福山透のホームページ

Tohru Fukuyama’s Homepage

Tantazole Bの全合成

おそらく1989年のGordon Conference on Natural Productsに出席した時だと思うが、ハワイ大学のRichard (Dick) Mooreが新規海洋天然物の講演をした時に、珍しい構造を見て、へーっと思った。彼は下図のように縦型でなく、横型に構造式を書いていたので、なんかネックレスみたいな化合物だという印象を受けた。と言っても、すぐに合成してみようとは思わす。グループミーティングのプロポーザルにtantazole Bを提案して、学生たちがどのように合成しようとするのかを見ていた。もちろん学生のアイデアを盗もうなんてケチな考えからではない。そのうちLianhong Xuという女子学生が FR-900482の全合成を終えたので、もう博士号を取れるから論文を書く準備をしたら、と言ったら、もう少し全合成をやりたいという希望を私に言った。彼女は南開大学出身の優秀な学生で、もう一仕事したいなんて熱心な奴だと思い、tantazole Bの全合成をやってみようか、ということになった。しかし、後から考えると、一学年下のXiaoqi Chen (USTC出身）と恋仲で、もう少し一緒に居たいって、というのが真相のようだ。鈍感？な私は彼らが付き合っていることを全然知らなかった。LianhongはPh.D.取得後にAbbottに就職し、その後、まだタミフルを上市する前のGileadに転職し、その時にストックオプションを貰っているので、私の弟子の中では一番のお金持ちになったと思う。

“Total Synthesis of (–)-Tantazole B,” T. Fukuyama and L. Xu, J. Am. Chem. Soc., 115, 8449 (1993).

私がこの化合物に興味を持ったのはチアゾリン環を連結するプロトコールの開発という点で、それまでやってきた全合成とは全然違っていたからだった。それと、チアゾリンなんて簡単な化合物なんかお茶の子再々と舐め切っていたのかもしれない。
Dick Mooreはtantazole Bの他にも様々なcongenerを発表していたが、Bが一番面白そうだったのでこの全合成を開始することにした。
ハワイ近海の藻からtantazoleは単離されたが、同時に環の一つ少ないmirabazoleも報告している。これらはUniversity of California, BerkeleyのClayton HeathcockやUniversity of NottinghamのGerald Pattendenが全合成研究を先行していた。後にドイツからthiangazoleが報告され、HIVに対して有効なんて報告されたが、ガセネタであることが後日判明した。実はthiangazoleの全合成もMui Cheungという女子学生が完成させたが、ライス大学から東大に移って間も無くの頃で、論文を書くのが面倒になって結局未発表のままである（tantazole Bの化学と同様なのでやる気がイマイチ）。Muiには悪いことしたなー、と今でも少し心が痛む（Muiはノシル基の開発の初期段階でしっかり貢献してくれた）。彼女は現在GSK (Glaxo Smith Kline) のDiscovery ChemistryのVice Presidentになっているのでずいぶんと頑張ったものだ。
前述した通り、tantazole B (1-1) の全合成の面白さは連続するthiazolineを如何に効率よく繋げていくかというプロトコールの開発にある。私が子供の頃、女の子がネックレスを作るのに玉の部品をプチっプチっと穴にはめて繋げていくおもちゃのようなモノがあった。それと同じように (1-2) のような部品を如何にうまく繋げられるのか？それも緩和な条件でね。
