组合化学

组合化学
一,组合化学简介
自然界的组合多样性组合化学的起源组合化学的定义组合化学的概念
组合化学
天津大学药物科学与技术学院
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自然界的组合多样性(Combinatorial Diversity in Nature)
20 种天然氨基酸产生400 种二肽8,000 种三肽... 64,000,000 种六肽100 种化学修饰的氨基酸产生1,000,000,000,000 种六肽, 4 种核酸碱基编码所有的生物体!
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10200 和10128
Number of organic molecules with MW < 500 (C, H, O, N, P, S, F, Cl, Br, I) 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 or more or less ....
药物空间:海洋中的小岛
传统药物化学的缺点
复杂且耗时的合成; 较低的多样性,不能充分满足先导化合物研发的需要; 合成输出量太小; 在一类化合物中建立构效活性曲线比较费时费力; 进化周期中优化速度较慢; 专利的覆盖范围不广; 高成本(每个化合物5000-10000美元).
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1,组合化学的起源
2,组合化学的定义
组合化学是应生物学家建立起来的高通量筛选技术的需要而产生的. 1963年,Merrifield 利用在合成多肽中一致且可靠的反应条件,使用高分子聚合物固相载体,从而使产物与试剂易于分离.这项发明使Merrifield 获得1984年诺贝尔化学奖. 1985年,Houghten 使用"茶叶袋"对有不同肽序列的大量树脂珠实施多肽偶联步骤. 1988年,Furka 首先提出组合化学概念,同时发明混合裂分方法. 1991年,在一次专门会议上正式使用"Combinatorial Chemistry"这一名词,标志组合化学的诞生.
组合化学是一门将化学合成,组合理论,计算机辅助设计及机器人结合为一体的技术.它根据组合原理在短时间内将不同构建模块以共价键系统地,反复地进行连接,从而产生大批的分子多样性群体,形成化合物库(Compound-Library);然后,运用组合原理,以巧妙的手段对化合物库进行筛选,优化,得到可能的有目标性能的化合物结构的科学. 就本质而言,组合化学是建立在高效平行的合成之上的,这种合成方法步骤有限,但生成的化合物库内包含大量化合物.
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3,组合化学概念
组合合成组合库组合化学合成技术组合合成策略组合化学的基本要求
组合合成
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组合库
(Combinatorial library)
组合库的类型和特点
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组合化学合成技术
组合合成策略
要合成大量的化合物,目前有两种不同的策略可以进行: 混合物合成方式平行合成方式
组合化学合成包括化合物库的制备,库成分的检测及目标化合物的筛选三个步骤.化合物库的制备包括固相合成和液相合成两种技术,一般模块的制备以液相合成为主,而库的建立以固相合成为主.
固相合成技术优点纯化简单,过滤即达纯化目的,反应物可过量,反应完全;合成方法可实现多设计;操作过程易实现自动化发展不完善;反应中,连接和切链是多余步骤;载体与链接的范围有限液相合成技术反应条件成熟,不需调整;无多余步骤;适用范围宽反应物不能过量;反应可能不完全;纯化困难;不易实现自动化
缺点
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混合物合成方式
平行合成方式
在反应体系中多种反应物混合在一起进行反应,得到多种产物,如正丁酸与醇缩合形成酯的反应.
CH3CH2CH2COOH
CH3OH CH3CH2OH CH3CH2CH2OH CH3CH2CH2CH2OH
CH3CH2CH2COOCH3 CH3CH2CH2COOCH2CH3 CH3CH2CH2COOCH2CH2CH3 CH3CH2CH2COOCH2CH2CH2CH3
是指在合成过程中以平行的方式同时合成多种反应产物. S 每个反应是独立进行的,如上述反应当每个反应同时独立进行时, 即为平行合成方式.
R1 R2 R3 R4
S R1 S R2 S R3 SR4
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组合化学的基本要求
二,固相合成法
(1)构建模块中的反应物间能顺序成键. (2)构建模块必须是多样性且是可得到的,这样才可
能获得一系列供研究的化合物库. (3)模块中反应物进行的反应速度要接近,且反应的转化率和选择性要高. (4)产物的结构和性质有高的多样性,以供研究, 从中找出最佳结构. (5)反应条件能调整,操作过程能实现自动化.
