1、組合化學(xué)方法及應(yīng)用 贛南師院主要內(nèi)容：發(fā)展史原理及方法應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用舉例陳述發(fā)展史 組合化學(xué)是近幾十年來(lái)興起的一門(mén)新學(xué)科,其發(fā)展趨勢(shì)引起了世界科技界的關(guān)注。目前,組合化學(xué)已滲透到藥物、有機(jī)、材料、分析等諸多領(lǐng)域,隨著自動(dòng)化水平的提高,組合化學(xué)已成為化學(xué)領(lǐng)域最活躍的部分之一。 上世紀(jì)60年代初期,Merrifield建立的固相多肽合成法為組合化學(xué)方法的建立奠定了基礎(chǔ)。 上世紀(jì)80年代中期, Geysen用96孔板在高分子鏈上首次合成多肽成功,標(biāo)志著組合合成的開(kāi)始。 上世紀(jì)80年代末期,隨著分子生物學(xué)研究的突破,即高通量篩選技術(shù)的發(fā)展,新藥開(kāi)發(fā)所需要的新分子實(shí)體的數(shù)目越來(lái)越多,科學(xué)家們把注意力從尋找

2、天然產(chǎn)物轉(zhuǎn)入合成大數(shù)目的化合物群(化學(xué)庫(kù)) 。 至上世紀(jì)90年代初,以合成小分子為主的平行單分子合成技術(shù)有了很大的發(fā)展,并成為組合合成的主要技術(shù)。1991年,混合裂分合成法的提出標(biāo)志著組合化學(xué)的研究進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的階段。為了確定混合物的成分,合成物密碼標(biāo)記和解密技術(shù)以及產(chǎn)物追蹤技術(shù)也逐漸地發(fā)展起來(lái)。 上世紀(jì)90年代后期,組合化學(xué)技術(shù)被進(jìn)一步推廣應(yīng)用于新材料和新型催化劑的研究。原理及方法組合化學(xué)的定義及原理 所謂組合化學(xué), 亦稱同步多重合成化學(xué)或組合合成化學(xué), 是一種將化學(xué)合成、組合理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和機(jī)械手結(jié)為一體的技術(shù), 屬于邊緣學(xué)科。藥物化學(xué)家可在短時(shí)間內(nèi)將購(gòu)買(mǎi)的或自己合成的不同結(jié)構(gòu)

3、的基礎(chǔ)模塊(bu ilding b lock) , 通過(guò)化學(xué)合成或生物合成以共價(jià)鍵系統(tǒng)地、反復(fù)地進(jìn)行連接, 從而產(chǎn)生大批相關(guān)的化合物, 總稱為化合物庫(kù)。 這一過(guò)程十分類(lèi)似于自然界中的生物合成: 原本數(shù)量有限的單糖、氨基酸、核苷酸等, 通過(guò)種種鍵合形成了幾乎無(wú)限的糖類(lèi)化合物、多肽、蛋白質(zhì)和核酸等。然后進(jìn)行性能篩選，再證明具有目標(biāo)性能（或活性）化合物的結(jié)構(gòu)，這樣就免除了化合物單獨(dú)合成及結(jié)構(gòu)性能測(cè)定，大大簡(jiǎn)化了發(fā)現(xiàn)具有目標(biāo)性能化和文的過(guò)程。 若按照傳統(tǒng)的化學(xué)合成模式,反應(yīng)起始物通常是兩兩相對(duì),每一次合成反應(yīng)僅產(chǎn)生一個(gè)化合物,生成物經(jīng)過(guò)分離、純化后,作為中間體再進(jìn)行第二步反應(yīng),如此反復(fù),直至獲得終產(chǎn)物

4、。傳統(tǒng)化學(xué)合成模式的特點(diǎn)是一次合成一個(gè)產(chǎn)物,如：A +B AB AB +C ABC ABCM +N ABCMN 若按照傳統(tǒng)的化學(xué)合成模式,若以兩組化合物作起始物,其中一組含M個(gè)不同的化合物,另一組含N個(gè)不同的化合物,當(dāng)這兩組化合物同時(shí)進(jìn)行交叉(組合)平行反應(yīng),僅一步反應(yīng)就會(huì)生成M個(gè)化合物 5 ,見(jiàn)下式:A1 B1 A1B1 +A2B1 +A3B1 AMB1A2 B2 A1B2 +A2B2 +A3B2 AMB2A3 B3 A1B3 +A2B3 +A3B3 AMB3 AM BN A1BN +A2BN +A3BN AMBN顯然,按照組合化學(xué)原理,一步合成就可以制備出成千上萬(wàn)種不同的化合物(見(jiàn)下表)

