一种实用且灵活的脱氧碳代糖及其环缩水糖环氧体的从头合成方法

《European Journal of Organic Chemistry》：A Practical and Flexible De Novo Synthesis of Deoxygenated Carbasugars and Their Cyclitol Epoxides

　　叶夫亨尼·拉德琴科（Yevhenii Radchenko）、尼克·D·F·普伊姆布罗克（Nick D. F. Puijmbroeck）、桑娜·M·维尔杜因（Sanne M. Verduin）、耶伦·D·C·科德（Jeroen D. C. Codée）和赫尔曼·S·奥弗克利夫特（Herman S. Overkleeft）来自荷兰莱顿大学的莱顿化学研究所。关于碳糖（carbasugars）和环醇缩酮糖苷模拟物（cyclitol epoxides）的文献主要集中在完全羟基化的环醇结构上。然而，自然界中存在多种部分脱氧且构型各异的糖类，这些糖类同样值得转化为相应的碳糖和环醇缩酮糖苷。为此，我们开发了一种从头合成方法，该方法以对映选择性布朗克罗特基化（enantioselective Brown crotylation）和环闭合茂金属环化（ring-closing metathesis）为核心步骤，能够合成α-和β-碳帕拉托斯（α- and β-carba-paratose）、α-和β-碳科利斯托斯（α- and β-carba-colitose）以及四种构型的脱氧环费利托尔（deoxycyclophellitol）异构体。

**引言**
碳糖，也称为伪糖（pseudosugars），是一类碳水化合物的类似物，其环状氧原子被碳原子取代。这一单一取代使得碳糖对酸催化的水解具有稳定性，这一特性使得多种不同的构型碳糖被用于寻找具有竞争性的糖苷酶抑制剂[1, 2, 3]。通过给碳糖引入一个氧桥连接到两个碳原子上，模拟其母体糖的环氧基和异头碳原子，可以得到环醇缩酮糖苷（cyclophellitols），这是一个独特的碳糖家族，其代表成员是环费利托尔2[4, 5]。这些化合物被广泛用作基于机制的糖苷酶抑制剂和活性探针[6]。

**下载：**
- 下载高分辨率图片（10KB）
- 下载全尺寸图片

**碳糖在自然界中的分布**
碳糖在自然界中广泛存在，过去十年中出现了多种合成策略，从而可以获得多种构型和功能性的碳糖[1, 2, 3, 4, 5]。然而，这些天然和合成的碳糖主要是完全功能化单糖（如α-葡萄糖、β-半乳糖和β-N-乙酰葡萄糖）的结构类似物。换句话说，它们是针对哺乳动物糖加工酶的糖苷模拟物。实际上，单糖（以及寡糖/多糖和糖缀合物）在结构和功能上的多样性要大得多。微生物界产生了数百种结构和功能多样的单糖，其中包括多种部分脱氧的结构[7, 8, 9, 10]。我们认为将这些单糖转化为相应的碳糖是具有意义的，并且从头合成方法最适合用于构建结构和构型多样的化合物库。

**我们的工作重点**
我们的研究主要集中在构型和功能性环费利托尔异构体的合成及其在糖苷酶活性研究中的应用[6]。我们评估了一系列完全羟基化的环费利托尔及其糖基化衍生物作为活性探针，以识别和可视化保留性外糖苷酶（retaining exo-glycosidases）和内糖苷酶（retaining endoglycosidases）。这些化合物通过模仿醛糖的构型和取代模式，对相应的保留性糖苷酶具有高度选择性：环费利托尔主要针对保留性β-糖苷酶[11, 12]，而α-半乳糖基环费利托尔则选择性地作用于α-半乳糖苷酶[13]，α-甘露糖基环费利托尔针对α-甘露糖苷酶[14]。为了开发广谱的保留性糖苷酶探针，我们还报道了了几种3-和3,6-脱氧环费利托尔的合成[15, 16]。我们发现，尽管对特定保留性糖苷酶的抑制效力有所下降，但某些化合物确实能够同时作用于多种糖苷酶家族：保留性葡萄糖苷酶、半乳糖苷酶和甘露糖苷酶。这些化合物是通过多步骤合成路线中的位点选择性脱氧作用获得的。在此，我们报告了α-和β-D-帕拉托斯（α- and β-D-paratose）以及α-和β-L-科利斯托斯（α- and β-L-colitose）的伪糖对应物的从头合成方法。我们的合成路线基于对取代戊烯（substituted pentenals）的对映选择性布朗克罗特基化[17, 18, 19]，这些戊烯是通过叔丁基丙烯酸酯和丙烯醛的醛醇缩合反应获得的，随后通过酶促动力学拆分得到的二烯进一步经过环闭合茂金属环化得到目标化合物。这种方法简洁且灵活，能够方便地获得碳糖和环费利托尔的构型类似物。

**结果与讨论**
目标脱氧伪糖和环费利托尔的合成始于对映异构体对(S)-3-O-TBDPS-4-戊烯(3, 方案1)和(R)-3-O-TBDPS-4-戊烯(10, 方案2)，我们通过调整文献中的方法制备了这些化合物[20, 21]。

**合成步骤**
对3进行布朗克罗特硼基化（Brown crotylborylation）时，使用Z-H3CCH=CHCH2B((+)-ipc)2(4)，该试剂是通过(+)-B-甲氧基二异丙叉丙烷与Z-丁-2-烯基钾（通过Z-2-丁烯与正丁基锂和叔丁基氧化钾混合物反应制备）处理后，再与BF3醚化物反应得到的，主要产物为1,7-二烯5，通过硅胶色谱法分离出少量形成的非对映醇。选择布朗试剂可以控制C5和C6原子的立体化学，利用可能的六元过渡态中的空间位阻效应。使用第二代Grubbs催化剂对5进行环闭合茂金属环化，从3开始的两步反应中获得了43%产率的环己烯6。环己烯9的制备效率相似，通过将醛3与布朗的E-克罗特基硼试剂7反应获得。类似地，对映异构体醛10经过两步反应转化为环己烯12、15和18，分别使用布朗试剂4、13和16，随后对相应的非对映二烯11、14和17进行环闭合茂金属环化。

