核酸化学的进步推动了多种人工碱基的发展。然而，向核苷的糖苷键合成仍然是核酸化学中的一个主要挑战，特别是对于C-糖苷DNA核苷。本综述重点介绍了Heck反应作为构建多样化C-糖苷DNA类似物的核心且通用的策略。它讨论了其潜在的反应机理、常用的催化剂和配体体系以及可耐受的取代基范围。此外，本综述还总结了这些人工碱基的后续应用，并特别强调了荧光碱基类似物。
Heck型反应在人工脱氧核糖核酸合成中的应用
核酸是分子生物学的核心，其发现从根本上改变了我们对生命化学基础的理解。在明确DNA作为遗传信息载体及其复制和遗传的分子原理后，研究人员开始探索其化学可塑性。1962年，Rich提出了将人工碱基对纳入遗传密码的概念，为扩展遗传字母表和合成核酸系统开辟了道路。引入新的人工碱基到DNA和RNA中需要开发复杂的核苷合成路线。与生物体通过酶法从头合成途径优雅地解决合成问题不同，合成研究主要依赖经典的化学方法。N-糖苷键的形成已在少数酶体系中实现，但大多数合成路线依赖于经典的化学方法，特别是硅基-Hilbert-Johnson反应或Vorbrüggen衍生方法。相比之下，获得C-糖苷核苷则更具挑战性。广泛的方法学研究致力于改进C-糖苷的形成，这主要源于其设计价值以及相对于N-糖苷类似物增强的抗酶和抗酸水解能力。在核糖支架和碱基之间形成C–C键仍然是开发新非天然碱基对的核心合成挑战。尽管如此，几种C-糖苷核苷类似物已成功实现，并广泛应用于扩展的遗传系统中。这些核苷通常是通过使用芳基锂底物和糖内酯的经典路线制备的。这种方法虽然适用于大规模合成，但产率较低，且排除了碱基上的许多亲电和酸性官能团。
作为内酯基方法的补充，Hoffer描述了另一种前Heck策略，即使用Hoffer氯糖（1-氯-2-脱氧-3,5-二-O-对甲苯酰-α-D-呋喃核糖）。该糖基是一种通用的2’-脱氧核糖基供体，可在C1’位与芳基金属有机试剂（如有机铜物种）发生亲核取代，生成C-核苷。同时，富电子芳烃可通过路易斯酸促进的Friedel–Crafts型烷基化，使用活化的核糖供体（如1-O-甲基-3,5-二-O-对甲苯酰-2-脱氧核糖）直接进行C-糖基化，从而无需预官能化的有机金属试剂即可简洁地获得芳基C-核苷。Leumann及其同事在他们的工作中使用了这两类糖结构单元，包括Hoffer型2’-脱氧核糖基供体和核糖内酯基策略，以组装构象受限和杂环C-核苷，这些后来成为更近期的应用（如荧光或淬灭C-核苷探针）的平台。这些C-核苷的立体控制是通过邻基参与效应实现的。尽管产率中等、β-选择性相对较低，并且对多种芳基亲电试剂有限制，这促使了更通用的C-糖苷化途径的需求。
因此，交叉偶联反应被引入核苷合成中。人们投入了大量精力来改进催化剂和前催化剂，并拓宽与更广泛亲电偶联伙伴的底物范围。在核糖支架上形成C-糖苷键已很成熟，涵盖了广泛的合成方法。相比之下，本综述专注于在脱氧核糖部分形成C-糖苷键，作为获取用于掺入DNA的新型非天然核苷的策略。在现有方法中，Heck反应已成为构建所需碳-碳键的主要转化反应。
呋喃型甘醇的Heck反应通用机理
