环戊二烯基铁-碳水化合物共轭物：合成及其在药物发现中的进展

《Tetrahedron》：Ferrocenyl-carbohydrate conjugates: Synthesis and advances in drug discovery

　　

# 摘要

有机金属化学与生物医学科学的融合催生了新型杂化分子，具有前所未有的治疗潜力。其中，二茂铁-糖缀合物脱颖而出，成为一个有前景的平台，它将二茂铁（一种稳定的基于铁的有机金属结构单元）的氧化还原活性与糖类的生物靶向和载体化特性相结合。这种协同作用不仅改善了药物递送和特异性，还为电化学检测、癌症治疗和抗菌策略开辟了道路。尽管这些缀合物的合成已取得重大进展，但其临床应用仍处于起步阶段。本综述以二茂铁缀合物为案例研究，展示了研究人员如何发现药物化学中的新靶点。

## 1. 引言

与偶然发现并行的是，合理搜索新药物可以从已上市或在文献中描述的疗效分子的药用特性中获得灵感，更具体地说，可以从其作用机制中获得灵感。药物化学家可以依靠特定结构单元固有的特性来设计具有靶向生物活性的分子。事实上，许多官能团可以结合使用，赋予特定分子有价值的生物特性和（希望）巨大的疗效。例如，二茂铁基（Fc）和糖基结构单元就是这种情况，后者存在于许多经国家监管机构（如美国食品药品监督管理局、法国国家药品和健康产品管理局、欧洲药品管理局等）批准的药品中，这归功于它们调节活性成分的理化性质和药代动力学性质（ADME）的能力。其结构中多个羟基的存在使其具有高度亲水性，直接影响药物在水性介质中的溶解度[1]，这往往是其被身体吸收并通过泌尿系统排泄的先决条件。此外，糖基结构单元与活性成分的结合可以保护后者免受代谢酶（尤其是在肝脏中）的过早降解。最后，它们可以改善药物在体内的生物利用度[2]。

例如，达格列净（Dapagliflozin）（图1，A）最初被开发为抗糖尿病药物，自2020年底以来在欧洲和美国也被用于治疗心脏和肾脏衰竭[3]。庆大霉素（Gentamicin）被列入世界卫生组织2013年发布的必需药品清单，是一种属于氨基糖苷族用于治疗各种细菌感染的抗生素[4]。还可以提及齐多夫定（Zidovudine），它是1987年批准的首个用于治疗HIV感染的抗逆转录病毒药物，至今仍用于联合治疗[5]。


糖基还可以通过靶向特定的膜转运蛋白来修改活性成分在体内的分布，从而将分子定向到特定组织或细胞（如肝脏或肿瘤细胞），这些组织或细胞过表达这些转运蛋白。例如，葡萄糖衍生的结构可能与癌细胞中过表达的葡萄糖转运蛋白（GLUTs）相互作用，而钠-葡萄糖协同转运蛋白（SGLTs）和非糖蛋白受体（ASGPR）分别介导在肾脏和肝脏组织中的优先摄取。这种载体化通过与细胞表面蛋白（如凝集素和转运蛋白）的结合来实现，在许多生物事件（如病毒[6]和细菌[7]感染，或癌症转移[8]）中起着关键作用。因此，将它们作为生物载体与已知的活性成分结合使用，是靶向特定细胞的明智策略。前药卡培他滨（Capecitabine）是这种方法的代表性示例（图1A）。确实，糖基结构单元使化合物以无毒形式稳定存在，便于在体内运输，并允许将其选择性递送至胸苷磷酸化酶，该酶随后将活性成分5-氟尿嘧啶（5-FU）特异性释放到癌细胞中。

当引入到生物活性化合物上时，二茂铁基可以提供金属特有的额外作用方式[9]。特别是，它有能力在细胞内产生活性氧（ROS），造成有害于研究生物靶标的氧化应激。这一特性已被广泛使用，特别是在研究ferroquine[10]和ferrocifen[11]的框架内，分别是治疗疟疾和乳腺癌的药物候选物（图1，C）。二茂铁基的可逆氧化还原性质还允许开发用于检测碳水化合物-蛋白质相互作用的分子设备，这些设备比目前使用的技术更不昂贵、更不笨重、更便宜。

在这种背景下，将二茂铁基与碳水化合物（图1，C）结合，无论是直接结合还是使用共价键结合，在药物化学领域似乎是相关的。这种组合不仅仅是相加的，而是具有潜在的协同性：糖基部分将作为载体（载体化）到达研究的生物靶标（细胞、蛋白质、DNA等），而二茂铁基通过氧化还原活性，可以赋予整个复合物生物传感器的作用。糖基部分也可以，例如在癌细胞的情况下，内化生物缀合物，其二茂铁部分随后产生能够摧毁癌细胞的ROS。此类结构在文献中描述很少，其中大多数未在生物学研究中得到应用。

本综述的目的是概述这一主题，截至2025年12月，将讨论限制在二茂铁取代基通过共价键（有或没有连接子）与碳水化合物部分结合的缀合物。2004年，Van Staveren和Metzler-Nolte[12]写了一篇关于二茂铁-糖生物缀合物及其应用的章节，作为关于二茂铁衍生物及其应用的一般综述的一部分。我们将首先详细讨论二茂铁-糖衍生物的合成。第二章将重点关注碳水化合物和二茂铁基在药物化学领域的意义。最后，我们将报告此类缀合物的潜在应用。

## 2. 二茂铁-糖的合成

包含二茂铁基和糖基的化合物的合成可以通过以下方式实现：通过环戊二烯衍生物的去质子化并与FeCl?反应来组装有机金属核心（方案1A），或从合适的二茂铁衍生物开始（方案1B）。在后一种情况下，已经利用了几种反应（亲核加成或取代、点击反应、羟醛缩合、金属催化的偶联和芳香亲电取代）来获得一系列单取代和双取代复合物。然而，第一种较少使用的方法只用于获得1,1'-双取代对称二茂铁衍生物。因此，对于希望获得广泛结构多样化合物以发现宝贵生物活性的研究者来说，它可能显得不那么有吸引力。


### 2.1. 从环戊二烯衍生物获取二茂铁-糖

从环戊二烯（方案1A）开始合成包含二茂铁和糖基的化合物的第一次合成由Vasella等人于1994年报告[13]。

在这种方法中，环戊二烯钠（NaCp）首先与保护的α-和β-甘露呋喃糖1反应，以67%的产率生成化合物2（方案2），为α和β异头物的混合物。从机理角度来看，亲核加成发生在化合物1的开环形式3上，生成醇4（方案3）。其脱水得到 fulvene中间体5，最终在环化后（蓝色箭头）得到2'α/β和2''α/β区域异构体，处于热力学平衡中。化合物2虽然与5平衡，但其fulvene部分随后可以被氢化物或PhLi攻击（红色箭头），分别生成醇6或9，它们被保护为硅醚（化合物7和10，方案2）。注意到9形成一个主要非对映异构体，新形成的手性中心具有S构型（62.5:37.5 dr），随后保护（TBSOTf, Et?N）产生了(S)10和(R)10非对映异构体的混合物，比例为54:15:31。



7（分别为10）的环戊二烯环用BuLi去质子化，随后对FeCl?的亲核加成最终形成了二茂铁核心，以良好的76%产率（分别为79%）提供所需产品8（分别为11）。(S)10和(R)10的非对映异构体混合物在最后一步中导致(S,S)11、(R,R)11和(S,R)11三种异构体的形成，比例为54:15:31。产品13和14类似地由保护的α-和β-核糖呋喃糖12的混合物合成，分别在51%和43%产率下，在三个和五个步骤中完成（方案4）。值得注意的是，化合物14作为单一非对映异构体获得，与其类似物11相反。然而，其差向异构体16从D-阿拉伯呋喃糖的双保护开环形式15出发，在三个步骤中以21%产率制备。


Vasella等人开发的第二种方法[14]（方案5）基于[1,5]-σ迁移重排（C迁移）。因此，2,5-O-亚甲基-D-甘露醇17的全甲基化以优异的产率（95%）生成产品18。后者经酸化开环为化合物19，生成两个羟基，它们转化为甲磺酸酯得到20，产率91%。用过量CpNa处理后者通过双重环化并反转涉及的两个手性中心（SN2取代类型）生成产品21。其热解提供了三种产品22a/22b/22c（3:6:1）的混合物，处于热力学平衡中。然而，它们在EtMgBr存在下的去质子化生成单一的环戊二烯中间体，在FeCl?存在下以40%产率提供所需产品23。


通过对22a/b/c去质子化获得的唯一对映纯环戊二烯中间体的C?对称性的存在，解释了23作为单一非对映异构体获得的原因。然而，同一团队在1996年发表的另研究中并非如此[15]，其中24的三种非对映异构体已成功分离并通过深入的NMR研究和X射线衍射分析（24b-c）完全表征，确认了它们的绝对构型（图2）。这些缩醛最终在酸性条件下脱保护得到衍生物25。


几年后，Pinkas等人[16]报告从D-葡萄糖分别经过5步和7步合成差向异构体26a和26b（方案6），遵循文献中已经描述的程序。CpNa对这些差向异构体的作用以超过60%的产率生成产品27a和27b。与化合物2'α/β和2''α/β（方案3）一样，后者作为关于环戊二烯环的区域异构体混合物被分离。然而，它们用BuLi去质子化生成单一的环戊二烯阴离子，因此在与FeCl?反应后只有一种非对映异构体28a和28b（分别为63%和48%产率）。它们随后被脱保护为相应的二醇29a和29b，产率非常好（分别为82%和70%），并与癌细胞进行了测试（见第4.2部分）。


这种通往二茂铁-糖缀合物的第一种方法需要制备用环戊二烯环取代的碳水化合物，在形成二茂铁核心本身之前，平均涉及3到9个步骤，产率中等到良好（40-80%）。最后这个反应需要使用强碱（通常是BuLi）来去质子化Cp环，因此与对碱性条件或亲核攻击敏感的前体不兼容。此外，它主要导致在两个Cp环上都有取代的二茂铁衍生物，如果希望避免形成和分离非对映异构体，则限制这种策略只能使用对映纯分子。

### 2.2. 从二茂铁衍生物获取二茂铁-糖

#### 2.2.1.

# 硫-Michael加成

Chandrasekaran等人[17]报告了唯一一例使用Michael反应来生成同时包含二茂铁基和糖基的产物，反应使用了2-溴丙酰氯（方案7）。

*图7. 二茂铁-糖类偶联物Michael加成产物的前体合成。*

随后，二茂铁酮与Et?N反应，在温和条件下仅需10分钟即可获得相应的Michael加成产物33和34，收率分别为95%和96%。

然而，由于纯态34容易聚合，他们更倾向于开发一锅法程序，允许合成丙烯酰化物并直接使用四硫钼酸钠三苯基三乙基铵[18]进行直接功能化。事实上，该试剂多年来一直被用于将卤代糖转化为硫醇盐，随后使用Michael加成产物33和34进行捕获（方案8）。第一当量的四硫钼酸盐用于形成糖二硫化物37，随后通过第二当量的四硫钼酸盐还原为硫醇盐38。

*图8. 单取代或二取代二茂铁-糖类偶联物的获取。*

因此，目标产物35a-f和36a-f以超过88%的优异收率合成得到（图3）。该路线向目标偶联物的合成很有趣，因为单取代和二取代化合物仅需两步即可获得。

*图3. 通过硫-Michael加成合成的单取代和二取代二茂铁-糖类偶联物。*

## 2.2.2. 亲电芳香取代

1984年，BeMiller等人[19]报道了首例亲电芳香取代反应，得到二茂铁-糖类偶联物（方案9）。反应始于以氯（PPh?, CCl?）取代苄基化葡萄糖39的最后一个羟基，然后加入二茂铁和ZnCl?，从而得到有机金属配合物β-40a，收率为19%。仅获得了产物的β构型，这与涉及不同芳香化合物的其他已报道实例一致，表明中间形成了氧鎓离子，并推测二茂铁从位阻最小的侧进行进攻。

*图9. 含C-C键的二茂铁-糖类偶联物的合成。*

2006年，Abd-Elzaher和Ali报道了[20]一种TMSOTf催化的Friedel-Crafts反应，使用保护的五碳糖和六碳糖（方案9）。他们也获得了化合物40a，但仅为α构型，与BeMiller等人的工作相反。这种非对映选择性可用不同的机制解释，类似于Zhang和Schmidt描述的机制（方案10）[21]。事实上，带有三氯乙酰胺基团的碳水化合物可与TMSOTf反应生成相应的盐41，随后二茂铁从离去基团的对面（α侧）进行进攻，生成中间体42。后者重新芳香化可解释所需反应产物的形成以及2,2,2-三氯乙酰胺的生成，同时再生TMSOTf。该机制解释了化合物α-40a,b的形成，假定起始材料为相应的β-糖衍生物。

*图10. 化合物40a-d合成的合理机制。*

生物偶联物α-40a,b、α-40c,d和β-40d在60 μg/mL浓度下对细菌菌株枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、伤寒沙门氏菌以及真菌菌株白色念珠菌、黑曲霉和腐竹炭疽菌显示出中等活性。

