1. 引言
生物碱是一类来源于氨基酸的含氮分子，在自然界中的植物、微生物或动物中广泛存在。在植物中，生物碱可以以有机酸盐的形式存在，主要是苹果酸盐、乙酸盐和柠檬酸盐，或与其他分子结合。大多数生物碱具有碱性和亲油性，可溶于非极性有机溶剂和酒精 [1] 。
吡咯里西啶生物碱(PA)是一类由鸟氨酸衍生的生物碱，分布于某些类群的植物中，也存在于昆虫体内，昆虫通过摄取它们来抵御天敌 [2] 。它们很少以吡咯烷碱的游离形式存在，而是以由necine碱(氨基醇)和一种或多种necic酸(一元或二羧酸)形成的酯(单环、双环或大环双酯)的形式出现，这也是它们结构多样性的原因。它们通常以三级碱或吡咯烷生物碱N-氧化物(PANO)的形式存在 [3] (图1)。
Figure 1. Structure of pyrrolizidine alkaloids
图1. 吡咯里西啶生物碱的结构
Figure 2. Classification of pyrrolizidine alkaloids
图2. 吡咯里西啶生物碱的分类
根据碱基的结构，吡咯里西啶生物碱(PA)可分为四类：倒千里光碱(Retronecine)型、奥托尼碱(Odonecine)型、阔叶千里光次碱(Platynecine)型和天芥菜碱(Heliotridine)型 [4] (图2)。其中，Retronecine型，Otonecine型和Heliotridine型为不饱和碱基，而Platynecine型为饱和碱基 [5] [6] 。在结构上，Otonecine型的结构最为显著，因为其在C-8位置发生氧化反应，形成单环结构，与其他基团形成双环结构不同 [7] [8] 。Retronecine型和Heliotridine型互为非对映异构体，在C-7位置具有不同的取向 [9] 。于此同时，针对不同类型的吡咯利西啶生物碱其合成方法也有所不同，其中Platynecine型生物碱的合成方法报道的相对较多，而Odonecine型生物碱的合成方法至今未见报道。下面将对吡咯里西啶生物碱的研究现状进行简单综述。
2. 吡咯里西啶生物碱的分离及应用
吡咯里西啶生物碱作为生物碱家族的一个重要组成部分，存在于众多天然产物中，因其具有广泛的应用价值，得到了许多分离和合成化学家的青睐。其中，2005年Naoki Asano课题组 [10] 从Scilla peruviana 球茎中分离得到具有延长侧链(1-4)的澳大利亚型和风信子型生物碱(图3)。通过研究发现，这些生物碱对酵母a-葡萄糖苷酶(1:IC50 = 6.6 μm; 3:IC50 = 6.3 μm)或细菌β-葡萄糖苷酶(3:IC50 = 5.1 μm)有很强的抑制作用。
Figure 4. Pyrrolizidine alkaloid bistellettazine A-C
图4. 吡咯里西啶生物碱 bistellettazine A-C
2008年Robert J. Capon在课题组 [11] 在一种海绵(Stellatta sp)的提取物中，首次分离得到了三种萜烯基吡咯里西啶结合物，即bistellettazine A-C (图4)，并且通过光谱分析和化学降解的方式研究鉴定了这种结构类型。于此同时，作者基于C14与C11或C14片段之间的Diels-Alder环加成反应，提出了一种合成途径。
吡咯里西啶生物碱Pochonicine 8是2009年Hirokazu Usuki课题组 [12] 从真菌菌株Pochonia suhlasporia var中分离得到一种酰胺取代的天然产物(图5)。在对该天然产物的研究中发现，Pochonicine显示出对多种β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶的有效抑制，其水平与天然抑制剂fnagstatin相当。此外，该化合物对GlcNAc 酶也表现出很好的抑制作用。
Figure 5. Pyrrolizidine alkaloid Pochonicine
图5. 吡咯里西啶生物碱Pochonicine
2012年，Kun Ga课题组 [13] 从西藏传统医学所使用的无毛橐吾(Ligularia achyrotricha)根中成功分离出一种新的吡咯里西啶生物碱ligulachyroine A (图6)，以及八种已知的天然产物，并且通过光谱和质谱分析确定了其结构。此外，作者还通过细胞活性研究发现，ligulachyroine A对HL-60和SMMC-7721细胞表现出中度细胞毒性。
Figure 6. Pyrrolizidine alkaloid Ligulachyroine A
