全合成的意義是什麽？

最近寫了一篇長文【關於維生素B12全合成的詳細解析】，就來這裏投一下。

相信看完之後，你就明白全合成的意義了。

------------

謹以此文，紀念維生素B12被人類發現90周年。

註：如果本文中有任何錯誤或疏漏，請務必聯系作者或在評論中寫出。不勝感謝！

1.前情提要

維生素B12 （\text{Vitamin B12} ，又名 鈷胺素 ，縮寫 \text{VB12} ），這種物質（其實嚴格來說是一類物質）如今早已家喻戶曉。作為唯一一種 含有金屬元素的維生素 ，其中心的 \ce{Co} 原子賦予了它鮮紅的色彩，也讓它有了一個別稱： 紅色維生素 。

巧合的是，鮮紅的維生素B12最重要的作用之一，就是為我們的身體 制造鮮紅的血液 。具體來說，維生素B12是一種 輔酶 ，參與紅血球的制造與成熟，也參與某些胺基酸（如 蛋胺酸 ）和 胸腺嘧啶 在體內的合成。總之，它在人體內發揮著非常重要的作用，是 維持正常代謝和機能不可或缺的物質 。

同時，維生素B12是也 結構最復雜的維生素 。它的化學式為 \ce{C63H88N14O14PCo} ，分子量高達 1355.37 ，擁有一個 咕啉 （corrin ）大環（註意它與 紫質 結構的區別）、一條結構類似於 核苷酸 的長鏈、14 個具有手性的碳原子和一個在中心配位的 鈷原子 ，如下圖：

（註：嚴格來說， 氰鈷 \text{(III)} 胺素 只能算是維生素B12的一種，但一般可以把它當做維生素B12的代表。下文中所有「維生素B12」字眼基本都指代這一物質。）

雖然維生素B12對正常生理活動非常重要，但是高等動植物卻 不能自行制造維生素B12 。自然界中，這種物質主要依靠 細菌 等微生物供給，而我們則必須依靠攝食來補充。

人類對維生素B12的認識是 漫長而曲折 的。19 世紀 50 年代，英國醫生 Addison 首次描述了一種致死的 惡性貧血 ，並行現這種疾病與患者的 胃部受損 有關。之後的幾十年間，人們一直在試圖搞清楚這種病的根源，但進展寥寥。直到 1929 年，美國科學家 Castle 提出了著名的 雙因子理論 來解釋發病機制：病人由於胃部受損，缺乏一種 內因子 （intrinsic~factor ），導致其無法從食物中吸收一種 外因子 （extrinsic~factor ），進而導致患病。

剛開始，許多科學家都對這套理論不以為然。直到 1934 年，G.~Whipple 、G.~Minot 和 W.~Murphy 三人真的發現且分離出了這種「外因子」，並將其取名為 維生素B12 ，對應的爭論才偃旗息鼓。三人也因為這項重大成果獲得了諾貝爾生理學或醫學獎：

（上圖：三位發現維生素B12的科學家）

1948 年，Rickers~E.~L. 等人得到了 純的維生素B12 。隨後，對其復雜結構的破譯轟轟烈烈地展開。8 年之後，1956 年，D.~Hodgkin 等人用 X射線繞射 法徹底破解了它的結構，並因此獲得了 1964 年的諾貝爾化學獎。

好，既然結構已經確認，那麽下一步當然就是合成這種物質。可是，它的結構是 如此巨大而復雜 ，簡直令人望而生畏。當時的化學家們都將其稱為 有機合成界的珠穆朗瑪峰 。（雖然後面又出現了更加復雜的物質（Link：巖沙海葵毒素的全合成）拿走了這一稱謂）

（上圖：維生素B12的球棍模型，其中黑色：C ，白色：H ，紅色：O ，橙色：P ，藍色：N ，粉色：Co ）

但是，人類並不會因此放棄。

從 1959 年開始，瑞士化學家 A.~Eschenmoser 等人就開始致力於攀登這座高峰，成為了這項工作的 先行者 。1960 年，德國化學家 Bernhauer~K. 等人加入了攀登者的行列，並成功完成了從 鈷啉胺酸 （cobyric~acid ）到維生素B12的 半合成 。1961 年，剛剛完成 葉綠素A 全合成（Link：葉綠素A的全合成）的「 有機合成藝術家 」R.~Woodward 帶領著他的課題組加入了進來，並很快與其他研究者取得合作。最終，1972 年，在整整 13 年的光陰之後，這項超過 100 位研究者參與的、跨越半個地球的「 有機合成化學史上最瘋狂的工作 」終於宣告成功。

（上圖：【維生素B12的全合成】論文影，1973 ，伍德沃德。參與工作的其他課題組也發表了各自的論文。）

在下文中，我們將會詳細討論這條凝聚了上百人心血的維生素B12全合成路線。 不要因為它的復雜而感到畏懼 ，請相信我，當你逐漸理解它的時候，你會發現它的精巧和美麗。它是一件巧奪天工的藝術品。

2.概述

與葉綠素A一樣，維生素B12也是一個 相當脆弱的分子 。它只有在 \text{PH}=4.5-5.0 的狹小區間內才能長時間穩定，而一旦 \text{PH}>7 或是 \text{PH}<2 就會迅速分解。它的熱穩定性也不好，在 100^{\circ}C 以上也會徹底分解。這無疑是給全合成工作帶來了巨大的挑戰。

但是，這還並不是合成過程中最大的難點。前面提到，維生素B12擁有一個 咕啉大環 （下圖中紫色部份）——這是整個分子的 核心結構 。它由 4 個 氫化的吡咯環 拼接而成，具有顯著的 不對稱性 。由於無法形成 \pi 電子的環流，咕啉環 沒有芳香性 ，性質十分脆弱，且周邊分布著眾多的 手性碳原子 。當時的手性合成技術還遠沒有現在成熟，因此在維生素B12之前，人們還從來沒有成功合成過咕啉衍生物。

