01背景
糖在生物过程中起着重要作用，获得均质且结构明确的糖衍生物对了解其生物学功能和医学应用有很大帮助。由于天然糖类的微观异质性，很难通过分离技术获得足够的纯聚糖。因此，化学合成已成为获得糖类化合物并用于生物学研究的重要手段。与核酸和肽不同，糖的合成要求更高，因为糖是多功能的，并以两种非对映异构体形式出现。
糖的结构修饰以及寡糖合成需要区域选择性保护的砌块，这些砌块主要通过间接多步程序获得。在过去的几十年里，已经做了很多努力来简化这些耗时的保护-去保护操作。但仍然需要有效的，特别是一锅法（One-Pot）策略。
利用氢键对羟基进行区域选择性活化在糖化学领域引起了极大的兴趣。在过去的几十年中，苯甲酰氰 (BzCN) 已被用作部分保护糖的有效酰化剂。与在反应过程中需要至少一当量碱来中和释放的酸的其他酰化剂（BzCl、Bz2O 等）不同，BzCN 即使在低温下也能用催化量的碱进行反应。
这种现象可以用氢键网络（hydrogen-bonding network）来解释：释放的氰化物阴离子作为强氢键受体，氰化氢为氢键供体。通过氰化氢与BzCN的氰基之间的氢键，以及释放出的氰根阴离子与基质羟基之间的氢键，氰化氢得到再生，羟基被活化，从而发生苯甲酰化反应。
此外，氰化物和羟基之间的氢键也影响多羟基化系统酰化的区域选择性：在催化量的 DMAP 存在下，BzCN 导致吡喃糖苷 1,2-顺式二醇（cis-diols）的轴向羟基优先苯甲酰化，这种“氰化物效应”是基于轴向氧的双氢键作用（图1a）。
在赤道吡喃糖苷 1,2-反式二醇（trans-diols）的区域选择性苯甲酰化研究中观察到了“轴氧基效应”。这种“轴氧基效应”是由顺式氧的孤对轨道的积累引起的，从而导致邻近赤道羟基的亲核性增加。通过这种方式，在标准反应条件下通过“轴氧基效应”可靠地实现高度区域选择性苯甲酰化，即轴氧基旁边的羟基优先苯甲酰化（图1b）。
邻位 1,2-反式二醇的区域选择性苯甲酰化可以在手性胺碱的帮助下实现催化，因为每个羟基旁边都有轴氧基，即这些羟基中的每一个都被“轴氧基效应”（图1d）。通过“氰化物效应”和“轴氧基团效应”的协同作用，我们可以将高度区域选择性的苯甲酰化也扩展到 α-l-吡喃岩藻糖苷和 2,3,4-O-未保护的顺反三醇（cis-trans）和四醇以及完全不受保护的α-d-吡喃半乳糖苷。因此，有价值的 3-O-未保护的衍生物可以在一锅反应（One-Pot）中获得（图1c）。
图1：吡喃糖苷区域选择性酰化涉及的氰化效应、轴向氧基效应
酰化反应是糖化学中常用到的保护基操作，糖类化合物上的羟基可以酰化成为酯，生成完全酰化或部分酰化的糖。糖砌块上羟基的区域选择性酰化具有重要意义，因为它可以直接为提供所需的选择性保护中间体，为低聚糖的组装提供了基础。了解糖类化合物的酰化剂，将有助于发展理想有效的直接区域选择性官能团修饰方法。
02 氰化效应（Cyanide Effect）的区域选择性
糖化学的重点是糖的结构修饰和寡糖合成，都需要区域选择性保护的砌块，因此，需要针对特定羟基进行直接保护，其中双氢键能区分不同位置的羟基。氰化物能够形成各种氢键，且是一个对空间要求不高的非常强的的碱，因此即使在空间拥挤的位置，也可以在低温下进行区域选择性O-酰化，从而实现生成并分离动力学产物。
“氰化效应”是基于轴向羟基的双氢键作用，这增强了相应氧原子的亲核性，使得二醇的反应比单醇更快。相比之下，氟化物作为抗衡离子有利于与两个羟基形成双氢键，从而实现赤道 O-酰化（图2）。
一般来说，酰化反应使用过量的酸酐或者酰卤，在碱性条件下得到全乙酰的产物，但由于糖环上每个羟基的酸性，亲核性和空间位阻是有差异的，因此放大这种差异将有可能实现区域选择性的酰化。但在标准的酰化条件下（即在碱性环境下，以酰基卤化物或酸酐为酰化剂），想要实现选择性酰化，主要生成不同的混合物。通过酸性的有机锡和有机硼试剂可以选择性地在半乳糖，葡萄糖，甘露糖上实现6-OH和3-OH的酰化。
