β-核苷立體選擇性合成研究進展

彭美紅，錢 捷，王 鴻，易 喻

(浙江工業大學藥學院，浙江 杭州 310014)

核苷是一類由環狀核糖或脫氧核糖和堿基以糖苷鍵形式結合而成的化合物[1，2]。將糖環視為平面，堿基與C5位上羥基處于糖平面上側時為β-構型，堿基與C5位上羥基處于異側時為α-構型。

天然核苷均為β-構型，是組成生命大分子RNA及DNA的重要成分[1]，是天然的代謝激活劑，能夠直接進入細胞，參與糖代謝，促進蛋白質合成，促使病態細胞及組織恢復正常生理功能，廣泛用于急慢性肝炎、心血管疾病、放射病、腦損傷等的治療。

非天然核苷與天然核苷有著相似之處，如在體內干擾或直接作用于核酸的代謝過程，可以阻斷蛋白質、核酸的生物合成，具有良好的抗腫瘤、抗病毒活性[2]等。核苷類化合物已成為公認的最具潛能的抗病毒化合物[3]，美國FDA批準的抗艾滋病藥物大多是核苷類衍生物[4]。對天然核苷的結構進行修飾和改造，合成毒性低、抗腫瘤和抗病毒活性高的藥物已成為研究的熱點[2，5～7]。尤其是β-核苷類藥物的研究更是受到廣泛關注[8～12]。

由于β-核苷與天然核苷具有更好的相似性，因而在合成過程中更希望得到單一β-構型的核苷。β-糖苷鍵的選擇性合成一直是核苷尤其是2-脫氧核苷及2′，3′-雙脫氧核苷研究的熱點[13]。作者在此就單一構型β-核苷的立體選擇性合成研究進行綜述。

1 化學法合成β-核苷

1.1 在糖類衍生物異頭碳的鄰位引入酰氧基團

Baker-Tipson的反式規律認為：鹵代糖具有1，2-反式構型時，糖苷鍵合成過程中經歷了兩次SN2反應，第一次形成酰氧鎓離子，第二次形成核苷鍵，這樣合成的核苷均為β-構型。

Niedballa等[14]用α/β混合構型的O-四乙酰基核糖在無水條件下催化合成了單一β-構型核苷。趙大同[15]在此基礎上，采用價廉的β-O-四乙酰核糖經醚化、酰化制得β-構型含量為99.79%的胸苷。程先超等[16]采用2，4-二(三甲基硅烷基)-5-氟胞嘧啶與四乙酰核糖縮合得到β-構型的2，3，5-三乙酰基-5-氟胞嘧啶核苷。

沙耀武等[17]用1-O-乙酰基-2，3，5-三-O-苯甲酰基-β-D-呋喃核糖與3-三甲基硅氧基-5-雙三甲硅基氨基吡唑在四氯化錫催化下于乙腈中室溫反應生成了5-氨基吡唑酮-3-核酸核苷，全部為β-構型。

這種引入酰氧基團的方法只適用于1，2-反式構型的鹵代糖，同時核糖的2位必須存在酰氧基團。如果鹵素和2位的酰氧基處于同側、2位沒有酰氧基團或者該基團不能自由反應，得到的核苷會是α/β混合構型。

1.2 在戊糖上引入硫糖苷鍵

Sugimura等[18]在NBS催化下，首次將耦合的3，5-O-異亞丙基衍生物的苯基2-脫氧-1-硫代-D-呋喃糖與甲烷硅基化胸腺嘧啶反應合成了具有潛在抗病毒活性的1-(2-脫氧-β-D-三-呋喃糖)胸腺嘧啶。研究發現，糖1位的硫苷鍵和NBS催化劑是選擇性合成β-核苷不可缺少的條件，3，5位上的保護基也影響β-構型的含量。在糖1位為硫苷鍵的條件下，分別以乙酰基、苯甲酰基、芐基、亞異丙基、甲硅烷基、環縮醛作為保護基進行實驗，發現以亞異丙基作為保護基時，β-構型含量最高，α∶β構型比例為1∶30；其余基團作為保護基時，α∶β構型比例均低于1∶5；當糖1位為乙酰基時，不管何種基團作為保護基，α∶β構型比例均小于1∶1.2。該方法雖然在不引入硫苷鍵的基礎上極大地增加了β-構型的含量，但結果仍然不理想。

1.3 引入酰胺甲酸酯基

Young等[19]在2-脫氧-赤式呋喃糖的3位上引入了酰胺甲酸酯基，在NBS作用下形成一個穩定的糖碳正離子，這個酰胺甲酸酯基是一個潛在的定向基團，與二(三甲基硅烷基)嘧啶反應合成了單一構型的β-核苷衍生物，酰胺甲酸酯基在甲醇鈉和甲醇中回流即可除去。該方法可適用于2位無法引入酰氧基團的2-脫氧-D-核糖。

1.4 嘧啶和糖基成醚固定堿基

Lipshutz等[20]將嘧啶衍生物的C6位和2-脫氧核糖衍生物的5-羥基進行醚化，使嘧啶堿基固定在糖環的上方；然后在Lewis酸催化下，嘧啶堿基和脫氧糖基偶聯形成環狀的核苷中間體；再在堿的催化下打開醚鍵得到含量為78%的β-脫氧嘧啶核苷異構體產物。該方法可使堿基的C6位與核糖的C5位結合，但選擇性地保護脫氧核糖C3位上的羥基以及核糖C2、C3位上的羥基較困難。當糖的C1位為鹵素時，在Lewis酸催化下鹵素難以脫去，無法成環。

