β-核苷立體選擇性合成研究進(jìn)展

彭美紅，錢 捷，王 鴻，易 喻

(浙江工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院，浙江 杭州 310014)

核苷是一類由環(huán)狀核糖或脫氧核糖和堿基以糖苷鍵形式結(jié)合而成的化合物[1，2]。將糖環(huán)視為平面，堿基與C5位上羥基處于糖平面上側(cè)時為β-構(gòu)型，堿基與C5位上羥基處于異側(cè)時為α-構(gòu)型。

天然核苷均為β-構(gòu)型，是組成生命大分子RNA及DNA的重要成分[1]，是天然的代謝激活劑，能夠直接進(jìn)入細(xì)胞，參與糖代謝，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成，促使病態(tài)細(xì)胞及組織恢復(fù)正常生理功能，廣泛用于急慢性肝炎、心血管疾病、放射病、腦損傷等的治療。

非天然核苷與天然核苷有著相似之處，如在體內(nèi)干擾或直接作用于核酸的代謝過程，可以阻斷蛋白質(zhì)、核酸的生物合成，具有良好的抗腫瘤、抗病毒活性[2]等。核苷類化合物已成為公認(rèn)的最具潛能的抗病毒化合物[3]，美國FDA批準(zhǔn)的抗艾滋病藥物大多是核苷類衍生物[4]。對天然核苷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾和改造，合成毒性低、抗腫瘤和抗病毒活性高的藥物已成為研究的熱點[2，5～7]。尤其是β-核苷類藥物的研究更是受到廣泛關(guān)注[8～12]。

由于β-核苷與天然核苷具有更好的相似性，因而在合成過程中更希望得到單一β-構(gòu)型的核苷。β-糖苷鍵的選擇性合成一直是核苷尤其是2-脫氧核苷及2′，3′-雙脫氧核苷研究的熱點[13]。作者在此就單一構(gòu)型β-核苷的立體選擇性合成研究進(jìn)行綜述。

1 化學(xué)法合成β-核苷

1.1 在糖類衍生物異頭碳的鄰位引入酰氧基團(tuán)

Baker-Tipson的反式規(guī)律認(rèn)為：鹵代糖具有1，2-反式構(gòu)型時，糖苷鍵合成過程中經(jīng)歷了兩次SN2反應(yīng)，第一次形成酰氧鎓離子，第二次形成核苷鍵，這樣合成的核苷均為β-構(gòu)型。

Niedballa等[14]用α/β混合構(gòu)型的O-四乙?；颂窃跓o水條件下催化合成了單一β-構(gòu)型核苷。趙大同[15]在此基礎(chǔ)上，采用價廉的β-O-四乙酰核糖經(jīng)醚化、酰化制得β-構(gòu)型含量為99.79%的胸苷。程先超等[16]采用2，4-二(三甲基硅烷基)-5-氟胞嘧啶與四乙酰核糖縮合得到β-構(gòu)型的2，3，5-三乙?；?5-氟胞嘧啶核苷。

沙耀武等[17]用1-O-乙?；?2，3，5-三-O-苯甲酰基-β-D-呋喃核糖與3-三甲基硅氧基-5-雙三甲硅基氨基吡唑在四氯化錫催化下于乙腈中室溫反應(yīng)生成了5-氨基吡唑酮-3-核酸核苷，全部為β-構(gòu)型。

這種引入酰氧基團(tuán)的方法只適用于1，2-反式構(gòu)型的鹵代糖，同時核糖的2位必須存在酰氧基團(tuán)。如果鹵素和2位的酰氧基處于同側(cè)、2位沒有酰氧基團(tuán)或者該基團(tuán)不能自由反應(yīng)，得到的核苷會是α/β混合構(gòu)型。

