中国红树植物木榄Bruguiera gymnorrihiza中新颖罕见多聚二硫环类化合物的结构及全合成研究.doc

中国红树植物木榄Bruguiera gymnorrihiza中新颖罕见多聚二硫环类化合物的结构及全合成研究龚景旭，刘海利，郭跃伟 E-mail: ; Tel.: 86-21-50805813; Fax: 86-21-50807088;国家科技部海洋“863”计划 (Nos. 2006AA609Z412, 2006AA609Z447); 上海市科委基础研究项目 (Nos. 054307062, 06DZ22028); 中国科学院重点项目(No. grant KSCX2-YW-R-18).（中国科学院上海药物研究所国家新药研究重点实验室 上海浦东张江祖冲之路555号 201203）摘要 目的：对采自中国广东湛江红树林植物木榄（Bruguiera gymnorrihiza）中的聚二硫环类化合物的结构及全合成进行研究。方法：用硅胶柱层析和Sephadex LH-20凝胶柱层析对木榄的甲醇提取物进行分离纯化，并利用现代波谱技术（IR，1H NMR，13C NMR，2D NMR，MS等）并结合单晶X衍射实验对得到的化合物的结构进行鉴定；运用现代有机合成方法对木榄中的聚二硫类化合物进行全合成。结果：分离得到7个聚二硫类化合物（1-7），其结构分别鉴定木榄八硫醇（neogymnorrihizol， 1）、木榄四硫醇（trans-3,3-dihydroxy-1,5,1,5-tetrathiacyclodecane，2）、异木榄四硫醇（cis-3,3-dihydroxy-1,5,1,5-tetrathiacyclodecane，3）、木榄六硫醇（gymnorrihizol，4）、新木榄二硫醇（bruguiesulfurol，5）、木榄二硫醇（brugierol，6）和异木榄二硫醇（isobrugierol，7）；以1-溴-3-氯-2-丙醇为起始原料，成功地开展了木榄六硫醇（gymnorrihizol，4）及其类似物的全合成研究。结论：化合物1为结构罕见的二十元多聚二硫大环新骨架化合物，该化合物的结构特征是由4个重复的2-羟基-1,3-丙二硫醇基聚合而成的二十元大环分子；2和3为结构新颖的、互为差向异构的十元多聚二硫大环新骨架化合物，它们的结构特征是由2个重复的2-羟基-1,3-丙二硫醇基聚合而成的十元大环分子；首次实现了化合物4的全合成研究；经体外生物活性测试研究发现，化合物4和5均对II型糖尿病靶标分子蛋白酪氨酸磷酸酯酶（PTP1B）具有显著的抑制活性；对聚二硫类化合物1-7可能的生源关系及构效关系进行初步探讨。 关键词 木榄；多聚二硫大环；木榄八硫醇；木榄四硫醇；异木榄四硫醇；木榄六硫醇； hPTP1B抑制活性；全合成；构效关系Structural and Total Synthetic Studies on Unusual Novel Macrocyclic Polydisulfides from the Chinese Mangrove Bruguiera gymnorrihizaGONG Jing-Xu, LIU Hai-Li, GUO Yue-Wei*(State Key Laboratory of Drug Research, Shanghai Institute of Materia Medica, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China) Abstract OBJECTIVE: To study the structures and the total synthesis of macrocyclic polydisulfides of mangrove plant Bruguiera gymnorrihiza, aiming at searching for lead compounds. METHOD: The MeOH extract of B. gymnorrihiza was subjected to repeated silica gel and Sephadex LH-20 column chromatography to afford seven compounds. The structures were determined by detailed spectroscopic data analysis (IR, 1H and 13C NMR, 2D NMR, MS, etc.) combined with X-ray experiments. The total synthesis of macrocyclic polydisulfides were studies by modern organic synthetic methods. RESULTS: Seven compounds were isolated and identified as neogymnorrihizol (1), trans-3,3-dihydroxy-1,5,1,5-tetrathiacyclodecane (2), cis-3,3-dihydroxy-1,5,1,5-tetrathiacyclodecane (3), gymnorrihizol (4), bruguiesulfurol (5), brugierol (6) and isobrugierol (7). The total synthesis of 4 and its analogs were obtained successively. CONCLUSION: Neogymnorrihizol (1) is an unusual novel macrocyclic polydisulfide, which possesses an unprecedented carbon skeleton characterized by a twenty-membered macrocycle that is composed of four repeated 1,3-dimercaptopropan-2-ol units. 2 and 3 are two unusual novel macrocyclic polydisulfides, which possesses an unprecedented carbon skeleton characterized by a ten-membered macrocycle that is composed of two repeated 1,3-dimercaptopropan-2-ol units. The total synthesis of 4 was completed for the first time. In bioassay, compounds 4 and 5 exhibited significant hPTP1B inhibitory activity. A plausible biogenetic origin of these uncommon polydisulfides and their SAR relationship were also discussed. Keywords Bruguiera gymnorrihiza; macrocyclic polydisulfide; neogymnorrihizol; gymnorrihizol; hPTP1B inhibitory activity; total synthesis; SAR环状有机多聚二硫化物在生物界中并不多见，其主要存在于蘑菇（Lentinus edodes）1,2、真菌（Pithomyces chartarum）3,4等菌类及红树林（mangrove）5,6、藻类（algae）7,8、海鞘类（ascidia）9,10等海洋生物体中。虽然报道的环状有机多聚二硫化物数量很少，但迄今为止所发现的此类化合物却表现出了很好的生物活性，如杀虫、驱虫、抗菌、抗炎等1115。其中最有意义的是从海洋多角软体动物lumbriconereis heteropoda中获得的海洋天然产物nereistoxin已被证实具有显著的杀虫活性，其合成类似物Padan目前已经做为商品杀虫剂投入市场使用16；从海洋苔藓动物门（bryozoan）中分离得到的多种环状有机多聚二硫化物，如pentaporins A，B，C等17、从海鞘纲（ascidian）中分离得到的polycarpine18、从印度洋的一种海鞘中分离得到的polycarpine dihydrochloride19、从海鞘纲中分离得到的polycarpamines AE20等都证实具有很好的驱虫作用。此外，从红树林植物红树科中分离得到的木榄二硫醇（brugierol，6，图1）和异木榄二硫醇（isobrugierol，7，图1）也显示出了很好的抗菌、抗炎和抗肿瘤等活性14。因此，对环状有机多聚二硫化物及其生物活性的进一步深入研究将具有十分重要的意义。为了从中国红树植物中寻找新颖结构和具有多方面生理活性的天然化合物，以期开发成为新药先导化合物，近年来我们对我国多种红树林植物的化学成分及生物活性进行了系统研究2121，最近在对产于中国广西的红树林科（Rhizophoraceae）红树属植物木榄（Bruguiera gymnorrihiza）的茎叶研究过程中，发现了一个全新骨架结构新颖的多聚二硫大环化合物木榄六硫醇（gymnorrihizol，4）2426，该化合物是由3个重复的2-羟基-1,3-丙二硫醇基聚合而成的3,4,8,9,13,14-六硫-1a,6b,11b-三羟基环十五烷化合物。经体外生物活性筛选，发现该化合物对II 型糖尿靶标分子蛋白酪氨酸磷酸酯酶（PTP1B）具有显著的抑制活性，其半抑制浓度IC50=14.9 M，良好的结果表明此类化合物是一种新型的PTP1B抑制剂，对此类化合物进行深入的研究，对于寻找新颖的抗糖尿病药物具有重要的意义。为了获得大量天然的木榄六硫醇，以期在细胞和动物水平上做进一步研究，我们对我国不同产地的红树林科红树属植物木榄中聚二硫化合物的含量进行了深入研究，结果发现聚二硫类化合物在产于广东湛江的红树林植物木榄中含量较高。因此，我们对其小枝和叶的甲醇提取部分进行了系统的化学成分研究。