English

• Kifunensine是甘露糖苷酶Ⅰ的有效抑制剂^{[1, 2]}，它于1987年由Iwami等从名为Kitasatosporia kifunense的放线菌中分离纯化得到^[3]，是一种中性、稳定的生物碱^[4]。Kifunensine作为一类中性分子，与其他甘露糖苷酶抑制剂相比，它可以迅速渗透到细胞内，在细胞内它可以防止内质网甘露糖苷酶Ⅰ修复前体糖蛋白中的甘露糖残基，从而起到抑制糖基化的作用，同时它对甘露糖苷酶Ⅱ没有抑制作用，对芳基甘露糖苷酶的抑制作用也很弱。因此，当将其掺入细胞培养基中时，Kifunensine对细胞生长或糖蛋白产量不会有显著影响，但可以大大提高所制备糖蛋白的品质^[5]。研究发现，Kifunensine还具有抗HIV活性，并且由于具有免疫调节作用，被用于抗肿瘤药物的开发^[6]；此外，Kifunensine已经于2011年被欧洲药品管理局批准为用于治疗肢体-肌束营养不良症的单独用药。同时研究发现，Kifunensine可以在极低的浓度下抑制内质网甘露糖苷酶Ⅰ的活性并干扰早期基质的识别，从而抑制内质网的自身降解，进而可以用于治疗溶酶体存储障碍的相关疾病，如台-萨氏综合症。因此，Kifunensine具有很高的应用价值。

  1989年，Kifunensine的具体分子结构由Kayakiri等鉴定得到，并于次年由他们人工合成^[7]。但是它的合成制备非常困难，存在收率低、合成成本高等问题，市场售价十分昂贵。目前对于Kifunensine的合成报道相对较少，有效合成路线仅两条：一条是以N-乙酰基-D-甘露糖胺为起始原料经过羟基保护、脱保护、酰化、氧化关环等8步反应转得到^[7]，该路线的可重复性较差、收率低且原料价格较为昂贵；另一条是以L-抗坏血酸为起始原料经过15步反应得到^[8]，虽然该方法的原料价格较为便宜，但是该方法第一步氢气还原反应时间较长，且需要加压，导致反应收率低、可重复性差以及产物不易分离等问题，此外该方法制备过程中还用到了叠氮酸等易爆试剂，不利于进一步放大。

  鉴于Kifunensine潜在的应用价值，本文在前期研究的基础上，重新设计了一条它的改进合成路线(图式 1)。该方法以廉价易得的L-古洛糖酸-γ-内酯为起始原料，先对糖的2、3、5、6位羟基进行缩酮保护，随后产物不经纯化直接用乙酸水溶液处理得到5、6位羟基去保护的糖中间体2。不经纯化继续对糖的6位羟基进行硅醚保护，随后对剩余的5位羟基进行三氟甲基磺酰化得到中间体4；之后中间体4在室温下用叠氮化钠处理得到叠氮糖中间体5。中间体5用硼氢化钠还原得到糖环打开的中间体6，之后用特戊酰基保护1位羟基得到中间体7；随后用四丁基氟化铵处理脱去6位羟基的硅醚保护得到中间体8；之后再次对剩余的4、6位羟基进行缩酮保护得到中间体9。中间体9随后进行催化加氢反应将叠氮基团还原为氨基，之后不经纯化继续用氢氧化锂水解酯基得到中间体10，之后在草胺酸的作用下反应得到中间体11；随后对1位羟基进行氧化得到醛基中间体，适当纯化后用氨气的甲醇溶液处理关环得到氮杂糖12，最后用盐酸的甲醇溶液处理得到Kifunensine。反应总收率为4.8%。操作中的多个步骤可以用一锅法投料，较为简便。该方法为Kifunensine的大规模制备提供了新的思路。

  图式 1

  

  图式 1.  Kifunensine的改进合成路线

  Scheme 1.  Improved synthetic route for Kifunensine

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  1.   实验部分

  1.1   仪器与试剂

  Bruker Plus 400M型核磁共振谱仪，Waters 3100 Mass Detctor质谱仪。实验所用柱层析硅胶(200~300目)及薄层层析硅胶板购自青岛海洋化工厂。其他试剂均为国产或进口分析纯级，无水溶剂用常规方法干燥处理。

