天然产物全合成研究组 主页    研究方向    李昂研究员    研究组成员    论文    组会    新闻    照片    加入我们  

概述

天然产物的全合成研究一直是有机化学发展历程中的主要推动力之一。它从思想与方法、策略与技巧、毅力与意志等方面不断对有机化学家提出新的挑战;同时为一系列相关研究领域例如天然产物的结构鉴定与生物合成、化学基因组学、金属有机、有机催化、计算化学等提出新的问题,并提供解决问题的重要思想和工具。从表观上看,天然产物全合成的任务是从复杂性和多样性的角度构筑分子结构;从本质上看,其终极目标则在于以天然产物为研究平台和对象追求更高的合成效率,发现和理解新的反应特性,以及更好地控制化学过程中的选择性。


天然产物全合成在上个世纪的飞速发展中取得了一系列具有里程碑意义的成就,合成化学家的想象力与创造力也达到了空前的高度,从而推动全合成研究走向新的历史时期。一方面,单纯追求合成目标的结构复杂性的进程似乎放慢;而另一方面,从全合成的根本任务即合成效率、反应特性和选择性出发,新的机遇和挑战随着合成化学家视野的开阔而不断浮现。基于已有的化学反应方法学,构筑复杂分子的效率往往由于策略上的局限而远远未达到其极限;对于新的反应特性的理解和运用以及对化学转化中的选择性的更加精确的控制则将开辟天然产物全合成未来发展的几近无限的空间。相比自然,我们仍然知之甚少。

天然产物的发散性全合成

对于某一特定天然产物的全合成而言,其策略通常以逻辑性的逆合成分析为主,以经验性的正向合成分析为辅,而提高其总体合成效率的要点包括:以汇聚式合成路线替代线性合成路线、避免氧化态的不必要升降、应用串联策略和串联反应、减少甚至避免保护基的使用、直接进行碳氢键或其他非活性键的官能团化;对于某一天然产物集合(即具有内在相关性的某一类天然产物)的全合成而言,运用发散性合成策略则是提高总体合成效率的关键点:先合成某一天然产物或高级中间体作为共同起始点,再将其分别转化为一系列相关的天然产物,在效率上显然优于孤立地发展若干不同的合成策略和路线以实现相应天然产物的合成。从理论上讲,发散性合成是有机合成发展历程中的一个古老的概念,但是在相当长的时间里没有得到系统性的实践并展示出应有的威力。我们研究组主要从以下两个方面对发散性策略在天然产物集合的全合成中的作用和威力进行一些探索。

一、 基于生物合成假设的发散性合成

发散性合成源于自然。在起始于同一中间体的错综复杂的生物合成途径中,通过氧化态升降、骨架重排、阳离子环化、缩合反应以及周环反应等不同过程,可以产生具有高度结构多样性的天然产物集合。我们研究组目前重点关注一些吲哚萜类和氨基酸萜类天然产物集合。从最基本的结构和化学性质上看,吲哚易于被氧化为高度活性中间体,氨基酸具有多样化的官能团,萜类骨架则往往包含富电子烯基。在生物合成中,这些结构基元的简单组合通过上述各种反应过程的复杂叠加,发散性地衍生出一系列兼具有趣结构和重要生物活性的天然产物。我们研究组试图在化学合成中模拟这些发散性的途径,一方面可以预测和证实新的反应特性,为生物合成假设提供佐证,另一方面希望提高合成这些天然产物集合的总体效率。

二、 基于特定核心结构的发散性合成

从特定核心结构起始发散地合成天然产物集合的策略更具有普遍意义。找到连接多个终端天然产物的最佳“结点”,体现了合成化学家基于结构和化学特性的创造力和逻辑性。挖掘出某些结构迥异、生源相关性较低的天然产物的隐含的共同核心结构作为平台开展合成研究,无疑会对基于生物合成假设的发散性合成形成很好的扩展和互补。

对称性在天然产物全合成中的应用

对称性既是自然之美,也是人类智慧之美。对称性隐含于大量天然产物的结构之中,因此成为合成分析中的重要考量因素。利用对称性的合成策略主要包括去对称化、二聚和双向合成。在一些并不具有直观对称性的目标分子的合成研究中,我们研究组希望运用去对称化策略化繁为简,提高合成效率。例如,立体化学要求相对简单、合成难度较低的对称底物通过去对称化处理,可以使原本处于对称面上的非手性碳的环境发生改变从而转化为手性碳,从而简洁地构建骨架结构和立体化学相对复杂的产物。这一方式往往较直接构建该手性碳更具吸引力,起到事半功倍的效果。

环张力驱动的反应在天然产物全合成和生物正交化学中的应用

环张力一直是物理有机和有机合成研究的重要关注点,也是有机化学理论和方法发展的重要生长点。从天然产物全合成的角度看,环张力带来的不稳定性往往是合成中的致命难点。我们研究组则试图在某些天然产物的合成研究中利用和控制环张力提高反应性和选择性,化不利因素为有利因素。同时,鉴于一些基于环张力的反应(如环辛炔和反式环辛烯参与的环加成反应)已经在无金属参与的生物正交修饰过程中显示了巨大威力,我们希望将全合成研究中建立的新的张力体系发展并应用于细胞表面或细胞内部的生物正交修饰上。

本研究组已发表的一些天然产物的全合成








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