## 2.2.3. 羟醛缩合

2011年发表了关于通过羟醛缩合反应合成二茂铁-糖类偶联物的文章（方案11）[22]。

*图11. 通过羟醛缩合合成二茂铁-糖类偶联物。*

化合物43a,b首先通过在碱性介质中戊烷-2,4-二酮与D-葡萄糖和D-甘露糖衍生物缩合合成[23]，随后消除醋酸钠并对糖羟基进行乙酰化。在吡咯烷存在下，与二茂铁甲醛44进行羟醛缩合反应，得到预期的烯酮45a,b。该反应也扩展至β-C-糖基酮46以产生产物47。该烯烃被应用于[3+2]环加成反应，生成螺吡咯烷和螺吡咯烷。

## 2.2.4. 金属催化偶联反应

金属催化偶联在二茂铁-糖衍生物中的初始应用由Gautheron等人于1991年证明[24]。

他们首先报告了在等化学计量的Li?PdCl?存在下，汞核苷48与乙烯基二茂铁49之间的Heck偶联反应（方案12），在用还原剂（硫化氢或硼氢化钠）处理反应介质后获得产物50-53。产物50a-c和51a-c的比例被发现取决于反应条件，且需要HPLC分离以获得纯化合物。

*图12. 通过金属催化偶联反应合成二茂铁-糖类的报告。*

产物50c和51c的产生是由于在稀溶液条件下长时间（72小时）工作时甲醇的加入所致，导致产生非对映体混合物。化合物50a后来通过Heck偶联反应获得，该反应在标准操作条件下（Pd(OAc)?, PPh?）在乙烯基二茂铁与5-碘-2'-脱氧尿苷之间进行，收率为43%[25]。

随后通过Pd(II)催化进行了锆茂乙烯基二茂铁与5-iodo-2'-deoxyuridine 54、5-碘尿苷55或8-溴腺苷56之间的交叉偶联反应，所有这些均被TMS基团保护（方案13）。经MeOH水溶液处理后，得到脱保护的衍生物50a、51a和57，收率分别为13%、10%和14%。

*图13. Pd催化的二茂铁-糖类偶联物合成。*

最后，乙炔基二茂铁58与保护的核苷54、55和56之间的Sonogashira偶联分别得到相应的二茂铁-糖衍生物59、60和63（方案14）。化合物63观察到良好的收率（70%），表明该反应比之前的反应（方案12，方案13）具有更高的效率。在化合物59和60形成过程中，环化产物61和62也少量形成（<5%）。然而，它们可以通过在CuI存在下三乙胺回流条件下环化59和60以更高收率制备。

*图14. Sonogashira偶联合成二茂铁-糖类偶联物。*

2000年，Yu等人确认了这些结果，通过合成产物65和66（分别为62%和26%的分离产物收率），使用略有不同的反应条件，起始于单保护的核苷64（方案15）[26]。发现它们的比例取决于反应时间，因为短时间反应仅提供产物65，而较长反应时间导致两种产物的混合物。

*图15. 遵循Gautheron工作的Sonogashira偶联反应。*

作者进一步证明该环化不需要碘化铜，因为在DMF中三乙胺存在下加热65即可生成66。为了说明这一结果，他们提出Et?N对试剂65的去质子化会产生烯醇化物69，该烯醇化物倾向于环化生成70（方案16）。后者最终由第一步中形成的三乙铵质子化生成产物66。随后将化合物65和66在标准操作条件下（方案15）转化为相应的磷酰胺67和68，用于DNA寡核苷酸的构建（见第4.1部分），收率优异（91-95%）。

*图16. 环化产物66形成的报道机制。*

Sonogashira反应也作为合成化合物71-72[27]、73a-b[28]、74-75[29]、76-78[30]、79-80[31]和81a-d[32]（图4）中的关键步骤，收率范围为22%至97%，有时还伴随进一步的功能化（化合物73b、79b、80b-c、81b-c-d）。该方法需要在偶联前对糖进行功能化，这可能会增加步骤数并影响总收率，如偶联物73a和73b的情况。

*图4. Sonogashira偶联合成二茂铁-糖类偶联物的其他实例。除化合物73a和73b外，收率对应于偶联反应。*

2006年，Kraatz等人描述了[33]一种Stille偶联反应，用于合成二茂铁-糖82a和84a，收率分别为95%和80%，非常优异（方案17）。随后对这两个化合物进行了进一步功能化，得到衍生物82b、82c和84b，收率分别为93%、86%和94%。

*图17. Stille偶联获取二茂铁-糖类偶联物。*

最近，Ma等人报道了[34]糖基溴化物与吡啶酯之间的交叉偶联，由镍配合物86和手性磷酸87催化（方案18）。在温和条件下以优异的收率制备了各种C-酰化糖苷，且具有高度的官能团兼容性。在众多实例中，化合物88是唯一报道的二茂铁-糖偶联物，在温和条件下以70%的收率合成，以α构型为主（α/β = 10:1），起始于乙酰化的α-溴代半乳糖。初步机制研究表明该转化涉及糖基自由基的形成，这可能解释了α产物的主要形成。最后使用磷NMR和紫外-可见光谱来探究磷酸的作用。如预期的那样，它作为一种双功能催化剂，既能通过质子化激活吡啶酯85，又能促进与镍催化剂结合的水分子的分离（方案18）。

*图18. Ni-磷酸共催化溴代乙酰化半乳糖与二茂铁羧酸酯85的偶联。*

2023年，Zhang等人报道了一种钯催化的C-H活化反应，用于制备在2位和5位被碳水化合物单元取代的二茂铁羧酰胺（方案19）。这种现代方法允许获取糖与其非糖部分之间带有两个C-C键的偶联物。这些结构在寻找具有显著生物活性的分子时非常有趣，因为这种类型的键比天然O-和N-糖苷具有更高的化学和代谢稳定性。使用喹啉二茂铁羧酰胺89a（RH）和四苄基保护的α-甘露糖苷氯进行反应条件优化，最佳条件（Pd(OAc)?（10 mol%），K?CO?（1.5 equiv），AcOH（2.0 equiv），甲苯，氩气，60 °C，24 h）被应用于其他氯代碳水化合物和各种二茂铁89。

*图19. Pd催化C-H活化合成二取代二茂铁-糖类。*

带有直链和支链烷基R取代基的二茂铁羧酰胺得到相应的产物90b-g，收率为59%至93%，起始原料的α构型完全保留。其他D-甘露糖衍生物90h-n，含有二茂铁上的氨基、酯基、酮基，或分别在糖的2位或6位带有乙酰基或硅基保护基的衍生物，以良好至非常好的收率（54-85%）获得。值得注意的是，四乙酰基化、甲氧基化或烯丙基化的α-甘露糖苷氯与该程序不相容，未得到偶联产物。二茂铁酰胺89a与其他吡喃糖氯（特别是D-葡萄糖、L-木糖和L-鼠李糖）的反应可获取相应的产物91、92和93（图5），收率范围为28%至61%，α选择性优异。使用相同条件，也可获取D-甘露呋喃糖衍生物94a-h，收率优异（80-98%），而D-核呋喃糖衍生物95以平均49%的收率合成（图5）。

*图5. 通过C-H活化获得的其他二茂铁-糖类偶联物。*

在整个研究中，产物96是唯一分离得到的单糖基化衍生物。它在用TFA代替乙酸时形成，收率为7%，且未形成预期的产物90a。前者表现出平面手性，以单一非对映体形式分离得到。Zhang等人还表明，可以通过还原产物90a的导向基团来得到相应的醇97，收率为48%（图5）。

最后为该转化提出了一个合理的催化循环（方案20）。Pd(OAc)?与试剂89a之间的配体交换，释放AcOH最初会发生，生成Pd(II)配合物98，随后通过C-H活化形成16电子配合物99。该步骤的可逆性通过使用大量过量的AcOD在无碳水化合物氯化物存在下得到证实，导致试剂89a的显著氘代（84%）。化合物99，其结构令人满意地通过X射线衍射分析得到确认，随后与碳水化合物氯化物或其相应的氧鎓盐发生氧化加成，形成Pd(IV)配合物100。

后者随后通过还原消除给出中间体101，其中钯处于+2氧化态；该中间体在碱（K2CO3）存在下，经由新的C–H活化转化为Pd(II)配合物102。再次氧化加成后接还原消除，则依次得到中间体103和104。最终，后者在两个AcOH分子存在下发生原子上脱金属反应，从而再生催化剂并释放出目标产物90。下载：下载高分辨率图片（758KB）下载：下载全尺寸图片。方案20：双C–H活化导致双取代环戊二烯基糖的合理机理。

我们近期报道了[36]利用乌尔曼型偶联反应，在不同硫代糖与碘代环戊二烯基之间合成环戊二烯基硫代糖缀合物105a-r（方案21）。仔细优化得到最佳反应条件（CuI 20 mol%，新古铜素20 mol%，Cs2CO3 2当量，硫代半乳糖1.5当量，MeCN，80 °C，4 h，密封管中），以93%的产率由碘代环戊二烯基获得化合物105a。虽然钯催化已成功应用于由碘代环戊二烯基出发的Sonogashira[37]、Stille[38]和Suzuki-Miyaura[39]反应，但值得指出的是，所有使用钯催化剂以及镍催化剂的尝试均告失败。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片。方案21：通过乌尔曼型偶联获得环戊二烯基硫代糖缀合物的一种途径。

该方法允许从不同保护的硫代半乳糖（乙酰化、苄基化、苯甲酰化）(105a,d,e,m-q)、乙酰化和苄基化的硫代葡萄糖(105b,f)、硫代葡萄糖胺(105c)、乙酰化硫代半乳糖胺(105g)、乙酰化2-脱氧-1-硫代葡萄糖(105h)、乙酰化硫代呋糖(105i,j)以及乙酰化硫代呋喃糖苷(105r)合成各种单糖，产率从较低到优秀不等（13-93%）。分别由硫代乳果糖和硫代麦芽三糖衍生的糖缀合物105k和105l也被合成，但产率较低（分别为37%和16%）。该反应与两种环戊二烯环上均有取代的碘代环戊二烯基（105q）或碘代同一环上有取代的碘代环戊二烯基（105m-p）相容，产率从较低到良好不等（30-81%）。在后一种情况下，鉴于杂双取代环戊二烯基的平面手性，可获得两种非对映异构体的缀合物。外消旋环戊二烯基给出非对映异构体1:1的混合物（105m,n,p），而单一对映体的(Sp)-2-碘-N,N-二异丙基环戊二烯羧酰胺（98% ee）则给出9:1非对映异构体混合物的产物105o，这可能是由于在此条件下发生部分外消旋化所致。硫代糖的α和β构型在此转化过程中得以保持，特别如105h的异头物1:2比率所示，其来源于相同比例的2-脱氧-1-硫代葡萄糖差向异构体。最后应指出的是，将CuI催化剂负载从20增加到50 mol%在某些情况下导致产率显著提高。其中若干化合物被测试对抗HTC116细胞，但未得到令人信服的结果。

2.2.5. 加成-消除反应

Beilstein和Grinstaff报道了[40]化合物107与环戊二烯羧酸108的偶联，107由核苷106经三步以16%产率合成，在DCC、HOBt和DIPEA存在下得到酰胺109a，产率为40%（方案22）。下载：下载高分辨率图片（203KB）下载：下载全尺寸图片。方案22：根据Beilstein和Grinstaff的方法偶联环戊二烯羧酸。

产物109a随后转化为环戊二烯磷酰胺酯109b（氰乙基-N,N-二异丙基氯磷酰胺酯，DIPEA，DCM），可用于寡脱氧核苷酸合成仪（见第4.1部分）。

2002年，Kraatz等报道了[41]环戊二烯基氨基糖缀合物112和114的合成（方案23），由氨基葡萄糖110或氨基核苷113与由同一酸108制得的苯并三唑酯111进行酰胺化。两种情况下反应均在温和条件（室温）下进行，通过加入KOH将pH维持在9，产率为80%。下载：下载高分辨率图片（281KB）下载：下载全尺寸图片。方案23：根据Kraatz等的方法偶联活化的环戊二烯羧酸。

其他结构如115[42]、116-117[43]、118a-f[44]、119-121[45]、122[46]以及123-133[[46], [47], [48]]多年来也是通过这种类型的偶联（图6）合成的，即在亲核性碳水化合物与活化酯或原位由酸108与草酰氯在碱存在下生成的酰氯134之间进行。反应一般涉及温和条件，产率从8%到80%不等。当反应由带电物种出发时，偶联效果较差，如产物115-117的情况（产率8-30%）。氨基葡萄糖110的偶联以80%产率得到产物125b，而其乙酰化类似物125a则以50%产率合成。另一方面，导致未保护糖126和保护糖124的偶联产率较低（分别为56%和35%），而产物128b则来自128a的去保护。产物118a-f所给的产率是基于两步计算的，起始物为由Boc基团保护的糖-氨基酸缀合物，在偶联前用TFA/DCM去除该保护基。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片。图6：环戊二烯基糖缀合物合成的其他偶联实例。

