一“桥”飞架唾液酸，α-糖苷化变“通途”

唾液酸（N-乙酰基神经氨酸），是一种对哺乳动物发育、细胞识别、细胞粘附和信号传导至关重要的链状糖分子。病原菌、病毒和寄生虫常常通过与细胞表面的唾液酸受体结合从而粘附于宿主细胞，其中最有名的例子莫过于流感病毒。人感染流感病毒之后，病毒的血凝素（HA）与人体细胞表面的唾液酸受体结合进行粘附，随后就是病毒侵入和自我复制，最后病毒的神经氨酸酶（NA）水解唾液酸，切断病毒与人体细胞的联系，释放新病毒颗粒以进行下一个感染循环。几种流感病毒的亚型分类，例如甲型流感病毒H5N1亚型，依靠的就是血凝素（即H5N1中的“H”）和神经氨酸酶（即H5N1中的“N”）的抗原性不同。著名的抗流感药物，同时也是目前销售排名最高的奥司他韦（商品名“达菲”）即是根据唾液酸和流感神经氨酸酶的蛋白质结构开发的神经氨酸酶抑制剂。

尽管唾液酸的生理功能已经研究得非常透彻，但其全合成却遇到很大障碍，其中“最难啃的硬骨头”就是对3-脱氧-2-酮糠酸（3-deoxy-2-ketoaldonic acid）的α-糖苷化。究其原因有三点：（一）由于异头碳上存在吸电子的羧基导致含氧碳正离子不稳定，容易发生2,3-消除生成烯基双键；（二）与常见的己糖不同，唾液酸的3-脱氧-2-酮糠酸的C3位缺少羟基，因此缺少邻基参与效应来控制α/β面选择性，导致β-糖苷化副产物的产生；（三）C6位上的丙三醇结构存在一定的空间位阻，也对糖苷化过程具有影响。为此，化学家们建立了一系列的解决方案，例如利用腈类溶剂的溶剂化作用稳定含氧碳正离子中间体，或者在C1或C3引入辅基（羟基、硫醚、氰基等）来实现α-糖苷化。但这些方法的成功率严重受到亲核试剂和唾液酸供体电子性质和位阻的影响，并不具有通用性，也与唾液酸生物合成途径相差甚远。

图1. 几种唾液酸α-糖苷化的方法。图片来源：Science

近日，日本岐阜大学的Hiromune Ando教授课题组受到爱荷华大学George A. Kraus教授提出的桥头碳正离子的启发^[1]，以恰当长度的连接体将C1羧基和C5氨基连接形成双环唾液酸供体，利用桥头含氧碳正离子特殊的反应性和环张力可实现唾液酸供体的选择性α-糖苷化，反应的底物适用范围广。相关结果发表在Science 上。

图2. 利用桥头含氧碳正离子实现唾液酸α-糖苷化的方法。图片来源：Science

Ando教授课题组首先探索连接体长度与α-糖苷化的关系。研究人员合成了连接体为三个到八个亚甲基的唾液酸供体，C1位引入苯硫基作为离去基团，在NIS/TfOH的作用下，他们发现7个亚甲基长度连接体修饰的底物α-糖苷化产率最高，达到83%。

图3. 双环唾液酸供体反应效果的比较。图片来源：Science

但是上述模板底物中的连接体不容易消除，为此研究人员引入可以在还原条件（如锌粉）下消除的2,2-二氯连接体，制备了唾液酸供体14和15。结果表明，苯硫醚14可以在氧化条件（NIS/TfOH）下与不同的线性脂肪醇（16，17）、环状脂肪醇（19）、大位阻的笼状醇（18）、糖分子（20-23）发生反应；而磷酸酯15则需要在TMSOTf的条件下进行相应的转化。可以看出，两种唾液酸供体都以接近定量的收率和完全的立体选择性得到唾液酸α-糖苷化衍生物。亲核试剂不限于醇，异丁烯基三甲基硅烷（38）、烯醇硅醚（39）以及富电子的苯环都能捕获桥头含氧碳正离子，大大丰富了唾液酸的衍生化。

图4. 底物适用范围的考察。图片来源：Science

基于以上合成方法，研究人员对唾液酸糖脂的合成进行了研究。他们从磷酸酯化的唾液酸供体15出发，在TMSOTf的作用下与高度保护的糖44发生α-糖苷化得到45，45在Zn/AcOH还原下消除氨基甲酸酯，通过不同的酰基化后脱保护/水解就能得到不同的唾液酸糖脂50-52。

图5. 唾液酸糖脂的合成。图片来源：Science

在生物体内，多聚唾液酸通过改变神经系统神经粘附分子的粘附性调节神经细胞发育、神经导向以及突触形成，从而在神经发育中起关键作用。然而，这类多聚唾液酸是通过多个α(2,8)-糖苷键连接的，在合成上具有很大的挑战，也是多聚唾液酸自动化合成的瓶颈，C8位的羟基由于同相邻的酰胺形成氢键，导致反应性很低，并且唾液酸上羟基存在不同的反应性，因此需要通过保护基进行合理的调控。最终，研究人员发现桥环中间体56可以选择性地转化为唾液酸的α(2,8)-糖苷化二聚物，经过重复使用该策略完成了唾液酸六聚物67的合成。

图6. 唾液酸多聚物的合成。图片来源：Science

总结

立体专一性地构建关键的手性中心一直是合成化学家和药物化学家关注的问题，复杂官能团修饰的糖类化合物发生立体选择性的官能化更是其中的难点。该研究通过巧妙设计大环连接体形成相应的双环唾液酸前体，可高收率和立体专一性地与一系列亲核试剂反应，由此实现唾液酸的α-糖苷化，并基于该合成策略实现了唾液酸多聚物的合成。笔者认为可以用一句诗词来总结——“一桥飞架南北，天堑变通途”。

这篇文章让笔者想起了之前不久介绍的日本关西学院大学Hidetoshi Yamada教授的Science论文 ^[2]，通过桥环控制α-糖苷化实现最小环糊精合成。同样是“桥”，二者有哪些相似以及哪些不同，欢迎读者们留言讨论。

Constrained sialic acid donors enable selective synthesis of α-glycosides

Science, 2019, 364, 677, DOI: 10.1126/science.aaw4866

参考文献：

1. Kraus et al., Organic synthesis using bridgehead carbocations and bridgehead enones. Chem. Rev., 1989, 89, 1591-1598, DOI: 10.1021/cr00097a013

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cr00097a013

2. Ikuta et al., Conformationally supple glucose monomers enable synthesis of the smallest cyclodextrins. Science, 2019, 364, 674-677, DOI: 10.1126/science.aaw3053

https://science.sciencemag.org/content/364/6441/674