中国科学院成都生物研究所马小锋团队 JACS Au | 硝基烯糖可控的1,3-双官能团化修饰

通讯作者： 马小锋，中国科学院成都生物研究所

作者： 李江涛、付征雁、乔泽恩、谢德盟、张力、刘亚洲、杨建、严佳欣、马小锋*

糖类分子在各种生物活动包括细胞分化以及细胞‒细胞和细胞-细胞外基质相互作用中起着关键作用。这些相互作用与多种生理和病理过程有关，如受精、免疫反应、细菌和病毒感染、免疫反应和肿瘤转移。同时，糖类化合物是活性天然产物中最重要的有效成分之一，同时，在世界范围内也是治疗各种疾病的药物，包括糖尿病、肺结核、癌症，尤其是细菌和病毒感染。此外，糖的多功能性和手性特性促进了基于糖类化合物的立体选择性合成的发展。事实上，近几十年来，随着糖类药物、糖化学和糖生物学的快速发展，迫切需要高效、高选择性的方法来实现糖类化合物的精准可控性修饰，以增强或改变其成药性并改善其生物学功能。糖类化合物的双官能化修饰不仅可以经济高效地合成非天然糖类衍生物，而且可以将廉价且丰富的原料转化为具有广泛生物或药物活性的各种功能性分子。糖的C1官能化（糖基化）和C1,C2双官能化已经得到了很好的发展。其中C1,C2-双官能团化可以 通过1,2-N/S/Se/C 原子迁移或1,2-自由基迁移 ，环丙烷糖开环以及1,2-烯糖亲电加成糖苷化反应来实现。然而，受限于糖基供体的活性，目前只有基于稀糖和2-硝基烯糖这类糖基供体的C1,C3-双官能团化反应有所报道。Vankar等人发现乙酰化的2-硝基烯糖可以在DMAP催化下选择性发生C1- O -苷化反应或实现C3-N₃/SPh官能团化修饰，江西师范大学张庆举等人成功将该策略应用到接力糖苷化反应中。尽管在高立体选择性构建C3-位具有N₃或SPh取代基的1,2-顺式糖苷键方面的出色表现，但乙酰化的2-硝基烯糖在糖环1,3-双官能化修饰中的巨大潜力仍然有待挖掘，尤其是在糖环的C1,C3-双- C -取代基修饰方面至今无法实现。因此，本文作者开发了一种氢键导向的可控、高效、高立体选择性的硝基烯糖的C3官能团化和C1,C3-双官能团化反应，实现了糖环的C1,C3-双- C -取代基修饰。

1）在简单温和的反应条件下，实现了高区域选择性、高立体选择性、可克级规模化的糖环C1,C3-双- C -官能团化的方法。提供了从乙酰化的2-硝基烯糖制备C1,C3-双- C -官能团化糖衍生物的有效、普适的方法，合成了一系列C1,C3-双吲哚或吡咯取代的糖衍生物，以及C3-吲哚或吡咯-C2-硝基稀糖类化合物。 

2）产物中端基碳的立体化学，可以通过原料中糖环C3-位乙酰氧基的立体化学进行预测。 

3）所获得的部分吲哚糖衍生物，表现出高效、低毒的抗肿瘤活性。

作者通过一系列条件筛选发现，以2,2,2-三氟乙醇（TFE）为溶剂和促进剂，在分子筛（MS）存在下，2-硝基稀糖和吲哚在室温下反应，以单一的非对映体形成C1,C3-双吲哚化取代的糖衍生物 3a ，分离收率为92%。 

作者随后在该反应条件下，考察了不同取代吲哚和吡咯对全乙酰基硝基葡萄糖的反应性（图1）： N -甲基保护的含有不同取代基的吲哚和吡咯以高收率和单一选择性得到产物，且吲哚取代基较为丰富，包括氯、溴、甲基、甲氧基、苄氧基和炔丙氧基等取代基；当以 N -原子未保护的吲哚为原料时，该反应也可以顺利发生，但立体选择性有所降低，可能是由于TFE、C2-NO₂和吲哚的N-H之间的多重氢键相互作用所致。 

