空气作为氧源实现芳基氧糖苷键的构建

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近日,三峡大学生物与制药学院天然产物研究与利用湖北省重点实验室报道了一种在开放体系中,碱作为添加剂,钯催化条件下,烯糖给体和芳基硼酸反应制备氧糖苷的方法。相关成果发表在Organic Letters 202224, 1587-1592(DOI: 10.1021/acs.orglett.1c04378),第一作者为王秋圆来梦楠,通讯作者为黄年玉邹坤姚辉

 

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这种新型的合成方法能够以高产率轻松获得各种氧糖基化合物,且具有唯一的1,4-顺式立体选择性,能耐受高反应活性的羟基和氨基。机理研究表明,芳基硼酸经氧气氧化原位生成的酚,然后和钯催化剂进行配位,接着是分子内亲核进攻产生了独有的化学和立体选择性。同位素标记实验表明糖苷键的氧来自空气中的氧气。

 

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糖类化合物在生命系统中的重要性越来越被重视,包括糖肽、糖蛋白、糖脂和糖基化RNA。氧糖苷广泛存在于天然产物和药物之中,例如,糖肽类抗生素万古霉素被认为是治疗革兰氏阳性菌严重感染的最后防线。具有药理学作用的芳香族氧糖苷还包括抗肿瘤先导化合物phyllanthusmin C、抗生素pyrolaside B和口服活性抗生素药物novobiocin。在过去的几十年里,多种合成氧糖苷的化学方法已成功被开发,大部分需要无水及惰性气体保护的反应条件。糖基化反应通常使用具有端基离去基团的饱和糖基给体,由化学计量的或催化量的促进剂活化,(这类糖基化反应)主要依靠糖基给体的设计和制备来实现立体选择性(Scheme 1a)。随着过渡金属催化的发展,不饱和糖基给体(烯糖)表现出了立体选择性合成糖苷的巨大潜力。而由Brønsted/Lewis 酸催化的Ferrier型氧糖基化涉及形成碳正离子中间体通常是α构型的,钯催化剂能够在惰性气体下在干燥溶剂中形成η3-π-烯丙基-Pd中间体,因此能够发生β选择性糖基化反应(Scheme 1b)。众所周知,在开放体系中,含有水溶剂里的氧糖基化反应很少被报道,因为水通常比醇/酚受体更具亲核性,会中断醇/酚受体与糖基给体之间的氧糖基化反应过程,从而得到水解的副产物。由于作者对开放体系下高效且操作简单的糖基化策略一直有着浓厚的兴趣,本文首次报道,烯糖给体在有水存在的情况下,开放系统中实现钯催化的氧糖基化方法(Scheme 1c)。在Pd催化下作为糖受体的芳基硼酸,作者的方法实现了C-O偶联,产生氧糖苷,而不是传统的C-C偶联,得到C-糖苷。事实上,空气中的氧气是氧糖苷键的氧源;因此,这也是一个三组分氧化交叉偶联反应。

 

Scheme 1. Stereoselective Synthesis of O-Glycosides 

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(来源:Organic Letters

 

首先,以3,4-O-L-阿拉伯碳酸酯烯糖1作为糖给体和苯氧基苯硼酸作为受体筛选反应条件。在开放体系中, 1,2-双(苯基亚磺酰基)乙烷乙酸钯(II) (White catalyst)作为催化剂,普通CH3CN作为溶剂,没有配体和添加剂时,只有碳糖苷4生成,产率为83%。如表1 (entry-1)所示,这与作者之前关于碳糖基化的工作一致。当添加1.0 equiv 的碳酸铯作为添加剂时,以46%的产率得到氧糖苷3作为主要产物,并且以29%的产率得到碳糖苷4作为次要产物(entry 2)。随后,测试了各种碱(entry 3-6),在碳酸钠和1,8-二氮杂环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)存在下也能够生成氧糖苷3,产量较低(23%−35%),然而添加剂为磷酸钾和碳酸锂时没有观察到氧糖苷产物。然后筛选碳酸铯的量从0.5到3.0 equiv (entry 7- 9),1.5 equiv 是最合适的当量,氧糖苷的产率为52%。令人惊讶的是,加入膦配体后,碳糖苷的形成被完全阻断(entry 10-12)。dppb被发现是最好的配体,3产率为87%。作者还筛选了不同的溶剂,在开放体系中,DCM作溶剂时却没有产生糖苷产物(entry 13),并且甲苯和 THF 的产率非常低(entry 14-15)。作者也对钯催化剂进行了筛选(entry 16-20),它们都可以催化该反应。最优条件确定为开放体系中,10 mol % White catalyst、10 mol % dppb和1.5 equiv的Cs2CO3,普通CH3CN做溶剂。

