Phil.S.Baran，美國Scripps研究所（The Scripps Research Institute）化學系的臺柱子人物，有機合成界公認的明星，天然產物全合成領域享有盛譽的年輕學者。Phil Baran出生于1977年，1997年在紐約大學獲得學士學位，2001年在斯克里普斯研究所獲得博士學位，導師是有機化學領域的宗師級人物K.C. Nicolaou教授。從2001年到2003年，Baran在哈佛大學跟隨另一位有機化學泰斗E.J. Corey從事博士后研究，并被 E. J. Corey給予高度評價：他領先同行20年。2003年至今，Phil S. Baran一直在斯克里普斯研究所工作，從助教開始，28歲時獲得終身教授職稱，38歲成為美國藝術與科學學會院士，40歲當選為美國國家科學院院士。他帶領團隊攻克了許多具有里程碑意義的天然產物全合成，如Palau'amine和Vinigrol。
現代藥物化學領域目前關注于復雜結構分子用于解決具有挑戰性的生物靶點，這些復雜結構分子通常需要分子具有更顯著的sp3結構，用于增強特異性和理化性質。雖然通常吡啶等分子具有較高平面特征結構且含有較多sp2結構的分子能夠通過修飾親電芳基取代基和Pd催化交叉偶聯反應進行修飾，但是目前仍然沒有合成衍生3D結構的飽和分子的普適性策略。有鑒于此，Scripps研究所Phil S. Baran教授、Yu Kawamata教授、萊斯大學Hans Renata教授等報道一種快速、模塊化、立體選擇性、非對映體選擇性官能團化修飾哌啶化合物的普適性方法，這種方法將穩健的生物催化C-H鍵氧化反應和自由基交叉偶聯反應結合，通過這種結合方法與親電芳香取代反應類似，然后通過隨后的Pd催化偶聯反應，這種反應簡化了3D結構分子的合成。 圖1. 將酶催化C-H鍵氧化和自由基偶聯反應結合，實現流水線式合成官能團化的飽和雜環化合物首先，開發規模化的酶催化反應對2-羧酸化哌啶（11）、3-羧酸化哌啶（10）進行位點選擇性C-H鍵羥基化。作者以往開發了克級量合成14和17的方法，但是仍然需要開發規模化和價格便宜的合成其他類型羥基化的方法。目前人們報道酶催化反應方法，使用反式-4-脯氨酸羥化酶（trans-P4H）能夠合成反式-5-羥基-L-哌啶（12），能夠以可制備的量（35mg）合成，轉化率達到68-78%，12收率達到61%。根據這種酶催化反應進行優化反應參數，最終得到>99%的轉化率。通過優化的反應條件能夠進行克級量的大量合成，而且反應的濃度遠比報道條件的濃度更高（15mM vs 1mM）。 由于羥基化立體結構對于隨后的官能團化反應具有顯著影響，因此同樣優化反應條件，合成cis-5-羥基-L-哌啶（13）。根據Codexis等報道的工作，使用來自 Xenorhabdus doucetiae（XdPH YR）的工程化α-kG依賴性L-哌啶酸羥化酶（P4H810），實現了位點選擇性和立體選擇性生成13號化合物，轉化率達到80%。通過優化反應條件（關鍵是反應的pH），將反應轉化率提高至~100%。以上報道的酶催化羥基化反應都具有較好的立體選擇性，12、13、9產物的立體選擇性達到>99:1。 目前還沒有酶催化反應能夠進行3-羧酸化-哌啶的羥基化反應。因此，作者篩選了一系列酶催化劑，篩選了兩種P450BM5的變體trans-P4H、P4H810（報道能夠對N保護的雜環化合物進行羥基化轉化），但是這些酶對(s)-哌啶酸、(R)-哌啶酸沒有表現出催化反應活性。隨后，考慮到L-哌啶酸的結構與四氫嘧啶（ectoine）的電荷分布類似，因此嘗試四氫嘧啶5-羥基化酶SaEctD（Sphingopyxis alaskensis來源）。測試結果表明，SaEctD對4-羥基-D-哌啶酸的轉化率達到90 %，而且通過NMR和XRD對產物進行結構驗證。進一步優化反應參數，將轉化率進一步提高至100 %，而且能夠兼容更高的反應物濃度（15mM）。對EctD對D-哌啶酸的Michaelis-Menten動力學參數進行研究，催化反應常數（kcat）達到19.9±0.6 min-1，Michaelis常數（Km）達到20.4±2.2mM，Kcat/KM計算結果為0.98±0.1 mM-1 min-1，這比本征反應物的動力學參數低7倍。通過分子對接研究發現D-哌啶酸分子與四氫嘧啶具有不同的位點結合模式，這是因為羧酸結構與Gin127、Arg129、Arg280位點之間的極性相互作用導致。通過以上方式，分別合成了Boc保護的5個關鍵哌啶化合物（14-18）。雖然14-18具有市售產品，但是價格非常昂貴（$773/g-$1737/g）。圖3. 通過生物催化C-H鍵氧化或者自由基偶聯串聯反應合成衍生化的哌啶酸通過合成的關鍵羥基化哌啶，進一步研究了這些羥基化哌啶化合物的自由基交叉偶聯反應。首先對2-取代-3羥基化哌啶進行研究（圖3），這種分子結構是一系列天然產物和生物化合物中的代表性結構。以N-Boc-3-羥基化-2-苯基哌啶（19）作為關鍵中間體，合成了神經激肽NK1受體拮抗劑（neurokinin NK1 receptor antagonists），包括(+)-L-733060和(+)-CP-99994。