新型6-(甲氧羰基)吡啶甲酰基(Dent)保护基克服糖苷化反应中的反应活性限制

《Organic and Biomolecular Chemistry》：Overcoming reactivity limitations in glycosylation with a novel protecting groupOpen Access

　　

控制糖苷化反应的立体选择性是在所有不受邻近参与基团辅助的糖苷化反应中一项极其艰巨的任务。已知氢键介导的糖苷配基递送（HAD）反应能够在带有吡啶甲酰基（Pico）保护基的糖基供体反应中提供有效的立体控制手段。为进一步改进该方法，研究人员在此报道了一种合理设计的6-(甲氧羰基)吡啶甲酰基（Dent）保护基。Dent保护基提供了有些出乎意料的结果。一方面，在大多数应用中，其立体选择性低于相应带有Pico保护基的糖基供体所实现的选择性。另一方面，相当引人注目的是，Dent保护的糖基供体被发现具有极高的反应活性，这使得在Pico保护糖基供体效率低下或无法产生制备规模上有用结果的反应中，Dent保护糖基供体能够实现非常高效且迅速的反应。

糖苷化反应的立体选择性控制是聚糖合成中极具挑战的核心问题。虽然1,2-反式糖苷键可通过邻基参与效应可靠构建，1,2-顺式糖苷键的立体选择性合成仍是糖化学领域公认的难题。研究人员所在实验室前期开发了吡啶甲酰基（Pico）保护基，其通过氢键介导的糖苷配基递送（HAD）反应途径可实现对多种糖苷键的有效立体控制。然而Pico保护基并非万能方案，在部分糖苷化反应中表现出反应活性不足、产率偏低等问题。受单晶结构观察到Pico基团中吡啶环氮原子与相邻羰基氧均可参与氢键相互作用的启发，研究人员合理设计并合成了带有额外羰基的6-(甲氧羰基)吡啶甲酰基（Dent）保护基，旨在增强氢键接受能力并拓展HAD方法的应用范围。

研究人员系统比较了Dent与Pico保护的葡萄糖和甘露糖供体在多种糖苷化反应中的表现，并通过竞争实验、变温核磁共振氢谱（VT-NMR）等手段研究了Dent基团的作用机制。研究发现Dent保护基赋予了糖基供体极高的反应活性，即使在超高稀释浓度下反应仍几乎瞬间完成；竞争实验表明4-O-Dent供体的反应活性远超4-O-Pico对应物。在立体选择性方面，Dent基团的表现因供体位置和受体的不同而呈现复杂局面：6-Dent葡萄糖供体与伯羟基受体反应时实现了完全的β-选择性，但在多数其他组合中立体选择性不如Pico保护基。该团队进一步将Dent保护基应用于多类此前Pico保护供体反应效率低下的体系——包括3-Pico-2-叠氮-2-脱氧葡萄糖供体、6-Pico-3-脱氧葡萄糖供体、以及带有大位阻Fmoc基团的仲醇受体等——均实现了反应速率的大幅提升和产率的显著改善（如反应时间从72小时缩短至5分钟，产率从小于5%提升至67%）。此外研究人员证实Dent基团可在温和条件下化学选择性脱除（Cu(OAc)₂·H₂O），并通过与唾液酸供体的偶联展示其在迭代多步合成中的应用价值。变温核磁共振研究表明Dent基团确实具备与Pico相当的氢键接受能力。该研究揭示Dent保护基在克服糖苷化反应活性限制方面具有重要应用前景，但其立体选择性调控效果与保护基位置及反应条件密切相关，相关机制有待进一步阐明。

研究人员在开展该研究时采用的主要关键方法包括：通过EDC/DMAP酯化偶联将6-(甲氧羰基)吡啶-2-羧酸（DentOH）安装到不同位置的糖基供体上，合成系列Dent保护的单糖砌块；采用N-碘代丁二酰亚胺（NIS）和三氟甲磺酸三甲基硅酯（TMSOTf）作为促进剂体系进行糖苷化反应，在高稀释浓度（5.0 mM）等标准HAD反应条件下系统比较Dent与Pico供体的反应活性和立体选择性；利用竞争实验在同一反应体系中对两种供体的相对反应活性进行直接对比；借助变温核磁共振氢谱测定羟基质子温度系数（Δδ/ΔT），评估供体–受体对间的分子间氢键作用。此外还考察了Cu(OAc)₂·H₂O对Dent基团的化学选择性脱除条件，并将其应用于多步迭代合成。

Dent与Pico保护基在模式糖苷化反应中的对比研究。研究人员以标准伯羟基受体4为糖基受体，比较了4-O-Dent葡萄糖供体2与4-O-Pico葡萄糖供体3在1,2-二氯乙烷（1,2-DCE）中的反应。结果表明供体2反应极快（5分钟），产率高达97%，但无立体选择性（α/β = 1/1.2）；而供体3在30分钟内以87%产率实现完全α-选择性。溶剂筛选实验显示乙醚中α/β比可提高至4.0/1，反应速率降至60分钟。在超高稀释（0.5 mM）条件下供体2仍几乎瞬时反应，表明Dent基团赋予供体显著增强的反应活性。与仲羟基受体7反应时4-O-Dent供体2得到以β-为主的产物（α/β = 1/4.7，80%产率），与4-O-Pico供体所预期的α-选择性截然相反。

