三峡大学黄年玉、姚辉/山东大学李晓溪Org. Lett.：基于π-π相互作用实现O-糖基化反应的双立体选择性控制

三峡大学生物与制药学院天然产物研究与利用湖北省重点实验室与山东大学化学化工学院前沿化学研究院合作报道了一种基于π-π相互作用实现O-糖基化反应α和β双立体选择性精准控制的策略。相关成果发表在Organic Letters上（Org. Lett. 2024, 26, 5396–5401. DOI: 10.1021/acs.orglett.4c02019），第一作者为硕士研究生孙阳星和任珂珂，通讯作者为黄年玉、李晓溪和姚辉。

糖基化反应是将糖分子连接到其他糖、蛋白质、脂质、天然产物或药物上的过程，是糖化学和糖生物学的核心。由于端基异构体的立体化学在很大程度上影响着碳水化合物的生物活性（图 1a），立体选择性的控制一直是糖类化合物合成的主题，因为糖苷键涉及α-和β-两种构型。现阶段，利用饱和糖基供体已经开发出了许多有效的糖基化方法。随着烯烃化学的发展，不饱和糖基供体（烯糖）也得到了广泛的探索（图 1b），其中大部分是由Brønsted酸或Lewis酸介导，通过异头效应引起的Ferrier重排反应生成α-糖苷（混合物）。过渡金属催化已成为一种多功能的手段，可通过η³-烯丙基钯中间体的配位效应实现β-O-糖苷的立体选择性合成。但是目前同时实现双立体选择性（α 和 β）糖基化的报道仍然较为罕见，而这正是复杂寡糖和糖缀合物合成所需的。近期，钮大文教授开发了一种新型Pd催化的交叉偶联的苯酚类似S_N2-糖基化反应，可分别以β和α-硫糖苷为糖供体，通过糖基化反应得到α和β-2-脱氧糖苷（图 1c）, 其中钯-硫配位促进了反应的发生。喹啉分子也表现出很强的钯配位能力，已被广泛用作立体选择性合成中的导向基团，四川大学杨劲松老师也发展了基于其氢键作用的糖基化方法。而喹啉作为一个芳基环，也可以与另一个芳基环形成π-π堆积作用，这一点尚未得到很好的发展。三峡大学黄年玉/姚辉课题组一直致力于开发有效糖基化新方法，设计了一种3-O-喹啉酰基糖供体（图1d），该糖供体可在60°C和110°C下由钯催化通过π-π相互作用立体选择性地分别合成α-和β-O糖苷。

图1 立体选择性合成α-和 β-O-糖苷（来源：Org. Lett. ）

作者以3-O-喹啉酰基-D-葡萄糖烯糖1a与BnOH反应进行条件优化。并在最佳条件下，探索了 β-O-糖苷的底物范围（图 2a）。在 60°C的条件下，以各种伯醇、仲醇和叔醇为受体，以中等至高产率和唯一的立体选择性获得了所需的β-O-糖苷（3b-8b）。其中化合物8b通过单晶 X-ray证实了其构型。当使用Boc-D-丝氨酸甲酯作为受体时，糖基氨基酸 9b顺利生成。由于寡糖合成是糖基化最关键的应用之一，因此对不同的糖苷键进行了研究。以 6-OH 单糖为受体，以高产率（79%-84%）和单一的β立体选择性得到1→6-二糖产物10b-12b。然而，当使用 4-OH 糖类受体时，由于-OH附近的空间位阻较大，β-O-糖苷13b的产率下降到 45%。当合成1→3-二糖14b-16b时，糖基化反应的产率都很高（72%-78%）。此外，还合成了1→2 二糖17b，收率为 80%，且具有单一的β立体选择性。与此同时，在110℃的反应条件下，用相同的糖基受体考察了α-O-糖苷的底物范围（图 2b）。以各种醇、氨基酸和单糖作为受体，成功地合成了所有目标α-O-糖苷（2a-8a）、糖基氨基酸（9a）和二糖产物（10a-17a），产率中等至良好，立体选择性选择性高（大部分为α:β≥10:1）。其中，8a的构型已通过X-射线单晶衍射证实。

图2 β-O-糖苷和α-O-糖苷的底物范围（来源：Org. Lett. ）

在最优条件下研究了多种受体之后，作者又研究了不同的糖基供体。如图3 所示，4,6-O-亚苄基-D-葡萄糖烯糖18、4,6-O-环己基-D-葡萄糖烯糖19和4,6-二-O-亚异丙基-D-葡萄糖烯糖20都适用于此方法，β-O-糖苷（23b、24b、25b）和α-O-糖苷（23a、24a、25a）都能以较高的产率（75%-88%）和立体选择性获得。4,6-二-OBn-D-葡萄糖烯糖21 和 4,6-O-二（叔丁基）硅基-D-葡萄糖烯糖22 与 BnOH 反应，在 60°C 时得到 26b、27b，且具有单一的β选择性，而在 110°C 时，未能得到α构型为主的氧苷产物（26a、27a），这可能是因为原始双环体系的结构刚性被破坏了。这些结果表明，几乎所有类型的 4,6-O-保护基团都能实现立体选择性β-糖基化，但只有 4,6-O-缩醛基团才能很好地实现 α-糖基化。此外，还分别在 60°C 和 110°C 的温度下考察了喹哪啶酸酯基团位于α 面的D-阿洛糖烯糖供体，结果均以α构型的2a为主要产物。