**环己烯作为伪糖前体的多功能性**
利用环己烯作为前体，我们合成了D-碳帕拉托斯(25)和L-碳科利斯托斯(33)和36的两种伪异头形式（方案3）。例如，通过使用对位甲氧基苯基（para-methoxybenzyl）亚胺（PMB）亚胺19和樟脑磺酸将12中的仲醇保护为对位保护形式，得到正交保护的环己烯20。20与原位生成的甲基(三氟甲基)二氧环丙烷（methyl(trifluoromethyl)dioxirane）反应，分别以28%和47%的产率得到非对映异构体环氧化物21和22。我们发现，通过改变亲核试剂的性质和反应温度可以控制环氧化物的区域选择性还原开环。在室温下使用锂三乙基硼氢化物（lithium triethylborohydride）时，按Fürst–Plattner途径（图2）对4H3构象的α-配置环氧化物21进行区域选择性开环，得到C1-醇（按照母体碳水化合物的编号方式标记）[22, 23, 24]。

**还原开环的多样性**
这种还原开环反应几乎定量地生成了部分保护的α-D-碳帕拉托斯23和24混合物，因为部分硅基迁移到了新生成的醇酯上（先前观察到在碱性条件下碳水化合物类似物上也会发生硅基迁移[25]）。随后通过四丁基铵氟化物（tetrabutylammonium fluoride）去除硅基保护基团，再通过三氟乙酸（trifluoroacetic acid）去除PMB保护基团，获得了单一立体异构体的α-D-碳帕拉托斯25。采用类似的制备方法，从环己烯22也可以高效地制备β-L-碳帕拉托斯27。对于这种环氧化物，使用体积较大的还原剂（L-selectride）在较高温度下进行区域选择性还原开环，得到26。同样地，从环己烯9开始也可以制备α-L-碳科利斯托斯33和β-L-碳科利斯托斯36。通过对12和18进行保护和环氧化后，分别使用原位生成的甲基(三氟甲基)环氧丙烷或mCPBA，得到α-环氧化物29和β-环氧化物30。再次使用锂三乙基硼氢化物可以实现α-环氧化物的区域选择性开环，而β-环氧化物30则需要使用L-selectride。在这些反应中也观察到了硅基迁移。通过四丁基铵氟化物介导的去硅基化和PMB脱保护反应，得到了目标化合物α-L-碳科利斯托斯33和β-L-碳科利斯托斯36。值得注意的是，在这些研究中，PMB保护（如12到20和9到28的保护）有助于防止硅基迁移，否则会导致更复杂的反应混合物。

**直接合成环醇缩酮糖苷的策略**
跳过还原开环步骤可以直接合成环醇缩酮糖苷，这些化合物作为潜在的糖苷酶抑制剂具有研究价值。去除21、22、29和30中的保护基团后，可以得到相应的帕拉托斯和科利斯托斯环费利托斯。由于在还原开环过程中不会发生硅基迁移，因此更直接的方法是直接对环闭合茂金属环化产物进行环氧化（方案1和2），然后再进行去硅基化。该策略在方案4中得到了体现，用于从部分保护的环己烯12和18合成三种构型的环费利托尔异构体。使用mCPBA处理12得到环氧化物37，产率为63%，同时生成约20%的互变异构体环氧化物。通过对环己烯18进行相同的处理，得到了α-和β-D-阿贝科利斯托斯(α- and β-D-abequose)-配置的环费利托斯41和42。

**结论**
总之，本研究提供了一种简便的方法来合成3,6-脱氧伪糖和环醇缩酮糖苷，这两类化合物分别作为潜在的竞争性抑制剂和基于机制的抑制剂。我们的关键步骤包括对保护的、手性的3-羟基-1-戊烯（3-hydroxy-1-pentanal）进行对映选择性布朗克罗特硼基化，这一过程基于文献中的动力学拆分策略进行调整；随后对得到的三取代1,7-二烯进行环闭合茂金属环化。环氧化得到的环己烯生成环醇缩酮糖苷，而区域选择性环氧化物还原则得到相应的碳糖。我们合成了多种这类化合物，并通过改变布朗硼试剂和/或醛的立体化学性质，展示了进一步合成构型异构体的方法。通过改变醛和布朗试剂的取代模式，还可以获得结构异构体；而在环醇缩酮糖苷中用氮杂环丁烷（aziridine）取代环氧化物，可以开发新的基于活性的糖苷酶探针。总体而言，我们的工作为糖苷模拟研究领域做出了贡献，并提供了通过从头合成途径获得脱氧糖苷的新方法，这与通常需要从手性原料（包括糖类）制备的完全取代糖苷有所不同。

**支持信息与资助**
本研究得到了欧洲研究委员会（European Research Council，项目编号ERC-2020-SyG-951231 “CARBOCENTRE”）和荷兰科学研究组织（Netherlands Organization for Scientific Research，项目编号2018-714.018.002 “ENDOGLYCOPROBE”）的支持。

**利益冲突声明**
作者声明没有利益冲突。

**数据可用性**
支持本研究结果的数据可向相应作者索取。由于隐私或伦理限制，这些数据不公开提供。