通訊作者： 馬小鋒，中國科學(xué)院成都生物研究所

作者： 李江濤、付征雁、喬澤恩、謝德盟、張力、劉亞洲、楊建、嚴(yán)佳欣、馬小鋒*

糖類分子在各種生物活動包括細(xì)胞分化以及細(xì)胞?細(xì)胞和細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)相互作用中起著關(guān)鍵作用。這些相互作用與多種生理和病理過程有關(guān)，如受精、免疫反應(yīng)、細(xì)菌和病毒感染、免疫反應(yīng)和腫瘤轉(zhuǎn)移。同時(shí)，糖類化合物是活性天然產(chǎn)物中最重要的有效成分之一，同時(shí)，在世界范圍內(nèi)也是治療各種疾病的藥物，包括糖尿病、肺結(jié)核、癌癥，尤其是細(xì)菌和病毒感染。此外，糖的多功能性和手性特性促進(jìn)了基于糖類化合物的立體選擇性合成的發(fā)展。事實(shí)上，近幾十年來，隨著糖類藥物、糖化學(xué)和糖生物學(xué)的快速發(fā)展，迫切需要高效、高選擇性的方法來實(shí)現(xiàn)糖類化合物的精準(zhǔn)可控性修飾，以增強(qiáng)或改變其成藥性并改善其生物學(xué)功能。糖類化合物的雙官能化修飾不僅可以經(jīng)濟(jì)高效地合成非天然糖類衍生物，而且可以將廉價(jià)且豐富的原料轉(zhuǎn)化為具有廣泛生物或藥物活性的各種功能性分子。糖的C1官能化（糖基化）和C1,C2雙官能化已經(jīng)得到了很好的發(fā)展。其中C1,C2-雙官能團(tuán)化可以 通過1,2-N/S/Se/C 原子遷移或1,2-自由基遷移 ，環(huán)丙烷糖開環(huán)以及1,2-烯糖親電加成糖苷化反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。然而，受限于糖基供體的活性，目前只有基于稀糖和2-硝基烯糖這類糖基供體的C1,C3-雙官能團(tuán)化反應(yīng)有所報(bào)道。Vankar等人發(fā)現(xiàn)乙?；?-硝基烯糖可以在DMAP催化下選擇性發(fā)生C1- O -苷化反應(yīng)或?qū)崿F(xiàn)C3-N?/SPh官能團(tuán)化修飾，江西師范大學(xué)張慶舉等人成功將該策略應(yīng)用到接力糖苷化反應(yīng)中。盡管在高立體選擇性構(gòu)建C3-位具有N?或SPh取代基的1,2-順式糖苷鍵方面的出色表現(xiàn)，但乙?；?-硝基烯糖在糖環(huán)1,3-雙官能化修飾中的巨大潛力仍然有待挖掘，尤其是在糖環(huán)的C1,C3-雙- C -取代基修飾方面至今無法實(shí)現(xiàn)。因此，本文作者開發(fā)了一種氫鍵導(dǎo)向的可控、高效、高立體選擇性的硝基烯糖的C3官能團(tuán)化和C1,C3-雙官能團(tuán)化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了糖環(huán)的C1,C3-雙- C -取代基修飾。

1）在簡單溫和的反應(yīng)條件下，實(shí)現(xiàn)了高區(qū)域選擇性、高立體選擇性、可克級規(guī)?；奶黔h(huán)C1,C3-雙- C -官能團(tuán)化的方法。提供了從乙?；?-硝基烯糖制備C1,C3-雙- C -官能團(tuán)化糖衍生物的有效、普適的方法，合成了一系列C1,C3-雙吲哚或吡咯取代的糖衍生物，以及C3-吲哚或吡咯-C2-硝基稀糖類化合物。 

2）產(chǎn)物中端基碳的立體化學(xué)，可以通過原料中糖環(huán)C3-位乙酰氧基的立體化學(xué)進(jìn)行預(yù)測。 

3）所獲得的部分吲哚糖衍生物，表現(xiàn)出高效、低毒的抗腫瘤活性。

作者通過一系列條件篩選發(fā)現(xiàn)，以2,2,2-三氟乙醇（TFE）為溶劑和促進(jìn)劑，在分子篩（MS）存在下，2-硝基稀糖和吲哚在室溫下反應(yīng)，以單一的非對映體形成C1,C3-雙吲哚化取代的糖衍生物 3a ，分離收率為92%。 

作者隨后在該反應(yīng)條件下，考察了不同取代吲哚和吡咯對全乙?；趸咸烟堑姆磻?yīng)性（圖1）： N -甲基保護(hù)的含有不同取代基的吲哚和吡咯以高收率和單一選擇性得到產(chǎn)物，且吲哚取代基較為豐富，包括氯、溴、甲基、甲氧基、芐氧基和炔丙氧基等取代基；當(dāng)以 N -原子未保護(hù)的吲哚為原料時(shí)，該反應(yīng)也可以順利發(fā)生，但立體選擇性有所降低，可能是由于TFE、C2-NO?和吲哚的N-H之間的多重氫鍵相互作用所致。 