图6. 吡咯里西啶生物碱Ligulachyroine A
随着时间的推移，越来越多的吡咯里西啶天然产物被成功分离，例如Retrohoustine 10、Heliohoustine 11和Isoretrohoustine 12等 [14] (图7)，它们作为重要的天然产物具有广阔的研究前景。此外，一些吡咯里西啶天然产物已在临床上用于治疗胃肠道、血液系统等肿瘤疾病。据统计，全球约有3%的开花植物含有吡咯里西啶生物碱，已在超过6000种植物中发现了超过660种吡咯里西啶天然产物及其氮氧化物，其中近一半具有生物活性和药理活性 [15] [16] 。因此，推动吡咯里西啶生物碱的分离和合成具有更深入的研究价值。
Figure 7. Pyrrolizidine alkaloid Retrohoustine、Heliohoustine and Isoretrohoustine
图7. 吡咯里西啶生物碱Retrohoustine、Heliohoustine和Isoretrohoustine
3. 吡咯里西啶生物碱的合成
3.1. Platynecine型吡咯里西啶生物碱的合成
1994年，Scott E. Denmark及其团队 [17] [8] 开发了一种高效的方法，利用连续的[4 + 2]和[3 + 2]环加成反应合成一系列1,7-顺式二取代吡咯里西啶生物碱(图8)。最初，他们将这一策略应用于(−)-hastanecine的全合成。该方法通过利用Lewis酸催化，将硝基烯烃3.1和含手性导向基团的乙烯基醚3.1进行[4 + 2]环加成反应，生成硝酸酯3.3，随后与马来酸二甲酯进行[3 + 2]环加成反应，形成化合物3.4。亚硝基缩醛3.4作为单一的非对映异构体，经过N-O还原裂解和双重缩合得到吡咯利嗪酮3.5。随后，吡咯利嗪酮3.5经去除C-(2)位的羟基得到化合物3.6，最后对3.6的苯甲酰基和酯基进行还原，最终以71%的总收率得到吡咯里西啶生物碱(−)-hastanecine。
Figure 8. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid (−)-hastanecine
图8. 吡咯里西啶生物碱(−)-hastanecine的合成
该方法的优点是两种环化反应都具有很高的立体选择性。后来，一些学者将这种方法应用于合成其他新的吡咯里西啶生物碱，如(−)-rosmarinecine [18] [19] ，(−)-platynecine [20] ，(+)macronecine [21] ，(+)-petasinecine [21] ，和(+)-crotanecine [21] 等(图9)。
2006年，Donald Craig的研究小组 [22] 成功利用钯(0)催化的分子内环化反应，以高度立体选择性合成了吡咯里西啶生物碱(−)-trachelanthamidine (图10)。该方法以N-叔丁氧羰基-L-脯氨酸甲酯为起始原料，经过5步反应合成了碳酸烯丙酯3.7。通过使用催化量的三(二亚苄基丙酮)二钯(0)和亚磷酸三异丙酯处理3.7，促使π-烯丙基络合物的形成，随后进行分子内环化反应，成功合成了一对不可分离的非对映异构体的吡咯里西啶混合物3.8。随后，对C = C键进行臭氧氧化，同时去除甲苯磺酰基并对内酰胺3.9进行还原，最终得到吡咯里西啶生物碱(−)-trachelanthamidine。
2010年，Livinghouse小组 [23] 采用过渡金属催化非共轭γ-氨基二烯双氢化(C(3)-N + N-C(5))的策略，成功合成了吡咯里西啶生物碱(±)-xenovenine (图11)。该策略首先利用腙3.10合成了外消旋5-氨基-1，8-二烯3.11，随后通过中性Sc (III)酰胺络合物3.12介导的连续双环化方式进行反应。在这两种情况下，末端烯基的氢化反应均在温和条件下进行，表现出很高的非对映选择性(dr 50:1)和高转化率(>95%)。但是，吡咯烷3.13的加成反应进展缓慢，即使在120℃时，转化率也很低。
Figure 10. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid (−)-trachelanthamidine
图10. 吡咯里西啶生物碱(−)-trachelanthamidine的合成
Figure 11. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid (±)-xenovenine
