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文献磕学|大环双硫脲催化立体特异性糖基化反应
今天分享的文献是由Eric N. Jacobsen教授团队于2017年在《Science》上发表的文章《Macrocyclic bis-thioureas catalyze stereospecific glycosylation reactions》。Jacobsen教授的研究核心在于发现新型催化反应并解释催化机理，尤其是在不对称催化领域做出了里程碑式的贡献：他开发的手性Mn(salen)催化剂实现了非官能化烯烃的高对映选择性环氧化；同时，他开拓了利用脲、硫脲等有机小分子通过氢键作用活化底物的催化模式，为非金属不对称催化开辟了新方向。
自然界中大多数碳水化合物以多糖、糖缀合物或糖苷的形式存在，其中糖单元通过O-糖苷键相互连接或与其他分子连接。糖基化反应是发生在sp³碳上的亲核取代反应的一个例子，通常包括将糖转化为完全保护的糖基供体，该供体在其异头碳带有离去基团；接下来。对定点保护的糖基受体进行糖基化，也就是“糖基供体”作为亲电试剂将糖基部分转移给作为亲核试剂的“糖基受体”。自Michael和Fischer首次进行糖苷合成，随后Koenigs和Knorr开展开创性研究以来，已开发出大量糖苷化方法。比较常用的糖基化反应大多从以下几种糖基化供体开始。在经典的Fischer–Helferich方法中，半缩醛与醇之间通过酸或者Lewis酸催化反应形成糖苷键，该反应为可逆反应且存在吡喃糖和呋喃糖的变构平衡，一般不用于糖苷化反应；但有时候需要合成呋喃糖苷或者需要在五号位进行增碳反应的时候可以使用该方法；Knorr方法最早使用卤代糖作为供体，在重金属盐的催化下生成苷键；Schmidt 法也是非常常用的一种糖苷化反应，使用糖基三氯亚胺酸酯作为供体，三氯亚胺酯是一种非常好的离去基团，制备也相对简单；硫苷实际上是现在用得最多的糖苷，因为它不仅可在亲硫促进剂存在下直接与亲核试剂偶联，用于O-糖苷的合成，并且它们可以转化为大多数其他糖基化试剂。历史上第一个被报道的合成糖苷的反应用的就是氯代糖，但是乙酰基在强碱性条件下会发生水解，因此此条件只能用于制备芳香基葡萄糖；后来有W. Koenigs和E. Knorr改进了此反应，采用碳酸银作为活化剂。一般采用溴或者氯作为离去基团；碘苷反应活性很高但也非常不稳定，需要使用的话需要采用原位合成的方式；氟代糖是最稳定的一种，所以原先也比较少用，但后来从Mukaiyama开始引入了一些独特的促进剂如AgClO4/SnCl2，使得氟苷也可以作为一个很好的供体使用。卤代糖的糖苷化有高非对映立体选择性，亲核试剂的进攻在一般情况下遵循SN2机理。在介绍糖苷化的反应机理之前我们先来了解一下离子缔合的相关定义：离子对（ion association）的概念由丹麦化学家Bjerrum于1926年提出，他认为，强电解质并非完全以自由离子形式存在。当正负离子间的静电引力大于其热运动能时，它们会短暂缔合，形成一个整体运动的单元——即离子对，或称Bjerrum离子对。这本质上是对Debye-Hückel理论的补充。后来Saul Winstein将这一概念引入对亲核取代机理的解释。他认为，在SN1反应中，反应物（如卤代烃R-X）异裂后，解离出的碳正离子（R⁺）和负离子（X⁻）并不会立即分离，而是会经历一个从紧密离子对到松散离子对，最后才变为溶剂分隔的游离离子的动态过程；而亲核试剂在不同的离子对阶段进攻，则会得到不同的旋光产物。