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为解决糖基化反应机制难题，研究人员利用质谱技术研究糖基阳离子，揭示其结构及反应机制，意义重大。
在生命的微观世界里，碳水化合物扮演着极为重要的角色，它们参与了众多关键的生物过程，像细胞间的通信交流、免疫系统的正常运作等。而糖缀合物，作为碳水化合物与肽、脂质或蛋白质相连的 “联合部队”，在其中发挥着不可或缺的作用。但这些碳水化合物结构极为复杂，尤其是寡糖，其非模板驱动的生物合成过程，使得它们在单糖组成、连接方式和构型上变化多端，这给科研人员带来了巨大的挑战。
在糖类化学研究中，合成具有特定结构和功能的寡糖是一项关键任务，这对于开发糖缀合物疫苗、研究病原体与糖类的相互作用等方面至关重要。而这其中的核心环节 —— 糖基化反应，却面临着一个棘手的难题：如何精准控制其立体选择性。糖基化反应的结果很大程度上取决于一个神秘的 “幕后推手”—— 糖基阳离子，它是反应中的活性糖中间体，然而其结构一直模糊不清，如同隐藏在迷雾之中。这是因为糖基阳离子在溶液中极为不稳定，寿命仅有短短几皮秒，同时还受到溶剂、酸等多种因素的影响，传统的光谱技术很难对其进行深入分析。
为了揭开糖基阳离子的神秘面纱，来自德国柏林自由大学（Freie Universit?t Berlin）、马克斯?普朗克学会弗里茨?哈伯研究所（Fritz Haber Institute of the Max Planck Society）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Communications Chemistry》上，为糖类化学领域带来了新的曙光。
研究人员主要运用了质谱（MS）技术，结合离子迁移谱（IMS）和气相红外（IR）光谱等多种先进技术，对糖基阳离子进行研究。质谱技术能够在高真空环境下稳定糖基阳离子，使其能够被检测到，避免了溶剂和其他反应物的干扰；离子迁移谱则可以根据离子的大小和形状进行分离，有助于解析异构体离子；气相红外光谱能够探测功能基团的振动模式，从而推断离子的三维结构。此外，研究人员还通过计算化学方法，对实验数据进行深入分析，以确定糖基阳离子的结构。
研究人员首先回顾了糖基化反应的研究历史。自 19 世纪末 Emil Fischer 首次成功报道糖基化反应以来，该领域虽然取得了诸多进展，但对糖基阳离子的研究仍面临诸多挑战。早期研究主要通过化学合成和捕获中间体的方法来探索糖基化反应机制，如利用13C动力学同位素效应、阳离子时钟和捕获实验等，但这些方法对于SN?1途径中糖基阳离子的研究效果不佳。
在对糖基阳离子的结构分析中，研究人员利用离子迁移谱技术，根据离子在缓冲气体中的迁移率差异，成功区分了不同结构的糖基阳离子。例如，通过测量离子的漂移时间，计算出碰撞截面（CCS），从而获取离子的结构信息。研究发现，不同糖基阳离子的 CCS 值存在差异，这可以用于识别它们的结构。像半乳糖基和甘露糖基阳离子在 C2 立体化学上的差异，就导致了它们具有不同的离子迁移分布和 CCS 值。
气相红外光谱技术则为研究人员提供了更详细的糖基阳离子结构信息。通过检测红外多光子解离（IRMPD）产生的碎片离子，研究人员绘制出了糖基阳离子的红外光谱。例如，在研究具有邻位苄叉保护基的葡萄糖基阳离子时，发现其红外光谱与计算得出的脱水阳离子光谱匹配良好，从而验证了中间体的重排过程。此外，研究还揭示了一些重要的反应机制，如相邻基团参与作用在构建 1,2 - 反式糖连接中的作用。当 C2 位存在酰基相邻基团时，它会与异头碳反应形成 C2 - 二氧杂环戊烯离子，从而促进 1,2 - 反式糖苷的形成。
研究人员还对远程参与作用进行了深入研究。他们发现，通过调整酰基保护基的电子密度，可以影响远程参与的效果。例如，对于葡萄糖、半乳糖和甘露糖，C3 和 C4 位的远程参与作用较强，而 C6 位的乙酰基则可能导致开环副反应。这种远程参与作用的研究，有助于进一步理解糖基化反应的立体选择性控制机制。
在研究气相和溶液结构的相关性时，研究人员发现，虽然气相结构与水溶液中的结构存在差异，但在典型的糖基化反应溶剂（如甲苯、二氯甲烷）中，其相对介电常数更接近气相环境。计算结果也表明，1,6 - 脱水糖基阳离子在溶液和气相中的结构相似，这为气相实验数据与溶液相反应机制的关联提供了重要依据。通过对 β - 半乳糖苷酶等的研究发现，在低电荷状态下，气相结构能够部分保留凝聚相结构特征。
总的来说，这项研究通过质谱技术及其相关联用技术，深入解析了糖基阳离子的结构，揭示了糖基化反应的一些关键机制，为糖类化学研究提供了重要的理论基础。它不仅有助于我们更深入地理解糖基化反应的本质，还为未来精准控制糖基化反应、开发新型糖类药物和疫苗等提供了有力的技术支持和理论指导，推动了糖类化学领域的发展。
