试剂盒？有机合成中也能用上啦

从事有机合成相关研究或工作的诸位，“摇瓶子、过柱子、点板子”应该是每日的基本操作，遇上一些难搞的目标化合物那就意味着无限循环模式的开始……不知道大家有没有羡慕过隔壁生命科学实验室的同学，他们日常实验中有一种做反应以及分离纯化的“无脑神器”——试剂盒，比如在提取质粒或某些蛋白质以及做ELISA等测试时，商业化的专门试剂盒打开，配好的标准浓度试剂或材料拿出来，按照说明逐步操作就成，一盒搞定，简单方便省时省力，无需理解反应原理，无需提前准备试剂溶液，结果稳定，耗时也较短。

质粒提取试剂盒。图片来源于网络

试剂盒能有这些优点，关键在于实验步骤、试剂以及材料的模块化和标准化。生命科学领域非常常见的质粒提取试剂盒（上图），就是个很好的例子，实验的核心操作就是离心——洗脱、淋洗都是通过离心的方式。读到这里，大家有没有想过有机合成中能不能也用上试剂盒呢？

近日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Martin D. Burke教授和Daniel J. Blair教授联合发表了一种温和且简单的方法来制备MIDA硼酸酯。作者不仅优化了反应条件，使底物适用范围更广，而且创造性地开发了MIDA硼酸酯试剂盒，并将该试剂盒应用在MIDA硼酸酯的制备与分离纯化中。相关结果发表在Organic Letters 上，并被选为当期封面。

当期封面。图片来源：Org. Lett.

提到Burke教授，不少同学可能还记得他数年前一项发在Science 封面上的工作，他们利用MIDA硼酸酯迭代偶联技术使小分子合成自动化成为可能（Science, 2015, 347, 1221-1226, 点击查看详细）。与硼酸相比（图1），MIDA硼酸酯活性较低，因此在偶联反应中能够保持钝化、不参与反应，故可作为硼酸的保护基。当在碱性条件下脱除MIDA后，它又以硼酸形式存在，且能和其他片段进行偶联。目前，合成MIDA硼酸酯的方法是将硼酸和MIDA在高温下进行脱水缩合，利用油水分离器将水蒸出，从而推动平衡向右移动（图2），但是该方法的不足之处在于无法有效合成一些对酸敏感或高温易分解的硼酸。在先前的研究中，作者发现MIDA酸酐（1）可以用来合成MIDA硼酸酯，这是因为它既可以作为反应物和硼酸络合，又能起到脱水剂的作用，促进硼酸向MIDA硼酸酯的转化，而且反应过程中唯一的副产物是MIDA酸酐吸水后生成的MIDA，后者在合适的不良溶剂中会以沉淀的形式析出，从而减弱了酸性条件下硼酸分解的可能性。这样的反应设计使MIDA硼酸酯的合成条件温和、操作简单。

图1. sp²硼酸 vs. sp³ MIDA硼酸酯。图片来源：Tetrahedron^[1]

图2. 合成MIDA硼酸酯的两种方法。图片来源：Org. Lett.

在此基础上，作者对反应条件进行了探索（图3），发现卤代芳基硼酸2和3当量MIDA酸酐在1,4-二氧六环为溶剂的条件下于70 ℃反应24 h，能以极好（> 95%）的收率得到相应的MIDA硼酸酯3。事实上，在相同的反应条件下反应3 h就能得到同样的收率（> 95%）。降低MIDA酸酐的当量（2当量），收率略微下降（90%)。另外，该反应在室温下也能够顺利进行，只不过需要延长反应时间才能保证良好的收率（48 h, 66%）。其它的极性溶剂（如DMSO、DMF、MeCN、THF）均能促进底物的有效转化。值得注意的是，反应生成的1当量MIDA在1,4-二氧六环中不溶，因此对酸敏感的硼酸可选1,4-二氧六环作为溶剂，以此来降低酸的副作用。

图3. 条件优化。图片来源：Org. Lett.

接着，作者开始了底物普适性的考察（图4），主要针对的是之前反应条件下（条件A：高温下MIDA作为反应物，使用油水分离装置除水）不兼容的底物。为此，作者做了对照试验，发现极易脱硼的五氟苯基硼酸4在MIDA酸酐的作用（条件B）下能以81%的收率得到目标产物，而在条件A下则没有得到目标产物，并且还伴随着五氟苯基硼酸4的分解。尽管杂环硼酸（5-7）易于去硼烷化，但是在条件B下都能以良好的收率（61-75%）完成转化。值得注意的是，MIDA络合的乙炔基硼酸酯8同样能通过条件B合成得到，而在条件A下则无法实现这一转化。由于乙炔基硼酸不够稳定，因此作者决定现制现用：即乙炔基格式试剂先进攻三甲基硼酸酯，紧接着水解得到硼酸，随后MIDA酸酐直接和该反应液在条件B下进行反应，最后以80%的收率得到相应的MIDA硼酸酯8。

图4. 底物研究之一。图片来源：Org. Lett.

通过如上介绍，我们了解到MIDA硼酸酯的制备已经能通过更温和的方式实现，此前方法的不足也在一定程度上得到完善。那么之前强调的关键词“试剂盒”在哪里呢？它是怎么用于有机合成中并完成产物纯化的呢？别急，先把作者设计的试剂盒工作原理展示下（图5）。此前MIDA硼酸酯的分离纯化主要通过柱层析或重结晶进行的，而使用试剂盒时，它的具体操作步骤如下（图5）：待硼酸2和MIDA酸酐1在反应瓶中完成反应后，先向离心柱中加入正己烷/乙醚（1:1），随后倒入反应液，接着开始离心，然后去除淋洗液。离心的过程既能够除去反应体系中的溶剂和部分杂质，又能使MIDA硼酸酯吸附或沉降在离心管内的硅胶柱上。之后，用乙醚洗脱离心柱三次，目的是彻底除去过量的MIDA酸酐和残留的硼酸。最后，加入含有1%甲醇的丙酮洗脱液进行离心，使MIDA硼酸酯从硅胶柱上解离下来。将该洗脱液用正己烷稀释，待MIDA硼酸酯析出后，再进行一次离心，并将上层清液吸出，在空气中过夜干燥后就能以93%的收率得到纯净的MIDA硼酸酯3。

图5. 试剂盒展示。图片来源：Org. Lett.

基于十分简便的反应条件（图4，条件B）以及新的提纯方法（图5），作者设计了“MIDA硼酸酯试剂盒”，并用它合成了一系列MIDA硼酸酯（图6），包括芳基（3、9-14）、烷基（15、16）和杂环（5、6、17-25）MIDA硼酸酯。特别是化合物3和19还能以克级规模合成MIDA硼酸酯。

图6. 底物研究之二。图片来源：Org. Lett.

总结

Martin Burke教授和Daniel Blair教授发展了一种温和且简单的合成MIDA硼酸酯的方法，不仅拓展了硼酸的范围，还能轻易地将硼酸转化为对应的MIDA硼酸酯。另外，作者在文中也提出利用试剂盒纯化MIDA硼酸酯，只需涉及到溶剂转移和离心这两步操作。它不同于一般的有机反应后处理，不需要淬灭、柱层析、旋蒸等相对专业的操作，这样一来，对于非有机合成专业的操作者来说就相当友好，便于其他领域的研究者使用。

A Mild Method for Making MIDA Boronates

Aidan M. Kelly, Peng-Jui Chen, Jenna Klubnick, Daniel J. Blair, Martin D. Burke

Org. Lett., 2020, 22, 9408–9414, DOI: 10.1021/acs.orglett.0c02449