对于糖基化反应机理以及糖苷键的立体选择性的解释，也最好从离子缔合入手。糖基化反应在两种极端情况之间的取向通常被认为是通过一系列结合程度或紧或松的离子对来决定。因此，糖苷化反应应当被看作一个连续性过程，首先形成氧鎓离子，接着根据外部条件的变化，从氧鎓离子向两个方向扩展，以包含非对映异构离子对组；在这过程中，糖基供体和促进剂的抗衡离子对被认为在反应体系中处于“接触离子对-溶剂分离离子对”的平衡之中。O-糖苷键的立体选择性形成是大多数糖苷合成中的关键过程，糖基化反应的立体化学结果在不同程度上受偶联分子对的空间位阻和电子特性影响，在图4的例子中，使用相同的离去基团和活化条件，由于亲核试剂的亲核强弱不同，会使反应从SN2型更趋向于SN1型；除此之外糖苷键的立体选择性还受到反应温度、溶剂、促进剂以及糖环上的保护基的影响。尤其是在有邻基参与效应的情况下，反应的立体选择行为会变得更加复杂。图4 亲核试剂的强弱也同样影响糖苷键的立体选择性4在邻基参与的影响下，β-葡萄糖苷和α-甘露糖苷都非常易于获得；但Cis-1,2构型的糖在位阻和电子效应上都处于不利地位，使得人们在很长的时间里合成都十分困难。比如说，α-葡萄糖苷结构的形成在很大程度上取决于热力学控制或严格的无邻基参与的SN2型反应；β-甘露糖苷的只能从α-甘露糖基开始，通过严格的SN2型反应得到。立体选择性糖苷化问题在过去通过调整保护基和偶联方法来解决，以实现高非对映选择性。如上世纪八、九十年代前后，β-甘露糖苷键的直接构建主要通过：非均相体系中用不溶性的银盐作为促进剂，得到相应的β-糖苷键；或者在甘露糖二号位配备强吸电子的磺酰基，通过反式偶极效应促使反应偏向于SN2型取代过程，从而得到β-糖苷键。但上述方法底物适应范围窄、反应条件十分苛刻，都无法得到广泛的应用。后来，也有许多研究者通过设计一些特殊的离去基团来控制立体构型；但这种方法并非普遍适用，并且原子经济性也不算太高。酶法糖苷化也是控制糖苷键构型的方法之一。其反应的高效率和高对映选择性让酶法合成在一些复杂糖以及糖缀合物的合成上发挥了很大的用处。目前研究者们将糖基转移酶根据其糖苷化的结果分为了两类：反转型和保留型。反转型的糖基转移酶作用机理可以认为类似SN2的协同机制，这类酶的活性中心会提供一个广义碱基，活化受体的羟基，增强其亲核性，并限制其从离去基团的背面进攻，同时，酶会通过与金属离子如Mn²⁺或Mg²⁺的配位等方式，中和离去基团离去时产生的负电荷，稳定过渡态。近些年来，越来越多的研究者选择通过使用外部催化剂的方式来控制糖基化反应的立体选择性，旨在扩大立体选择性反应的适用范围，降低对结构精确的糖基底物的依赖；在理想情况下，催化剂也可以回收，促进利用率。但在不论使用哪一种催化剂，都必须尽量减少竞争性取代的途径，才能实现高立体选择性。通过SN1途径促进立体选择性糖基化的催化剂，必须促使亲核试剂偏向于加成到由亲电试剂离子化生成的氧碳鎓中间体的两个非对映异位面之一；设计能够克服手性糖基亲电试剂立体化学偏好的催化剂，特别是在广泛的目标结构范围内表现出一定通用性的催化剂，是一项艰巨的挑战。另一种方法依赖于促进立体专一性（SN2）取代，使得产物的立体化学完全由异头位亲电试剂的构型决定，从设计上来说，更容易实现一些。所有化学反应都涉及一定程度的电荷极化，许多典型的有机反应中都至少会产生一个离散带电物种的中间体；而小分子不对称催化剂本质上依靠有限的相互作用来控制立体选择性；因此，通过控制带电荷的中间体来控制反应的立体选择性也是有机反应常用的一种催化策略。