 

Table 1. Reaction Optimization under Open-Air Conditionsa

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(来源:Organic Letters

 

在掌握最佳条件的之后,探究了3,4-O-碳酸酯阿拉伯糖烯糖的氧糖基化反应受体硼酸的底物范围,其中大多数硼酸可以很好地耐受该方法。如Scheme 2所示,邻甲苯基硼酸、间甲苯基硼酸和对甲苯基硼酸在该合成条件下,所合成的三种相应氧糖苷(5-7)均以83%至85%的良好收率生成,且具有1,4-顺式选择性(α)。甲氧基苯基氧糖苷(8-10)也可以以高产率(81%-89%)单一立体选择性合成。没有任何取代基的阿拉伯糖α-苯基氧苷(11)毫无疑问地被成功合成,收率87%。其他类型的4号位取代基为给电子的苯硼酸,例如4-异丙氧基苯基 (12)、4-异丙基苯基(13)和[1,1'-联苯]-4-基(14)硼酸,都(对该条件)具有良好的耐受性。此外,二取代的3,5-二甲氧基苯基(15)不影响产率和立体选择性。另外,具有吸电子基团的苯基硼酸在该最优条件下也表现优异。例如,邻位、间位和对位溴苯基氧糖苷 (16-18) 均以中等至高产率 (77%-84%) 生成,且具有优秀的立体选择性。该合成条件还表现出与苯环上其他吸电子基团的良好官能团相容性,α-氟代和氯代苯基氧糖苷(1920)都可以以良好的收率(91%、82%)轻松获得。

 

Scheme 2. Substrate Scope of O-Glycosides from l-Arabinal

 

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(来源:Organic Letters

 

除了硼酸受体的底物范围广泛外,也在最优条件下对各种烯糖给体进行了研究。如Scheme 3所示,当采用6-O-TBS-3,4-O-碳酸酯半乳烯糖作为糖基受体时,半乳糖氧糖苷21以86%的产率获得,且具有单一β的选择性。较大的甲硅烷基(TBDPS)也能很好地耐受这种方法,并且目标产物22的产率为85%。3,4-O-半乳糖碳酸酯6号位羟基被供电子基团(苄基)和吸电子基团(新戊酰基和叔丁氧羰基)保护时,均高效地且立体选择性地产生相应的β氧糖苷 (23-25)。由于岩藻糖苷产物在生命活动中非常重要,且一些岩藻糖苷已应用于癌症治疗的研究,因此用这种方法来验证岩藻糖的反应情况是很有必要的。不仅以80%的产率合成对甲氧基苯基岩藻糖氧糖苷26,而且对苯氧基苯基岩藻糖氧糖苷27的产率为77%,并具有独特的β-选择性。该方法以80%的产率合成对甲氧基苯基岩藻糖氧苷26,对苯氧基苯基岩藻糖氧苷27也以77%的产率被得到,且具有独有的β选择性。邻、间、对位的甲苯基硼酸作为岩藻糖的糖基化受体(28-30)都反应得很好,幸运的是,通过单晶X单晶衍射证实了β-L-岩藻糖28的构型。岩藻糖碳酸酯给体也可以与对异丙基苯基硼酸反应并以80%的产率立体选择性地合成31。令作者高兴的是,3-甲氧基苯基和(3,4-二甲基苯基)硼酸也非常适用于岩藻糖烯糖给体,以中等至高产率(73%-81%)合成相应的氧糖苷(3233)。

 

Scheme 3. Substrate Scope with Various Glycal Donors 

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(来源:Organic Letters

 

