装四个甲基“升级”,自动化合成从Science封面到Nature

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合成一个分子从来都不是一项轻松的任务,能否顺利拿到目标产物需要专业知识、技巧、经验甚至一些运气。如果能有合适的设备帮助人们,实现全自动合成化学,那么没有合成专业知识和经验的任何实验室都可以获得他们想要的分子,这对于药物研发、农用化学、先进材料及电子学等领域都有着显著的意义。近年来,全自动合成化学取得了很多进步,研究者们实现了自动化的路线设计、自动化的药物及化合物合成以及机器人实验员。


然而,让人有些失望的是,可以自主运行的合成反应仍然还是太少了。2015年,美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的Martin D. Burke教授课题组的一项自动化合成技术登上Science 封面(图1),即,N-甲基亚氨基二乙酸(N-methyliminodiacetic acid, MIDA)硼酸酯迭代偶联,他们用之实现了大量不同类型小分子的自动化合成(Science2015347, 1221-1226)。这种技术的核心是MIDA硼酸酯辅助的迭代偶联反应,一个又一个的分子砌块依次反应和连接,整个合成过程就像是把乐高积木拼在一起(图2a),大大的简化了很多复杂的合成步骤,让自动化成为可能。

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图1. 当期封面。图片来源:Science

美中不足的是,这种技术仅适用于部分不饱和片段中的Csp2-Csp2偶联,却无法用于合成富含非平面和潜在手性sp3-杂化碳原子(Csp3)的分子,而这类分子却广泛存在于天然产物、药物分子、生物探针和功能材料中,研究潜力和合成需求都非常巨大。近年来,化学家通过Suzuki-Miyaura偶联和1,2-金属化物反应在Csp3-C键的立体定向形成方面取得了许多突破(图2b)。然而,这些反应却难以照搬到MIDA硼酸酯迭代偶联技术中来,它们要么需要会造成MIDA硼酸酯水解的水溶性碱性条件,要么需要会与MIDA硼酸酯反应的亲核试剂(图2c)。因此,要想实现Csp3-C键的自动化迭代构建,就必须对MIDA硼酸酯进行技术升级。

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图2. 乐高积木式的化学合成。图片来源:Nature


近日,UIUC的Martin D. Burke教授与Daniel J. Blair博士等人终于完成了这种技术升级。他们通过超共轭和空间位阻调节,开发了一种新型的四甲基N-甲基亚氨基二乙酸(TIDA)硼酸酯,高效地实现了Csp3-C键的自动化迭代构建。TIDA硼酸酯的稳定性有了明显改善,电荷密度分析显示电子密度的重新分布增强了N-B键的共价性,从而缓解了TIDA硼酸酯的水解问题;而羰基π-面的互补空间屏蔽则降低了TIDA硼酸酯与亲核试剂的反应性。此外,TIDA硼酸酯还保留了亚氨基二乙酸笼的独特特征,这对于通用自动化合成来说是必需的。相关成果发表在Nature 上。

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Martin D. Burke教授与Daniel J. Blair博士。图片来源:UIUC [1]


首先,作者使用18O-H2O来探究MIDA硼酸酯1a的水解,并研究了N-B键作为碱性水溶液Csp3-Csp2 Suzuki-Miyaura偶联条件(THF/H2O,K2CO3,60 °C)下的主要水解机制(图3a),结果意味着需要开发一种MIDA衍生物来抑制N-B键的受阻Lewis酸碱对(frustrated Lewis pair, FLP)活性。如图3b所示,作者使用1H NMR研究了一系列MIDA衍生物(1b,3-9)在氘代溶剂(THF-d8/D2O,K2CO3,60 °C)中的稳定性,结果显示氮上带有大位阻基团的MIDA衍生物(3-5)显著增加了水解速率,而在亚氨基二乙酸主链上带有两个正丁基的衍生物(6)则几乎没变化,若将这些取代基替换成乙基(7)和甲基(8)则增加了稳定性。最后,作者制备了一种衍生自MIDA的四甲基化的大位阻硼酸酯9(TIDA),后者在碱性水溶液Csp3-Csp2交叉偶联条件下高度稳定,反应6 h后仍剩余超过99%。当Csp3-硼酸酯10和TIDA硼酸酯11b在Csp3-Csp2 Suzuki-Miyaura条件下进行反应时,能以较好的收率得到目标产物12并且TIDA硼酸酯得以保留,而MIDA硼酸酯11a却没有产生所需产物(图3c)。随后,作者测试了TIDA硼酸酯对iPrMgCl.LiCl的稳定性,该条件可促进 Csp3-Csp3键形成(图3d)。结果显示TIDA硼酸酯14b可耐受iPrMgCl.LiCl,以高产率和高立体选择性形成目标产物15,而MIDA硼酸酯14a在这些条件下却被裂解。需要指出的是,TIDA硼酸酯甚至还能耐受高反应性的tBuLi,从而以优异的非对映选择性形成产物1819(图3e)。

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图3. TIDA硼酸酯对水解和亲核试剂的稳定性。图片来源:Nature


