近日，上海交通大学变革性分子前沿科学中心商明课题组报道了一种基于多功能手性双脒催化剂的P(V)不对称催化平台。该策略突破了传统磷手性核苷酸合成中对手性辅助基团的依赖，建立了“磷手性立体化学接力传递”策略，实现了磷手性信息从催化构建到寡核苷酸精准组装的有效传递，并实现了硫代磷酸寡核苷酸（PS-ODNs）及环二核苷酸（cyclic dinucleotides, CDNs）的高立体选择性构建，为立体精准核酸药物的制备提供了全新技术路径。相关成果以“Multifunctional chiral bis(amidine) organocatalysts enable stereoselective synthesis of phosphorothioate oligonucleotides”为题，发表于Nature Catalysis。

一、研究背景

核酸药物已成为继小分子药物和抗体药物之后的新一代疾病治疗策略，目前已有超过20款相关药物获批上市。通过在核酸磷酸骨架中引入硫代（phosphorothioate, PS）修饰，可显著提高分子的核酸酶稳定性、组织分布及细胞摄取效率，因此被广泛应用于临床核酸药物开发。例如，诺西那生（Nusinersen）和英克司兰（Inclisiran）等已上市药物均包含大量PS修饰（图1a）。然而，PS修饰在提升药物性能的同时，也在磷原子上引入了新的手性中心，使每一个修饰位点均可能产生不同的立体构型。越来越多的研究表明，磷中心手性并非简单的结构差异，而是直接影响核酸药物的代谢稳定性、靶向活性及安全性。例如，米泊美生（Mipomersen）中全硫代修饰的Sp构型相比Rp构型表现出更优的体内稳定性；而STING激动剂MK-1454中具有特定Rp/Rp构型的异构体则展现出更强的免疫激活能力（图1b）。

尽管硫代磷酸寡核苷酸研究已取得重要进展，其立体精准制备仍面临关键挑战：

1. 传统P(III)亚磷酰胺法缺乏立体选择性，n个PS位点修饰将产生2ⁿ种非对映异构体，导致药物质量控制和活性评价面临巨大挑战；

2. 目前已报道的立体可控合成方法主要依赖化学计量的手性辅助基团，不仅需要复杂的辅助基团构建、引入和脱除过程，也限制了其效率和规模化应用（图1c）;

3. 基于P(III)化学的手性磷酸催化策略仅适用于二核苷酸级别的立体控制，无法延伸至长链硫代寡核苷酸的制备（图1d）。

因此，发展一种无需手性辅基、具有普适性的催化立体控制策略，实现硫代寡核苷酸的立体精准构建，是核酸药物化学领域亟待突破的核心科学问题。

本研究提出了一种基于手性双脒催化的P(V)不对称合成新策略，建立了“磷手性立体化学接力传递”新模式。该策略首先通过催化过程精准构建具有特定构型的磷手性核苷酸单元，随后利用高度立体专一性的偶联过程，将手性信息延续至寡核苷酸链中，最终实现具有明确立体结构的硫代核酸分子精准制备（图1e）。

图1. 研究背景及本工作设计

二、研究内容

受手性双脒催化剂多重活化特性的启发：喹啉氮原子可发挥亲核活化与一般碱活化作用，环己二胺N-H可提供氢键活化，研究团队选用含五氟苯酚离去基的P(V)-OTP试剂为底物，系统考察了手性双脒催化剂骨架、溶剂及温度等对反应的影响。结果表明，在6-氟喹啉取代双脒催化剂C9、甲苯溶剂、室温条件下，不对称取代反应表现最佳，收率达80%，非对映选择性为96:4。此外，在喹啉8位引入氟或甲基取代基可进一步提升反应的立体选择性（图2）。

图2. 条件筛选

接着，研究团队系统评估了核苷负载步及后续立体专一性偶联步的底物适用范围，展现了催化平台良好的兼容性。在核苷负载步，多种嘧啶和嘌呤类核苷均可顺利转化，并获得优异的立体选择性。除经典核糖核苷外，环己酮保护的化合物及C2′位完全取代的核苷同样能够有效参与反应。该策略还可拓展至脱氧核糖核苷底物，如临床抗HIV药物齐多夫定。需特别强调的是，以C13为催化剂、在0 °C条件下，成功实现了P(V)硫代寡核苷酸固相合成中关键手性单体的制备。此外，后续偶联步中一系列嘧啶和嘌呤类核苷均能与3a高效偶联，以高手性保真度获得3′-5′及5′-5′二核苷产物（图3）。

