摘要：石房蛤毒素（Saxitoxin，STX，1）（图1a）是由Schantz及其同事于1957年首次从阿拉斯加石房蛤中分离获得一种胍胺类神经毒素。然而，STX因极性极强，结晶困难，直到1975年才完成晶体解析。如今，STX已是广为人知的麻痹性贝类毒素（PST），并

石房蛤毒素（Saxitoxin，STX，1）（图1a）是由Schantz及其同事于1957年首次从阿拉斯加石房蛤中分离获得一种胍胺类神经毒素。然而，STX因极性极强，结晶困难，直到1975年才完成晶体解析。如今，STX已是广为人知的麻痹性贝类毒素（PST），并拥有50多种结构相关的天然产物，如STX及其类似物（4-13）（图1a），它们可从结构上分为非硫酸化、脱氨甲酰化、单硫酸化、双硫酸化和 C-11 取代等几类，每类的毒性水平各不相同。除了作为Na+通道阻断剂之外，STX及其各种类似物在海洋生态学、化学生物学和药物化学等领域得到了广泛研究。特别是STX在药物化学方面具有巨大开发潜力，在过去五十年间里化学家关于 STX 及相关天然产物的全合成工作不断涌现。从逆合成角度看，这些方法依赖极性键断裂，总收率仅为 0.01%–4.22%。虽然迄今已有数百项针对该目标的合成研究见诸报道，但开发针对该神经毒素家族的完全模块化且可放大的合成方法仍然极具挑战性。

近日，美国斯克里普斯研究所的Marisa Roberto、Phil S. Baran等研究者策略性地结合自由基逆合成、生物催化和 C-H键官能团化等，成功完成了STX 家族的可放大全合成（Nature。

图1. 石房蛤毒素及其天然产物的合成策略。图片来源：Nature

图1b所示的逆合成策略面临四个主要的挑战：1）C-H胺化构建五元胍环（14）；2）确定胍基单元的精确安装时间和角色（15）；3）开发吡咯烷和二胺片段偶联的方法（16）；4）高效合成trans- 3-羟基脯氨酸（17）。对于价格昂贵的脯氨酸片段 17（约 100 美元/克），作者使用一种新型真菌氧合酶催化 L-脯氨酸的选择性C-H键羟基化。即以未表征的真菌羟化酶作为酶库，成功鉴定出一种生成所需羟基脯氨酸的酶（trans-3 : trans-4 isomers = 1.2 : 1），并将非血红素、α-酮戊二酸依赖型酶命名为FrbA。进一步对其进行定向进化，可显著提高稳定性、活性以及选择性（trans-3 : trans-4 isomers > 20 : 1）。作者以FrbA-Rd10bb作为酶催化剂，开发了高底物浓度（>70 g/L脯氨酸 3）下规模化生成trans-3-羟基脯氨酸的工艺。在选择性C-H键羟基化之后，以Boc2O保护氨基，从水相混合物中以61%的产率提取N-Boc-trans-3-羟基脯氨酸 31。作者解决另外三个挑战的策略如图1c所示。他们对脯氨酸片段和适当官能团化的二胺合成子（16）结合进行了研究。根据标准极性键分析，β-酮酯 18 与亚胺 19 经曼尼希型反应后脱羧是合理的选择，但不走运的是经过多次尝试始终无法成功。考虑到保护基的选择对胍基的引入至关重要，作者利用脱羧自由基偶联的方法，成功在温和条件下高效实现亚磺酰亚胺保护的二胺合成子（16）与脯氨酸片段的交叉偶联。另一方面，作者对胍基安装（15）的精确编排进行研究。对不同胍供体（21-24）的筛选发现，仅有当N(3)和N(2)位都被胍基化后（24），才可实现预期的环化。除此之外，对C-H键胺化研究发现，电化学氧化仅得到 Shono 型产物，如 25；次级醇脱水后氧化仅生成26；IBX 的氧化则以20%的产率生成27。进一步研究发现PIFA可获得环化的产物28，一步构建C4-N9键。

