聚糖具有多種生理功能，從細胞能量存儲和結構完整性到信號傳導和細胞內過程的調節。儘管從生物質衍生的碳水化合物（如D-葡萄糖、D-木糖和D-半乳糖）能夠以商業規模提取，並能用於可再生的化學原料和基礎材料，但仍有數百種單糖無法從其天然來源中分離出來。異構化是一種利用生物質前體合成稀有糖的有效策略（圖1b），這些稀有糖在具有生物活性的天然產物和藥物中具有顯著的特徵，例如抗病毒、抗菌、抗癌以及強心藥。然而，由於糖的結構和立體化學的複雜性，這些方法仍極具挑戰性。常見的化學異構化反應通常是非選擇性的，因此導致產物的複雜熱力學分佈，往往難以分離。相比之下，酶促反應的精確度更高，已經成為化學策略強有力的替代方法。酶促異構化方法在工業製糖中佔有重要地位，多步酶促反應也為稀有的己糖、戊糖和四碳糖異構體的合成提供了途徑，但較低的產量和高昂的生產成本限制了這些策略的實施。
圖1. 糖的異構化途徑。圖片來源：Nature
先前曾報道過輔酶S-腺苷甲硫氨酸（SAM）介導的酶促自由基差向異構化反應，如圖1c所示，在新黴素C生物合成新黴素B的過程中，高能5'-脫氧腺苷自由基從新黴素C的末端攫取C5氫原子，隨後通過半胱氨酸側基巰醇將氫原子重新傳遞到相反面上（J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 13909–13915; Nat. Chem., 2017, 9, 698–707）。受此啟發，美國麻省理工學院的Alison E. Wendlandt教授課題組通過位點選擇性自由基差向異構化反應，可直接從生物質衍生的碳水化合物製備稀有糖異構體（圖1d）。機理研究表明該反應由動力學控制，通過兩個不同的催化劑介導的氫原子攫取和氫原子提供過程依次進行。相關成果發表於Nature 期刊上。
對反應條件進行篩選後，作者選擇α-甲基葡萄糖作為底物，在藍光照射下，使用催化量的4-CzIPN、奎寧環、金剛烷硫醇和四丁基對氯苯甲酸銨在MeCN/DMSO中於室溫下反應，3 h後以92%的收率得到唯一的產物α-甲基阿洛糖（圖2）。對照實驗表明，在沒有光催化劑、硫醇或光照的情況下，沒有觀察到底物的差向異構化反應；在沒有奎寧環的情況下，只觀察到微量產物（< 1%）；在沒有苯甲酸鹽或以四丁基苯甲酸銨為鹼的情況下，反應收率大大降低，分別為29%和63%；Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbpy)PF6也是一種有效的光催化劑，僅需要1 mol %的負載量就能催化該反應，考慮到成本差異，作者選擇4-CzIPN作為光催化劑。烷基硫醇在該反應中具有獨特的效果，使用硫酚或硫代苯甲酸/硫代乙酸衍生物時均未觀察到反應，使用其他氫原子供體時也未觀察到反應。雖然位點選擇性的原因目前尚不完全清楚，但此處觀察到的C3選擇性與之前Waymouth, R. M.和Minnaard, A. J. 報道的氧化反應中底物控制的選擇性相一致（Angew. Chem. Int. Ed.,
2013, 52, 7809–7812; ACS Catal., 2016, 6, 4653–4659; Chem. Commun., 2017, 53, 4926–4929）。 圖2. 條件的篩選。圖片來源：Nature
在最優條件下，作者對一系列生物質衍生的單糖的底物範圍進行了考察（圖3）。D-塔羅糖（2b）、D-古洛糖（2c）和D-阿卓糖（2d）可分別由β-甲基半乳糖、脫水半乳糖和脫水甘露糖生成。此外，生物質衍生的戊糖D-α-甲基木糖（1f）和L-β-甲基阿拉伯糖（1e）通過C3和C2差向異構化分別生成D-和L-核糖衍生物。雖然可以通過葡萄糖發酵大規模獲得D-核糖，但L-核糖的合成方法仍然非常有限。富電子乙酰胺取代的葡萄糖衍生物1g也能進行差向異構化，以1.5:1的比例生成C3-和C4-異構化的產物2g和3g。