隨后，作者考察了不同的2-硝基烯糖與吲哚的反應(yīng)性：對于產(chǎn)物 4a 來說，該反應(yīng)在克級規(guī)模時(shí)，也能順利發(fā)生，產(chǎn)率略有降低但對選擇性無明顯影響；此外，作者也發(fā)現(xiàn)，通過C3-OAc的立體化學(xué)，可以預(yù)測產(chǎn)物中端基碳的立體化學(xué)，比如當(dāng)以C3-位具有豎健（a-鍵）的OAc的乙?；趸┨? 1a 為原料時(shí)，產(chǎn)物 3a 中的端基碳也處于豎鍵的α-構(gòu)型；相反，當(dāng)以C3-位具有橫鍵（e-鍵）的OAc的乙酰化硝基烯糖 1b 為原料時(shí)，產(chǎn)物 4a 中的端基碳也處于橫鍵的 β -構(gòu)型，而C2和C3位置的立體化學(xué)不受影響。其它常見乙?；肴樘窍趸┨?、乙酰化鼠李糖硝基烯糖等也均能以不錯的收率和單一選擇性得到相應(yīng)產(chǎn)物，乳糖這類二糖的硝基烯糖也能在該條件下完成轉(zhuǎn)化。

圖1. 2-硝基烯糖的C1,C3-雙官能團(tuán)化底物范圍

作者在考察反應(yīng)底物范圍時(shí)發(fā)現(xiàn)，降低反應(yīng)溫度和減少吲哚的用量，可以分離得到Ferrier重排的2-硝基-吲哚-C-苷中間體，該中間體可以進(jìn)一步在另一分子吲哚存在時(shí)，在室溫到50 °C的反應(yīng)溫度下，發(fā)生Michael加成反應(yīng)，形成C1和C3位置不同吲哚取代的糖衍生物?；诖瞬呗?，作者通過使用不同取代基的吲哚以及不同的硝基烯糖（除乙?；陌肴樘窍趸┨且酝猓?，采用兩步一鍋法，合成得到了系列C1和C3位置不同吲哚取代的糖衍生物，并獲得了較高的產(chǎn)率、優(yōu)秀的立體選擇性和區(qū)域選擇性，且可以以良好收率進(jìn)行克級反應(yīng)（圖2）。

圖2. C1和C3位置不同吲哚的C1,C3-雙吲哚化糖苷的制備

由于作者無法通過上述圖2的方法，高立體選擇性地合成C1和C3位置不同吲哚取代的半乳糖衍生物，為了改變這一困境，作者通過優(yōu)化反應(yīng)條件，發(fā)現(xiàn)以雙功能硫脲為催化劑時(shí)，可以以較高收率、高立體選擇性和高區(qū)域選擇性得到C3吲哚取代的2-硝基半乳糖烯糖。并且該反應(yīng)底物范圍廣泛，不同位置單取代吲哚、多取代吲哚、吡咯均可以適用于該反應(yīng)。為了比較，作者也發(fā)現(xiàn)，其它硝基烯糖也可以應(yīng)用到該反應(yīng)中，得到C3吲哚取代的2-硝基烯糖（圖3）。

圖3. 3-吲哚-2硝基烯糖的制備

隨后，作者以C3吲哚取代的2-硝基烯糖 6 為原料，以1,1,1,3,3,3-六氟異丙醇（HFIP）為溶劑，在4 ?分子篩存在的條件下，成功地使 6 與另一分子吲哚或吡咯反應(yīng)，合成了系列1,3-雙吲哚取代、3-吲哚-1-吡咯取代的半乳糖衍生物（圖4）。作者發(fā)現(xiàn)，在合成1,3-雙吲哚取代的半乳糖衍生物時(shí)，該反應(yīng)非對映選擇性較差（圖4， 4a ， 7b-7d ），但是在合成3-吲哚-1-吡咯取代的半乳糖衍生物時(shí)（ 7a ），該反應(yīng)具有很高的非對映選擇性，在其它糖的3-吲哚-2-硝基烯糖的底物中，作者發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。

