全合成的意义是什么？

最近写了一篇长文【关于维生素B12全合成的详细解析】，就来这里投一下。

相信看完之后，你就明白全合成的意义了。

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谨以此文，纪念维生素B12被人类发现90周年。

注：如果本文中有任何错误或疏漏，请务必联系作者或在评论中写出。不胜感谢！

1.前情提要

维生素B12 （\text{Vitamin B12} ，又名 钴胺素 ，缩写 \text{VB12} ），这种物质（其实严格来说是一类物质）如今早已家喻户晓。作为唯一一种 含有金属元素的维生素 ，其中心的 \ce{Co} 原子赋予了它鲜红的色彩，也让它有了一个别称： 红色维生素 。

巧合的是，鲜红的维生素B12最重要的作用之一，就是为我们的身体 制造鲜红的血液 。具体来说，维生素B12是一种 辅酶 ，参与红细胞的制造与成熟，也参与某些氨基酸（如 蛋氨酸 ）和 胸腺嘧啶 在体内的合成。总之，它在人体内发挥着非常重要的作用，是 维持正常代谢和机能不可或缺的物质 。

同时，维生素B12是也 结构最复杂的维生素 。它的化学式为 \ce{C63H88N14O14PCo} ，分子量高达 1355.37 ，拥有一个 咕啉 （corrin ）大环（注意它与 卟啉 结构的区别）、一条结构类似于 核苷酸 的长链、14 个具有手性的碳原子和一个在中心配位的 钴原子 ，如下图：

（注：严格来说， 氰钴 \text{(III)} 胺素 只能算是维生素B12的一种，但一般可以把它当做维生素B12的代表。下文中所有「维生素B12」字眼基本都指代这一物质。）

虽然维生素B12对正常生理活动非常重要，但是高等动植物却 不能自行制造维生素B12 。自然界中，这种物质主要依靠 细菌 等微生物供给，而我们则必须依靠摄食来补充。

人类对维生素B12的认识是 漫长而曲折 的。19 世纪 50 年代，英国医生 Addison 首次描述了一种致死的 恶性贫血 ，并发现这种疾病与患者的 胃部受损 有关。之后的几十年间，人们一直在试图搞清楚这种病的根源，但进展寥寥。直到 1929 年，美国科学家 Castle 提出了著名的 双因子理论 来解释发病机制：病人由于胃部受损，缺乏一种 内因子 （intrinsic~factor ），导致其无法从食物中吸收一种 外因子 （extrinsic~factor ），进而导致患病。

刚开始，许多科学家都对这套理论不以为然。直到 1934 年，G.~Whipple 、G.~Minot 和 W.~Murphy 三人真的发现且分离出了这种「外因子」，并将其取名为 维生素B12 ，对应的争论才偃旗息鼓。三人也因为这项重大成果获得了诺贝尔生理学或医学奖：

（上图：三位发现维生素B12的科学家）

1948 年，Rickers~E.~L. 等人得到了 纯的维生素B12 。随后，对其复杂结构的破译轰轰烈烈地展开。8 年之后，1956 年，D.~Hodgkin 等人用 X射线衍射 法彻底破解了它的结构，并因此获得了 1964 年的诺贝尔化学奖。

好，既然结构已经确认，那么下一步当然就是合成这种物质。可是，它的结构是 如此巨大而复杂 ，简直令人望而生畏。当时的化学家们都将其称为 有机合成界的珠穆朗玛峰 。（虽然后面又出现了更加复杂的物质（Link：岩沙海葵毒素的全合成）拿走了这一称谓）

（上图：维生素B12的球棍模型，其中黑色：C ，白色：H ，红色：O ，橙色：P ，蓝色：N ，粉色：Co ）

但是，人类并不会因此放弃。

从 1959 年开始，瑞士化学家 A.~Eschenmoser 等人就开始致力于攀登这座高峰，成为了这项工作的 先行者 。1960 年，德国化学家 Bernhauer~K. 等人加入了攀登者的行列，并成功完成了从 钴啉胺酸 （cobyric~acid ）到维生素B12的 半合成 。1961 年，刚刚完成 叶绿素A 全合成（Link：叶绿素A的全合成）的「 有机合成艺术家 」R.~Woodward 带领着他的课题组加入了进来，并很快与其他研究者取得合作。最终，1972 年，在整整 13 年的光阴之后，这项超过 100 位研究者参与的、跨越半个地球的「 有机合成化学史上最疯狂的工作 」终于宣告成功。

（上图：【维生素B12的全合成】论文影，1973 ，伍德沃德。参与工作的其他课题组也发表了各自的论文。）

在下文中，我们将会详细讨论这条凝聚了上百人心血的维生素B12全合成路线。 不要因为它的复杂而感到畏惧 ，请相信我，当你逐渐理解它的时候，你会发现它的精巧和美丽。它是一件巧夺天工的艺术品。

2.概述

与叶绿素A一样，维生素B12也是一个 相当脆弱的分子 。它只有在 \text{PH}=4.5-5.0 的狭小区间内才能长时间稳定，而一旦 \text{PH}>7 或是 \text{PH}<2 就会迅速分解。它的热稳定性也不好，在 100^{\circ}C 以上也会彻底分解。这无疑是给全合成工作带来了巨大的挑战。