（上圖中：紫色標出了咕啉結構；虛線框框出了所有手性碳原子）

1960 年，分子下方的那條類似於核苷酸的長鏈被 Bernhauer~K. 等人成功合成——這也算是全合成中的 第一個階段性成果 。於是，後續合成工作的目標變成了 鈷啉胺酸 （如下圖），而咕啉結構的構建也隨即成為了核心問題：

解決這一問題的思路是 將整個分子劈成兩半 （如下圖），然後再將它們拼接到一起。其中，左半部份被命名為 cyanobromide ，由 R.~Woodward 的團隊負責合成；右半部份被命名為 thiodextrolin ，由 A.~Eschenmoser 的團隊負責合成：

現在，分工已經確定，全合成的介紹也將正式開始。

本文中涉及的主要有機反應清單：

1. Kucherov 加成；
2. Wittig 反應；
3. Birch 還原；
4. Criegee 臭氧化反應；
5. 羥醛縮合反應；
6. Beckmann 重排；
7. Diels-Alder 反應；
8. Arndt-Eistert 同系增碳反應；
9. Eschenmoser 偶聯反應；
10. Eschenmoser 醯胺水解反應；
11. Meerwin 鹽的烷基化反應。

3.逐步合成分析

3.1 左半部份的合成

左半部份的合成起始於一種普通的 吲哚 衍生物——6- 甲氧基-2,3- 甲基吲哚——雖然現在它看上去似乎與目標完全不沾邊。首先，用 格式試劑 （這裏使用的是 甲基碘化鎂 ，\ce{MeMgI} ）與 溴丙炔 與它反應，在 3 號位上接上一個 炔丙基 ：

實際上，這個反應的立體選擇性並不好，得到的產物是 外消旋體 ，在後續的步驟中會將其分離。

下一步，在 路易士酸 （此處使用 \ce{BF3} ）與 \ce{Hg(II)} 物種的催化下，碳碳三鍵與甲醇發生著名的 Kucherov 加成反應，得到 烯基醚 ；隨後，分子內自發環化，最終得到一個三環結構的酮：

（註：由於 3 號位有甲基的存在，導致 有一側的進攻受阻 ，因此產物的立體構型是單一的。）

現在，我們先把產物放在一邊備用，來處理第二個合成起始物。它被稱作 樟烯酸甲酯 （methyl~laurolenate ，見下圖），是 樟腦 經過一系列反應後得到的產物，很早之前就被人們合成。伍德沃德之所以選擇它，主要是因為它擁有一個繼承自樟腦的手性碳原子。

首先，用 氫化鋁鋰 （\ce{LiAlp} ）處理 \text{(S)}- 樟烯酸甲酯，將其還原為醇；隨後再用 鉻酸 （\ce{pCrO4} ）氧化，得到一種醛；最後，使用著名的 Wittig 反應得到一個碳碳雙鍵：

Wittig 反應是一個重要的烯烴合成反應，其機理在之前的幾篇文章中都有提及，在此便不再贅述。

接著，我們用酸將得到的酯水解，再用 氯化亞碸 （\ce{SOCl2} ）將其變為 酰氯 。酰氯隨即與剛才合成的那個三環結構的酮反應，兩者結合在一起形成醯胺結構：

隨後是一個精彩的環化反應：在 丁醇鉀 （\ce{t-BuOK} ）的作用下，19 號碳原子上的氫原子被奪去，形成 烯醇負離子 ；烯醇負離子進攻附近 \alpha,\beta- 不飽和的羰基環化。由於 分子的構型已經固定 ，進攻只有一個方向，因此得到了單一立體構型的產物：

（註：這裏的編號表示了該碳原子最終在咕啉環中的位置）

接下來，用 乙二醇 （\ce{HO(Cp)2OH} ）保護 2b 號碳原子上的酮羰基。由於分子中還有一個醯胺結構（位於 18b 號碳原子），所以我們還得用 Meerwin 鹽再次進行保護（註：醯胺中的羰基無法被乙二醇保護）：

之所以要這樣做，是因為下一步要用到一個比較強烈的反應，即著名的 Birch 還原反應。在 液氨 中，用過量的堿金屬（這裏使用 Li ）處理這一物質，右上方的苯環被還原為 環己二烯 結構；隨後用酸處理之，經過 雙鍵移位 後得到 \alpha,\beta- 不飽和酮；同時，上一步的保護也被脫去：

Birch 還原是非常經典的 自由基還原反應 ，在有機化學史上具有重要的地位。反應機理如下圖所示：

顯然，對於帶有 取代基 的苯環來說，最終生成的烯烴的位置選擇性，是由 中間體的穩定性 決定的。一般來說，連線著 吸電子基團 （\text{EWG} ）的碳原子最終不會帶有雙鍵，而連線著 給電子基團 （\text{EDG} ）的碳原子最終會帶有雙鍵。例如：

（註：想要更深入了解 Birch 還原的位置選擇性的讀者請見參考文獻 [11] ）

如果具體到我們這個反應，你會發現：苯環的 a,b,d 三個位置都帶有給電子基團，所以 還原產物是單一的 。沒錯，這也是伍德沃德刻意的設計：

應該說，課題組的設計總體來說是成功的——兩步反應的總產率達到了驚人的 90\% 。但它們很快發現了一個問題：產物中 3 號碳原子的 構型與預料中的不符 。

理論上，從 化學動力學 角度，由於附近甲基的 空間位阻 ，\ce{H} 原子應該結合在甲基的異側；但從 化學熱力學 角度，\ce{H} 原子與甲基在同側時能量更低，也就更加穩定。但實際是，我們得到的 幾乎全是熱力學控制的產物 ——而那並不是我們想要的。課題組嘗試改變反應條件，但都無濟於事：

在關鍵時刻，伍德沃德表現出了超乎常人的冷靜。經過分析，它認為：3 號碳原子是特殊的，在特定條件（比如酸性或堿性條件）下，它可以透過 互變異構 的方式轉換自己的構型（註：一般來說，構型固定之後不會輕易翻轉，因為 構型翻轉需要斷開化學鍵 ）。由於 物質總是自發地趨向於穩定 ，所以並不是我們制不出 S 型，而是 S 型產物會迅速變成在熱力學上更穩定的 R 型：

