吲哚生物碱是广泛存在于自然界中的一类杂环化合物，是以苯并吡咯结构为骨架的化合物，也是一类重要的杂环生物碱，其在生物体内显现出了丰富的药理活性，如抗癌[1]、抗菌[2]、抗炎[3]、降高血压[4]、抗病毒[5]、抗抑郁[6]和抗癫痫[7]等。在目前已经公布的药物中大部分为吲哚类（图1），如治疗高血压及精神病的吲哚类生物碱利血平（Reserpine），从夹竹桃科植物长春花中提取的干扰蛋白质合成的抗癌药物长春新碱（Vincristine），用于类风湿关节炎、强直性脊柱炎的阿西美辛（Acemetacin），治疗间变性淋巴瘤激酶阳性的局部晚期或转移性非小细胞肺癌的阿来替尼（Alecensa）等。此外，吲哚类生物碱也已应用于医药[8]、农药[9]、香料[10]、染料[11]以及其它精细化工产品[12]等领域。因此，吲哚类生物碱一直是有机合成、天然药物化学及新药研发领域的研究热点。

TMC-205是由Masaaki Sakurai团队于2001年从未鉴定的真菌菌株TC 1630的次级代谢产物中分离得到。TMC-205表现出针对多种人类癌细胞的抗增殖活性，并且还能激活SV40启动子。然而，最初仅从TC 1630的发酵液中分离出3.3 mg的TMC-205，这样极少量的提取物不足以进行结构-活性关系和生物学研究[13-14]。TMC-205迷人的结构特征和其潜在的药理活性，以及我们对生物活性吲哚天然产物全合成的持续关注，驱使我们开发了一种经济、简洁、高效的方法，以合成这种具有吸引力的吲哚生物碱。

图1吲哚生物碱类药物

Koide课题组[14]于2014年完成了TMC-205的首次全合成工作。他们以6-溴吲哚为起始原料，通过Friedel-Crafts酰基化引入三氟乙酰基。然后，经过水解制备3-羧基吲哚。接着，采用三甲基硅重氮甲烷对羧基进行甲基化保护，再与异戊二烯基硼酸酯通过Suzuki偶联反应在6位引入异戊二烯基团。最后，通过水解，经5个步骤获得目标产物，总产率为64%。此外，该课题组尝试了TMC-205的简洁合成策略，以3-羧基吲哚出发采用有机锡烷，通过Stille偶联反应合成TMC-205，该反应产率仅为10%。然而，这些合成方法存在一些固有的局限性，比如对严苛的反应条件的依赖，相对较低的产率，繁琐的合成步骤以及使用昂贵且有毒的试剂和原料。因此，为了克服这些挑战，我们致力于开发一种更经济、简洁并且高效的合成途径，以满足具有抗癌活性TMC-205的制备需求。

TMC-205是一种独特的结构简化的吲哚3-羧酸衍生物，其在6-位带有类异戊二烯侧链。由于难以控制的酸性基团，早期安装3-羧基是不可取的。我们在TMC-205的合成中先引入异戊二烯，然后将3位醛氧化成羧基的构建放在后期。而引入异戊二烯基团的方法可采用6-溴吲哚-3-甲醛为初始原料，与2-甲基丁-3-烯-2-醇进行Heck-dehydration反应，从而获得底物2[15]。使用Jones氧化、IBX/NHS、四氧化钌等氧化剂可以将醇或醛氧化成羧酸，但是由于反应条件比较强，具有多官能团的化合物不适合这些太强的条件[16]。Pinnick氧化反应，又称为Lindgren氧化反应，是一种能够选择性将醛转化为相应羧酸的反应，已经被证明可用于具有敏感官能团底物的氧化，而且对于具有位阻效应的底物也有良好的反应效果。它的另一个优点是低成本[17]。因此，采用Pinnick氧化合成TMC-205是一种经济、简洁、高效的合成策略。