但是，这还并不是合成过程中最大的难点。前面提到，维生素B12拥有一个 咕啉大环 （下图中紫色部分）——这是整个分子的 核心结构 。它由 4 个 氢化的吡咯环 拼接而成，具有显著的 不对称性 。由于无法形成 \pi 电子的环流，咕啉环 没有芳香性 ，性质十分脆弱，且周边分布着众多的 手性碳原子 。当时的手性合成技术还远没有现在成熟，因此在维生素B12之前，人们还从来没有成功合成过咕啉衍生物。

（上图中：紫色标出了咕啉结构；虚线框框出了所有手性碳原子）

1960 年，分子下方的那条类似于核苷酸的长链被 Bernhauer~K. 等人成功合成——这也算是全合成中的 第一个阶段性成果 。于是，后续合成工作的目标变成了 钴啉胺酸 （如下图），而咕啉结构的构建也随即成为了核心问题：

解决这一问题的思路是 将整个分子劈成两半 （如下图），然后再将它们拼接到一起。其中，左半部分被命名为 cyanobromide ，由 R.~Woodward 的团队负责合成；右半部分被命名为 thiodextrolin ，由 A.~Eschenmoser 的团队负责合成：

现在，分工已经确定，全合成的介绍也将正式开始。

本文中涉及的主要有机反应清单：

1. Kucherov 加成；
2. Wittig 反应；
3. Birch 还原；
4. Criegee 臭氧化反应；
5. 羟醛缩合反应；
6. Beckmann 重排；
7. Diels-Alder 反应；
8. Arndt-Eistert 同系增碳反应；
9. Eschenmoser 偶联反应；
10. Eschenmoser 酰胺水解反应；
11. Meerwin 盐的烷基化反应。

3.逐步合成分析

3.1 左半部分的合成

左半部分的合成起始于一种普通的 吲哚 衍生物——6- 甲氧基-2,3- 甲基吲哚——虽然现在它看上去似乎与目标完全不沾边。首先，用 格式试剂 （这里使用的是 甲基碘化镁 ，\ce{MeMgI} ）与 溴丙炔 与它反应，在 3 号位上接上一个 炔丙基 ：

实际上，这个反应的立体选择性并不好，得到的产物是 外消旋体 ，在后续的步骤中会将其分离。

下一步，在 路易斯酸 （此处使用 \ce{BF3} ）与 \ce{Hg(II)} 物种的催化下，碳碳叁键与甲醇发生著名的 Kucherov 加成反应，得到 烯基醚 ；随后，分子内自发环化，最终得到一个三环结构的酮：

（注：由于 3 号位有甲基的存在，导致 有一侧的进攻受阻 ，因此产物的立体构型是单一的。）

现在，我们先把产物放在一边备用，来处理第二个合成起始物。它被称作 樟烯酸甲酯 （methyl~laurolenate ，见下图），是 樟脑 经过一系列反应后得到的产物，很早之前就被人们合成。伍德沃德之所以选择它，主要是因为它拥有一个继承自樟脑的手性碳原子。

首先，用 氢化铝锂 （\ce{LiAlp} ）处理 \text{(S)}- 樟烯酸甲酯，将其还原为醇；随后再用 铬酸 （\ce{pCrO4} ）氧化，得到一种醛；最后，使用著名的 Wittig 反应得到一个碳碳双键：

Wittig 反应是一个重要的烯烃合成反应，其机理在之前的几篇文章中都有提及，在此便不再赘述。

接着，我们用酸将得到的酯水解，再用 氯化亚砜 （\ce{SOCl2} ）将其变为 酰氯 。酰氯随即与刚才合成的那个三环结构的酮反应，两者结合在一起形成酰胺结构：

随后是一个精彩的环化反应：在 丁醇钾 （\ce{t-BuOK} ）的作用下，19 号碳原子上的氢原子被夺去，形成 烯醇负离子 ；烯醇负离子进攻附近 \alpha,\beta- 不饱和的羰基环化。由于 分子的构型已经固定 ，进攻只有一个方向，因此得到了单一立体构型的产物：

（注：这里的编号表示了该碳原子最终在咕啉环中的位置）

接下来，用 乙二醇 （\ce{HO(Cp)2OH} ）保护 2b 号碳原子上的酮羰基。由于分子中还有一个酰胺结构（位于 18b 号碳原子），所以我们还得用 Meerwin 盐再次进行保护（注：酰胺中的羰基无法被乙二醇保护）：

之所以要这样做，是因为下一步要用到一个比较强烈的反应，即著名的 Birch 还原反应。在 液氨 中，用过量的碱金属（这里使用 Li ）处理这一物质，右上方的苯环被还原为 环己二烯 结构；随后用酸处理之，经过 双键移位 后得到 \alpha,\beta- 不饱和酮；同时，上一步的保护也被脱去：

Birch 还原是非常经典的 自由基还原反应 ，在有机化学史上具有重要的地位。反应机理如下图所示：

显然，对于带有 取代基 的苯环来说，最终生成的烯烃的位置选择性，是由 中间体的稳定性 决定的。一般来说，连接着 吸电子基团 （\text{EWG} ）的碳原子最终不会带有双键，而连接着 给电子基团 （\text{EDG} ）的碳原子最终会带有双键。例如：

（注：想要更深入了解 Birch 还原的位置选择性的读者请见参考文献 [11] ）

如果具体到我们这个反应，你会发现：苯环的 a,b,d 三个位置都带有给电子基团，所以 还原产物是单一的 。没错，这也是伍德沃德刻意的设计：

应该说，课题组的设计总体来说是成功的——两步反应的总产率达到了惊人的 90\% 。但它们很快发现了一个问题：产物中 3 号碳原子的 构型与预料中的不符 。

理论上，从 化学动力学 角度，由于附近甲基的 空间位阻 ，\ce{H} 原子应该结合在甲基的异侧；但从 化学热力学 角度，\ce{H} 原子与甲基在同侧时能量更低，也就更加稳定。但实际是，我们得到的 几乎全是热力学控制的产物 ——而那并不是我们想要的。课题组尝试改变反应条件，但都无济于事：