既然如此，我們是不是也可以利用這一特性，把構型翻轉回來？只需要透過某種手段，讓 S 型比 R 型在熱力學上更穩定就行了。於是，他在論文中寫道：

他決定，暫時先不管這個構型問題，繼續原有的計劃。

下一步，用 羥胺 （\ce{NpOH} ）處理產物，把分子中的兩個羰基都變成 肟 。事實上，只有 2b 號碳原子上的肟是我們需要的，但是對於羥胺來說，兩個羰基的活性差不多（即使其中一個羰基是 \alpha,\beta- 不飽和的），因此我們很難在這一步區分二者，只好先把它們全部變成肟：

當然，我們還要把那個不需要的去掉。在非常溫和的條件下，用一定量的 亞硝酸 （\ce{HNO2} ）與乙酸處理，可以把不需要的那個 \alpha,\beta- 不飽和的肟基除掉，而 2b 號碳原子上的肟基不受影響：

事實上，2b 號碳原子上的肟基並不會馬上用到，但後續的反應會產生越來越多的羰基，如果把這一步放到後面，那反應將 更加難以控制 。讀者可以先猜一猜這個肟基後續會發揮什麽作用。

回歸正題，接下來登場的是著名的 Criegee 臭氧化反應。在低溫下用臭氧處理該物質，分子內的兩個碳碳雙鍵被開啟，形成 臭氧化物 中間體；隨後，加入 高碘酸 （\ce{pIO6} ）氧化；最後，加入 重氮甲烷 （\ce{CpN2} ）進行酯化：

生成 臭氧化物中間體 的機理如下圖所示。由於這一中間體很不穩定，所以 Criegee 臭氧化一般需要在低溫下進行。

接下來，在 四氫吡咯 的催化下，分子左下角發生經典的 羥醛縮合反應 ，得到 \alpha,\beta- 不飽和酮的結構；隨後，用 甲磺酰氯 （\ce{MsCl} ）處理，將 2b 號位上的肟基保護起來；最後，再來一遍 Criegee 臭氧化，雙鍵斷裂，得到 17c 號位的酯結構：

之所以如此大費周章，是因為伍德沃德準備要下一局大棋。現在，2b 號位上的肟基終於真正要出場了——它將引導著名的 Beckmann 重排反應。在 170^{\circ}C 下，用 聚苯乙烯磺酸 （\ce{(C8H8O3S)_{n}} ，縮寫 \ce{PSS} ）和甲醇處理之，首先發生碳骨架重排，19 號碳原子與 2b 號碳原子分離；隨後，\ce{IV} 號氮原子 親核進攻 附近 16 號碳原子的羰基，形成一個 五元環 ；接著，中間體消去 1 分子水，形成 15,16 號碳原子上的雙鍵，從而形成 烯胺 結構；最後，烯胺 親核進攻 附近 17c 號碳原子上的酯基，在類似於羥醛縮合的反應後形成一個六元環狀的 \alpha,\beta- 不飽和酮結構。與此同時，在 18b 號位上，原來的內醯胺環被開啟，從而完成整個反應歷程：

或許你已經在感嘆這個反應的巧妙，但相信我，精彩並未結束。我們得到的產物被命名為 半咕降甾酮 （corrnorsterone ，關於這個名字有興趣的可以看下面的「說文解字」）。還記得 3 號位那個錯誤的構型嗎？課題組發現，在一系列反應後，居然有 一小部份產物的構型又翻了回來 。也就是說，我們實際得到的是兩種 對映異構體 的混合物。為了便於區分，課題組在它們的名字前加上了 \alpha- 和 \beta- 的字首，如下圖：

雖然構型翻轉回來的只占了一小部份，但這給了課題組解決問題的希望。他們很快又發現，2b 號位上的 內醯胺 結構可以在強堿的作用下斷裂。於是，一個精妙的翻轉構型的方法出現了。

觀察 2 號碳原子，你會發現它左側的 2b 號碳原子因為內醯胺結構而 被「鎖」在了一個固定的位置 ，連帶著附近的 2a 號碳原子也無法自由移動。這就相當於，2 號碳原子的左側是一個「 動不了 」的基團，所以空間位阻自然也比較小。而一旦我們用強堿把內醯胺環開啟，那麽這個基團就會重新「獲得自由」， 產生巨大的空間位阻 。

那這又有什麽用呢？前面提到，3 號碳原子是特殊的，在合適條件（比如酸性或堿性條件）下，它的構型可以 透過互變異構翻轉 。我們觀察到，在 \alpha- 半咕降甾酮中，3 號碳原子右側的 丙酸酯基 與 2 號碳原子左側的基團是 位於同側 的。原來在被「鎖住」時，由於空間位阻小，這種構型在熱力學上是有優勢的，但現在那個 被鎖住的已經「解放」了 ，空間位阻急劇增大，這種構型就變成了兩個大基團貼在一起， 熱力學上的優劣就此逆轉 。於是，3 號碳原子的構型翻轉，從 R 型變成了 S 型。最後，我們只需要重新加酸至中性，分子就會重新環化——此時就算分子發現自己被耍了，構型也 變不回去 了，因為堿性條件已經喪失。就這樣，我們成功把 \alpha- 半咕降甾酮變成了需要的 \beta- 半咕降甾酮：

接下來，在酸性條件下，用甲醇和 苯硫醇 （\ce{PhSH} ）的混合物處理 \beta- 半咕降甾酮。由於活性差別，二者會分別進攻 2b 號位和 17c 號位上的羰基。最終，六元內醯胺環斷開，17c 號位上形成 硫醚 結構。