图11. 吡咯里西啶生物碱(±)-xenovenine的合成
Figure 12. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid (−) rosmarinecine
图12. 吡咯里西啶生物碱(−) rosmarinecine的合成
在吡咯里西啶生物碱的[3 + 2]环加成反应合成中，各种硝酮的1,3-偶极环是最常见的方法(图12)。在2012年至2013年期间，Shuji Akai [24] 和Yasuyuki Kita [25] 等人描述了一种无保护基的四步合成方法，用于合成吡咯里西啶生物碱(−) rosmarinecine。该方法以吡咯盐酸盐为起始原料。在这一方法中，起始吡咯盐酸盐经过2-(苯磺酰基)-1,2-恶唑烷3.13氧化得到外消旋硝酮3.14 [26] ，然后将其引入与马来酸酯3.15的脂肪酶催化的动态不对称转化中，形成中间体3.16。随后，经过分子内1,3-偶极环加成反应得到三环异噁唑烷3.17。将三环异噁唑烷3.17经过N-O键的氢解得到化合物3.18，随后对3.18进行还原，最终得到吡咯里西啶生物碱(−) rosmarinecine。同时，通过这一策略获得的异恶唑烷还可以作为各种天然化合物的关键前体。
2017年，Santosh J. Gharpure课题组 [27] 以L-焦谷氨酸作为起始原料，成功合成了(+)-3-epi-epohelmin A (图13)。在这一方法中，L-焦谷氨酸经过5步转化为β-[2-(重氮乙酰基)吡咯烷-1-基]丙烯酸乙酯3.19，并通过铜催化的分子内[2 + 1]-环加成反应得到环丙烷3.20。在AIBN存在下，环丙烷3.20经过三丁基锡氢还原，形成区域选择性的吡咯里西啶-1,5-二酮3.21。随后，二酮3.21经过9步转化最终得到(+)-3-epi-epohelmin A。此外，作者还希望通过这一合成序列实现(+)-3-epi-epohelmin A的合成。然而，令人遗憾的是，在反应的后期，C-(3)原子发生了异构化，并没有实现。
Figure 13. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid (+)-3-epi-epohelmin A
图13. 吡咯里西啶生物碱(+)-3-epi-epohelmin A的合成
Figure 14. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloids (−)-isoretronecanol, (+)-laburnine, and (+)-turneforcidine
图14. 吡咯里西啶生物碱(−)-isoretronecanol，(+)-laburnine，和(+)-turneforcidine的合成
2019年，Yu-Fu Liang课题组 [28] 报道了使用(+)-酮基丙酸N，N-二异丙基酰胺3.22作为手性助剂合成(−)-isoretronecanol，(+)-laburnine，和(+)-turneforcidine的方法(图14)。在这一方法中，亚氨基甘氨酸盐3.23经过3个步骤转化为吡咯烷酮3.24，并同时获得起始原料3.22。对3.24进行N-烷基化，然后将酯基转化为乙烯基，生成二烯混合物3.25-a和3.25-b (比例为10:1)，随后通过烯烃复分解反应进一步制得吡咯嗪衍生物，最终经过氢化还原实现了吡咯里西啶生物碱(−)-isoretronecanol，(+)-laburnine，和(+)-turneforcidine的合成。
3.2. Heliotridine型吡咯里西啶生物碱的合成
2003年，Alberto Brandi等研究人员 [29] 运用1,3-偶极环加成反应完成了吡咯里西啶生物碱(+)-heliotridine的全合成(图15)。该研究以L-苹果酸二乙酯为起始原料，通过5步反应成功合成了对硝酮3.27。随后，硝酮3.27与4-溴巴豆酸乙酯进行非对映选择性的[3 + 2]环加成反应，得到了不稳定的异恶唑烷3.28。恶唑烷3.28经过进一步的N-O键的氢解和原位环化反应得到羟基吡咯烷酮3.29。在碱性条件下，对3.29进行甲磺酰化得到不饱和酯3.30，最终通过DIBAL-H和三氟乙酸水溶液的处理，成功以17%的总收率合成了目标产物(+)-heliotridine生物碱。