在关键时刻，伍德沃德表现出了超乎常人的冷静。经过分析，它认为：3 号碳原子是特殊的，在特定条件（比如酸性或碱性条件）下，它可以通过 互变异构 的方式转换自己的构型（注：一般来说，构型固定之后不会轻易翻转，因为 构型翻转需要断开化学键 ）。由于 物质总是自发地趋向于稳定 ，所以并不是我们制不出 S 型，而是 S 型产物会迅速变成在热力学上更稳定的 R 型：

既然如此，我们是不是也可以利用这一特性，把构型翻转回来？只需要通过某种手段，让 S 型比 R 型在热力学上更稳定就行了。于是，他在论文中写道：

他决定，暂时先不管这个构型问题，继续原有的计划。

下一步，用 羟胺 （\ce{NpOH} ）处理产物，把分子中的两个羰基都变成 肟 。事实上，只有 2b 号碳原子上的肟是我们需要的，但是对于羟胺来说，两个羰基的活性差不多（即使其中一个羰基是 \alpha,\beta- 不饱和的），因此我们很难在这一步区分二者，只好先把它们全部变成肟：

当然，我们还要把那个不需要的去掉。在非常温和的条件下，用一定量的 亚硝酸 （\ce{HNO2} ）与乙酸处理，可以把不需要的那个 \alpha,\beta- 不饱和的肟基除掉，而 2b 号碳原子上的肟基不受影响：

事实上，2b 号碳原子上的肟基并不会马上用到，但后续的反应会产生越来越多的羰基，如果把这一步放到后面，那反应将 更加难以控制 。读者可以先猜一猜这个肟基后续会发挥什么作用。

回归正题，接下来登场的是著名的 Criegee 臭氧化反应。在低温下用臭氧处理该物质，分子内的两个碳碳双键被打开，形成 臭氧化物 中间体；随后，加入 高碘酸 （\ce{pIO6} ）氧化；最后，加入 重氮甲烷 （\ce{CpN2} ）进行酯化：

生成 臭氧化物中间体 的机理如下图所示。由于这一中间体很不稳定，所以 Criegee 臭氧化一般需要在低温下进行。

接下来，在 四氢吡咯 的催化下，分子左下角发生经典的 羟醛缩合反应 ，得到 \alpha,\beta- 不饱和酮的结构；随后，用 甲磺酰氯 （\ce{MsCl} ）处理，将 2b 号位上的肟基保护起来；最后，再来一遍 Criegee 臭氧化，双键断裂，得到 17c 号位的酯结构：

之所以如此大费周章，是因为伍德沃德准备要下一局大棋。现在，2b 号位上的肟基终于真正要出场了——它将引导著名的 Beckmann 重排反应。在 170^{\circ}C 下，用 聚苯乙烯磺酸 （\ce{(C8H8O3S)_{n}} ，缩写 \ce{PSS} ）和甲醇处理之，首先发生碳骨架重排，19 号碳原子与 2b 号碳原子分离；随后，\ce{IV} 号氮原子 亲核进攻 附近 16 号碳原子的羰基，形成一个 五元环 ；接着，中间体消去 1 分子水，形成 15,16 号碳原子上的双键，从而形成 烯胺 结构；最后，烯胺 亲核进攻 附近 17c 号碳原子上的酯基，在类似于羟醛缩合的反应后形成一个六元环状的 \alpha,\beta- 不饱和酮结构。与此同时，在 18b 号位上，原来的内酰胺环被打开，从而完成整个反应历程：

或许你已经在感叹这个反应的巧妙，但相信我，精彩并未结束。我们得到的产物被命名为 半咕降甾酮 （corrnorsterone ，关于这个名字有兴趣的可以看下面的「说文解字」）。还记得 3 号位那个错误的构型吗？课题组发现，在一系列反应后，居然有 一小部分产物的构型又翻了回来 。也就是说，我们实际得到的是两种 对映异构体 的混合物。为了便于区分，课题组在它们的名字前加上了 \alpha- 和 \beta- 的前缀，如下图：

虽然构型翻转回来的只占了一小部分，但这给了课题组解决问题的希望。他们很快又发现，2b 号位上的 内酰胺 结构可以在强碱的作用下断裂。于是，一个精妙的翻转构型的方法出现了。

观察 2 号碳原子，你会发现它左侧的 2b 号碳原子因为内酰胺结构而 被「锁」在了一个固定的位置 ，连带着附近的 2a 号碳原子也无法自由移动。这就相当于，2 号碳原子的左侧是一个「 动不了 」的基团，所以空间位阻自然也比较小。而一旦我们用强碱把内酰胺环打开，那么这个基团就会重新「获得自由」， 产生巨大的空间位阻 。

