通过钯-咪唑[1,5-a]吡啶卡宾复合物催化的长链炔烃的转移半氢化反应合成抗菌C16顺式不饱和脂肪酸

《European Journal of Organic Chemistry》：Synthesis of Antibacterial C 16 Cis‐Unsaturated Fatty Acids by Transfer Semihydrogenation of Long‐Chain Alkynes Catalyzed by Palladium–Imidazo[1,5‐ a]pyridine Carbene Complexes

本研究利用Pd–imidazo[1,5-a]pyridine carbene（IPC）的PEPPSI型络合物催化长链炔醇的转移半氢化反应，合成C16 cis-不饱和脂肪酸。通过调控IPC的取代基电子性质，增强金属中心的π-接受性，显著提高催化活性。合成的脂肪酸对S. aureus具有显著抗菌活性，且双键位置影响生物活性。

　　这项研究聚焦于一种高效合成C16型顺式不饱和脂肪酸的方法，并对其抗菌活性进行了评估。顺式不饱和脂肪酸是一类在自然界中较为罕见的有机化合物，尤其在人类皮肤中含量极低，仅为约1.2微克/平方厘米。然而，这类脂肪酸在医学和生物化学领域展现出重要的生物活性，例如对金黄色葡萄球菌（*Staphylococcus aureus*）的特异性抗菌作用以及对特应性皮炎（Atopic Dermatitis, AD）的抗炎效果。因此，开发一种可行的合成方法以获取这类化合物具有重要的科学和应用价值。

在研究中，科研团队采用了一种基于钯-咪唑并吡啶亚甲基（Pd–imidazo[1,5-a]pyridine carbene，简称IPC）的新型催化剂体系，即PEPPSI型（Pyridine-Enhanced Precatalyst Preparation Stabilization and Initiation）复合物。这种催化剂体系通过调节IPC配体的电子特性，有效增强了对长链炔基醇的半加氢反应效率。通过这一反应，科研人员能够合成出顺式烯基醇，进而将其转化为C16型顺式不饱和脂肪酸。实验结果显示，这些合成的脂肪酸在抗菌性能上表现出显著的生物活性，尤其在针对金黄色葡萄球菌方面，其效果与天然存在的同类化合物相当。

为了实现这一目标，研究团队首先通过常规的SN2反应合成了所需的炔基醇底物。在这一过程中，通过使用保护基（如二氢吡喃）对醇基进行修饰，提高了反应的可控性和产率。随后，他们通过脱保护反应，得到了自由的醇基化合物，为后续的半加氢反应提供了基础材料。实验发现，对于某些具有较短碳链的底物，其反应效率较低，因此通过改变反应物的组合，如使用锂乙炔化物与溴代烷醇反应，显著提升了合成效率。这种优化策略不仅提高了产物的产率，还确保了反应的顺利进行。

在催化剂的合成过程中，研究团队对IPC配体的结构进行了细致的调整。通过在咪唑并吡啶环的1位和5位引入不同的取代基，他们能够调控配体的电子特性与空间位阻。这种调控对催化剂的活性和选择性具有重要影响。例如，1位引入电子吸引基团的IPC配体表现出更高的π接受能力，从而增强了钯中心的催化性能。同时，5位的取代基则通过增加空间位阻，有效防止了催化剂在反应过程中发生不必要的二聚化或副反应，提高了反应的效率和产物的纯度。

为了进一步验证这些催化剂的性能，科研人员对一系列Pd-PEPPSI-IPC复合物进行了X射线晶体学分析，并结合密度泛函理论（DFT）计算对其结构和电子特性进行了深入研究。分析结果显示，这些复合物中钯原子与亚甲基碳之间的键长以及相关的电子分布存在显著差异。其中，某些具有较大空间位阻的复合物表现出更高的催化活性，这表明空间效应在催化剂设计中起着关键作用。此外，通过计算得出的埋藏体积百分比（%Vbur）进一步支持了这一观点，表明空间位阻较大的催化剂更有利于提高反应的选择性和效率。

