Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)的研究進(jìn)展

田思思

（天津大學(xué) 藥物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072）

糖，又稱為碳水化合物，廣泛存在于生物體內(nèi)、各種天然產(chǎn)物和藥物分子中。其中單糖是組成多糖和天然產(chǎn)物中糖組分的最基本單元，通式為Cn（H2O）n。而寡糖與蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)一起并稱為生命活動過程中的4類重要的生物大分子，在生理過程中起著重要作用。

糖的本質(zhì)是一類多羥基的醛酮，醛糖的C-1或酮糖的C-2位被稱為糖的端基異構(gòu)中心，它們是單糖分子中最具活性的部分。在移除活性中心的取代基團(tuán)后，能夠得到含碳的活性物種（例如陽離子物種，陰離子物種，自由基物種）?；钚晕锓N與其他受體結(jié)合形成新的C-X鍵，依據(jù)環(huán)外原子X的不同，可以將其分為氧苷、氮苷、硫苷及碳苷。從合成角度上來說，糖化學(xué)本質(zhì)上是研究糖苷鍵以及糖保護(hù)基的化學(xué)。

通過對糖結(jié)構(gòu)的分析研究和不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)糖類藥物在各個治療領(lǐng)域中占據(jù)了重要的比重。如抗菌藥物萬古霉素[1]；改善高血壓癥狀的葛根素[2]及抗HIV病毒藥物地丹諾辛[3]等都體現(xiàn)了糖類藥物的重要性，因此合成糖類藥物是至關(guān)重要的。合成糖類藥物的核心就在于構(gòu)建糖苷鍵，而糖基化反應(yīng)在糖苷鍵的構(gòu)筑中表現(xiàn)出了其獨(dú)特的高效性。

1 Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)簡介

糖基化反應(yīng)是1879年由Michael首次報道的，幾年后，由Koenigs和Knorr共同改進(jìn)，發(fā)展了Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)。隨著糖基化反應(yīng)的進(jìn)一步探索，人們對其進(jìn)行了巨大的改進(jìn)，逐漸形成了一系列糖給體及其活化方法。如鹵代糖給體、三氯乙酰亞胺酯、硫苷給體、亞砜給體、羧酸給體、糖醇給體、糖烯給體等[4]。其中鹵代糖給體制備簡單，合成的構(gòu)型單一，成為了一類應(yīng)用非常廣泛的糖給體，最為經(jīng)典的糖基化反應(yīng)Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)就是利用鹵代糖給體來構(gòu)筑糖苷鍵。

最為經(jīng)典的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)是一種古老而操作簡單的反應(yīng)，即用鹵代糖和醇在促進(jìn)劑的作用下反應(yīng)，生成相應(yīng)的糖苷化合物。具有如下反應(yīng)特點(diǎn)：（1）各種鹵代糖的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性各不相同，氯代糖最穩(wěn)定，其次是溴代糖，碘代糖最不穩(wěn)定；（2）鹵代糖的反應(yīng)活性不僅和自身的性質(zhì)有關(guān)，還與反應(yīng)溶劑、溫度、催化劑等有關(guān)；（3）反應(yīng)具有很高的非對映立體選擇性；（4）由于鹵代糖的穩(wěn)定性較差，所以Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)通常在室溫或低溫條件下進(jìn)行[5]。隨著Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)在糖苷合成中的廣泛應(yīng)用，因此，得到了糖化學(xué)家的持續(xù)關(guān)注。

近年來糖基化反應(yīng)的進(jìn)展令人矚目，目前已經(jīng)有很多關(guān)于Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)的報道，然而傳統(tǒng)的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)是氯代糖或溴代糖在重金屬Ag、Hg、Sn等、計(jì)量的Lewis酸或相轉(zhuǎn)移催化劑的催化條件下進(jìn)行的反應(yīng)。但這些Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)往往存在著立體選擇性差、對人體危害較大、對環(huán)境嚴(yán)苛、底物使用范圍窄等局限性，因此，Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)成為當(dāng)今糖化學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。本文對近年來的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)的主要研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