現在，我們手上的物質到底對應咕啉環的哪個部位已經可以看得很清楚了。如果你覺得不夠清楚，那我們就把它旋轉一下：

隨後，在低溫（-90^{\circ}C ）的甲醇中用臭氧處理該物質，雙鍵斷裂，並在 17c 號位上生成 \ce{-COSR} 的結構。接下來，用液氨處理之，17c 號位上形成末端醯胺結構：

（註：其實 \ce{-COSH} 這個基團是有一個專有名的，讀作you基，\ce{-COSR} 則名為you酯基，但我死活打不出來這個you字，還請各位指教；下文中我會把 \ce{-COSR} 稱為「 硫酯 」，而把 \ce{-CSOR} 稱為「 硫羰酯 」，請註意區分）

最後一步，在還原劑 硼氫化鈉 （\ce{NaBp} ）的作用下，15 號位上的醛被還原為醇；加入過量的 甲磺酸酐 （\ce{MsOMs} ），將醇甲磺酰化的同時為 17c 號位上的末端醯胺脫水，得到一個 氰基 （\ce{-CN} ）；最後加入 溴化鋰 ，左半部份「cyanobromide 」的全合成就大功告成了：

然而，這也只是一半而已。接下來，舞台交給 Eschenmoser 的課題組，他們將要帶我們去看看，分子的右半部份（「thiodextrolin 」）是怎麽合成出來的。

3.2 右半部份的合成

相比於 Woodward 課題組的工作，Eschenmoser 課題組設計的合成路線更為簡短，但同樣精妙。

右半部份的合成起始於三種結構簡單、產量巨大的重要化工原料： 乙醛酸 （\ce{HOCCOOH} ）、 丁酮 （\ce{CpCOCpCp} ）和 丁二烯 （\ce{Cp=CHCH=Cp} ）。前兩者在酸催化下發生 交叉羥醛縮合反應 ，得到一種烯基酮酸；隨後，在 四氯化錫 （\ce{SnCl4} ，作為 路易士酸 ）的催化下，該物質與丁二烯發生著名的 Diers-Alder 反應，得到一種環己烯的衍生物：

Diers-Alder 反應（又名 雙烯加成反應 ）在有機合成中非常重要，其機理在前幾篇文章中已有提及，而在這篇文章的後記中，我還會簡要說明全合成工作為這個反應帶來的發展。

接下來，用過量的 Jones 試劑（ 三氧化鉻 （\ce{CrO3} ）溶於 濃硫酸 ）處理該物質，環狀烯烴結構的雙鍵隨即斷裂（此處反應條件非常強烈，一般來說 Jones 試劑不會氧化雙鍵），生成一種帶有三個羧基的中間體；該中間體隨後 自發環化 ，形成 雙內酯 結構，產率 75\% ：

關於 \ce{Cr(VI)} 氧化劑斷裂雙鍵的機理，一般認為是先生成 環氧化合物 ，隨後生成 鄰二醇 ，最後在過量氧化劑的作用下，碳碳鍵斷裂，得到二酸產物：

言歸正傳。下一步要用到的是 Arndt-Eistret 同系增碳反應，顧名思義，這個反應可以為羧基 增加一個同系碳原子 。在 \ce{SOCl2} 作用下，分子內的羧基首先變成酰氯；加入 \ce{CpN2} ，在親核取代之後，同系碳原子隨即被引入；在 \ce{Ag(I)} 的催化下，分子放出 \ce{N2} 形成 碳烯酮 中間體，隨後發生重排反應，最終在 \ce{MeOH} 的作用下變成酯，三步反應總產率 69\% ：

隨後，在甲醇中用定量的 \ce{Np} 處理該物質，可以 將其中一個內酯基團轉化為內醯胺 。由於特殊的 雙內酯結構 ，該物質的羰基具有更強的親電性，所以在室溫下反應就可以快速進行：

反應產率約為 55\% （其余的 45\% 大多都是另一個內酯基團被變成了內醯胺）。可見，這個反應的選擇性其實並不顯著。

但不管怎樣，55\% 的產率也算是能接受了。現在讓我們 把產物分成兩份 ，並對它們 進行不同的處理 。第一份的處理很簡單，在 \ce{THF} 中，用一定量的 五硫化二磷 （\ce{P2S5} ）進行硫化，9 號位的內醯胺結構被轉化為 硫內醯胺 ，而分子中的其他酯基則不受影響：

五硫化二磷 （\ce{P2S5} ）的分子結構與所謂 五氧化二磷 （\ce{P2O5} ）類似，實際上是以 \ce{P4S10} 形式存在的。作為一種重要的化工原料，它在有機合成中經常被用於將 羰基 轉化為 硫羰基 。後來，人們又以它為基礎制得了威力更強的版本，也就是著名的 勞森試劑 （Lawesson's~Reagent ）。\ce{P2S5} 硫化的機理如下，有點類似於 Wittig 反應的機理：

扯得有點遠，讓我們來看看第二份是怎麽處理的。在 乙醚 （\ce{Et2O} ）中，用 \ce{NaOMe} 裂解內酯環，隨即消去 1 分子水生成 10,11 號位上的雙鍵；為了防止需要的酯基被水解，反應體系中還添加有一定量的 \ce{CpN2} 。最終產率約為 \ce{92\%} ：

接下來，在 三氟乙酸 （\ce{CF3COOH} ，縮寫 \ce{TFA} ）的作用下，該物質與 \ce{pS} 加成（與加 \ce{pO} 的機理類似）。隨後，硫原子進攻附近的酯基，形成五元環狀硫酯（\ce{-COSR} ）結構：

之所以要大費周章把它搞成硫酯，是因為在 威爾金森催化劑 （\ce{(PpP)3RhCl} ）和 氰化鈉 （\ce{NaCN} ）的作用下，硫酯容易發生 脫硫化羰反應 ，從而把那個不需要的碳原子去掉；隨後再用 \ce{Ag+} 處理，得到 10,11 號位上的雙鍵。這個反應同時也會產生一種有三元環結構的副產物，因此產率並不是很高：

