壳寡糖及其类似物的最新合成研究进展

化学方法合成壳寡糖及其类似物

1. 在壳寡糖(COS)合成过程中糖基离去基团及氨基保护基团的选择策略

在壳寡糖(COS)及其类似物的合成过程中，构建β-(1,4)-葡萄糖连接的糖苷键是合成的关键，其中糖基离去基团决定着反应条件和反应活性，因此扮演着极其重要的作用。一些糖基离去基团已成功用于合成COS及其类似物，例如：溴代、氟代、三氯乙酰亚胺酯、硫醚、正-戊烯基醚、邻-炔基安息香酸取代等。在合成COS及其类似物中另一个至关重要的因素是氨基葡萄糖供体中N-取代基，它能够影响糖基化的反应产率，α/β的选择性，以及影响整个糖基保护基团的选择策略。

虽然N-乙酰氨基取代是一些壳寡糖（COS）及其类似物的组成单元，但是直接用N-乙酰氨基作为合成供体是很难成功的，因为其很容易形成稳定的1,2-O,N-噁唑啉的主产物（如Scheme 6 所示）。将N-乙酰氨基取代基换成强吸电子基团可以避免形成1,2-O,N-噁唑啉衍生物。至今为止，有很多N-保护基团用于合成含氨基取代的多糖结构（如Scheme 7所示）。

这些取代基包括：N-邻苯二甲酰基（N-Phth），N-2,2,2-三氯乙氧羰基（N-Troc），N-三氯乙酰基（N-TCA），叠氮基（N3），2N,3O-恶唑烷酮（N-OZD），N-四氯邻苯二甲酰基（N-DCP），N,N-二乙酰基（N-Ac2），N-烯丙氧羰基（N-Alloc），N-苄氧羰基（N-Cbz），N-叔丁氧羰基（N-Boc），N-乙酰基-N-2,2,2-三氯乙氧羰基（N-AcTroc），N-三氟乙酰基（N-TFA），N-单氯乙酰基（N-MCA），N-二氯乙酰基（N-DCA），N-二甲基马来酰酸酐（N-DMM），N-二苯基马来酸酐（N-DPM），N-二硫琥珀酰基（N-DTS），N-二甲基吡咯（N-DMPR），N-二甲基吡啶酰基（N-DMG），N-二羟乙酰基（N-DG），N-硫代二羟乙酰基（N-TDG），N-对硝基苄氧羰基（N-PNZ），N-二苄基（N-Bn2），N-甲氧苄亚胺（N-PMB），N-苯磺酰基（N-PSA），N-对硝基苯磺酰基（N-NOS），N-邻硝基苯磺酰基（N-NOS），N-2,4-二硝基苯磺酰基（N-DNP），N-1-(4,4-二甲基-2,6-二氧代环己基-1-亚基)醚（N-Dde），N-1,3二甲基-2,4,6-（1H,3H,5H）-三氧代嘧啶-5-亚甲基（N-TCE），硝基（NO2），N-2,2,2-三氯乙氧磺酰基（N-TCE），N-二甲氧基磷酰基（N-DMP）。

需要指出的是在合成低聚糖或糖复合物中，选择这些N-保护基没有通式，只有选择合适的氨基保护基才能成功地合成寡糖目标化合物。

N-Phth是合成β连接的N-乙酰氨基葡萄糖最常用N-保护基，例如在合成神经节苷GD2以及血型决定素分子的过程中用到。N-Phth作为活化的糖基供体时，可以参与反应形成不稳定的噁唑啉中间体，这就能保证形成1,2-反式-β-碳苷的构型。例如在最近Wong等作者报道的一篇文章中，硫代糖苷3与N-Phth-GlcN 4在NIS/TMSOTf条件下以92%极高的产率合成了β连接的二糖（Scheme 8）。N-Phth基团的移除则需要强碱的条件，例如以甲醇或乙醇为溶剂用水合肼或乙二胺为碱回流脱除，但是这样剧烈的条件可能会破坏反应底物，因此，N-TCP或N-DCP可以作为替代N-Phth基团的一个选择，其脱除条件较为温和。

N-Troc和N-TCA保护基常被用于合成糖基抗原以及糖缀合物，通常用N-Troc或N-TCA保护的GlcN供体在糖苷偶联反应中，都能以较高收率、较好地β-立体选择性得到目标化合物。例如Fukase等报道了含N-Troc-GlcN三氯亚胺酯6与N-Troc-GlcN受体7在TMSOTf催化下以88%较高收率合成了β-(1,4)-二糖（Scheme 9）。N-Troc保护的氨基葡萄糖可以用氯代三氯乙氧羰基与葡萄糖胺反应以碳酸钾为碱在水相中较容易得到，N-Troc保护基脱除一般是在Zn为媒介在醋酸中脱除。N-TCA基团可以在很多条件转化成NHAc基团，例如：在三丁基氢化锡下发生自由基反应；Pd/C下催化氢解；或者先在氢氧化钠条件下脱除，再乙酰化得到。

