化学“神技术”综述（一）：MIDA硼酸酯迭代偶联让小分子合成自动化

小分子有许多重要的功能，但合成小分子不少时候都极具挑战性，不仅仅需要化学知识，往往还需要经验、技巧、耐心甚至运气，以至于不少人认为小分子的有机合成更像是一门艺术而不是科学。与此相对，生物分子的合成却早早的实现了自动化，多肽、寡核苷酸甚至寡糖，都有各自的商业化自动合成平台，合成难度的降低大大促进了这些生物分子的发现和应用。生物分子合成自动化的基础是合成砌块的模块化和合成过程的标准化，那么，如果能有一个类似的通用和自动化的小分子合成平台，那么小分子相关科研的瓶颈就不再是合成，科学家可测试的小分子更多，而且能参与进来的非化学专业的研究者也会更多，这会彻底改变整个研发过程。

美国伊利诺伊大学香槟分校的Martin D. Burke教授课题组开创的MIDA硼酸酯迭代偶联（N-methyliminodiacetic acid boronate iterativecross-coupling, MIDA boronate ICC）技术，是目前小分子合成自动化最有希望的技术之一。这一技术与用氨基酸合成多肽很类似，先把所需要的官能团、氧化态和立体化学（比如烯烃的几何和立体中心）都预装入MIDA硼酸酯修饰的砌块，然后通过立体专一性的金属促进的偶联反应来实现迭代循环（脱保护-偶联-脱保护-偶联…… 见下图），最后得到目标小分子（Burke教授的介绍，点击这里查看“Martin D. Burke：拥有医学博士头衔的有机合成大牛”）。

MIDA与硼酸的络合，使硼酸的反应性降低以保证迭代偶联反应的顺利进行，同时也有利于提高MIDA硼酸酯砌块的稳定性（空气稳定性和温度稳定性）。MIDA硼酸酯砌块很容易通过色谱法或重结晶法纯化，在很多反应条件下也能保持稳定，可以由简单MIDA硼酸酯合成复杂的MIDA硼酸酯，易于制备和商业化。MIDA基团在碱性水环境中就能很方便地除去，释放出硼酸以进行下一步的偶联反应，不过，硼酸的释放速度要比偶联反应的速度慢，这也就提高了整个偶联反应的收率。以上所有的特点集合起来就奠定了MIDA硼酸酯在小分子合成中的特殊地位。

（一）线性、富含C_sp²的小分子的模块化合成

MIDA硼酸酯迭代偶联技术首先被运用于合成线性、富含C_sp²的小分子，包括一些多烯天然产物，例如ratanhine和(−)-peridinin（下图，J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6941−6943）。(−)-peridinin的迭代偶联合成过程中，所需要的官能团、氧化态和立体化学都预先装入MIDA硼酸酯砌块（下图化合物9、10、11、12），并且通过三个迭代进行的偶联反应，简单方便地转移到了最终产物(−)-peridinin中（下图化合物13）。

Burke课题组随后把目光投向更多的多烯天然产物，他们分析了现有已知的所有多烯天然产物结构基元（motif），并预测仅仅只需12种MIDA硼酸酯砌块就可以构建出超过75%的多烯天然产物中的多烯结构基元，这一假设获得了后续实验的证实（下图，Nat. Chem. 2014, 6, 484−491）。

合成方法的进步将会大大推进小分子功能的研究，Burke课题组对于两性霉素B（Amphotericin B）作用机理的深入研究恰恰证实了这一点。两性霉素B是一种复杂的多烯大环内酯类天然产物，科学家猜测其35位的羟基对于形成离子通道非常关键，Burke课题组随后采用MIDA硼酸酯迭代偶联技术合成了两性霉素B在35位脱氧的衍生物C35deOAmB，随后实验证明了C35deOAmB一样具有两性霉素B的抗真菌活性，说明两性霉素B的抗真菌性与形成离子通道无关，而仅仅与结合麦角固醇（Ergosterol）有关（下图，PNAS, 2012, 109, 2234−2239; Nat. Chem. Biol., 2014, 10, 400−406）。