（註：由於涉及過渡金屬催化，機理相當復雜，所以 此處展示的機理是簡化過後的 。想要進一步了解的讀者可以自行查閱相關文獻。）

好，現在兩份都已經完成了各自的處理，是時候把它們 結合起來 了。為了這一步，Eschenmoser 開創了一個全新的反應 ，也就是如今已被我們所熟知的 Eschenmoser 偶聯反應。

Eschenmoser 偶聯反應需要一個 硫醯胺 和一個 烯胺 。在 過氧化苯甲酰 （\ce{PhCOOOCOPh} ）的作用下，兩分子硫醯胺首先發生 氧化自偶聯 ；隨後，烯胺進攻自偶聯產物， 二硫鍵 斷裂得到 硫橋 結構，又自發異構化為 環硫化合物 ；最後在 \ce{P(III)} 化合物（此處使用 三乙氧磷 ，\ce{P(OEt)3} ）作用下，硫原子被拔去，完成整個偶聯反應：

必須說，這個反應設計得非常巧妙，但它的 通用性並不好 ，因為受質之一的烯胺與亞胺是互變異構體，且一般 平衡偏向後者 。因此，有人對這個反應進行了改進，而稍後我們就會看到這種變異的 Eschenmoser 偶聯反應。

偶聯反應之後，距離完成 只差最後一步 了——將 14 號位的醯胺結構硫化。這一次，分子內多出了許多結構，為了保證它們不被破壞，課題組在多次實驗後選擇了在 甲基汞 離子（\ce{MeHg+} ）催化下用 \ce{pS} 直接硫化的方案，並最終以高產率得到了目標產物：

就這樣，右半部份「thiodextrolin 」的全合成也宣告成功。接下來，就該把它們拼起來了。

3.3 咕啉環的拼接與修飾

這一部份的工作是 兩個課題組各自完成 的，但篇幅所限，我們主要來講一講 Woodward 課題組設計的合成路線。（事實上，兩條路線的 大體思路是基本一致的 ）

拿到了左右兩半後，首要的任務當然是將它們先拼在一起。Woodward 果斷采用了 Eschenmoser 偶聯的一種 變異反應 。這種變異將其中一種受質從烯胺變成了 活潑鹵代烴 ，從而使反應的通用性大大增強；利用它，就能輕松地在 15 號位上完成偶聯：

接著，在 4- 甲基吡啶 催化下用一定量的 \ce{P2S5} 處理之，4 號位的內醯胺和 7b 號位上活潑的內酯結構被硫化，分子中其他普通的酯基不受影響；隨後加入 Meerwin 鹽對 硫羰基 進行甲基化：

補充一句，\ce{P2S5} 在硫化酯基時一般先會生成 硫羰酯 ，也就是 \ce{-CSOR} 結構，但在堿性試劑作用下，硫羰酯會變成通常更穩定的 硫酯 （\ce{-COSR} ）結構。對 7b 號位內酯結構的硫化就大致經歷了這一歷程。

下一步，使用 二甲胺 （\ce{Me2NH} ）開啟硫內酯環，得到 7b 號位的醯胺結構，同時在 5,6 號位上發生消去反應，生成雙鍵。這個反應看似簡單，但課題組卻花費了不少時間去 修正反應條件 ，才使反應的產率足夠令人滿意：

隨後，課題組打算引入中心配位的 \ce{Co} 原子。一開始，課題組並沒有預料到這一步的困難，但他們馬上就會知道了：\ce{Co} 是一種 極其有效的催化劑 ，可以 迅速催化該物質分解 ，讓前面的一切努力都變成白忙活。有人會問：為什麽一定要這麽著急地把 \ce{Co} 原子放進去呢？因為在下一步，我們將要進行 4 號位和 5 號位碳原子的偶聯。還是由於 空間位阻 ，此時 4 號和 5 號碳原子雖然在紙面上看起來很近，但實際上距離很遠——這就導致 分子內的偶聯反應難以進行 。下圖是由電腦渲染得到的，大家可以直觀感受一下兩者的距離：

（上圖：目前我們手中化合物的空間結構，綠色圈出的是 5 號碳原子，粉色圈出的是 4 號碳原子）

如果此時我們成功地將中心的 \ce{Co} 原子塞進去，那麽 整個分子的空間結構都會因此改變 。4,5 兩個碳原子會被強行「拉攏」，從而使得它們之間的偶聯反應可以順利進行。想到這裏，Woodward 下定決心要攻克這道難題。它一定是有解的！ 維生素B12就在那裏 ，它的存在，就是問題有解的最好證明！帶著這份信念，課題組花了 整整一年的時間 ，嘗試各種方法和反應條件，同時也嘗試揭秘 \ce{Co} 催化分解的機理。最終，他們找到了。

在最終的目標中，\ce{Co} 原子的氧化數應為 \ce{+III} ，但在幾百次實驗之後，課題組確信：正是 \ce{Co(III)} 破壞了分子的結構。所以，最終的解法就是：先在 \ce{THF} 中用 無水氯化鈷 （\ce{CoCl2} ）處理，讓 \ce{Co(II)} 進入配位體系；隨後加入 \ce{KCN} 水溶液，利用 \ce{CN-} 離子強大的配位能力把 \ce{Co(II)} 「鎖」在分子的中心 ；等到萬事俱備了，再將 \ce{Co(II)} 用空氣氧化成 \ce{Co(III)} 。此時，就算是 \ce{Co(III)} 想搞破壞也不可能了：

補充一句，此處的無水氯化鈷也 不是隨便選擇的 。很早之前就有人發現，\ce{Cl-} 和 \ce{I-} 似乎對於 鈷絡合物 的形成具有催化作用，雖然這種作用的機理尚不明確。到了這裏，如果不用無水鹵化物的話，那麽 \ce{Co(II)} 會很難進入配位體系，也就沒法進行下一步的反應了。

難題解決之後，後面的反應就如同預料一般順利了。在 \ce{DMAC} （ 二甲基乙醯胺 ，\ce{CpCON(Cp)2} ）中用 有機堿 \ce{DBN} 進行催化，偶聯反應就可以高產率地進行：