那这又有什么用呢？前面提到，3 号碳原子是特殊的，在合适条件（比如酸性或碱性条件）下，它的构型可以 通过互变异构翻转 。我们观察到，在 \alpha- 半咕降甾酮中，3 号碳原子右侧的 丙酸酯基 与 2 号碳原子左侧的基团是 位于同侧 的。原来在被「锁住」时，由于空间位阻小，这种构型在热力学上是有优势的，但现在那个 被锁住的已经「解放」了 ，空间位阻急剧增大，这种构型就变成了两个大基团贴在一起， 热力学上的优劣就此逆转 。于是，3 号碳原子的构型翻转，从 R 型变成了 S 型。最后，我们只需要重新加酸至中性，分子就会重新环化——此时就算分子发现自己被耍了，构型也 变不回去 了，因为碱性条件已经丧失。就这样，我们成功把 \alpha- 半咕降甾酮变成了需要的 \beta- 半咕降甾酮：

接下来，在酸性条件下，用甲醇和 苯硫醇 （\ce{PhSH} ）的混合物处理 \beta- 半咕降甾酮。由于活性差别，二者会分别进攻 2b 号位和 17c 号位上的羰基。最终，六元内酰胺环断开，17c 号位上形成 硫醚 结构。

现在，我们手上的物质到底对应咕啉环的哪个部位已经可以看得很清楚了。如果你觉得不够清楚，那我们就把它旋转一下：

随后，在低温（-90^{\circ}C ）的甲醇中用臭氧处理该物质，双键断裂，并在 17c 号位上生成 \ce{-COSR} 的结构。接下来，用液氨处理之，17c 号位上形成末端酰胺结构：

（注：其实 \ce{-COSH} 这个基团是有一个专有名的，读作you基，\ce{-COSR} 则名为you酯基，但我死活打不出来这个you字，还请各位指教；下文中我会把 \ce{-COSR} 称为「 硫酯 」，而把 \ce{-CSOR} 称为「 硫羰酯 」，请注意区分）

最后一步，在还原剂 硼氢化钠 （\ce{NaBp} ）的作用下，15 号位上的醛被还原为醇；加入过量的 甲磺酸酐 （\ce{MsOMs} ），将醇甲磺酰化的同时为 17c 号位上的末端酰胺脱水，得到一个 氰基 （\ce{-CN} ）；最后加入 溴化锂 ，左半部分「cyanobromide 」的全合成就大功告成了：

然而，这也只是一半而已。接下来，舞台交给 Eschenmoser 的课题组，他们将要带我们去看看，分子的右半部分（「thiodextrolin 」）是怎么合成出来的。

3.2 右半部分的合成

相比于 Woodward 课题组的工作，Eschenmoser 课题组设计的合成路线更为简短，但同样精妙。

右半部分的合成起始于三种结构简单、产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} ）。前两者在酸催化下发生 交叉羟醛缩合反应 ，得到一种烯基酮酸；随后，在 四氯化锡 （\ce{SnCl4} ，作为 路易斯酸 ）的催化下，该物质与丁二烯发生著名的 Diers-Alder 反应，得到一种环己烯的衍生物：

Diers-Alder 反应（又名 双烯加成反应 ）在有机合成中非常重要，其机理在前几篇文章中已有提及，而在这篇文章的后记中，我还会简要说明全合成工作为这个反应带来的发展。

接下来，用过量的 Jones 试剂（ 三氧化铬 （\ce{CrO3} ）溶于 浓硫酸 ）处理该物质，环状烯烃结构的双键随即断裂（此处反应条件非常强烈，一般来说 Jones 试剂不会氧化双键），生成一种带有三个羧基的中间体；该中间体随后 自发环化 ，形成 双内酯 结构，产率 75\% ：

关于 \ce{Cr(VI)} 氧化剂断裂双键的机理，一般认为是先生成 环氧化合物 ，随后生成 邻二醇 ，最后在过量氧化剂的作用下，碳碳键断裂，得到二酸产物：

言归正传。下一步要用到的是 Arndt-Eistret 同系增碳反应，顾名思义，这个反应可以为羧基 增加一个同系碳原子 。在 \ce{SOCl2} 作用下，分子内的羧基首先变成酰氯；加入 \ce{CpN2} ，在亲核取代之后，同系碳原子随即被引入；在 \ce{Ag(I)} 的催化下，分子放出 \ce{N2} 形成 卡宾酮 中间体，随后发生重排反应，最终在 \ce{MeOH} 的作用下变成酯，三步反应总产率 69\% ：

随后，在甲醇中用定量的 \ce{Np} 处理该物质，可以 将其中一个内酯基团转化为内酰胺 。由于特殊的 双内酯结构 ，该物质的羰基具有更强的亲电性，所以在室温下反应就可以快速进行：

反应产率约为 55\% （其余的 45\% 大多都是另一个内酯基团被变成了内酰胺）。可见，这个反应的选择性其实并不显著。

但不管怎样，55\% 的产率也算是能接受了。现在让我们 把产物分成两份 ，并对它们 进行不同的处理 。第一份的处理很简单，在 \ce{THF} 中，用一定量的 五硫化二磷 （\ce{P2S5} ）进行硫化，9 号位的内酰胺结构被转化为 硫内酰胺 ，而分子中的其他酯基则不受影响：

五硫化二磷 （\ce{P2S5} ）的分子结构与所谓 五氧化二磷 （\ce{P2O5} ）类似，实际上是以 \ce{P4S10} 形式存在的。作为一种重要的化工原料，它在有机合成中经常被用于将 羰基 转化为 硫羰基 。后来，人们又以它为基础制得了威力更强的版本，也就是著名的 劳森试剂 （Lawesson's~Reagent ）。\ce{P2S5} 硫化的机理如下，有点类似于 Wittig 反应的机理：

