上海交通大学变革性分子前沿科学中心商明课题组（www.shangchemlab.com）长期致力于磷手性核酸立体精准合成、核酸化学修饰及其在核酸药物开发中的应用研究。在前期磷手性核酸催化不对称合成（Nat. Catal. 2026, 9, 800；Chem. Soc. Rev. 2025, 54, 9370；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e20250980；J. Am. Chem. Soc. 2024, 31339–31347）及核酸精准修饰（Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e24814；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202500744；Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202418806）研究基础上，该团队进一步发展了一种电化学Ni催化立体选择性C(sp³)–C(sp³)交叉偶联新策略，实现了核苷糖环C2′位的高效、模块化和立体精准烷基化,相关成果以“Stereoselective C2′-Alkylation of Nucleosides Enabled byElectrochemical Ni-Catalyzed C(sp3)−C(sp3) Cross-Coupling”为题，发表于Journal of the American Chemical Society。

核糖骨架是拓展核酸化学空间、调控核酸结构与功能的重要位点，但在高度官能团化、立体化学复杂的核苷骨架上直接构建C(sp³)–C(sp³)键，并同时实现高反应效率、立体选择性和底物通用性，极具挑战。该策略实现了结构多样烷基片段在核苷C2′位的高立体选择性引入，并可无缝衔接寡核苷酸合成。进一步的生物物理研究表明，C2′-烷基修饰能够以结构和位点依赖的方式调控核酸双链热稳定性，并增强寡核苷酸对外切核酸酶降解的抵抗能力。该研究由此建立了“核苷立体精准合成—寡核苷酸序列组装—核酸功能性质调控”的完整技术路径，为拓展非天然核苷的化学空间以及功能核酸和核酸治疗分子的设计提供了新的化学工具。

一、研究背景

核酸药物可以依靠Watson–Crick碱基配对原则直接识别疾病相关mRNA或DNA，具有作用机制明确、靶向性高等特点。然而，未经修饰的天然寡核苷酸往往面临易被酶降解、细胞摄取效率有限、内体逃逸不足以及靶标结合性能不理想等问题，因此，化学修饰已经成为推动核酸药物临床应用的核心技术之一。

在众多修饰位点中，核糖的C2′位尤为重要。已有研究表明，对C2′位进行化学改造能够显著改变核苷及核酸分子的物理化学和生物学性质。但与较为成熟的C2′-O修饰相比，C2′-C烷基修饰仍缺乏高效、通用且立体可控的合成手段。传统路线通常需要先将C2′-羟基氧化为酮，再通过有机金属试剂加成或Wittig反应—氢化等步骤引入烷基；其他脱羟基官能团化或从头合成方法也往往面临步骤较长、烷基类型有限、官能团兼容性不足、立体选择性难控制以及放大困难等问题。

如果能够借助交叉偶联直接构建C2′位C(sp³)–C(sp³)键，无疑将大幅提升这一类核苷的合成效率。但核苷不是普通的有机底物：一方面，核碱基上的多个杂原子可能与金属中心配位，导致催化剂失活；另一方面，反应过程中形成的C2′-金属中间体可能影响糖苷键稳定性；同时，烷基取代基空间差异有限、构象灵活，要精准控制新形成的C2′手性中心同样具有挑战。对于后续寡核苷酸组装而言，高非对映选择性更是不可或缺。

针对这些难题，研究团队提出：能否利用电化学精准调控氧化还原过程，在温和条件下实现Ni催化的核苷C2′-烷基化？由此，设计了以C2′-卤代核苷和羧酸衍生NHP酯为原料的电化学交叉偶联策略，实现C2′-α-烷基核苷的模块化构建。

图1. C2′-烷基修饰核苷的研究现状及本工作设计

二、研究内容

首先，研究团队以2′-溴-2′-脱氧胸苷和羧酸衍生NHPI酯为模型底物。采用已有Ni催化还原偶联条件时，仅能检测到痕量目标产物，进一步体现了核苷底物对反应条件的高度敏感性。团队由此转向电化学催化，并围绕Ni盐、配体、电解质、电极材料、溶剂以及电流等参数进行了系统优化。

最终，在Ni(ClO₄)₂·6H₂O/L8（1-bip）催化体系、MgBr₂·Et₂O电解质、铝阳极/镍泡沫阴极、DMF/乙酸乙酯混合溶剂以及10 mA恒电流条件下，模型产物能够以71%收率和>99:1 d.r.获得。对照实验表明，Ni催化剂、配体和电流均不可缺少；其中配体结构尤为关键，常见联吡啶、菲啰啉和三联吡啶类配体效果有限，而团队设计的L8能够同时显著提高收率和立体选择性。

值得注意的是，MgBr₂·Et₂O在该体系中并非仅仅充当电解质。研究结果表明，它还能够参与底物活化，并捕获反应过程中产生、可能干扰关键金属中间体的邻苯二甲酰亚胺副产物，为高效交叉偶联创造适宜的反应环境。