  1.2   合成

  (3aS, 6R, 6aS)-6-((S)-2, 2-二甲基-1, 3-二氧戊烷-4-基)-2, 2-二甲基二氢呋喃[3, 4-d][1, 3]二氧-4(3aH)-酮(1)的合成：将20g(112.3mmol) L-古洛糖酸-γ-内酯和1.9g(11.2mmol)对甲苯磺酸(PTSA)加入到300mL丙酮中搅拌，之后加入55.2mL(449.1mmol) 2, 2-二甲氧基丙烷(DMP)，氩气保护，室温反应，体系由白色悬浊液变为黄色澄清液，反应过程中及时用真空泵减压除去产生的甲醇，6h后TLC监测原料反应完毕，之后加入饱和碳酸氢钠溶液调节体系pH至中性，旋蒸除去溶剂，加二氯甲烷稀释剩余油状物，用饱和氯化钠洗涤3次，收集有机相，加入无水Na₂SO₄干燥，过滤，旋蒸除去溶剂得23.6g淡黄色固体，即中间体1，不经纯化直接用于下一步反应。

  (3aS, 6R, 6aS)-6-((S)-1, 2-二羟基乙基)-2, 2-二甲基二氢呋喃[3, 4-d][1, 3]二氧杂环-4(3aH)-酮(2)的合成：将上一步得到的23.6g中间体1置于320mL 80%的乙酸水溶液中搅拌，体系为无色澄清液，之后在氩气保护下，室温反应至原料转化完全，减压浓缩除去溶剂，得到15g白色固体，即中间体2，不经纯化直接用于下一步反应。

  (3aS, 6R, 6aS)-6-((S)-2-((叔丁基二甲基硅烷基)氧基)-1-羟乙基)-2, 2-二甲基二氢呋喃[3, 4-d] [1, 3]二氧杂环-4(3aH)-酮(3)的合成：将15g中间体2和7g(103mmol)咪唑加入到100mL无水DMF中搅拌，氩气保护并冷却至-40℃，之后缓慢向反应体系中滴入16.6g(110mmol)叔丁基二甲基氯硅烷(TBSCl)的50mL DMF溶液，滴加结束后继续搅拌反应2.5h，TLC监测至原料反应完毕，加水淬灭反应，旋蒸除去溶剂，加入二氯甲烷稀释剩余油状物，用饱和氯化钠溶液洗涤3次，之后加入无水硫酸钠干燥，过滤，减压浓缩除去溶剂，经硅胶柱层析纯化得15.5g无色油状物，即中间体3，三步反应总收率为42%。¹H NMR (600MHz，CDCl₃) δ：4.88~4.81(m，2H)，4.57(m，1H)，4.07(m，1H)，3.86~3.78(m，2H)，1.49(s，3H)，1.40(s，3H)，0.91(s，9H)，0.10(d，J=2.3Hz，6H)；ESI-MS m/z：理论值C₁₅H₂₉O₆Si [M+H]⁺ 333.46，实测值333.36。

  (S)-2-((叔丁基二甲基硅烷基)氧基)-1-((3aS, 4S, 6aS)-2, 2-二甲基-6-氧四氢呋喃[3, 4-d][1, 3]二氧杂环-4-基)三氟甲磺酸乙酯(4)的合成：称取5.5g(16.5mmol)化合物3溶于60mL二氯甲烷中，体系冷却至-30℃，之后加入4mL(49.6mmol)吡啶以及5.4mL(33.1mmol)三氟甲烷磺酸酐，体系变为橙色澄清液，继续搅拌至原料反应完毕。之后，加入大量二氯甲烷，用2mol/L盐酸洗涤一次，分离有机相，之后用饱和碳酸氢钠溶液洗涤一次，加入无水硫酸钠干燥，过滤，旋蒸除去溶剂得6.1g橙色固体，即中间体4，不经纯化直接用于下一步反应。