這種合成的化合物具有多種生物活性，比如神經源性炎癥、疼痛的傳播和調節免疫反應，與多種疾病有關，如偏頭痛、類風濕性關節炎和疼痛。與現有報道的合成方法相比，這項研究使用羥基哌啶（14）能夠直接合成19號化合物，產率達到48%，且獲得單一立體結構的非對映異構體。 通過這種策略能夠合成3號化合物（生物堿苦馬豆素, swainsonine），是從真菌植物病原菌豆類絲核菌中分離出的一種天然中氮茚生物堿。α-D-甘露糖苷酶和甘露糖苷酶II的強效抑制劑，具有抗癌和其他有用的生物活性，這些活性很可能與它抑制糖蛋白加工的能力有關。目前超過40個報道合成swainsonine通常需要6步驟或者>20步驟（平均需要14步）。通過開發的這種方法，能夠在5步合成swainsonine。使用羥基哌啶（14）和烯基碘（20）通過電催化脫羧烯基化反應，得到21號。隨后通過一鍋法阿佩爾反應和成環反應，得到22號中間體，隨后通過二羥基化反應得到3號化合物。這個方法避免了耗時的反應步驟，液氮冷卻溫度，避免Pd催化劑。2,4-雙官能團取代哌啶化合物是重要的生物活性分子。通過這種發展的生物催化反應，能夠簡單的得到17號化合物。對于一種天然產物SS20846 A（4）的合成，目前報道的合成方法通常需要6-17步，作者發現這種方法通過17和烯基溴化物（29）之間的自由基Ni電催化脫羧烯基化，能夠以較高的dr選擇性（7:1）和51%的產率得到4號化合物，這種合成方法避免了使用易燃性試劑、手性配體、復雜的還原反應。 LNP023是一種受到FDA認證的藥物，能夠用于治療陣發性睡眠性血紅蛋白尿癥。目前的方法需要通過9步合成關鍵中間體38，其中需要使用格氏試劑對4-甲氧基吡啶進行Comins吡啶脫芳構化，隨后使用手性超臨界流體色譜分離技術和多種官能團和氧化還原反應。通過這種新方法，17和芳基碘（30）通過Ni電催化交叉偶聯、隨后烯基化，直接得到中間體32，反應得到較好的dr選擇性，而且不必對羥基進行保護。CP-293019是輝瑞公司開發的多巴胺D4受體強效選擇性拮抗劑，以往報道的合成方法中，合成2,5-二吡啶甲基酯（43）需要氫化和成環反應，隨后還原、手性拆分、差向異構化、Mitsunobu反應、親核芳香取代反應等，共需要12步。這項工作通過一鍋酰胺還原和親核芳香取代，能夠在7步合成CP-293019。開發的反應方法避免了手性拆分、差向異構化和昂貴的金屬催化劑。3,4-雙取代哌啶是醫藥化學領域常見的結構，通常3,4-雙取代哌啶的合成需要復雜的步驟，通過這種生物催化反應方法，通過連續的自由基交叉偶聯反應，能夠合成各種各樣的3,4-雙取代哌啶衍生物。比如8號化合物是高活性的單胺轉運蛋白配體，在以往的合成方法中，需要價格昂貴的不飽和哌啶6通過手性篩分和差向異構化生成中間體7，隨后再通過酯還原、氧化、Horner-Wadsworth-Emmons反應，而且需要再發生酯還原反應，共需要八個步驟合成8。但是，這種這種生物催化反應方法能夠通過與47發生雙重脫羧交叉偶聯反應（dDCC）以較高的dr（>20:1）生成中間體48。隨后48發生原位溴化反應、與49之間Ni電催化偶聯。通過Boc還原和酯還原生成產物，該反應僅需要五步就能夠從10號化合物生成產物，避免手性拆分、避免易燃性試劑（Grignard, LAH x2）、避免多個氧化還原步驟。 圖4. 生物催化C-H鍵氧化、自由基偶聯進行哌啶酸的衍生化這種可調節酶催化C-H鍵氧化反應是目前報道最合適且價格最合理的立體選擇性、位點選擇性合成羥基化結構砌塊的方法。在以往的方法中，這種中間體官能團化反應通常需要切斷極性化學鍵，這導致難以快速的合成這種化合物。通過生物催化反應，能夠更加簡單模塊化的合成復雜結構3D化合物。而且，連續的進行親電芳基化鹵化和交叉偶聯反應非常有用的策略。這項研究展示了生物催化C-H鍵氧化和自由基交叉偶聯反應對3D結構分子的反應與2D結構分子的親電芳基鹵化-極性交叉偶聯非常類似。這項研究開發了對于醫藥化學家和工藝家非常有用的方法，為有機合成帶來非常多的可能性，能夠快速的探索結構-性質關系（SAR, structure-activity relationship）。減少了手性拆分步驟，昂貴的手性試劑，貴金屬催化劑。Jiayan He, Kenta Yokoi, Breanna Wixted, Benxiang Zhang, Yu Kawamata, Hans Renata, and Phil S. Baran, Biocatalytic C–H oxidation meets radical cross-coupling: Simplifying complex piperidine synthesis, Science 2024, 386, 1421-1427DOI: 10.1126/science.adr9368https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9368