图2. 石房蛤毒素的短路线、可规模化、对映选择性全合成。图片来源：Nature

基于上述研究，作者对STX 及其类似物全合成进行了研究（图2）。即以丝氨酸衍生物 2为原料经还原和亚磺酰亚胺保护两步完成二胺合成子30（2步 67% 产率，10克级规模）；而以脯氨酸3经生物催化C-H键氧化、一锅法完成醇保护与氧化还原活性酯（RAE）形成获得32（40%产率，十克级规模）。30和32经汇聚式自由基偶联获得单一非对映异构体33（80%产率，十克级规模），其中甲苯磺酰亚胺和 TBS 保护基分别控制 C-5 与 C-4 的立体化学。随后，33中加入盐酸去除亚砜酰胺、Boc 与 TBS 基团，再依次加入 NaHCO3、HgO 和胍供体 40 得到中间体 34（75%产率，十克级规模），加入哌啶后环化生成 35（因C-2 更具亲电性，伯胺仅在仅在 C-2 位环化，生成六元胍单元，而非攻击 C-8 形成五元杂环）。35经Anelli 氧化（TEMPO/NaOCl）和PIFA介导环化反应两步构建STX 核心 38（胍基攻击α-酮亚胺离子中间体 37）。38在BCl3的条件下脱除 Bn 与 Boc 获得 (+)-6（dcSTX）（81%产率）。对Kishi的方法稍作修改，以 (+)-6（dcSTX）作为原料即可以76%的产率获得1。

接下来，作者以38作为关键前体成功完成了多种天然STX 类似物的多样性合成，如图3a所示。他们对Nagasawa 和 Du Bois 的方案进行改进并合成了M2（11）和 GTX2/3（9, 10）。38经硅烷烯醇醚转化（NaHMDS/TBSCl）和Rubottom 氧化（DMDO）获得环氧化物41（65%产率，2步）。41先经BCl3脱除Boc基团，再经原位 TBS 迁移生成 42，42中引入氨基甲酸酯即可完成M2（11）。用DMF•SO3 和 DTBMP 处理M2（11）可获得硫酸化产物9 和 10。含有M2（11）甲酸铵水溶液在空气中长时间放置可直接生成M4（12）（58%产率）。采用 Looper 策略，经Pd(OH)2/H2脱 Bn、ICH2CO2H 酰化、与 BTPP 环合生成大环以及CSI/甲酸开环并引入氨基甲酸酯共计四步反应高效合成 (+)-11-SEA（13）。此外，(+)-dcSTX（6）是 β-dcSTXol（7）和 B1（8）的已知前体，可实现7和8的形式合成。

图3. 石房蛤毒素相关天然产物的多样性合成。图片来源：Nature

自1977年neoSTX（4）首次被发现以来仅通过天然来源或细胞培养获得，尚无成功合成的路线。作者通过对图2中的方法微调，成功合成了4及其相关天然产物dc-neoSTX（5）。其中关键挑战在于在STX中间体33的三个氮原子中实现位点特异性引入氧原子。具体合成路线如下：33先脱除Fmoc基团，在通过原位还原胺化引入PMB保护基获得仲胺45。45经DMDO选择性氧化仲胺生成PMP氧化的羟胺衍生物、依次除亚砜酰胺、Boc和TBS基团，并引入胍基得到中间体46。46用DDQ处理获得硝酮47。47经串联脱保护-双环化策略有效保护了敏感的胍基和N-羟基官能团，以83%的产率获得48（0 ℃ - RT，DCM/MeOH（1:1），1 equiv 盐酸羟胺 then 等体积饱和NaHCO3溶液）。48经C-H键胺化（49）、脱保护（5）以及选择性氨基甲酰化获得4。后续光谱研究得到的数据与天然产物一致。

图4. 石房蛤毒素类似物的合成与初步生物活性测试。图片来源：Nature

除STX家族之外，该模块化的方法还可合成新型STX-非天然类似物。D-丝氨酸（50）和Fmoc-Hyp(Bzl)-OH（55）分别用于合成 (+)-6-epi-dcSTX（51） / (+)-6-epi-STX（52）以及类似物56（图4a）。同时，中间体49经脱保护和氨基甲酰化后得到类似物53和54。作者进一步通过全细胞膜片钳技术和大鼠的体外测试来评估这些类似物的钠通道抑制活性。结果表明类似物51、52、53和56对hNav1.4、hNav1.7及DRG均表现出较弱抑制活性。另一方面，作者采用STX类似物评估其对诱发神经元放电的抑制作用。在电流钳模式下，神经元放电通过递增去极化电流刺激诱发，并比较不同浓度STX类似物灌注前后的累积尖峰数量。STX类似物4、51和52减少了累积尖峰数量。类似物53在所有测试浓度（0.5、5和25 μM）下均未显著抑制神经元放电。

总结

本工作通过策略性结合自由基逆合成、生物催化和 C-H键官能团化等方法，成功完成STX 家族的规模化全合成（

Scalable total synthesis of saxitoxin and related natural products

Yinliang Guo, Yiheng Li, Sihan Chen, Yige Wu, Oscar Poll, Zhouyang Ren, Zhonglin Liu, Roman Vlkolinsky, Michal Bajo, Christopher K. Prier, Kai-Jiong Xiao, Benjamin F. Cravatt, Marisa Roberto*, Phil S. Baran*

Nature, 2025, DOI: 10.1038/s41586-025-09551-5

来源：X一MOL资讯