組合化學課件

1、組合化學及其在藥物篩選合成中的應用贛南師范學院化學與生命科學系 201007028賈新建2011.4.16什么是組合化學？ 組合化學( combinatorial chemistry)，又稱多重合成法( simultaneous multiple synthesis)，是在近二十幾年逐漸發(fā)展并成熟起來的一個學科。它是根據組合論的思想將各種化學構建單元(building block)以系統(tǒng)平行的方式進行反應，可以在極短的時間內迅速獲得大量的化合物。 1 組合化學的起源與發(fā)展組合化學的概念最初起源于20世紀60 年代問世的固相多肽合成法 。1963 年，Merrifield 固相多肽合成法就為組合

2、化學奠定了基礎，并因此獲得了諾貝爾獎2。上世紀80年代中期，Geysen用96孔板在高分子鏈上首次合成多肽成功3，標志著組合合成的開始；Houghten 于 1985 年提出了茶葉袋( tea bags)合成法4，使不同序列的肽在同一個反應器內同時進行多肽偶聯(lián)反應，至此組合化學的雛形初步呈現(xiàn)出來。20世紀90年代初，以合成小分子為主的平行單分子合成技術發(fā)展成為組合合成的主要技術。 1991 年Furka 提出的混-分合成法(mix and split)5標志著組合化學的研究步入成熟階段。20世紀90 年代后期，組合化學被推廣應用于新材料和新型催化劑的研究。 組合化學是Furka等人在 1988

3、 年首先提出，在 1991年才正式應用這一術語6。1994 年，美國化學文摘(CA)設立組合化學主題，1998年Science把它列為科學研究領域的九大突破之一。在美國化學會組織的一次研討會上，化學家們稱之為“21世紀的化學合成”。現(xiàn)在，其概念和技術已被廣泛接受并用于科學研究的各個方面。 組合化學最初主要應用于藥物合成及篩選，現(xiàn)在已迅速擴展至有機、無機、生物、高分子合成等領域。顯然，組合化學已成為當今化學研究領域中的新熱點7。2 組合化學原理2.1 組合化學基本原理 傳統(tǒng)的化學合成，每次進行一個反應，生成一個化合物，經過分離、純化后進行下一個反應，以此反復，最終得到目標產物。特點是反應的步驟數(shù)

4、遠大于所需的化合物數(shù)(圖1) 。 組合合成選擇一系列結構、反應性能接近的構建模塊(A1An)與另一構建模塊(B1Bn)進行反應(圖2)，這樣進行一步，就可生成 n n 個化合物。若將AiBj 與構建模塊(C1Cn)和(D1Dn)反應，可生成更多的化合物。2.2 組合化學的基本要求(1) 構建模塊中的反應物間能順序成鍵 (2) 構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。(3) 模塊中反應物進行的反應速度要接近，且反應的轉化率和選擇性要高。 (4) 產物的結構和性質有高的多樣性，以供研究，從中找出最佳結構。 (5) 反應條件能調整 ,操作過程能實現(xiàn)自動化 組合合成的特

5、點是用少數(shù)的幾步就可以得到數(shù)以萬計的化合物(表1)。從表 1 可看出，庫中分子數(shù)與模塊數(shù)成線形關系，與反應步驟數(shù)成指數(shù)關系。3 組合化學的研究方法3.1 組合合成步驟組合合成包括化合物庫的制備、庫成份的檢測及目標化合物的篩選三個步驟8。庫的構建方法，常見的有混-分法5、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。 庫的構建與篩選是相互聯(lián)系的，對于不同類型的庫，應選用不同的篩選方法。如上面的平行溶液合成法合成的庫要采用位置掃描法(positional scanning method)，即對每個孔中的產物的活性進行掃描檢測。而對于由混-分

6、法構建成的庫，一般采用解纏繞法(iterative deconvolution method)。除了以上兩種檢測與篩選方法外，編碼法(encoding method)也是常用的方法，此方法是在構建化合物庫時，給每一個構建單元加一個標記物，庫合成完畢后，只須鑒別標記物即知產物的歷史，從而得知產物的結構。 3.2 組合合成方法3.2.1固相有機合成固相合成是先把反應物接到一個固相載體(通常是官能團化的高分子材料)上，然后，在非均相的條件下進行有機反應。常見的固相合成有混合裂分法和平行合成法。混合裂分法：混合裂分法5是利用線性有機反應的特點，將一系列固相反應物分組平行反應，所得產物混合到分組后再進行

7、下一步的平行反應。這種方法既適用于混合物的合成，也可用于系列單分子的平行合成，是混合物合成中最常用的一種方法10。平行合成法：平行單分子合成是指同時合成一系列的單個分子。這種方法接近于經典有機合成，因此，很容易為有機化學家接受，已經成為最常用的組合化學合成方法。 4 組合化學在藥物篩選合成中的應用4.1 碳酸酐酶II( Carbonic anhydrase II)抑制劑的篩選 動態(tài)組合化學(DCC) 融合了組合化學和分子自組裝過程兩個領域的特點，開辟了使用相對較小的庫組裝很多的物質的途徑，而不必單獨合成每一個物質15。下面就動態(tài)組合化學基于靶標酶的藥物設計的幾個成功的范例，來說一下組合化學在藥

8、物篩選合成中的應用。對位取代的苯磺酰胺是碳酸酐酶II(CA II)的良好抑制劑。Lehn等16采用胺和與對位取代的苯磺酰胺結構相類似的醛類反應作為可逆過程，制備一個含有3 個醛、4個胺的庫。采用羰基和胺在正常的生理條件下建立可逆反應，很快達到平衡(圖6)。圖64.2 篩選神經氨酸苷酶( Neuraminidase)的抑制劑17神經氨酸苷酶是針對流感病毒藥物設計的主要靶標酶。它的作用是切除連接到糖酯類和糖蛋白的硅酸殘基，Mol . 3是目前已經商品化的藥劑。研究表明，鄰近神經氨酸苷酶的活性位點有一個憎水的空穴，化合物(Mol . 3)的烴基鏈就占據了這一空穴。根據這一想法，采用了Mol . 4

9、作為母體結構，針對酶的憎水空穴采用不同的醛基和 Mol . 4 反應組成動態(tài)組合化學庫。加入靶標酶后由還原產物的色譜圖表明，A8，A13，A22 是主要的產物，也就是說明 A8，A13，A22 對酶的抑制最強。 4.3 尋找萬古霉素( Vancomycin)二聚體18萬古霉素是人們常用的糖蛋白抗生素，人們發(fā)現(xiàn)當萬古霉素二聚后，可以加強萬古霉素和靶標分子( L- Lys-D-Ala-DAla)的氫鍵結合。Nicolaou等分別采用二硫鍵和C=C連接不同的萬古霉素分子，實現(xiàn)二聚，制備動態(tài)組合庫。在靶標的存在下，通過二硫鍵和C=C雙鍵的交換過程，篩選更有效的抗生素分子。在采用C=C交換制備的動態(tài)庫中，當加入了靶標分子，會發(fā)現(xiàn)庫傾向于生成橋聯(lián)更短的二聚體。單獨合成該種二聚體，測得其的最小抑制濃度發(fā)現(xiàn)幾乎比萬古霉素小一個數(shù)量級。 5 展望 組合化學是一門交叉性科學，它以有機化學為基礎，與生物化學、藥物化學密不可分，并涉及到數(shù)學、物理學、計算機等多門學科，是這些學科與合成化學的完美結合。目前分子生物學、分子圖形學以及計算機科學等學科、人類基因組計劃，都為藥物設計提供了大量的有用工具和高選擇性新分子靶