  (3aS, 6R, 6aS)-6-((R)-1-叠氮基-2-((叔丁基二甲基硅烷基)氧基)乙基)-2, 2-二甲基二氢呋喃[3, 4-d][1, 3]二氧杂环-4(3aH)-酮(5)的合成：室温条件下将6.1g(13.1mmol)中间体4溶于55mL DMF中，之后加入2.6g(39.4mmol)叠氮化钠，体系变为淡黄色悬浊液，室温搅拌至原料反应完毕，之后，加水淬灭反应，向体系中加入适量二氯甲烷，之后用饱和氯化钠溶液洗涤3次，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥，过滤，减压浓缩除去溶剂，硅胶柱层析得4.3g黄色油物，即中间体5，两步反应总收率73%。¹H NMR (400MHz，CDCl₃)δ：4.93~4.79(m，2H)，4.39(m，1H)，4.06(m，1H)，3.87(m，1H)，3.76(m，1H)，1.49(s，3H)，1.44(s，3H)，0.92(s，9H)，0.11(d，J=1.5Hz，6H)。

  (1R, 2R)-2-叠氮基-3-((叔丁基二甲基硅基)氧基)-1-((4S, 5R)-5-(羟甲基)-2, 2-二甲基-1, 3-二氧戊环-4-基)丙-1-醇(6)的合成：称取2.3g(6.4mmol)中间体5溶于50mL无水乙醇中，体系呈淡黄色澄清液，之后加入487mg(12.9mmol)硼氢化钠，过程中体系有少量气泡产生，室温反应过夜，反应完毕后加水淬灭，减压浓缩除去乙醇，加入二氯甲烷稀释剩余油状物，用饱和氯化钠溶液洗涤3次，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥，过滤，减压浓缩除去溶剂得2g无色油状物，即中间体6，收率86%。¹H NMR (600MHz，CDCl₃)δ：4.41(m，1H)，4.30 (m，1H)，4.09 (m，1H)，3.90~3.85 (m，2H)，3.80 (m，1H)，3.62 (m，1H)，3.49 (m，1H)，1.53 (s，3H)，1.41 (s，3H)，0.92 (s，9H)，0.10 (d，J=3.2 Hz，6H)；ESI-MS m/z：C₁₅H₃₁N₃O₅SiNa [M+Na]⁺，理论值384.51，实测值384.42。

  ((4R, 5S)-5-((1R, 2R)-2-叠氮基-3-((叔丁基二甲基硅基)氧基)-1-羟丙基)-2, 2-二甲基-1, 3-二氧戊环-4-基)甲基新戊酸酯(7)的合成：将上一步得到的2g (5.5mmol)中间体6溶于20mL二氯甲烷中，加入1.4mL(17mmol)吡啶以及1mL(8.3mmol)特戊酰氯(PivCl)，室温搅拌反应过夜，TLC监测至原料反应完毕后，加入适量二氯甲烷稀释，用饱和氯化钠溶液洗涤3次，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥，过滤，浓缩后经硅胶柱层析纯化得2.3g无色油状物，即中间体7，收率93%。¹H NMR (600MHz，CDCl₃) δ：4.44~4.38 (m，2H)，4.34(m，2H)，4.08(m，1H)，3.87(m，1H)，3.60 (m，1H)，3.39 (m，1H)，2.37(d，J=9.1Hz，1H)，1.50(s，3H)，1.39(s，3H)，1.21(s，9H)，0.91(s，9H)，0.10(d，J=4.0Hz，6H)。

  ((4R, 5S)-5-((1R, 2R)-2-叠氮基-1, 3-二羟基丙基-2, 2-二甲基-1, 3-二氧戊烷-4-基)甲基新戊酸酯(8)的合成：将上一步得到的2.3g(5.2mmol)化合物7加入到30mL四氢呋喃中，之后将体系冷却至-20℃，加入6mL 1mol/L的四丁基氟化铵的THF溶液，继续搅拌反应2h，TLC监测至原料反应完毕，加入少量饱和氯化钠溶液搅拌，之后用乙酸乙酯萃取，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥，过滤，减压浓缩除去溶剂，硅胶柱层析得1.68g无色油状物，即化合物8，收率98%。¹H NMR (400MHz，CDCl₃)δ：4.42(m，2H)，4.36~4.31 (m，2H)，4.11(m，1H)，4.01(m，1H)，3.89 (m，1H)，3.69(m，1H)，3.52~3.46(m，1H)，2.46(d，J=9.1Hz，1H)，1.51(s，3H)，1.40(s，3H)，1.21(s，9H)；ESI-MS m/z：C₁₄H₂₅N₃O₆Na[M+Na]⁺，理论值354.36，实测值354.34。