图2以（E)-6-(3-甲基丁-1,3-二烯-1-基）-1H-吲哚-3-甲醛Pinnick氧化合成TMC-205

1、仪器与试剂

1.1仪器

ZF-2型紫外分析仪（上海市安亭电子仪器厂）；FA2104型电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；85-2型恒温磁力搅拌器（常州国华电器有限公司）；OSB-2200型旋转蒸发器（东京理化器械株式会社）；OSB-2200 EYELA油浴锅（上海爱朗仪器有限公司）；AVANCE-III(400 MHz）型核磁共振仪（Bruker公司）；DLSB-5L/30型低温冷却液循环泵（巩义市予华仪器有限责任公司）；Compact QTOF型质谱仪（Bruker公司）；Nexus FT/IR型红外光谱仪（Thermo Nicolet公司）。

1.2试剂

柱层析所用的石油醚（大理天利恒经贸有限公司）及乙酸乙酯（大理天利恒经贸有限公司）为工业桶装重蒸后使用。其它试剂均从北京伊诺凯有限公司购买。

2、实验内容

2.1 NaClO2/NaH2PO4用量探索

首先，进行NaClO2/NaH2PO4用量探索（表1）。参考文献[18]报道，使用了20.0当量的NaClO2和20.0当量的NaH2PO4作为初始反应条件，产率仅有21%（条目1）。推测其原因为氧化剂用量过多导致了许多副反应的发生。随后，将NaClO2的用量减少到10.0当量进行反应，但产率仍然只有20%（条目2）。进一步将NaClO2的用量降至6.6当量，产率达到21%（条目3）。尝试将NaClO2用量再次减半至3.3当量，反应进行20 h后，通过薄层色谱检测发现原料仍残留约三分之二，补加3.3当量的NaClO2，原料消耗并未显著减少，产率仅有22%（条目4）。为了提高产率，又将4.0当量的NaClO2分两批加入到反应体系中，产率也仅有22%（条目5）。最终，将NaClO2的用量确定为4.0当量。值得注意的是，在该反应中会生成次氯酸，而次氯酸会与亚氯酸离子迅速反应，阻碍了有效的氧化反应。因此，在Pinnick氧化反应中通常需要使用过量的NaClO2。

图3 TMC-205的合成路线

表1 NaClO2/NaH2PO4用量探索

NaH2PO4在反应中的作用是稳定pH值。最初使用的NaH2PO4量为20.0当量，并直接将NaH2PO4固体加入到反应液中。为了确保NaH2PO4固体充分溶解于反应体系中，尝试将15.0当量的NaH2PO4溶解于水中，然后加入反应液，或者将10.0当量的NaH2PO4溶解于水中再加入反应液。然而，这两种情况下产率均未得到提高。通过实验观察发现，NaH2PO4固体在反应体系中的溶解性较差，这可能导致实际参与反应的NaH2PO4量不足10.0当量。这可能是导致产率未提高的原因之一。在进一步的实验中，可能需要考虑采取不同的策略来提高NaH2PO4的溶解性。

2.2溶剂比例优化

为验证两相反应体系中溶剂比例对反应的影响，对溶剂比例进行优化（表2）。最初的溶剂比例为t-BuOH∶H2O=2∶1（条目1）。为了充分溶解NaH2PO4，首先将底物溶解于t-BuOH中，然后将NaH2PO4溶于水中并加入反应液中，加入2-甲基-2-丁烯预搅拌2 h后，再加入NaClO2。结果显示，产率提升至34%（条目2），表明NaH2PO4用量足够，但未在两相体系中均匀分散。随后，加入THF以改善底物的溶解性，此时溶剂比例为t-BuOH∶THF∶H2O=3∶1∶1，产率提高到36%（条目3）。为了进一步提高产率，将溶剂比例调为t-BuOH∶THF∶H2O=3∶1∶3，但产率降低至10%（条目4）。推测是由于增加H2O的比例后，NaH2PO4更多地存在于水相中，只有少量NaH2PO4参与到有机相的反应中。随后，将溶剂比例调整为t-BuOH∶THF∶H2O=4∶4∶1.5，以确保NaH2PO4充分溶解（条目6）。结果显示，产率提升至42%（条目5）。然而，观察到NaH2PO4仍未完全溶解。为了解决这一问题，尝试提高反应中H2O的比例（条目6），但产率仅为22%。同时，略微增加H2O和THF的用量并降低t-BuOH的用量，但产率仅为23%（条目7）。推测原因是t-BuOH与H2O以任意比例互溶，t-BuOH是水相与有机相的纽带，降低其比例使NaH2PO4不易分散到有机相中。鉴于该结果，通过大量的溶解实验来保证NaH2PO4完全溶解的同时，所用水的比例最小（条目8），其产率仅有38%。因此，最终确定溶剂比例为t-BuOH∶THF∶H2O=4∶4∶1.5，并将产率提升至42%。

