Обнаружение гликозиль‑оксониевых и гликозиль‑нитрилиевых ионов с помощью обменного ЯМР для изучения влияния растворителя на реакции гликозилирования

Почему имеют значение сахарные связи и растворители

Многие сахара на поверхности наших клеток собирают из простых сахарных звеньев, соединяемых химическими связями — гликозидными связями. Эти связи могут образовываться чуть по‑разному, что кардинально меняет биологическое поведение молекул и влияет на всё: от заражения вирусами до активности лекарств. Химики давно заметили, что добавление определённых растворителей в реакционную смесь может смещать результат в сторону одного или другого изомерного варианта, но точный механизм такого контроля оставался неясным. В этой работе применены современные методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для прямого наблюдения некоторых быстро исчезающих заряженных частиц, возникающих при реакции сахаров в разных растворителях, что помогает объяснить, как выбор растворителя направляет сахарную химию.

Как химики сейчас строят цепочки сахаров

Чтобы связать две молекулы сахара, химики обычно активируют одну как «донор», а другую используют как «акцептор». Донор проходит через высокореакционноспособные промежуточные состояния, прежде чем образуется стабильная связь. Главная задача — управлять тем, с какой стороны донор будет атакован, что даёт альфа‑ или бета‑связь с разной трёхмерной формой. Со временем на практике выяснилось, что нитриловые растворители, такие как ацетонитрил, склоняют продукт в сторону бета‑изомера, тогда как определённые эфиры, особенно тетрагидрофуран (ТГФ), способствуют образованию альфа‑изомеров. Другие эфиры, например диэтиловый эфир и 1,4‑диоксан, тоже смещают соотношение, но, казалось, в меньшей степени. Предлагались разные теории: от прямого связывания растворителя с сахаром до более тонкого влияния на конформацию и распределение заряда реакционноспособных видов, однако убедительных экспериментальных данных о самых реакционноспособных промежуточных состояниях не хватало.

Поймать мимолётные частицы с помощью обменного ЯМР

Исследователи обратились к набору ЯМР‑методов, специально разработанных для выявления молекул, присутствующих в очень малых количествах и быстро обменивающихся с более стабильными формами. Они сосредоточились на часто используемом защищённом доноре глюкозы, который при активации образует заряженный «гликозильный трифлат». Наблюдая, как меняется релаксационное поведение дейтерированных растворителей в ЯМР при активации, учёные могли зафиксировать моменты, когда молекула растворителя временно присоединялась к сахару, становясь более тяжёлой и менее симметричной. Это дополнили фтор‑основанной спектроскопией обмена для измерения скорости ухода трифлатной группы и экспериментами химического обменного насыщения (CEST), которые позволяют выявлять иначе невидимые сахарные виды, отслеживая обмен их намагниченности с основным промежуточным состоянием.

Что происходит в нитриловых и эфирных растворителях

Данные ЯМР показывают, что ацетонитрил и ТГФ делают гораздо больше, чем просто «находятся рядом» с реакционноспособным сахаром. Ацетонитрил образует ковалентный «гликозиль‑нитрилиевый» ион: растворитель напрямую связывается с реакционным углеродом, на котором ранее был трифлат, создавая положительно заряженный аддукт сахар–растворитель. Этот новый вид был обнаружен как отдельный сигнал в ЯМР, положение которого совпадает с ранними наблюдениями в чистом ацетонитриле. ТГФ, в свою очередь, образует ковалентные «гликозиль‑оксониевые» ионы, в которых эфирное кольцо ТГФ связывается с сахаром. Эксперименты CEST выявили два таких аддукта ТГФ, что согласуется с разными ориентациями вокруг сахарного кольца, а квантово‑химические расчёты воспроизвели их химические сдвиги по углероду‑13. Важно, что эти аддукты существуют в очень низких долях населения, но обменный ЯМР достаточно чувствителен, чтобы их обнаружить. Напротив, диэтиловый эфир и 1,4‑диоксан почти не изменяли релаксационное поведение, не ускоряли уход трифлата и не давали новых сигналов в CEST, что указывает на то, что при тех же условиях они не образуют ковалентных аддуктов сахар–растворитель.

Испытания на разных сахарах и в разных средах

Команда распространила эти измерения на несколько других часто используемых доноров сахара, включая производные глюкозамина, маннозы и галактозы, а также повторила эксперименты в менее полярном растворителе — толуоле, который меняет распределение различных форм трифлата. В более широкой группе образовалась та же картина: ацетонитрил и ТГФ последовательно способствовали образованию гликозиль‑нитрилиевых и гликозиль‑оксониевых ионов, тогда как диэтиловый эфир и 1,4‑диоксан — нет. Замена основного растворителя с дихлорометана на толуол повлияла на скорость образования и распада этих видов, но не изменила сам набор возможных аддуктов. В некоторых случаях доноры в толуоле разлагались медленнее, что облегчало обнаружение трудноуловимых промежуточных состояний. Эти систематические исследования показывают, что способность образовывать ковалентные комплексы сахар–растворитель зависит как от основной щелочности растворителя, так и от его детальной структуры.

Что это значит для проектирования сахарной химии

Работа демонстрирует, что некоторые стереонаправляющие растворители, в особенности ацетонитрил и ТГФ, управляют реакциями гликозилирования по крайней мере частично за счёт образования реальных ковалентных аддуктов с донором сахара, даже если эти виды существуют очень мимолётно. Другие эфиры, влияющие на соотношение продуктов, скорее действуют иными путями — например, меняя форму заряженных промежуточных состояний и их контр‑ионов, а не связываясь напрямую. Подтвердив, что обменный ЯМР может визуализировать эти низкопопуляционные аддукты, исследование добавляет мощный инструмент для деконструкции сложных реакционных сетей. Для химиков, стремящихся строить точные сахарные архитектуры для вакцин, диагностических средств или материалов, более глубокая механистическая картина в конце концов должна привести к более предсказуемым и настраиваемым условиям реакций, что облегчит выбор правильной смеси растворителей для получения желаемой связи каждый раз.

Цитирование: 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

Ключевые слова: гликозилирование, механизмы реакций, влияние растворителя, обменный ЯМР, химия углеводов