5、。組合化學(xué)合成方法及其篩選組合化學(xué)的基本要求 從以上介紹可看出,組合原理很簡(jiǎn)單,但并不是說(shuō),任何一個(gè)合成反應(yīng)都可用組合方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般的組合合成要滿足以下幾個(gè)基本要求:(1) 構(gòu)建模塊中的反應(yīng)物間能順序成鍵。(2) 構(gòu)建模塊必須是多樣性且是可得到的,這樣才可能獲得一系列供研究的化合物庫(kù)。(3) 模塊中反應(yīng)物進(jìn)行的反應(yīng)速度要接近,且反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性要高。(4) 產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有高的多樣性,以供研究,從中找出最佳結(jié)構(gòu)。(5) 反應(yīng)條件能調(diào)整,操作過(guò)程能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。組合合成的技術(shù) 所有的組合合成都包括化合物庫(kù)的制備、庫(kù)成份的檢測(cè)及目標(biāo)化合物的篩選三個(gè)步驟。就合成技術(shù)而言,組合合成包括固相、液相

6、兩種技術(shù)。 固相合成是Merrifield利用樹(shù)脂作為載體合成多肽的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。反應(yīng)物A 先接到帶有鏈接體(linker) 的樹(shù)脂球載體上,然后再與另一反應(yīng)物B 反應(yīng),生成連接在載體上的產(chǎn)物,最后經(jīng)過(guò)濾、洗滌,使產(chǎn)物與反應(yīng)液分離,再通過(guò)斷裂反應(yīng),得到所需化合物AB如下圖 。固相反應(yīng)示意圖 所謂的液相技術(shù),顧名思義,所有的反應(yīng)物在液相中進(jìn)行,根據(jù)體系的不同性質(zhì)選擇不同的檢測(cè)與篩選手段,以達(dá)到尋找目標(biāo)產(chǎn)物的目的。目前液相組合化學(xué)主要通過(guò)可溶性載體、氟合成技術(shù)、離子液體以及固相輔助試劑的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn),除了早期使用的液-液萃取、高效液相制備色譜、結(jié)晶等純化方法, 發(fā)展了很多方便可行的方法.化合物庫(kù)

7、的構(gòu)建方法 根據(jù)組合化學(xué)的定義,要快速的找到目標(biāo)產(chǎn)物,關(guān)鍵的是要注意兩個(gè)“巧妙”,即庫(kù)的構(gòu)建方法的巧妙和檢測(cè)篩選手段的巧妙。庫(kù)的構(gòu)建方法,常見(jiàn)的有混-分法、平行溶液合成法(parallel solution method) 、正交法等。其中以混-分法最具代表性,應(yīng)用也最多。 混合均分法就是將若干起始物先混合在一起,再等分為若干份,其中每一份都可看作為一個(gè)子庫(kù)。各子庫(kù)分別與不同的化合物反應(yīng)再混合在一起,然后經(jīng)等分為若干份再分別與另外幾種不同的化合物反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后不經(jīng)過(guò)分離、純化、直接再混合、分組、反應(yīng)。如此反復(fù),直到完成預(yù)定合成目標(biāo)。下圖 是由3 種起始物(A、B、C) 經(jīng)混-分法合成27 種