图4 TMC-205的合成路线

表2溶剂比例优化

2.3 HClO清除剂筛选

推测反应产率低的主要原因为NaClO2氧化醛基产生了副产物HClO，而HClO能与双键发生加成反应导致产率偏低。因此，我们对HClO清除剂进行研究（表3）。由于2-甲基-2-丁烯容易与HClO发生加成反应，从而被广泛应用于Pinnick氧化中的HClO清除剂。最初参考文献[17]报道，使用了250.0当量的2-甲基-2-丁烯作为清除剂（条目1）。尽管在Pinnick氧化中2-甲基-2-丁烯需要过量，但我们认为使用250.0当量并不必要。因此，将2-甲基-2-丁烯用量降到180.0当量和50.0当量，产率仍然保持在42%（条目2～3）。然而，当2-甲基-2-丁烯用量降低至25.0当量时，产率降低至30%（条目4）。因此，我们把2-甲基-2-丁烯的用量确定为50.0当量。

在HClO清除剂的选择中，间苯二酚被广泛应用。间苯二酚还具有调节反应体系pH值的功能。我们尝试将清除剂从2-甲基-2-丁烯更换为间苯二酚，并使用了不同的间苯二酚用量（条目5～7）。在实验中，使用1.5当量的间苯二酚作为清除剂时，产率仅为26%（条目5）。增加间苯二酚的用量至3.0当量时，产率提高至33%（条目6）。然而，当间苯二酚用量增加至5.0当量时，产率却下降至17%（条目7）。这可能是因为间苯二酚在过量的情况下，能与反应物之间发生竞争反应，从而导致了产率的降低。

图5 TMC-205的合成路线

表3 HClO清除剂筛选

NH2SO3H、DMSO和H2O2可与HClO发生氧化还原反应，从而消耗HClO，通常也被应用于Pinnick氧化反应中作为HClO的清除剂[19]。首先，我们使用1.5当量的NH2SO3H作为清除剂，但产率仅为17%（条目8）。随后，采用1.5当量的DMSO作为清除剂，产率为22%（条目9）。最后，使用1.5当量的H2O2作为清除剂，产率为20%（条目10）。最终结果显示，单独使用间苯二酚、NH2SO3H、DMSO和H2O2作为HClO清除剂时的效果均不如2-甲基-2-丁烯。

根据以上实验结果，2-甲基-2-丁烯被确认为最佳的HClO清除剂，但其余4种清除剂也有一定的效果。为了探讨2-甲基-2-丁烯与其它清除剂同时使用是否会带来更好的效果，使用了50.0当量的2-甲基-2-丁烯和1.5当量的间苯二酚作为清除剂，发现其产率提升至45%（条目11）。然而，将间苯二酚提升至3.0当量时，产率却下降至30%（条目12）。这可能是由于间苯二酚用量过多，导致反应体系酸性过强，从而促进了HClO与双键加成副反应的发生。随后，尝试2-甲基-2-丁烯分别与NH2SO3H、DMSO或H2O2作为清除剂参与反应，得到其产率分别为28%、26%和18%（条目13～15）。综上，我们选择了50.0当量的2-甲基-2-丁烯和1.5当量的间苯二酚为最佳HClO清除剂组合。

2.4反应温度探索

在合成和储存过程中发现，室温条件下会导致TMC-205分解。由此，我们对反应温度进行了探索（表4）。将反应温度降至-18℃时，产率提升至62%（条目2）。这可能有两方面的原因，一是低温抑制了TMC-205的分解，二是低温抑制了加成或取代等副反应的发生。我们又尝试在-5℃条件下的反应，但结果并不理想，产率仅有31%（条目3）。当降温至-10℃时，反应产率也仅为42%（条目3），两者均低于室温下的产率。我们推测在-5℃和-10℃下，副反应速率可能大于氧化反应速率。尽管在-18℃时产率有所提升，但-18℃是一个较低的温度，如果在工业生产中使用可能会增加能耗。因此，我们先暂定最佳温度为-18℃。

