吡啶鎓催化釋放CO2的噁唑烷酮糖基氨基甲酸酯通用O-糖基化平臺

《Nature Communications》：A universal O-glycosylation platform enabled by pyridinium catalysis using gas-releasing oxazolidinone-based carbamates donors

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：Nature Communications 15.7

　　

在生命科學領域，碳水化合物如同掌握生命密碼的密鑰，參與細胞識別、免疫應答和疾病發展等關鍵生物學過程。然而，天然糖鏈的結構復雜性使得從生物體中直接提取純化變得異常困難。化學合成成為獲取結構明確糖類分子的重要手段，尤其在糖類藥物開發和功能研究中不可或缺。盡管自動化合成、預活化策略等新技術不斷涌現，但糖基化反應的核心挑戰始終在于如何平衡供體的穩定性與反應活性，同時實現高立體選擇性和原子經濟性。

傳統糖基化供體如鹵代糖和三氟乙酰亞胺酯雖廣泛應用，但存在制備條件苛刻、副反應多、離去基團不可回收等問題。氣體釋放活化策略因其能驅動反應平衡向產物方向移動而備受關注，其中糖基氨基甲酸酯類供體可通過釋放CO₂進行活化，但既往體系存在供體穩定性差、需要化學計量促進劑、易發生副反應等局限。

在這項發表于《Nature Communications》的研究中，福州大學徐春發團隊設計了一類基于噁唑烷酮的糖基氨基甲酸酯供體，結合2-五氟苯基吡啶鎓鹽催化劑，建立了高效、通用的O-糖基化新方法。該平臺不僅實現了優異的β選擇性控制和93%的噁唑烷酮回收率，更展現出與現有糖基化策略的正交兼容性，為復雜寡糖的模塊化合成提供了新思路。

研究團隊通過核磁共振滴定、氘代實驗和動力學同位素效應等機理研究，揭示了獨特的催化機制：吡啶鎓催化劑先與糖基受體形成氫鍵復合物，再激活氨基甲酸酯供體，通過CO₂釋放生成氧碳正離子中間體。動力學實驗證實氧碳正離子的形成是反應決速步，而2位乙酰基的鄰基參與效應確保了高立體選擇性。

關鍵技術方法包括：噁唑烷酮糖基氨基甲酸酯供體的合成與表征、吡啶鎓鹽催化劑的篩選與優化、糖基化反應的條件優化與底物拓展、核磁共振波譜分析反應機理、動力學同位素效應測定反應機制、X射線晶體學確認供體結構（CCDC 2433567），以及克級規模反應驗證實用性。

結果

噁唑烷酮糖基氨基甲酸酯的通用合成路線

研究人員通過半縮醛與噁唑烷酮酰氯在DIPEA存在下反應，成功制備了11種不同糖型和保護基的供體（1a-1k）。這些供體在室溫下可穩定保存3個月以上，解決了傳統糖基氨基甲酸酯穩定性差的難題。

反應開發

以供體1a和4-氟苯酚2a為模型，系統評估了各類催化劑的性能。結果顯示，2-五氟苯基吡啶鎓三氟甲磺酸鹽（催化劑D）在二氯甲烷中能以5 mol%的催化量實現96%產率和>20:1的β選擇性，同時回收93%的噁唑烷酮副產物。對比實驗表明，β構型供體的2-OAc基團對離去基團解離至關重要，而全乙酰化的"失活"供體1i則完全無反應活性。

底物范圍研究

該方法成功應用于酚類、醇類、羧酸、氨基氧苷和磷酸酯等各類受體的糖基化。值得注意的是，在β-萘酚等易發生C-糖基化的底物中仍能專一性獲得O-糖苷（3d）。對D-木糖、D-核糖和D-甘露糖的延伸研究顯示，通過切換三氟甲磺酸類似物催化劑F，可高效制備α-甘露糖苷（3j）。生物活性分子如鬼臼毒素（3x）、吲哚美辛（3ah）和萘普生（3aj）的糖基化進一步證明了方法的實用性。

在寡糖合成中的應用

該供體與NIS/TMSOTf、金催化等條件呈現完美正交性，使其能夠與已有糖基化策略協同使用。通過正交、迭代和潛存-活化三種策略，成功合成了三糖10、四糖14和15以及三糖19。特別值得一提的是，C2乙酰基可作為選擇性脫保護-糖基化序列的操控位點，實現寡糖20的可控組裝。

機理研究

氘代催化劑實驗排除了直接氫轉移機制。NMR滴定顯示催化劑與酚羥基形成氫鍵復合物。動力學同位素效應實驗（KIE=1.3）表明O-H鍵斷裂不是決速步，而氘代供體競爭實驗（KIE=1.18）支持氧碳正離子生成是反應決速步驟。基于這些證據，研究人員提出了詳細的催化循環：催化劑先與受體結合形成Int 1，隨后通過氫鍵激活供體，促使CO₂釋放生成氧碳正離子Int 2，最終被受體或Int 3捕獲得到產物。

討論與結論

本研究開發的糖基化平臺解決了傳統方法中供體穩定性、原子經濟性和正交兼容性難以兼顧的困境。噁唑烷酮糖基氨基甲酸酯供體的良好穩定性和易得性，結合吡啶鎓鹽催化劑的高效活化能力，為復雜糖鏈的合成提供了強大工具。機理上闡明的"受體先結合-供體后激活"新模式，不僅深化了對糖基化反應機制的理解，也為未來催化劑設計提供了新方向。該工作標志著氣體釋放策略在糖化學中的成功應用，有望推動糖類藥物和功能糖材料的研發進程。