一般认为糖环上个羟基的反应活性为：6-OH>3-OH>4-OH>2-OH，其中3-OH和4-OH比较特殊。吡喃半乳糖苷的4-OH酸性比3-OH酸性更高，因此理论上4-OH更易发生酰化，实验表明3-OH比4-OH更易发生酰化，空间效应被提出来解释3-O-酰化优于4-O-酰化（图2）。
图2：氰化效应对3位、4位羟基的区域选择性影响
03 "氰化效应"的区域选择性由氢键介导
Schmidt等人首次通过“氰基效应”在半乳糖型上实现了4-OH的区域选择性保护。此区域选择性不受温度，溶剂等的影响（表1）。例如，使用极性更大的非质子溶剂（乙腈或 DMF）进行苯甲酰化反应不会改变区域选择性。
表1：3,4-O-未保护的吡喃半乳糖苷苯甲酰化的区域选择性。
为了证明羟基与氰腈或氰离子之间的氢键，通过1H NMR波谱研究了BzCN、乙腈和氰化物分别加入1 equiv对CDCl3中1a溶液的影响，可以看出具有明显的化学位移变化，证明了这种区域选择性是通过氢键介导的（图3）。
图3：1H NMR波谱研究
将此方法推广到脂肪族酰基氰化物，即乙酰基氰化物为乙酰化剂，DMAP为催化剂，在标准反应条件下，仍具有相似的区域选择性（表2）。
表2：不同顺式二醇与乙酰氰和 DMAP的区域选择性乙酰化
04 轴向氧基团效应（axial Oxy Group Effect）
与平伏键相邻的直立键中的O或S原子能增强相邻直立键-OH的亲核性，这即是“轴向氧基效应”。例如，β-D-galacto构型中的3-OH比2-OH更亲核。这是因为顺氧孤对轨道的积累，增加了羟基的亲核性。
但一般实现此区域选择性需要添加金属盐或使用大体积酰化剂。BzCN的高反应性也有助于形成动力学控制产物，用BzCN作为酰化剂，轴向氧基的作用特别强（表3、表4）。
表3：轴向氧基效应（BzCN）对区域选择性的影响
表4：DMAP介导的轴向氧基效应（BzCN）对区域选择性的影响
05 一釜酰化中的"氰化效应"与"轴向氧基团效应"
苯甲酰氰 (BzCN) 经常用于糖的部分保护，用 BzCN 和 DMAP/DIPEA 作为碱保护 2,3,4-O-未保护的 α-半乳糖和 α-吡喃岩藻糖苷，直接和区域选择性地提供了 3-O-未保护的衍生物。这些研究的基本原理是利用“氰化物效应”和“烷氧基介导的二醇效应”的最终协同作用。这样，即使是完全未保护的 α-吡喃半乳糖苷也可以区域选择性地转化为相应的 2,4,6-O-保护衍生物。
在2,3,4位裸露羟基的半乳糖上，利用氰化效应和轴向氧基效应可以实现选择性保护。TLC检测反应过程：发现优先生成动力学控制的2位酰化产物，后在4位进行酰化（表5）。
表5：2,3,4-O-未保护的吡喃半乳糖苷苯甲酰化的区域选择性
06 "轴向氧基团效应"与"手性催化"
通过糖苷化对糖进行高效的结构修饰和糖链延长的前提条件是，在催化条件下用酰基对多官能糖进行区域选择性的保护。用苯甲酰氰作(BzCN)为酰化剂和 4-二甲氨基吡啶作为催化剂，能普遍观察到强的“轴氧基效应”，从而实现对轴氧基旁边的赤道羟基的优先O-酰化。
2,3-O-未保护的β-d-半乳糖和α-d-吡喃葡萄糖苷以及具有邻位反式二醇部分的3,4-O-未保护的吡喃甘露糖苷证实了这种作用。此外，在每个羟基旁边具有轴氧基的邻位反式二醇，具有预期相当的反应活性，这与手性叔胺做催化剂时不同（图4）。双功能 (S,S)-N-(N,N-二烷基氨基环己基)-硫脲作为催化剂时，有利于 2,3-O-未保护的 α-吡喃半乳糖苷的 2-O-苯甲酰化，这也得到了密度泛函理论计算的支持。
图4：轴向氧基团效应与手性催化
对于邻位均有直立氧基存在的2,3位-OH,轴向氧基作用导致C-2和C-3上几乎无法选择性区分。Peng Peng等通过选用手性催化剂，能成功对伪不对称的2,3-OH进行区分，分别进行选择性保护，例如表6、表7。
