市販の試薬から短工程でbrevianamide Aの初の全合成が達成された。今後、brevianamide類の生合成経路解明研究の加速が期待できる。

 Brevianamide AとBの生合成経路仮説

Diels–Alder反応は強力な有機合成反応である。この反応はいくつかの天然物の生合成にも関与していることが知られ、生体内でDiels–Alder反応を触媒するDiels–Alderaseもいくつか同定されてきた^[1]。モノ-、もしくはジオキソピペラジン骨格をもつビシクロ[2.2.2]ジアザオクタンアルカロイドもそのような天然物の一つであり、生合成においてDiels–Alder反応がこのビシクロ骨格形成に関与すると提唱されている(図1A)^[2]。これらの天然物のいくつかは生合成遺伝子クラスターが同定され、Diels–Alderaseの存在が明らかになっている。しかし、brevianamide A (1)やそのジアステレオマー(2: brevianamide B)などのジオキソピペラジン骨格をもつアルカロイドの生合成遺伝子クラスターはまだ同定されていない^[3,4]。
1と2は1969年に菌類Penicillium brevicompactumから生成比約90:10で単離された。単離後50年間に多くの研究がなされた結果、現在では1993年にWilliamsらが提唱した以下の生合成経路が支持されている (図1B)^[5]。生合成中間体(+)-deoxybrevianamide E (3)がもつインドール部位が酸化されてヒドロキシインドリン4を与える。その後アルキル基の1,2-転位が進行しインドキシル5となる。5のジケトピペラジンの酸化により生じたアザジエン8の分子内Diels–Alder反応により1と2が生合成される。Williamsらは本生合成仮説を実証すべく本合成経路にて1と2の合成を試みたが、5の不安定性により失敗した。このようにin vitroでの本生合成の再現が難しく、Diels–Alderaseが不明な1と2の生合成経路の解明は、長い間多くの化学者の研究対象とされてきた。
今回、エディンバラ大学のLawrenceらは、Williamsらの仮説をもとに、3の代わりに酸化段階が一つ高い(+)-dehydrodeoxybrevianamide E (6)を用いて7を合成し、その後7の分子内Diels–Alder反応により1と2の全合成を達成した(1は初の全合成: 図1C)。本全合成を通じて、1の生合成にはDiels–Alderaseが関与しないことが示唆された。

図1. A. ビシクロ[2,2,2]ジアザオクタンアルカロイド　B. Williamsが提唱した1,2の生合成経路　C. Brevianamide A, Bの合成計画

Total Synthesis of Brevianamide A”
Godfrey, R. C.; Green, N. J.; Nichol, G. S.; Lawrence, A. L. Nat. Chem. 2020.
DOI: 10.1038/s41557-020-0442-3

論文著者の紹介

研究者：Andrew L. Lawrence
研究者の経歴：
2002–2006 M.S., St. John’s College, University of Oxford, UK
2006–2010 Ph.D., University of Oxford, UK (Prof. J. E. Baldwin and Prof. R. M. Adlington)
2010–2011 Postdoc Fellow, Australian National University, Australian (Prof. M. S. Sherburn)
2012–2013 ARC DECRA Fellow, Australian National University, Australian
2013–2017 Lecturer, University of Edinburgh, UK
2017– Senior Lecturer, University of Edinburgh, UK
研究内容：天然物の全合成研究

論文の概要

著者らは、Williams生合成仮説の中間体8がもつジオキソピペラジン部位と同じ酸化段階をもつ(+)-dehydrodeoxybrevianamide E (6)を合成中間体とすれば1を合成できると考えた(図2)。

そこで、市販のL-トリプトファンメチルエステル(9)から5工程、総収率34%で6を合成した。次に6をmCPBA酸化したところ、インドール部位の酸化とアミナール形成(環化反応)が一挙に進行し、10と11が収率57%、ジアステレオマー生成比64:36で得られた。続いて、10をLiOH/H₂O条件で反応させることで、アミナールの開環–アルキル基の1,2-転位–生じたアザジエンの分子内Diels–Alder反応のカスケード反応が進行し、収率63%、ジアステレオマー生成比93:7で1と2の合成に成功した。11を同様の反応条件に付したところ、収率60%、ジアステレオマー比92:8で1と2のエナンチオマーent–1、ent–2が得られた。

最後のDiels–Alderカスケード反応のジアステレオ選択性が約9:1と、単離された天然物1と2の比と同等であったことから、これらの生合成にはDiels–Alderaseは関与せず、自発的に8のDiels–Alder反応が進行していることが示唆された。

図2. Brevianamide Aの全合成

以上、brevianamide A (1)と2の全合成が達成された。本成果により、長年未解明であった1および2の生合成経路の謎に終止符が打たれた^[4]。

 参考文献

1. Stocking, E. M.; Williams, R. M. Chemistry and Biology of Biosynthetic Diels–Alder Reactions. Angew. Chem., Int. Ed. 2003, 34, 3078–3115. DOI: 10.1002/anie.200200534
2. Finefield, J. M.; Frisvad, J. C.; Sherman, D. H.; Williams, R. M. Fungal Origins of the Bicyclo[2.2.2]diazaoctane Ring System of Prenylated Indole Alkaloids. J. Nat. Prod. 2012, 75, 812–833. DOI: 10.1021/np200954v
3. Dan, Q.; Newmister, S. A.; Klas, K. R.; Fraley, A. E.; Mcafoos, T. J.; Somoza, A. D.; Sunderhaus, J. D.; Ye, Y.; Shende, V. V.; Yu, F.; Sanders, J. N.; Brown, W. C.; Zhao, L.; Paton, R. S.; Houk, K. N.; Smith, J. L.; Sherman, D. H.; Williams, R. M. Fungal Indole Alkaloid Biogenesis through Evolution of a Bifunctional Reductase/Diels–Alderase. Nat. Chem. 2019, 11, 972–980. DOI: 10.1038/s41557-019-0326-6
4. 本論文査読中にWilliams、Sherman、Liらによって1の生合成遺伝子クラスターが同定された。種々の対照実験の結果、Lawrenceらの結論と同様、本Diels–Alder反応にはDiels–Alderaseは関与していないことが提唱された。Ye, Y.; Du, L.; Zhang, X.; Newmister, S. A.; Zhang, W.; Mu, S.; Minami, A.; Mccauley, M.; Alegre-Requena, J. V.; Fraley, A. E.; Adrover-Castellano, M. L.; Carney, N.; Shende, V. V.; Oikawa, H.; Kato, H.; Tsukamoto, S.; Paton, R. S.; Williams, R. M.; Sherman, D. H.; Li, S. Cofactor-Independent Pinacolase Directs Non-Diels–Alderase Biogenesis of the Brevianamides.ChemRxiv Preprint 2019. DOI: 26434/chemrxiv.9122009.v1
5. Sanz-Cervera, J. F.; Glinka, T.; Williams, R. M. Biosynthesis of Brevianamides A and B: in Search of the Biosynthetic Diels–Alder Construction.Tetrahedron 1993, 49, 8471–8482. DOI: 1016/s0040-4020(01)96255-6