叠氮基团在合成α-连接的2-氨基糖的过程中发挥着关键作用，因为叠氮基团没有邻基参与效应。然而，在某些时候，用2-叠氮的糖供体也能得到具有β-选择性的寡糖。例如，Bedini等人报道了以2-叠氮-2-脱氧-葡萄糖三氯亚胺酯9与N-Troc-GlcN 10在三氟化硼乙醚、二氯甲烷/正己烷（3:2）的条件下以81%的收率得到了β-连接的二糖11。叠氮基的引入可以通过糖烯与叠氮硝酸酯发生重氮化作用得到，或者通过叠氮钠与甘露糖衍生物发生亲核取代得到。叠氮基团能够被各种条件还原成氨基，包括被Pd/C催化氢解，三苯基膦条件下的Staudinger反应，以及在1,3-丙二硫醇/三乙胺/吡啶/水条件下还原。另外一锅法在吡啶/AcSH条件下，通过还原-乙酰化从叠氮转变成NHAc基团也是化学选择性的构建反式糖苷键的方法。

2. 壳寡糖(COS)的化学合成

在二十世纪70年代之前，由于N-Phth保护基还未被发现，合成壳寡糖衍生物主要靠生成噁唑啉中间体的方法，因此其合成过程相当复杂。在1966年，Paulson第一次合成了壳寡糖类似物，其方法是用N-二甲氧基磷酰基保护氨基1位的溴代糖12与化合物13反应以45%产率得到二糖14，其产物包含α/β两种异构体（Scheme11）。在1977年Lemieux第一次运用N-Phth保护基合成了COS衍生物17，其产物只有β构型，且产率为51%（Scheme12）。

在1989年，Hashimoto等人报道了一种自缩合反应生成COS衍生的方法，具体是以4-OH-乙基硫苷为原料，在MeOTf催化下发生自缩合反应（Scheme 13）。反应过程可以用2,2,2-三甲基乙醇淬灭，最终以70%总产率生成了多糖化合物，其中二聚体（12.6%），三聚体（14.2%），四聚体（11.5%），五聚体（10.8%），六聚体（6.1%），七聚体（5.2%），八聚体（4.4%），九聚体（2.6%），十聚体（1.5%），十一聚体（1.1%）。

一直到1990年，COS的合成方法衍生了很多种糖基化策略，包括发现了各种GlcN的受体和供体。值得一提的是，在1993年Ogawa等人报道了采用N-Phth-GlcN三氯亚胺酯作为糖苷化供体的合成方法（Scheme14）。具体方法是，GlcN中间体19和含对甲氧基苯酚（MP）的GlcN 20在三氟化硼乙醚中反应以83%收率合成了二糖21。用CAN氧化去除异头碳的MP保护基得到化合物21，接着再与三氯乙腈反应得到二糖中间体22（两步总收率82%）。将化合物21 4’-OAc脱除得到二糖受体23。

再将22和23两个二糖在三氟化硼乙醚中偶联得到四糖24。将化合物24用同样的方法反应得到中间体25，24再用LiOH脱除OAc得到中间体26。25和26两个四糖在三氟化硼乙醚中反应得到八糖28（64%）。28继续反应生成八糖受体29，和二糖供体22反应得到十二糖30（65%）。另外，八糖中间体29与四糖30偶联得到十二糖31（49%）。最后用水合肼去除乙酰基和N-Phth保护基，再用Pd/C脱除苄基以60-85%得到COS 32(n=1-5)。

在1994年，Ogawa课题组报道了以硫苷和氟代糖作为糖苷偶联的供体和受体，采用正交糖苷法合成COS及其类似物（Scheme15）。具体是GlcN硫苷33和氟代4-OH-GlcN 34在NIS/AgOTf条件下反应得到二糖35（85%），接着35与4-OH-GlcN硫苷36在Cp2HfCl2/AgClO4条件下偶联得到三糖37（72%），37再与氟代糖34在NIS/AgOTf条件下得到四糖38（65%）。去除化合物38末端4-OAc基团得到糖苷受体39，与硫代糖苷37在NIS/AgOTf条件下偶联得到七糖40（67%）。用该正交合成方法可以实现糖链继续延伸。

在1994年，Lambeth等人报道了一种以GlcN 41为多样化糖砌块的一种方法，采用正交保护策略合成壳寡糖及其类似物（Scheme16）。具体方法是，化合物41与氯代TBS在咪唑催化下并去除异头碳的烯丙基得到42,化合物42可继续转变成中间体43和44。在三氟化硼乙醚或TMSOTf的条件下41和43或44反应生成二糖45。将45的TBS保护基脱除并和中间体43偶联得到三糖47（61%）。

