《ACS Central Science》：Site-Divergent Oxidations within Venerable Macrolide Antibiotic Scaffolds Unveil Compounds with Broad Spectrum and Anti-MRSA Activities
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为解决大环内酯抗生素对耐药菌（特别是MRSA）效力不足的问题，研究人员通过设计新型氮杂金刚烷基氧铵盐催化剂HAzc(OMe)-OMe，在红霉素A、克拉霉素和阿奇霉素上实现了位点选择性的羟基氧化。该研究获得了一系列氧化的大环内酯类似物，其中多个化合物在保留对广谱病原体活性的同时，还对CA-MRSA和MRSA(mph(C))表现出了临床前体药物所不具备的抗菌活性，为对抗抗生素耐药性提供了新策略。
抗生素曾是现代医学对抗细菌感染的有力武器，但日益严重的细菌耐药性问题，特别是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的出现，使得包括大环内酯类在内的多种抗生素临床效力大打折扣。红霉素A及其衍生物（如克拉霉素、阿奇霉素）通过结合细菌核糖体50S亚基抑制蛋白质合成，是应用广泛的抗生素。然而，它们对红霉素耐药的病原体往往束手无策，且红霉素A在酸性环境中易降解失效。如何对现有抗生素进行有效改造，在保留其核心药理骨架的同时赋予其新的抗菌活性，尤其是对抗耐药菌的能力，是药物化学领域面临的重大挑战。传统的全合成方法耗时费力，而位点选择性修饰（site-selective modification）则提供了一条捷径，能够直接在复杂的天然产物分子上进行精准“手术”，快速获得多样化的类似物。但大环内酯分子中富含多个相似的活性官能团（如多个羟基），实现特定位置的选择性反应极具挑战性。发表在《ACS Central Science》上的这项研究，正是致力于通过开发新的氧化方法，在几种重要的大环内酯抗生素骨架上实现位点分化的氧化反应，以期获得具有新生物活性的化合物。
为开展此项研究，作者主要应用了以下关键技术方法：1. 设计与合成新型催化剂：设计了空间位阻更小的氮杂金刚烷基氧铵前体催化剂HAzc(OMe)-OMe，以提高对仲羟基的氧化效率。2. 位点选择性氧化反应开发：使用间氯过氧苯甲酸(mCPBA)作为末端氧化剂，结合新型催化剂，对红霉素A、克拉霉素和阿奇霉素进行氧化条件筛选与优化。3. 结构确证技术：综合利用核磁共振波谱(NMR)（特别是二维NMR和13C NMR）、质谱(UPLC-MS)以及单晶X射线衍射(X-ray crystallography)等技术，对氧化产物的结构、特别是氧化位点和形成的半缩酮异构体进行了精确鉴定。4. 抗菌活性评价：对合成的一系列大环内酯类似物进行体外抗菌活性测试，测定了其对包括化脓性链球菌、肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、粪肠球菌、屎肠球菌、流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌以及社区获得性耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(CA-MRSA)和携带mph(C)耐药基因的MRSA在内的多种细菌菌株的最小抑制浓度(MIC)。
初步氧化与催化剂设计
研究从筛选能高效、清洁地氧化红霉素A(1)的氧化剂开始。多种常用氧化剂导致了底物分解或不加选择的多重氧化。最终发现，在使用mCPBA作为末端氧化剂的条件下，结合新型设计的、空间位阻更小的催化剂HAzc(OMe)-OMe，可以在实现胺N-氧化生成N-氧化物的同时，实现对红霉素A特定仲羟基的高位点选择性氧化。该催化剂的成功设计源于对空间效应的调控，其前体HAzc(OMe)-OMe易于分离，并能原位去保护生成活性物种。
红霉素的位点选择性氧化