随后，作者考察了不同的2-硝基烯糖与吲哚的反应性：对于产物 4a 来说，该反应在克级规模时，也能顺利发生，产率略有降低但对选择性无明显影响；此外，作者也发现，通过C3-OAc的立体化学，可以预测产物中端基碳的立体化学，比如当以C3-位具有竖健（a-键）的OAc的乙酰化硝基烯糖 1a 为原料时，产物 3a 中的端基碳也处于竖键的α-构型；相反，当以C3-位具有横键（e-键）的OAc的乙酰化硝基烯糖 1b 为原料时，产物 4a 中的端基碳也处于横键的 β -构型，而C2和C3位置的立体化学不受影响。其它常见乙酰化半乳糖硝基烯糖、乙酰化鼠李糖硝基烯糖等也均能以不错的收率和单一选择性得到相应产物，乳糖这类二糖的硝基烯糖也能在该条件下完成转化。

图1. 2-硝基烯糖的C1,C3-双官能团化底物范围

作者在考察反应底物范围时发现，降低反应温度和减少吲哚的用量，可以分离得到Ferrier重排的2-硝基-吲哚-C-苷中间体，该中间体可以进一步在另一分子吲哚存在时，在室温到50 °C的反应温度下，发生Michael加成反应，形成C1和C3位置不同吲哚取代的糖衍生物。基于此策略，作者通过使用不同取代基的吲哚以及不同的硝基烯糖（除乙酰化的半乳糖硝基烯糖以外），采用两步一锅法，合成得到了系列C1和C3位置不同吲哚取代的糖衍生物，并获得了较高的产率、优秀的立体选择性和区域选择性，且可以以良好收率进行克级反应（图2）。

图2. C1和C3位置不同吲哚的C1,C3-双吲哚化糖苷的制备

由于作者无法通过上述图2的方法，高立体选择性地合成C1和C3位置不同吲哚取代的半乳糖衍生物，为了改变这一困境，作者通过优化反应条件，发现以双功能硫脲为催化剂时，可以以较高收率、高立体选择性和高区域选择性得到C3吲哚取代的2-硝基半乳糖烯糖。并且该反应底物范围广泛，不同位置单取代吲哚、多取代吲哚、吡咯均可以适用于该反应。为了比较，作者也发现，其它硝基烯糖也可以应用到该反应中，得到C3吲哚取代的2-硝基烯糖（图3）。

图3. 3-吲哚-2硝基烯糖的制备

随后，作者以C3吲哚取代的2-硝基烯糖 6 为原料，以1,1,1,3,3,3-六氟异丙醇（HFIP）为溶剂，在4 Å分子筛存在的条件下，成功地使 6 与另一分子吲哚或吡咯反应，合成了系列1,3-双吲哚取代、3-吲哚-1-吡咯取代的半乳糖衍生物（图4）。作者发现，在合成1,3-双吲哚取代的半乳糖衍生物时，该反应非对映选择性较差（图4， 4a ， 7b-7d ），但是在合成3-吲哚-1-吡咯取代的半乳糖衍生物时（ 7a ），该反应具有很高的非对映选择性，在其它糖的3-吲哚-2-硝基烯糖的底物中，作者发现了类似的现象。