扯得有点远，让我们来看看第二份是怎么处理的。在 乙醚 （\ce{Et2O} ）中，用 \ce{NaOMe} 裂解内酯环，随即消去 1 分子水生成 10,11 号位上的双键；为了防止需要的酯基被水解，反应体系中还添加有一定量的 \ce{CpN2} 。最终产率约为 \ce{92\%} ：

接下来，在 三氟乙酸 （\ce{CF3COOH} ，缩写 \ce{TFA} ）的作用下，该物质与 \ce{pS} 加成（与加 \ce{pO} 的机理类似）。随后，硫原子进攻附近的酯基，形成五元环状硫酯（\ce{-COSR} ）结构：

之所以要大费周章把它搞成硫酯，是因为在 威尔金森催化剂 （\ce{(PpP)3RhCl} ）和 氰化钠 （\ce{NaCN} ）的作用下，硫酯容易发生 脱硫化羰反应 ，从而把那个不需要的碳原子去掉；随后再用 \ce{Ag+} 处理，得到 10,11 号位上的双键。这个反应同时也会产生一种有三元环结构的副产物，因此产率并不是很高：

（注：由于涉及过渡金属催化，机理相当复杂，所以 此处展示的机理是简化过后的 。想要进一步了解的读者可以自行查阅相关文献。）

好，现在两份都已经完成了各自的处理，是时候把它们 结合起来 了。为了这一步，Eschenmoser 开创了一个全新的反应 ，也就是如今已被我们所熟知的 Eschenmoser 偶联反应。

Eschenmoser 偶联反应需要一个 硫酰胺 和一个 烯胺 。在 过氧化苯甲酰 （\ce{PhCOOOCOPh} ）的作用下，两分子硫酰胺首先发生 氧化自偶联 ；随后，烯胺进攻自偶联产物， 二硫键 断裂得到 硫桥 结构，又自发异构化为 环硫化合物 ；最后在 \ce{P(III)} 化合物（此处使用 三乙氧磷 ，\ce{P(OEt)3} ）作用下，硫原子被拔去，完成整个偶联反应：

必须说，这个反应设计得非常巧妙，但它的 通用性并不好 ，因为底物之一的烯胺与亚胺是互变异构体，且一般 平衡偏向后者 。因此，有人对这个反应进行了改进，而稍后我们就会看到这种变异的 Eschenmoser 偶联反应。

偶联反应之后，距离完成 只差最后一步 了——将 14 号位的酰胺结构硫化。这一次，分子内多出了许多结构，为了保证它们不被破坏，课题组在多次实验后选择了在 甲基汞 离子（\ce{MeHg+} ）催化下用 \ce{pS} 直接硫化的方案，并最终以高产率得到了目标产物：

就这样，右半部分「thiodextrolin 」的全合成也宣告成功。接下来，就该把它们拼起来了。

3.3 咕啉环的拼接与修饰

这一部分的工作是 两个课题组各自完成 的，但篇幅所限，我们主要来讲一讲 Woodward 课题组设计的合成路线。（事实上，两条路线的 大体思路是基本一致的 ）

拿到了左右两半后，首要的任务当然是将它们先拼在一起。Woodward 果断采用了 Eschenmoser 偶联的一种 变异反应 。这种变异将其中一种底物从烯胺变成了 活泼卤代烃 ，从而使反应的通用性大大增强；利用它，就能轻松地在 15 号位上完成偶联：

接着，在 4- 甲基吡啶 催化下用一定量的 \ce{P2S5} 处理之，4 号位的内酰胺和 7b 号位上活泼的内酯结构被硫化，分子中其他普通的酯基不受影响；随后加入 Meerwin 盐对 硫羰基 进行甲基化：

补充一句，\ce{P2S5} 在硫化酯基时一般先会生成 硫羰酯 ，也就是 \ce{-CSOR} 结构，但在碱性试剂作用下，硫羰酯会变成通常更稳定的 硫酯 （\ce{-COSR} ）结构。对 7b 号位内酯结构的硫化就大致经历了这一历程。

下一步，使用 二甲胺 （\ce{Me2NH} ）打开硫内酯环，得到 7b 号位的酰胺结构，同时在 5,6 号位上发生消去反应，生成双键。这个反应看似简单，但课题组却花费了不少时间去 修正反应条件 ，才使反应的产率足够令人满意：

随后，课题组打算引入中心配位的 \ce{Co} 原子。一开始，课题组并没有预料到这一步的困难，但他们马上就会知道了：\ce{Co} 是一种 极其有效的催化剂 ，可以 迅速催化该物质分解 ，让前面的一切努力都变成白忙活。有人会问：为什么一定要这么着急地把 \ce{Co} 原子放进去呢？因为在下一步，我们将要进行 4 号位和 5 号位碳原子的偶联。还是由于 空间位阻 ，此时 4 号和 5 号碳原子虽然在纸面上看起来很近，但实际上距离很远——这就导致 分子内的偶联反应难以进行 。下图是由计算机渲染得到的，大家可以直观感受一下两者的距离：

（上图：目前我们手中化合物的空间结构，绿色圈出的是 5 号碳原子，粉色圈出的是 4 号碳原子）

如果此时我们成功地将中心的 \ce{Co} 原子塞进去，那么 整个分子的空间结构都会因此改变 。4,5 两个碳原子会被强行「拉拢」，从而使得它们之间的偶联反应可以顺利进行。想到这里，Woodward 下定决心要攻克这道难题。它一定是有解的！ 维生素B12就在那里 ，它的存在，就是问题有解的最好证明！带着这份信念，课题组花了 整整一年的时间 ，尝试各种方法和反应条件，同时也尝试揭秘 \ce{Co} 催化分解的机理。最终，他们找到了。