针对带电中间体进行反应的非对称催化的通用方法主要可以分为两种：1）与带电的手性催化剂离子配对;2）通过手性中性催化剂与中间离子对的非共价结合。在离子配对催化剂的设计过程绕不开两个问题：溶剂化和基于离子配对的相互作用。根据库伦定律，静电相互作用的强度与离子间距离和介质的介电常数成反比。因此，在短距离和非极性溶剂中，离子对相互作用较强。接触离子对在介电常数较低的非极性溶剂中能量优势较佳，而溶剂共享和溶剂分离离子对在介电常数较高的溶剂中更为常见。接触的离子对彼此周围环境的影响的响应性更强，接触性离子对可以类比成SN2反应中过渡态的模式，两个离子间彼此接触，限制了亲核试剂的进攻方向;因此，对于选择性主要由离子配对相互作用控制的反应，非极性溶剂通常会观察到更高的选择性。但需要考虑的是立体选择性和体系溶解度的平衡问题；另一个问题是，离子配对相互作用本质上比共价或氢键相互作用方向性较低，这也是设计采用该原理的立体选择性催化剂面临的挑战。阴离子结合催化剂则是这些离子对相互作用催化剂中的一种。阴离子识别催化剂与酶催化的发展也有着千丝万缕的联系。首先，酶学中长期以来的一个观点是，酶在静电和几何上与其催化反应的过渡态互补；其次，氯离子在生物系统中也是重要的阴离子，氯离子通道使氯离子能够选择性地穿过细胞膜，而不必以高亲和力结合细胞膜：这种类型的阴离子结合不会通过直接电荷接触形成紧密的离子对;相反，氯离子通过氢键实现部分电荷稳定，从而实现离子的快速传输。氢键供体型的阴离子配对催化剂灵感大概也是由此而来。后来研究者们发现一些含双氢键供体的分子如尿素、硫脲，可以与阴离子结合，用于离子对中间体的控制，在Wilcox和Hamilton的开创性报告表明，（硫）脲是阴离子的良好受体。超分子识别的最新进展使化学家能够设计出符合阴离子结合需求的多种合成受体，在非环、环或多环框架中适当引入（硫）脲基团已成为合成阴离子受体设计的主流策略之一；这些对氧气和湿度稳定的有机催化剂使得许多高度对映异构体选择性转化成为可能。而在之前的工作中，作者提出了使用双酰胺硫脲催化剂来替代原先的单硫脲催化剂，并对催化现象背后的机理进行了探究。原先的硫脲催化剂在应用的过程中，存在着如催化效率较低，且需要较高的催化剂负载量，才能有较好的对映异构选择性；反应体系也是稀浓度条件。针对这些现象，作者以硫脲催化的α-氯醚烷基化反应为模型来探究背后的原因。首先，作者进行了“同等过量”实验和“差异过量”实验：在等量差异实验中，作者控制两种底物的初始浓度差为定值，来测定反应速率；不同浓度的浓度-速率曲线基本重叠，说明催化剂在这一过程中不存在毒化；这一结果表明在低负载量下催化剂效率不佳一定是由更复杂的现象导致的。在差异过量实验中，作者通过将一种反应物的初始浓度设置为定值，测量其不同转换率下的反应速率，证明了，反应相对氯醚和硅基缩酮都是一级的反应动力学。图8 “同等过量”实验和“差异过量”实验测量反应级数6但在对催化剂反应级数的确定实验中，作者发现，反应在催化剂高浓度下对催化剂是一级反应，但在低催化剂浓度的条件下却不是线性的；进一步，他们测试了产物的e.e.值与催化剂ee值之间的关系，在使用等浓度的催化剂条件下，发现他们的关系是明显偏离线性。作者通过模型的猜想，认为催化剂之间可能产生了聚集的现象。通过模拟计算和NOE的核磁实验，他们发现，不管是消旋或是非消旋的硫脲催化剂，在有无氯离子存在的条件下都会发生二聚化，其中每个单体的硫脲键氮原子与偶联分子的酰胺氧形成氢键相互作用。并通过连续稀释实验下，计算一维氢谱中Ha和Hb的位移来计算出二聚化的平衡常数。