在研究过程中，不但分离得到了目标化合物木榄六硫醇（gymnorrihizol，4，见图1）而且还获得了1个结构罕见的二十元多聚二硫大环新骨架化合物木榄八硫醇（neogymnorrihizol，1，见图1和2），该化合物的结构特征与4十分相似，是由4个重复的2-羟基-1,3-丙二硫醇基聚合而成的3,4,3,4,3,4,3,4-八硫-1,6,1,6-四羟基环二十烷化合物；2个结构新颖、互为差向异构的十元多聚二硫大环化合物木榄四硫醇（trans-3,3-dihydroxy-1,5,1,5-tetrathiacyclodecane，2，见图1和3）和异木榄四硫醇（cis-3,3-dihydroxy-1,5,1,5-tetrathiacyclodecane，3，见图1和3），它们的结构特征与4也十分相似，是由2个重复的2-羟基-1,3-丙二硫醇基聚合而成的1,5,1,5-四硫-3,3 二羟基环十烷化合物；化合物1-3的化学结构是经仔细解析波谱学数据（IR，UV，1H NMR，13C NMR，2D NMR，MS等）并经X单晶衍射实验得以确定的。此外，我们还获得了3个已知二硫五元环化合物，它们分别为新木榄二硫醇（bruguiesulfurol，5，见图1）27、木榄二硫醇（brugierol，6，见图1）2830和异木榄二硫醇（isobrugierol，7，见图1）2830。其中化合物5的立体化学结构经X单晶衍射并与文献对照得以确定，在此基础上重新对化合物6和7的核磁共振信息进行全归属；同时修订了文献中对化合物6的立体化学结构的表述。并探讨了聚二硫类化合物可能的生物合成途径，分析了化合物1-7可能的相互间的生源关系（见图4）。图 1 化合物1-7的结构式图 2 化合物1的X-单晶衍射示意图 图3化合物2和3的X-单晶衍射示意图图 4 木榄中的聚二硫化合物1-7可能的生物合成途径为进一步研究化合物Gymnorrhizol 4的药理活性，我们对该化合物的合成进行了研究，以制备足够量的化合物供进一步研究。并进行了初步构效关系进行了研究，以寻找更好活性的化合物。合成Gymnorrhizol的关键是二硫醚键的形成，有关二硫醚化合物的合成常用方法有卤代物的反应31、硫醇的氧化32、硫代硫酸单酯单钠盐(Bunte Salts)的分解33、磺酰氯的还原34和硫氰酸酯还原35等方法。我们首先使用氧化硫醇的方法来合成gymnorrhizol, 由于1, 3-二巯基丙醇含有两个巯基，增加了反应的复杂性，除发生自身的氧化外，还有两个分子之间，三个分子之间的氧化，以至更多分子之间发生氧化，反应产物随分子量的增加而减少，由于反应产物多，分离困难，另外目标产物收率低，利用对称的方法来合成目标化合物不是一种理想的方法。我们设计使用Bunte 盐和硫醇的金属盐反应来制备gymnorrhizol，使用该方法原料简单易得，反应条件温和。我们的合成路线是（Scheme 1）：1-溴-3-氯异丙醇与定量的硫代硫酸钠在水溶液中加热回流后用过氧化氢氧化生成二硫醚化合物8，产物4继续与硫代硫酸钠反应生成9。另一方面，1, 3-二氯异丙醇在甲醇溶液中与新制得的三硫代碳酸钠反应，生成的产物用2 N H2SO4酸化，得到1,3-二巯基异丙醇10，接着与氢氧化钾反应，生成1,3-二巯基异丙醇二钾盐11。得到的二钾盐与前面制得的Bunte 盐 9在水和THF的混合溶剂中于室温搅拌，得到木榄六硫醇（gymnorrhizol）。Scheme 1 为了寻找具有更好抑制PTP1B活性的环状多聚合二硫醚化合物, 更好地研究此类化合物的构效关系, 我们对1, 3-二巯基-2-丙醇进行氧化，得到了天然产物brugierol (6) 和isobrugierol (7) (Scheme 2); 另外对1, 3-丙二硫醇进行氧化, 得到了一系列的环状二硫醚类化合物 (Scheme 3)。Scheme 2 木榄二硫醇和异木榄二硫醇的一步合成反应路线Scheme 3 环状聚二硫醚类化合物的合成我们对本次研究中分离及合成得到的聚二硫环类化合物1-7，11-16的生物活性进行了测试，初步的药理实验表明木榄六硫醇（4）和新木榄二硫醇（6）对II型糖尿靶标因子PTP1B1具有显著的抑制活性。进一步的细胞水平、动物水平药理实验也表明，化合物4具有显著的降糖活性，详细的生物活性研究将另文报道。关于化合物4的降糖活性，我们不但申请了专利，而且目前正积极开展深入的临床前实验研究。总之，通过对红树植物木榄的分离，得到了3个新颖多聚二硫大环新骨架化合物1-3及4个已知化合物4-7，并以1-溴-3-氯-2-丙醇为起始原料，成功地开展了木榄六硫醇（gymnorrihizol，4）及其类似物的全合成研究，对聚二硫环类化合物的降糖活性进行了深入研究，同时对化合物1-7可能的生源关系及可能的构效关系进行了探讨。 参考文献1. CHEN C-C, HO C-T. Dentification of sulfurous compounds of shiitake mushroom J. J Agric Food Chem, 1986, 34: 830-833. 