在探索一种全新的方法以实现完全的 1,2-顺式-α-选择性糖基化的过程中（Figure 1B）。作者假设铁催化剂可以激活糖基受体和氧化剂，随后将这两个基团传递给没有催化剂不会发生反应的糖基。由于原子转移和糖基受体转移都由铁催化剂导致，因此作者推断，氨基（或羟基）基团和催化剂激活的糖基受体可以完全以顺式-选择性方式协同递送到糖基。

基于此，本文作者致力于开发一种方法，用于合成在许多复杂聚糖和糖复合物中存在的 1,2-顺式-2-氨基糖苷键。这些分子包括抗凝血剂肝素、肝素硫酸、Fondaparinux（磺达肝癸钠）、氨基糖苷类抗生素和 O-连接糖蛋白（Figure 1C）。与 Danishefsky 等人开发的用于合成 1,2-反式-2-氨基糖苷键的简便方法（Figure 1D）不同，1,2-顺式-2-氨基糖苷键的高立体选择性合成一直是个难题。因此，为了提高 1,2-顺式-α-的选择性，研究人员开发了一系列邻位协助最小化的糖基供体（Figure 1B）。尽管这些方法在一系列底物上能够实现高顺式选择性，但底物结构的变化往往会影响选择性。为了提供具有普适性的 1,2-顺式-氨基糖苷合成解决方案，本文作者提出了一种创新的铁催化方法，通过协同原子转移催化实现 1,2-顺式-α-选择性糖基化（Figure 1D）。

研究团队选择了葡萄糖基 2 和主要糖基受体 4 作为模型底物（Scheme 1）。在初步糖基化尝试中，作者使用了之前为烯烃氨基羟基化反应开发的催化剂和氨基化试剂，但结果要么缺乏反应性，要么产生了低产率的非目标产物（Table S1）。经过广泛探索催化剂、氨基化试剂和其他反应参数后发现，铁催化剂 – Fe(L1)(BF₄₎₂(MeCN)(H₂O)₂ 1，在促进所提出的糖基化反应中表现出独特的效果（Scheme 1中的eq 1和Tables S1-S2）。该催化剂不仅促进了酰氧基氨基甲酸酯 3a 的 N-O 键的断裂，避免了传统叠氮或硝基氮源的使用，而且能够将 3a 的氨基甲酸酯片段和糖基受体 4 以完全顺式选择的方式从 α 面转移至葡萄糖基 2 上，得到目标二糖 5 （dr > 20:1）。通过选择性的 N-Boc 脱保护几乎定量地得到了2-氨基糖苷 S1（95%产率）。进一步对 3a 进行结构优化，发现一系列带有脂肪族 O-酰基活化基团的氨基化试剂（3b-3d）可诱导更有效的糖基化反应（3d 产率为87%，Scheme 1 和 Table S2）。

Scheme 1.铁催化糖基顺式-氨基糖基化的催化剂与氨基化试剂的发现

在尝试使用二级糖基受体（如 6 ）进行糖基化时具有挑战性，因为形成了一个主要的反应途径，即快速的糖基顺式-氨酰氧基化反应，导致产物8 的形成（Scheme 1）。在 3a-3d 存在下，使用 6 对 2 进行糖基化反应，得到了所需的 α-1,3-连接二糖 7 （dr > 20：1），但产率中等（eq 2）。为了调节这两种相互竞争的反应途径，作者探索了 3 与一系列 O -酰基活化基团的反应活性，发现带有位阻的2-苯甲酰氧基异丁酰基的 3g 几乎完全抑制了竞争反应，并生成目标二糖 7（产率 71%）。值得注意的是，其他具有合成价值的 N-酰基活化基团都会导致 7 的产率降低（Table S4）。

基于这一原理验证，作者随后评估了各种糖基和糖基受体，以确定该方法的普适性（Figure 2）。首先，发现具有三个供电子取代基的糖基是反应性最强的底物，它们能够与多种一级受体和氨基化试剂反应，以高产率形成氨基糖苷（产物 5、9-11、14、16-18）。值得注意的是，空间位阻更大的氨基化试剂 （3e-3g） 应用于这些供体与二级受体的糖基化，以尽量减少竞争性的顺式-氨酰氧基化反应（导致 7、12-13、15 和 19 生成）。3-O-酰基糖基不适合作为糖基供体；然而，仅仅将 3-O-酰基团换成 3-O-硅基团就足以激活其反应性。对于这些底物，使用 3d 进行糖基化对一级和二级受体都有效，可以生成 20-22 和 33-34，而与（3e-3g）的反应转化率较低。