現在， 整個咕啉環的拼接已經宣告成功 ，接下來便是對其進行修飾。在 \ce{AcOH} 中用 碘單質 氧化該物質，8 號位的 \ce{C-H} 鍵斷裂，分子右上角的 7b 號位的醯胺結構變成內酯：

下一步，我們需要在 5 號位和 15 號位上各補上一個甲基（或許很多人都沒有註意到這兩個位置缺少一個甲基）。在 環丁碸 （溶劑）中，用 芐基氯甲基醚 （\ce{PhCpOCpCl} ）可以直接活化 5,15 號位上的 \ce{C-H} 鍵並取代之；隨後加入 苯硫醇 （\ce{PhSH} ），5a,15a 號碳原子上的 芐氧基 （\ce{-OCpPh} ）隨即被取代；接著，用 藍尼鎳 （Raney~\ce{Ni} ）進行 還原脫硫反應 ，7b 號位上的內酯結構也隨即被破壞，遊離出羧基；最後用 \ce{CpN2} 進行酯化，完成整個反應歷程。

有人可能會問，為什麽 10 號位上的氫原子沒有被取代呢？觀察分子的結構就能發現，10 號位周圍的空間 非常擁擠 ，附近的 8,12 號位的碳原子都是 完全取代 的（其實，上一個反應的目的就是將 8 號位完全取代，從而增大空間位阻），就像是一道屏障一般阻隔了試劑對 10 號位的進攻。這足以保證這個反應的選擇性：

隨後，我們需要把 17c 號位的氰基（\ce{-C#N} ）水解成羧基（\ce{-COOH} ）。由於分子中 有眾多易水解的酯基 ，所以這並不是一項簡單的任務。課題組選擇先用濃硫酸處理該物質，將氰基 水解為末端醯胺 。沒錯，雖然一般濃硫酸是以「 脫水劑 」的身份出現的，但這裏它扮演了一個相反的角色。這裏的反應條件看似強烈，但主體的咕啉結構基本沒有遭到破壞。

除此之外，濃硫酸還起到了一個意料之外的作用。分子中的 13 號碳原子可以透過 互變異構 的方式轉變自己的構型，而濃硫酸恰好提供了這個條件。最終，13 號碳原子的 R:S 平衡為 28:72 （我們需要的是 S 型）：

接下來就是考慮如何將醯胺結構水解成羧基。為了防止酯基被水解，課題組首先考慮了使用 亞硝酸酯 （通式 \ce{RONO} ）作為水解試劑。遺憾的是，亞硝酸酯雖然出色地完成了水解任務，但它同時也會將分子的 10 號位 亞硝化 。為此，Woodward 課題組篩選了眾多 亞硝酸衍生物 ，但都無濟於事。最終，這一方案被放棄了。

在此關鍵時刻，隔壁的 Eschenmoser 課題組送來了助攻。簡單來說，他們發明了一種強大的 親電試劑 （在此就姑且稱之為 Eschenmoser 親電試劑吧），可以透過 氟硼酸銀 （\ce{AgBF4} ）與一種 環己胺衍生物 反應生成。在非常弱的酸性條件下（可以用 酸堿緩沖體系 ），它就可以將醯胺轉化為 羥乙醛酯 。最後只需加入 \ce{Me2NH} ，就可以將活潑的羥乙醛酯轉化為羧酸：

這個反應的設計極其巧妙，而且在面對如此復雜的受質時也可以給出超過 90\% 的產率——Woodward 評價這個反應「 狡猾而優雅 」。後續的研究證明，這個反應 對於幾乎所有醯胺都是有效的 ，不僅限於末端醯胺。如今，我們一般把它稱為 Eschenmoser 醯胺水解反應，在復雜天然產物的合成中常會用到。

或許是不願落後於人，Woodward 課題組很快也發現了這個問題的另一種解法：在 四氯化碳 （\ce{CCl4} ）中用 \ce{NaOAc} 和 四氧化二氮 （\ce{N2O4} ）代替亞硝酸酯，就可以將醯胺有效水解，同分時子的 10 號位不再被亞硝化。反應產率 \ce{70\%-80\%} ，雖然比 Eschenmoser 的方法差了點，但如果從經濟上考慮，那 Woodward 的方法顯然是更優的：

現在，距離成功合成鈷啉胺酸只差一步了：將分子中的六個酯基全部轉化為醯胺。在 75^{\circ}C 左右用氨（\ce{Np} ）與 乙二醇 （\ce{HOCpCpOH} ）大致 1:1 的混合物處理該物質，可以以高產率得到一種結晶。但令人大跌眼鏡的是， 它根本不是鈷啉胺酸 ！

這種物質的 化學性質與鈷啉胺酸幾乎一致 ，且兩者具有基本相同的 紅外光譜 、 電子光譜 ，甚至於連 紙色譜 、 平面色譜 都完全無法區分二者。只有 高壓液相色譜 系統告訴我們：它們不一樣！如下圖所示，課題組得到的物質在化學式上比鈷啉胺酸少了兩個 \ce{H} 。在它的右上角，7b 號碳原子形成了內醯胺結構。課題組將這種物質稱為「 偽鈷啉胺酸 」（pseudocobyric~acid ）：

為什麽分子會莫名其妙地去掉兩個 \ce{H} ？難道是 有空氣混進了反應體系 ？在反復檢查之後，課題組排除了這種可能。那它到底為什麽會被氧化呢？等等，分子中心還有一個配位的 \ce{Co} 原子！Woodward 猜想，中心配位的 \ce{Co(III)} 可以透過某種機制變成 \ce{Co(I)} 。由於 \ce{Co(I)} 具有很強的還原性，所以它會迫使分子會放出 \ce{p} ，並把自己變回 \ce{Co(III)} 。

