第31卷第6期江蘇化工Vol 31 No 62003年12月Jiangsu Chemical IndustryDec.2003組合化學(xué)及其應(yīng)用焦家?、偃A東理工大學(xué)化學(xué)與制藥學(xué)院,上海200237)摘要組合化學(xué)是一種快速大量的合成技術(shù)。簡(jiǎn)明地介紹了組合化學(xué)的基本原理、化合物庫的設(shè)計(jì)與制備方法、活性分子結(jié)構(gòu)的表征以及組合化學(xué)在許多領(lǐng)域里的應(yīng)用。關(guān)鍵詞組合化學(xué)混合-均分法組中圖分類號(hào)06.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)100-111(2003)6-0008-04組合化學(xué)( combinatorial chemistry),又稱多重合成法 simultaneous multiple synthesis),是一種大量而1組合化學(xué)原理快捷的合成方法。它是根據(jù)組合論的思想將各種化組合化學(xué)的本質(zhì)是一種快速大量的合成方法,學(xué)構(gòu)建單元( building block)以系統(tǒng)平行的方式進(jìn)行它是一種將分子設(shè)計(jì)、化學(xué)合成、組合理論及分子識(shí)反應(yīng)可以在極短的時(shí)間內(nèi)迅速獲得大量的化合物。別融合為一體的技術(shù)。若按照傳統(tǒng)的化學(xué)合成模組合化學(xué)的概念最初起源于20世紀(jì)60年代問世的式反應(yīng)起始物通常是兩兩相對(duì)每一次合成反應(yīng)僅固相多肽合成法。在固相多肽合成中,由于采用產(chǎn)生一個(gè)化合物生成物經(jīng)過分離、純化后作為中高分子聚合物固相作載體產(chǎn)物的分離與純化十分間體再進(jìn)行第二步反應(yīng)如此反復(fù)直至獲得終產(chǎn)物方便漢由于多肽合成中許多反應(yīng)條件都是相同的,[見式1)~(3)傳統(tǒng)化學(xué)合成模式的特點(diǎn)是一次從而使各種肽分子能夠在同一反應(yīng)器內(nèi)按照預(yù)設(shè)程合成一個(gè)產(chǎn)物。序合成出來。 Houghten于1985年提出了茶葉袋A+B->AB( tea bags冾成法1使不同序列的肽在同一個(gè)反應(yīng)AB+C->ABC器內(nèi)同時(shí)進(jìn)行多肽偶聯(lián)反應(yīng)至此組合化學(xué)的雛形初步呈現(xiàn)出來。1991年Fuka提出的混-分合成法ABC…M+N一>ABC,MN( mix and split)標(biāo)志著組合化學(xué)的研究步入成熟階如果以兩組化合物作起始物其中一組含M個(gè)段。采用混-分合成法人們可以在短時(shí)間內(nèi)僅經(jīng)不同的化合物另一組含N個(gè)不同的化合物當(dāng)這過幾步化學(xué)反應(yīng)就可以產(chǎn)生成千上萬種不同的化合兩組化合物同時(shí)進(jìn)行交又(組合嚴(yán)行反應(yīng)僅一步物也稱化合物庫 hemical library)組合化學(xué)的誕應(yīng)就會(huì)生成MxN個(gè)化合物見式4)]生是合成化學(xué)領(lǐng)域里的一次重大突破,它為快捷合M1112131…MN1成及篩選具特定功能性目標(biāo)分子提供了強(qiáng)有力的工M2N2M1N2M2N2M3N2MnN2具。1998年, Science將組合化學(xué)技術(shù)列為科學(xué)研究M3+N3->M1N3+M2N3+M3N3+MnN3領(lǐng)域里的重大成果之一。組合化學(xué)最初主要應(yīng)用于藥物合成及篩選現(xiàn)在已迅速擴(kuò)展至有機(jī)、無機(jī)、生MnNM1NnM2NnM3..物、高分子合成等領(lǐng)域。顯然組合化學(xué)已成為當(dāng)今(中國煤化工的基本原理。顯然按化學(xué)研究領(lǐng)域中的新熱點(diǎn)。CNMH氣可以制備出成千上萬①收稿日期2003-08-17作者簡(jiǎn)介焦家傚1958-)男武漢人華東理工大學(xué)副教授博士主要研究液晶合成、環(huán)氧化反應(yīng)、感光材料研究等。