在最终的目标中，\ce{Co} 原子的氧化数应为 \ce{+III} ，但在几百次实验之后，课题组确信：正是 \ce{Co(III)} 破坏了分子的结构。所以，最终的解法就是：先在 \ce{THF} 中用 无水氯化钴 （\ce{CoCl2} ）处理，让 \ce{Co(II)} 进入配位体系；随后加入 \ce{KCN} 水溶液，利用 \ce{CN-} 离子强大的配位能力把 \ce{Co(II)} 「锁」在分子的中心 ；等到万事俱备了，再将 \ce{Co(II)} 用空气氧化成 \ce{Co(III)} 。此时，就算是 \ce{Co(III)} 想搞破坏也不可能了：

补充一句，此处的无水氯化钴也 不是随便选择的 。很早之前就有人发现，\ce{Cl-} 和 \ce{I-} 似乎对于 钴络合物 的形成具有催化作用，虽然这种作用的机理尚不明确。到了这里，如果不用无水卤化物的话，那么 \ce{Co(II)} 会很难进入配位体系，也就没法进行下一步的反应了。

难题解决之后，后面的反应就如同预料一般顺利了。在 \ce{DMAC} （ 二甲基乙酰胺 ，\ce{CpCON(Cp)2} ）中用 有机碱 \ce{DBN} 进行催化，偶联反应就可以高产率地进行：

现在， 整个咕啉环的拼接已经宣告成功 ，接下来便是对其进行修饰。在 \ce{AcOH} 中用 碘单质 氧化该物质，8 号位的 \ce{C-H} 键断裂，分子右上角的 7b 号位的酰胺结构变成内酯：

下一步，我们需要在 5 号位和 15 号位上各补上一个甲基（或许很多人都没有注意到这两个位置缺少一个甲基）。在 环丁砜 （溶剂）中，用 苄基氯甲基醚 （\ce{PhCpOCpCl} ）可以直接活化 5,15 号位上的 \ce{C-H} 键并取代之；随后加入 苯硫醇 （\ce{PhSH} ），5a,15a 号碳原子上的 苄氧基 （\ce{-OCpPh} ）随即被取代；接着，用 兰尼镍 （Raney~\ce{Ni} ）进行 还原脱硫反应 ，7b 号位上的内酯结构也随即被破坏，游离出羧基；最后用 \ce{CpN2} 进行酯化，完成整个反应历程。

有人可能会问，为什么 10 号位上的氢原子没有被取代呢？观察分子的结构就能发现，10 号位周围的空间 非常拥挤 ，附近的 8,12 号位的碳原子都是 完全取代 的（其实，上一个反应的目的就是将 8 号位完全取代，从而增大空间位阻），就像是一道屏障一般阻隔了试剂对 10 号位的进攻。这足以保证这个反应的选择性：

随后，我们需要把 17c 号位的氰基（\ce{-C#N} ）水解成羧基（\ce{-COOH} ）。由于分子中 有众多易水解的酯基 ，所以这并不是一项简单的任务。课题组选择先用浓硫酸处理该物质，将氰基 水解为末端酰胺 。没错，虽然一般浓硫酸是以「 脱水剂 」的身份出现的，但这里它扮演了一个相反的角色。这里的反应条件看似强烈，但主体的咕啉结构基本没有遭到破坏。

除此之外，浓硫酸还起到了一个意料之外的作用。分子中的 13 号碳原子可以通过 互变异构 的方式转变自己的构型，而浓硫酸恰好提供了这个条件。最终，13 号碳原子的 R:S 平衡为 28:72 （我们需要的是 S 型）：

接下来就是考虑如何将酰胺结构水解成羧基。为了防止酯基被水解，课题组首先考虑了使用 亚硝酸酯 （通式 \ce{RONO} ）作为水解试剂。遗憾的是，亚硝酸酯虽然出色地完成了水解任务，但它同时也会将分子的 10 号位 亚硝化 。为此，Woodward 课题组筛选了众多 亚硝酸衍生物 ，但都无济于事。最终，这一方案被放弃了。

在此关键时刻，隔壁的 Eschenmoser 课题组送来了助攻。简单来说，他们发明了一种强大的 亲电试剂 （在此就姑且称之为 Eschenmoser 亲电试剂吧），可以通过 氟硼酸银 （\ce{AgBF4} ）与一种 环己胺衍生物 反应生成。在非常弱的酸性条件下（可以用 酸碱缓冲体系 ），它就可以将酰胺转化为 羟乙醛酯 。最后只需加入 \ce{Me2NH} ，就可以将活泼的羟乙醛酯转化为羧酸：

这个反应的设计极其巧妙，而且在面对如此复杂的底物时也可以给出超过 90\% 的产率——Woodward 评价这个反应「 狡猾而优雅 」。后续的研究证明，这个反应 对于几乎所有酰胺都是有效的 ，不仅限于末端酰胺。如今，我们一般把它称为 Eschenmoser 酰胺水解反应，在复杂天然产物的合成中常会用到。

或许是不愿落后于人，Woodward 课题组很快也发现了这个问题的另一种解法：在 四氯化碳 （\ce{CCl4} ）中用 \ce{NaOAc} 和 四氧化二氮 （\ce{N2O4} ）代替亚硝酸酯，就可以将酰胺有效水解，同时分子的 10 号位不再被亚硝化。反应产率 \ce{70\%-80\%} ，虽然比 Eschenmoser 的方法差了点，但如果从经济上考虑，那 Woodward 的方法显然是更优的：