Donnio等[49]描述了1,1′-二取代环戊二烯138的合成，从甲氧羰基环戊二烯135出发经五步完成，总产率为27%（方案24）。下载：下载高分辨率图片（295KB）下载：下载全尺寸图片。方案24：根据Donnio等的方法获得一种开链环戊二烯基糖缀合物。

在135的未取代环上经肉豆蔻酰氯乙酰化并随后还原所得酮后，对酯136进行皂化，所得酸转化为酰氯137。后者最终与1-氨基-1-脱氧-D-山梨醇偶联得到目标产物138。偏光显微镜、差示扫描量热法和X射线衍射分析表明，该化合物具有热致和溶致液晶相行为。因此这种新材料可能有助于设计氧化还原活性的溶致液晶，但需要更多类似物以精细调节相的结构和对称性。

2000年，Itoh等人着手研究了使用葡萄糖衍生物拆分外消旋和内消旋六取代环戊二烯140的混合物，对平面手性环戊二烯进行合成和表征[50]。因此，保护的葡萄糖139与140反应（方案25），在四种可能的非对映异构体中仅得到两种产物141a和141b，产率分别为22%和16%。这些化合物经分离后，分别通过皂化和去保护转化为光学纯化合物142和143，产率优秀（87%和90%）。配合物142的绝对构型通过圆二色谱、质子NMR和理论计算确定，而化合物143的绝对构型则通过X射线衍射分析确定。下载：下载高分辨率图片（449KB）下载：下载全尺寸图片。方案25：根据Itoh等的方法获得平面手性环戊二烯基糖缀合物。

1998年，Itoh等发表[51]了鞣花单宁家族非对映异构衍生物147和148的合成，分别经三步，总产率为26%和24%（方案26）。第一步涉及使用与上述相同的保护葡萄糖139对144的外消旋混合物进行拆分。在0 °C下，用NaH对1位和2位的羟基去质子化，仅形成非对映异构体145。然而，在室温下且事先不形成烷氧负离子时，非对映异构体146与145混合获得。因此后者是动力学产物，而146是反应的热力学产物。在145和146的苄叉缩醛去保护后，酰基环戊二烯基最终通过酯化引入，两步给出目标产物147和148，产率良好（分别为64%和61%）。对于化合物146，酸性介质中去保护时1位发生部分差向异构化，导致偶联后产物148以差向异构体混合物α/β = 2.7:1形式获得。该团队还提到了类似物149[52]。下载：下载高分辨率图片（658KB）下载：下载全尺寸图片。方案26：获得鞣花单宁族环戊二烯基糖缀合物。

作者还报道了[51]化合物152的合成，经四步，总产率为47%（方案27）。偶联反应从环戊二烯-1,1′-二羧酸150出发进行，以良好产率（69%）给出二酯151。去保护缩醛后，经与保护的没食子酸的另一次酯化以及脱苄基，最终得到目标产物152。下载：下载高分辨率图片（306KB）下载：下载全尺寸图片。方案27：获得桥连环戊二烯基糖缀合物。

还报道了其他在1位和2位之间具有环戊二烯基桥的糖（方案28）[52]。事实上，部分去保护的产物153也被转化为产物154、155、156和157，产率从中等到良好不等（51–86%）。物种155-157由在153的4位和6位添加葡萄糖保护基团得到。易于分离的产物156和157以两种和四种非对映异构体混合物的形式分离，这是由于异头碳上的部分差向异构化所致。另一个团队还报道了具有两个环戊二烯基桥的缀合物160的合成，通过使环戊二烯-1,1′-二羰基二氯159与153反应，以67%产率获得[53]。下载：下载高分辨率图片（748KB）下载：下载全尺寸图片。方案28：获得其他桥连环戊二烯基糖缀合物。

Itoh等[52]还报道了由酰氯134与保护的葡萄糖160合成单环戊二烯基和二环戊二烯基衍生物161-163（方案29）。根据反应条件，确实可以有利于2位、3位甚至两者的酯化，以便在去保护4位和6位的羟基后得到目标产物。产物162-164因此以两步中等产率获得（24-50%）。环戊二烯基糖缀合物153–157、159和161–163在Itoh等的报道中接受了生物学研究（见第4.2和4.5部分）。下载：下载高分辨率图片（428KB）下载：下载全尺寸图片。方案29：获得其他桥连环戊二烯基糖缀合物。

其他树枝状环戊二烯基糖缀合物165a-168a通过脂肪胺与酰氯134或1,1′-二酰氯159的偶联获得（图7），这些脂肪胺最多含有三个酰化支链吡喃糖基，产率良好（54-92%）[54]。全酰化葡萄糖吡喃糖基残基的去保护使用Zemplén条件进行，定量得到四种水溶性环戊二烯基糖165b-168b。质谱、质子NMR、电化学和圆二色谱分析的组合表明，仅当环戊二烯单元的两种环戊二烯环之一被取代时（165a,b-168a,b），这些化合物才能在水中与β-环糊精形成强配合物。分子动力学计算进一步证实了这些发现，表明未取代的环戊二烯环确实插入β-环糊精的空腔中。还进一步证明扩散系数随化合物分子量的增加而降低。随后研究了这些保护和未保护环戊二烯基糖的电化学行为。下载：下载高分辨率图片（719KB）下载：下载全尺寸图片。图7：通过加成-消除反应生成的树枝状环戊二烯基糖缀合物。

环戊二烯部分的氧化电位、异相电子转移速率常数以及与[Ru(bpy)3]2+配合物（bpy = 2,2′-联吡啶）发光激发态的能量转移速率常数，均根据化合物具有一个或两个取代基以及一个或三个糖基支链而发生显著变化。这些变化归因于树枝状支链对环戊二烯核心的屏蔽。

Heinze等报道了涉及带有羧酸的被保护氨基糖的偶联反应（方案30）[55]。由N-乙酰氨基糖169出发，经四步（总产率60%）得到非对映异构体混合物（170/171 = 74:26），该混合物与由酸性去保护在原位生成的氨基环戊二烯基衍生物在能够活化其酸性功能的条件下进行反应（HOBt、EDC、DCM）。所得产物173a-b通过薄层层析与其非对映异构体174a-b分离，而173c则以单一非对映异构体形式形成。通过多种光谱方法（IR、NMR和CD）和DFT研究了R基对这些化合物173-174的构象和亲脂性的影响。正如预期的那样，循环伏安法研究表明，与未取代化合物（173a/174a，E1/2 = ?125/?100 mV vs. FcH/FcH+）相比，R取代基的吸电子（173b，E1/2 = 120/130 mV vs. FcH/FcH+）和给电子（173c，E1/2 = ?165 mV vs. FcH/FcH+）效应使有机金属核心的氧化还原电位发生变化。化合物173-174是N-乙酰胞壁酸的环戊二烯基衍生物，由170和175经连续去保护在60%总产率下合成（方案30）[56]。该酸存在于肽聚糖中，肽聚糖是细菌细胞壁的一种成分，由连接两条多糖链的肽部分（由N-乙酰胞壁酸-N-乙酰葡糖胺链形成的聚合物）组成。

因此，根据作者的说法，这些N-乙酰氨基壁霉酸衍生物可以作为探针，用于电化学检测碳水化合物-蛋白质相互作用的应用。

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Scheme 30. 获取N-乙酰氨基壁霉酸的二茂铁衍生物。

Scheme 31中的三聚氯氰176也用于这些偶联反应中，以提供二茂铁-糖缀合物[46]。在碱性条件下，羟甲基二茂铁177存在下，单加成产物178以50%的产率形成。后者随后与两当量的乙酰化硫代葡萄糖179反应，以74%的良好产率给出所需产物180。这项工作展示了试剂176的价值[57]，允许顺序引入三种不同的亲核试剂，从而在构效关系研究中增加了可能的目标分子数量。因此，带有硫代糖部分、二茂铁基团和第三个具有潜在生物学意义的基团的1,3,5-三嗪的合成可以很容易地实现。

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Scheme 31. 三聚氰酸作为设计二茂铁-糖缀合物的平台。

2013年，Heck等人[58]通过使用缩醛181保护α-和β-甲氧基葡萄糖182的4位和6位，报告了化合物α-和β-183的合成与表征，产率分别为71%和53%（Scheme 32），其绝对构型通过X射线衍射分析确认。类似的反应也用于合成产物184，产率为50%[59]。

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Scheme 32. 通过糖保护合成二茂铁-糖缀合物。

2012年，通过将各种碳水化合物与二茂铁羧酸108反应（Scheme 33），合成了七种二茂铁-糖缀合物185a-g，产率从中等到优异（53-95%）[60]。这些糖苷基团的存在使得非对映选择性的脱质子-金属化反应得以进行（Scheme 34）。

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Scheme 33. 通过酯化合成二茂铁-糖缀合物。

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Scheme 34. 利用糖部分作为手性导向基团，实现1,2-取代二茂铁衍生物的非对映选择性合成。

络合物185a-g与现场生成的锂锌碱反应[60a]（将2,2,6,6-四甲基哌啶锂加入ZnCl?·TMEDA中生成，然后用I?捕获），以中等到优异的产率（34-87%）和0-56%的非对映体过量比提供了186a-g非对映异构体的混合物（Scheme 34）。产物186a-g的绝对构型通过手性高效液相色谱分析DIBAL-H还原得到的已知醇187a-g并与文献数据对比来确定。Rp-186g和Sp-186g非对映异构体可以通过快速柱层析分离，Sp-186d的主要形成通过DFT计算得到合理解释。通过去除羰基将碳水化合物部分靠近二茂铁基团将很有意思，尽管连接糖和二茂铁的原子性质以及连接位置将影响碱和反应条件的选择。

Chaix等人[61]描述了α-寡核苷酸191a,b的制备（Scheme 35），这些寡核苷酸含有五个带有二茂铁基团的磷酸酰胺键，并通过循环伏安法研究了其电化学行为。固相合成用于制备寡核苷酸189，随后进行酰胺化氧化并脱保护（-Bz），得到产物191a和191b。

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Scheme 35. 二茂铁基-α-寡核苷酸缀合物的合成。

最后，2011年，Kraatz等人[62]报告了三磷酸腺苷的二茂铁衍生物195a-c的合成（Scheme 36）。

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Scheme 36. 三磷酸腺苷的二茂铁衍生物合成。

首先通过活化二茂铁羧酸108然后胺化合成酰胺192a-c。随后在过量三氟乙酸存在下脱保护，得到具有亲核伯胺基团的产物193a-c。随后，三磷酸腺苷在DCC存在下按照1976年建立的方案[63]生成环状中间体194，再被亲核试剂193a-c进攻，经三步以8-14%的产率提供所需缀合物195a-c。这些缀合物用于研究激酶催化的磷酸化反应（见4.2和4.3节）。

2.2.6. 点击化学

尽管基于点击化学将碳水化合物连接到二茂铁基团的首个研究发表于2004年，但自2011年以来，该反应才成为该领域最常用的反应[64]。

寡核苷酸189通过炔丙胺酰胺化氧化转化为196（Scheme 37），然后经点击化学反应得到化合物197[61]。寡核苷酸191a、b和197可作为核酸电化学检测的探针使用。

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Scheme 37. 点击反应用于合成二茂铁-糖缀合物。

2012年，Ramakrishna等人[59]报告了炔基二茂铁58与不同糖叠氮化物之间的点击反应，得到缀合物198a-e（Scheme 38），显示出有趣的生物活性（见4.2和4.4节）。

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Scheme 38. 以糖叠氮化物为起始物的点击反应用于合成二茂铁-糖缀合物。

该策略实际上最早由Santoyo-González等人[64]在2004年实施，从炔基二茂铁58和带有乙基叠氮链的乙酰化2-叠氮乙基甘露吡喃糖和葡萄糖吡喃糖定量地获得了化合物199a和199c（Scheme 39）。受保护的缀合物最终分别转化为产物199b和199d，产率优异（96%和95%）。

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Scheme 39. 以糖-叠氮化物为起始物的点击反应。

同一团队还展示[65]了，使用该方法，叠氮甲基二茂铁200和1,1'-（二叠氮甲基）二茂铁202（从相应的醇177和201以优异产率合成）可以与乙酰化2-炔丙基甘露-、葡萄糖-和乳糖吡喃糖反应（Scheme 40）。因此，络合物203a、203c、203e、204a、204c和204e以非常好的产率（88-98%）合成，并在常规条件下（MeONa/MeOH）脱保护，分别得到产物203b、203d、203f、204b、203d和204f。

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Scheme 40. 通过点击化学获取单取代或双取代的二茂铁-糖缀合物。

所有这些衍生物以及化合物199b和199d均被发现可溶于水，并表现出预期的二茂铁可逆氧化还原行为，电位取决于连接的化学性质和取代基的数量。所有缀合物，无论其糖部分连接在单个还是两个环戊二烯基环上，都由于二茂铁基团被包合在β-环糊精的空腔内而与其形成稳定的络合物。这些基础研究可能促进氧化还原探针的开发，用于电化学测定分子与蛋白质（如凝集素）的相互作用（见4.1节）。