まだハーバードの大学院生だった頃、ボストンのBarnes & Nobleという全国展開の本屋にぶらりと入ったところ、床から無造作に積み上げられた（人気のない）化学の本の中に「Aziridine」に関する単行本があった。特に興味があった訳ではないが、あまりに安かったので思わず買ってしまい、時々斜め読みをしていた。そこにN-アシルアジリジンを５硫化リンと加熱すると、おそらくチオアミド (1-2) を経てチアゾリン (1-3) が生成するという反応が目に留まった。しかし、この時は反応機構などは考えずに、短絡的に (2-1) を同条件に付せばチアゾリン (2-2) が出来るのではないかと単純に思ってしまった。
モデル実験として、 benzyl mehacrylateをoxonで酸化して得られる (1-1) をNaN3で開裂し、三級アルコールをメシル化して (1-2) を得た。三級アルコールのメシル化は通常脱水が主反応となるが、エステルのα位の水酸基は例外である。次にPh3Pを使ってStaudinger反応を行うとアジジリジン (1-3) が得られた。アジリジンをアセチル化して得られた (2-2) をLawesson試薬でチオアミドしたところ2-methylcysteine体 (3-1) とチアゾリン (3-2) の混合物が得られた。標品が無いので、その時は (3-1) と (2-1) の混合物と信じていた。(3-1) のNMRではSHとCH2の間にシャープなカップリングが観測されたので、チアゾリンの構造も (2-1) だと信じてしまったのだ。どうやらこの混合物は共通の中間体を経由して生成した訳ではなさそうだ。
前述のモデル実験ではクリアな結果が出なかったので、次に (1-1) を合成して、ここでアミドをチオアミド (1-2) に変換すれば、当然チオアミドのSが求核種となって望むチアゾリン (1-3) が生成すると考えた。
β位に塩素を持つアミノ酸の合成にはお得意のUgi’s 4CC反応が役に立った。市販のクロロアセトン (1-1)、ギ酸アンモニウム (1-2)、イソニトリル (1-3) をメタノール中で加温すると (1-4) が簡単に得られた。Cyclohexenyl isocyanide (1-3) はコンビナトリアル化学にもよく使われたが、当時の製法はシクロヘキサノンをStrecker法でアミノニトリルにし、アミンをホルミル化した後にt-BuOKで脱HCNを行い、次にホスゲンを作用してホルムアミドをイソニトリルに変換するという方法だった。こりゃあ面倒臭いと思ったので、シクロヘキサノンとホルムアミドを酸触媒でアミナール誘導体にし、それをCSA-キノリンで加熱してホルムアミドを脱離させ、得られたシクロヘキセニルホルムアミドをホスゲンで脱水するという方法で (1-3) を合成した。従来法よりも簡単で大量合成にも向いているが、特に報告するほどのことでもないと、論文にはしていない。(1-4) のシクロヘキセニル基とホルミル基は酸性条件に弱いのでメタノール中塩酸で処理して (2-3) に変換した。次にアミノ基をアセチル化して (2-2) にし、Lawesson試薬で処理したところ、またしても望む化合物の異性体 (2-1) が生成するのみであった。おそらくアミドからチオアミドへの変換は比較的早く、生じたチオアミドの窒素は塩基性を持っているのでSではなくNが反応してアジリジンのチオアミドが生成してしまったと考えられる。ここでプロジェクト開始当初の私の考えた浅はかであったのは、次の反応はアジリジンのhomolytic cleavageで、それならばMe基とCO2Me基がついた炭素の方がラジカルを安定化するに決まっているので (2-1) が生成するのは当然のことなのである。ぼーっとしとっちゃ〜いかんよ！！
ここまで来ると、さすがの私も真剣に解決策を講じなければならないと思い頭をひねった。その結果、これなら大丈夫だろうと考えたのが上のスキームである。チオエステルのカルボニル基の反応性はケトンに近いと言える。そこで (1-1) のような化合物を使えば、アジドをPh3Pと反応させれば (1-2) でaza-Wittig反応が進行して望むチアゾリン (1-3) が生成するに違いないと確信した。