图4. 从C3-吲哚硝基烯糖合成C1,C3-双取代糖衍生物

为了更好地理解该反应的机理，作者首先考察了产物C2位氢原子的来源，通过引入C3-氘代吲哚与TFE-D3参与反应，作者发现三氟乙醇和吲哚均可为产物的C2位提供氢（图5A）。其次，通过分步反应生成的C1,C3-双官能团化的产物的立体化学与图1中一步反应得到的C1,C3-双官能团化的立体化学一致，证明产物中的立体化学是反应本身形成的，而不是由于反应完成后的产物的异构化所致（图5B）。基于此，作者提出了反应可能的机理：第一分子吲哚在C1处的Friedel-Crafts烷基化反应从C3-OAc的同侧进行生成中间体 8 ，第二分子吲哚从上面进攻，通过由TFE的氢键促进的Friedel−Crafts烷基化反应生成1,3双吲哚化产物（ 3 和 4 ）（图5C）。进一步DFT计算发现，TFE的影响在反应第一阶段的溶剂化效应中非常明显。然而，在第二吲哚的加成过程中，TFE可能与C2-NO₂和C3-OAc形成氢键，从而降低反应的活化能。对于由硫脲催化剂（CAT-6）催化的C3-吲哚基糖的合成，作者设想：在糖环内氧原子的协助作用下， CAT-6 诱导C3-OAc离去，产生烯基阳离子 TS₅ ，然后乙酸根阴离子与 TS₅ 反应，形成 INT-1 。吲哚通过Friedel−Crafts烷基化反应攻击 INT-1 中的C3位，生成C3-吲哚基糖（ INT-2 ），随后碱催化消除乙酸，得到最终产物 6 ，再生催化剂重新进入反应过程。

图5  控制反应及反应机理

最后，作者也对该反应的产物进行了一些简单的衍生化（图6）。产物中的硝基，可以经雷尼Ni催化还原，并原位保护，转化为2-磺酰胺基吲哚糖衍生物（ 9 ），而乙酰基可以在碱存在下，高效地脱除形成糖衍生物 10 。同时，由于部分产物中，既含有N3基团，又含有炔基，因此，在Click反应条件下，作者成功地合成了系列糖桥环大环类化合物（ 11-13 ）。而且，C1-吲哚-2-硝基烯糖，也可以在TFE中，与吡咯反应，高效、高立体选择性地合成1-吲哚-3-吡咯糖衍生物，进一步展现出了该方法在合成1,3-双- C -取代的糖衍生物方面的巨大潜力。最后，作何也对所获得的部分化合物进行了活性评估，结果表明，部分C1-吲哚-2-硝基烯糖如 8a , 8b 对HCT 116（人结肠癌细胞）的细胞毒活性IC₅₀ 分别为1.586 μM 和 1.134 μM，对T24人膀胱癌细胞的细胞毒活性IC₅₀ 分别为2.949 μM和 3.548 μM，对AGS（人胃腺癌细胞） 的细胞毒活性IC₅₀分别为0.695 μM 和 0.764 μM，同时，大环类化合物11表现出选择性地对MKN-45（人胃腺癌细胞）的细胞毒活性IC₅₀为2.416 μM。

图6. 产物的衍生化及部分化合物的活性评估

中国科学院成都生物研究所马小锋与其合作者报道了一种室温下，氟代醇溶剂（TFE）促进的、高效、高立体选择性的2-硝基糖的1,3-双- C -官能化反应。所需的硝基烯糖可以从烯糖经一步反应大规模制备，这为传统方法无法获得的 C1,C3-双-吲哚-、C1,C3-双吡咯-取代的糖衍生物提供了直接有效的合成方法。此外，通过C3位乙酰基的立体化学，可以预测反应产物中端基碳的α-或β-立体选择性；同时，通过对反应条件细微的改变，可以实现在糖的C1和C3位置上引入两种不同的吲哚；最后，当利用硫脲为催化剂时，能选择性地合成C3-吲哚取代-2-硝基烯糖，其可以进一步在C1位发生官能团化修饰。结合这三种策略，作者高效、高立体选择性地制备了一系列具有挑战性的C1,C3-双-吲哚-、C1,C3-双吡咯-、C1-吲哚-C3吡咯-、C1-吡咯-C3吲哚-取代的糖衍生物。生物活性评价表明，3个化合物对T24、HCT116、AGS和MKN-45细胞具有较强的抗肿瘤活性，IC₅₀在0.695 ~ 3.548 μM之间，而对人正常肝细胞（L-02）具有较低的细胞毒性，这将有利于高效、低毒的新型抗肿瘤化合物的进一步研发。

本文为开放获取文章

扫描二维码阅读英文原文