在优化条件下，使用HAzc(OMe)-OMe催化剂氧化红霉素A(1)时，观察到优异的位点特异性，仅生成一种单氧化产物。通过质谱碎裂、二维NMR和13C NMR分析，并结合计算化学，推测并通过X射线单晶衍射证实，该主要氧化产物是C11羟基被氧化后，与分子内C9酮羰基形成C9,C12-半缩酮(5')。值得注意的是，对HAzc(OMe)-OMe的修饰（如增加空间位阻）会严重影响反应活性，这强调了催化剂结构与反应性之间的密切关系。
克拉霉素和阿奇霉素的位点选择性氧化
当将优化的氧化策略应用于结构相似但C6位羟基被甲基化的克拉霉素(6)时，观察到了截然不同的结果：在相同催化条件下，仅发生胺N-氧化生成7，未检测到任何羟基氧化产物。然而，先单独用mCPBA生成N-氧化物7，再用Dess-Martin高碘烷(DMP)氧化，则能以高位点选择性在克拉霉素的克拉定糖(C4'')羟基上进行单氧化，生成C4''-酮-克拉霉素N-氧化物(8)。对于阿奇霉素(9)，HAzc(OMe)-OMe催化条件或单独使用mCPBA均导致降解，但DMP氧化可干净地生成C4''-酮-阿奇霉素(10)。这表明，尽管三种大环内酯结构相似，但实现其位点选择性氧化需要发展三种不同的策略，并导向三个不同的氧化位点，凸显了位点选择性转化的复杂性。
选择性讨论
研究发现，氧化反应的羟基活性顺序与此前报道的酰基转移、P(III)转移等反应的活性顺序完全不同。氧化结果揭示了一套全新的反应性偏好。研究者探讨了两种可能的反应机理：一种是在碱性条件下，羟基进攻氧铵氮形成共价中间体，随后通过“Cope型”消除释放出羰基；另一种是在酸性条件下，发生直接的氢负离子转移。前者可能对位阻更敏感，后者则可能对氢负离子给予能力更敏感。研究者假设，克拉霉素C6位的甲氧基可能因空间拥挤阻碍了前一种机理中关键的四元中间体形成，而红霉素A的C6羟基则可能通过氢键稳定该中间体。此外，红霉素氧化产物倾向于形成C9,C12-半缩酮，这可能也是导致其独特选择性的原因。
氧化大环内酯的类似物
新引入的羰基为进一步衍生化提供了平台。例如，C11酮-N-氧化物5'可通过雷尼镍(Raney Ni)还原去除N-氧化物，得到羰基衍生物11。5'还可与DMP进一步氧化得到双重氧化产物12，或与羟胺缩合、随后在H2氛围下用雷尼镍还原，生成二烷基呋喃酮衍生物15。类似地，C4''-酮-克拉霉素N-氧化物8也可被还原为C4''-酮-克拉霉素16。
抗菌活性
抗菌活性测试显示，含有N-氧化物的类似物（如2, 5', 7, 8, 12, 14）几乎没有生物活性，这与核糖体结合模型依赖于C3'胺基的理论一致。然而，单氧化红霉素A类似物11在对红霉素A(1)、克拉霉素(6)和阿奇霉素(9)敏感的几乎所有菌株中均保留了生物活性，尽管效力有所降低。有趣的是，衍生物15也保持了良好的抗菌活性和较广的菌株覆盖范围，这尤其令人振奋，因为它是11的酸催化降解产物之一，这意味着困扰红霉素A的酸催化失活问题可能在衍生物中得到了改善。最值得注意的是，C4''-酮类似物13和16在测试浓度下，对携带mph(C)耐药基因的MRSA以及CA-MRSA均表现出抑制活性，而其母体化合物1、6和9在相同测试浓度下则完全无效。mph(C)耐药机制被认为是通过C2'羟基磷酸化来破坏核糖体结合，C4''位的氧化如何影响这一耐药机制尚不清楚。C4''-酮-克拉霉素(16)显示出最广谱的活性，在某些方面甚至优于其母体克拉霉素。
研究结论与重要意义
该研究成功展示了在红霉素A、克拉霉素和阿奇霉素上实现位点选择性氧化反应的可能性，其选择性和反应性依赖于催化剂-底物和试剂-底物之间复杂的相互作用。通过设计合成新型催化剂HAzc(OMe)-OMe，并针对不同大环内酯发展出正交的反应条件，研究获得了三种不同位点氧化（C11、C4''、以及针对不同底物的不同策略）的产物。更重要的是，研究通过抗菌活性测试证实了这种位点选择性功能化策略的实际应用价值。所合成的多个类似物保持了广谱抗菌活性，其中三个化合物（13, 15, 16）更是对CA-MRSA和MRSA(mph(C))表现出了其临床前体药物所不具备的抑制活性。这凸显了位点选择性修饰在快速获取具有新活性抗生素类似物、应对日益严峻的抗生素耐药性问题方面的巨大潜力和实用价值。
