生素B12的全合成。所謂全合成，即是通過有機化學方法合成人類所需而又產量稀少的天然產物。它的全合成路線最早在1973年由羅伯特·伯恩斯·伍德沃德和阿爾伯特·艾申莫瑟的團隊提出[1]，人們認為其是有機合成領域的經典之作[2][3][4][5]。

伍德沃德1968年在純粹與應用化學上發表的論文是講座的轉錄本[6][7]。而艾申莫瑟於1977年在《科學》雜誌上發表的論文也是由講座修改而來的[8]。維生素B12的晶體結構在1956年已經由多蘿西·克勞福特·霍奇金用X射線衍射方法測定[9]。這項全合成也是化學領域的重大突破，因為其中的一步關鍵反應為1982年分子軌道對稱守恆原理提出的奠定了基礎[10]。

分子結構

維生素B12分子的核心是一個與鈷離子配位的咕啉環結構（圖中用紅色標出）。與該家族的維生素中有含鈷配體和含氰配體維生素有關的全合成稱作氰鈷胺全合成。咕啉環的邊緣通過C1和C2間隔基與甲基（8）和酰胺基（9）相連。第七個酰胺基是長鏈的N-烷基，其中包含一個異丙醇基、一個磷酸基、一個核糖基和一個二甲基苯並咪唑基。咪唑環上的一個氮原子是與中心鈷原子配位的第五個氮原子。咕啉環上總共有多達九個手性碳原子，這給它的合成增加了難度[11]。

VitaminB12 overview
VitaminB12 overview
維生素B12的結構

逆合成分析

逆合成的第一步很簡單。早在1960年，伯恩豪爾就提出尾狀的長鏈可以用酰胺水解反應從維生素B12中離去，得到鈷啉胺酸後可以再替換上其他基團[12]。伍德沃德與艾申莫瑟嘗試的是一項嚴格的中繼合成，因為合成目標只是鈷啉胺酸，並沒有包括前人已經完成的尾狀長鏈的連接[11]。

Vitamin B12 retrosynthesis
Vitamin B12 retrosynthesis
維生素B12逆合成

C5和C15上的甲基只有在咕啉環核心構建完成才能引入。該核心可由左側的AD部分（III）和右側的BC部分（IV）合成。[1]由於空間位阻，所有兩部分直接成環的嘗試均以失敗告終，而在含硫試劑作用則可行。[1]

合成路線

A環合成

A環的合成以間甲氧基苯胺（1）為起始物，其先與乙偶姻（2）進行縮合反應得到希夫鹼甲氧基甲基吲哚（3）。（3）與甲基格氏試劑反應生成鎂鹽，再與炔丙基碘（4）反應生成炔丙基假吲哚（5）。（該反應生成的產物是外消旋的，圖中只畫出了一種可能的產物）（5）在三氟化硼和氧化汞的催化下於甲醇溶液中反應，先生成中間體（6），再發生分子內親電加成反應關環得到（7）。由於中間體（6）中的烯醇醚官能團位於芳環平面以上，發生（6）到（7）反應時只能生成兩個甲基處於同一側（即順式）的產物[13]。

VitaminB12 AD ring part A
VitaminB12 AD ring part A
維生素B12AD環A部分

該化合物以兩種對映異構的外消旋體形式存在，使用(-)-α-苯乙基異氰酸酯進行手性拆分可以分離出(+)旋光性的異構體[11]。

Vitamin B12 chiral resolution
Vitamin B12 chiral resolution
維生素B12A環手性拆分

D環合成

D環的合成是從手性的(S)-樟腦（8）在鹼存在下與亞硝酸酯反應產生肟（9）開始的：鹼性條件下（8）失去羰基α-氫生成烯醇負離子中間體，再與亞硝酸酯發生取代反應生成產物（9）。該產物通過水解可轉化為酰胺（10）。（10）經霍夫曼降解反應和分子內的酰胺化反應得到內酰胺（11），再與亞硝酸作用得到N-亞硝基化合物（12）。（12）與甲醇鈉反應產生重氮化合物（13）。（13）分解產生卡賓中間體，再經甲基遷移得到環戊烯衍生物（14）。使用氫化鋁鋰還原（14）得到醇（15），再用三氧化鉻氧化得到醛（16），然後用三苯基膦（亞甲基甲酸甲酯）進行一次Wittig反應生成反式烯烴（17），最後水解生成羧酸（18）[14]。