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固相合成原理固体载体的种类连接分子固相合成法混合裂分法混合裂分库的检测方法17
固相合成原理
固体载体的种类
目前固相合成中较多使用的固体载体是小的球状树脂珠(80-200μm),常用的有以下几种: 1,交联聚苯乙烯2,聚酰胺树脂3,可控孔度玻璃4,TentaGel 树脂
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1,交联聚苯乙烯
2,聚酰胺树脂
由于聚苯乙烯树脂与所合成的极性化合物(多肽,寡核苷酸等)在溶剂中的溶解性不相同,不利于它们的合成,因此Shepparl 设计了聚酰胺树脂; 它们是以N,N'-双烯丙酰基乙二胺为交联剂,以N,N'-甲基丙烯酰胺为骨架的聚合物.
N O 骨架单体O H N O N H
交联分子
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3,可控孔度玻璃
4,TentaGel 树脂
它是把聚乙二醇通过醚键接到交联的聚苯乙烯上形成,优点是既有聚乙二醇载体的可溶性又有聚苯乙烯球的不溶性和易操作性.
聚苯乙烯和聚酰胺树脂通常缺乏结构上的刚性,不能用于需要长期溶剂化而达到连续流动合成的目的. 因此人们又设计了许多新型大孔高聚物,其中较好的是多孔玻璃,它是一种刚性的衍生化的玻璃球状物,可以与任何溶剂相溶,对腐蚀性溶剂和高压,高温都比较稳定.
O
O
O
OH
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固相合成化学中的连接分子(linker)
作为连接分子的各种各样的官能团是许多化合物库合成中不可缺少的重要部分,它们将决定合成的化合物是否在固体载体上进行活性测定;也将决定是否可采用温和的, 或选择性的条件将化合物从固相载体上切割下来,在溶液中进行活性测定.
羧酸连接分子
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Merrifield 肽合成
其他连接分子
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安全拉手连接分子(Safety catch linker)
无痕迹连接分子(Traceless linker)
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固相合成方法
其他固相合成方法
茶叶包法(tea-bag) 用具有74μm网眼的聚丙烯网袋(15mm×20mm),里面装满树脂珠,密封好.最初树脂珠上都连有一个保护的氨基酸,然后它被浸在反应物和偶联剂的混合溶剂中,把袋子集中进行脱保护, 洗涤,中和及再偶联等步骤.
多针上的合成在40mm, 直径为4mm的聚苯乙烯针上合成. 在为抗原位点研究进行的多肽合成中有着广泛的应用. 在圆片上合成在直径0.635cm,厚度为0.3715cm的聚苯乙烯上合成. 在薄片上合成在玻璃片,纸片上合成(50-400μm).
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混合裂分法(Mix-Split Method)
混合裂分化合物库合成法
一珠一物法(one bead, one compound) 该方法依赖于在树脂珠上合成化合物,一定数量的载体被分成相等的几部分,然后各部分独自与不同的起始单体原料反应. 反应后,树脂的各部分又重新合并,混匀, 再被分成几部分,进一步与一系列试剂反应.
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混合裂分库检测方法
三,液相合成法(Solution phase synthesis)
由于应用固相合成的化学反应范围有限,而且当反应物和产物连接到固相载体上时,检测反应过程比较困难,因此人们重新研究了液相合成方法.
O1O2XXXX-NH2 O1O2O3XXX-NH2 O1O2O3O4XX-NH2 O1O2O3O4O5X-NH2 O1O2O3O4O5O6-NH2
O1XXXXX-NH2 + XO2XXXX-NH2 + XXO3XXX-NH2 + XXXO4XX-NH2 + XXXXXO6-NH2
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混合裂分库的重复迭代法与位置扫描法的对比
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平行液相合成
通常平行液相合成包括一步或二步可靠的液相合成反应,如还原氨化反应, 酰化反应等,可以以相对较小的量进行(10μmol/L).反应混合物可以用薄层层析和质谱分析,测定产物的浓度.
索引化合物库
化合物库通过选取每一个酰氯(A1-40),将其与等摩尔的亲核试剂混合物(N1-N40 ),在二氯甲烷溶液中反应,得到1600个化合物. 同样,在选取一个亲核试剂(N1-40)与含所有酰氯的混合物(A1-A40)反应.也可以得到1600个化合物,从而构成了一个索引化合物库.