8、三聚物的示意圖?；?分法原理示意圖目標(biāo)化合物檢測(cè)與篩選 合成化合物庫(kù)的最終目的是尋求具有目標(biāo)性能的產(chǎn)物,因此必須對(duì)庫(kù)成份進(jìn)行檢測(cè)與篩選,而對(duì)于不同類(lèi)型的庫(kù),選用不同的篩選方法（包括細(xì)胞功能性篩選，受體、抗體、基因表達(dá)蛋白篩選，位置掃描排除法，采用的指示方法如：染料染色、熒光標(biāo)記、同位素標(biāo)記以及自動(dòng)化篩選等）。對(duì)于混合均分法構(gòu)建的庫(kù),一般采用倒推法。應(yīng)用這種方法可以實(shí)現(xiàn)活性物的篩選和機(jī)構(gòu)分析同時(shí)完成。 以27個(gè)肽的三肽庫(kù)為例，假設(shè)活性物質(zhì)為ZXY，那么最后的三池混合物中只有第三個(gè)反應(yīng)池中的產(chǎn)物會(huì)顯示出生物活性，說(shuō)明活性肽的最末端的氨基酸為Z。再向前推，取末端分別為X、Y、Z的二肽的3個(gè)反應(yīng)池分別

9、加入Z氨基酸，通過(guò)生物活性測(cè)試，中間的反應(yīng)池有活性，說(shuō)明目的產(chǎn)物的第二個(gè)氨基酸是Y。同理可以推測(cè)出該活性肽的第一個(gè)氨基酸為Y。至此通過(guò)重復(fù)的再合成與多次篩選，可以找出庫(kù)中活性最好的氨基酸序列。 倒推法如下圖：應(yīng)用領(lǐng)域 要綜合性的總體評(píng)論組合化學(xué)的重要作用和影響是不大可能的，因?yàn)榻M合化學(xué)自誕生以來(lái)就以空前的發(fā)展趨勢(shì)引起了全球科技界的廣泛關(guān)注，組合化學(xué)應(yīng)用成功的例子數(shù)不勝數(shù)且多種多樣，而且新的重要的研究成果不斷涌現(xiàn)。多樣性的較大有機(jī)分子化合物庫(kù)的合成已經(jīng)在生物有機(jī)化學(xué)研究中產(chǎn)生了巨大的影響，整個(gè)組合化學(xué)起源于固相多肽合成和多肽抗原位點(diǎn)的免疫學(xué)研究，免疫學(xué)接著又在很大程度上依賴于組合化合物庫(kù)的發(fā)展而

10、發(fā)展。 快速而高效的合成方法促進(jìn)了組合化學(xué)和固相合成的發(fā)展，也預(yù)示了組合化學(xué)在藥物研發(fā)、主客化學(xué)、反應(yīng)條件的優(yōu)化、發(fā)現(xiàn)新材料特別是催化材料與金屬配體及超分子化學(xué)方面應(yīng)用的來(lái)臨。在藥物開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用 目前,組合化學(xué)應(yīng)用于新農(nóng)藥創(chuàng)制研究主要集中在兩個(gè)方面:尋找先導(dǎo)化合物和優(yōu)化先導(dǎo)化合物。尋找先導(dǎo)化合物的途徑有多種,如隨機(jī)合成與類(lèi)同合成,它們都要求所合成的新化合物具有較大的分子多樣性,組合化學(xué)在這方面可以發(fā)揮巨大的作用。 應(yīng)用組合化學(xué)發(fā)現(xiàn)新農(nóng)藥先導(dǎo)化合物的第一篇正式文摘是孟山都公司1996年報(bào)道的。Parlow等采用固相合成技術(shù)合成了氨基甲酸酯類(lèi)化合物庫(kù),通過(guò)高通量篩選找到了具有除草活性的先導(dǎo)化合物。以每公頃施用100g該化合物對(duì)闊葉雜草和禾本科雜草都有良好防效。 組合化學(xué)在有機(jī)小分子化合物合成上的發(fā)展,尤其是雜環(huán)化合物的發(fā)展,對(duì)優(yōu)化一些農(nóng)藥先導(dǎo)化合物有極大的幫助,因?yàn)橐寻l(fā)現(xiàn)很多雜環(huán)化合物具有作為新農(nóng)藥的潛力。在材料科學(xué)中的應(yīng)用 在組合化學(xué)近二十余年的發(fā)展史中,它主要被應(yīng)用于生物材料特別是藥物的開(kāi)發(fā)中。直到近幾年來(lái),才開(kāi)始有人探索將組合化學(xué)用于非生物材料或無(wú)機(jī)材料開(kāi)發(fā)中。 1995年,加州大學(xué)的Schul