2 金屬催化的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)

2.1 In催化的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)

雖然金屬催化的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)已被大量報道，但主要是以重金屬催化劑促進(jìn)的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)，而采用較溫和的金屬催化劑的例子還是比較少見。2017年，Xue等[6]報道了使用催化量的InI3作為催化劑催化2-O-苯甲酰基-3,4,6-三-O-芐基氟代葡萄糖給體生成糖苷化產(chǎn)物的新型糖基化策略。該策略可用于組裝β-連接的功能性糖綴化合物，并且該反應(yīng)具有廣泛的底物適用性的特點(diǎn)，比如類天然產(chǎn)物醇，氨基酸類醇以及糖醇類等受體，共得到了28例糖苷化產(chǎn)物，產(chǎn)率高達(dá)95%（圖1a）。該體系中所使用的催化劑InI3耐水性好、可商業(yè)獲得、且體系中不需要添加額外的助催化劑或添加劑。該方法對于氟代葡萄糖的活化具有很重要的意義。特別地，在立體選擇性允許的條件下構(gòu)建帶有可選擇性除去的2-O-苯甲?；牟糠制S基保護(hù)的吡喃葡萄糖苷，其作為糖基受體具有巨大的潛力，可以進(jìn)一步構(gòu)建1,2-O-糖苷鍵。

一年后，Xue等[7]又開發(fā)了一種有效的糖基化反應(yīng)策略，該策略是采用催化劑In（NTf）3催化全芐基溴代葡萄糖的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)。該反應(yīng)的特點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和、官能團(tuán)耐受性好、不需要任何添加劑、以令人滿意的收率和良好的立體選擇性得到各種糖苷（圖1b）。同時使用NMR光譜的機(jī)理研究表明，反應(yīng)是通過形成烷氧基-銦加合物進(jìn)行的，該烷氧基-銦加合物對于游離醇顯示出較強(qiáng)的以氧為中心的親核性。這種通過促進(jìn)劑活化受體以此來介導(dǎo)Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)已成為構(gòu)筑糖苷鍵的代表性新策略。

圖1 In催化的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)Fig.1 In catalyzed the Koenigs-Knorr glycosylation reaction

2019年，Suh等[8]開發(fā)了一種高效的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)方法，該方法采用一種溫和、穩(wěn)定、綠色且易于處理的固體催化劑In（OTf）3（III），可催化活化全芐基氟代糖給體在室溫下就可進(jìn)行新型糖基化反應(yīng)。該糖基化過程簡單便捷、不需要預(yù)活化、預(yù)蒸餾或繁瑣的后處理步驟，且在該反應(yīng)條件下催化糖基化可兼容各種糖基受體，包括一些酸敏感性醇和電子富集的酚。值得注意的是，在相同條件下也能夠順利合成具有立體選擇性的C-糖苷（圖2b）。這種通用的方法在糖苷的合成中具有一定的突破。Suh等開發(fā)的此方法不僅能被用于糖苷的立體選擇性形成，且將廣泛應(yīng)用于各種糖綴合物的合成中。

圖2 In（OTf）3催化氟代糖給體的糖基化反應(yīng)Fig.2 In（OTf）3 catalyzed the glycosylation of glycosyl fluoride

2.2 Fe催化的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)

2018年，Demchenko等[9]報道了一種簡單廉價、使用催化量的FeCl3（III）作為催化劑來活化各種氯代糖的糖基化反應(yīng)。與先前的方法相比，即使在較苛刻且對環(huán)境不友好的條件下，該方法也可實(shí)現(xiàn)較溫和的活化氯代糖給體，只是糖基化反應(yīng)的產(chǎn)率不理想。但本文獲得的大多數(shù)結(jié)果與Ye等[10]和Jacobsen等[11]最近開發(fā)的有機(jī)催化反應(yīng)相當(dāng)。由于體系中未添加任何添加劑或催化劑和助劑，所以與2,3,4,6-四-O-芐基-氯代糖反應(yīng)得到的糖苷化產(chǎn)物并未取得較好的立體選擇性，但該方法可作為將來完善立體選擇性的基礎(chǔ)（圖3）。此外，該作者還探討FeCl3的作用，認(rèn)為化學(xué)計(jì)量的FeCl3的作用可能優(yōu)先由于糖基化后的異構(gòu)化反應(yīng)優(yōu)先。