1.2 在戊糖上引入硫糖苷鍵

Sugimura等[18]在NBS催化下，首次將耦合的3，5-O-異亞丙基衍生物的苯基2-脫氧-1-硫代-D-呋喃糖與甲烷硅基化胸腺嘧啶反應(yīng)合成了具有潛在抗病毒活性的1-(2-脫氧-β-D-三-呋喃糖)胸腺嘧啶。研究發(fā)現(xiàn)，糖1位的硫苷鍵和NBS催化劑是選擇性合成β-核苷不可缺少的條件，3，5位上的保護(hù)基也影響β-構(gòu)型的含量。在糖1位為硫苷鍵的條件下，分別以乙?；?、苯甲酰基、芐基、亞異丙基、甲硅烷基、環(huán)縮醛作為保護(hù)基進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)以亞異丙基作為保護(hù)基時，β-構(gòu)型含量最高，α∶β構(gòu)型比例為1∶30；其余基團(tuán)作為保護(hù)基時，α∶β構(gòu)型比例均低于1∶5；當(dāng)糖1位為乙?；鶗r，不管何種基團(tuán)作為保護(hù)基，α∶β構(gòu)型比例均小于1∶1.2。該方法雖然在不引入硫苷鍵的基礎(chǔ)上極大地增加了β-構(gòu)型的含量，但結(jié)果仍然不理想。

1.3 引入酰胺甲酸酯基

Young等[19]在2-脫氧-赤式呋喃糖的3位上引入了酰胺甲酸酯基，在NBS作用下形成一個穩(wěn)定的糖碳正離子，這個酰胺甲酸酯基是一個潛在的定向基團(tuán)，與二(三甲基硅烷基)嘧啶反應(yīng)合成了單一構(gòu)型的β-核苷衍生物，酰胺甲酸酯基在甲醇鈉和甲醇中回流即可除去。該方法可適用于2位無法引入酰氧基團(tuán)的2-脫氧-D-核糖。

1.4 嘧啶和糖基成醚固定堿基

Lipshutz等[20]將嘧啶衍生物的C6位和2-脫氧核糖衍生物的5-羥基進(jìn)行醚化，使嘧啶堿基固定在糖環(huán)的上方；然后在Lewis酸催化下，嘧啶堿基和脫氧糖基偶聯(lián)形成環(huán)狀的核苷中間體；再在堿的催化下打開醚鍵得到含量為78%的β-脫氧嘧啶核苷異構(gòu)體產(chǎn)物。該方法可使堿基的C6位與核糖的C5位結(jié)合，但選擇性地保護(hù)脫氧核糖C3位上的羥基以及核糖C2、C3位上的羥基較困難。當(dāng)糖的C1位為鹵素時，在Lewis酸催化下鹵素難以脫去，無法成環(huán)。

1.5 硅烷化的堿基在金屬催化劑作用下反應(yīng)

Li等[21]用1，3，5-三-O-苯甲酰氯-α-D-呋喃核糖通過4步反應(yīng)合成了3，5-二-O-苯甲酰氯-2′-C-β-三氟甲基-α-D-呋喃核糖-1-溴化物，將此溴化物與硅烷基化的嘧啶在HgO/HgBr2存在下首次合成了單一構(gòu)型的2′-C-β-三氟甲基嘧啶核苷。該方法使用了易污染的重金屬，同時核糖原料也極不穩(wěn)定，難以大規(guī)模生產(chǎn)。

1.6 相轉(zhuǎn)移催化法

Seela等以TEBA作催化劑，在有機(jī)相中含堿基和核糖、氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液為水相的情況下，在兩相界面上反應(yīng)合成了吡唑并嘧啶[3，22]的β-2-脫氧核苷。該方法使用的雜環(huán)堿基上無氨基或羥基取代而主要是含有氯或甲氧基，增強(qiáng)了堿基的溶解性，加快了反應(yīng)速度，但也限制了該方法的應(yīng)用范圍。

1.7 α-構(gòu)型轉(zhuǎn)化法

Wang等[23]采用3，5-二-O-(對氯苯甲?；?-2-脫氧-α-D-呋喃核糖氯化物與胸腺嘧啶在有機(jī)金屬鎘存在下生成了混合構(gòu)型的腺苷，再用BF3·Et2O在硝基乙烷中反應(yīng)30 min可將產(chǎn)物中α-構(gòu)型轉(zhuǎn)變成β-構(gòu)型。該方法同樣存在一個分離的過程。

2 酶法合成β-核苷

酶法合成[24]核苷類藥物的原理是：利用微生物中產(chǎn)生的核苷磷酸化酶催化核苷、堿基轉(zhuǎn)換反應(yīng)，即以廉價供應(yīng)的天然核苷為原料，將其核糖基進(jìn)行化學(xué)修飾后作為核糖基供體，利用核苷磷酸化酶或脫氧核糖轉(zhuǎn)移酶為酶源、天然的雜環(huán)堿基為核糖基受體，通過酶催化合成核苷及其類似物。反應(yīng)式如下：