而催化反应级数偏离一级的现象也可以得到解释：在高浓度下，由于烷基化反应在对[1]T也就是催化剂总浓度表现出一级依赖性，因此在这些条件下，静止状态和限速过渡态必须具有相同的二聚体催化剂化学计量，也就是说，决速步必须由两个催化剂分子参与。因此作者在后面的工作基于该二聚体设计了双硫脲催化剂。由于SN1和SN2策略均需要离去基团的解离，于是，作者想到，这样的阴离子夺取催化机制是否可以用于催化氯代糖基的糖基化反应前面提到过，甘露糖的cis-1,2糖苷化是非常困难的。因此，作者第一个选择了甲基保护的氯代甘露糖作为模型反应供体。正如预期的那样，在没有催化剂的情况下，使用苯甲醇进行糖基化反应主要生成α-产物（α:β=84:16）。多种手性单体硫脲和硫脲衍生物（例如3）被选为潜在催化剂，但在所有情况下均观察到反应性较差，且对α或β的选择性较差（α:β≈50:50）。相比之下，双硫脲（4）旨在通过协同氢键相互作用促进阴离子结合，并且先前已被证明是硫脲催化剂3的更具反应性的类似物。相比之下，大环双硫脲5促进了糖基化反应，与4相比产率和选择性均有所提高，并且用吲哚啉取代手性芳基吡咯烷部分后，催化剂性能得到进一步改善。在模型反应中，只有带有两个短链连接的硫脲或脲基团的催化剂能促进高效且β-选择性的糖基化反应。接着，作者使用α或β构型的葡萄糖供体进行相同的实验，则得到了糖苷键构型完全反转的产物。最后他们使用二位的α-脱氧糖供体与R或S型的薄荷醇进行反应，也全都得到β型的产物。这些现象表明，糖基化反应的立体化学结果几乎完全取决于亲电试剂的构型。除了与普通的醇反应有良好的β立体选择性外，其他吡喃糖作为亲核试剂时，反应的立体选择性也同样由供体的构型决定。为了便于分析，作者首先采用甲基保护的亲核试剂以方便NMR分析；也可使用更容易脱除的苄基保护基，甚至乙酰基保护基的糖基底物，对反应的立体选择性和产率没有太大的影响；此外，当供体的二号位为乙酰氨基时，也未观察到恶唑环中间体的形成。从合成的二糖进一步合成三糖也有较高的产率。从这些结果来看，作者认为该双硫脲催化剂为立体选择性的糖基化反应提供了一种有广泛适用潜力的方法。上述实验结果，即（i）立体专一性翻转、（ii）对催化剂-底物和亲核试剂-亲电试剂的相对立体化学关系不敏感，以及（iii）适用范围广泛，用SN2机理能得到最佳解释。一般来说，离去基团的活化有望促进SN1和SN2两种反应途径，而亲核试剂的活化则会选择性地促进SN2机理。作者考虑了醇亲核试剂是否由于催化剂中酰胺羰基的Lewis碱性而被活化。因此，作者将催化剂上的吲哚基团替换为碱性更弱的异丙基之后，发现反应的立体选择性明显下降，说明催化剂在活化糖基供体时，同时具有Lewis碱的作用使亲核试剂醇活化，间接地证明了原先的催化条件使得反应有更高的SN2路径偏好性。进一步地，作者利用同位素动力学实验来验证反应路径的选择；他们发现，对于β产物，异头碳氢键的同位素动力学效应结果证明为正二级同位素效应，并且随着催化剂路易斯碱性的增强而增大，这反映出随着亲核试剂反应性的提高，过渡态中形成的碳氧键键长增加，符合SN2的过渡态形成模式。对α产物则没有观察到该现象，且三个实验组的k值都偏大，可能更接近SN1的反应路径。在后续的工作中，受到天然的糖基转移酶的启发，作者将氯离去基团替换为了磷酸基团。一般认为磷酸根是不如卤素离子的离去基团，但在这篇工作中，作者发现，磷酸离去基团与催化剂的结合常数更大，反应活性也更高，可以与许多底物包括丝氨酸在温和的条件下实现专一性β糖苷键的构建。- 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