来自神奇蘑菇的天然抗抑郁药 ｜裸盖菇素Psilocybin ｜精彩的合成进展

简介

Psilocybin（裸盖菇素，又称为裸头草碱）是一种在多种真菌(通常被称为“神奇蘑菇")中发现的具有精神活性的天然产物，曾被用作催眠和致幻药物。裸盖菇素Psilocybin是一种不耐热的，水溶性的，自然产生的吲哚烷基胺类致幻剂。
当被摄入时，Psilocybin作为一种前药，可迅速脱磷酸化它的药理活性成分psilocin。Psilocybin有六个氢键受体，三个氢键给体，LogP为0.03，因此无法通过血脑屏障。Psilocybin新陈代谢产物Psilocin，有三个氢键受体和两个氢键给体，LogP为1.32，脂溶性好，可以通过血脑屏障。肉眼观测，也可以很容易分辨这两个化合物：纯的裸盖菇素Psilocybin为白色针状晶体，而纯的psilocin为油状的深棕色到黑色液体。
裸盖菇素在结构上与许多相似化合物有关，这些药物都是已知的能在人类中引起类似的精神作用。所有这些化合物的一个共同特征是，它们能够引发神秘体验，这与积极的治疗效果相关。
20世纪50年代末，山德士实验室的阿尔伯特·霍夫曼发现并合成了在裸盖菇中发现的精神活性化合物裸盖菇素Psilocybin，随后被山德士作为Indocybin销售，用于基础的精神药理学和临床治疗研究，该药物在20世纪60年代迅速流行起来，并在1970年被列为一级药物。
裸盖菇素由于其相对安全、持续时间适中、对受试者有良好的吸收能力，是人类研究中使用最广泛的致幻剂之一。最近裸盖菇素的研究显示，在神经紊乱、酗酒、晚期癌症患者抑郁、强迫症、成瘾、焦虑，甚至丛集性头痛方面都有不同程度的成功，它也可以作为一种有用的精神疾病模型，以发展新的治疗精神疾病最近。裸盖菇素能够大大缓解 80% 晚期癌症患者的焦虑和抑郁症，而且口服一次剂量的治疗效果，可以持续 6-8 个月。
因此，需要开发实用的大规模生产裸盖菇素Psilocybin的方法。
裸盖菇素Psilocybin的生物合成路径如下图所示：
可以从天然的L-色氨酸7开始，先经脱羧酶PsiD作用，生成色胺6，随后经PsiH羟基化生成4-羟基色胺8。接着经PsiK磷酸化、PsiM两次甲基化，即可生成裸盖菇素Psilocybin 1。
4-羟基-L-色氨酸通过PsiD脱羧也可以生成4-羟基色胺8，随后经过上述相同生物途径生成裸盖菇素Psilocybin 1。
Psilocin4经过磷酸化亦可生成裸盖菇素1，而裸盖菇素1在体内去磷酸化，生成活性化合物Psilocin4。
原始合成路线
山德士实验室的阿尔伯特·霍夫曼等人最早发现并合成了在裸盖菇。他们以苄基保护的4-羟基吲哚12为起始物，先和草酰氯发生傅克反应，随后与二甲胺生成相应的酰胺，得到功能化吲哚13；接着在四氢呋喃中用氢化锂铝还原，得到苄基保护的psilocin14；随后经钯碳氢解，获得psilocin4；然后经过正丁基锂处理锂化、二苄基磷酰基氯(DBPCl)酰化、水解得到苄基保护的磷酸酯15；最后再一次经钯碳氢解，制备得到目标化合物psilocybin1。
整个路线需要经过8个步骤，并且需要两次钯碳氢解，在最后API成品步骤也用到钯碳，这样的操作非常不利于重金属的除去。磷酸化步骤使用到二苄基磷酰基氯(DBPCl)，该试剂不稳定，使用操作不便。
优化路线一
David E. Nichols等人研究发现，尽管阿尔伯特·霍夫曼的合成路线仍是有效的，但是改进某些步骤，可以有效地提高产率和纯度。
Nichols使用焦磷酸四苄基酯(TBPP)替代二苄基磷酰基氯(DBPCl)，使得该步骤操作上更为简便，同时有效地改善了后处理工艺，亦有利于提升产品的产率以及纯度。
作者也尝试了将14转化为Psilacetin 7，这可以认为是psilocin的O-乙酰基前药，相对于Psilocybin更容易制备，为psilocin的精神药理学的临床研究提供一种经济的选择。
当然，Nichols等人对于Psilocybin原始的合成路线，只是对个别试剂、后处理进行了优化，整体的路线依然是延续原始，因此只是略微改善。
简洁大规模合成
Shirota等人，在2003年开发了一条简洁的可大规模制备Psilocybin的生产路线。
他们以市售4-羟基吲哚为底物，先经乙酰化保护羟基，随后与草酰氯发生酰化反应，生成黄色晶体的酰氯17，经过过滤收集后，直接用于下一步反应；与二甲胺在四氢呋喃中发生酰胺化，两步收率80%制备得到酰胺18；随后再用氢化锂铝还原，无需柱色谱纯化操作，即可制备得到psilocin4。
然后，经正丁基锂处理后，与焦磷酸四苄基酯(TBPP)发生磷酸化，检测psilocin4完全转化后，加入氨丙基硅基搅拌均匀，用乙酸乙酯稀释，通过砂芯漏斗过滤，浓缩得到化合物19，重新溶解于二氯甲烷中，静置析出白色固体，过滤洗涤后，得到两性离子20白色固体，收率85%。
最后，使用钯碳氢解，经过砂芯漏斗过滤，滤液浓缩后得到晶体，收集过滤并用乙醇洗涤，即可获得psilocybin 1。
Shirota等人开发的路线，从原来的8步，缩短为6步，使用乙酰基代替苄基保护酚羟基后，在还原步骤即可同时脱去保护基团，并且无需柱色谱纯化即可获得psilocin4。但是随后的步骤仍有需要用到硅胶，以及最后的钯碳催化氢解。
改进实用可放大的5步合成法
Kargbo等人，在Shirota的基础上，开发了改进的合成方法。该方法，无需TLC、不必过柱子，也不用经过水相处理操作，可进行克级规模反应，这可以说是有机合成、工艺研究追求的目标。
作者以4-乙酰氧基吲哚为底物，在乙醚中零摄氏度下，与草酰氯发生傅克酰基化反应，经过加入正庚烷/甲基叔丁基醚打浆处理，快速过滤后，可以分离得到酰氯17黄色固体化合物，该化合物可以存储数天并保持稳定；酰氯17与二甲胺顺利发生酰胺化，生成的粗产品为固体，加水打浆除去吡啶盐酸盐，再用正庚烷/乙酸乙酯洗涤除去有机杂质，即可获得96%纯度80%收率的固体18，经过这样处理后的酰胺18可以在空气中稳定保存数月，再经过异丙醇重结晶，可以70%收率得到纯度大于99%的晶形固体18。
开始，作者在四氢呋喃中用氢化锂铝处理酰胺18，结果回流两个小时后，发现有副产物21生成，该化合物可以分离得到并经过核磁光谱确证结构。后来，更换沸点更高的2-甲基四氢呋喃为溶剂，回流反应3小时，酰胺转化率>95%，后处理过程先加入无水硫酸钠，再加入硅胶和二氯甲烷，搅拌10分钟后，经砂芯漏斗过滤，并用二氯甲烷/甲醇(9/1)冲洗，经浓缩后得到浅绿色固体，再用正庚烷/乙酸乙酯打浆过滤，得到类白色固体，放置于烘箱中40 oC干燥过夜，即可得到干燥的psilocin4，收率77%，HPLC纯度达到99.2%。