现在，距离成功合成钴啉胺酸只差一步了：将分子中的六个酯基全部转化为酰胺。在 75^{\circ}C 左右用氨（\ce{Np} ）与 乙二醇 （\ce{HOCpCpOH} ）大致 1:1 的混合物处理该物质，可以以高产率得到一种结晶。但令人大跌眼镜的是， 它根本不是钴啉胺酸 ！

这种物质的 化学性质与钴啉胺酸几乎一致 ，且两者具有基本相同的 红外光谱 、 电子光谱 ，甚至于连 纸色谱 、 平面色谱 都完全无法区分二者。只有 高压液相色谱 系统告诉我们：它们不一样！如下图所示，课题组得到的物质在化学式上比钴啉胺酸少了两个 \ce{H} 。在它的右上角，7b 号碳原子形成了内酰胺结构。课题组将这种物质称为「 伪钴啉胺酸 」（pseudocobyric~acid ）：

为什么分子会莫名其妙地去掉两个 \ce{H} ？难道是 有空气混进了反应体系 ？在反复检查之后，课题组排除了这种可能。那它到底为什么会被氧化呢？等等，分子中心还有一个配位的 \ce{Co} 原子！Woodward 猜想，中心配位的 \ce{Co(III)} 可以通过某种机制变成 \ce{Co(I)} 。由于 \ce{Co(I)} 具有很强的还原性，所以它会迫使分子会放出 \ce{p} ，并把自己变回 \ce{Co(III)} 。

所以，该怎么解决这个问题？一开始，课题组希望 找到一种合适的还原剂 ，将伪钴啉胺酸还原成钴啉胺酸。他们搜寻了好几个月，但根本没有收获。就在此时，他们意外地发现，只需将少量 铵盐 （比如 氯化铵 \ce{NpCl} ）加入反应体系，效果就立竿见影。伪钴啉胺酸从产物中消失了，取而代之的是几乎 100\% 产率的钴啉胺酸：

为什么铵盐会有这么神奇的效果？Woodward 认为，生成伪钴啉胺酸的机理中可能包含一个 酰胺负离子 中间体（\ce{-CONH^-} ），而 铵根离子 （\ce{Np+} ）可以有效地 淬灭 酰胺负离子，从而抑制了伪钴啉胺酸的生成。

由于没有详细研究，Woodward 并没有在论文中给出生成伪钴啉胺酸的详细机理。但这或许已经不重要了，因为这一步的完成，标志着 维生素B12的全合成宣告成功 。这座「有机合成界的珠穆朗玛峰」，就这样在人们的齐心协力之下被征服了。这一年是 1972 年。

但是，我们的旅程还没有结束。毕竟，钴啉胺酸距离维生素B12 还差一个结构类似于核苷酸的侧链 ，那这个侧链又应该如何合成呢？

3.4 核苷酸侧链的合成与拼接

在概述中已经提到，这一部分的工作是德国化学家 Bernhauer~K. 等人在 1960 年完成的，所以对于 Woodward 来说，这部分的合成方法是现成的。但无论怎么说，这条侧链都是维生素B12的一部分，所以一篇完整的全合成介绍是少不了它的。

由于侧链的结构 类似于核苷酸 ，所以 Bernhauer 的课题组也采用了类似于核苷酸的合成策略。但值得注意的是，这条侧链的「 碱基 」并不是 \ce{A,C,G,T,U} 中的任何一个，而是一种 苯并咪唑 ； 磷酸基团 则是接在 核糖 结构的 3' 位，而不是 5' 位：

合成的起始物是一种有机染料工业的重要原料：4,5- 二甲基邻苯二胺 。在 多聚磷酸 （或其他较强的酸）的作用下，它可以与 甲酸 缩合得到 5,6- 二甲基苯并咪唑：

（注：较新的研究发现，上反应可以在 \ce{DMF} 中被 三甲基氯硅烷 （\ce{TMSCl} ）催化，在此条件下产率可以达到 95\% 。上图中展示的反应条件是上世纪使用的，产率相对较低）

这样一来，碱基就搞定了。随后登场的是一种核糖的衍生物： 四乙酰核糖 ——它直到今天都是核苷酸合成中的重要试剂。在二甲苯中，它与刚才制得的 5,6- 二甲基苯并咪唑在 1' 号位发生 缩合反应 ；将反应的产物用 \ce{Np-CpOH} 处理，脱去多余的乙酰基后得到结构类似于 核苷 的物质：

下一步，在低温下用 三氯氧磷 （\ce{POCl3} ）和 磷酸三乙酯 （\ce{PO(OEt)3} ，做溶剂）处理该物质，得到 5' 号位的 二氯磷酸酯 结构；随后用强碱处理之，得到 3',5' 号位的 环状磷酸盐 ：

接着，在很弱的碱性（\text{PH}\approx8.0 ）条件下，用 铈离子 （\ce{Ce^3+} ，此处由于碱性太弱无法产生 氢氧化铈 （\ce{Ce(OH)3} ）沉淀；最近有研究指出，实际上起作用的是 \ce{Ce^3+} 在此条件下部分水解产生的 簇状羟基配合物 ）催化环状磷酸盐部分水解，可以得到 3' 号位的磷酸（副产 5' 位的磷酸）：