圖3 FeCl3活化氯代糖的糖基化反應(yīng)Fig.3 FeCl3 activated glycosylation of glycosyl chlorides

3 非金屬催化的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)

3.1 脲催化的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)

眾所周知，傳統(tǒng)Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)是在重金屬等的催化條件下進(jìn)行的反應(yīng)，其危害較大，因此，發(fā)展環(huán)境友好型的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)在糖化學(xué)領(lǐng)域迫在眉睫。2016年，Ye等[10]采用尿素作為催化劑，活化氯代糖與醇進(jìn)行Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)，并對其立體選擇性進(jìn)行了改進(jìn)。該方法的優(yōu)異性體現(xiàn)在尿素介導(dǎo)的氫鍵活化相對應(yīng)的氯代糖或溴代糖進(jìn)行糖基化反應(yīng)，在大多數(shù)情況下，都可以實(shí)現(xiàn)出色的產(chǎn)率和高異頭選擇性。當(dāng)用2,3,4,6-四-O-芐基-葡萄糖給體時雖然觀察到較低的α-立體選擇性，但可以通過添加TTMPP（三（2,4,6-三甲氧基苯基）膦）使其提高選擇性（圖4a）。與現(xiàn)有的Koenigs-Knorr糖基化[4,12]方法相比，該方法具有立體選擇性和無重金屬催化等優(yōu)點(diǎn)。

2017年，Jacobsen等[11]報道了大環(huán)雙硫脲衍生物在糖基化反應(yīng)中的應(yīng)用（圖4b）。該反應(yīng)采用大環(huán)雙硫脲衍生物作為催化劑來催化氯代糖給體，采用SN2機(jī)制使其α-氯代糖給體立體構(gòu)型定向轉(zhuǎn)變生成相應(yīng)的β-糖苷化合物。由于糖基化反應(yīng)中的立體化學(xué)選擇性高度依賴于偶聯(lián)部分的空間和電子性質(zhì)，因此碳水化合物的合成不容易被預(yù)測。在這里，Jacobsen等發(fā)現(xiàn)大環(huán)雙硫脲衍生物作為促進(jìn)劑催化氯代甘露糖給體的立體定向轉(zhuǎn)化取代途徑。在合成反式1,2-，順式1,2-和2-脫氧-β-糖苷中證明了該催化劑的效用。該反應(yīng)機(jī)制中，親電試劑和親核試劑能夠同時被活化來進(jìn)行立體定向取代的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)。

圖4 脲催化Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)Fig.4 Urea-catalyzed Koenigs-Knorr glycosylation

3.2 TMSOTf參與的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)

2018年，Demchenko等[14]發(fā)展了3,3-二氟吲哚（HOFox）介導(dǎo)的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)。在該反應(yīng)中3,3-二氟-3H-吲哚-2-基（OFox）的酰亞胺被發(fā)現(xiàn)是一個關(guān)鍵中間體，原位合成的溴代葡萄糖和OFox酰亞胺化物的活化都可以以再生的方式進(jìn)行糖基化反應(yīng)，而且該反應(yīng)適用于不同糖系列的各種糖苷鍵的合成，在提高糖基化反應(yīng)的產(chǎn)量的同時還能夠縮短反應(yīng)時間。對于該類反應(yīng)，這種再生糖基化反應(yīng)具有以下3個優(yōu)點(diǎn)：（1）生成的少量反應(yīng)型OFox亞氨酸鹽給體有助于最大程度地減少副反應(yīng)；（2）OFox給體不斷再生，確保使用"新鮮"給體進(jìn)入循環(huán)體系；（3）可以使用穩(wěn)定的前體，并且詳細(xì)監(jiān)測糖基化反應(yīng)以確保僅使用必要量的試劑（圖5）。此外，該方法也可用于多步再生合成寡糖，為一些寡糖的合成提供了便利有效的方法。