  ((4R, 5S)-5-((4R, 5S)-5-叠氮基-2, 2-二甲基-1, 3-二噁烷-4-基)-2, 2-二甲基-1, 3-二氧戊环-4-基)甲基新戊酸酯(9)的合成：将1.68g(5.1mmol)化合物8与87mg(0.51mmol)PTSA溶于20mL丙酮中，加入2.5mL(20.3mmol)DMP，室温条件下搅拌反应，反应过程中用真空泵减压除去产生的甲醇，体系搅拌至TLC监测原料反应完毕为止，之后加入饱和碳酸氢钠溶液调节体系pH至中性，旋蒸除去溶剂，加二氯甲烷稀释剩余油状物，用饱和氯化钠洗涤3次，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥，过滤，减压浓缩除去溶剂，经硅胶柱层析纯化得1.5g淡黄色固体，即中间体9，产率为80%。¹H NMR (400MHz，CDCl₃)δ：4.51~4.40 (m，1H)，4.39~4.31(m，3H)，4.06~4.00(m，1H)，3.83~3.70 (m，2H)，3.59(m，1H)，1.53(s，3H)，1.46(s，3H)，1.42(s，3H)，1.40(s，3H)，1.24(d，J=4.1Hz，9H)；ESI-MS：C₁₇H₃₀N₃O₆ [M+H]⁺，理论值371.43，实测值371.58。

  ((4R, 5S)-5-((4R, 5S)-5-氨基-2, 2-二甲基-1, 3-二噁烷-4-基)-2, 2-二甲基-1, 3-二氧戊烷-4-基)甲醇(10)的合成：称取1.5g(2.2mmol)中间体9溶解于20mL甲醇中，加入150mg钯碳，气体置换后进行常压加氢反应，室温反应6h，TLC监测原料反应完，抽滤除去催化剂，并将滤液旋干，得到无色油状物，将其溶于20mL甲醇中，加入79mg(3.3mmol)氢氧化锂，并加入1mL水，体系为无色澄清，室温继续反应4h，TLC监测至原料反应完毕，抽滤除去不溶物，并将滤液旋干，剩余物经过硅胶柱纯化得到1.03g无色油状中间体10，产率98%。¹H NMR (600MHz，CDCl₃) δ：4.49 (m，1H)，4.27 (m，1H)，3.88 (m，1H)，3.77 (m，2H)，3.56~3.43 (m，2H)，3.10 (m，1H)，1.85 (s，3H)，1.52 (s，3H)，1.47 (s，3H)，1.42 (s，3H)，1.38 (s，3H)；ESI-MS m/z：C₁₂H₂₄NO₅ [M+H]⁺，理论值262.31，实测值262.67。

  N1-((4R, 5S)-4-((4S, 5R)-5-(羟甲基)-2, 2-二甲基-1, 3-二氧戊环-4-基)-2, 2-二甲基-1, 3-二噁烷-5-基)草酰胺(11)的合成：称取180mg(2.02mmol)草氨酸，将其溶于5mL DMF中，60℃加热搅拌30min，冷却至室温，之后加入360mg(2.22mmol)N, N′-羰基二咪唑(CDI)，室温搅拌1h，然后缓慢滴加0.36g(1.38mmol)中间体10的5mL DMF溶液，室温搅拌反应过夜，反应完毕后，加入1mL水继续搅拌30min，减压浓缩除去溶剂，剩余物进行硅胶柱纯化得318mg白色固体中间体11，产率69%。¹H NMR (600MHz，DMSO-d₆)δ：8.69(d，J=9.4Hz，1H)，8.10(d，J=2.2Hz，1H)，7.92~7.77(m，1H)，4.85(m，1H)，4.21(m，1H)，4.04(m，1H)，3.99~3.88 (m，2H)，3.71~3.63(m，2H)，3.58(m，2H)，1.45(s，3H)，1.41(s，3H)，1.28(s，3H)，1.24 (s，4H)；ESI-MS m/z：C₁₄H₂₃N₂O₇ [M-H]^-，理论值331.35，实测值331.37。