圖4. 從C3-吲哚硝基烯糖合成C1,C3-雙取代糖衍生物

為了更好地理解該反應(yīng)的機(jī)理，作者首先考察了產(chǎn)物C2位氫原子的來源，通過引入C3-氘代吲哚與TFE-D3參與反應(yīng)，作者發(fā)現(xiàn)三氟乙醇和吲哚均可為產(chǎn)物的C2位提供氫（圖5A）。其次，通過分步反應(yīng)生成的C1,C3-雙官能團(tuán)化的產(chǎn)物的立體化學(xué)與圖1中一步反應(yīng)得到的C1,C3-雙官能團(tuán)化的立體化學(xué)一致，證明產(chǎn)物中的立體化學(xué)是反應(yīng)本身形成的，而不是由于反應(yīng)完成后的產(chǎn)物的異構(gòu)化所致（圖5B）?；诖?，作者提出了反應(yīng)可能的機(jī)理：第一分子吲哚在C1處的Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)從C3-OAc的同側(cè)進(jìn)行生成中間體 8 ，第二分子吲哚從上面進(jìn)攻，通過由TFE的氫鍵促進(jìn)的Friedel?Crafts烷基化反應(yīng)生成1,3雙吲哚化產(chǎn)物（ 3 和 4 ）（圖5C）。進(jìn)一步DFT計(jì)算發(fā)現(xiàn)，TFE的影響在反應(yīng)第一階段的溶劑化效應(yīng)中非常明顯。然而，在第二吲哚的加成過程中，TFE可能與C2-NO?和C3-OAc形成氫鍵，從而降低反應(yīng)的活化能。對于由硫脲催化劑（CAT-6）催化的C3-吲哚基糖的合成，作者設(shè)想：在糖環(huán)內(nèi)氧原子的協(xié)助作用下， CAT-6 誘導(dǎo)C3-OAc離去，產(chǎn)生烯基陽離子 TS? ，然后乙酸根陰離子與 TS? 反應(yīng)，形成 INT-1 。吲哚通過Friedel?Crafts烷基化反應(yīng)攻擊 INT-1 中的C3位，生成C3-吲哚基糖（ INT-2 ），隨后堿催化消除乙酸，得到最終產(chǎn)物 6 ，再生催化劑重新進(jìn)入反應(yīng)過程。

圖5  控制反應(yīng)及反應(yīng)機(jī)理

最后，作者也對該反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行了一些簡單的衍生化（圖6）。產(chǎn)物中的硝基，可以經(jīng)雷尼Ni催化還原，并原位保護(hù)，轉(zhuǎn)化為2-磺酰胺基吲哚糖衍生物（ 9 ），而乙?；梢栽趬A存在下，高效地脫除形成糖衍生物 10 。同時(shí)，由于部分產(chǎn)物中，既含有N3基團(tuán)，又含有炔基，因此，在Click反應(yīng)條件下，作者成功地合成了系列糖橋環(huán)大環(huán)類化合物（ 11-13 ）。而且，C1-吲哚-2-硝基烯糖，也可以在TFE中，與吡咯反應(yīng)，高效、高立體選擇性地合成1-吲哚-3-吡咯糖衍生物，進(jìn)一步展現(xiàn)出了該方法在合成1,3-雙- C -取代的糖衍生物方面的巨大潛力。最后，作何也對所獲得的部分化合物進(jìn)行了活性評估，結(jié)果表明，部分C1-吲哚-2-硝基烯糖如 8a , 8b 對HCT 116（人結(jié)腸癌細(xì)胞）的細(xì)胞毒活性IC?? 分別為1.586 μM 和 1.134 μM，對T24人膀胱癌細(xì)胞的細(xì)胞毒活性IC?? 分別為2.949 μM和 3.548 μM，對AGS（人胃腺癌細(xì)胞） 的細(xì)胞毒活性IC??分別為0.695 μM 和 0.764 μM，同時(shí)，大環(huán)類化合物11表現(xiàn)出選擇性地對MKN-45（人胃腺癌細(xì)胞）的細(xì)胞毒活性IC??為2.416 μM。

圖6. 產(chǎn)物的衍生化及部分化合物的活性評估

中國科學(xué)院成都生物研究所馬小鋒與其合作者報(bào)道了一種室溫下，氟代醇溶劑（TFE）促進(jìn)的、高效、高立體選擇性的2-硝基糖的1,3-雙- C -官能化反應(yīng)。所需的硝基烯糖可以從烯糖經(jīng)一步反應(yīng)大規(guī)模制備，這為傳統(tǒng)方法無法獲得的 C1,C3-雙-吲哚-、C1,C3-雙吡咯-取代的糖衍生物提供了直接有效的合成方法。此外，通過C3位乙?；牧Ⅲw化學(xué)，可以預(yù)測反應(yīng)產(chǎn)物中端基碳的α-或β-立體選擇性；同時(shí)，通過對反應(yīng)條件細(xì)微的改變，可以實(shí)現(xiàn)在糖的C1和C3位置上引入兩種不同的吲哚；最后，當(dāng)利用硫脲為催化劑時(shí)，能選擇性地合成C3-吲哚取代-2-硝基烯糖，其可以進(jìn)一步在C1位發(fā)生官能團(tuán)化修飾。結(jié)合這三種策略，作者高效、高立體選擇性地制備了一系列具有挑戰(zhàn)性的C1,C3-雙-吲哚-、C1,C3-雙吡咯-、C1-吲哚-C3吡咯-、C1-吡咯-C3吲哚-取代的糖衍生物。生物活性評價(jià)表明，3個(gè)化合物對T24、HCT116、AGS和MKN-45細(xì)胞具有較強(qiáng)的抗腫瘤活性，IC??在0.695 ~ 3.548 μM之間，而對人正常肝細(xì)胞（L-02）具有較低的細(xì)胞毒性，這將有利于高效、低毒的新型抗腫瘤化合物的進(jìn)一步研發(fā)。

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