使用交换核磁共振检测糖苷氧鎓与糖苷亚硝胺离子以研究糖苷化反应中的溶剂效应

为何糖键与溶剂很重要

装饰在我们细胞表面的许多糖类是通过将简单糖单元通过称为糖苷键的化学键缝合而成的。这些键可以以细微不同的方式连接，从而深刻改变生物学行为，影响从病毒感染到药物作用的各个方面。化学家已经知道，在反应瓶中加入某些溶剂可以将产物倾向推动到某一构型，但这些液体究竟如何施加这种控制长期以来仍不清楚。本研究利用先进的核磁共振（NMR）方法直接观察在不同溶剂中糖反应时形成的一些短暂带电物种，帮助解释溶剂选择如何引导糖化学反应的方向。

化学家目前如何构建糖链

为了连接两个糖分子，化学家通常将其中一个活化为“给体”，另一个作为“受体”进攻。给体会经过高度活泼的中间体然后定型为稳定键。关键挑战在于控制受体从给体的哪一面进攻，从而得到构象不同的α或β糖苷键，这两者在三维形状上有显著差异。多年来，实践者通过经验发现，加入诸如乙腈等腈类溶剂倾向于有利于产生β产物，而某些醚类溶剂，尤其是四氢呋喃（THF），则偏向产生α产物。其他醚类如二乙醚和1,4‑二氧六环也会使反应偏向某一产物，但似乎作用较弱。关于其机理的理论从溶剂直接与糖发生配位到更微妙地影响活性物种的构形和电荷分布各不相同，然而针对最具反应性的中间体的确凿实验证据一直缺乏。

用交换核磁捕捉短暂物种

研究者转向一组专门设计用于检测仅以极微量存在并与丰富形态快速交换的分子的NMR技术。他们集中研究一种常用的受保护葡萄糖给体，该给体被活化时会生成带电的“糖苷三氟甲磺酸酯”（glycosyl triflate）。通过监测氘标记溶剂在活化过程中NMR弛豫行为的变化，他们可以感知溶剂分子何时暂时附着在糖上，从而变得更重且不对称。他们还辅以基于氟的交换谱来测量三氟甲磺酸酯离去的速度，以及化学交换饱和转移（CEST）实验，通过观察如何与主要中间体交换磁化来揭示本来不可见的糖类物种。

在腈类和醚类溶剂中发生了什么

NMR数据表明，乙腈和THF并不仅仅是“在反应物周围待着”。乙腈形成了共价的“糖苷–亚硝胺（glycosyl–nitrilium）”离子：溶剂直接在三氟甲磺酸酯离去的位置与糖发生键合，产生带正电的糖–溶剂加合物。这一新物种被检测到为一个独特的NMR信号，其位置与早期在纯乙腈中观测到的结果一致。反之，THF形成共价的“糖苷–氧鎓（glycosyl–oxonium）”离子，其中THF的醚环与糖发生键合。CEST实验揭示了两种此类THF加合物，符合围绕糖环不同取向的情形，并且量子化学计算再现了它们的13C化学位移。重要的是，这些加合物仅以极低的丰度存在，但交换NMR对其足够敏感以将其显现出来。相比之下，二乙醚和1,4‑二氧六环几乎没有显示弛豫行为的变化，不加速三氟甲磺酸酯的离去，也没有产生新的CEST信号，这表明在相同条件下它们不会形成共价的糖–溶剂加合物。

测试不同糖与溶剂环境

研究团队将这些测量扩展到几种其他常见的糖给体，包括葡糖胺、甘露糖和半乳糖的衍生物，并且在较不极性的溶剂甲苯中重复了实验，甲苯会改变不同三氟甲磺酸酯形式之间的平衡。在这一更广泛的体系中，出现了相同的规律：乙腈和THF一贯促进糖苷–亚硝胺和糖苷–氧鎓离子的形成，而二乙醚和1,4‑二氧六环则不然。将主要溶剂从二氯甲烷改为甲苯会影响这些物种形成和解离的速率，但并不改变可以形成哪类加合物。在某些情况下，给体在甲苯中分解得更慢，使得检测这些难捉摸的中间体更为容易。这些系统性的研究表明，形成共价糖–溶剂复合物的能力既取决于溶剂的碱性，也取决于其具体结构。

对设计糖化学的意义

这项工作表明，某些具有立体指向性的溶剂，尤其是乙腈和THF，通过与糖给体形成真实的共价加合物来至少部分地引导糖苷化反应，尽管这些物种仅短暂存在。其他仍会影响产物比的醚类溶剂很可能通过不同机制发挥作用，比如重塑带电中间体及其对离子，而非直接发生键合。通过证明交换NMR能可视化这些低丰度的加合物，研究为解剖复杂反应网络提供了一个强有力的工具。对于旨在为疫苗、诊断或材料构建精确糖结构的化学家而言，这一更深入的机理图景最终应能转化为更可预测、可调的反应条件，使得选择合适的溶剂混合物以获得期望的键结变得更容易。

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

关键词: 糖苷化, 反应机理, 溶剂效应, 交换核磁共振, 碳水化合物化学