顺利制备得到psilocin4后，作者开始研究磷酸化条件。在-78 oC使用丁基锂锂化后，加入TBPP，随后在搅拌下缓慢升温至-20 oC，并在该温度下使用乙酸乙酯淬灭反应（有报道在零度淬灭），过滤除去无机盐，中间体19在滤液中，浓缩后重新溶解在二氯甲烷中，加热回流5分钟后，缓慢冷却至室温，并放置在4 oC冰箱中静置过夜，生成的灰色两性离子固体20，通过砂芯漏斗过滤并用二氯甲烷洗涤，随后转移至单口圆底烧瓶中，在真空干燥箱中40 oC干燥过夜，得到浅紫色固体，收率63%。
最后，使用钯碳催化氢解，产物1在反应过程中由于在甲醇中溶解度低而析出，为了过滤除去催化剂，加入水溶解产品。在含1的水溶液中灭，加入丙酮，得到半晶形的固体，收率90%，纯度97-98%。作者进一步研究，使用80体积的含30%水的丙酮溶解1并回流，经过6个小时缓慢冷却至零度，最终以70-80%收率，HPLC纯度>99%获得无色晶体1。
直接磷酸化
Kargbo等人在前期研究基础上，进一步开发更有效地制备psilocybin的cGMP方法，该方法通过直接磷酸化psilocin，可以进行公斤级规模的生产。
作者使用之前开发的简便实用方法在数公斤级规模顺利制备psilocin。随后，作者尝试寻找磷酸化试剂代替二苄基磷酰基氯(DBPCl)或焦磷酸四苄酯(TBPP)。H3PO4/P2O5, PCl5, H3PO4/Cl3CCN, 和 Na4P2O7都没有获得理想效果，最后三氯氧磷在四氢呋喃中给出了良好的结果。
经过条件优化后，以31%收率，99.7%UPLC纯度获得目标产物1.21 kg。
生物酶法生产制备
Hoffmeister等人报道了Psilocybin的酶法合成。
作者使用真核真菌宿主nidulans曲霉菌在体内生产裸盖菇素，其效度接近100 mg/L 。
Jones等人研究在大肠杆菌中的体内产生裸盖菇素。
作者通过发酵优化增强的优良菌株，最终进行补料分批发酵研究，psilocybin的生产效价为1.16 g/L。

评述

裸盖菇素psilocybin是一个结构简单的天然化合物，因其独特的生理学、药理学应用，而受到人们的广泛深入研究。
研读其合成的迭代研究，让小编有一种甘之若饴的感觉。而生物酶法生产，像打开了一扇窗户。
这些研究，都非常具有启发意义。希望各位读者朋友，也能够从中有所学有所获。

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