2019年，Demchenko等[13]報道了一種由非金屬催化劑三甲基甲硅烷基三氟甲磺酸鹽（TMSOTf）催化的快速Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)。該反應(yīng)在傳統(tǒng)的Ag（I）氧化促進(jìn)的溴代糖苷化（Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)）中添加Lewis酸TMSOTf，可大大加速反應(yīng)的進(jìn)行（圖5）。該反應(yīng)具有反應(yīng)條件非常溫和，可以保持實(shí)用的中性pH值，同時具有高速率和高糖基化產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)。另外，該反應(yīng)還呈現(xiàn)了一系列不同保護(hù)的糖基溴化物之間的異常反應(yīng)趨勢。更特別地是，在該反應(yīng)條件下，苯甲酰化的α-溴化糖比其芐基化的對應(yīng)物更具活性。反應(yīng)性差異通過競爭實(shí)驗(yàn)證明，Demchenko等還研究了Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)的助催化劑Ag2O與路易斯酸催化劑協(xié)同作用的反應(yīng)機(jī)理。在他們的實(shí)驗(yàn)室中，仍然在進(jìn)一步研究，優(yōu)化反應(yīng)條件以應(yīng)用于其他給體和體系。

圖5 Demchenko發(fā)展的糖基化反應(yīng)Fig.5 The glycosylation developed by Demchenko

3.3 非金屬催化的無揮發(fā)性溶劑Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)

碳水化合物在生物識別過程中起著至關(guān)重要的作用。自從Michael和Fischer等為糖基化反應(yīng)建立基礎(chǔ)以來，已經(jīng)有許多糖基化方法被發(fā)展。但糖綴化合物的復(fù)雜性和多樣性（如分支結(jié)構(gòu)、不同的端基構(gòu)型、可能出現(xiàn)的區(qū)域異構(gòu)體和各種各樣的寡糖）仍然存在。與其他生物聚合物（蛋白質(zhì)和核酸）相對簡單的序列相關(guān)的問題要求使用有效的合成方法并限制自動化方法。2017年，Mathue等[14]發(fā)展了在超臨界二氧化碳（scCO2）中無金屬無揮發(fā)性溶劑的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)（圖6）。超臨界二氧化碳（scCO2）可在不存在揮發(fā)性有機(jī)溶劑（VOC）的情況下使用鹵代糖作為糖基給體來進(jìn)行無過渡金屬催化的Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)。他們發(fā)展的此反應(yīng)條件，可用于在完全綠色反應(yīng)中獲得糖苷以及原酸酯。該方法對溫度的變化比對壓力的變化更敏感，因?yàn)槁却切枰蠕宕歉叩臏囟炔拍鼙换罨?。其中新戊酰基是良好的親CO2單元，其被證明是獲得良好立體選擇性的最佳選擇，此外也證明了流體性質(zhì)和超臨界條件的相關(guān)性。該方法具有避免了揮發(fā)性溶劑（VOCs）的使用、無過渡金屬催化劑、溶劑可循環(huán)使用等優(yōu)勢。

圖6 scCO2中的糖基化反應(yīng)Fig.6 Glycosylation in scCO2

4 總結(jié)與展望

本文綜述了近年涌現(xiàn)的一些Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)。這些Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)制備糖苷化合物大多具有立體選擇性好、產(chǎn)率高、反應(yīng)條件溫和且底物適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但由于Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)不僅受鹵代糖的反應(yīng)活性及其自身的性質(zhì)的影響，還與反應(yīng)溶劑、溫度、催化劑等有關(guān)，這為接下來進(jìn)一步利用催化量的、環(huán)境友好型的催化劑實(shí)現(xiàn)Koenigs-Knorr糖基化反應(yīng)提供了更多可能的機(jī)會。