未保護的單糖也可以進行選擇性差向異構化反應，例如D-葡萄糖可以在標準條件下生成42%的D-阿洛糖
2k，而使用酶促反應，四步法的總收率僅為2.5%；L-巖藻糖以55%的收率生成L-6-脫氧塔洛糖2m；D-2-脫氧葡萄糖以61%的收率生成了D-2-脫氧阿洛糖2n。隨後，作者對更復雜的多糖進行考察，進一步評估了該反應條件的選擇性和官能團相容性。蔗糖能夠以68%的收率選擇性地得到了2o；儘管棉子糖1p存在14個立體中心，但仍能以44%的收率得到單一的差向異構化產物2p；含嘧啶基團的1q反應生成C3差向異構化的產物2q。值得注意的是，C-糖苷SGLT2抑制劑依帕列淨也能兼容該反應，僅生成C3差向異構化的產物2r，收率42%。
圖3. 底物範圍。圖片來源：Nature
接下來，作者對反應的機理進行了研究。首先將6-脫氧-β-甲基塔洛塘（2h）置於標準反應條件下，並沒有得到起始原料β-甲基岩藻糖1h（圖4a）。接著，對α-甲基阿洛糖（2a）進行氘代實驗，反應16 h後，在回收的α-甲基阿洛糖中發現C3位有39％的氘代，同時沒有檢測到葡萄糖（圖4b）。結合已建立的熱化學數據，這些實驗證明了這些轉變並不是在簡單的平衡控制下進行的。
為了進一步探究該反應的各個基本步驟，作者在兩組不同的條件下進行了Stern-Volmer熒光淬滅實驗。結果表明，奎寧環能有效地淬滅激發態光催化劑，而金剛烷硫醇則不能猝滅。在奎寧環和金剛烷硫醇共同存在的情況下，淬滅動力學與奎寧環單獨存在時完全相同。這些結果表明，激發態光催化劑被奎寧環淬滅後產生奎寧環自由基陽離子。當催化劑負載量增加到3 mol %時，並在沒有硫醇的情況下進行反應，僅得到少量的3-酮糖（圖4c），且無差向異構化產物生成。
圖4. 機理研究。圖片來源：Nature
為了探討硫醇助催化劑的作用，作者以4-溴苯硫酚代替金剛烷硫醇進行了類似的熒光淬滅實驗。在這些反應條件下，並沒有觀察到α-甲基葡萄糖的差向異構化產物或α-甲基葡萄糖的消耗。與金剛烷硫醇一樣，僅用4-溴苯硫酚可觀察到最小的熒光淬滅，然而在4-溴苯硫酚和奎寧環共同存在的情況下，熒光淬滅現象大大增強。作者推測通過奎寧環對硫醇的去質子化，或通過奎寧環/硫酚的氫鍵複合物的質子耦合-電子轉移原位生成硫醇鹽，而硫醇鹽氧化到相應的硫基自由基可能會導致熒光淬滅的增強。同時，作者還發現苯硫酚鈉對光催化劑的淬滅速度比奎寧環單獨存在時高十倍，NMR滴定實驗進一步證實了溶液中存在硫醇鹽。這些實驗表明，硫醇的酸性是反應能否進行的重要參數，在奎寧環存在下，酸性硫醇可以去質子形成硫醇鹽，而硫醇作為助催化劑對初始的糖自由基轉移氫原子被認為是後續的、不可逆的步驟。
總的來說，機理研究表明該反應是通過兩個連續的、不同的氫原子轉移步驟進行的。首先底物將氫原子轉移到奎寧環自由基陽離子上，形成糖自由基；隨後硫醇作為氫原子供體，重新將氫原子轉移到糖自由基上（圖4d）。雖然底物和產物都可以通過奎寧環自由基陽離子進行攫氫反應，但機理數據與不可逆的攫氫步驟相一致，即硫醇作為氫原子供體實現底物的非對映選擇性轉化。
總結
Alison E. Wendlandt教授課題組報道了一種新型的位點選擇性差向異構化反應，可直接從生物質衍生的碳水化合物製備稀有糖異構體，是迄今為止產率和選擇性最好的方法。機理研究表明該反應是通過兩個不同的催化劑介導的氫原子攫取和氫原子提供過程順序進行的，為合成高價值的天然產物提供了一條簡潔且廣泛的方法。
Synthesis of rare sugar isomers through site-selective epimerization
Yong Wang, Hayden M. Carder, Alison E. Wendlandt
Nature, 2020, 578, 403–408, DOI: 10.1038/s41586-020-1937-1
（本文由有所不為供稿）
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