Vitamin B12 AD ring part B
Vitamin B12 AD ring part B
維生素B12D環合成

AD環偶聯

羧酸（18）與二氯亞碸作用生成酰氯，再與胺（7）作用形成酰胺（19），然後在叔丁醇中用叔丁醇鉀處理，發生Michael加成反應得到氫原子處於反式的三環化合物（20）。（20）在酸性條件下與乙二醇反應生成縮酮 （21）。（21）與氟硼酸三乙基𨦡（英語：Triethyloxonium tetrafluoroborate）反應產生亞胺離子的鹽（22），再在甲醇鈉的甲醇溶液中反應生成原酸酰胺（23）。（23）在甲苯中加熱逸出甲醇生成烯醇醚（24）。以上四步反應將化合物（20）中的兩個羰基保護了起來。Birch還原（24）生成四烯（25），再用酸處理水解（25）中的烯醇醚，得到異環戊烯酮（pentacyclenone）（26）。[15]。

Vitamin B12 AD ring part III
Vitamin B12 AD ring part III
維生素B12AD環合成（一）

繼續用酸處理（26），將其中的縮酮保護基脫除，得到酮（27）。（27）與過量的羥胺反應生成二肟（圖中未畫出），再用亞硝酸-醋酸選擇性地水解二肟，產生單肟（28）。由於（27）中共軛的羰基空間位阻比非共軛的羰基小，該反應具有一定的選擇性。以上三步反應引入了第二個氮原子——這是後續反應中AD環關環時所需要的。環戊烯環以及環己烯酮環經臭氧化反應和高碘酸氧化，生成羧酸（圖中未畫出）。該羧酸與重氮甲烷反應，生成含有兩個酮羰基的酯（29）。用弱酸處理（29），使該化合物末端的1,5-二酮單元進行一次分子內羥醛縮合反應，生成化合物（30）。甲苯磺酰化（30）中的肟基後，通過臭氧化-高碘酸氧化再次打開六元環，最後用重氮甲烷酯化得到酯（31）[11]。（31）在甲醇和聚苯乙烯磺酸鈉（英語：sodium polystyrene sulfonate）的存在下於170 °C反應2小時，得到四環化合物（33）α-咕啉去甲基甾酮（α-corrnorsterone）（中文名稱的來歷詳見注釋[16]）此反應為串聯反應：（31）先發生Beckmann重排得到未拆分的內酰胺中間體（32），後者進一步經胺羰縮合反應（英語：Alkylimino-de-oxo-bisubstitution）和羥醛縮合反應得到（33）。事實上，該反應會得到少量的差向異構體（34）β-咕啉去甲基甾酮。為了將產物（33）與（34）的混合物完全轉化為（34），採取了如下方法：用過量鹼處理該混合物將其水解。由於立體化學的原因，該化合物的A環不會水解。於是水解反應得到了一組差向異構的二酸的混合物：（33）水解為順式二酸（33A），（34）水解為反式二酸（34A）。（圖中未畫出）顯然（34A）位阻比（33A）小，故（33A）會通過酰胺羰基的酮式-烯醇式互變異構，轉化為（34A）。最後酸化（34A），再用重氮甲烷處理，即得到純的（34）。隨後令（34）同時與甲醇和苯硫酚反應轉化成（35）。這確保了咪唑尾狀長鏈的特異性。然後進行臭氧化反應生成硫酯（圖中未畫出），進一步用氨處理硫酯得到含醛基的酰胺（36），再用硼氫化鈉進行醛的還原反應（英語：Carbonyl reduction）、甲磺酰化，然後用溴化鋰溴化得到溴化物（37）。最後一步將酰胺基脫水成腈基，完成AD環合成[17]。