メタクリル酸から合成したジオール (1-1) の一級アルコールをTBS化してから三級アルコールをメシル化し、NaN3と加熱してアジド体にしてから脱シリル化すると (1-2) が得られる。エステルが置換した三級アルコールのメシレートは脱離することなく置換反応が進行する。(1-2) の水酸基をトリフレートに変換し、チオ酢酸ー炭酸セシウムと反応させるとチオアセテート (2-2) が得られる。次にPh3PでStaudinger反応を実行し、続くaza-Wittig反応を試みたのだが、反応を追っている時にTLC上でUVの強度がかなり落ちた化合物が見えてきた。NMRではすぐに分からなかったが、質量分析で硫黄が抜けてオキサゾリンになっていることが判明した。「えっ！」である。この反応機構は学生諸君でも簡単に分かると思うが、Ph3Pがアジドと反応して生成するR-N=PPh3 (iminophosphorane)のNにチオアセテートのアセチル基が転位し、S-がPをアタックしてPh3PS-Rが生ずる、あとは光延反応のようにアセチル基のO-がR-CH2SPPh3のCH2炭素をアタックするとPh3P=Sが脱離してオキサゾリン (2-1) が得られる。チアゾリンはUV吸収が強いがオキサゾリンは弱いので (2-1) のUV吸収はベンジル基だけに起因している。とにかく、この結果は予想外でちょっとガッカリしたのは事実である。
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ちょっと舐めて取り掛かったtantazole Bの全合成研究だったが、流石にここまで来るともっと真剣に取り組むようになった。(2-1) のようなアンモニウム塩について考えてみよう。アンモニウム塩だからと言って求核性が全く無いわけではない。溶媒を介すか、それとも直接アミン上のプロトンがチオエステルのカルボニル酸素をプロトン化して (1-1) が生じるだろう。次にプロトン化が起きやすいのは硫黄上ではなく水酸基の酸素上と考えられる。もし、(1-2) のような中間体が生成すると、ここで一番脱離能が良いのはH2O+なのでチアゾリン (1-3) が得られる可能性は大きい。一方、(2-1) のアンモニウム塩を脱プロトン化してしまうと、生じた (3-1) のアミノ基は直ちにチオエステルのカルボニル基を攻撃して (3-2) が生じる。ここで分子内と分子間の違いはあるがOH-、NH-、S-と脱離能の比較をしてみると、当然S-として４置換炭素から離れるのが有利となる。従って、アシル転位が完了し (3-3) が生成すると考えられる。これを試してみたくて、次ページのような実験を行った。
L-システインから (1-1) を合成し、TFA処理でBoc基を外してからエバポレーターで乾固し (1-2) を得た、これをベンゼン中カンファースルホン酸を加えて環流すると期待どおり徐々に望むチアゾリン (1-3) が生成してきた。また、TLC用に使っていた (1-2) も翌日チェックしたところ (1-3) がある程度生成していた。それではと、２位にメチル基を有した化合物 (2-1) を合成し、TFAでBoc基を除去後、TFAを留去してからCH2Cl2中で環流したところtantazole Bの末端部のチアゾリンが得られた。
さて、これからがプロトコールの開発になるわけだが、チアゾリンカルボン酸 (1-1) を合成するには (2-2) のようなチオエステルを使えば良いということは判明した。従来法を使うとすれば、２ーメチルシステイン体 (2-1) とカルボン酸 (3-1) とを縮合すれば良いわけだが、それには (2-1) のカルボン酸を保護しておかなければならない。チアゾリンに変換後にその保護基を外さなければならないという手間がかかるので別の方法を考えてみることにした。そこで、1980年代の後半にUniversity of AlbertaのJohn Vederas (Gordon Conferenceを通じての友人）がN-Boc-serineやN-Cbz-serineを光延反応を使ってβ-ラクトンに変換する反応がJACSに報告されたことを思い出した。Hard nucleophileはカルボニル基、soft nucleophileはCH2炭素を攻撃するというのが印象に残っていた。今ならSciFinderを使ってあっという間に検索できるが、昔はこういう記憶力も有機化学者にとっては重要な武器だったと言える。チオカルボン酸 (3-2) がβ-ラクトン (2-3) のβ位を攻撃すれば所望の (2-2) が簡単に得られると思い、このルートをプッシュすることにした。