在半加氢反应中，科研团队发现使用PEPPSI型Pd-IPC催化剂能够实现高效的顺式-反式选择性，其顺式/反式比例通常超过95/5。这一结果优于传统方法，如维蒂希反应和林达尔还原法，后者在实际应用中常面临选择性不足和副产物生成的问题。此外，研究还表明，反应过程中形成的钯-氢物种（Pd-H）在催化循环中起着重要作用，其正电荷分布影响了炔基的配位和插入过程，从而决定了最终产物的顺式构型。通过优化反应条件，科研人员成功地将炔基醇转化为顺式烯基醇，并进一步将其氧化为C16型顺式不饱和脂肪酸，而无需损失顺式/反式比例。

研究还探讨了顺式不饱和脂肪酸的抗菌特性。通过将合成的C16型顺式脂肪酸与金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌（*Staphylococcus epidermidis*）进行对比实验，科研人员发现，双键的位置对抗菌活性具有显著影响。例如，6-顺式C16:1（即Sapienic acid）表现出最强的抗菌效果，而其他位置的双键则未能展现出类似的抗菌活性。这一发现表明，顺式不饱和脂肪酸的结构特征在抗菌机制中起着决定性作用，可能与分子的物理化学性质（如疏水性、与细菌膜的相互作用）有关。此外，实验还发现，合成的C16型顺式脂肪酸在抗菌效果上与天然产物相当，且具有较高的选择性，能够有效抑制金黄色葡萄球菌而不影响表皮葡萄球菌的生长。

为了更全面地理解催化机制，研究团队提出了一个可能的催化循环模型。根据这一模型，反应首先由3-氯吡啶和氯离子的解离启动，随后氢氧根离子（HCOO?）与催化剂结合，形成中间体。该中间体通过β-氢消除生成钯-氢物种，接着炔基与钯中心配位并发生迁移插入反应，最终通过质子化作用生成所需的顺式烯基醇。整个催化循环过程在均相条件下进行，避免了多相反应体系带来的复杂性和操作难度。此外，研究还探讨了催化过程中可能的副反应，如过度还原和异构化，但发现这些副反应在实验条件下并不显著影响产物的纯度和产率。

实验设计方面，科研团队采用了多种方法进行验证。例如，在合成过程中，他们使用了不同的溶剂和反应条件，以确保反应的高效性和可控性。在抗菌活性评估中，他们遵循了临床和实验室标准协会（Clinical and Laboratory Standards Institute）的指导原则，通过测定最低抑菌浓度（Minimum Inhibitory Concentration, MIC）来评估化合物的抗菌效果。实验结果显示，合成的C16型顺式脂肪酸在多种浓度下均能有效抑制金黄色葡萄球菌的生长，而对表皮葡萄球菌则无明显影响。这一结果进一步支持了顺式不饱和脂肪酸的抗菌选择性，并为其在抗菌药物开发中的应用提供了理论依据。

此外，研究还强调了合成方法在实际应用中的重要性。与传统的生物合成方法相比，化学合成方法不仅能够更灵活地调控产物的结构，还能实现大规模生产。这对于开发新型抗菌药物或生物活性物质具有重要意义，尤其是在天然资源有限或合成难度较高的情况下。研究团队的成果表明，通过合理设计催化剂结构，可以有效提高顺式不饱和脂肪酸的合成效率，并进一步拓展其在医学和生物化学领域的应用前景。

在实验操作方面，科研人员详细描述了合成和抗菌活性评估的具体步骤。例如，在半加氢反应中，他们使用了氩气氛围下的反应体系，并通过搅拌和温度控制确保反应的顺利进行。在抗菌活性测试中，他们将合成的脂肪酸溶解在二甲基亚砜（DMSO）中，并通过稀释法测定其对细菌的最小抑菌浓度。实验结果显示，DMSO的加入并未对细菌生长产生显著抑制，从而验证了其作为溶剂的适用性。这些实验方法为后续研究提供了可靠的参考，并有助于进一步优化合成工艺和抗菌性能。

综上所述，这项研究不仅成功开发了一种高效合成C16型顺式不饱和脂肪酸的方法，还揭示了其抗菌活性与分子结构之间的关系。通过合理设计催化剂体系，科研人员克服了传统合成方法的局限性，实现了对顺式烯基醇的高效转化，并确保了产物的纯度和选择性。此外，研究还表明，合成的顺式不饱和脂肪酸在抗菌效果上具有显著优势，尤其是在针对金黄色葡萄球菌时表现出良好的选择性。这些发现为未来开发新型抗菌药物或生物活性物质提供了重要的理论支持和实验依据。