6-O-Dent葡萄糖供体的立体选择性研究。6-O-Dent葡萄糖供体11与伯羟基受体4反应在5分钟内以96%产率实现完全β-选择性，与6-O-Pico供体13的结果相同但速率明显更快（5分钟对20分钟）。然而在与仲羟基受体5和6的反应中，6-O-Dent供体11得到以α-为主的产物（α/β = 1.9–3.5/1），与伯羟基受体反应时的β-专一性形成鲜明对比。

Dent保护甘露糖供体的研究。3-O-Dent甘露糖供体17与受体4反应以81%产率仅得到α-异构体（通过¹J_C1′,H1′ = 167 Hz确认），而3-O-Pico供体19在45分钟内以74%产率得到β-选择性产物（α/β = 1/4.7）。6-O-Dent甘露糖供体22与伯羟基受体反应15分钟产率92%，但立体选择性差（α/β = 2.7/1），而6-O-Pico甘露糖供体24虽然更慢（45分钟，55%产率）却实现完全β-选择性。

竞争反应实验。4-O-Dent供体2与4-O-Pico供体3在同一反应瓶中竞争与受体4的反应。产物分离表明仅Dent供体2反应生成二糖8（89%产率），未检测到Pico供体3的产物，且72%的供体3被回收。该实验结果明确证实Dent保护基显著提升糖基供体的反应活性。

克服Pico保护供体反应活性的应用研究。研究人员选取了多种此前Pico保护供体反应缓慢或产率偏低的体系进行对比。3-Pico-2-叠氮-2-脱氧葡萄糖供体27与受体4反应需72小时，产率仅39%（α/β = 8.0/1）；换用3-Dent供体29后反应在30分钟内完成，产率65%，且仅生成β-异构体。3-Pico-2-叠氮-4,6-二苯甲酰基供体31反应需5小时，产率69%（α/β = 1/3.0）；换用3-Dent供体33后10分钟完成，产率86%，β-专一。6-Pico-三苯甲酰基供体35与脂肪族受体36反应72小时产率低于5%；6-Dent供体38仅需5分钟即获得67%产率。6-Pico-2-叠氮供体40与大位阻仲醇受体41反应24小时产率仅24%；6-Dent供体43在15分钟内产率高达98%。以上所有反应均因C-2邻基参与而表现完全β-选择性。

Dent保护基的脱除与多步合成应用。研究人员考察了此前用于Pico化学选择性脱除的条件是否适用于Dent。化合物39经Cu(OAc)₂·H₂O在甲醇/二氯甲烷混合溶剂中处理，以98%产率获得6-OH衍生物45。化合物45进一步与唾液酸供体46在NIS/TfOH促进下反应，得到二糖47（74%产率），成功展示了Dent保护砌块在迭代多步寡糖合成中的实用性。

变温核磁共振氢键研究。研究人员通过测定等摩尔供体–受体对的羟基质子温度系数（Δδ/ΔT）来评估氢键相互作用。4-O-Pico供体3与受体4的混合体系测得Δδ/ΔT = -0.9 ppb K^-1，4-O-Dent供体2与受体4的混合体系同样测得Δδ/ΔT = -0.9 ppb K^-1，而全苄基化对照供体50与受体4的体系Δδ/ΔT = -0.3 ppb K^-1。该结果表明Dent基团具有与Pico基团相当的氢键接受能力，排除了Dent缺乏氢键能力的可能性。

讨论部分总结。研究人员指出Dent保护基在立体选择性方面整体不如Pico保护基，但其突出的反应活性增强效应为克服糖苷化反应中的活性限制提供了新策略。基于变温核磁共振证实Dent具备氢键接受能力但立体选择性表现不稳定的现象，研究人员推测Dent基团可能在糖苷化反应中间体的去质子化步骤中发挥积极作用，该步骤是糖苷化反应生成中性产物的关键环节。另一种可能是Dent基团较大的空间体积在某些情况下阻碍了HAD反应路径的进行，而在另一些情况下仍能提供预期的立体选择性。研究人员表示正在进行深入的实验和机理研究，以阐明氢键相互作用在Dent体系某些应用中效果不及Pico的原因。机理研究部分表明，Dent作为一种保护基为克服糖苷化反应中已被证明低效的反应活性限制开辟了令人兴奋的新途径。

研究结论翻译。控制糖苷化反应的立体选择性是聚糖合成中的一项艰巨任务。已知HAD反应能在Pico保护糖基供体的反应中提供有效的立体控制手段。为进一步研究该方法，研究人员在此报道了一种合理设计的6-(甲氧羰基)吡啶甲酰基（Dent）保护基，其在立体选择性方面产生了出乎意料的结果，尽管反应活性显著增强。因此，一方面，其立体选择性低于带有Pico保护基的糖基供体所实现的选择性；另一方面，Dent保护的糖基供体被发现具有极高的反应活性。将Dent保护的糖基供体应用于多类此前Pico保护糖基供体未能产生制备规模上有用结果的反应中，展示了该类化合物的实用价值。