许多交叉偶联策略已被开发用于核苷修饰。例如，镍催化的通过呋喃糖基自由基的交叉偶联对RNA核苷已被证明非常有效。这些转化通常具有高产率和显著的β-选择性。在DNA核苷合成的背景下，这类方法优势较小。C2’位取代基的缺失消除了这种空间偏向，从而降低了固有的立体控制，并使β-选择性C-糖苷键的形成复杂化。尽管用于糖基化的Heck反应已有描述，但Benner在2006年发表的综述仍是迄今为止关于Heck反应生成DNA C-糖苷最全面的总结。
形成与异头碳形成C-糖苷键的Heck型反应的先驱工作由Daves及其同事在始于1978年的多篇论文中报道。Heck反应的催化循环始于钯(0)物种，在芳基卤化物氧化加成后形成钯(II)络合物。随后烯烃（例如甘醇）的配位使得钯-芳基键发生顺式选择性迁移插入。接着发生β-氢消除，生成所需的偶联产物和钯(II)络合物。最后，在碱协助下消除HX，再生钯(0)催化剂，从而完成催化循环。
研究表明，在适当条件下，Heck反应可以在C-糖苷的C–C键形成中进行区域选择性和立体选择性反应。这些反应中立体选择性的主要驱动力，类似于RNA核苷的相关反应，是保护基策略。特别是，呋喃型甘醇C3’羟基上的保护基控制了C-糖苷产物的异头构型。糖苷键在有机钯试剂进攻时，在甘醇环系空间位阻较小的一侧形成。当C3’羟基被保护时，可以观察到β-异头物的选择性形成。
催化循环的关键步骤是顺式迁移插入，对于呋喃型甘醇，该步骤从底物的空间位阻较小的一侧进行。这种面选择性决定了C-糖苷产物的异头结果。插入后，发生β-氢消除，生成Pd–H键和钯-烯烃π-络合物。随后烯烃解离，恢复Pd(II)物种。最后，碱辅助的还原消除再生Pd(0)催化剂。如果呋喃型甘醇的C3’位被保护，顺式加成从β-面发生。涉及C3’碳上质子的顺式消除生成受保护烯醇。相比之下，当只有C5’羟基被保护时，Pd(II)络合物的顺式插入从α-面进行。在这种情况下，缺少顺式β-氢的中间体通过顺式钯-氧化物消除生成产物。在没有任何保护基的情况下，立体控制显著减弱，仅观察到低选择性，α:β比例为1.6:1，得到混合物。尽管早在几十年前就已引入，但这种转化继续对当代C-糖苷的合成策略产生重大影响。甘醇供体易于获得，并且Heck反应展现出广泛的官能团耐受性，可兼容多种取代的偶联伙伴。在早期工作中，Daves及其同事使用汞衍生物作为芳基RX组分。随着反应条件的改进和优化，这些后来被更可持续的亲电试剂（主要是芳基卤化物）所取代。此外，还建立了使用温和且空间位阻较大的还原剂（如三乙酰氧基硼氢化钠）将2’-脱氧-3’-酮C-核苷还原为DNA核苷的高度立体选择性还原途径。Heck型方法学进一步应用于非天然碱基对组分的合成，例如Kool合成的dM，以及Romesberg合成的5SICS（图7）和其他取代的苯类似物。Wagenknecht及其同事在非天然核苷合成方面的最新工作开发了新的C-糖苷，产率优异。在这些研究中，考虑了进一步的优化，包括不同的Pd-配体络合物。然而，它们使用了与Daves先前描述的相同的原理、呋喃型甘醇和还原方法，突显了这种Heck型反应对于DNA核苷开发的实际意义和相关性。
Heck反应对不同DNA底物的近期合成应用
呋喃型甘醇是Heck反应在DNA核苷合成中应用的核心底物类别。呋喃型甘醇尤其可以追溯到Fletcher及其同事，他们首次发表了苄基保护的甘醇，由受保护的核糖经三步合成。这种策略一直广泛使用，直到Pedersen引入了更直接的呋喃型甘醇合成路线。