Ramakrishna等人还制备[66]了缀合物206a-f，其中二茂铁酰胺通过三唑核心连接到糖上（Scheme 41），方法是将相应的N-炔丙基二茂铁酰胺与各种叠氮取代糖进行点击反应，产率为69-80%。产物206f成功去乙酰化为207（76%）。这些络合物进行了细胞毒性和抗菌活性研究（见4.2和4.4节）。该团队还使用相同方法合成了其他结构（图8）中的化合物208a-g[67]和208h-k[68]，其中一些显示出有趣的细胞毒性（见4.2节）。

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Scheme 41. 点击化学应用于二茂铁-糖合成的其他实例。

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图8. 点击化学用于合成二茂铁-糖缀合物的其他实例。

另外两个团队通过使用点击反应报告了产物209a-e[69]、210a-e[70]和211a,b[71]的合成（图9），产率从17%到95%不等。

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图9. 点击化学用于合成二茂铁-糖缀合物的其他实例。

Kowalski等人[72]报告了人工二茂铁基三核苷酸218的合成（Scheme 42），该化合物包含T-T-A核苷酸序列，并评估了其抗癌活性（见4.2节）。叠氮化物212在经典点击反应条件下与三炔丙胺反应，以中等产率（50%）得到单加成产物213。后者在与3'-叠氮-3'-脱氧胸苷在相同条件下反应后，实现了第一个核苷酸的引入，以中等产率（32%）得到产物214。随后用5'-叠氮腺苷或相应的受保护衍生物重复该操作，分别得到产物215a（20%）和215b（60%）。后者随后在经典条件下与叠氮化物216偶联，以28%的产率得到产物217，再与214进行点击反应，最终得到所需产物218（20%）。这些反应的产率可能由分子的复杂性、前两步中可能形成的双重加成或反应物214和217的显著空间位阻来解释。

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Scheme 42. 从三炔丙胺出发最多3步连续点击反应得到二茂铁-糖。

作为寻找半乳糖凝集素生物配体的努力的一部分（见4.1节），两个团队开发了化合物219-228[73]和229、230[74]的合成方法（图10）。产物219b-228b通过脱除化合物219a-228a中相应的乙酰化乳糖部分而生成，后者通过点击反应获得，两步均有优异产率。后者的前驱体的制备分多步进行，产率良好。连接到金纳米粒子的寡聚物229a-c和230的合成也在4或5步内以良好产率（52-69%）完成。

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图10. 点击化学用于合成二茂铁-糖缀合物的其他实例。

2.2.7. 还原胺化

第一种通过加成/脱水过程合成席夫碱的工作于1980年报道[46]。缀合物232确实以70%的产率通过从氨基糖盐酸盐231和二茂铁羧醛44在碱存在下进行的加成/消除序列获得（Scheme 43）。

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Scheme 43. 导致二茂铁-糖缀合物的首次还原胺化。

二十年后，Robinson等人[75]报告了二茂铁羧醛44与以三步和27%产率获得的葡萄糖衍生物233的还原胺化。确实，在常规条件下将这两种试剂的等摩尔混合物在氰基硼氢化钠存在下处理，仅以38%的产率得到双（二茂铁基）胺缀合物234（Scheme 43）。仲胺235a（经五步以14%的总产率合成）在化合物44和氰基硼氢化钠存在下以非常好的产率（82%）给出了预期产物236a。

Behr等人于2012年描述了[76]络合物238a-c的合成，方法是在二茂铁衍生物190a-c存在下，通过六步以12%的总产率获得的氨基糖237进行还原胺化（Scheme 44）。他们还合成了在C1位具有相反立体化学的非对映异构体240。这些分子的抗癌活性进行了研究（见4.2节）。

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Scheme 44. 二茂铁-氨基糖的合成。

2012年，Orvig等人[77]报告了对映纯二茂铁-糖缀合物的合成（Scheme 45）。他们借鉴了Niemeyer等人[78]的工作，后者受Kagan关于平面手性二茂铁合成的开创性研究启发[79]。对映纯缩醛241在经过中间体242的碘化和随后的Ullman型偶联后，以优异产率（89%）以单一非对映异构体的形式提供了1,2-二取代二茂铁243。脱除乙酸酯保护后，所得二茂铁烯醇盐与244a-b进行亲核芳香取代反应，再脱除醛的保护基（对甲苯磺酸），分别以17%和20%的产率得到产物245a或245b。最后，通过与氨基糖246或247进行还原胺化引入碳水化合物部分，分别以17-48%的产率得到化合物248a,b和249a,b。

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Scheme 45. 平面手性二茂铁-糖缀合物的合成。

在同一篇文章中，作者还描述了使用相同策略合成1,1'-二取代二茂铁252（三步，38%产率）的方法，从以三步和58%总产率获得的底物250出发（Scheme 44 45）。

2.2.8. 亲核取代

对于二茂铁-糖缀合物256a-c和258a-c（Scheme 46）的合成，Orvig等人[80]采用了类似的策略（Scheme 45）。因此，化合物243首先用MeONa转化为相应的酚盐，随后溴化糖253的亲核取代反应在脱保护（对甲苯磺酸）后以良好的两步产率（48%）给出对映纯醛254。

在伯胺 255a-c 存在下进行的还原胺化最终提供了配合物 256a-c，平均收率（44-53%）。下载：下载高分辨率图片 (616KB) 下载：下载全尺寸图片方案 46. 通过亲核取代随后还原胺化获得二茂基糖。最后，同一研究小组还通过类似的方法报道了对应的 1,1′-二取代二茂烯类似物 258a-c 的合成，收率相当（方案 46）[81]。所有这些分子（248a,b, 249a,b, 252, 256a-c 和 258a-c）都是为了研究它们的抗寄生虫活性而设计的（见第 4.5 部分）。也可以使用 N,N-二甲基氨基甲基二茂甲烷碘化物 259 作为亲电试剂。它可以由二茂甲烷两步合成（方案 47），如文献所述 [82]。在亲核试剂存在下，可以释放气态三甲胺，从而促进取代过程。例如，保护的 β-硫代葡萄糖 179 在盐 259 和碳酸钠存在下于乙腈回流条件下，以 17% 的收率生成差向异构体 α-260a 和 β-260a 的混合物（40:60）[46]。作者将此差向异构化归因于乙腈回流条件下碱的存在。同一研究小组还报道了在相同条件下从氨基糖 261 出发合成共轭物 262a 和 263a。在两倍当量 259 存在下，以 66% 的收率获得双加成产物 262a，而在仅一倍当量存在下，观察到单加成（263a）和双加成（262a）的混合物。下载：下载高分辨率图片 (420KB) 下载：下载全尺寸图片方案 47. N,N-二甲基氨基甲基二茂甲烷碘化物作为亲电试剂用于合成二茂基糖共轭物。为了避免保护的 β-硫代葡萄糖 260a 的差向异构化以及在伯胺 261 情况下混合物的形成，在常规条件下将甲苯磺酰基引入二茂甲基甲醇 177 中，得到预期产物 264，未经纯化直接使用（方案 48）。因此在更温和（室温）且无碱条件下进行取代，使得能够以好得多的收率分离出产物 β-260a 和 263a（分别为 87% 和 30%），以及通过 260a 脱保护得到的产物 265 (20%) 和 260b (75%)。下载：下载高分辨率图片 (297KB) 下载：下载全尺寸图片方案 48. 二茂甲基甲醇作为亲电前体用于合成二茂基糖共轭物。二十年后，Simpson 等人 [83] 从 1-氨基糖出发采用了相同的方法，获得了类似的结果（图 11）。他们以中等到平均收率（18-41%）分离出共轭物 266a-268a，然后使用 IRA 400(OH) 树脂将其脱乙酰化为相应的产物 266b-268b，收率为中等到良好（28-72%）。后一种方法还允许脱保护根据 Hall 等人 [46] 合成的产物 262a 和 263a，以非常好的收率（78-100%）生成化合物 262b 和 263b。Hall 等人使用更经典的条件（MeONa/MeOH）对于产物 125a 和 129（图 6）、180（方案 31）和 262a（方案 47）并不高效。下载：下载高分辨率图片 (507KB) 下载：下载全尺寸图片图 11. 二茂甲基甲醇甲苯磺酸酯用于合成二茂基糖共轭物。仲胺 235a（方案 43）及其类似物 235b,c（氧原子和 NHMe 基团之间链长不同）也与 259 反应制备共轭物 269a,b,c（方案 49）[75]。他们没有使用 Hall 等人合成中用作保护基的乙酸酯（方案 47）[46]，而是使用了苄基，后者在碱性反应条件下更稳定。因此，化合物 236a-c 以非常好的收率（70-80%）被分离出来，并在 Pd/C 存在下通过氢化脱保护，同样高效地得到相应的产物 269a-c（73-91%）。最后，还描述了通往化合物 269a 的另一条路线（方案 49）。化合物 271 首先通过 259 与氨基醇 270 的亲核取代以良好收率（72%）合成，然后在 BF3.Et2O 存在下与乙酰化葡萄糖 272 结合，以中等收率（34%）提供 273。然后在树脂上对后者脱保护，仅 3 步总收率为 20%，得到产物 269a (85%)。然而，该收率优于从 235a 出发 7 步获得的收率 (10%)。Simpson 等人描述的这些分子 [83] 尚未被研究以寻找潜在的生物活性。下载：下载高分辨率图片 (449KB) 下载：下载全尺寸图片方案 49. 使用 N,N-二甲基氨基甲基二茂甲烷碘化物作为亲电试剂合成二茂基糖共轭物的其他实例。NMe2 基团也可以在酸性条件下被取代，例如对映纯的 (2S)-1-[(1R)-1-(二甲氨基)乙基]-2-(二苯基膦) 二茂烯 274，在乙酰化硫代葡萄糖 179 存在下以 53% 的收率得到共轭物 275（方案 50）[84]。这种用于合成对映纯二茂基配体的已知反应 [85]，通过阳离子满烯中间体 276a 进行，该中间体与 276b 不同，二苯基膦和甲基基团之间不存在位阻，因此构型保持。化合物 275 已被用于不对称催化（见第 4.6 部分）。下载：下载高分辨率图片 (274KB) 下载：下载全尺寸图片方案 50. 合成二茂基糖共轭物中的另一个氨基离去基团。Santoyo-González 等人 [64] 也基于二茂烯系列中准苄基取代的容易性开发了一种获得二茂基糖共轭物的方法。事实上，在酸性条件下，二茂甲基甲醇 177 和 1,1′-二茂基双甲醇 277 与硫代糖衍生物反应，生成各种生物共轭物 278a-c 和 279a-c（方案 51）。下载：下载高分辨率图片 (1002KB) 下载：下载全尺寸图片方案 51. 二茂甲基甲醇和 1,1′-二茂基二甲醇作为亲电前体用于合成二茂基糖共轭物。该反应在温和条件（室温，2 小时）下进行，以优异的收率得到单取代和 1,1′-二取代二茂烯 278a-c (90–94%) 和 279a-c (87–92%)。这些化合物在经典条件（NaOMe/MeOH）下脱保护，分别得到 280a-c (76-98%) 和 281a-c (83-96%) 共轭物，结果非常令人满意。曾尝试从化合物 277 引入两种不同的硫代糖，但即使存在 0.5 当量乙酰化硫代半乳糖，也只得到二加成化合物 279a。首先引入的硫糖苷的邻基参与，可能是通过形成中间锍离子桥，可以解释这一结果。后一种策略特别高效，允许在温和操作条件下仅通过两步以优异收率获得所需产物。二茂烯前体 177 和 277 的合成可以以良好收率在一或两步内进行（方案 52）。后者通过 n-BuLi?TMEDA 螯合物对二茂甲烷进行双去质子化锂化合成，随后用 DMF 捕获形成 1,1' 二茂基二甲醛 282 (72%)，最后在 MeOH 中用 NaBH4 还原 (83%) [86]。另一方面，二茂甲基甲醇 177 可以使用三种方法合成。第一种涉及甲醛与二茂甲烷在浓硫酸存在下缩合，随后在碱性介质中水解。尽管该方法需要剧烈条件，但它提供了一种直接获得所需产物 177 的途径，收率良好 (74%) [87]。第二种，也是使用最广泛的方法涉及三氯铝存在下原甲酸三乙酯对二茂甲烷的亲电芳香取代，以优异收率 (90%) 得到二茂甲醛 44 [88]。后者可以在经典条件下（NaBH4/MeOH）或通过使用氢硅化反应 [89] 或 SmI2 作为还原剂还原为相应的醇（方案 52）[90]。最后，第三条路线依赖于铵盐 259 的碱性水解，收率在 68 到 59% 之间 [91]。下载：下载高分辨率图片 (317KB) 下载：下载全尺寸图片方案 52. 二茂甲基甲醇和 1,1′-二茂基二甲醇的制备。为了希望发现新的抗病毒、抗真菌、抗菌和抗微生物分子，研究了一系列核苷和核苷酸对水中二茂甲基甲醇 177 的反应活性 [92]。未保护的核苷和核苷酸与等量化合物 177 溶解在水中，在没有其他试剂的情况下，形成新共轭物 283a-h（方案 53），将有机金属核心并入杂环碱基上。该程序收率在 9 到 36% 之间，提供了几个优势。只需在水中加热试剂即可一步完成；不需要后续脱保护步骤；所需的二茂基衍生物可以通过快速过滤 C-18 SEP-PAK 小柱轻松纯化；试剂容易回收且可循环使用。不幸的是，这些化合物关于预期的任何生物活性（抗病毒、抗真菌、抗菌和抗微生物活性）均未显示决定性结果。下载：下载高分辨率图片 (836KB) 下载：下载全尺寸图片方案 53. 使用二茂甲基甲醇作为亲电试剂合成二茂基糖共轭物。还对二茂甲基甲醇 177 进行了 Mitsunobu 反应 [93]，在更温和条件下（室温）以好得多的收率 (85%) 得到 283a 的类似物 285a（方案 54）。然而，该策略需要额外的脱保护步骤以得到产物 285b (98%)，后者与 iPr2NPClO(CH2)2CN 进行亲核取代，以良好收率 (70%) 得到预期的共轭物 285c，用于其掺入寡脱氧核糖核苷酸中（见第 4.1 部分）。下载：下载高分辨率图片 (250KB) 下载：下载全尺寸图片方案 54. 使用二茂甲基甲醇作为亲电试剂合成二茂基糖共轭物的另一个实例。最后，二茂甲基甲醇 177 在 Ag2O 和 CaSO4 存在下与乙酰化 α-1-溴化葡萄糖 286 进行 Koenigs-Knorr 反应，以中等收率得到产物 287a（方案 55）[94]。类似物 288 也在相同条件下转化为共轭物 289，尽管收率低得多。接下来，化合物 287a 被脱保护（NaOMe, MeOH），以 50% 的收率得到产物 274b。这些是早在 1961 年文献中报道的第一批二茂基糖配合物。下载：下载高分分辨率图片 (382KB) 下载：下载全尺寸图片方案 55. 报道的二茂基糖共轭物实例及其水解研究。进行了一项附加研究以确定在酸性环境中哪个键断裂。然而，这项工作在 12 年后被另一个团队重新审视 [95]。因此，在 H218O 存在下由化合物 287b 经酸催化形成的葡萄糖 290 未富集 18O（方案 55），这与水解产物 18177 不同。因此，水解仅通过断裂糖苷键中氧和苷元碳之间的键而发生，生成稳定的碳正离子 291，使糖部分的赤道 C1-O 键保持不变。通过适当的连接子将二茂烯核心嫁接到环糊精上的研究主要由 Osa 等人 [96] 以及随后的 Schreyer 和 Mikkelsen [97] 进行。他们的方法依赖于亲核试剂 292 和 293a,b 对 β-或 γ-环糊精（CD）3 位或 6 位甲苯磺酸酯的取代（方案 56）。3-O-甲苯磺酰-β-CD 是通过吡啶存在下对 β-CD 作用过量的对甲苯磺酰氯合成的，而 6-O-甲苯磺酰-β-CD 是通过 NaH 对 β-CD 去质子化后加入三当量对甲苯磺酰氯得到的。产物 294 和 295 随后分别由胺 292（由乙二胺与二茂甲醛 44 还原胺化形成）和羧酸盐 293a,b 反应生成。它们通过反相高效液相色谱（HPLC）纯化。作者表明产物 158 和 159 可以被视为半胱氨酸双加氧酶模型（见第 4.6 部分）。化合物 296a [96,98], 297a [99], 296c, 和 297b [100] 通过遵循相同的方法以约 20% 的收率合成（方案 56）。最后，产物 296b [101] 源自 296a 在经典条件下的完全乙酰化。下载：下载高分辨率图片 (1MB) 下载：下载全尺寸图片方案 56. 基于环糊精的二茂基糖共轭物。圆二色性研究表明，对于化合物 296a，在二茂烯吸收区 480 nm 处存在一条谱带，表明有机金属核心位于 CD 的手性腔内。环己醇的逐渐加入导致该吸收带减弱，表明后者在腔内取代了二茂基。对所有这些化合物都进行了类似的研究，以阐明包合现象如何随 CD 尺寸或 CD 与二茂基之间连接子的性质而变化。分子 296b 已被证明是醇氧化为醛的催化剂（见第 4.6 部分）。Letsinger 等人 [102] 也在寡核苷酸（ODN）合成的背景下报道了通过亲核取代构建二茂基糖共轭物。磷酰胺 300 首先从取代二茂烯 298 三步合成（方案 57）。接下来的步骤是胸苷衍生物 5 位羟基对 NiPr2 基团的亲核取代，随后在碱性介质中氧化并消除丙烯腈。下载：下载高分辨率图片 (507KB) 下载：下载全尺寸图片方案 57。