所以，該怎麽解決這個問題？一開始，課題組希望 找到一種合適的還原劑 ，將偽鈷啉胺酸還原成鈷啉胺酸。他們搜尋了好幾個月，但根本沒有收獲。就在此時，他們意外地發現，只需將少量 銨鹽 （比如 氯化銨 \ce{NpCl} ）加入反應體系，效果就立竿見影。偽鈷啉胺酸從產物中消失了，取而代之的是幾乎 100\% 產率的鈷啉胺酸：

為什麽銨鹽會有這麽神奇的效果？Woodward 認為，生成偽鈷啉胺酸的機理中可能包含一個 醯胺負離子 中間體（\ce{-CONH^-} ），而 銨根離子 （\ce{Np+} ）可以有效地 淬滅 醯胺負離子，從而抑制了偽鈷啉胺酸的生成。

由於沒有詳細研究，Woodward 並沒有在論文中給出生成偽鈷啉胺酸的詳細機理。但這或許已經不重要了，因為這一步的完成，標誌著 維生素B12的全合成宣告成功 。這座「有機合成界的珠穆朗瑪峰」，就這樣在人們的齊心協力之下被征服了。這一年是 1972 年。

但是，我們的旅程還沒有結束。畢竟，鈷啉胺酸距離維生素B12 還差一個結構類似於核苷酸的側鏈 ，那這個側鏈又應該如何合成呢？

3.4 核苷酸側鏈的合成與拼接

在概述中已經提到，這一部份的工作是德國化學家 Bernhauer~K. 等人在 1960 年完成的，所以對於 Woodward 來說，這部份的合成方法是現成的。但無論怎麽說，這條側鏈都是維生素B12的一部份，所以一篇完整的全合成介紹是少不了它的。

由於側鏈的結構 類似於核苷酸 ，所以 Bernhauer 的課題組也采用了類似於核苷酸的合成策略。但值得註意的是，這條側鏈的「 堿基 」並不是 \ce{A,C,G,T,U} 中的任何一個，而是一種 苯並咪唑 ； 磷酸基團 則是接在 核糖 結構的 3' 位，而不是 5' 位：

合成的起始物是一種有機染料工業的重要原料：4,5- 二甲基鄰苯二胺 。在 多聚磷酸 （或其他較強的酸）的作用下，它可以與 甲酸 縮合得到 5,6- 二甲基苯並咪唑：

（註：較新的研究發現，上反應可以在 \ce{DMF} 中被 三甲基氯矽烷 （\ce{TMSCl} ）催化，在此條件下產率可以達到 95\% 。上圖中展示的反應條件是上世紀使用的，產率相對較低）

這樣一來，堿基就搞定了。隨後登場的是一種核糖的衍生物： 四乙酰核糖 ——它直到今天都是核苷酸合成中的重要試劑。在二甲苯中，它與剛才制得的 5,6- 二甲基苯並咪唑在 1' 號位發生 縮合反應 ；將反應的產物用 \ce{Np-CpOH} 處理，脫去多余的乙酰基後得到結構類似於 核苷 的物質：

下一步，在低溫下用 三氯氧磷 （\ce{POCl3} ）和 磷酸三乙酯 （\ce{PO(OEt)3} ，做溶劑）處理該物質，得到 5' 號位的 二氯磷酸酯 結構；隨後用強堿處理之，得到 3',5' 號位的 環狀磷酸鹽 ：

接著，在很弱的堿性（\text{PH}\approx8.0 ）條件下，用 鈰離子 （\ce{Ce^3+} ，此處由於堿性太弱無法產生 氫氧化鈰 （\ce{Ce(OH)3} ）沈澱；最近有研究指出，實際上起作用的是 \ce{Ce^3+} 在此條件下部份水解產生的 簇狀羥基配合物 ）催化環狀磷酸鹽部份水解，可以得到 3' 號位的磷酸（副產 5' 位的磷酸）：

下一步，我們要把 3'- 磷酸與 異丙醇胺 （\ce{pNCpCHOHCp} ，有兩種 旋光異構體 ，此處使用 R- 異丙醇胺）縮合成磷酸酯。為了防止胺基的幹擾，課題組首先將其與 苯甲醛 （\ce{PhCHO} ）反應，把胺基保護起來；隨後，在強堿 正丁醇鈉 （\ce{t-BuONa} ）的作用下，兩者順利地發生縮合反應；反應結束後用乙酸水溶液脫去保護基，就能得到這條 完整的核苷酸側鏈 ：

最後，我們需要 把這條側鏈「裝」到鈷啉胺酸上 。為此，課題組測試了多種反應條件，最終選擇使用 檸檬酸銨 溶液和 異戊醇 的混合物處理。二者順利地發生脫水縮合反應，以 92\% 的產率得到最終產物：

隨後，該物質在此條件下可以自發消去一個 \ce{HCN} 分子，而側鏈頂端的 \ce{N} 原子則會自動進入中心 \ce{Co} 原子的配位體系，從而得到成品維生素B12：

至此，那一抹亮麗的紅色終於出現在了人們眼前。

4.總結與後記

這或許是全網最完整、詳細的介紹維生素B12全合成的中文文章了。全文字數超過了一萬五千，也有八十多張配圖。如果喜歡還請多多支持，謝謝！（上次說的關於牛胰島素全合成的解析已經在寫了，但由於資料和時間問題，我也不敢說什麽時候可以寫完）

維生素B12的全合成是有機合成界前所未有的壯舉 。毫不誇張的說，這項工作可以成為劃分「 近現代 」有機化學和「 當代 」有機化學的分界線。它的意義遠不止 拓展了有機合成復雜性的界限 ，更重要的是，它的成功沈重打擊了幾百年來「 化學局限論 」的思想，讓人們開始相信： 化學真的可以為人類創造一個新的世界 。