在该方法中，胸苷在硫酸铵存在下用HMDS处理，导致碱基消除并形成相应的甘醇。其中，3′-OH和5′-OH的不同保护基影响甘醇的形成产率：通常优选硅醚，5′和/或3′位较大的TBDPS基团可获得良好产率。这种方法仍然是形成呋喃型甘醇最常用的方法之一。随后的改进进一步增强了其实用性。例如，Mao等人发现了一系列有机催化剂，可以在较温和的条件下从核苷和BSA高效形成所需的甘醇。根据保护基策略，呋喃型甘醇可以在实验室稳定保存，并且易于大规模合成，这使它们成为UBP合成的重要前体。
随着人工碱基对的发展，人们对涉及糖部分的Heck反应产生了更广泛的兴趣。1978年，Daves证明了二氢吡喃底物在Pd(OAc)2和LiCl存在下，可以得到具有明确立体化学和构象的产物。1983年发表了第一篇使用呋喃型甘醇的论文，并于1986年由Daves及其同事使用尿嘧啶汞乙酸酯和1当量Pd(OAc)2与呋喃型甘醇进行优化。后来，在1992年，Daves还优化了反应条件，使用3′-TBDPS保护的呋喃型甘醇，将汞乙酸盐改为碘尿嘧啶，并将催化剂负载量减少至0.1当量Pd(OAc)2和0.2当量AsPh3，还原后得到63%的核苷产率。自这些初步报告以来，人们探索了广泛的底物和反应条件，进一步阐述了Heck型反应。
如表1和图1所示，涉及甘醇的Heck反应完全依赖于钯中心催化剂，而Pd(OAc)2和AsPh3仍然是最重要的催化剂-配体体系之一。可耐受的芳基卤化物是溴化物和碘化物。早期的例子，如Daves首先通过甘醇偶联合成的假尿苷，说明了该方法显著的官能团耐受性。杂原子、酮和烯醇醚与反应条件兼容。此外，带有卤素、烷基取代基、胺和亚胺的底物已成功应用。即使是双环、三环和多环芳烃体系也不会显著损害反应性。一个特别值得注意的趋势出现在比较通过甘醇合成C-糖苷DNA核苷与通过核糖衍生物的交叉偶联合成RNA化学的相关方法时。在基于核糖的体系中，位于偶联位点附近的吸电子取代基（如酮）通常被认为是失活性的，并可能阻碍反应。相比之下，对于与甘醇的Heck反应，吸电子基团（如酮）通常产生有益效果，而给电子取代基（例如胺）可能会降低效率，并且常常需要保护。这一观察结果与Heck反应中缺电子芳基卤化物通常比富电子类似物更容易发生氧化加成的一般原理一致。此外，带有第二个卤素的芳基卤化物，通常被引入用于偶联后修饰。这允许了更高的底物范围，因为这将其可能的取代基范围限制在后续反应的范围内，后续反应可以是例如Suzuki偶联。
Heck反应后的修饰对底物范围起着重要作用。通过C-糖苷Heck产物的后期衍生化实现了多种应用，例如，在Heck偶联后修饰了本征荧光碱基，以引入不利的取代基。
总之，Heck反应是合成C-核苷的一种有效策略，并已被证明对于掺入缺电子的杂芳基伙伴特别有效。偶联后衍生化进一步扩展了结构多样性，并能够获得难以直接引入的取代模式。立体化学结果可以通过保护基策略轻松调整。尽管其具有合成实用性，但报道的例子主要集中在单个核苷靶标，而不是系统地探索广泛的底物范围。大多数反应使用Pd(OAc)2/AsPh3催化剂/配体体系，而一些衍生物需要更特定的组合。与呋喃型甘醇的Heck化学的应用使得许多结构新颖的C-核苷得以开发。下面将讨论这些化合物的部分近期应用。