使用DNA合成器合成环戊二烯基铁(费洛辛基)低聚核苷酸。硫醇301c被进一步吸附到金表面上，形成牢固的氧化还原活性单层。这是首次在金表面自组装氧化还原活性单层中固定化环戊二烯基铁修饰的ODN的报道，这是在有明确定义表面上合理构建可表征的低聚核苷酸多层结构的重要一步。该功能化金表面的循环伏安图显示，在比溶液中的301a稍正的电位处出现可逆波。

除了用作电化学DNA传感器外，这些含有电活性基团的自组装DNA单层还可能为理解DNA介导的电子转移机制以及短DNA链的构象灵活性提供见解。

最近，Kowalsky等人报道了生物偶联物309的合成（方案58）。首先，5-碘-3-苯甲酰尿嘧啶302与（S）-2,3-O-异亚丙基甘油303之间进行Mitsunobu反应，在酸性条件下裂解2,3-O-异亚丙基基团后得到预期产物304，总收率为89%。然后，后者与乙炔基环戊二烯基铁58进行Sonogashira交叉偶联反应，以49%的收率得到核苷305。随后在碱性条件下脱除苯甲酰保护基，产物与4,4'-二甲氧基三苯甲基氯反应，以50%的收率得到保护衍生物306。后者在2-氰乙基N,N,N',N'-四异丙基膦二酰胺存在下转化为化合物307，收率为67%。最后，使用自动DNA合成器中常用的试剂和条件，以N6-苯甲酰-2',3'-O-异亚丙基腺苷308作为模型核苷酸试剂，以中等收率47%得到目标产物309。后者对非癌小鼠L929细胞和HeLa宫颈癌细胞均未显示出活性。

2001年，Yu等人报道了一种新型环戊二烯基铁-膦酰胺314d的合成，用于在晶格中检测单个碱基错配（见第4.1部分）。为此，通过三步反应以33%的总收率制备了环戊二烯基铁衍生物311（方案59）。首先从环戊二烯基铁进行亲电芳香取代，得到N,N-二甲基环戊二烯基铁羧酰胺310。

接着，对未取代的环进行第二次亲电芳香取代，与4-溴丁酰氯反应，随后进行Clemmensen还原。腺苷的脱质子（NaH）优先发生在最酸性的2'位羟基上，在311中溴的核苷代反应后，得到无法分离的产物313a和314a的混合物。这一步以超过一百克的规模进行了操作。然后苯甲酰氯对腺嘌呤基团的氨基进行保护，得到313b和314b。用DMT保护5'-羟基后，产物313c和314c通过硅胶色谱分离，总收率优秀（分别为25%和67%）。最后通过与iPr2NPClO(CH2)2CN进行亲核取代反应得到目标产物314d。

同年稍晚，同一团队报道了类似策略合成类似物315-317（图12）。

**3. 糖类与环戊二烯基铁基团在新潜在药物研究中的主要作用机制**

**3.1. 糖类**

Warburg效应是Otto Warburg于1924年发现的一种代谢现象[106]，描述了癌细胞对葡萄糖的独特利用。在正常情况下，当健康细胞有氧气时，由膜蛋白GLUT转运进入细胞的葡萄糖通过糖酵解被分解为丙酮酸。丙酮酸随后进入线粒体，通过Krebs循环和呼吸链进行氧化（方案60，路径A），从而实现ATP的高效产生（36 ATP/葡萄糖），ATP是提供代谢化学反应、运动、细胞分裂以及化学物质跨生物膜主动运输所需能量的燃料（方案60）。

在缺氧条件下，ATP的产生转而来自乳酸的生成，但效率要低得多（2 ATP/葡萄糖）。癌细胞则表现出非常特殊的行为。事实上，即使在氧气存在的情况下，它们也倾向于糖酵解，快速产生丙酮酸，丙酮酸由乳酸脱氢酶转化为乳酸，同时减少对Krebs循环的依赖（方案60，路径B优先于路径A）。这种被称为有氧糖酵解的机制并不能最大化ATP的产生，但能够极快地提供细胞生长和分裂所需的能量和代谢前体，从而增加葡萄糖的消耗。

这种代谢转变由几种分子调节因子驱动。转录因子HIF-1α即使在氧气充足的情况下也常常被稳定，刺激糖酵解和乳酸脱氢酶基因的表达。与此同时，c-Myc癌基因促进糖酵解酶的合成，而mTOR通路激活合成代谢过程，提供脂质、氨基酸和核苷酸生物合成所需的构建模块。这种重编程赋予肿瘤细胞多种优势：通过加速生物分子的生产实现快速增长、更好地适应缺氧环境，以及酸化的肿瘤微环境促进侵袭、血管生成和转移。这也解释了为什么肿瘤表现出高葡萄糖消耗，可通过使用放射性示踪剂氟代脱氧葡萄糖（18F-FDG）的PET扫描等成像技术检测，从而定位体内的肿瘤灶。从治疗角度来看，这也开辟了新的前景：针对乳酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶激酶或HIF-1α和c-Myc等转录调节因子的抑制剂正在研究之中，以试图改变癌细胞的代谢并减缓其增殖[8]a)、[8]b)、[107]。将糖类作为"特洛伊木马"，通过与生物活性分子的取代，是靶向特别喜食葡萄糖的癌细胞的另一种可能性。当然，尽管经过糖类修饰，新物种仍必须像葡萄糖一样由GLUT膜蛋白转运。这些蛋白在感染恶性疟原虫的红细胞中也作为葡萄糖转运体发挥作用[108]。因此，Warburg效应不仅是一种生物学趣闻，而是理解肿瘤生物学和开发新型癌症治疗方法的关键。

糖类还在生物膜的形成中发挥作用（方案61），生物膜可保护某些细菌免受抗生素的作用。生物膜是由微生物（细菌、真菌、藻类）附着在生物体或非生物表面上形成的结构化联合体，并产生由多糖、蛋白质、脂质和核酸混合物组成的细胞外基质，形成保护性凝胶。生物膜可在医院中、医疗设备（如导管、导尿管、假体）上或患者体内（肺、牙齿、肠黏膜、压疮等）发现；或存在于环境中，例如船体、岩石和水管上。

生物膜的形成以循环方式分几个阶段进行（方案61）[109]。在过程开始时，浮游细胞——即自由悬浮在表面周围液相中的细胞——通过Van der Waals相互作用可逆地结合到基质上（方案61A）。随后，通过分泌称为粘附蛋白和细胞外聚合物（EPS）的蛋白质分子，实现与表面的不可逆粘附（方案61B）。

微生物随后分裂，生物膜本身出现并开始生长（方案61C）。在成熟阶段（方案61D），通过群体感应（QS）的细胞间接触刺激基因表达的改变，诱导形成耐受和抗性细胞，这些细胞增殖并形成微菌落，同时产生更多EPS。浮游细胞最终在达到特定细胞密度或群体感应阈值时从成熟生物膜中脱落，从那里分散形成新的生物膜，重新开始循环（方案61 E）。

在人组织的情况下，例如肺部，铜绿假单胞菌等致病细菌附着在上皮细胞上（图13A）。为此，它使用几种能够与其表面存在的糖结合蛋白结合，如特异性针对半乳糖的凝集素A（LecA）和特异性针对岩藻糖的凝集素B（LecB）。这导致在宿主细胞上形成生物膜，阻断肺部清除所需的纤毛运动，从而阻止抗生素发挥作用，使细菌的根除极其困难。

从治疗角度来看[110]，设计携带半乳糖和岩藻糖基团的分子，能够靶向细菌LecA和LecB以防止生物膜形成，是一种有前景的方法（图13B）。这些分子可包含对细菌有害的非糖基部分，如抗生素或产生ROS的化合物如环戊二烯基铁。