图3. 底物扩展

为进一步彰显催化平台的广泛适用性，研究团队还将亲核试剂范围扩展至非核苷底物。3a可与醇、酚、硫醇、硫酚、有机金属试剂及胺类化合物发生手性高度保真的亲核取代反应，高效构建P-O、P-S、P-C及P-N键（图4）。

图4. 亲核试剂范围考察

随后，研究团队还将所发展的P(V)催化平台应用于治疗性硫代寡核苷酸和环二核苷酸的立体控制合成，以验证其实际应用价值。以5′位负载手性核苷单体为起始，成功制备了两条寡核苷酸链：Oligo-1为全硫代修饰SP构型核酸链；Oligo-2则在亚磷酰胺法构建的寡核苷酸5′末端嵌入一个硫代磷酸酯键（图5b）。此外，通过优化合成策略，在催化剂C14作用下，成功获得两种构型的OTP核苷单体1n，经重结晶后立体纯度可提升至>99:1。基于1n，顺利制备得到两种构型所有8种手性核苷单体，并成功将其转化为两种构型磷氧/磷硫嵌合核酸链（Oligo-3-7）以及RP和SP构型交替的全硫代修饰核酸链Oligo-8（图5c）。除硫代寡核苷酸外，该平台在手性环二核苷酸的制备中也表现优异（图5d）。将反应规模放大至2.0 mmol，仍可获得87%收率及96:4 d.r.，显示出良好的放大可行性（图5e）。

图5. 合成应用

最后，为阐明手性来源及反应活化模式，研究团队开展了一系列机理验证实验：

1. 核苷碱基N-H中的氢原子可能以氢键供体的形式参与催化循环。当N-H上的氢原子缺失后，立体选择性显著下降（图6a）。

2. 底物与催化剂之间存在构型匹配效应。使用相反构型的手性催化剂时，无法控制反应立体选择性。

3. 环己二胺的两个N-H氢原子可与OTP磷中心硫原子形成氢键，预组织过渡态。当两个氢原子被甲基取代后，反应完全被抑制。

4. 两个喹啉氮可能分别发挥亲核活化与一般碱活化的作用。以C21或C22替代C13时，催化效果均不理想。

5. 催化剂各结构单元通过共价键连接为一个整体，是实现协同活化的前提。将母体手性双脒催化剂的各结构单元单独或物理混合测试，均未观察到催化活性（图6b）。

基于上述结果，研究团队提出可能的催化循环：手性双脒催化剂中一个喹啉氮亲核进攻1j磷中心位点，生成喹啉鎓盐中间体；随后核苷2a参与反应，其碱基N-H与环己二胺N-H作为氢键供体，与磷中心硫原子形成多重氢键，使底物预组装为反应复合物；同时，催化剂另一喹啉氮作为路易斯碱，攫取核苷5′-羟基质子，促使羟基氧立体选择性亲核进攻磷中心，伴随五氟苯酚离去，最终生成产物3a（图6c）。

图6.  机理研究

三、小结

综上，商明团队发展了一种用于硫代磷酸寡核苷酸立体精准构建的P(V)不对称催化新策略，突破了传统方法对手性辅助基团的依赖以及P(III)催化体系在长链核酸合成中的局限，建立了面向立体纯核酸分子高效制备的新型催化平台。该策略依托多功能手性双脒催化剂的协同活化模式，实现了外消旋P(V)-氧硫磷烷（OTP）试剂的催化不对称负载，并进一步建立了“立体化学接力传递”模式，通过高度立体专一性的偶联过程，将磷手性信息精准传递至寡核苷酸链中，从而实现了立体规整硫代寡核苷酸及环二核苷酸的高效构建。该方法具有良好的底物适用范围和官能团兼容性，不仅为含磷核苷酸骨架的精准合成提供了全新的催化策略，也为下一代立体精准核酸药物的开发与制造提供了重要技术支撑。

https://www.nature.com/articles/s41929-026-01557-0