到2000年，各种氨基保护策略被用于合成COS。在2001年，Aly等人报道了采用N-DMM保护GlcN衍生物，并同时作为糖基化的供体和受体（Scheme 17）。具体是，在乙腈和TMSOTf的条件下含N-DMM保护的GlcN 48和49反应生成β-连接的二糖50（91%），接着化合物50在TBAF/HOAc的条件下脱除异头碳的硅基保护基TBS并反应生成三氯亚胺酯结构得到二糖供体51。与此同时，中间体52与受体49反应得到二糖53（71%），53可继续转变成二糖受体54。在TMSOTf催化下54和51偶联得到四糖55（77%），最后用通用的方法将糖上的保护基脱除得到壳寡糖56。

几丁六糖64的合成方法可以通过糖砌块51、52、53组合得到，具体是中间体52和受体57偶联得到二糖58，进一步转变成二糖受体59，二糖53可进一步转变成二糖中间体60。用[2+2]策略，59和60反应得到几丁四糖61，61在脱除端基上的4-OAc得到四糖受体62，再通过[4+2]偶联策略，62与51反应得到刘田63（53%），最后脱除63上的保护基得到几丁六糖64，四步总产率为52%。

有趣的是，在2002年，Wei等人在用正交法合成带保护基的几丁四糖时，观察到一个不正常的取代基效应。在TMSOTf催化条件下，用二糖的三氯亚胺酯供体65分别与糖苷受体66、67、68反应，结果发现在二糖67的还原端的异头碳上的苯基硫苷取代基对偶联产率的影响较大；即含苯硫苷的二糖67不能在此条件下发生偶联，而将67的苯硫基取代换成相应的烯丙基68时，就能以相对较高的产率得到偶联产物。

在2004年，Yamago等人报道了一种以N-Phth-GlcN硫苷为重复单元的合成壳寡糖的策略。该合成方法的一个亮点是不用脱除苯硫基直接用同一种方法进行偶联。即硫苷72在BSP和Tf2O的条件下与73进行偶联得到二糖74（84%）。再将74用BSP和Tf2O活化，进一步与73进行偶联得到三糖75（58%），重复这个反应过程，将75作为糖苷供体与73偶联得到四糖76（70%），四糖76可以以此方法进一步延长糖链。

Huang课题组将苯硫苷偶联的方法进行优化用一锅法合成了COS。即先将4-硝基苯硫苷77在苄醇的条件下合成78（60%），将77的4-硝基还原成4-氨基取代79，79可以很容易转变成4-溴苯硫苷80以及4-甲氧基苯硫苷82，最后结果是不活泼的糖苷供体80、77以及不活泼的受体78可以用一锅法以25%的总收率得到几丁四糖83。同样另一个课题组也报道了通过迭代自反应一锅法合成了几丁四糖衍生物（Scheme21），即GlcN硫苷依次与84、85、78在p-TolSOTf条件下以32%的总产率偶联得到四糖86。

最近，Seeberger等人通过糖苷自动化反应脱保护得到几丁五糖类似物87。合成方法是将负载的具有双官能团的连接物88与N-TCA硫苷89进行糖苷化自动反应，糖基化反应及Fmoc的去除用通用的方法进行，最后用AIBN和三丁基氢化锡脱除N-TCA保护基得到五糖前体90，最后用Pd/C脱除苄基得到含氨基连接臂的几丁五糖87。

大部分如上所述的COS及其类似物的合成方法中都是以GlcNAc或GlcN为唯一的重复单元，很少有含不同重复单元的COS衍生物。Hansen和Skrydstrup报道了含不同重复单元的COS衍生物，即在BSP/Tf2O/DTBMP条件下将N-Phth-GlcN硫苷91与N-Troc-GlcN受体92反应得到二糖93（77%）。我们也发现N-DMP保护基也可以用于COS的合成，具体方法是，用N-DMP保护的受体95与N-Phth-GlcN供体偶联得到正交N-保护的二糖96（49%）；在吡啶、酰氯的条件下N-DMP基团可以分别被N-乙酰基和N-己酰基取代得到二糖97、98；再将糖环上的N-Phth和O-Ac基去除得到二糖99和100，这样糖环上2-氨基可以被不同N-酰基区分。

Kawada和Yoneda报道了含不同N-保护基的几丁寡糖衍生物101、102，即用N-Phth-GlcN受体104与叠氮中间体103反应合成二糖105（26%），进一步反应可得到101。二糖105可以转变成糖基供体107基受体108，将107和108进行偶联得到四糖109（76%），109脱除保护基得到杂-几丁多糖102（62%）。

Trombotto等人用N-TCA和N-Cbz基团高效地合成几丁寡糖（如101,110-112）。具体方法是将113、114糖基供体和115、116糖基受体偶联得到四个二糖117-120；二糖117-120可以在温和的条件下反应得到几丁寡糖101及110-112，其中N-TCA基团可以在AIBN和三丁基氢化锡的条件下转变成乙酰氨基，N-Cbz基团（包括苄基）可以在Pd/C条件下氢解。

参考资料：Tetrahedron 70 (2014) 1023-1046，p1026-103