在2004年，Yeun-Min Tsai课题组 [30] 从(±)-苹果酸衍生的酰亚胺3.31出发，以高立体选择性合成了吡咯里西啶生物碱(+)-heliotridine (图16)。该方法依靠酰亚胺3.31中已有的手性中心，可以任意控制新形成的相邻手性中心的立体化学。在该方法中，作者首先使用三苯基膦和偶氮二甲酸二异丙酯(DIAD) 3.35将酰亚胺3.31与2-苯基硫代乙醇进行偶联。随后加入催化量的樟脑磺酸(CSA)得到酰亚胺醇3.32。接着，使用过量的三甲基甲硅烷基乙炔锂处理酰亚胺醇3.32，获得非对映体内酰胺二醇3.33的混合物。将该二醇混合物直接还原为单一异构体的内酰胺3.32，然后在保护羟基的同时用NCS处理，MCPBA氧化，得到a-氯砜3.35 (86%)。将3.35与过量的氢化三丁基锡反应，得到双环内酰胺3.37，再与苯基亚苯基溴反应得到单一异构体3.38。最后，在18-冠-6的存在下，用乙酸钾置换溴化物，然后水解得到吡咯里西啶生物碱(+)-heliotridine。
Figure 15. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid (+)-heliotridine
图15. 吡咯里西啶生物碱(+)-heliotridine的合成
Figure 16. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid (+)-heliotridine
图16. 吡咯里西啶生物碱(+)-heliotridine的合成
Figure 17. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid (+)-heliotridine
图17. 吡咯里西啶生物碱(+)-heliotridine的合成
2006年，Goti课题组 [31] 介绍了一种以相应的内酯为起始原料制备吡咯里嗪生物碱rosmarinecine类似物的简单新方法(图17)。该方法的合成效率取决于未保护的羟胺与易得的内酯的缩合，以及随后与甲磺酰氯进行酯化反应的化学选择性。在这个方法中，硝酮3.40可以通过与D-赤藓糖丙酮3.39反应获得，经过与马来酸二甲酯的环加成后生成主要的非对映异构体3.41。非对映异构体3.41经过N-O键的氢解产生内酰胺3.42，然后选择性还原，再通过甲磺酸盐促进的区域选择性脱水，最终经过还原和水解等步骤，得到吡咯里嗪生物碱rosmarinecine的类似物7a-epi-crotanecine 3.44。
3.3. Retronecine型吡咯里西啶生物碱的合成
1980年，William Fenical教授领导的研究团队 [32] 利用[3 + 2]环加成反应成功合成了吡咯里西啶生物碱(+)-retronecine (图18)。在这个反应中，丙烯酸甲酯与原位生成的1-[(三甲基硅基)甲基]吡咯烷-2-酮3.45的甲亚胺叶立德3.46进行了1,3-偶极环加成反应，随后通过消除一分子甲醇得到了化合物3.48。将共轭酯3.48经过催化加氢转化为3.49，最终通过官能团异构化实现了吡咯里西啶生物碱(+)-retronecine的合成。
Figure 18. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid (±)-retronecine
图18. 吡咯里西啶生物碱(±)-retronecine的合成
同年，Bernard T. Golding课题组 [33] 报道了一种合成(±)-heliotridine和(±)-retronecine的方法，该方法通过逆Diels-Alder反应和分子内[4 + 2]反应进行(图19)。在该方法中，9,10-二甲基蒽衍生物3.50经过逆Diels-Alder反应原位生成酰基亚硝基二烯3.51，随后通过分子内[4 + 2]反应转化为1,2-恶嗪3.52，紧接着通过三步转化得到内酰胺3.53-a和3.53-b。最后，内酰胺3.53经过连续的去保护以及LiAlH4还原等步骤，成功实现了(±)-heliotridine和(±)-retronecine的全合成。
1983年，Kiyoyuki Yamada教授领导的研究团队 [34] 利用环酮酸酯3.54作为起始原料，成功合成了吡咯里西啶生物碱(±)-retronecine (图20)。在这一合成方法中，环酮酸酯3.54首先在室温条件下通过Bn-N键的催化氢解，得到烯胺3.55，随后化合物3.55经过C(7)-羟基化和C = C键加氢还原，得到了羟基酯3.56和三环内酯3.57的混合物。紧接着，空间受阻的内酯3.57发生硒化反应得到相应的衍生物3.58。最后，将3.58还原为二醇3.59，随后进行消除反应，最终得到吡咯里西啶生物碱(±)-retronecine。