  (3aS, 3bR, 7aS, 11aS, 11bR)-2, 2, 5, 5-四甲基四氢-3aH-[1, 3]二氧己环并[4, 5-e][1, 3]二氧戊环并[4, 5-c]咪唑并[1, 2-a]吡啶-9, 10(3bH, 11bH)-二酮(12)的合成：将318mg(0.96mmol)中间体11溶于5mL二氯甲烷中，之后依次加入720mg(1.91mmol)重铬酸吡啶盐(PDC)、71μL(0.96mmol)三氟乙酸以及76μL(0.96mmol)吡啶，氩气保护，室温搅拌反应5h，TLC监测至反应完全，过滤除去不溶物，收集滤液，减压浓缩除去溶剂得红棕色油状液体。之后向其中加入5mL 7mol/L氨气的甲醇溶液，氩气保护，室温搅拌反应过夜。反应完毕后，减压浓缩除去溶剂，加入适量饱和碳酸氢钠溶液搅拌，并加乙酸乙酯进行萃取，之后收集有机相，加入无水硫酸钠干燥，过滤，减压浓缩除去溶剂，经硅胶柱纯化得120mg白色固体中间体12，两步反应收率40%。¹H NMR (600MHz，CDCl₃)δ：4.86(d，J=8.6Hz，1H)，4.75(dd，J=11.1、4.9 Hz，1H)，4.39(t，J=8.0Hz，1H)，4.22(dd，J=11.3、8.1 Hz，1H)，4.00(t，J=8.3Hz，1H)，3.81(t，J=10.7Hz，1H)，3.63(m，1H)，1.58(d，J=5.9Hz，6H)，1.51(s，3H)，1.39(s，3H)；ESI-MS m/z：C₁₄H₁₉N₂O₆ [M-H]^-，理论值311.32，实测值311.34。

  Kifunensine的合成：将120mg(0.38mmol)中间体12溶于2mL 4mol/L氯化氢的甲醇溶液中，室温搅拌反应1h后，TLC监测反应完全，减压浓缩除去溶剂，用甲醇分散洗涤，最终得白色固体83mg，即Kifunensine，收率93%。¹H NMR(600MHz，DMSO-d₆)δ：10.38~10.05(m，1H)，5.44(s，2H)，4.71(m，1H)，4.08(m，1H)，3.86(m，1H)，3.77(t，J=3.2Hz，1H)，3.67(m，1H)，3.53 (m，1H)，3.30 (m，1H)；¹³C NMR (151MHz，CDCl₃)δ：165.42，163.43，77.25，77.07，73.99，67.72，65.11，63.44；ESI-MS m/z：C₈H₁₃N₂O₆ [M+H]⁺，理论值233.19，实测值233.28。

  2.   结果与讨论

  2.1   中间体1的合成改进

  中间体1是L-古洛糖酸-γ-内酯羟基保护后的产物，目前已报道文献中是用浓硫酸催化^[8]，以丙酮为溶剂的方法进行羟基的缩酮保护，这种方法收率极低，反应需要长时间加热。本文使用2, 2-二甲氧基丙烷进行羟基保护，并在反应进行中及时减压除去甲醇，减少了开环副产物的产生，提高了反应速率，使反应在常温进行，极大地提高了产率。

  2.2   中间体5的合成改进

  中间体5为叠氮糖中间体，文献中使用叠氮酸进行反应^[8]，反应危险性大，不适合大量生产。本文采用对5位羟基进行三氟甲基磺酰化保护形成离去基团，再用叠氮化钠进攻取代磺酸基的方法进行叠氮化反应，反应条件较叠氮酸安全、温和且适合大批量投料。

  2.3   中间体9的合成改进

  文献在进行中间体9的合成时，采用2-甲氧基丙烯进行羟基的保护^[8]，这种方法反应速率虽然快，但是副产物极多，体系较乱，不易纯化。本文采用2, 2-二甲氧基丙烷的方法进行羟基保护，反应相对缓和，副产物少，易于纯化，产率高。

  2.4   中间体10的合成改进

  文献在进行中间体10的合成时，采用的是氢化铝锂还原^[8]，投料过程中氢化铝锂接近5倍量，体系需要低温冷却，在放大制备时具有一定危险性，且反应后处理会产生大量固废，导致后处理困难以及环境污染等问题。本文采取先用钯碳催化加氢还原氨基，再继续水解酯基的方法，反应过程中钯碳催化剂可以回收重复利用，且整体操作十分便捷，安全性高。用这种方法几乎可以定量得到中间体10，而用氢化铝锂还原的方法，收率仅为60%左右。