图2. 反应条件筛选

在最优条件下，研究团队进一步系统考察了底物范围。结果表明，该方法对烷基NHPI酯具有良好的普适性：无论是带有F、Cl、Br等卤素的芳香底物，还是含CF₃、CN、NHBoc、烷氧基等吸电子或给电子基团的底物，均能顺利反应；噻吩等杂芳环以及多种脂肪族烷基同样适用。醚、烷基氯、酯、氟烷基及苯甲酸酯等官能团也能够被良好兼容。与此同时，该催化体系还可拓展至多种不同核碱基的核苷底物，显示出较好的结构多样性。

这一结果意味着，研究者无需针对每一种C2′-烷基核苷重新设计一套冗长的合成路线，而可以通过更换羧酸来源，像“搭积木”一样模块化引入不同烷基片段，为后续构建结构多样的核酸化学空间提供便利。

图3. NHPI酯及核苷底物范围

随后，团队通过自由基捕获实验、自由基钟实验及循环伏安实验对反应机理进行了研究。加入TEMPO后目标反应受到明显抑制，并成功捕获相应自由基加合物；自由基钟底物则生成了40%收率的开环产物，两项实验共同支持该反应经历自由基过程。

结合循环伏安实验，作者提出了可能的催化循环：NHPI酯首先在阴极发生单电子还原并生成烷基自由基，随后被Ni(I)物种捕获；进一步还原形成的烷基-Ni(I)物种向卤代核苷转移电子，产生核苷自由基，继而与烷基-Ni(II)物种重组形成二烷基Ni(III)中间体。

图4. 机理研究及可能的催化循环

除了“做得出来”，该方法还表现出了良好的实际合成潜力。反应可直接放大至4.0 mmol规模，多种产物仍能以良好收率获得，其中代表性产物3可制得1.16 g。更值得关注的是，一个此前需要11步才能制备的关键亚磷酰胺单体36，通过该方法从商业化5-甲基尿苷出发仅需5步即可获得，并保持完全的立体选择性。

以此为基础，团队进一步制备了多种C2′-烷基化P(III)亚磷酰胺单体，并利用成熟的亚磷酰胺化学，在自动DNA合成仪上完成了含不同烷基结构、不同修饰数量及不同修饰位置的寡核苷酸组装，同时将相关修饰拓展至RNA序列，证明该方法能够与标准寡核苷酸合成流程有效衔接。

图5. C2′-烷基化亚磷酰胺单体及修饰寡核苷酸的合成

在完成合成后，研究团队进一步考察了这些新型C2′-烷基修饰会给核酸带来什么性质变化。DNA双链熔解实验显示，其影响具有明显的结构、数量和位置依赖性：总体而言，末端修饰对双链热稳定性的影响相对较小，而将修饰引入序列内部时，更容易导致熔解温度下降；不同烷基结构的影响程度也存在明显差异。对于含2′-OMe和硫代磷酸骨架的RNA体系，C2′-烷基化寡核苷酸与对照相比仅表现出较小的双链稳定性变化。

更具应用意义的是核酸酶稳定性测试。在Exonuclease I（3′→5′外切核酸酶）作用下，未修饰寡核苷酸以及仅在5′末端修饰的样品几乎被完全降解；而在3′末端引入C2′-烷基修饰后，寡核苷酸表现出显著的抗降解能力。当修饰位点位于序列内部时，外切核酸酶在到达该修饰位点后也受到明显阻碍，说明C2′-烷基化能够形成有效的“降解屏障”。

与此同时，圆二色谱实验显示，无论进行单点还是多点C2′-烷基修饰，所得DNA双链的CD谱与未修饰对照基本一致，说明该修饰并未显著改变DNA双链的整体构象。换言之，这类修饰能够在保持核酸整体结构的同时，为调节热稳定性和增强酶稳定性提供新的化学维度。

图6. C2′-烷基修饰寡核苷酸的生物物理性质评价

三、小结

综上，商明团队发展了一种电化学Ni催化的立体选择性C(sp³)–C(sp³)交叉偶联策略，解决了核苷C2′-烷基化过程中底物复杂、立体控制困难以及合成通用性有限等问题，实现了C2′-α-烷基核苷的直接、模块化构建。该方法具有良好的官能团兼容性和优异的立体选择性，并能够实现克级制备及亚磷酰胺单体的简洁合成，可以无缝衔接自动化DNA/RNA寡核苷酸组装。进一步的生物物理研究表明，C2′-烷基修饰不仅能够以结构和位置依赖的方式调节核酸双链稳定性，还可显著增强特定位点对外切核酸酶降解的抵抗能力，同时基本保持DNA双链整体构象不变。这项工作由此建立了从 “核苷立体精准合成”到“寡核苷酸序列组装”再到“核酸功能性质调控”的一体化技术路径，为C2′-功能化核苷、功能核酸及潜在核酸治疗分子的设计提供了新的化学工具。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c11534.s001