2.5阻聚剂筛选

在反应过程中，底物2中的异戊二烯基团易发生聚合从而导致产率偏低。为了提高Pinnick氧化反应产率，我们引入阻聚剂，并进行了系统的筛选（表5）。最初选择了BHT，该阻聚剂在Heck-dehydration反应中表现优异。然而，BHT在该反应中未能取得理想的效果（条目2～4）。我们推测这是由于其酚羟基邻位存在两个叔丁基，导致水溶性较差。为找到在水相和有机相中均能良好溶解的阻聚剂，我们进一步考察了TBX和TBC，发现当TBX用量为1.5当量时，产率提升至70%（条目7），而当TBC用量为1.5当量时，产率达到78%（条目11），验证了之前的猜测。随后，采用阻聚剂DEHA和TEM-PO，结果显示最高产率仅为50%（条目18）。因此，我们确定1.5当量的TBC为最优阻聚剂。然而，将最优阻聚剂与最优温度结合后，产率未进一步提高，仅为75%（条目19）。我们推测低温下反应产率的提高是因为低温抑制了聚合反应。在添加了适当的阻聚剂后，不再需要低温条件。通过阻聚剂的筛选，我们不仅确定了1.5当量的TBC为最佳阻聚剂（产率提升至78%），更重要的是我们进一步优化了反应温度，使反应条件更加温和。为了证明本方案的合成实用性，我们在最佳反应条件下使用底物2进行了克级实验，最终以76%的产率获得了TMC-205，表明本方法具有一定的稳定性，适用于大规模的合成。

图6 TMC-205的合成路线

表4反应温度探索

图7 TMC-205的合成路线

表5阻聚剂筛选

3、实验操作

3.1 TMC-205(1）的合成

在氮气环境下，圆底烧瓶中加入磁子，加入（E)-6-(3-甲基丁1,3-二烯-1-基）-1H-吲哚-3-甲醛2(42 mg,0.2 mmol,1.0 eq.），溶解于t-BuOH(4.0 mL）中，加入2-甲基-2-丁烯（1.1 mL,10.0 mmol,50.0 eq.），加入溶于1.0 mL H2O的NaH2PO4(240.0 mg,2.0 mmol,10.0 eq.）、间苯二酚（33.0 mg,0.3 mmol,1.5 eq.）和TBC (50.0 mg,0.3mmol,1.5 eq.）。反应混合物在室温下搅拌2 h后加入THF(4.0 mL），反应瓶包上铝箔纸避光，将混合物冷却至0℃，向反应液中缓慢加入溶于0.25 mL H2O的NaClO2(36.2 mg,0.4 mmol,2.0 eq.），移除冰浴，室温避光反应3 h，然后再次冷却至0℃，向反应液中缓慢加入溶于0.25 mL H2O的NaClO2(36.2 mg,0.4mmol,2.0 eq），自然升温反应约13 h。反应完成后（通过TLC监测，总共约18 h），将混合物冷却至0℃，并用10%的Na2S2O3水溶液（0.3 mL）淬灭反应，5 min后移除冰浴，室温继续搅拌30 min。将混合物用乙酸乙酯稀释（100 mL），依次水洗（2×10 mL），饱和NaCl水溶液洗（1×10 mL），然后用乙酸乙酯（100 mL），依次萃取水相，合并有机相后，用无水Na2SO4干燥，过滤，浓缩，得到粗产物。通过快速柱色谱法纯化（石油醚∶乙酸乙酯=5∶1洗脱；湿法上样）后，获得目标化合物1(35.5 mg，产率为78%），回收化合物2(8.0 mg，产率为19%）。

