氧化κ-卡拉胶选择性脱硫酸化合成不饱和多糖及其反应机制研究

本研究针对天然多糖中碳碳双键罕见的问题，创新性地通过TEMPO/TCCA选择性氧化κ-卡拉胶的C6位，将β-D-Galp-4-sulfate转化为β-D-GalAp-4-sulfate，再经碱性β-消除反应实现C4选择性脱硫酸化，成功合成4,5-不饱和卡拉胶衍生物。团队采用1H/13C NMR、UV等技术证实产物结构，发现Ca2+可使反应速率提升6倍，氘交换实验揭示了β-D-GalAp-4-sulfate单元中H5不可逆攫取机制，为绿色生物材料开发提供了新策略。

　　

在生物医学和材料科学领域，如何对天然多糖进行精准化学修饰以赋予其特殊功能，一直是研究者面临的挑战。天然多糖中碳碳双键的稀缺性限制了其应用潜力，而现有合成方法往往面临区域选择性差、取代度低等问题。κ-卡拉胶作为一种源自红藻的硫酸化多糖，因其独特的结构特性成为理想研究对象。

为解决这一难题，来自巴西国家研究理事会（CNPq）资助团队的研究人员创新性地设计了两步反应路径：首先利用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）和三氯异氰尿酸（TCCA）催化体系，将κ-卡拉胶中的β-D-吡喃半乳糖-4-硫酸酯单元（β-D-Galp-4-sulfate）选择性氧化为β-D-吡喃半乳糖醛酸-4-硫酸酯（β-D-GalAp-4-sulfate）；随后通过碱性β-消除反应实现C4位选择性脱硫酸化，成功构建出4,5-不饱和卡拉胶衍生物。该成果发表于《Carbohydrate Polymers》，为绿色生物材料的理性设计提供了新思路。

研究团队运用核磁共振（1D/2D ¹H/¹³C NMR）、紫外光谱（UV）、高温凝胶渗透色谱-多角度激光光散射-示差折光联用技术（HPSEC-MALLS-RI）和热重分析等表征手段，证实了产物的结构特征。实验选用从红藻Kappaphycus alvarezii提取的κ-卡拉胶（KEQD）为原料，通过克级规模制备获得两种氧化样品（KOx-1和KOx-2）。

材料与方法
研究采用从Kappaphycus alvarezii红藻中提取的κ-卡拉胶（KEQD）为原料，通过TEMPO/TCCA氧化体系实现C6位选择性氧化，随后在碱性条件下进行β-消除反应。产物表征结合多种光谱技术，动力学实验考察pH和Ca²⁺影响，氘交换实验揭示反应机制。

合成氧化κ-卡拉胶
克级规模制备获得KOx-1和KOx-2两种氧化产物，硫酸根和糖醛酸含量相近。核磁共振分析显示β-D-Galp-4-sulfate单元C6位成功氧化为羧基，转化率超过90%。

形成不饱和卡拉胶的机制
动力学研究表明反应速率具有pH依赖性，Ca²⁺存在时反应速率提升6倍。氘交换实验证实β-D-GalAp-4-sulfate单元中H5的攫取过程快速且不可逆，支持E1cB反应机制。

结论与意义
该研究首次实现了κ-卡拉胶定向转化为4,5-不饱和多糖，揭示了二价金属离子对β-消除反应的显著促进作用。Diogo R.B. Ducatti等作者提出的合成策略克服了传统方法取代度低的局限，为开发新型功能性生物材料（如组织工程支架、药物载体）提供了重要参考。特别是发现Ca²⁺可大幅加速反应的现象，为多糖修饰工艺优化提供了理论依据。这项工作不仅拓展了硫酸化多糖的化学修饰方法学，也为理解多糖裂解酶（PL）的非酶促反应机制提供了新视角。