作者:孙建松课题组

导读：

近日，江西师范大学国家单糖化学合成工程技术研究中心孙建松团队开发了一种基于邻（叔丁基乙炔基）苯硫苷（BEPTs）策略的新型直接高效合成核苷的方法。该方法具有以下优势：糖基给体稳定性高、无需对碱基预活化或硅烷化保护即可实现直接糖基化、底物适用性广、可高效构建2′-脱氧核苷、且成本低、易于放大。同时，该策略大幅度提升了反应速率。近期该研究成果以“Direct and efficient synthesis of nucleosides through the ortho-(tert-butylethynyl)phenyl thioglycosides (BEPTs) protocol”在线发表在Nature Communications上。该校青年教师刘慧博士和硕士研究生王名洋为本文的第一作者，孙建松教授为本文的通讯作者。

“Direct and efficient synthesis of nucleosides through the ortho-(tert-butylethynyl)phenyl thioglycosides (BEPTs) protocol.

Hui Liu, Ming-Yang Wang, Hua Xie, Yanli Qiu, Tian Mao, Xiaomei Shen, Xu-Xue Liu, Jing-Jing Guo, Ming-Ze Tang, Jin-Xi Liao, Yuan-Hong Tu, De-Yong Liu & Jian-Song Sun*

Nat. Commun., 2025, 16, Article number: 8802. Doi: 10.1038/s41467-025-63874-5”

正文

核苷类化合物是一类具有重要生物学功能的分子，在抗病毒、抗菌及抗肿瘤临床治疗中应用广泛。然而，碱基受体存在溶解性差、反应活性低等问题，因而其高效化学合成仍面临严峻挑战。

为解决上述问题，江西师范大学国家单糖化学合成工程技术研究中心孙建松团队开发了一种基于邻（叔丁基乙炔基）苯硫苷（BEPTs）策略的新型直接高效合成核苷的方法。该方法具有以下优势：糖基给体稳定性高、无需对碱基预活化或硅烷化保护即可实现直接糖基化、底物适用性广、可高效构建2′-脱氧核苷、且成本低、易于放大。同时，该策略大幅度提升了反应速率。研究还揭示了六氟异丙醇（HFIP）在该反应体系中独特的溶剂效应。此外，该团队成功实现了狭霉素A（angustmycin A）与dJ的高效合成，并通过对反应机理的深入探究，为BEPT合成策略的机制理解提供了重要理论依据。近期该研究成果以“Direct and efficient synthesis of nucleosides through the ortho-(tert-butylethynyl)phenyl thioglycosides (BEPTs) protocol”在线发表在Nature Communications上。该校青年教师刘慧博士和硕士研究生王名洋为本文的第一作者，孙建松教授为本文的通讯作者。

本研究源于一个初步实验，作者尝试利用课题组前期报道的MCEPT糖基给体（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 3682−3695）合成核苷，但未获成功（给体未活化）。作者分析原因可能在于MCEPT给体中炔基上所连的酯基降低了炔上的电子云密度，导致在碱基存在的情况下，一价金催化剂难以与炔基有效配位，从而无法启动该糖苷化反应。然而在前期研究中作者已阐明，该酯基在MCEPT糖苷化策略中具有关键作用：其一，其吸电子效应可避免离去基团对反应的干扰，抑制碳苷副产物的生成；其二，它能够稳定反应过程中的一价金中间体，延缓脱金-质子化进程，促使体系中酸性积累，进而抑制原酸酯副产物的形成。这就意味着若要实现含碱基体系的糖苷化反应，需在保留酯基功能的同时，引入具有给电子效应的基团以替代MCEPT糖基给体中的酯基。经综合考量，作者认为空间位阻较大的叔丁基是理想选择，据此设计并合成了BEPT糖基给体1a，开始反应的尝试。作者发现，在一价金催化下，给体1a与受体2a反应，以94%的产率得到糖苷化产物（3aa和3aa’）并以96%的产率分离出离去基团I。该结果表明，给电子叔丁基保障了炔基上具有足够的电子云密度以启动反应；随后，作者通过金催化剂中间体捕捉实验，成功分离出关键中间体II，并利用核磁共振波谱与单晶X射线衍射确定了其结构。该中间体的存在印证了大位阻叔丁基对反应过程中的一价金物种的稳定作用。上述结果共同证实了叔丁基是实现该高效反应的成功设计。之后作者对其反应机制进行了研究，通过核磁共振谱图证实了金催化剂与碱基受体之间存在配位作用并揭示了金催化剂、碱基和给体类似物（III和IV）之间的相互作用。结合DFT计算，进一步阐明了嘌呤受体2a、BEPT给体类似物III和MCEPT类似物IV之间结合能的相对大小。基于上述实验结果，作者提出了可能的反应机理：嘌呤受体2a优先与反应体系中的一价金催化剂配位，并在体系中形成配位-解离平衡，也就意味着在反应体系中存在着低浓度的游离态一价金催化剂。对于BEPT糖基给体，其炔基上具有较高的电子云密度，即使在低浓度的金催化剂的条件下仍可被有效活化。相比之下，MCEPT给体由于炔基电子云密度较低，与金的配位能力弱，难以在相同条件下被活化。为验证该机理，作者在MCEPT给体的反应体系中加入0.6当量的催化剂，反应能以95%的糖苷化产率获得所需的产物，进一步支持了上述假设（Fig. 1）。

Fig. 1 | Mechanism elucidation of the BEPT protocol in nucleoside synthesis.A Glycosylation of 2a with MCEPT and BEPT donors (MCEPT o-(methoxycarbonylethynylphenyl) thio). B Isolation of the key catalyst intermediate II. C The chemical shiftmigration of H-8 of 2a’ with the increment of Au(I) catalyst amounts. D Titration of 2a’ and Au(I) catalyst (0.5 equiv) with III. E Comparison of the chemical shifts ofH-8 in 2a in the presence of the same amount of III and IV (2.0 equiv). F DFT calculations (The calculations were conducted using Gaussian 09D).