Figure 2.铁催化的糖基顺式-氨基糖基化的底物范围。所有产率均为分离产率。

接下来，作者探索了这种糖基化方法在合成具有价值的 6-叠氮基-葡萄糖基和 6-脱氧-葡萄糖基中的应用，因为这些糖基化产物通常存在于复杂的微生物聚糖中。它们都能与各种糖基受体快速组装，展现出独特的顺式-α-选择性，从而得到产物 23-29 。在先前报道的氮原子转移反应中，3-脱氧糖基可以提供适度的α选择性，进一步研究发现 C3 取代基的缺失不会导致产物 30 和 31 生成过程中 α 选择性的降低。此外，一个缺乏 C5 取代基的木醛基糖也是这种高度顺式- α-选择性糖基化的理想底物，得到了产物 32。

1,2-顺式-2-氨基半乳糖苷键普遍存在于生物学中重要的 O-连接糖蛋白里，尤其在粘蛋白型 O-连接糖复合物。然而，使用现有方法时，顺式选择性往往会随着底物的不同而变化。作者观察到 3-O-TBS-4,6-di-O-乙酰半乳酸是这种铁催化糖基化反应的极佳底物，可以生成 33 和 34。此外，该方法也与基于氨基酸的糖基受体兼容，尤其是具有挑战性的丝氨酸底物。值得强调的是，克级规模（7 g, 20 mmol）的半乳糖醛与 N-Cbz 保护的丝氨酸和苏氨酸甲酯的氨基糖基化，以良好的产率获得了具有生物学价值、完全保护的 Tn 抗原 35 和 36。（产率 73-84%，dr > 20：1）。

为了进一步推动糖科学的进展，研究团队进一步开发了一种迭代的糖醛顺式氨基糖苷化方法，使其可以连续运行，应用于自动化糖合成（Scheme 2A）。研究发现，具有缺电子 3-O-酰基的糖基 37 不能作为供体发挥作用，但可以用作富电子糖基供体 2 的受体，产生单个非对映异构体二糖 38。随后，可以通过选择性酶水解和硅烷基化处理来激活 38 中的糖基部分（38 → 39，Figure S4），使得 39 在第二次铁催化的糖基化反应中作为供体与二糖受体 40 反应生成四糖 41，同样产生单个非对映异构体。如果需要，可以激活四糖 41 的糖基部分以进行进一步的迭代糖基化。

Scheme 2.铁催化的迭代糖基顺式氨基糖基化和机理实验

^a标准糖基化条件

^bAmano脂肪酶 (15 wt %), 磷酸盐缓冲液 (pH = 7), 22 °C, 然后使用 TMSOTf (1.2 equiv), Et3N (2.4 equiv), THF, 22 °C。 详见支持信息。

前期对铁催化的烯烃氨基羟基化的机理研究表明，在催化剂氧化过程中可能产生一种高度亲电的铁，它在氮原子上具有显著的自由基特性。该物质具有极高的反应活性，以至于寿命太短，无法通过常规的⁵⁷Fe Mössbauer 光谱观察到。为了更好的理解这一反应，评估了设计的一系列的机理探针的反应性（Scheme 2）。

首先，将自由基捕获剂 TEMPO （42） 引入铁催化的 2 与 4 的糖基化反应中（Scheme 2B）：在转化率低于20%的反应中观察到目标产物 5 (8%)与含 TEMPO 的产物 43 (4%) 和 N-BocNH₂ 44 (15%)。这些数据表明，铁催化剂在很大程度上被 TEMPO 钝化；即便如此，仍然可以生成高反应活性物质（45a 或 45b），它可以与 TEMPO 反应得到 42，可能是通过来自初始 TEMPO-45 加成产物的 1,5-氢原子转移（Figure S6）。

接下来，在 2 和 46 之间的糖基化反应中鉴定出 1,2-顺式氨基氟化物47 作为副产物（Scheme 2C）。这一观察结果表明，糖基氧羰基离子是由最初产生的 2-氨基糖基自由基生成的，并且它可能在随后的 C-O 或 C-F 键形成步骤之前作为与四氟硼酸盐的接触离子对存在（Figure S10）。