いよいよtantazole Bの全合成の開始なのだが、出発原料はdimethyl malonate (1-1) を用いた。幸いだったのは、このルートはβ-ラクトンの両鏡像異性体を比較的容易に合成できることである。最初は次ページの (-)-β-ラクトン (3-2) の合成だけを考えていたが、Dick Mooreの提示した構造が間違っていることが判明し、急遽 (+)-β-ラクトン (1-2) も合成しなければならなくなったのが両者の合成を併記した理由である。
文献既知の方法で (1-1) をNaNO2-HClでニトロソ化（直ちにオキシムに異性化）し、接触還元でアミンに変換したのちにBoc基で保護して (1-2) を得た。(1-2) のCHのpKaはNHに比べて４〜５低いのでNaOMeを用いるとCHだけ脱プロトン化されて容易にメチル化された (2-2) が得られる。ここで酵素の力を借りて光学活性なカルボン酸 (2-1) に変換した。1970年代の有機化学界では酵素を用いると「卑怯者」とされるような風潮があったが、まあ今でも酵素を使わずに済むなら、という雰囲気は残っているかも。ここで使ったPLE (porcine liver esterase) は豚の肝臓をミキサーにかけてアセトンパウダーにしたものだ。もっと精製した酵素になると値段は跳ね上がる。抽出操作で精製したカルボン酸 (2-1) の光学純度は93% eeで、CH2Cl2-hexaneで結晶化して純品が得られる。
まず (-)-β-ラクトン (3-2) の合成について解説すると、カルボン酸 (2-1) をEtOH中でNaBH4還元すると、勿論エステルだけが還元されてカルボン酸はそのままである。得られた (3-1) を光延反応に付すと容易に目的物 (3-2) が得られる。Vederasのセリン由来のβ-ラクトンはシリカゲルクロマトの精製中で少し分解するなど不安定な面があったが、この場合はカルボニルの隣接炭素は４置換で立体的に混んでいるため安定であった。一方、Dick Mooreの構造決定が間違っていたため (+)-β-ラクトン (1-2) も合成しなければならない羽目になった。こちらは先ず (2-1) を混合酸無水物にしてNaBH4還元することによってエステル存在下でカルボン酸部分をアルコールに変換した。得られた (1-1) のメチルエステルを加水分解しようとしたが、立体障害のためBoc基を保ったままでは成功しなかった。そこで、従来のペプチド加水分解の条件である塩酸ー水で加熱し、得られたアミノ酸をBoc化した。次に光延反応を行うことで(+)-β-ラクトン (1-2) が得られた。ちょっと(＋)体の方が合成が面倒だったが、両鏡像異性β-ラクトンは無事に合成できた。
(+)-β-ラクトン (1-1) を市販のイソチオ酪酸 (1-2) とTHF中室温で炭酸カリウムと反応させると高収率でチオエステル (1-3) が得られた。これをTFAでBoc基を外した後に減圧留去し、ベンゼン中で２時間環流することでチアゾリン (2-3) に変換した。チオカルボン酸は空気酸化されたり、加水分解されたりするので取り扱いにくい化合物である。そこで、次段階の反応条件で脱保護できる保護基を持つチオール（この場合は市販のmethyl 3-mercaptopropionate: (2-2)) を用いることとした。未精製の (2-3) と (2-2) をBOP-Clを用いて縮合し、安定な (3-1) を得た。
チオエステル (1-1)のTHF溶液にを氷冷下１当量のt-BuOK/t-BuOHを加え、室温に昇温してから1.05当量の (-)-β-ラクトン (2-1) を加えて室温で10分攪拌すると反応は完結して (3-2) が得られた。前述の条件を繰り返すことにより２環性チアゾリン (3-1) を得た。
このプロトコールを繰り返すことで２環性チアゾリン (1-1) から容易に３環性チアゾリン (3-1) が得られた。