Vitamin B12 AD ring part IV
Vitamin B12 AD ring part IV
維生素B12AD環合成（二）

C環合成

C環合成的起始原料是手性(+)-樟腦醌（38）[18]，然後三氟化硼在乙酸酐存在時與之加成，使其轉化為三甲基環己烯酸乙酯（39），該反應最早由瑪拿西（Manasse）和塞繆爾（Samuel）於1902年發現[19]。下一步酸酐水解成羧酸（40），然後將之酰胺化為酰胺（41），再進行臭氧化反應得到有機臭氧化物（42）。以鋅和甲醇將（42）還原成丁二酰亞胺（43），然後用鹽酸的甲醇溶液處理後者生成內酰胺（44），最後熱解，完成C環的合成（45）[20]。

Vitamin B12 BC ring part I
Vitamin B12 BC ring part I
維生素B12C環合成

B環合成

B環合成的起始原料是3-甲基-4-氧代-2-戊烯酸（46），它與丁二烯在氯化錫作用下經Diels-Alder反應形成外消旋的六元環化合物（47）。該反應是立體專一性的，甲基和羧基處於順式，此後這被證明是一個同面的「4+2」環加成反應。使用α-苯乙胺進行手性拆分得到有光學活性的異構體（47）。用鉻酸處理（47）的過程中發生了一個串聯反應：（47）中的雙鍵先被氧化，生成三元羧酸中間體（48），再經兩次分子內酯化得到雙內酯（49）。通過一次Arndt–Eistert反應在羧酸α位插入一個亞甲基（50），再與氨反應生成內酰胺（51），最後與五硫化二磷反應獲得硫內酰胺（52）[21]。

Vitamin B12 BC ring part II
Vitamin B12 BC ring part II
維生素B12B環合成

BC環偶聯

B環（52）和C環（45）在過氧化苯甲酰和鹽酸作用下發生反應，形成含烯基硫醚官能團的化合物（53）。該反應的機理可能為：（52）先被過氧化苯甲酰氧化，生成含二硫鍵的二聚中間體（圖中未畫出），然後該二聚體在酸存在下被（45）進攻，得到產物（53）和原料（52）。（53）與亞磷酸三乙酯進行一次Eschenmoser去硫反應（英語：Eschenmoser sulfide contraction）脫除硫原子，形成含烯胺、亞胺官能團的化合物（54）。然後依序用氟硼酸三乙基𨦡（英語：Triethyloxonium tetrafluoroborate）和硫化氫處理（54），使之轉化為硫內酰胺（55）[22]。

Vitamin B12 BC ring part III
Vitamin B12 BC ring part III
維生素B12BC環系合成

AD、BC環偶聯

圖中右側的BC分子（氰溴化物（37））和左側的AD部分（丙酸酯部分外消旋化的硫代右前體（55）（thiodextrolin，名稱的來歷詳見注釋[23]））在叔丁醇鉀的催化下，經過一個硫離子中間體生成硫醚（56）。然後使用氰乙基膦、三氟乙酸和環丁碸進行合成路線中的第二次Eschenmoser去硫反應（英語：Eschenmoser sulfide contraction），得到氰基咕啉內酯前體[24]（57）（cyanocorrigenolide），同時C環的丙酸酯基團也被外消旋化。由於兩部分巨大的空間位阻，此偶聯是至今為止構建卟啉環唯一可行的方法。用五硫化二磷和4-甲基吡啶處理（57），將其中的內酰胺和內酯基團分別轉化為硫代酰胺和硫代內酯，生成二硫代氰基咕啉內酯前體（58）（dithiocyanocorrigenolide）。（58）再和氟硼酸三乙基𨦡（英語：Triethyloxonium tetrafluoroborate）作用，產生S-甲基衍生物（59）。然後二甲胺與之發生親核酰基取代反應，打開硫代內酯環，並通過硫離子從甲基上的消除生成一個含環外烯鍵的中間體（圖中未畫出）。該中間體先後與氯化鈷、氰化鉀反應，得到鈷配合物（60）。配合物（60）曾於早前一項模板定向合成研究中被分離出來。[25]。