下一步，我们要把 3'- 磷酸与 异丙醇胺 （\ce{pNCpCHOHCp} ，有两种 旋光异构体 ，此处使用 R- 异丙醇胺）缩合成磷酸酯。为了防止氨基的干扰，课题组首先将其与 苯甲醛 （\ce{PhCHO} ）反应，把氨基保护起来；随后，在强碱 正丁醇钠 （\ce{t-BuONa} ）的作用下，两者顺利地发生缩合反应；反应结束后用乙酸水溶液脱去保护基，就能得到这条 完整的核苷酸侧链 ：

最后，我们需要 把这条侧链「装」到钴啉胺酸上 。为此，课题组测试了多种反应条件，最终选择使用 柠檬酸铵 溶液和 异戊醇 的混合物处理。二者顺利地发生脱水缩合反应，以 92\% 的产率得到最终产物：

随后，该物质在此条件下可以自发消去一个 \ce{HCN} 分子，而侧链顶端的 \ce{N} 原子则会自动进入中心 \ce{Co} 原子的配位体系，从而得到成品维生素B12：

至此，那一抹亮丽的红色终于出现在了人们眼前。

4.总结与后记

这或许是全网最完整、详细的介绍维生素B12全合成的中文文章了。全文字数超过了一万五千，也有八十多张配图。如果喜欢还请多多支持，谢谢！（上次说的关于牛胰岛素全合成的解析已经在写了，但由于资料和时间问题，我也不敢说什么时候可以写完）

维生素B12的全合成是有机合成界前所未有的壮举 。毫不夸张的说，这项工作可以成为划分「 近现代 」有机化学和「 当代 」有机化学的分界线。它的意义远不止 拓展了有机合成复杂性的界限 ，更重要的是，它的成功沉重打击了几百年来「 化学局限论 」的思想，让人们开始相信： 化学真的可以为人类创造一个新的世界 。

即使抛开思想上的启迪，这项工作 在实际上的意义也不遑多让 。在此次全合成中首次亮相的 Eschenmoser 偶联反应已经成为 构筑碳碳键的重要手段 ，在许多药品的工业化合成中得到应用；Bernhauer~K. 等人合成侧链的方法在之后的岁月中被不断改进，衍生出了众多重要的 核苷酸化学合成法 ，为今日 腺苷 、 肌苷 、\ce{ADP} 、\ce{ATP} 等生物分子的大规模合成打下了基础，也成为了 遗传物质化学合成 的支点之一；咕啉环的人工合成法指导了人们探寻生物体内咕啉结构的构建，并最终将其 合理化 ，阐明了生物合成维生素B12的机理；Woodward 团队在合成过程中阐明了 互变异构导致的构型翻转 ，再一次提升了人类对于手性的认识，指导着后世几乎所有的手性合成方法；合成过程中发现的 \ce{Co} 元素的显著催化作用，到今天已经发展成为有机合成的一种强大策略，诸如 \ce{Co} 催化的 偶联反应、环加成反应、消去反应 等令人眼花缭乱；合成过程中，Woodward 和他的学生 Hoffmann 发现了 \ce{D-A} 反应在不同条件下的立体选择性，两人进而将这些规律总结、归纳，最终提出了名震整个有机化学界的 轨道对称守恒原理 ，也叫 Woodward-Hoffmann 规则——这被认为是近年来 化学理论方面的最大成就 。

（上图：轨道对称守恒原理的简单图示）

在科学家们的努力之下，1993 年，维生素B12的 生物合成机制 被基本阐明。在此之后，人们开发出了维生素B12的 生物合成技术 ，这才有了今天能够直接在药店里买到的维生素B12药片。然而，谁能想到，在这种不起眼的廉价药品背后，暗藏着 150 余年来无数科学家为之不懈奋斗的史诗。

1979 年，积劳成疾的伍德沃德因心脏病突发去世，享年 62 岁。他在去世的前一天仍念念不忘那还未完成的 赤霉素 （gibberellin ）全合成。最终，他的学生带领着剩下的课题组成员完成了这项工作；而在他去世 15 年后，他的另一位学生 Y.Kishi 将完成有机合成界「 新的珠穆朗玛峰 」—— 岩沙海葵毒素 （palytoxin ）的全合成。如果伍德沃德能看到，想必他一定会倍感欣慰吧。

（超链接：关于岩沙海葵毒素全合成的详细解析）

相比于伍德沃德，另一位主角 Eschenmoser 教授并没有在这次伟大的工作中收获多少名声，如今或许也没有多少人记得他的团队也是维生素B12全合成的重要参与者。更鲜有人知的是，在完成这项工作之后，他选择 以维生素B12为切入点 ，研究两个根本看不到终点和希望的课题： 生命的化学起源 和 演化对于天然产物的构建 。尽管这注定是一条无比艰难的路，但他仍然义无反顾地走了下去。

（上图：【潜在原始生物分子结构的病原学：从维生素B12到核酸，关于生命化学起源的探讨】论文影，A.~Eschenmoser ，2011 ）

A.~Eschenmoser 于 2023 年去世，享年 98 岁。显然，直到去世他也没有找到这两个终极问题的答案。但是，他的学生们接替了他，在这条看不到尽头的道路上继续前行。

伍德沃德曾经说过一句流传很广的话： 合成，是一门艺术 。但我认为，不光是有机合成， 任何科学探索，都是伟大的艺术 。

而艺术，需要人们不断地去传承与创新。

5.参考文献

[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.