A1+N1-40 A2+N1-40 A40+N1-40
A1N1-40 A2N1-40 A40N1-40
N1+A1-40 N2+A1-40 N40+A1-40
N1A1-40 N2A1-40 N40A1-40
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液体组合合成
树枝状载体的组合合成
人们将传统的液相合成的优点与固相合成的优点结合起来,从而形成了液体组合合成方法. 其原理是将化合物结合到一种可溶性高分子上,反应后,经过调节反应体系的溶剂,离子强度,pH等使高分子从溶液中沉淀下来. 目前使用的有聚乙烯醇单甲醚,它可以溶解在多种溶剂中,但在乙醚中可以结晶析出.
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树枝状分子是分枝状寡聚物,一般为可溶性聚合物. 利用该方法如同液体合成技术,寡聚物可以通过色谱技术分离纯化.合适的树枝状分子具有特殊的溶解性, 化学稳定性和高载量.
A A A 试剂溶剂A A A A A
B 试剂A 溶剂BA BA AB 切割AB BA BA AB AB AB
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固相合成技术
优点
液相合成技术
优点
纯化简单,过滤即达到纯化目的反应物可过量,反应完全合成方法可实现多设计操作过程易实现自动化发展不完善,适用反应较少反应中连接和切链是多余步骤载体与链接的适应范围有限
反应条件成熟,不需调整无多余步骤适用范围宽反应物不能过量反应可能不完全纯化困难不易实现自动化
缺点
缺点
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四,组合合成技术新发展
(±)-Epibatidine 的固相负载合成
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(±)-Oxomaritidine 和(±)Epimaritidine 的固相负载合成
聚合物捕获剂(Polymeric scavengers)
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常用捕获剂
应用聚合物试剂的合成策略
离子交换树脂多聚酸或碱异氰酸酯等等
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使用无痕迹连接分子的捕捉,释放策略
多组分反应的里程碑(I)
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多组分反应的里程碑(II)
由多组分反应制备复杂分子
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骨架多样性的产生(I)
骨架多样性的产生(II)
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不断增长的组合库多样性
五,组合合成的应用
药物合成与筛选催化剂的合成与筛选高分子试剂的合成与筛选酶抑制剂的合成与筛选酶催化的组合合成
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通过Ugi 反应获得凝血酶抑制剂
ACE抑制剂库的合成
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组合化学的发展方向
药物研究中的组合化学(I)
从多肽到有机分子从大型库到小型库从混合物到单一化合物从组合合成到自动平行合成具类药性质的分子从化学到生物活性: 重点关注组合库的设计目标:寻找新的先导结构并且优化他们的目标亲和力(即活性),选择性,ADME 性质(吸附,运输,代谢,消除),减少毒性和避免不良的副作用.
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药物研究是一个进化过程自然界发展的普遍规律是由低级形态向高级形态进化. 多年以来,先导化合物的寻找和优化遵循同样的规律. 组合化学能加速药物的开发进程自动平行合成大大减少了每一个进化周期所需时间. 库的类药性生物活性远比合成简易性要重要. 相似性和多样性相似性比多样性,即"缺乏相似性",更加好定义和研究. 库的大小和多样性构建巨型库很多时候是对时间和资源的极大浪费,因为需要花很多时间去进行化学优化同时其多样性也有限.
药物研究中的组合化学(II)
组合化学研究质量管理规范(Good Combinatorial Chemistry Practice)
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组合化学和合理药物设计面向蛋白质配体的以结构为基础的和计算机辅助的药物设计和虚拟筛选(LUDI, FlexX et al.)是组合化学的有力补充. 药物的组合设计必需的工具已经存在,但是打分函数仍需优化. 药物研究的成功准则需要着重强调制药工业的成功标志不是"me too", 而是"me better", "me faster", "me first" 或"me only". 范围与限制组合化学和自动平行合成不会取代经典化学. 组合化学和自动平行合成是找寻先导化合物和对其进行优化的有力工具.
药物设计的方法和理论正在不断地改进和提高,它们对组合化学研究效率的提高起到重要作用. 组合化学能够加速药物开发进程. 用于寻找先导化合物的库应该具有较高的化学多样性. 用于优化先导化合物的库应该具有较高的相似性,以尽可能覆盖所有与先导化合物相近的化学结构. 对于一定的化合物数来说,几个小库比一个大库产生更多的多样性. 类药性比合成简易性要更为重要.。