**3.2. 环戊二烯基铁基团**

自1970年代以来，环戊二烯基铁衍生物一直是药物化学研究的热门对象[12]。在迄今合成的化合物中，几种环戊二烯基铁衍生物已显示出对多种癌症[111]、寄生虫病（包括疟疾）、细菌感染和病毒疾病的有效性[112]。早在1971年，ferrocerone（图14）就在前苏联被用于治疗贫血[113]，贫血是指由于缺铁等原因导致血液中血红蛋白水平异常下降。1978年，Brynes等人报道酰胺318对P-388淋巴细胞白血病表现出微弱的抗肿瘤活性[114]，1984年，环戊二烯基铁盐319显示出对Ehrlich腹水癌的活性，可用于小鼠的治疗[115]。然而，该领域的重要突破可能由Jaouen等人[11]在1990年代通过设计和合成ferrocifen、羟基ferrocifen及其衍生物实现。与4-羟基他莫昔芬（OH-TAM）等母体化合物不同，后者仅对ERα+细胞有效，这些有机金属衍生物对ERα+和激素独立（ERα?）乳腺癌细胞均有效。他莫昔芬确实是一种用于治疗激素依赖性乳腺癌的药物，在肝脏中代谢为其活性物质羟基他莫昔芬。此后，该团队报道了大量ferrocifen衍生物的合成及其针对乳腺癌和其他类型癌症的生物学活性研究。他们还描述了含有环戊二烯基铁的雌二醇衍生物320的合成，该衍生物对PC-3前列腺癌细胞具有强抗增殖活性（IC50 = 8.3 ± 0.02 μM）[116]。最近的综述总结了2017年至2022年生物活性环戊二烯基铁衍生物研究的进展[117]。

某些环戊二烯基铁衍生物也显示出抗菌活性，将它们归类为潜在抗生素。早在1976年，青霉素和头孢菌素的环戊二烯基铁衍生物就已制备[118]。其中，化合物321（图14）表现出最佳抗菌活性，并证明是一种β-内酰胺酶抑制剂。随后，据报道研究了其他类似衍生物的抗菌活性[119]。其他结构，如以环戊二烯基铁基团取代的肽，被Metzler-Nolte课题组广泛研究并取得了令人满意的结果[120]。例如，三肽322对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和藤黄微球菌的活性至少是无金属类似物的四倍[121]。

与ferrocifen的发现并行，按照将环戊二烯基铁引入生物活性化合物的相同逻辑，Biot等人在1997年发表了含有环戊二烯基铁的氯喹的合成及其抗疟疾活性（图14），氯喹是抗疟疾治疗中应用最广泛的药物。在这种名为ferroquine（FQ）的新结构中，戊基链被1,2-二取代的环戊二烯基铁取代。Ferroquine的主要优势在于其体内活性对氯喹敏感和氯喹耐药的恶性疟原虫株均有效。目前，它正与青蒿素——另一种抗寄生虫药物联用进行IIb期临床试验[122]。该团队及其他团队随后评估了众多类似物，通过修改链长、移动环戊二烯基铁基团位置、尝试其他有机金属化合物以及引入其他官能团，但均未超过ferroquine的活性[123]。

还需注意的是，铁奎因的两种对映异构体（源于平面手性茂金属的存在）对恶性疟原虫均显示出相当活性[124]。多项机理研究试图解释为何亚铁基金属配合物和铁奎因比其非亚铁基类似物（即他莫昔芬和氯喹）表现出更强的生物活性。部分答案在于其可被轻易氧化为茂鎓离子，同时产生ROS[125]。这一特性一直是亚铁基金属配合物-生物配体偶联物的抗癌[126]和抗疟[127]活性的机理研究的主要对象。因此，携带能使亚铁基金属配合物进入细胞的生物配体的亚铁基金属配合物衍生物，可通过H?O?的作用经历Fenton型氧化反应生成相应的茂鎓离子，并释放羟基自由基(HO•)（Scheme 62）。假设其作用机理基于这种特异性，则实际发挥作用的药物将是茂鎓离子，从而使相应的亚铁基金属配合物衍生物具有前药的资格。

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Scheme 62. 应用于亚铁基金属配合物-生物配体衍生物的Fenton反应，以及茂鎓离子在生物环境中向亚铁基金属配合物的可逆转化。

此外，取代的茂鎓离子和亚铁基金属配合物在细胞内可能处于氧化还原平衡状态，使HO•的产生具有催化性质。这种活性氧物种的产生可解释通过DNA损伤导致的细胞死亡，但还必须考虑其他性质（酸性、脂溶性、溶解度、生物利用度等）才能理解亚铁基金属配合物衍生物的治疗潜力。这些新分子的开发为能够克服耐药性并提高现有治疗效果的创新疗法铺平了道路。其模块化结构允许对其进行定制以靶向特定的生物机制，使亚铁基金属配合物基团成为未来医学中一个有价值的基团，而其与糖类（图1C）的结合可能导致具有治疗价值的新分子的出现。

4. 亚铁基金属配合物-糖偶联物的应用
4.1. 电化学探针

亚铁基金属配合物-糖偶联物[128]一项潜在非常有前景的应用在于基因传感器设计[129]。两条互补寡核苷酸链之间的相互作用（或杂交）通常以严格的序列特异性方式进行；对于DNA而言，这发生在G-C和A-T配对中（RNA中则分别为A-U配对）。基因传感器（图15）利用了这种特异性相互作用：链324即探针，其序列已知并携带检测方法所特定的基序，通过合成引入，与链325（即样品，即需要确定其序列的寡核苷酸）相互作用。当两条链之间互补形成链326时，必须对这种寡核苷酸进行表征。目前最常见的检测方法为荧光检测，因其具有高灵敏度和能够提供定量结果的能力。然而，荧光检测仪器体积庞大、昂贵且复杂，需要光源、灵敏的检测器和精密的光学系统。此外，该技术还可能受到样品中存在荧光模式干扰的影响，导致高背景信号。因此，还可以采用其他技术，如表面等离子体共振、局域表面等离子体共振光谱学[130]、石英晶体微天平[131]、拉曼光谱[132]和电化学。后者因其高灵敏度、易于实施、成本较低且需要紧凑的设备而格外有吸引力。然而，电化学方法需要使用电化学活性探针，而亚铁基金属配合物基团由于其稳定性、氧化还原可逆性、易于官能化以及高灵敏性而在这一应用中尤为有用。基于亚铁基金属配合物-糖偶联物的此类传感器的主题曾在2004年Nolte和Van Staveren撰写的综述[12]中作为一段内容出现，此后又有其他工作发表[[133], [134], [135]]。

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Fig. 15. 324 = 探针，o = 检测模式所特定的基序；325 = 样品，即需要确定其序列的寡核苷酸；326 = 324和325的杂交。

在该领域，金电极的使用是有利的，因为硫标记的ODN可以很容易地接枝在其上形成单层膜，当与携带亚铁基金属配合物探针的另一ODN杂交时，其循环伏安图将发生改变（图15）。例如，Kraatz等人[136]利用亚铁基金属配合物的氧化还原电位差异来区分金电极与亚铁基金属配合物标记的双链DNA之间各种电子转移模式。

其他研究人员也在这一概念上开展工作，专注于这些单层膜的性质及其在杂交过程中的行为[25,28,30,42,137]。最近，在寻找新型基于适配体的电化学传感器的背景下，这一金电极接枝技术被应用于人血清中多柔比星的检测[138]。

Vargas-Berenguel等人[74]报告了另一项与将亚铁基金属配合物基团用作探针相关的应用，该工作是在开发检测和高尔基体蛋白-3的新方法背景下进行的。高尔基体蛋白-3确实参与多种生理和病理过程，如炎症、癌症进展和转移，通过各种机制包括细胞粘附、细胞-基质相互作用、凋亡、血管生成和mRNA剪接等。此外，由于高尔基体蛋白-3在许多肿瘤细胞中过表达，它被认为是一种癌症生物标志物，因此开发特异性探针具有高度兴趣[139]。为此，Vargas-Berenguel等人[74]合成了金纳米粒子230（图10），接枝有含有亚铁基金属配合物基团（用于电化学检测）和乳糖（被高尔基体蛋白-3识别）的分子，通过两种不同的连接臂连接（Scheme 63）。该纳米粒子通过量热和光学方法显示出对高尔基体蛋白-3的强亲和力，并允许在纳摩尔浓度下通过电化学方法检测。

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Scheme 63. 高尔基体蛋白-3与生物偶联物230结合的原理示意图。

同一研究小组还研究了[74]一系列基于亚铁基金属配合物核心、通过不同类型的连接臂被一个或两个甘露糖单元取代的电活性偶联物（化合物199b，Scheme 39；203b和204b，Scheme 40；280b和281b，Scheme 51）与另一种凝集素——刀豆蛋白A的结合亲和力，采用等温滴定量热法和循环伏安法。他们发现，尽管所有偶联物的亲和力均优于甲基α-D-甘露糖苷，但1,1′-二取代亚铁基金属配合物衍生物204b和281b的亲和力显著增强，这可归因于多价效应。

最后，我们可以提及Willner等人[140]关于DNA检测过程生物电催化放大的工作（Scheme 64）。首先将一种巯基化的寡核苷酸（Scheme 64中橙色部分），因其与M13?病毒DNA（Scheme 64中绿色部分）的互补性而选定，与金表面反应形成单层膜。然后将病毒DNA与该核苷酸杂交，形成部分双链DNA分子，随后在与核苷酸混合物（dCTP、dATP、dGTP）和尿苷三磷酸的亚铁基金属配合物衍生物115（图6）以及Klenow片段I作为聚合酶的条件下进行孵育。在这些条件下，聚合酶复制了病毒DNA，以约59%的效率掺入了修饰核苷酸115，通过使用石英晶体微天平测量。Willner等人估计每个复制品包含约350个标记有亚铁基金属配合物衍生物的碱基。最后，加入葡萄糖和葡萄糖氧化酶溶液，通过生物电催化氧化葡萄糖为初生氧化还原活性DNA复制品的生成创造了放大途径。观察到的反应性归因于亚铁基金属配合物基团在电极表面与葡萄糖氧化酶之间充当氧化还原介体的能力，后者进而催化葡萄糖向葡萄糖酸的转化。所有这些均通过电化学方法进行检测和分析。

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Scheme 64. 病毒DNA的放大电化学检测。

4.2. 抗癌活性

在癌症治疗领域最全面的研究之一由Tan等人[141]报道。该工作有助于寻找靶向治疗，避免传统治疗方法（手术、放疗和化疗）的缺陷，即侵入性、副作用、治疗耐药性和脱靶效应。就化疗而言，副作用确实可能源于治疗无法区分病变细胞和正常细胞。因此，实施靶向药物递送系统具有重大意义，这有助于直接将治疗药物特异性地施用于靶肿瘤。纳米花（NF）[142]是一种容易制备的复杂纳米结构，特别适用于此类应用。因此，Tan等人报道了合成含有亚铁基金属配合物的NF，用于将多柔比星在蛋白酪氨酸激酶7（PTK7）阳性的癌细胞内递送。后者在多种癌细胞中过表达，是一种具有酪氨酸激酶活性的跨膜受体，在人类中由PTK7基因编码。

作者首先通过常规酰胺化和醚化反应，以三步骤合成亚铁基金属配合物衍生物328，总产率为43%。然后将该底物用于制备携带亚铁基金属配合物FcDNA基团的寡核苷酸，使用固相DNA合成仪完成（Scheme 65-A）。然后将该寡核苷酸的互补序列与Sgc8适配体的互补序列以及形成NF所需的另一寡核苷酸部分结合（Scheme 65-B）。Sgc8适配体最初因其对PTK7的高亲和力结合而在T细胞急性淋巴细胞白血病细胞系中被鉴定，随后证明了其有效识别多种表达致癌靶点PTK7的癌细胞的能力。一旦形成Sg8-NF，便通过与FcDNA的互补寡核苷酸缠绕而将其结合，得到Sg8-NF-Fc。扫描电子显微镜显示，NF的尺寸随FcDNA浓度增加而逐渐减小，从而制备出不同直径（200、100和50 nm）的DNA纳米结构。

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Scheme 65. A) 亚铁基金属配合物-DNA（FcDNA）的合成及B) NF Sg8NF-Fc-dox将多柔比星转运至癌细胞内的原理示意图。

因此，亚铁基金属配合物基团的第一个有利效果是允许合成具有理想尺寸（50至100 nm）的NF，适用于药物递送。最后将多柔比星引入Sg8-NF-Fc NF中以生成所需纳米粒子Sg8-NF-Fc-dox。该纳米粒子一旦通过Sgc8适配体与PTK7结合而被识别，便成功内化进入癌细胞。此时，亚铁基金属配合物基团的第二个效果开始发挥作用。在H?O?存在下（该物质在高浓度存在于实体肿瘤癌细胞中），亚铁基金属配合物核心被氧化为茂鎓离子，释放羟基自由基，能够攻击寡核苷酸，破坏Sg8-NF-Fc-dox并因此在细胞内释放多柔比星。体内实验证实Sgc8-NF-Fc具有良好的肿瘤靶向能力，并能显著改善多柔比星在异种移植肿瘤模型中的治疗效果。

Trivedi等人研究了[44]31种亚铁基金属配合物-糖偶联物对不同癌细胞的抗癌活性（图16、图17、图18、图19）。在通过氨基酸连接到1,2-二保护的木糖呋喃糖的亚铁基金属配合物酰胺衍生物118a-f中，只有化合物118a和118b在微摩尔水平（5 μM）下对人肺泡腺癌A549上皮细胞显示出显著活性（图16）。确实，由空间位阻更大的氨基酸衍生的偶联物118c-f（R = iPr、iBu、2-Bu和Bn）对这些细胞没有活性。此外，值得注意的是，产物118a-f均未对正常HEK293细胞系显示出任何细胞毒性（IC?? > 100 μM）。在该研究[44]中，偶联物118a-f的类似物329a-f（图16），以叔丁氧基团取代亚铁基金属配合物核心，也针对相同的细胞系进行了测试。然而，除化合物329e显示16.21 ± 0.06 μM的活性（相比118e的 > 100 μM）外，这些产物表现如同相应的亚铁基金属配合物-木糖呋喃糖偶联物。产物329a和329b活性最强（分别为9.69 ± 0.14 μM和3.49 ± 0.01 μM），而329c、d、f未显示出明显的细胞毒性（>100 μM）。因此，引入亚铁基金属配合物基团并未在A549细胞上比叔丁氧基团改善抗癌活性。这些化合物的细胞毒性也在与人宫颈癌相关的HeLa细胞系上进行了评估。唯一显示显著活性的偶联物是118e（4.89 ± 0.02 μM），其活性大约是其缺少亚铁基金属配合物基团的类似物329e（26.54 ± 0.05 μM）的五倍。

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Fig. 16. 偶联物118-121和329对多种癌细胞的细胞毒性。

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Fig. 17. 亚铁基金属配合物-糖偶联物206a-f和207的细胞毒性。

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Fig. 18. 亚铁基金属配合物-糖偶联物184和198a-e对A549、HeLa、MDA-MB231、MCF-7和Neuro2a癌细胞的细胞毒性。

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Fig. 19.