图3 各种糖供体的底物范围（来源：Org. Lett. ）

为了解反应机理，作者进行了110°C下的糖基化反应实时¹H NMR监测，发现在该条件下优先生成的是β-O-糖苷，随着反应时间的延长，β-O-糖苷逐渐转化成α-O-糖苷。而原位的异构化实验证明了，α-O-糖苷的生成离不开3-O-喹啉酰基的作用。为了进一步了解烯糖三号位基团的影响，作者考察了3-O-萘甲酰基-D-葡萄糖烯糖1b和3-O-乙酰基-D-葡萄糖烯糖1c。3-O-萘甲酰基-D-葡萄糖烯糖也可以分别得到β-和α-糖苷（2b、2a），这表明3-O-萘甲酰基对反应活性和选择性的影响与喹啉酰基相似。然而，使用3-O-乙酰基供体会明显减慢反应速度，在 110°C时只能得到β/α（1.1:1）混合产物，无法生成α-O-糖苷。这表明，非芳香族基团可能不能促进立体构型转化（图4）。

图4 不同三号位导向基团的反应性研究（来源：Org. Lett. ）

山东大学李晓溪老师通过密度泛函理论计算研究了糖供体与钯催化剂的两种结合模式，喹啉基团与BINAP配体的一个苯基环形成 π-π 堆积相互作用，而不是与钯催化剂配位（图5a）。其中，^βRC比^αRC稳定 5.6 kcal/mol，这应该是由于后者C3上的氢干扰了上述 π-π 相互作用。研究发现，稳定性较差的^αRC在裂解三号位C-O键时反应性更强，能垒为12.4 kcal/mol，低于^βRC的能垒（16.4 kcal/mol）。这应该是由于在前一种情况下，非共价相互作用（π-π 堆积和氢键相互作用）在反应过程中有所增加。最后形成了带有喹啉-2-羧酸阴离子和阳离子η³-allyl-Pd复合物的中间体（^αIM1和^βIM1）。然后，研究了甲氧基阴离子在阳离子η³-allyl-Pd中间体上进行亲核加成的四种可能途径（图5b）。热稳定性较高的^αIM1得到的^α[β]TS2最低，从而得到β-产物，而热稳定性较低的^βIM1与^β[α]TS2形成α-产物。因此，在动力学上，β产物的形成比α产物的形成更有利，这与我们的实验结果是一致的。

为了解释 383 K 时的α-糖基化，作者同样进行了DFT计算（图6）。研究了催化剂与β产物两侧的结合情况。结果表明，^α[β]PC向^α[α]PC的转化是内生的，转化能垒为3.3 kcal/mol，但^β[β]PC向^β[α]PC的转化是外生的，转化能垒为3.4 kcal/mol。这与实验结果非常吻合，当温度从 60°C 升至 110°C 时，立体构型转化发生。

图5 β-O-糖苷合成的密度泛函计算（来源：Org. Lett. ）

图6 α-O-糖苷的密度泛函计算（来源：Org. Lett. ）

根据机理实验和密度泛函理论计算结果，作者提出了图7中可能的反应机理。钯催化剂从α面与烯糖供体的双键配位，形成中间体^αRC。氧化加成后，形成中间体^αIM1并通过π-π堆积相互作用而稳定。由于立体效应，O-亲核试剂会从β面攻击异头碳，生成β-O-糖苷。此外，α-O-糖苷的生成途径可在 110℃ 下激活。β-O-糖苷产物中的双键可与钯催化剂在β面配位，生成中间产物^β[β]PC。在钯催化剂和外部高能量供应的帮助下，β-O-糖苷键被裂解，形成中间体^β[β]IM2。然后，受体通过球外途径从α攻击η³-烯丙基-钯复合物^β[α]IM2。最后，立体选择性地获得了热力学稳定的α-O-糖苷产物。

作者还进行了药物和天然产物的糖基化修饰（图8），以辛伐他汀、(D)-薄荷醇、薯蓣皂素和胆固醇为受体，均能以良好的产率和立体选择性合成对应的β-/α-O-糖苷产物。此外通过对双键的衍生化反应，可以得到2,3-脱氧糖苷和2,3-顺式二羟基糖苷。最后，作者应用报道的方法成功合成了具有β-, α-, β-糖苷键连接的复杂四糖产物（图9）。

图7 可能的反应机理（来源：Org. Lett. ）

图8 药物和天然产物的糖基化修饰（来源：Org. Lett. ）

图9 合成应用（来源：Org. Lett. ）

综上所述，作者报道了一种新型的立体选择性O-糖基化方法，以3-O-喹啉酰基-D-葡萄糖烯糖为糖供体，在 60℃ 和 110℃ 下与各种醇、单糖和氨基酸发生反应，以良好的产率得到单一的β-O-糖苷的和α-构型为主的α-O-糖苷。虽然供体中的喹啉基团本应与钯配位以直接实现立体选择性，但机理研究发现，喹啉基团与膦配体的芳基形成了π-π堆积作用，从而降低了C3基团离去的能垒。这一策略的实用性不仅在临床药物和天然产物的后期糖基化过程中得到了证明，而且还能快速获得含有 β-、α- 和 β-糖苷键的复杂四糖。

该研究工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金委，111计划，湖北省自然科学基金，湖北省教育厅基金，宜昌市自然科学基金等的资助。