作者随后开展了底物拓展研究。对于嘌呤类碱基，使用双Boc保护的受体与BEPT给体，在0.2当量金催化剂下便能高产率地获得目标产物。为提升实用性，作者证实了反应在低至0.02–0.04当量催化剂下仍能进行，并发现采用DCM/HFIP（4:1）混合溶剂可有效加速反应进程（Fig.2）。

Fig. 2| Direct synthesis of purine-type N-glycosides through the PG procedure of the BEPT protocol. (Boc-protected purine derivatives were selected as acceptors. Boc: butoxylcarbonyl)

作者随后将研究拓展至嘧啶类受体，与文献中常见的硅烷预活化策略不同，本研究采用Boc和PMB分别保护的胞嘧啶和尿嘧啶作为受体。在0.2当量的催化剂的条件下，反应于1小时内即可顺利完成；即使催化剂负载降至0.02当量，反应仍能在约8小时内完成，且加入HFIP可有效提升反应速率。然而对于PMB保护的5位取代的尿嘧啶（如胸腺嘧啶、5-F尿嘧啶），相同条件下主要生成O-苷副产物，而难以得到目标N-苷。并且在一系列将O-苷转化成N-苷的实验尝试失败之后，作者认为原因可能是嘧啶环上空间上太过拥挤，使得产物只能以分支O-苷的形式存在。为突破此限制，作者发现当以DCM/HFIP(4:1）为共溶剂时，胸腺嘧啶可以完全溶解，并在此条件下以良好收率与高区域选择性获得所需N-糖苷产物。进一步的DFT计算与核磁二维谱分析揭示了HFIP与受体、催化剂之间的关键相互作用，从机理层面解释了共溶剂对反应路径的调控作用（Fig. 3）。

Fig. 3 | Direct synthesis of pyrimidine-type glycosides through the BEPT protocol.

为合成2′-脱氧核苷，作者引入了DHIN作为2′-位羟基的保护基，该基团兼具立体控制与脱氧前体的双重功能：既能作为邻基参与基团确保1,2-反式糖苷键的立体选择性形成，又可在后续通过光催化反应实现脱氧。利用这一策略进行底物拓展时，大部分反应均能高效生成目标产物，但在部分案例中出现了脱氢异构化副产物（如8md’, 9md’, 8nd’）。

Fig. 4 | Synthesis of 2’-deoxynucleoside derivatives by the combination of BEPT protocol and photocatalyzed C-O bond editing techniques (1,4-dihydroisonicotinoyl (DHIN) was used as stereo-controlling and deoxygenation-initiating group and the direct saturation of DHIN group to isonicotinoyl (IN) group was found to the major side reaction).

此外，作者通过系统对比前人报道的两种核苷构建方法，凸显了BEPT策略在效率与条件温和性上的显著优势。该策略还被成功应用于更多类型N-糖苷的构建，其广泛的底物普适性得到进一步证实。同时，研究在更低催化剂负载下实现了两种活性核苷的克级规模合成，充分展现了该方法在实用化与规模化合成中的巨大潜力（Fig.5）。

Fig. 5 | Examination of the practicality of the BEPT protocol. A) Comparison of the BEPT protocol with ABz and EGC protocols (ABz: o-alkynylbenzoyl, EGC: ethynylcyclohexyl glycosyl carbonate). B) Glycosylation of other N-nucleophiles (the chemical structures were unequivocally determined by 1D and 2D NMR). C) Scalable synthesis of nucleoside drugs (the N-glycosylation steps were conducted on gram-scale).

最后，为展示BEPT策略的实用性，作者将其应用于两种重要核苷的合成。其一，成功合成了结构独特且具有显著生物活性的环外烯烃核苷-狭霉素A (angustmycin A)，该过程得益于BEPT糖苷化条件的温和性与高效性。其二，针对天然碱基dJ及其类似物，作者分别设计了两种合成路线，均实现了目标产物的高效制备（Fig. 6）。

Fig. 6 | Synthesis of augustmycin A (19), dJ (24), and dJ analogue (24’). A) Convergent synthesis of angustmycin A (N-glycosidic linkage construction after exo-glycal fabrication). B) Synthesis of dJ 24 (the glycosidic linkage construction sequence is O-glycosidic linkage first and then N-glycosidic linkage). C) Divergent synthesis of dJ 24 and its analogue 24’ (the glycosidic linkage construction sequence is N-glycosidic linkage first followed by O-glycosidic linkage).

综上，本研究开发的BEPT给体利用叔丁基的独特电子效应，成功实现了核苷的高效合成。该方案无需预活化核碱基，在温和的金催化条件下即可快速完成糖基化，并可适用于多种氮亲核受体。机理研究证实了叔丁基对金催化剂的稳定作用及HFIP溶剂的加速效应。通过与现有方法的对比、克级合成及多个高难度天然产物的成功制备，证明了BEPT策略的优势与实用价值，为核苷药物研发提供了有力工具。

以上工作受到国家自然科学基金委和江西省自然科学基金委的大力资助，作者深表感谢。