结构明确的纯聚糖是糖生物学中必不可少的研究工具。与可以分别通过重组表达和聚合酶链式反应 (PCR) 以均一形式获得的蛋白质和核酸不同，在生物系统中产生的聚糖是异质的。此外，可以从生物系统获得的数量通常很小。

化学合成可用于以比大多数细胞生产系统提供的量更大的量获得均一的聚糖。化学合成还可以进一步用于将聚糖掺入均一的糖蛋白中。

控制区域化学选择性 (CONTROLLING REGIOCHEMISTRY)

寡糖的结构使得它们的合成比其他主要生物分子类别（寡核苷酸和寡肽）的合成更为复杂。聚糖合成的基本挑战是：在存在许多其他羟基的情况下，需要修饰一个特定的羟基；以及控制糖苷键形成中的立体化学结果。通常，聚糖合成的特点是操作各种保护基，这些化学部分用于遮蔽羟基并阻止它们与其他化学试剂反应。羟基保护基被选择性地添加和去除到聚糖结构中，从而允许对暴露的羟基进行化学改变。随后，在典型的聚糖合成方案中，暴露的羟基充当进一步精细化的位点。一个羟基的选择性暴露允许区域选择性地添加另一个糖单元。这种类型的合成方案通常应用于**O-和 N-连接聚糖**（参见第9章和第10章）以及蛋白聚糖（参见第17章）和糖鞘脂（参见第11章）的生成。

保护基的选择和保护基安装的顺序对于成功的合成路线至关重要。最常见的保护基包括通过许多合成步骤保持不变的苄醚（永久保护基）或在合成的中间步骤中去除的碳酸酯和酯（临时保护基）。存在大量关于聚糖的化学生成以及在聚糖合成背景下使用的各种保护基操作的信息。

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控制立体化学选择性 (CONTROLLING STEREOCHEMISTRY)

糖苷键通常是通过激活糖基化试剂（糖基供体）来形成的，从而产生一个亲电物种，该物种与亲核试剂（例如，糖基受体上存在的羟基）反应。其他可能的受体包括糖肽中的丝氨酸/苏氨酸或糖鞘脂中的鞘氨醇。糖基化反应导致形成 α-或 β-糖苷键（参见第2章）。聚糖合成的一个主要挑战是糖苷键的立体选择性形成（图 53.1A；第2章）。

有多种方法可用于立体选择性地生成糖苷键。这些反应的产率和立体化学结果取决于糖基化试剂（糖基供体）的空间和电子性质、亲核试剂的性质和反应条件。控制异头中心立体化学的一种常用方法涉及使用某些保护基，例如 C2-羟基或 C2-氨基上的酯或酰胺/氨基甲酸酯（图 53.1B）。这些“参与邻位”保护基可以在糖基化反应过程中形成一个环状 oxonium 离子中间体，该中间体屏蔽了分子的一面，专门导致“反式” (trans)-糖苷键的形成（即，异头取代基和 C2 基团位于环的相对两侧，如在 β-葡糖苷中）。

相反的异头立体化学，称为“顺式” (cis)-糖苷键，难以以高选择性构建。已经开发了许多不同的合成程序用于顺式-糖苷键以及涉及 C2-脱氧糖的连接的立体选择性构建，尽管不如在反式-糖苷键合成中保护基参与那么普遍。使用特定的溶剂/添加剂、远程保护基参与，或供体和受体的预组织以及其他方法使得越来越多顺式-糖苷键的立体控制形成成为可能。

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图 53.1.

（A）糖苷键作为 α-或 β-连接的立体特异性形成。（LG）离去基团，（R）保护基团。（B）形成环状 oxonium 离子中间体，导致形成 β-糖苷键。

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保护基操作 (PROTECTIVE GROUP MANIPULATIONS)

碳水化合物具有丰富的官能团。这使得聚糖合成复杂化，并且投入了大量时间和精力来开发合适的保护基方案，以允许随意保护和去保护单个官能团。碳水化合物官能团包括羟基、胺和羧酸盐，区分它们相对容易。选择性处理羟基（碳水化合物中最丰富的官能团）则有些复杂。伯羟基和异头羟基相对容易操作——特别是前者是出于空间原因，而后者是因为它们是半缩醛或半缩酮的一部分。对仲羟基的特异性访问需要量身定制的化学，例如利用它们的构型（顺式-羟基对比反式-羟基，赤道对比轴向）和它们的相对反应性（即，利用空间和/或电子差异）。