铁环戊二烯基糖缀合物208h-k对A549、HeLa、MDA-MB231和MCF-7癌细胞系的细胞毒性。Trivedi等人[45]还评估了（图16）分子119a,b、120和121的细胞毒性，这些分子在碳水化合物和铁环戊二烯基团之间具有更短的连接链。这四种产物对A549细胞表现出良好的活性。事实上，配合物119a表现出与化合物118a和118b相似的活性（分别为5.82 ± 0.05 μM、5.39 ± 0.02 μM和5.75 ± 0.03 μM），表明连接链的长度在这些情况下影响活性。含有不同碳水化合物的缀合物120和121具有相似的细胞毒性（分别为6.64 ± 0.05 μM和6.89 ± 0.05 μM）。产物119a（5.82 ± 0.05 μM）与其苄基化类似物119b（5.5 ± 0.05 μM）之间也无显著差异，表明羟基在此对A549细胞的活性无影响，这与在HeLa细胞上观察到的情况不同，其中缀合物119a（7.50 ± 0.05 μM）的活性是119b（39.16 ± 0.05 μM）的5倍。

在另一项研究[66]中，同一团队将上述氨基酸连接链替换为三唑环（图17）。尽管羟基化产物206a对A549、HeLa、MDA-MB-231和MCF-7乳腺癌细胞无细胞毒性，但其保护类似物206b对A549（7.01 ± 0.11 μM）、MDA-MB-231（2.82 ± 0.14 μM）、MCF-7（11.31 ± 0.03 μM）细胞系表现出活性，对HeLa细胞活性较弱（>100 μM）。衍生物206c,e,f和195对这些细胞无明显活性，而194d对癌细胞系MDA-MB-231（7.31 ± 0.13 μM）和MCF-7（3.18 ± 0.1 μM）显示出有前景的结果。值得注意的是，铁环戊二烯的细胞毒性在21至55 μM之间，而顺铂和多柔比星的细胞毒性低于或接近1 μM。因此，虽然这些铁环戊二烯基糖缀合物的毒性低于两种著名的抗癌药物，但其活性仍高于铁环戊二烯本身。

Trivedi等人报道了[59]化合物198a-e对A549细胞的生物活性研究（图18）。这些缀合物的特征是将铁环戊二烯核心直接连接到三唑环上，因此198a、198b、198c、198d和198e分别可与产物206a、206b、206c、206d和206e进行比较。

除了化合物198d（分别为198e）对大多数细胞系无效外，该系列中的所有其他衍生物对A549、HeLa、MDA-MB-231和MCF-7细胞系的活性在5至18 μM之间，这表明缩短连接链对该系列的活性有有益影响。相反，分子198b,d和206b,d之间没有出现合理的趋势。事实上，缀合物198b对A549细胞系表现出与其类似物206b（分别为9和7 μM）相同数量级的细胞毒性，而198d无活性，而其类似物206d对A549细胞系具有弱活性，两者对HeLa细胞的活性都很弱或完全无活性。配合物198b对MDA-MB-231细胞的效率较低（10.12 ± 0.05 μM），而206b为2.82 ± 0.14 μM，而198d和206d表现出相似的疗效（7.3 μM）。最后，206d对MCF-7细胞非常有效（3.18 ± 0.01 μM），而198b,d无效，198b和206b的活性分别为11.3和18 μM。在该研究中，与该系列所有化合物无结构联系的缀合物184也进行了评估，对A549、HeLa、MDA-MB-231和MCF-7细胞系的活性在6至11 μM之间（图18）。

在另一项研究[68]中，同一团队将产物206a和206d中的酰胺基替换为硫或硒原子，制备了化合物208h-k（图19）。观察到含硫缀合物208h和208j对A549、HeLa和MCF-7细胞系的细胞毒性较低（>200 μM），而含硒类似物208i和208k则活性更高。在MDA-MB-231细胞上，化合物208h和208k分别比化合物208i和208j更活跃。因此，可以推测这些含硒缀合物总体上比其含硫类似物更有效。

最近，Kowalski等人报道了[72]双核苷酸和三核苷酸215a,b和218对A549细胞的细胞毒性（图20）。未保护的化合物215a表现出较高的活性（13.69 ± 8.34 μM），比其保护类似物215b（34.12 ± 0.68 μM）更高，甚至比顺铂（32.15 ± 2.13 μM）更有效。然而，具有额外铁环戊二烯基团的三核苷酸218与215b（37.97 ± 2.52 μM）相比并未获得更好的结果。

图20. 双核苷酸215a,b和三核苷酸218对A549癌细胞的细胞毒性。

Trivedi等人报道了含有对羟基苯基铁环戊二烯基醚基团的分子208a-g [67]对A549、HeLa、MDA-MB-231和MCF-7细胞系的细胞毒性（图21）。缀合物208d和208g是唯一表现出活性的两个化合物，其中208d对MCF-7细胞的最佳结果被记录在案（9.00 ± 0.03 μM）。

图21. 缀合物208a-g对HeLa、MDA-MB-231和MCF-7细胞系的细胞毒性。

最后，Trivedi等人描述了缀合物119a-b、120、121 [44]、184和198a-e [59]对小鼠神经母细胞瘤Neuro2a细胞的细胞毒性（图16、图18）。不到一半的化合物表现出低于10 μM的活性，最佳结果来自化合物198b、198c、198e和119b，细胞毒性范围为6.6至8 μM。

对于这些系列缀合物，很难得出关于对A549、HeLa、MDA-MB-231、MCF-7和Neuro2a细胞最有效的缀合物结构的结论。事实上，每个系列中至少有一个化合物的活性在3至10 μM之间，但没有任何产品同时对所有五个细胞系表现出低于10 μM的活性。

然而，可以观察到关于铁环戊二烯基和保护碳水化合物基团之间连接链长度出现了一种趋势（图22）。事实上，似乎最高活性出现在最短连接链长度时（184，60%；119-121，55%），增加原子数超过两个通常伴随着活性下降。化合物系列208值得额外评论，因为尽管208i,k和208h,j的连接链长度相同，但前者明显更活跃（图19）。然而，这可能是因为硒对生物活性的特殊影响，而非连接链效应。因此，进一步研究其他硒和硫缀合物的细胞毒性以证实或推翻这一趋势是值得的。试图更深入地分析这些结果纯粹是推测性的，因为许多性质可能从一个连接链变化到另一个连接链。事实上，酰胺基以及共轭可能会阻碍自由旋转，而氨基酸可能发展氢键。这些效应预计会影响缀合物与其靶标的实际识别，从而影响化合物的整体疗效。同样重要的是要强调，这些趋势仍具有指示性。事实上，IC50值并不总是可以直接比较的，因为它们可能来自不同实验室、在各异实验条件下进行的研究。

图22. 对A549、HeLa、MDA-MB-231、MCF-7和Neuro2a肿瘤细胞活性低于10 μM的缀合物百分比与铁环戊二烯基和碳水化合物之间连接链长度的关系。

同样令人惊讶的是，缀合物207和215a是唯一带有完全未保护糖的化合物。在未来的研究中，比较保护产物与其未保护类似物的活性将很有趣，后者可能具有更好的水溶性、生物降解性或对治疗靶点的亲和力等其他优势。

有趣的是，与戊糖相比，己糖在这些研究中代表不足，在三十七个产品中仅测试了六个（121、198e、206f、207和208e,g）。然而，我们知道癌细胞由于转运体增加而倾向于吸收更多葡萄糖（见Warburg效应，第3.1部分），引入该结构单元可能有利于向癌细胞递送。所研究的少量己糖实例突出了保护分子121，其对A549、HeLa、MDA-MB-231癌细胞的活性在5.5至7 μM之间，以及198e对MDA-MB-231和Neuro2a细胞的活性约为7.5 μM。

相反，Karban等人[73]研究了基于铁环戊二烯基三唑的凝集素抑制剂（219b–228b，图23），这些抑制剂来源于乳糖、N-乙酰半乳糖胺和硫二半乳糖苷。尽管这些化合物对MDA-MB-231、SK-OV-3和A2780癌细胞表现出弱至无细胞毒性（>85 μM），但详细的生物物理研究表明它们对人半乳糖凝集素-1（hGal-1）和半乳糖凝集素-3的碳水化合物识别结构域（hGal-3-CRD）具有强结合亲和力。特别是，化合物228b表现出纳摩尔级亲和力（对hGal-1为10 ± 0.001 nM，对hGal-3-CRD为400 ± 0.1 nM），与相应的非铁环戊二烯基类似物相比分别提高了54倍和7倍。

图23. 脱保护铁环戊二烯基己糖缀合物对SK-OV-3、MDA-MB-231和A2780癌细胞的细胞毒性。

Behr等人表明[76]铁环戊二烯基氨基糖239a-c（图24）对MDA-MB-231乳腺癌细胞增殖具有显著的浓度依赖性效应。最佳结果来自缀合物239b，在50 μM时显示出77%的细胞生长抑制，在100 μM时几乎完全灭活。有趣的是，该化合物的细胞毒性比参照药物顺铂高出多达10倍（顺铂在226 μM时达到50%生长抑制）。相反，化合物239c仅表现出弱活性，而其差向异构体240a在最大测试浓度（100 μM）下无任何抗增殖活性。还研究了微摩尔级的牛肾岩藻糖苷酶抑制。三种缀合物239a-c共享相似水平的活性（IC50 = 1.2至1.6 μM），略高于苯基类似物239d（IC50 = 4.5 μM），表明铁环戊二烯基取代基无法阻止吡咯烷配体与岩藻糖苷酶的结合。

图24. 铁环戊二烯基亚氨基糖对岩藻糖苷酶（牛肾）和MDA-MB-231细胞的细胞毒性。

Keppler等人[53]测量了化合物151（方案27）、153和160（方案28）对卵巢41M和CH1以及乳腺SK-BR-3和结肠SW480癌细胞的细胞毒性；最佳结果来自缀合物153，其对CH1细胞表现出低活性（340 μM）。

一组铁环戊二烯基糖缀合物也在小鼠淋巴细胞白血病细胞模型L1210和乳腺癌细胞模型HTB-129上进行了测试（图25）[47]。这些模型未显示出显著敏感性，最佳结果来自缀合物128a，IC50仅为87 μM。对于L1210细胞，获得了从13.5到67 μM不等的细胞毒性。值得注意的是，乙酰化产物125a比其未保护的对应物125b更有效（分别为17 μM和67 μM），而使用1,1'-二取代铁环戊二烯129和130导致较低的IC50值（分别为15.5和13.5 μM）。

图25. O-、N-和铁环戊二烯基硫糖对L1210和HTB-129癌细胞的细胞毒性。

人乳腺癌细胞系MDA-MB-435S和人结肠癌细胞系Caco-2被Orvig等人用于测试缀合物254和256a-c（图26）[80]。还包含了非癌性人乳腺上皮细胞系MCF-10A作为参照。不含氯喹啉中4-氨基喹啉部分但含有醛基的铁环戊二烯基葡萄糖呋喃254，其IC50值显著高于氯喹啉基铁环戊二烯256a-c（高20至40倍）。

图26. 氯喹啉基铁环戊二烯基葡萄糖呋喃对Caco-2、MDA-MB-435S和MCF-10A细胞系的细胞毒性。

后者具有有趣的IC50值，覆盖范围从1.5 μM到5.5 μM。两个氨基之间连接链的长度（256a，乙基；256b，丙基；256c，2,2-二甲基丙基）对化合物的整体毒性无显著影响。最后，正常细胞（MCF-10A）受到的影响与癌细胞（MDA-MB-435S和Caco-2）一样大。对于未来的工作，通过合成这些化合物的其他立体异构体来评估手性对生物活性的影响将很有趣。

2000年，Itoh等人[52]研究了多种铁环戊二烯基糖缀合物对小鼠乳腺肿瘤FM3A细胞的细胞毒性（图27）。化合物161在微摩尔水平表现出活性（5.6 μM）。

图27. 铁环戊二烯基糖对疟原虫的体外抗疟活性和对FM3A细胞的细胞毒性。

4.3. 抗氧化活性

Trivedi等人发表了两项研究[45,59]，关于生物缀合物119a-b、120、121、184和198a-e作为抗氧化剂的潜在用途（图28），通过评估它们对1,1-二苯基-2-苦基肼基（DPPH）自由基的影响。

图28.