Vitamin B12 BCAD contruction
Vitamin B12 BCAD contruction
維生素B12AD、BC環偶聯（一）

最後一步以1,5-二氮雜二環[4.3.0]壬-5-烯(DBN)和二甲基乙酰胺處理（60），脫硫成環生成（61）。此反應受鈷配合物形成推動；反應中環C上的丙酸酯基團被外消旋化。以碘和乙酸將（61）氧化為內酯（62），B環尾端丙酸酯基團的手性亦得以恢復[11]。

最後的努力目標是在（62）的5號位和15號位引入甲基。因為（62）的10號位被嚴重遮蔽，其與苄基氯甲基醚反應生成含兩個氯甲基的中間體（圖中未畫出），後者可用苯硫酚進一步轉換成二硫代苯基化合物（63），產物分離需要使用薄層色譜法。然後用雷尼鎳加氫脫硫，該還原反應同時將內酯環打開使之成為羧酸；再用重氮甲烷與之反應生成酯（64）[26]。

Vitamin B12 BCAD construction part II
Vitamin B12 BCAD construction part II
維生素B12AD、BC環偶聯（二）

在這個階段，混合物異構體的數目通過高效液相色譜法減少到兩個，也就是（65）中C環13號位的外消旋丙酸酯基團對應的一對非對應體。與硫酸的反應將氰基轉化為酰胺基（66），但C環13號位的立體化學性質再次被破壞。再次運用高效液相色譜法，將產量較少的所需異構體（67）分離出來。（67）在乙酸鈉存在下與二氧化氮的四氯化碳溶液反應，其中的酰胺基轉化為羧基，生成（68）。（改進方法是用環己基硝酮（cyclohexylnitrone）和四氟硼酸銀來完成這一步反應）。最後一步（68）在氨-氯化銨溶液中反應，六個酯基轉化成鈷啉胺酸中的酰胺基（69）[27]。

Vitamin B12 BCAD construction part III
Vitamin B12 BCAD construction part III
維生素B12AD、BC環偶聯（三）

參考資料

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  3. ^ Nicolaou, K. C.; Vourloumis, Dionisios, Winssinger, Nicolas, Baran, Phil S. The Art and Science of Total Synthesis at the Dawn of the Twenty-First Century. Angewandte Chemie International Edition. 2000-01-03, 39 (1): 44–122. doi:10.1002/(SICI)1521-3773(20000103)39:1<44::AID-ANIE44>3.0.CO;2-L. 
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  13. ^ Benfey等 2001，第304頁
  14. ^ Benfey等 2001，第321頁
  15. ^ Benfey等 2001，第331頁
  16. ^ corr並不代表該物質含咕啉環，只是命名者希望用該物質合成咕啉環，參見Benfey等 2001，第329頁。該物質的名稱在丹麥語中是基石（英語：cornerstone）的意思，參見 Adi l Ghani Khan, S V Eswara, Woodward's Synthesis of Vitamin B （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）,archive,archive。
  17. ^ Benfey等 2001，第329頁
  18. ^ 樟腦醌可由樟腦經二氧化硒氧化製得，參見：Organic Syntheses Coll. Vol. 10, p.204 (2004); Vol. 79, p.125 (2002). PDF （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）,archive,archive
  19. ^ Manasse, O.; Samuel, E. Reactionen des Campherchinons. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1902-07-01, 35 (3): 3829–3843. doi:10.1002/cber.190203503216. 
  20. ^ Synthesis of Vitamin B12. LibreTexts. [2016-11-07]. （原始內容存檔於2017-03-05）. 
  21. ^ Benfey等 2001，第374頁
  22. ^ Benfey等 2001，第340頁
  23. ^ 當時各個研究小組使用名稱並不一致，該名稱由Zürich小組提出，dextro是右邊的意思，lin是一個代號，此外也有其他名稱，參見Benfey等 2001，第334頁
  24. ^ 此處的corrigen可能是指生成咕啉的前體，參見Benfey等 2001，第309頁。此外corrigen也是夾竹桃苷的意思，但兩者結構並不相似。
  25. ^ Benfey等 2001，第309頁
  26. ^ Benfey等 2001，第437頁
  27. ^ Benfey等 2001，第450頁

參考書目

外部連結

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