  2.5   本文合成的Kifunensine的生物活性评价

  由于蛋白的糖基化修饰中糖链存在不均一性，使得通过酶去糖基化不能达到完全除去糖基的目的，从而导致表达纯化的蛋白均一性差，因此需要加入化学物质和酶相互配合，以除去相同类型糖蛋白的糖或糖脂的糖，从而达到提高蛋白的均一性的目的。本实验中通过Kifunensine和糖苷内切酶Endo H的相互配合使用来提高蛋白的均一性。

  在内质网中前体低聚糖链经过α-葡萄糖苷酶Ⅰ、α-葡萄糖苷酶Ⅱ切割3分子葡萄糖形成高甘露糖型，随后α-甘露糖苷酶Ⅰ切割1分子甘露糖，得到中间体高尔基体，高尔基体中α-甘露糖苷酶Ⅰ继续切割甘露糖，并经过各种糖基转移酶修饰形成复杂型、杂合型的N-糖基化修饰。Kifunensine是α-甘露糖苷酶Ⅰ的抑制剂，其抑制机制是抑制内质网中α-甘露糖苷酶Ⅰ对甘露糖的切割，从而形成高甘露糖型修饰的N-糖基化，进而抑制N-糖基化的复杂化修饰，最终避免高甘露糖型形成复杂型、杂合型的N-糖基化修饰。总体而言，Kifunensine可使N-糖基化形成单一的高甘露糖型。糖苷内切酶Endo H是一种良好的去高甘露糖型糖基化的糖苷酶，主要识别两个N-乙酰葡萄糖胺之间的糖苷键，Endo H将N-糖基化的糖链进行切割，最终仅残留1个N-乙酰葡萄糖胺在氨基酸残基上面。因此Kifunensine和Endo H相互配合除去N-糖基化从而提高表达纯化的蛋白均一性的机制是：Kifunensine使N-糖基化形成单一的高甘露糖型，然后Endo H对高甘露糖型的糖链进行切割，仅残留1个N-乙酰葡萄糖胺在蛋白质氨基酸残基上，使得蛋白的均一化程度大大提升，此类方法可以用来进行表面膜蛋白的表达研究。

  根据以上原理，对本文合成的Kifunensine与商业购买的Kifunensine对照品进行活性对比，在蛋白表达纯化过程中加入相应化合物和酶，之后进行聚丙烯酰胺凝胶电泳，其结果如图 1所示。最左侧条带为蛋白marker，其中1、3条带为不加Kifunensine的空白对照；2、4条带为空白对照用EndoH酶切；5、7条带为商业购买Kifunensine对照品；6、8条带为合成的Kifunensine对照品然后用Endo H酶切；9、11条带为Kifunensine合成品；10、12条带为Kifunensine合成品然后用Endo H酶切。由条带5~12的位置对比可见，该方法制备的Kifunensine生物活性的评价效果与商业购买的对照品一致。

  图 1

  

  图 1.  合成的Kifunensine与商业购对照品的生物活性评价

  Figure 1.  Bioactivity evaluation of synthetic Kifunensine and commercially available control

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  3.   结论

  本文对Kifunensine的合成路线进行了优化和改进，以L-古洛糖酸-γ-内酯为原料，经过羟基保护、叠氮化、还原开环、酰化、氧化关环、脱保护等多步反应高效地得到Kifunensine，反应总收率可达4.8%。反应操作中多个步骤可以用一锅法投料，操作简便，合成过程中避免了危险试剂的使用以及减少了环境的污染。该路线方法目前已经进行了多次实验，重现性很好；此外，通过对该方法制备的Kifunensine进行了生物活性的评价，其效果与商业购买的对照品类似。因此，本文报道的Kifunensine的改进合成方法为该化合物的大规模制备提供了新的思路。

  
  
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  图式 1  Kifunensine的改进合成路线

  Scheme 1  Improved synthetic route for Kifunensine

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  图 1  合成的Kifunensine与商业购对照品的生物活性评价

  Figure 1  Bioactivity evaluation of synthetic Kifunensine and commercially available control

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