Figure 19. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloids (±)-heliotridine and (±)-retronecine
图19. 吡咯里西啶生物碱(±)-heliotridine和(±)-retronecine的合成
Figure 20. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid (±)-retronecine
图20. 吡咯里西啶生物碱(±)-retronecine的合成
2001年，John L. Wood课题组 [35] 利用偶氮化合物3.60作为起始原料，经过一系列步骤，包括Claisen重排、[3,3]-重排和硼氢化还原，成功实现了对(+)-latifoline的全合成(图21)。在该反应中，(S)-戊-3-烯-2-醇与衍生自偶氮化合物3.60的类羰基铑发生了O-烷基化反应，随后经历了[3,3]重排反应，形成了关键中间体3.61。通过烯烃的臭氧化和内半缩醛的TPAP氧化生成内酯，紧接着通过苄基酯的氢解得到(+)-latifolic酸3.63。最后，通过将(+)-retronecine与活化形式的(+)-latifolic酸进行连续酯化，成功实现了吡咯里西啶产物(+)-latifoline 3.65的合成。
Figure 21. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid (+)-latifoline
图21. 吡咯里西啶生物碱(+)-latifoline的合成
Figure 22. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloid(+)-retronecine
图22. 吡咯里西啶生物碱(+)-retronecine的合成
2005年，Philippe Delair的研究小组 [36] 利用内酰胺作为起始原料，通过合成手性烯醇醚3.66，成功实现了吡咯里西啶生物碱(+)-retronecine的合成(图22)。在这个合成方法中，研究人员首先通过手性烯醇醚3.66与二氯烯酮的高选择性[2 + 2]-环加成反应，然后经过Beckmann环扩展和还原反应，以非对映体富集的方式制备了中间体。随后，通过内部诱导成功地引入了后续的立体中心，最终成功合成了吡咯里西啶天然产物(+)-retronecine。
2009年，Henk Hiemstra教授领导的研究团队 [37] 报道了吡咯里西啶生物碱(+)-heliotridine和ent-(−)-retronecine的合成方法(图23)。该方法首先利用L-苹果酸衍生物合成吡咯烷酮3.69。在三氟化硼乙醚的催化下，将新合成的吡咯烷酮3.69与炔丙基硅烷3.70反应，得到化合物3.71。随后，在Au(I)络合物和四氟硼酸银的催化下，环化中间体烯3.71，生成双环内酰胺3.72-a和3.72-b。最后，经过分离纯化后，这些非对映体内酰胺被分别还原，得到相应的吡咯里西啶生物碱(+)-heliotridine和ent-(−)-retronecine。
Figure 23. Synthesis of the pyrrolizidine alkaloids (+)-heliotridine and ent-(−)-retronecine
图23. 吡咯里西啶生物碱(+)-heliotridine和ent-(−)-retronecine的合成
3.4. 小结
在前文中，我们对吡咯里西啶生物碱骨架的构建方法进行了系统总结，并成功将其嵌入了Retronecine、Odonecine、Platynecine和Heliotridine四种类型的骨架中。这些方法涉及各种环化反应，可提供具有所需取代基排列的双环骨架。此外，这些方法通常需要使用手性底物或手性助剂。随着有机化学的不断发展，仍有许多更为强大的方法尚待发现，这些方法将属于已讨论过的合成策略之中。
4. 总结
迄今为止，吡咯利嗪类化合物的合成方法多种多样，但是吡咯里西啶生物碱的合成路线相对有限。鉴于吡咯里西啶生物碱的庞大数量体系和重要的研究价值，在本文中，我们根据吡咯里西啶生物碱结构特点，对其部分合成方法进行了综述。这些方法主要通过各种环化反应和环加成反应构建所需的双环骨架。此外，这些方法通常涉及手性底物或手性催化剂的使用，但是对于某些化合物手性中心的构建目前仍存在挑战，还需要在后续研究中进一步研究。
NOTES
*通讯作者。