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光促流动化学合成糖基溴化物:糖类合成迎来绿色新方案

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糖基溴化物,是糖化学领域沿用超百年的核心合成砌块,是经典 KoenigsKnorr 糖基化反应的关键糖基供体,可用于低聚糖、C糖苷、糖烯、2脱氧糖等众多糖类衍生物的制备。传统制备糖基溴化物工艺依赖 HBr 乙酸溶液,会产生大量酸性废液,后处理繁琐、放大生产安全风险高。

近期,来自昆士兰大学 Vito Ferro 课题组发布预印本论文《LightPromoted Synthesis of Glycosyl Bromides in Flow》,报道了一种紫色 LED 光促进、可连续流动放大的糖基溴化物全新合成方法,条件温和、废弃物少、后处理简单,还可实现一锅法糖基化,为寡糖自动化合成提供了极具潜力的新路线。

传统工艺痛点重重,糖基溴合成亟待革新

糖基溴化物在糖化学中地位无可替代。早期主要依靠银盐、汞盐活化完成 O糖苷键构建;随着新型活化体系发展,糖基溴化物重新受到科研人员重视。同时它还是合成硫苷、糖氟、糖亚胺酸酯、C糖苷的重要前体。

传统合成手段主要有:全保护糖酯与 HBr 乙酸溶液反应;半缩醛糖的脱氧溴代;硫苷溴解等。

现有方法的短板十分突出:

1.试剂腐蚀性强,大量 HBr、乙酸废液难以处理;

2.放大规模时,操作危险性高,后处理除去过量酸耗时费力;

3.已报道的光化学合成方案,要么使用全氟己烷、四溴化碳等有毒试剂,要么反应时间长达 24 h,或是需要昂贵光催化剂,底物还要预先转化为半缩醛,实用性受限。

因此开发条件温和、环境友好、易于放大的溴化新方法,成为糖合成领域迫切的需求。

紫色 LED 光促反应:原位生成 HBr 实现高效溴代

该团队前期一直在研究Ferrier 光溴化反应,使用三氟甲苯(\(\boldsymbol{PhCF_3}\))替代剧毒四氯化碳,选择性在糖环 C5 位引入溴原子。实验中意外发现:提高溴素投料量,反应会从 CH 自由基溴代转向端基溴代,生成糖基溴化物。

研究人员以五乙酰葡萄糖为模型底物开展条件筛选:

·紫色 LED(405 nm)作为光源;

·\(\boldsymbol{Br_2}\)与\(\boldsymbol{PhCF_3}\)在光照条件下发生光化学反应,原位产生 HBr;

·HBr 再通过经典离子机理,将全乙酰糖转化为糖基溴化物。

对照实验证实:光照是必需条件,无光照时即使加入溴素,反应完全不发生;加入碳酸钾捕获原位生成的 HBr,糖基溴产物就无法生成,转而得到 C5 溴代副产物。自由基捕获实验也证明反应过程存在溴自由基与芳基自由基中间体。

研究进一步发现,二氯甲烷 (DCM) 作为溶剂效果最优,DCM 可以抑制 C5 位自由基溴代副反应。最优条件确定为:底物 1 当量,溴素 1.5 当量,三氟甲苯 1.5 当量,二氯甲烷作溶剂,405 nm 紫色 LED 光照,氩气惰性氛围。

后处理极其简便:直接旋干溶剂,二氯甲烷共蒸发除去残留溴,粗产物核磁纯度就很高,可直接重结晶或者柱层析纯化。

底物普适性强,多种保护基、单糖二糖均可兼容

在最优条件下,团队对底物范围进行系统考察:

1.葡萄糖、半乳糖、甘露糖等常见全乙酰单糖,糖醛酸衍生物、L型糖、二糖底物,都能以良好至优秀收率得到目标糖基溴;

2.苯甲酰基、特戊酰基保护的糖,甚至四糖底物同样可以高效转化;

3.C2 位邻苯二甲酰亚胺保护的氨基糖可以顺利反应;但 N乙酰氨基葡萄糖全乙酸酯得到复杂混合物,与已知该类糖基溴本身不稳定的文献结论一致。

克级规模间歇反应中,五乙酰葡萄糖可以拿到 93% 收率的糖基溴白色晶体。

流动光化学:分钟级停留,实现多克级快速制备

间歇放大反应存在溴素放热、试剂浓度不好控制的安全隐患,流动化学是解决该问题的绝佳方案。

研究搭建连续光流动装置:反应液经由注射器泵泵入缠绕在亚克力筒上的 PFA 管路(内径 1.5 mm,管路总容积 6.4 mL),整套管路置于 405 nm 光反应器内部。

·底物浓度 0.5 M;停留时间仅 6 min;流速 1.1 mL/min;

·50 min 总运行时间,产出 > 9.2 g 葡萄糖糖基溴,产率 93%;生产效率可达 32.1 mmol/h。

流动体系可以精准控制光照时间、试剂配比,很好管控溴素参与的放热反应,证明该工艺具备规模化制备的现实潜力。

一锅串联:无需分离糖基溴,直接完成糖基化

糖基溴粗产物本身纯度很高,科研人员尝试一锅法串联反应:光溴化完成,除去溶剂与残留溴之后,不做进一步纯化,直接加入糖受体,采用 4K 协同催化体系完成糖基化反应。

以全苯甲酰糖为原料,两步一锅得到二糖产物,总收率 7389%。这套策略省去糖基溴中间体分离纯化步骤,减少操作,对自动化寡糖合成有很高应用价值。

总结与展望

该工作建立了一套紫色 LED 驱动的糖基溴合成新路线:

✅ 原位生成 HBr,酸性废弃物极少;

✅ 后处理简单,仅需旋蒸、共挥发;

✅ 底物范围广,兼容乙酰、苯甲酰、特戊酰保护的单糖、二糖、寡糖;

✅ 光流动条件下实现多克级快速合成;

✅ 粗产物可直接一锅接续糖基化反应。

该方法不仅可以用于制备各类糖基溴砌块,也有望拓展用于 C糖苷、脱水糖醇等下游产物的一锅流动合成,为糖化学自动化合成工具箱增添新工具。







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