1.5 硅烷化的堿基在金屬催化劑作用下反應

Li等[21]用1，3，5-三-O-苯甲酰氯-α-D-呋喃核糖通過4步反應合成了3，5-二-O-苯甲酰氯-2′-C-β-三氟甲基-α-D-呋喃核糖-1-溴化物，將此溴化物與硅烷基化的嘧啶在HgO/HgBr2存在下首次合成了單一構型的2′-C-β-三氟甲基嘧啶核苷。該方法使用了易污染的重金屬，同時核糖原料也極不穩定，難以大規模生產。

1.6 相轉移催化法

Seela等以TEBA作催化劑，在有機相中含堿基和核糖、氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液為水相的情況下，在兩相界面上反應合成了吡唑并嘧啶[3，22]的β-2-脫氧核苷。該方法使用的雜環堿基上無氨基或羥基取代而主要是含有氯或甲氧基，增強了堿基的溶解性，加快了反應速度，但也限制了該方法的應用范圍。

1.7 α-構型轉化法

Wang等[23]采用3，5-二-O-(對氯苯甲酰基)-2-脫氧-α-D-呋喃核糖氯化物與胸腺嘧啶在有機金屬鎘存在下生成了混合構型的腺苷，再用BF3·Et2O在硝基乙烷中反應30 min可將產物中α-構型轉變成β-構型。該方法同樣存在一個分離的過程。

2 酶法合成β-核苷

酶法合成[24]核苷類藥物的原理是：利用微生物中產生的核苷磷酸化酶催化核苷、堿基轉換反應，即以廉價供應的天然核苷為原料，將其核糖基進行化學修飾后作為核糖基供體，利用核苷磷酸化酶或脫氧核糖轉移酶為酶源、天然的雜環堿基為核糖基受體，通過酶催化合成核苷及其類似物。反應式如下：

(脫氧)核苷1+堿基1→(脫氧)核苷2+堿基2

酶法合成具有高度的立體專一性，合成的產物中僅有β-構型核苷[25]。

周長林等[26]以2-脫氧尿苷和5-氟尿嘧啶為底物，由大腸桿菌產核苷磷酸化酶，合成了DFU。阮期平等[27]以尿苷和5-尿嘧啶為底物，利用產氣腸桿菌突變株EAM-z1 為酶源合成了DFUR。

Klibanov首次報道了酶在有機溶劑中同樣具有較好的催化活性及熱穩定性，使非水相中的酶催化反應研究取得了進展。對于一些底物或者產物，可以采用非水相體系來提高反應得率。Riva等[28]利用非水相中酶促核苷的酰化反應來合成其羧酸酯類衍生物，反應區域選擇性高、條件溫和。

然而酶法合成存在著反應周期長、體系難以調控、酶活性難以保持的缺點。

3 化學-酶法合成β-核苷

辛自豪等[29]采用化學-酶法，以胸苷為原料，先用甲烷磺酰氯將2′，3′-位羥基保護得到2′，3′-二甲烷磺酰胸苷，然后在NaOH 水溶液中環化形成2′，3′-環氧胸苷，再與叔丁醇鉀作用開環生成2′，3′-雙脫氫-2′，3′-雙脫氧胸苷，通過Pd/C 催化加氫生成2′，3′-雙脫氧胸苷(2′，3′-Dideoxythymine，ddT)，然后以微生物游離細胞為酶源，通過堿基交換反應，催化ddT 和腺嘌呤(Adenine，A) 生成最終目的化合物ddA。該方法克服了糖苷鍵縮合時形成α/β混合構型及以腺苷為原料時腺嘌呤堿基上環外氨基需要保護的缺點。

Hironori等[30]采用化學-酶法合成了2′，3′-雙脫氧-3′-F-β-D-鳥苷。即先采用化學結晶誘導法合成單一構型的2-脫氧-α-D-核糖-1-磷酸。以2-脫氧-D-核糖-1-氯化物為原料，與無水磷酸反應得到α/β混合構型的核糖-1-磷酸；再與環己胺反應，采用結晶誘導法使α-構型的核糖以環己胺鹽的形式不斷析出，最終得到α∶β為98.8∶1.2的環己胺-1-磷酸核糖；所得環己胺鹽與鳥嘌呤在水溶液中酶催化糖苷化反應得到完全單一構型的2′，3′-雙脫氧-3′-F-β-D-鳥苷。

4 展望

核苷及其衍生物在抗腫瘤、抗病毒方面具有顯著的地位。過去，研究者大多致力于化學法合成核苷類藥物，雖在單一構型β-核苷的選擇性合成方面取得了很大進展，但所采用的方法僅適用于少部分核苷的合成，無法滿足日益增長的需求，而且無法避免高毒、高污染的缺點。酶法合成綠色無毒，但反應周期長、酶活性難以調控、分離過程復雜。隨著人們對藥物研究的不斷深入，對核苷類藥物的毒性、藥理活性、成本等提出了更高的要求，將化學法與酶法結合將是單一構型β-核苷類藥物合成研究非常有前景的一個方向。這種方法可以降低合成難度，減少昂貴有毒試劑的使用，縮短生物培養的周期。如何更好地將化學法和酶法的優點結合，避免各自的缺點，合成出低毒性、低污染、高選擇性、高效的藥物將是核苷類藥物研究的方向。

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