荧光核苷
荧光标记是支持核酸检测和定量的一系列广泛技术的基础。已有大量的荧光团可供使用，并且已在核酸结构内探索了多个附着位点。荧光标记可以通过在脱氧核糖的2′-C、寡核苷酸的5′-OH或嘧啶的C5等不同位点连接荧光团来引入。此外，标记策略已通过非天然碱基对的官能化实现，从而能够通过点击化学进行转录后修饰，或使用如图2b所示的本征荧光碱基类似物。此类荧光碱基类似物通常为碱基配对、堆积相互作用以及核酸内的局部构象动力学提供灵敏的探针。尽管已报道了许多荧光N-糖苷核苷的例子，但以下部分专门关注通过Heck型方法获得的荧光C-糖苷核苷。
许多研究检测了含有C-核苷酸的寡核苷酸，其中大多数是通过固相支持的亚磷酰胺化学制备的。只有有限数量的此类修饰核苷，包括1G、2A和2U，也被证明与作为核苷三磷酸的酶促掺入兼容。
源自C-核苷的荧光探针能够灵敏地检测寡核苷酸。一些系统表现出明显的发射强度或波长随其微环境（包括杂交状态和相对碱基的身份）的变化。这些环境响应特性扩展了其超越简单标记的用途，允许探究碱基配对保真度和局部结构动力学。
当在尺寸、几何形状和氢键能力方面经过适当设计时，C-核苷可以作为非天然碱基对发挥作用，同时对整体双链体结构的扰动最小。例如，Coleman报道了香豆素C-核苷2U的合成，后来将其掺入到与无碱基位点相对的dsDNA中。熔解实验期间的光谱分析表明，荧光团插入相邻天然碱基对之间的螺旋堆叠中。与单链和双链形式相比，观察到吸收和发射最大值的明显变化，这与每种结构状态下对局部微环境的显著敏感性一致。Luedtke描述了相关香豆素C-核苷类似物2U的合成，该类似物可以在酶促条件下掺入与鸟嘌呤相对的位置。
使用Heck偶联策略，Ozaki及其同事合成了荧光氨基苯甲腈2A，以及氨基苯甲酸碱基类似物。这些化合物的发射特性对溶剂组成和pH值的变化表现出明显的敏感性，突显了它们作为核酸框架内环境响应探针的潜力。此外，同一研究组成员在2010年获得的一项专利公开了具有吖啶酮核心的相关荧光核苷类似物。这些进展进一步强调了Heck衍生的C-核苷作为将光物理活性杂环整合到DNA结构中的平台的多样性。
Kool开发了一种结构扩展的绿光发射苯并噻唑-芴基衍生的C-核苷荧光团2A。该发色团随后被应用于蛋白质标记策略，表明C-糖苷荧光核苷不仅可以作为核酸结构的报告分子，还可以作为生物分子标记中的通用工具。
Wilhelmsson和Grøtli研究小组通过Heck偶联合成了双环胸苷类似物2T，并研究了其在寡核苷酸环境中的光物理行为。基于扩展芳香碱基的概念，Purse及其同事引入了更大的荧光4A碱基类似物，它保留了与腺嘌呤配对的能力，如图3所示。在后续研究中，同一小组证明，含有单个4A核苷酸的核酸可以通过全内反射荧光显微镜检测，实现单分子水平观察。详细的光物理分析阐明了其在双链DNA内有利的发射特性（包括量子产率和环境响应性）的起源。他们还重新审视并优化了最初的Heck偶联合成。用相应的碘代芳基取代溴代物，并使用3′-TBDPS-5′-OH-甘醇Glc-3代替3′,5′-双TBS-甘醇Glc-2的组合进一步提高了反应性。总之，这些修改确实将偶联产率从20%提高到40%。
光敏化碱基类似物