(脫氧)核苷1+堿基1→(脫氧)核苷2+堿基2

酶法合成具有高度的立體專一性，合成的產(chǎn)物中僅有β-構(gòu)型核苷[25]。

周長林等[26]以2-脫氧尿苷和5-氟尿嘧啶為底物，由大腸桿菌產(chǎn)核苷磷酸化酶，合成了DFU。阮期平等[27]以尿苷和5-尿嘧啶為底物，利用產(chǎn)氣腸桿菌突變株EAM-z1 為酶源合成了DFUR。

Klibanov首次報道了酶在有機(jī)溶劑中同樣具有較好的催化活性及熱穩(wěn)定性，使非水相中的酶催化反應(yīng)研究取得了進(jìn)展。對于一些底物或者產(chǎn)物，可以采用非水相體系來提高反應(yīng)得率。Riva等[28]利用非水相中酶促核苷的?；磻?yīng)來合成其羧酸酯類衍生物，反應(yīng)區(qū)域選擇性高、條件溫和。

然而酶法合成存在著反應(yīng)周期長、體系難以調(diào)控、酶活性難以保持的缺點。

3 化學(xué)-酶法合成β-核苷

辛自豪等[29]采用化學(xué)-酶法，以胸苷為原料，先用甲烷磺酰氯將2′，3′-位羥基保護(hù)得到2′，3′-二甲烷磺酰胸苷，然后在NaOH 水溶液中環(huán)化形成2′，3′-環(huán)氧胸苷，再與叔丁醇鉀作用開環(huán)生成2′，3′-雙脫氫-2′，3′-雙脫氧胸苷，通過Pd/C 催化加氫生成2′，3′-雙脫氧胸苷(2′，3′-Dideoxythymine，ddT)，然后以微生物游離細(xì)胞為酶源，通過堿基交換反應(yīng)，催化ddT 和腺嘌呤(Adenine，A) 生成最終目的化合物ddA。該方法克服了糖苷鍵縮合時形成α/β混合構(gòu)型及以腺苷為原料時腺嘌呤堿基上環(huán)外氨基需要保護(hù)的缺點。

Hironori等[30]采用化學(xué)-酶法合成了2′，3′-雙脫氧-3′-F-β-D-鳥苷。即先采用化學(xué)結(jié)晶誘導(dǎo)法合成單一構(gòu)型的2-脫氧-α-D-核糖-1-磷酸。以2-脫氧-D-核糖-1-氯化物為原料，與無水磷酸反應(yīng)得到α/β混合構(gòu)型的核糖-1-磷酸；再與環(huán)己胺反應(yīng)，采用結(jié)晶誘導(dǎo)法使α-構(gòu)型的核糖以環(huán)己胺鹽的形式不斷析出，最終得到α∶β為98.8∶1.2的環(huán)己胺-1-磷酸核糖；所得環(huán)己胺鹽與鳥嘌呤在水溶液中酶催化糖苷化反應(yīng)得到完全單一構(gòu)型的2′，3′-雙脫氧-3′-F-β-D-鳥苷。

4 展望

核苷及其衍生物在抗腫瘤、抗病毒方面具有顯著的地位。過去，研究者大多致力于化學(xué)法合成核苷類藥物，雖在單一構(gòu)型β-核苷的選擇性合成方面取得了很大進(jìn)展，但所采用的方法僅適用于少部分核苷的合成，無法滿足日益增長的需求，而且無法避免高毒、高污染的缺點。酶法合成綠色無毒，但反應(yīng)周期長、酶活性難以調(diào)控、分離過程復(fù)雜。隨著人們對藥物研究的不斷深入，對核苷類藥物的毒性、藥理活性、成本等提出了更高的要求，將化學(xué)法與酶法結(jié)合將是單一構(gòu)型β-核苷類藥物合成研究非常有前景的一個方向。這種方法可以降低合成難度，減少昂貴有毒試劑的使用，縮短生物培養(yǎng)的周期。如何更好地將化學(xué)法和酶法的優(yōu)點結(jié)合，避免各自的缺點，合成出低毒性、低污染、高選擇性、高效的藥物將是核苷類藥物研究的方向。

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