表6：不同碱催化的区域选择性苯甲酰化（BzCN）
表7：不同硫脲衍生物催化的区域选择性苯甲酰化（BzCN）
07 总结
酰化剂平衡离子的碱性会影响酰化速率。氰化物离子是碱性的（H2O: pKa 9.4; DMSO: pKa 12.9），比乙酸盐或卤化物的碱性都要强，能增加酰化反应的速率。因此，氰基酰化试剂可以在较低的温度下进行酰化反应。
氰化物（如BzCN）除了优先与酸性最强的羟基形成氢键外，还能通过碳原子或氮原子或同时通过碳原子和氮原子形成双氢键。因此，二醇的两个羟基的酸度的差异会增加氧亲核性的差异，从而产生更高的区域选择性，特别是在低温下，可以实现动力学控制的区域选择性，优先在4-OH进行酰化。
在有机溶剂中，酰基在动力学控制生成轴向O-酰基产物的之后，可以在热力学作用下进行酰基迁移。酰基迁移不是一个好现象，会影响区域选择性。由于氰基的尺寸较小（如BzCN），空间效应也被最小化，因此在低温下可以忽略热力学的影响，不易发生酰基迁移，说明苯甲酰氰（BzCN）是一种理想的酰化试剂。
苯甲酰氰（BzCN）由于其特有的氰基效应，在对单糖的选择性酰化有独到的用武之地，能大大减少保护基操作，极大便利糖砌块的合成。但目前其应用范围仅限于单糖的区域选择性保护，无法应用于寡糖的直接保护，同时高毒性和苛刻的反应条件也较为不便，仍需要更便捷试剂来方便糖化学的发展。
参考文献：
Regioselective Acylation of Diols and Triols: The Cyanide Effect. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 18, 6002–6009. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6b02454
Regioselective One-Pot Benzoylation of Triol and Tetraol Arrays in Carbohydrates. Org. Lett. 2018, 20, 13, 3862–3865.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.orglett.8b01446
Catalytic Regioselective Benzoylation of 1,2-trans-Diols in Carbohydrates with Benzoyl Cyanide: The Axial Oxy Group Effect and the Action of Achiral and Chiral Amine Catalysts. ACS Catal. 2020, 10, 19, 11406–11416.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.0c02112
Regioselective benzoylation of unprotected β-glycopyranosides with benzoyl cyanide and an amine catalyst – application to saponin synthesis. Org. Chem. Front., 2021,8, 260-265.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/qo/d0qo01243b
原文刊载于【药学前沿进展】公众号
本文版权归原作者所有，文章内容不代表平台观点或立场。如有关于文章内容、版权或其他问题请与我方联系，我方将在核实情况后对相关内容做删除或保留处理！