溶媒が糖化反応に及ぼす影響を調べるための交換NMRを用いたグリコシル‑オキソニウムおよびグリコシル‑ニトリリウムイオンの検出

糖結合と溶媒が重要な理由

細胞表面を飾る多くの糖は、単純な糖ユニットを結合して作られ、その結合はグリコシド結合と呼ばれます。これらの結合はわずかな接続の違いで立体構造や生物学的挙動を大きく変え、ウイルス感染から薬物の作用までに影響します。化学者は反応フラスコに特定の溶媒を加えることで生成物の立体化学をある方向に傾けられることを経験的に知っていますが、これらの液体がどのように制御を及ぼしているかは十分に明らかではありません。本研究は高度な核磁気共鳴（NMR）法を用いて、糖が異なる溶媒中で反応するときに形成される短命の荷電種のいくつかを直接観測し、溶媒の選択が糖化学をどのように左右するかを解明する手がかりを与えます。

化学者が現在糖鎖を組み立てる方法

二つの糖分子を結合させるために、化学者は通常一方を「ドナー」として活性化し、もう一方を「アクセプター」として攻撃させます。ドナーは安定な結合に落ち着く前に非常に反応性の高い中間体を経由します。鍵となる課題は、アクセプターがドナーのどの面を攻撃するかを制御することであり、それによってαあるいはβ結合という三次元的に異なる結合様式が生じます。長年の経験的知見として、アセトニトリルなどのニトリル溶媒はβ生成物を好み、特にテトラヒドロフラン（THF）のようなエーテル溶媒はα生成物を促す傾向があることが知られています。ジエチルエーテルや1,4‑ジオキサンなどの他のエーテルも反応を偏らせますが、影響はやや弱いように見えました。理論としては溶媒が糖に直接配位する場合から、反応性種の形や電荷分布に対するより微妙な影響まで様々ありましたが、最も反応性の高い中間体に関する確固たる実験的証拠は不足していました。

交換NMRでとらえる短命種

研究者らは、ごく少量でしか存在せずより豊富な形態と急速に交換する分子を検出するために設計された一連のNMR手法に着目しました。彼らは活性化時に「グリコシル三フルオロメタンスルホナート（triflate）」と呼ばれる荷電中間体を形成する、一般的に用いられる保護グルコースドナーに注目しました。重水素標識された溶媒のNMR緩和挙動が活性化によってどのように変化するかを追跡することで、溶媒分子が一時的に糖に付着して質量が増し対称性が崩れるときにそれを感知できました。これを補完するためにフッ素を用いた交換スペクトロスコピーでトリフレート基の脱離速度を測り、化学交換飽和転送（CEST）実験で主たる中間体と磁化を交換する様子を追うことで、通常は見えない糖の種を明らかにしました。

ニトリル系とエーテル系溶媒で起きること

NMRデータは、アセトニトリルとTHFが反応性の糖の周りにただ存在している以上の働きをすることを示します。アセトニトリルは共有結合的な「グリコシル‑ニトリリウム」イオンを形成します：溶媒がトリフレートがあった反応炭素に直接結合し、正電荷を帯びた糖‑溶媒付加体を作ります。この新しい種は、純粋なアセトニトリル中での先行研究と一致する位置に出る独立したNMRシグナルとして検出されました。一方THFは共有結合的な「グリコシル‑オキソニウム」イオンを形成し、THFのエーテル環が糖に結合します。CEST実験は糖環まわりの異なる配向に対応する二種類のTHF付加体を明らかにし、量子化学計算はそれらの13C化学シフトを再現しました。重要なのは、これらの付加体は非常に低濃度でしか存在しないものの、交換NMRはそれらを検出するのに十分な感度を持つ点です。対照的にジエチルエーテルや1,4‑ジオキサンでは緩和挙動にほとんど変化がなく、トリフレートの脱離を早めることもなく、新たなCESTシグナルも現れませんでした。これは、同じ条件下ではこれらが共有結合的な糖‑溶媒付加体を形成しないことを示しています。

異なる糖と溶媒環境での検証

研究チームはこの測定をグルコサミン、マンノース、ガラクトースの誘導体など他の一般的な糖ドナーにも拡張し、また主要溶媒をより非極性のトルエンで行う実験も繰り返しました。トリフレートの異なる形態のバランスが変わると、こうした条件差が中間体の生成と崩壊速度に影響します。広範な系を通じて同じパターンが現れ、アセトニトリルとTHFは一貫してグリコシル‑ニトリリウムおよびグリコシル‑オキソニウムの形成を促進しましたが、ジエチルエーテルと1,4‑ジオキサンはそうしませんでした。二塩化メタンからトルエンへの主要溶媒の変更はこれらの種の生成・解離の速度に影響を与えましたが、形成し得る付加体の種類自体は変えませんでした。場合によってはドナーの分解がトルエン中で遅くなり、検出が難しい中間体を捉えやすくなりました。これらの系統的研究は、共有結合的な糖‑溶媒錯体を形成する能力が溶媒の塩基性とその詳細な構造の両方に依存することを示しています。

糖化学を設計するうえでの意義

本研究は、特にアセトニトリルとTHFといった立体選択性を誘導する溶媒が、たとえ極めて短命であっても実際に糖ドナーと共有結合性の付加体を形成することでグリコシル化反応を方向付けることが少なくとも一部であると示しました。生成物比に影響を与える他のエーテルは、おそらく直接結合するのではなく、荷電中間体やそのカウンターイオンの形を変えるなど異なる機構で作用している可能性があります。交換NMRが低濃度の付加体を可視化できることを実証したことで、複雑な反応ネットワークを解剖する強力な手段が加わりました。ワクチン、診断、材料向けに精密な糖アーキテクチャを構築しようとする化学者にとって、このより深い機構の理解は最終的により予測可能で調整可能な反応条件へとつながり、毎回望む結合を得るための適切な溶媒組成の選択を容易にするはずです。

引用: de Kleijne, F.F.J., Ter Braak, F., Moons, P.H. et al. Detecting glycosyl-oxonium and glycosyl-nitrilium ions using exchange NMR to investigate solvent effects in glycosylation reactions. Nat Commun 17, 2987 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69820-3

キーワード: グリコシル化, 反応機構, 溶媒効果, 交換NMR, 糖質化学