即使拋開思想上的啟迪，這項工作 在實際上的意義也不遑多讓 。在此次全合成中首次亮相的 Eschenmoser 偶聯反應已經成為 構築碳碳鍵的重要手段 ，在許多藥品的工業化合成中得到套用；Bernhauer~K. 等人合成側鏈的方法在之後的歲月中被不斷改進，衍生出了眾多重要的 核苷酸化學合成法 ，為今日 腺苷 、 肌苷 、\ce{ADP} 、\ce{ATP} 等生物分子的大規模合成打下了基礎，也成為了 遺傳物質化學合成 的支點之一；咕啉環的人工合成法指導了人們探尋生物體內咕啉結構的構建，並最終將其 合理化 ，闡明了生物合成維生素B12的機理；Woodward 團隊在合成過程中闡明了 互變異構導致的構型翻轉 ，再一次提升了人類對於手性的認識，指導著後世幾乎所有的手性合成方法；合成過程中發現的 \ce{Co} 元素的顯著催化作用，到今天已經發展成為有機合成的一種強大策略，諸如 \ce{Co} 催化的 偶聯反應、環加成反應、消去反應 等令人眼花繚亂；合成過程中，Woodward 和他的學生 Hoffmann 發現了 \ce{D-A} 反應在不同條件下的立體選擇性，兩人進而將這些規律總結、歸納，最終提出了名震整個有機化學界的 軌域對稱守恒原理 ，也叫 Woodward-Hoffmann 規則——這被認為是近年來 化學理論方面的最大成就 。

（上圖：軌域對稱守恒原理的簡單圖示）

在科學家們的努力之下，1993 年，維生素B12的 生物合成機制 被基本闡明。在此之後，人們開發出了維生素B12的 生物合成技術 ，這才有了今天能夠直接在藥店裏買到的維生素B12藥片。然而，誰能想到，在這種不起眼的廉價藥品背後，暗藏著 150 余年來無數科學家為之不懈奮鬥的史詩。

1979 年，積勞成疾的伍德沃德因心臟病突發去世，享年 62 歲。他在去世的前一天仍念念不忘那還未完成的 吉貝素 （gibberellin ）全合成。最終，他的學生帶領著剩下的課題組成員完成了這項工作；而在他去世 15 年後，他的另一位學生 Y.Kishi 將完成有機合成界「 新的珠穆朗瑪峰 」—— 巖沙海葵毒素 （palytoxin ）的全合成。如果伍德沃德能看到，想必他一定會倍感欣慰吧。

（超連結：關於巖沙海葵毒素全合成的詳細解析）

相比於伍德沃德，另一位主角 Eschenmoser 教授並沒有在這次偉大的工作中收獲多少名聲，如今或許也沒有多少人記得他的團隊也是維生素B12全合成的重要參與者。更鮮有人知的是，在完成這項工作之後，他選擇 以維生素B12為切入點 ，研究兩個根本看不到終點和希望的課題： 生命的化學起源 和 演化對於天然產物的構建 。盡管這註定是一條無比艱難的路，但他仍然義無反顧地走了下去。

（上圖：【潛在原始生物分子結構的病原學：從維生素B12到核酸，關於生命化學起源的探討】論文影，A.~Eschenmoser ，2011 ）

A.~Eschenmoser 於 2023 年去世，享年 98 歲。顯然，直到去世他也沒有找到這兩個終極問題的答案。但是，他的學生們接替了他，在這條看不到盡頭的道路上繼續前行。

伍德沃德曾經說過一句流傳很廣的話： 合成，是一門藝術 。但我認為，不光是有機合成， 任何科學探索，都是偉大的藝術 。

而藝術，需要人們不斷地去傳承與創新。

5.參考文獻

[1] ：Woodward R B. The total synthesis of vitamin B12[J]. Pure and Applied Chemistry Eighth, 1973, 33(1): 145-178.

[2] ：Eschenmoser A, Wintner C E. Natural Product Synthesis and Vitamin B12: Total synthesis of vitamin B12 provided a framework for exploration in several areas of organic chemistry[J]. Science, 1977, 196(4297): 1410-1420.

[3] ：Woodward R B. Recent advances in the chemistry of natural products[J]. Pure and Applied Chemistry, 1968, 17(3-4): 519-547.

[4] ：Eschenmoser A. Studies on organic synthesis[C]//XXIIIrd International Congress of Pure and Applied Chemistry: special lectures presented at Boston, USA, 26-30 July 1971. Butterworths, 1971, 2: 69-106.

[5] ：Friedrich W, Gross G, Bernhauer K, et al. Synthesen auf dem Vitamin‐B12‐Gebiet. 4. Mitteilung Partialsynthese von Vitamin B12[J]. Helvetica Chimica Acta, 1960, 43(3): 704-712.

[6] ：Eschenmoser A. Vitamin B12: experiments concerning the origin of its molecular structure[J]. Angewandte Chemie International Edition in English, 1988, 27(1): 5-39.

[7] ：Eschenmoser A. Etiology of potentially primordial biomolecular structures: from vitamin B12 to the nucleic acids and an inquiry into the chemistry of life’s origin: a retrospective[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2011, 50(52): 12412-12472.

[8] ：Friedrich W, Bernhauer K. Zur Konstitution des Vitamin B12-Faktors III[J]. Zeitschrift für Naturforschung B, 1954, 9(11): 685-697.

[9] ：Woodward R B, Hoffmann R. Stereochemistry of electrocyclic reactions [J]. J Am Chem Soc, 1965, 87(2): 395-397.

[10] ：Woodward R B, Hoffmann R. Conservation of orbital symmetry [J]. Acc Chem Res, 1968, 1(1): 17-22.

[11] ：Zimmerman H E. A mechanistic analysis of the Birch reduction[J]. Accounts of chemical research, 2012, 45(2): 164-170.

[12] ：KARUVALAM R, HARIDAS K, SHETTY S. Trimethylsilyl chloride catalyzed synthesis of substituted benzimidazoles using two phase system under microwave conditions, and their antimicrobial studies[J]. Journal of the Chilean Chemical Society, 2012, 57(2): 1122-1125.

[13] ：Blanche F, Cameron B, Crouzet J, et al. Vitamin B12: How the problem of its biosynthesis was solved [J]. Angew Chem Int Ed, 1995, 34(4): 383-411.