Wagenknecht小组利用Heck反应获得并非本征荧光，而是通过作为三重态能量转移机理研究中的光敏剂与光相互作用的C-糖苷核苷类似物。在敏化后，这些系统可以诱导相邻嘧啶碱基之间的环丁烷形成，这是UV照射下自然发生的DNA光损伤的公认途径，与皮肤癌的发展有关。最初，苯并菲2A以及呫吨酮和硫代呫吨酮衍生的基序2A被纳入C-核苷。后续工作通过引入结构多样的呫吨酮衍生物扩展了这一平台，从而能够系统调节三重态能级。通过微调这些敏化剂的光物理特性，该小组能够以更高的精度探测控制嘧啶二聚体形成的三重态能量图景。将光敏剂C-核苷酸掺入到确定的寡核苷酸序列中，其中发色团被置于距离相邻胸腺嘧啶残基零到三个碱基对的位置。照射后，对反应产物的分析表明，胸腺嘧啶的光化学二聚化速率随着与敏化剂空间距离的增加而降低，表明距离与环丁烷形成效率呈反比关系。此外，不同敏化剂的三重态能隙与T< >T二聚体的环化速率相关。类似地，Wagenknecht还通过Heck反应引入了4-取代的二苯甲酮作为光敏剂，以生成相应的C-核苷。选定的衍生物被证明可以催化香豆素的分子内[2+2]光环化加成。作者还将这些衍生物应用于结合香豆素底物的适体的结合口袋中，这导致了光环化加成的优先立体化学结果，他们设想未来此类核苷类似物可以适用于其他光催化活性的脱氧核酶。
在另一项研究中，Wagenknecht小组开发了一种C-糖苷非天然荧光碱基对，由（二甲基-）氨基邻苯二甲酰亚胺2U和二氨基吡啶2A碱基类似物组成。该设计将氢键互补性与邻苯二甲酰亚胺发色团的本征荧光结合起来。生化实验表明，这种非天然对可以被DNA聚合酶掺入并进一步延伸，证明了与酶促复制的兼容性。该对通过NMR光谱进行了广泛的结构验证，证实了双链体内形成了确定的碱基对，支持了提出的配对几何结构，并表明C-糖苷荧光类似物可以参与稳定且可复制的非天然碱基配对系统。基于这些结构，该小组随后检查了双链体的荧光特性，其中邻苯二甲酰亚胺碱基类似物2U被置于与不同标准核苷酸相对的位置。观察到相对于配对伙伴的发射最大值的明显变化，表明荧光团对其配对伙伴反应灵敏。此外，发现双链结构中的荧光相对于相应的单链明显增强，使得2U成为一种用于杂交事件的有前景的非特异性开启荧光探针。该碱基对已通过计算方法进行了进一步研究，包括双链体结构的分子动力学模拟和光物理性质的计算。
在芳香环C6位连接的邻苯二甲酰亚胺核苷类似物异构体，当与2A配对时，表现出改进的堆积几何形状，显示出接近天然的B-DNA结构。
具有先进功能的C-核苷
最近，Richert及其同事也将Heck偶联策略转移到核糖核苷rU的合成中。该转化通过用三氟二氧杂环丙烷（TFDO）将3′-硅基-烯醇醚氧化为2′-羟基-3′-酮，然后还原酮以生成核糖核苷。该序列为从共同中间体合成2′-脱氧和2′-羟基核苷提供了合成上的分歧入口，这在需要并行评估DNA和RNA类似物的背景下特别有吸引力。类似路线也用于获得3′-叠氮衍生物2A，如图4所示。所得核苷系列包括带有溴、氟、氰基和乙炔基取代基的衍生物。特别是，乙炔基和氰基变体被设计用于增强对腺嘌呤而非胸腺嘧啶的配对偏好。这种增强的腺嘌呤配对先前已在通过Heck偶联制备的相应脱氧核糖核苷类似物中得到证实，突显了该合成平台在调节碱基配对特性方面的模块性。
Oda及其同事报道了5-乙酰基-2-氨基吡