2. MORITE K, KOBAYASHI S. Isolation, structure, and synthesis of lenthionine and its analogs J. Chem Pharm Bull, 1976, 15: 988-993.3. SAFE S, TAYLOR A, SPORIDESMINS X. Synthesis of polysulfides by reaction of dihydrogen disulfide with disulfides and thiols J. J Chem Soc C, 1970, 3: 432-435.4. FRANCIS E, RAHMAN R, SAFE S, et al. Sporidesmins. XII. Isolation and structure of sporidesmin G, a naturally occurring 3,6-epitetrathio-2,5-piperazinedione J. J Chem Soc Perkin I, 1972, 4: 470-472.5. LODER W, RUSSELL. Tumour inhibitory plants. The alkaloids of Bruguiera sexangula and Bruguiera exaristata (Rhizophoraceae) J. Aust J Chem, 1969, 22: 1271-1274.6. KATO A, TAKAHASHI J. A new naturally occurring 1,2-dithiolane from Bruguiera cylindrical J. Phytochemistry, 1976, 15: 220-221.7. ANTHONI U, CHRISTOPHERSEN C, JACOBSEN N, et al. Synthesis of 4-methylthio-1,2-dithiolane and 5-methylthio-1,2,3-trithiane. Two naturally occurring bioactive compounds J. Tetrahedron, 1982, 38: 2425-2427.8. BEHAR V, DANISHEFSKY S J. Total synthesis of the novel benzopentathiepin varacinium trifluoroacetate: the viability of varacin-free base J. J Am Chem Soc, 1993, 115: 7017-7018.9. FORD P W, DAVIDSON B S. Synthesis of varacin, a cytotoxic naturally occurring benzopentathiepin isolated from a marine ascidian J. J Org Chem, 1993, 58: 522-4523.10. LITAUDON M, TRIGALO F, MARTIN M T, et al. Lissoclinotoxins: Antibiotic polysulfur derivatives from the tunicate Lissoclinum perforatum. Revised structure of lissoclinotoxin A J. Tetrahedron, 1994, 50: 5323-5334.11. WRATTEN S J, FAULKNER D J. Cyclic polysulfides from the red alga Chondria californica J. J Org Chem, 1976, 41: 2465-2467.12. YAGA S, KINJO K, FERNZNDEZ E C, et al. The termite resistance of Okinawan timbers. X. Termiticidal substances from Bruguiera gymnorrhiza J. Mokuzai Gakkaishi, 1991, 37: 358-362.13. Taga T. In Jpn. Kokai Tokkyo Koho, JP 01066102 A2 19890313 Heisei, Application: JP 87-222660 19870904, 1989 pp. 3.14. KATO A, HASHIMOTO Y. In “Nat. Sulfur Compd. New York, Meeting Date 1979, 361-374, 1980 Proc. Int. Meet 3rd.15. Sakaki, Y.; Shibata, M.; Inukai, Y.; Miki, T.; Hirosue, H.; Ikema, Y.; Yaga, S. Extraction characteristics of mangrove trees and biological activities of extracts. Kyushu Kogyo Gijutsu Kenkyusho Hokoku 1994, 52, 3247.16. HASHIMOTO Y, SAKAI M, KONISHI K, A