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 $Co$ 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，瑞典化学家 $A.~Eschenmoser$ 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。
在上帝创造的自然界的旁边，化学家们又创造了一个新的世界。——伍德沃德，$1956$
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：
- $Kucherov$ 加成；
- $Wittig$ 反应；
- $Birch$ 还原；
- $Criegee$ 臭氧化反应；
- 羟醛缩合反应；
- $Beckmann$ 重排；
- $Diels-Alder$ 反应；
- $Arndt-Eistert$ 同系增碳反应；
- $Eschenmoser$ 偶联反应；
- $Eschenmoser$ 酰胺水解反应；
- $Meerwin$ 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（$\ce{LiAlH4}$）处理 $\text{(S)}-$樟烯酸甲酯，将其还原为醇；随后再用铬酸（$\ce{H2CrO4}$）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（$\ce{HO(CH2)2OH}$）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：
我们相信，如果他能在我们不需要的时候大量生成，那么至少在原理上，对它进行必要的翻转不是一件困难的事情。——《在天然产物全合成中的最新进展》，伍德沃德，$1968$
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（$\ce{NH2OH}$）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（$\ce{H5IO6}$）氧化；最后，加入重氮甲烷（$\ce{CH2N2}$）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：
说文解字：$\text{corr-norster-one}$（半咕降甾酮）
“$corr$”是单词 $corrin$（咕啉）的一半，表示这种物质最终会变成咕啉环的左半部分；
“$norster$”源自单词 $norsteroid$（降甾醇，也泛指去甲甾族化合物），表示如果把 $N$ 原子换成 $C$ 原子的话，那么这个物质就具有降甾醇的碳骨架；
“$one$”是酮类化合物的后缀，源自单词 $ketone$。
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（$\ce{NaBH4}$）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（$\ce{CH3COCH2CH3}$）和丁二烯（$\ce{CH2=CHCH=CH2}$）。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，我们还会简要讨论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 $\ce{CH2N2}$，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 $\ce{NH3}$ 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 $\ce{CH2N2}$。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 $\ce{H2S}$ 加成（与加 $\ce{H2O}$ 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（$\ce{-CSOR}$）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（$\ce{(Ph3P)3RhCl}$）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 $\ce{H2S}$ 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 $5$ 号为碳原子的偶联。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，$\ce{CH3CON(CH3)2}$）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（$\ce{PhCH2OCH2Cl}$）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（$\ce{-OCH2Ph}$）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 $\ce{CH2N2}$ 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，$10$ 号位的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（$\ce{NH3}$）与乙二醇（$\ce{HOCH2CH2OH}$）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 $\ce{H2}$，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 $\ce{NH4Cl}$）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（$\ce{NH4+}$）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 $\ce{NH3-CH3OH}$ 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（$\ce{H2NCH2CHOHCH3}$，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
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死，享年 $62$ 岁。他在去死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，$A.~Eschenmoser$，$2011$）
“我们可能永远也无从知晓”，这句老生常谈的话只会引导我们放弃寻找生命起源问题的努力······但对大自然创造生命之原理的探索永远不会真正结束，因为这是我们在探索我们自己的起源，探索我们自己的曾经。——《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》，$A.~Eschenmoser$，$2011$
$A.~Eschenmoser$ 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。
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