图 53.2 描述了一个具有代表性的保护基方案，从 S-甲苯基吡喃葡糖开始（S-甲苯基既用作异头羟基的掩蔽基团，也用作糖基化方案中的离去基团）。在第一步中，所有羟基都转化为相应的三甲基硅基醚，以使极性碳水化合物溶于有机溶剂。接下来，在一系列互补的官能团操作中，O-2 (A)、O-4 (B) 或 O-6 (C) 被选择性解放。在所有情况下，第一步都包括创建 4,6-O-苄叉物种。O-3 的还原苄基化，随后是 O-2 的苯甲酰化和苄叉向 O-4-苄基的还原开环，得到葡萄糖构建块 C。苄叉向 O-6-苄基的替代还原开环得到 B，而保持苄叉完整并去除任何剩余的硅基保护基则得到葡糖苷 A。

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图 53.2.

保护基操作，可以在一锅法中进行，以获得一系列用于聚糖组装的吡喃葡糖衍生构建块。

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具有代表性的溶液相化学聚糖合成 (A REPRESENTATIVE SOLUTION PHASE CHEMICAL GLYCAN SYNTHESIS)

在铜绿假单胞菌 (Pseudomonas aeruginosa) 胞外多糖的推定重复单元片段的合成中（图 53.3），保护基模式和糖基化策略之间的相互作用变得显而易见。在苯磺酰哌啶 (BSP) 和三氟甲磺酸酐 (Tf2O) 的促进下，4,6-O-苄叉保护的硫代甘露糖苷 1 与正交保护的岩藻糖苷 2 的糖基化得到了二糖 3。β-甘露糖苷键的立体选择性形成遵循苄叉部分稳定的中间异头 α-三氟甲磺酸酯的 SN2 位移。

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图 53.3.

铜绿假单胞菌衍生十糖 10 的溶液相合成。

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萘基 (Nap) 保护基的氧化去除以及与甘露糖苷 4 的糖基化得到三糖 5。还原岩藻糖苷上的异头烯丙基 (All) 基团被去除并转化为糖基三氯乙酰亚胺酯，其与正交保护的葡糖苷 6 的 3-羟基缩合，得到四糖 7。岩藻糖构建块 2 中的 2-O-苯甲酰 (Bz) 参与基团确保了 1,2-反式-构型。四糖 7 的精细化导致完全保护的十糖 10，并说明了需要两个不同保护的构建块 1 和 4。1 中的苄基 (Bn) 保护基充当永久保护基，注定在合成的最后阶段去除。相比之下，4 中的叔丁基二甲基硅基 (TBS) 基团可以在合成过程中选择性去除。甘露糖残基中的 2-羟基被解放，并与构建块 8 进行 1,2-反式 (α) 甘露糖基化。9 的全局去保护分两步实现：碱处理去除酰基保护基，随后催化加氢同时去除苄基、萘基和苄叉基团。还原端间隔物上的叠氮基被转化为胺，用于免疫研究的新糖蛋白合成，或用于生产聚糖芯片。

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具有代表性的自动化聚糖组装 (REPRESENTATIVE AUTOMATED GLYCAN ASSEMBLY)

自动化固相合成对肽/蛋白质和核酸化学和生物学产生了巨大影响。合成化学的这一发展使生物学家能够获得肽和寡核苷酸，并促进了生物聚合物结构和功能的研究。同样，用于聚糖合成的通用自动化（固相）方法的可用性极大地加速了生物学研究均一材料的获取。由于寡糖合成比寡肽和核苷酸的组装复杂得多，聚糖组装的自动化程序发展得较慢，但自动化合成仪现已商业化。自动化聚糖组装 (AGA) 的一个先决条件是完全控制新形成的糖苷键的立体化学。AGA 基于具有正交保护基和连接体的单糖构建块。AGA 的重要附加值是能够快速生成相关但不同的聚糖库，以及能够制备其他方法不易获得的尺寸的多糖。