DPPH自由基清除活性（以浓度相对于标准抗氧化剂抗坏血酸的功能来表示，单位为μM）以及生物偶联物119a-b、120、121、184和198a-e的抗菌和抗真菌研究（最小抑菌浓度MIC以μM表示）。

四种化合物显示出与抗坏血酸相当的抗氧化活性（41至46 μM），其中化合物119b和120的评估测试中抗坏血酸的值为39.2 μM，化合物184和198a的评估测试中为40.28 μM，而未检测到化合物198d的活性。所有其他生物偶联物均表现出弱至中等活性（54至121 μM）。

2020年，Dao等人对该工作进行了良好的补充研究，[143] 将茂铁与两种已知抗氧化剂——咖啡酸和阿魏酸相结合。他们通过综合分析（合成、DFT计算、生物活性）表明，这些生物偶联物（不含碳水化合物部分）在微摩尔水平上对MCF7和MDA-MB-231癌细胞均具有高效活性，且抗氧化能力优于单独的酸。2011年，有关于茂铁衍生物作为抗氧化剂的研究综述。[144]

**4.4. 抗菌和抗真菌活性**

Trivedi等人最终研究了生物偶联物119a-b、120、121、184和198a-e（图28）对金黄色葡萄球菌MTCC96、MLS16 MTCC2940、枯草芽孢杆菌MTCC121、黄色微球菌MTCC2470、植物克雷伯菌MTCC530、大肠杆菌MTCC739、铜绿假单胞菌MTCC2452和白色念珠菌MTCC3018的抗菌活性。[45,59]

吡喃半乳糖119a、120和198e通常表现出弱至无抑制作用，除了在MTCC96和MTCC530上观察到198e的9.37 μM活性外。苄基化生物偶联物119b被证明显著优于其未保护的对应物119a（MIC范围为4.68至18.75 μM），除了对菌株MTCC2470和MTCC3018外。同样，未保护产物198a对菌株MLS16 MTCC2940和MTCC530的作用力不如其受保护的类似物198b（9.37 μM）。相反，与198b不同，化合物198a对菌株MTCC96、MTCC739和MTCC2453有轻微活性（18.75至37.5 μM）。最后，在这些系列中比较119a与198a、119b与198b、120与198d和121与198e时，关于三唑和酰胺之间最佳连接基的问题仍有待讨论。该团队还表明，含有酰胺、三唑和亚甲基在其连接基中的类似产物194a-f和195对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌以及白色念珠菌没有抑制活性，即使在300 μg/mL的浓度下也是如此。

Montesarchio等人还报道了化合物283a-h（方案53）对代表性细菌（金黄色葡萄球菌和沙门氏菌属）、分枝杆菌（耻垢分枝杆菌和偶然分枝杆菌）以及真菌（白色念珠菌和烟曲霉）没有明显的抗菌和抗真菌活性。[92]

**4.5. 抗疟疾活性**

Orvig等人发表了四篇文章，报道了迄今为止关于茂铁-糖偶联物抗疟疾活性最全面的研究。[47,77,80,81] 这些研究针对疟原虫进行，使用两种氯喹敏感株（CQS D10和3D7）和两种抗性株（CQR Dd2和K1）。对寄生虫的"对氯喹敏感"和"抗性"的定义为：IC50值低于0.1 μg/mL（相当于194 nM的CQ）为敏感，高于1 μg/mL（1940 nM的CQ）为抗性。在这两个值之间，该菌株被认为对氯喹半敏感。另一方面，抗性指数（RI）是比较抗疟活性的有效指标，它是氯喹抗性株和氯喹敏感株之间IC50值的比值：对于受试分子，RI大于1意味着其对CQR菌株的活性低于对CQS菌株的活性；RI小于1表示受试分子对CQR的活性高于对CQS菌株。由于RI仅比较这两个值，要了解分子的抗疟效能，还需将其IC50值与参考分子的IC50值进行比较。

此外，疟疾研究还针对葡萄糖消耗进行了研究，[108] 因为观察到感染疟原虫的红细胞在寄生虫生命周期的各个阶段都会吸收和代谢更多的葡萄糖。最后，4-氨基喹啉结构基团在抗疟化合物的构建中已被证明是必需的，这一点在多种药物中存在该结构基团的事实可以得到证实。[145]

因此，将其中几个结构基团（茂铁基、4-氨基喹啉和糖类）组合在同一结构中，在寻找抗疟活性新生物偶联物的背景下变得显而易见。Orvig等人测试了这类结构（256a-c、258b-c、252、248a-b和249a-b），仅含有4-氨基喹啉结构基团的茂铁衍生物（330a-c），以及仅包含碳水化合物基团的茂铁衍生物（257、331、123、124、126、133、125a-b、129、128a和130）。这些化合物的活性较弱（>12.5 μM），除了化合物130和133，后者具有中等的体外抗疟活性：分别<6.7 μM（D10）、16.4 μM（3D7）、15.4 μM（K1）以及4.9 μM（3D7）、6.1 μM（K1）。生物偶联物130和133是茂铁-1,1'-二酯和二硫酯，比其单取代对应物124和128a（仅含有一个糖基，对敏感株D10和3D7以及抗性株K1的活性均高于12.5 μM）更活跃。124和125a的去保护类似物126和125b在活性方面没有显著差异。

图29. 茂铁-糖及其相应的游离糖类似物的抗疟活性

通过以下结果证明了喹啉结构基团在所测试生物偶联物中的重要性：i）4-羟基喹啉衍生物248a,b和249a,b对D10、3D7和K1菌株的实验结果，其IC50值处于微摩尔水平（0.77至16.8 μM）；ii）更加高效的化合物330a-c、256a-c和258b,c，这些化合物含有氯喹特有的4-氨基-7-氯喹啉基团，对D10、Dd2和K1菌株显示出纳米摩尔水平的活性，后者的效率优于CQ，除了对D10菌株外，其抗性指数RI1和RI2（RI1/RI2 = 0.6/0.1至3.1/3.3）远优于CQ（RI1/RI2 = 10/20），330a除外（RI1/RI2 = 0.6/24.7）；iii）与含有喹啉部分的类似物256a-c（活性至少强60倍）相比，化合物331在微摩尔水平的低活性；iv）与含有喹啉环的类似物258b-c（51至135 nM对>200 nM）相比，化合物257在微摩尔水平的低活性。

除了氯喹中的7-氯-4-氨基喹啉基团外，作者还纳入了甲氟喹中的2,8-双(三氟甲基)喹啉基团（化合物248b和249b），这是疟疾化学预防中使用的主要药物之一。另一方面，碳水化合物基团对所研究分子活性的贡献尚不明确。因此，化合物256a（分别256b、258b和256c、258c）的IC50值并不优于其无糖对应物330a（分别330b和330c）。结果因所测试的菌株不同而变化，但IC50值仍在16至1500 nM的范围内。

关于CQ固有的侧链性质的影响，在D10和Dd2菌株上，从单取代化合物330a（D10为60.8 nM，Dd2为36.2 nM）到330b（D10为138 nM，Dd2为300 nM）观察到活性丧失，后者多一个碳原子。从256a（D10为90.2 nM，Dd2为157 nM）到256b（D10为147 nM，Dd2为173 nM）也观察到了类似的效果。相反，当该链的长度增加时，对抗性菌株K1的活性增加：330a（1500 nM）与330b（16.1 nM），以及256a（119 nM）与256b（47.7 nM）。对于252、248a,b和249a,b，由于其喹啉部分和茂铁之间缺少碳链，无论测试哪种菌株，其活性都较低，为770至1680 nM。当通过用2,2-二甲基丙基取代丙基片段来改变链的性质时（从256b切换到256c或从258b切换到258c），抗疟活性没有出现总体趋势。最后，通过测试分子248a,b、249a,b和256a-c的非对映异构体化合物来研究平面手性对抗疟活性的影响将很有趣。然而，Orvig等人报道了迄今为止关于茂铁-糖衍生物抗疟活性最全面的研究。

**4.6. 催化**

均相不对称催化依赖于自然资源来寻找新的对映体富集催化剂或配体。该领域一个特别有趣的发展涉及使用含有茂铁基团的金配合物作为催化剂。[146] 氨基酸和/或多肽、[147] 生物碱、[148] 酒石酸[149]和萜烯[150]在这方面得到了特别广泛的应用。另一方面，尽管碳水化合物丰富、结构多样且价格低廉，但它们的使用却相对不足。[151] 这可以解释为存在多个羟基，使其转化比大多数其他手性分子来源更加复杂和耗时。此外，糖类通常处于构象平衡中，这可能会降低其在催化反应中控制立体选择性的效果。因此，利用这种对映体纯且价格低廉的分子来源仍然是均相催化领域的一个相关课题。

Wick等人于1996年报道了茂铁-糖在不对称催化中的应用。[84] 涉及外消旋烯丙基乙酸酯332与碳酸二甲酯阴离子333之间的Tsuji-Trost反应（方案66），在配体275存在下由Pd(0)催化，以88%的对映体过量值得到化合物334。值得注意的是，用其非糖类类似物335a和335b替换配体301后，对映体过量值更低，表明硫代葡萄糖部分对反应的立体控制有所贡献。

方案66. 使用受保护的茂铁-硫代葡萄糖作为配体的对映选择性合成

其他两项涉及茂铁-糖在催化中的应用的研究采用了环糊精作为酶模型。Suzuki等人报道了化合物296b催化的醇到醛的氧化反应，该化合物将茂铁核心通过酯键与环糊精连接，并埋入环糊精腔中。[101] （方案67）通过电化学氧化产生的反应性茂鎓形式336被排出疏水腔外，从而允许醇进入以生成中间体337。作者随后提出从醇到茂鎓的单电子还原以生成中间体338。然而，由于这将是一个双电子转化过程，单电子转移将只产生自由基338b。自由基到碳正离子338a的第二氧化仍然需要，并且可能涉及另一种氧化剂，或者通过茂铁介导的反应直接进行（O?，电化学）。该中间体随后排出所需的醛，茂铁基团返回环糊精腔内。虽然没有提供动力学常数，但研究表明，在12小时内，每个催化剂分子平均将22个苄醇和59个1-萘甲醇分子转化为各自的醛——这些数值是参考催化剂甲氧基羰基茂铁108在24小时后所达到数值的十倍以上，后者不结合底物。几年后，Mikkelsen等人使用相同的策略，用配合物159将半胱氨酸和谷胱甘肽中的硫原子氧化为相应的二硫化物。[97] （方案56）

方案67. 茂铁-环糊精作为醇氧化的酶模型

**5. 结论**

有机金属化学与生物医学创新的交汇使茂铁-糖偶联物成为一类具有治疗和诊断潜力的杂化分子。通过将茂铁——一种以铁为中心的稳健结构基团——的氧化还原反应性与碳水化合物的靶向精度和生物相容性相结合，这些偶联物提供了一个双重功能平台，以应对设计生物活性新分子的关键挑战。本综述强调了实现此类茂铁-糖结构的多样化合成策略，从点击化学和金属催化偶联到亲电取代和还原胺化。其主要应用与生物活性相关，特别是作为潜在的抗癌、抗微生物和抗疟剂，以及作为设计基因传感器的创新工具。对其作用机制的见解——特别是ROS介导的细胞毒性和碳水化合物促进的靶向运输——突显了它们超越传统有机药物的潜力。

随着该领域的发展，化学、生物学和临床医学之间的跨学科合作对于充分发挥这些分子的潜力至关重要。将茂铁-糖偶联物成功整合到主流治疗和诊断中，需要克服当前的局限性，同时利用其独特优势——精准靶向、氧化还原活性和生物相容性。

最终，这些生物有机金属杂化物表明，创新的分子设计如何能够彻底改变医学。

通过不断优化其合成工艺、深化机制理解并拓展应用范围，二茂铁糖缀合物有望重塑治疗策略，为未来更有效、更具选择性和可持续性的治疗方案带来希望。
CRediT 作者贡献声明
Ahmed El Rhaz：数据整理。William Erb：验证。Samir Messaoudi：数据整理。Franck Le Bideau：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，构思。
Ahmed El Rhaz|William Erb|Samir Messaoudi|Franck Le Bideau