图8 TMC-205的合成路线

TMC-205氢谱数据：1H NMR (400 MHz,Acetone-d6)δ:10.99(s,1H),8.21～7.93(m,2H),7.61(s,1H),7.45(dd,J=8.4,1.4 Hz,1H),7.00(d,J=16.1 Hz,1H),6.73(d,J=16.1 Hz,1H),5.21～4.92(m,2H),1.98(s,3H);

TMC-205碳谱数据：13C NMR (100 MHz,Acetone-d6)δ:166.53,143.16,138.15,133.68,133.18,130.92,130.53,127.08,121.94,120.91,116.90,111.25,108.76,18.77;

TMC-205红外数据：IR (KBr):3374,2971,1673,1532,1453,1316,1209,1134,1097,965,876,821,553 cm-1;

TMC-205质谱数据：HRMS(ESI-APPI)m/z226.0874,calcd for C14H12NO2[M-H]-226.0875。

3.2 TMC-205(1）的克级合成

在氮气环境下，圆底烧瓶中加入磁子，加入（E)-6-(3-甲基丁1,3-二烯-1-基）-1H-吲哚-3-甲醛2 (1.27g,6 mmol,1.0 eq.），溶解于t-BuOH(120 mL）中，加入2-甲基-2-丁烯（32 mL,300 mmol,50.0 eq.），加入溶于30 mL H2O的NaH2PO4(7.2 g,60 mmol,10.0 eq.）、间苯二酚（991mg,9 mmol,1.5 eq.）和TBC (1.5 g,9.0 mmol,1.5eq.）。反应混合物在室温下搅拌2 h后加入THF(120mL），反应瓶包上铝箔纸避光，将混合物冷却至0℃，向反应液中缓慢加入溶于7.5 mL H2O的NaClO2(1.1 g,12 mmol,2.0 eq.），移除冰浴，室温避光反应3 h，然后再次冷却至0℃，向反应液中缓慢加入溶于7.5 mL H2O的NaClO2(1.1 g,12 mmol,2.0 eq），自然升温反应约22 h。反应完成后（通过TLC监测，总共约27 h），将混合物冷却至0℃，并用10%的Na2S2O3水溶液（9 mL）淬灭反应，5 min后移除冰浴，室温继续搅拌30 min。将混合物用乙酸乙酯稀释（300 mL），依次水洗（2×20 mL），饱和NaCl水溶液洗（1×20mL），然后用乙酸乙酯（300 mL），依次萃取水相，合并有机相后，用无水Na2SO4干燥，过滤，浓缩，得到粗产物。通过快速柱色谱法纯化（石油醚∶乙酸乙酯=5∶1洗脱；湿法上样）后，获得目标化合物1(1.04 g，产率为76%），回收化合物2(266.7 mg，产率为21%）。

4、讨论

本文开发了一种经济、简洁和高效的策略，利用底物2通过Pinnick氧化反应合成具有抗癌活性的吲哚生物碱TMC-205。在对3-羧基的构建过程中，我们对NaClO2/NaH2PO4用量、溶剂比例、HClO清除剂、反应温度以及阻聚剂进行了综合探讨，最终确认了4.0当量的NaClO2和10.0当量的NaH2PO4用量，采用t-BuOH∶THF∶H2O=4∶4∶1.5作为溶剂，以50.0当量的2-甲基-2-丁烯与1.5当量的间苯二酚协同作为HClO清除剂，选择具有良好水溶性和阻聚效果的TBC作为添加剂。在温和条件下，以高达78%的产率合成了TMC-205，并且在克级规模上也达到了76%的产率。这不仅提供了一种TMC-205的有效合成途径，也为今后探索具有类似敏感基团和羧基基团的天然产物的合成奠定了坚实的基础。

参考文献:

[9]林更生.浅谈吲哚乙酸对蔬菜生长的促进作用———评《现代植物生长调节剂技术手册》[J].中国瓜菜,2021,34(2):104.

基金资助:国家自然科学基金项目(22361002);云南省地方本科高校基础研究联合专项-面上项目(202101AO070315);云南省科技厅基础研究专项-面上项目(202201AT070175);

文章来源:孙维浩,李涛,王雪琴,等.抗癌吲哚生物碱TMC-205的合成研究[J].云南中医药大学学报,2024,47(04):54-60.