基于这些结果,作者提出了一种使用空气作为氧源,用硼酸对碳酸酯烯糖进行立体选择性氧糖基化的反应机制(Scheme 4)。首先,通过配体交换和还原,钯预催化剂转化为钯(0)络合物A,该络合物很容易被空气中的氧气氧化生成钯过氧络合物B,该过氧络合物与芳基硼酸反应生成得到中间体C,该方应释放出的过氧硼酸被碱(Cs2CO3)消耗为反应进程提供驱动力。中间体C还原消除在原位产生苯酚同时继续与Pd配合形成配合物D。由于C4上的碳酸酯基团的方向,Pd(0)优先从糖环的上方与双键配位形成配合物E,然后将其脱羧得到η3-π-烯丙基-Pd络合物F。分子内亲核攻击异头位置,Pd催化剂的还原消除,最终立体选择性地获得所需的氧糖苷,并且Pd(0)再生,继续参与催化循环中。

 

Scheme 4. Proposed Mechanism 

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(来源:Organic Letters

 

为了验证该反应机理,设计了一些具有其他反应活性位点的竞争性实验(Scheme 5)。首先,3-氨基苯硼酸34与阿拉伯碳酸酯1发生反应时,仅观察到O-糖苷35且没有任何N-糖基化产物。当4-羟甲基苯硼酸与阿拉伯糖基给体发生反应,仅得到α-芳基氧糖苷37,其立体构型由X单晶衍射分析确定,D-半乳糖基给体(与4-羟甲基苯硼酸反应)也能够合成β-芳基氧糖苷39,不含任何脂肪族产物。6号位羟基未保护的的糖基给体40在最优条件下也可以反应,并且4,6-二羟基—氧糖苷41以74%的产率产生,具有仅β的选择性。竞争性实验的结果不仅表明(该反应历程是)与原位生成的苯酚与钯配位,然后是“分子内的亲核进攻”,确保 1,4-顺式立体选择性的反应机理一致,而且也证明了该方法对氨基、羟基和未受保护的烯糖给体具有良好的化学选择性。

 

Scheme 5. Competitive Experiments with Reactive Groups

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(来源:Organic Letters

 

采用同位素标记和对照实验分析氧糖苷氧的来源。如(Scheme 6a)所示,在O2环境下,18O标记的水与无水乙腈混合进行氧糖基化反应,却没有发现18O标记的氧糖苷。当使用18O2气球时(方案 6b),成功观察到18O标记的氧糖苷11',并且经质谱证实。这些结果表明,O-糖苷键的氧来自开放体系空气中的氧气。作者还尝试用苯酚代替苯硼酸作为受体,但产率急剧下降(Scheme 6c)。

 

Scheme 5. Competitive Experiments with Reactive Groups

 

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(来源:Organic Letters

 

通过不饱和氧糖苷产物的功能化以及天然产物的合成与修饰,证明了该策略的实用性。如(Scheme 7)所示,氧糖苷产物11通过双羟基化以高产率(82%)转化成α-L-吡喃糖苷42。用对甲苯磺酰肼氢化还原得到双脱氧-O糖苷43,产率为75%。具有抗癌和抗病毒等生物活性的天然产物二叶草素氧糖苷,作者在糖基化策略中研究了采用二叶草素硼酸受体的方法,并以79%的产率顺利合成了相应的44

 

Scheme 7. Functionalization and Application

 

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(来源:Organic Letters

 

总之,作者开发了一种由钯催化剂催化,碳酸铯作为添加剂,糖给体和芳基硼酸糖基化反应合成氧糖的新策略。该糖基化反应均在开放体系中和在普通溶剂中进行,具有优异的立体选择性和良好的收率。该方法底物适用范围广泛,包括各种活性官能团(羟基和氨基)的芳基硼酸和未受保护的糖基给体。机理研究表明,钯催化剂和氧气可能协同作用芳基硼酸,原位生成苯酚与钯配位形成复杂的中间体。随后由配位的苯酚进行分子内亲核进攻,从而产生了1,4-顺式立体选择性和化学选择性。同位素标记实验为糖苷键氧的来源提供了证据。最后,将不饱和糖基化产物功能化转换为为吡喃糖苷和2,3-双脱氧糖,并通过这种新型糖基化方法顺利合成天然产物二叶草素氧糖苷。作者课题组正在进一步深入了解这种敞开体系下氧糖基化反应的机理和更多的应用。作者相信这种方法可能将为立体选择性糖基化策略的发展开辟一个新的方向即:在非常温和的条件下通过简单的实验操作下进行。

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