New insecticide developed from nereistoxin page 12-135 in L. R. Worthen ed. Food-Drugs from the sea proceedings, 1972, Marine. Technology. Socciety, Washington D.C.17. EISENBARTH S, GEHLING M, HARDER A, et al. Pentaporins A, B and C: disulfides from the marine bryozoan Pentapora fascialis J. Tetrahedron, 2002, 58: 8461-8464.18. ABAS S A, HOSSAIN M B, HELM D, et al. Alkaloids from the Tunicate Polycarpa aurata from Chuuk Atoll J. J Org Chem, 1996, 61: 2709-2712. 19. KANG H, FENIXAL W. Polycarpine dihydrochloride: A cytotoxic dimeric disulfide alkaloid from the indian ocean ascidian Polycarpa clavata J. Tetrahedron Lett, 1996, 37: 2369-2372.20. LINDQUIST N, Fenical W. Polycarpamines A-E, antifungal disulfides from the marine ascidian polycarpa auzata J. Tetrahedron Lett, 1990, 31: 2389-2392.21. WANG J-D, Li Z-Y, Guo Y-W. Secoatisane- and isopimarane-type diterpenoids from the Chinese mangrove Excoecaria agallocha L J. Helv Chim Acta, 2005, 88: 979-985.22. WANG J-D, Li Z-Y, Guo Y-W. Further new secoatisane diterpenoids from the Chinese mangrove Excoecaria agallocha L J. Helv Chim Acta, 2006, 89: 1367-1372.23. WANG J-D, Zhang W, Li Z-Y, et al. Elucidation of excogallochaols A-D, four unusual diterpenoids from the Chinese mangrove Excoecaria agallocha J. Phytochemistry, 2007, 68: 2426-2431.24. SUN, Y-Q, SUN J, GUO Y-W. Crystal structure of 1,2,6,7,11,12-hexathia-cyclopentadecane-4,9,14-triol, C9H18O3S6 J. Z Kristallogr-New Cryst Struct, 2004, 219: 119-120.25. SUN Y-Q, ZAHN G, GUO Y-W. Crystal structure of 1,2,6,7,11,12-hexathiolane, C9H18S6 J. Z Kristallogr-New Cryst Struct, 2004, 219: 121-122.26. SUN Y-Q, GUO Y-W. Gymnorrhizol, an unusual macrocyclic polydisulfide from the Chinese mangrove Bruguiera gymnorrhiza J. Tetrahedron Lett, 2004, 45: 5533-5535.27. HOMHUAL S, ZHANG H-J. BUNYAPRAPHATSARA N, et al. Bruguiesulfurol, a new sulfur compound from Bruguiera gymnorrhiza J. Planta Med, 2006, 72: 255-260.28. KATO A, NUMATA M. Brugierol and isobrugierol, trans- and cis-1,2-dithiolane-1-oxide, from Brugiera conjugate J. Tetrahedron Lett, 1972, 13: 203-206.29. BAO S-Y, DENG Z-W, FU H-Z, et al. Diterpenes and disulfides from the marine mangrove plant Bruguiera sexangula var. rhynchopetala J. Hel