对富电子糖基 2 与初级受体 4 和氨基化试剂 3d（eq 1）的铁催化糖基化的初步动力学研究表明，其初始速率对铁催化剂具有一级依赖性，对受体 4 呈负一级依赖性，对糖基 2 和氨基化试剂 3d 呈零级依赖性（Figure S12-S15)。这意味着铁催化剂- 4 复合物可能是催化剂的静止态（在分子筛存在下可以去除水或乙腈配体），并且它可能至少包含两个 4 分子。其解离释放一级受体 4 以形成配位不饱和的铁催化剂，可能发生在速率决定的活性物质生成步骤之前（Figure S16）。对电子不足的糖基 S9 进行类似动力学研究，导致从 4 和 3d 得到氨基糖苷 20 （Figure S17）。这一研究表明，速率决定步骤 （RDS） 不再是反应活性物质的生成，而是与缺电子糖基 S9 的自由基氨基化（Figure S18）。

动力学研究进一步表明，2 与二级受体 6 和 3f （eq 2） 的初始糖基化速率对铁催化剂具有一阶依赖性，但对受体 6、糖基 2 和氨基化试剂 3f 的糖基化速率呈零阶依赖性（Figure S19-S22)。这与使用初级受体的糖基化不同，后者表明铁催化剂的静止态可能只包含一个 6 分子，并且它与另一个可交换配体的解离可能发生在 RDS 之前（Figure 23）。

基于这些数据，提出了一个关于顺式 α 选择性糖基化的机理工作假设（Scheme 3）。首先，在分子筛存在下，铁 （II） 催化剂可以很容易地与糖基受体配位，生成铁催化剂-糖基受体复合物 Ia 或 Ib，它可以可逆地解离可交换配体或糖基受体，得到配位不饱和复合物 II。复合物 II 可以与氨基化试剂 3 快速配位生成复合物 III，其中铁催化剂被氧化，得到高反应性但寿命短的中间体（IV 或 IV′）。

Scheme 3.铁催化糖基顺式氨基糖基化的机理工作假设

活性中间体 IV/IV′ 可以在缺乏合适的糖基供体的情况下分解，得到N-BocNH₂ 51。然而，在存在活性糖基的情况下，它们可以参与不可逆且完全 α 选择性的氨基化反应，从而生成一个假定的 2-氨基糖基自由基物质 V ，该物质与体积庞大的亲电铁催化剂相互作用。值得注意的是，这种独有的 α -立体选择性可能受到糖基的立体中心的影响，并由导致 2 -氨基糖基自由基物质 V 处于最稳定 B_2,5 构象的过渡态几何形状决定。

在中间体 V 中，亲电铁 （III） 可以通过单电子转移 （SET） 将 2-氨基糖基自由基氧化成相应的 2-氨基糖基氧羰基离子 VI，该离子以与四氟硼酸盐的接触离子对形式存在。对于空间要求较低的糖基受体，催化剂导向的糖基受体转移迅速发生，类似于分子内糖苷分配蛋白递送，生成糖基顺式氨基糖基化产物 VII。然而，对于空间受阻的糖基受体，转移速率可能会降低，以至于竞争的糖基顺式氨基酰氧化反应（导致副产物 IX）可能成为主要途径。可以推测，中间体 VI 的羧酸配体的去质子化可以得到中间体 VIII，中间体 VIII 可以通过羧酸盐转移到 2-氨基糖基氧羰基离子，从而产生副产物 IX。也可能在 V 中发生去质子化，导致中间体 X 可能直接进行羧酸盐配体转移 2-氨基糖基自由基物质，同样生成 IX。

综上所述，本文利用铁作为催化剂，先活化氨基甲酸酯再活化糖基受体，以 1,2-顺式-α-选择性的方式，促进氨源（酰氧基氨基甲酸酯）和糖基受体转移到糖基供体上，实现了 1,2-顺式-氨基糖苷的合成。这种方案解决了传统方法中难以实现的高立体选择性糖基化问题，为糖化学和糖生物学领域的研究提供了一种全新的策略。

本文作者：WXL

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c15084

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