100-聚甘露糖苷的合成始于将配备光可裂解连接体 11 的聚苯乙烯 Merrifield 树脂放置在自动化合成仪的反应容器中。甘露糖硫代糖苷构建块 12 用于使用四步循环的 AGA（图 53.4A）。每个单体的掺入依赖于酸性洗涤步骤以防止任何剩余碱的淬灭，随后是使用 5−6.5 当量构建块 12 的偶联步骤。接下来，封端步骤可防止任何未反应的亲核试剂参与随后的偶联，从而产生难以与所需产物分离的 (n−1)-多糖。临时 Fmoc 保护基的去除暴露了用于后续偶联步骤的亲核试剂。100 个偶联循环在 188 小时内自动执行，在从树脂上光裂解和正相 HPLC 纯化后，得到了**100-聚 α−(1−6) 甘露糖苷 13（总产率 8%）。通过用甲醇钠处理裂解所有酯保护基**，随后在压力下进行钯催化氢解以释放所有苄醚保护基，在制备型反相 HPLC 后产生了**100-聚甘露糖苷 14**。

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图 53.4.

（A）自动化聚糖组装的示意图概述。（B）100-聚甘露糖苷 14 的自动化聚糖组装 (AGA)。（C）海藻酸盐十二糖的 AGA。

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海藻酸盐十二聚物（由 β-1,4-甘露糖醛酸部分组成）的合成值得注意，因为它需要重复安装顺式-糖苷键。该合成利用了固定化的烯丙醇 15。在催化量的三氟甲磺酸 (TfOH) 作用下，与甘露糖醛酸酯供体 16 反应生成固定化单糖 17。O-4 处乙酰丙酸 (Lev) 基团的去除通过用肼 (H2N-NH2) 单乙酸盐处理来完成，之后重复偶联-去保护序列所需的次数。在聚糖组装完成后，完全保护的寡糖通过交叉复分解从固相载体上去除，随后通过强碱和氢解处理去除所有保护基团。

更复杂的多糖可以通过 AGA 制备的多糖的嵌段偶联来获得。两个多糖嵌段：通过 AGA 由甘露糖构建块 12 制备的线性 30-聚 α−(1−6) 甘露糖苷 21 和通过 AGA 使用 12 和差异保护的甘露糖构建块 22 用于分支位点制备的分支 31-聚甘露糖苷 23，在 31+30+30+30+30 偶联中统一，以创建分支 151-聚合物 24，该聚合物经去保护后得到了 25（图 53.5）。

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图 53.5.

通过自动化聚糖组装 (AGA) 制备的多糖的嵌段偶联合成 151-聚甘露糖苷。

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计算机辅助聚糖组装 (COMPUTER-ASSISTED GLYCAN ASSEMBLY)

硫代糖苷供体的相对反应性值 (RRVs，指示糖基供体反应性的数值 ) 数据库已用于设计一锅法糖基化序列。几种硫代糖苷被组合，可以实现其中一个构建块相对于其他构建块的选择性激活。Optimer 计算机程序辅助选择构建块的组合，这些构建块配备了调节反应性的适当保护基集合。

图 53.6 显示了使用 Optimer 方法一锅法组装肿瘤相关 N3 抗原八糖。设计并合成了三个构建块：岩藻糖供体 26 (RRV=7.2×104)、乳糖胺供体 27 (RRV=41) 和乳糖构建块 28 (RRV=0)。后两种二糖是通过利用 RRVs 的化学选择性糖基化制备的。前两个构建块在 BSP/Tf2O 介导的缩合中的组合得到了三糖硫代糖苷。向反应容器中添加乳糖 28 和 NIS/TfOH 以促进随后的双重糖基化，提供了八糖 29。去保护后，以 11% 的产率获得了间隔物官能化的八糖 30。

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图 53.6.

八糖抗原 32 的一锅法合成。

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展望 (OUTLOOK)

在过去的四分之一个世纪里，聚糖的化学合成已经从合成化学家从事英勇全合成努力的艺术发展为包含常见单体成分和反式-糖苷键的聚糖的常规任务。随着 AGA 的商业化（其中一套常见的构建块在固相树脂上组合），合成过程可以大大加速。AGA 已成为碳水化合物合成的重要组成部分，因为长达 100-聚合物的多糖以及糖胺聚糖现在可以以多毫克级快速获得。高度分支结构的生产将在未来几年内变得常规。尽管如此，对于具有挑战性的靶标（包含稀有单糖以及 2-脱氧和 1,2-顺式-连接），需要开发改进的溶液相合成方法。这些方法将极大地受益于糖基化反应基础知识的进步，并将得到数据库中收集的知识的帮助。此外，酶促合成以及化学和酶促合成的组合是获得大量聚糖的重要资产（第54章）。