两性霉素B会结合人体中的胆固醇从而造成其剧烈的毒性，Burke课题组在了解两性霉素B的作用机制之后，开始着手设计两性霉素B的升级版本，在保证其优秀抗真菌活性的情况下降低毒性和药物抗性风险。MIDA硼酸酯迭代偶联技术也再次发力，该研究团队成功地获得了符合要求的两性霉素B衍生物，并将其授权给公司以进行商业化的药物优化和开发（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 8488−8491; Nat. Chem. Biol. 2015, 11, 481; 点击这里查看“化学方法巧妙消除抗生素毒副作用”）。

（二）富含C_sp³小分子的立体选择性合成

要能够合成富含C_sp³的小分子，Burke课题组研究了MIDA硼酸酯的衍生物pinene-derivediminodiacetic acid（PIDA）硼酸酯的环氧化反应，随后又发现了这些环氧化产物（例如下图化合物21a）经过Meinwald重排反应可在保留了立体化学纯度的情况下转化为稳定的α-硼醛（例如下图化合物22）。

这些手性、非外消旋的α-硼醛是合成很多C_sp³硼酸酯砌块（例如下图化合物26）的通用中间体，而这些C_sp³硼酸酯砌块正是迭代偶联合成富含C_sp³小分子的基础。下图的合成路线，正是其中的一个例子（J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5024−5025）。

（三）大环及多环小分子的“从线性到环化”

MIDA硼酸酯迭代偶联技术在制备富含C_sp²及C_sp³的线性小分子中已经展示了强大的能力，Burke课题组继续扩大这一技术的应用范围，他们的目标是天然产物中常见的大环及多环小分子，采用的策略称作“从线性到环化”（linear-to-cyclized）。也就是说，先将MIDA硼酸酯砌块通过脱保护-偶联的迭代循环装配成线性的前体分子，然后再把前体分子环化，这两步都能够保持砌块中预装的立体化学基团不受影响。环化反应要求线性的前体分子要有适当的柔性，也就要包括多个C_sp³原子，这对偶联反应来说是个挑战。虎皮楠生物碱的五环secodaphnane核心（下图化合物38）的合成，是这一策略的代表性例子（Science 2015, 347,1221−1226）。

（四）上《Science》封面的小分子自动化合成机器

现在看来，MIDA硼酸酯迭代偶联技术在多种小分子的合成中，已经可以做到合成砌块模块化和合成过程标准化，下一步是不是就是小分子合成自动化？Burke课题组的回答是肯定的。他们设计的一种全新“超级机器”，可以从预先制备好的MIDA硼酸酯砌块中挑选组件，根据目标分子结构自动地完成合成的流程，《Science》将此成果作为封面文章进行报道（点击这里查看“上《Science》封面的超级机器，小分子合成的革命”）。

MIDA硼酸酯可以结合到二氧化硅上，且不会被甲醇/乙醚洗脱，而四氢呋喃可以轻易将其从二氧化硅上解离。利用这种性质，Burke课题组构建了“捕获－释放”中间体的方法：每次偶联反应后，反应中间体被固定在硅胶上（“捕获”），多余的反应物及副产物被甲醇/乙醚洗脱，然后该反应中间体再用四氢呋喃洗脱（“释放”），进入下一步反应。每一个反应循环都包括脱保护（deprotection, D）、偶联反应（coupling, C）和纯化（purification,P），如此重复，直到目标分子合成。Burke的研究团队已经使用该机器在毫克量级合成了包括天然产物、药物、材料前体等14类小分子。

Burke教授认为MIDA硼酸酯迭代偶联技术的下一步发展方向包括：合成更多的硼酸酯砌块，发展更高效的C_sp³交叉偶联方法及环化策略，这些有助于搭建一个通用的自动化小分子合成平台，解决合成的瓶颈问题，从而让小分子研究更关注小分子本身，而不是如何来合成它们。

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.5b00128