随后,作者分别对MIDA硼酸酯1c(图4a)和TIDA硼酸酯20(图4b)进行了X-射线晶体学分析,发现TIDA硼酸酯20的N-B轴扭转角度要比MIDA硼酸酯1c的N-B轴大10°,这种扭转效应可以显著影响超共轭稳定的幅度。另外,作者还对MIDA硼酸酯1c和TIDA硼酸酯20的X-射线晶体结构进行了基于分子中原子量子理论(QTAIM)的电荷密度分析,结果显示超共轭介导的电子密度的重新分布增强了N-B键的共价性,从而降低其水解速率。值得一提的是,晶体学数据还表明TIDA硼酸酯20对碳亲核试剂(iPrMgCl.LiCl和 tBuLi)的稳定性源于主链上甲基对羰基所有π-面的屏蔽作用(图4c)。如图4d所示,涉及 C=O进攻的正交水解途径还能使TIDA硼酸酯(21)脱保护为硼酸(22)、三氟硼酸盐(23)和硼酸酯(2425)。

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图4. 空间效应和电子效应协同稳定TIDA硼酸酯。图片来源:Nature


如图5所示,TIDA硼酸酯保留了相对应的MIDA硼酸酯的所有关键特性,可以实现基于砌块的自动化合成。TIDA配体可以千克级规模制备,而TIDA硼酸酯则是在Dean-Stark条件下由硼酸制备(图5b)或通过TIDA脱水成酸酐而制备(图5c)。TIDA硼酸酯对各种常见的交叉偶联反应(即Stille、Suzuki、Sonogashira、Heck、光化学)和化学转化(即氧化、还原、硼化、烯化)都稳定。此外,代表性的TIDA硼酸酯对硅胶具有可调节的亲和力(图5d),即在Et2O中的迁移率最低,并在THF中快速洗脱,便于分离纯化。TIDA硼酸酯更高的稳定性使作者能够创建下一代“合成机器”,以实现Csp3硼酸酯砌块的自动迭代组装。

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图5. TIDA硼酸酯保留了通用自动化合成所需的所有特性。图片来源:Nature


在建立了迭代合成平台(图6a)后,作者研究了一系列与双功能卤代TIDA硼酸酯的立体特异性Csp3-Csp2交叉偶联反应(图6b),结果显示MIDA硼酸酯在该反应条件下被完全水解,而相应的TIDA硼酸酯则能以良好的收率合成所需产物(12、26、2728),特别是稳定性更高的TIDA硼酸酯还能耐受碱性更强的KOH(29)和Ag2O(30)。利用TIDA硼酸酯的自动化Csp3-Csp2交叉偶联,作者实现了碘霉素C的乐高积木式全合成(图6c)。具体而言,砌块31(97:3 er)与双功能TIDA硼酸酯32进行自动化立体定向Csp3交叉偶联,在自动纯化后以>95:5的er值和50%的分离产率得到33,后者经氧化、TBS保护得到34,34脱保护后与卤代烯35发生Suzuki-Miyaura交叉偶联得到二烯36,随后在TBAF的作用下脱保护便可得到碘霉素C。此外,TIDA硼酸酯对iPrMgCl.LiCl的耐受性使得双功能亚砜-TIDA硼酸酯的自动化1,2-金属化反应成为可能(图5d),从而以优异的产率构建各种Csp3-Csp3键(1537-42,图6e),同时在4344的非对映体特异性制备中还实现了三硼选择性反应。

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图6. TIDA硼酸酯可实现Csp3硼酸酯砌块的自动化组装。图片来源:Nature


最后,作者研究了大环抗真菌天然产物Sch725674的自动化合成(图6f)。具体而言,正戊基频哪醇硼酸酯47与亚砜-TIDA硼酸酯14b发生1,2-金属化反应,以高对映选择性(>95:5 er)得到所需TIDA硼酸酯48,后者经自动化脱保护得到相应的频哪醇硼酸酯49,接着与亚砜50进行自动化硼酸酯选择性反应、氧化反应得到Sch725674的核心骨架(52)。最后,52经脱保护(TBAF, 53)、氧化、大环内酯化和最终脱保护,仅用7步就得到了Sch725674。


总结


通过超共轭和空间位阻调节,Martin Burke教授团队报道了MIDA硼酸酯的升级版——TIDA硼酸酯。它保留了该团队此前登上过Science封面的通用自动化合成技术所必需的亚氨基二乙酸笼的独特特性,而且稳定性更好,可用于自动化迭代构建Csp3-C键,包括自动化立体特异性构建Csp3-Csp2和Csp3-Csp3键以制备天然产物(如:Sch725674)。可以预见,这种技术将使得自动化有机合成更进一步,帮助更多实验室更容易地获得他们的目标分子。


Burke教授说,“现在,我们可以为合成真正复杂的分子提供试剂盒,这真让人兴奋。”就像是一大包乐高积木一样,“试剂盒中包含所有需要的部件,然后你将它们拼接在一起。现在我们完全可以想象,提供试剂盒用于合成复杂、重要的分子,然后让非化学专业的科学家使用。我认为这是一个机会,来打破传统上限制谁在分子尺度上进行创新的一些障碍。”[1]


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