ここで調子に乗って４環性チアゾリンまで延長してしまうとヤバいことになることは当初から想定していた。SciFinderで調査していないので、現在はどれくらい容易にオキザゾールが合成できるか分からないが、当時は高収率でカルボン酸からオキサゾールカルボン酸を合成する方法が無かった。したがって、そのまま突き進めば貴重な化合物をドブに捨てるようなものだったので、上記のような合成ルートを考えた。まず高効率で合成できないオキサゾール (1-1) を合成し、それと３環性チアゾリンカルボン酸 (2-1) と縮合させて４番目のチアゾリン環を構築すれば効率よくtantazole B (2-2) の全合成が完成するという算段である。おっと、この図では構造を修正済みの天然物を描いてしまったが、その顛末は後記する。
オキサゾール部分の合成は (-)-β-ラクトン (1-1) とチオ酢酸 (1-2) を反応させて (1-3) を合成し、このカルボン酸と合成したスレオニンのジアステレオ混合物 (2-1) とをBOP-Clで縮合して (3-2) を得た。次に水酸基をJones酸化してケトンに変換し、塩化チオニルを作用させて脱水縮合してオキサゾール環を構築する。おそらくアミドからニトロニウムイオン経由で環化していると考えられる。アセチル基を除去することでチオール (3-1) が得られた。(1-2) から４段階24%の通算収率なので馬車馬の如く突進できなかったのは理解できよう。
チオール (1-1) とカルボン酸 (1-2) をBOP-Clで縮合してチオエステル (1-3) に変換した。
(1-1) のBoc基とt-ブチルエステルをトリフロロ酢酸で除去してからTFAを減圧留去し、ベンゼン中で２時間環流すると４番目のチアゾリンが構築できた。残るカルボン酸を混合酸無水物経由でメチルアミンと反応させるとtantazole Bが得られた。Dick Mooreは500 MHzのNMRデータを報告していたが、ライス大学の化学科には300 MHzのNMRしかなかった。とりあえずNMRを測定して報告されたデータと矛盾は無かったものの、生化学科の500 MHzのNMRで測定しようと、サンプル管に入れたまま冷蔵庫に入れておき、翌日測定したら前日と似ても似つかないスペクトルが得られた。重クロロホルムは光で分解してDClを発生するのでプロトネーション（deuterationと言うべきだが）によってスペクトルが変化したのだ。サンプルを回収し、再測定したら天然物のスペクトルと一致した。旋光度も報告されている値と一致した。これでめでたし、めでたしだが、実はそんなに簡単に終わったわけではない。
Dick MooreがJACSに報告した構造は#1 (1-1) で、勿論この化合物を最初に合成した。ところがNMRは似ているものの一致はしなかったし、旋光度が-320度と天然物に比べて大きすぎたので、Dickのところにサンプルを送って天然物とHPLCで比較してもらった。結果は#1は天然物とは違うということで、Dickが次に提言した構造は#2 (1-2) か #3 (1-3) だろうと言うので、両化合物を合成したところいずれも天然物とは一致しなかった。彼もかなり当てずっぽうで言っていると思い、それなら８つある化合物を系統的に合成していこうと言うことで、#4、#5、#6と合成していくうちに#6がtantazole Bであることが確定した。この時点で既にHeathcockはmirabazole C、Pattendenはdidehydromirabazole Aの全合成を報告済みで、tantazoleとmirabazoleは同じ藻から単離されているので末端部のチアゾリンのメチル基はMooreが提唱した構造の逆である可能性が高いことを友人であるHeathcockに連絡した。HeathcockはすぐにPattendenにも連絡したようだ。両者とも報告前にMooreにサンプルを送って天然物との一致を確認したらしいが、結局末端のメチル基の立体化学を逆にしたのを合成して、両者とも天然物の構造を修正した報告をしている。まあ、天然物の構造が間違っていることは時々あることで、それほど目鯨を立てるほどのことではない。彼らが面白い構造を提示してくれなければ我々の研究も進まないのだし、持ちつ持たれつの関係である。