E-mail:jiaoji@ecust.edu.cno第31卷第6期焦家俊組合化學(xué)及其應(yīng)用種不同的化合物見表1由此篩選而得到的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確可靠。表1組合化學(xué)中的構(gòu)建單元數(shù)與生成物數(shù)量關(guān)系其它的化合物庫構(gòu)建方法有位置掃描法、正交構(gòu)建單元數(shù)法、迭代展開法2等。反應(yīng)步驟數(shù)生成物數(shù)量M組D2312100A BC DA BC DJA BC DJABCD1001003A反應(yīng)2化合物庫的合成AA BA CA DAL AB BB CB DB JAC BC CC DC AD BD CD如前所述組合化學(xué)合成方法最初是應(yīng)用在新藥的研制與篩選。通常根據(jù)已有的分子構(gòu)效知識(shí)混合-均分以某種藥物先導(dǎo)化合物為起始原料采用組合化學(xué)AA BA CA DA AA BA CA DA AA BA CA DA AA BA CA DA方法快速地合成出大量衍生物從而為藥物的篩選AB BB CB DB AB BB CB DB AB BB CB DB AB BB CB DB提供足夠的候選化合物。AC BC CC DC AC BC CC DC AC BC CC DC AC BC CC DCAD BD CD DD AD BD CD DD AD BD CD DD AD BD CD DI按照組合化學(xué)原理將不同分子有計(jì)劃、有規(guī)律、系統(tǒng)的合成出來的分子數(shù)量龐大的化合物群即反應(yīng)稱為化合物庫3在化合物庫的設(shè)計(jì)與合成中常AAA BAA CAA DAA AAB BAB CAB DAB AAC BAC CAC DAC AAD BAD CAD DAD見的方法有混合均分法med- split synthesis同步80::8 DBC ABD BD CBD DB平行法 parallel method)2。簡(jiǎn)單地說混合均分法CA BCA CCA DCA ACB BCB CCB DCB ACC BCC CCC DCC ACD BCD CCD DCI就是將若干起始物先混合在一起再等分為若干份ADA BDA CDA DDA ADB BDB CDB DDB ADC BDC CDC DDC ADD BDD CDD DDD其中每一份都可看作為一個(gè)子庫。各子庫分別與不圖1混合-均分法原理示意圖同的化合物反應(yīng)后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)3活性分子結(jié)構(gòu)表征結(jié)束后不經(jīng)過分離、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)。以A、B、C、D四分子的多樣性是化合物庫的特征之一。要從龐雜的化合物庫中篩選并表征出具有預(yù)期功能活性的個(gè)化合物為例進(jìn)行兩步組合合成每次混合后均分為四組當(dāng)兩步反應(yīng)完成后得四個(gè)子庫各子庫中含目標(biāo)分子是組合化學(xué)工作中的一個(gè)重要方面在固相多肽自動(dòng)合成過程中,目標(biāo)分子的結(jié)構(gòu)16個(gè)化合物A個(gè)子庫共計(jì)64個(gè)(4)不同的化合只要通過多肽測(cè)序儀測(cè)序就可以確切地表征。但是物。從圖1可知采用混合-均分法合成化合物庫多肽測(cè)序法僅限于多肽的結(jié)構(gòu)分析。1993年編碼庫中生成物數(shù)與反應(yīng)起始物數(shù)目相關(guān)與反應(yīng)次數(shù)同步合成法的出現(xiàn)為化合物庫的組建及一般分子結(jié)呈指數(shù)關(guān)系。如果以20種化合物作起始物經(jīng)混合構(gòu)的表征提供了一條有效的途徑2。編碼同步合成均分后與20種不同的試劑進(jìn)行反應(yīng)只要反復(fù)進(jìn)行法是基于固相合成的原理在一粒樹脂珠上每連接混合、均分及反應(yīng)4次就可以獲得320萬種化合物。種不能作微量測(cè)序的分子結(jié)構(gòu)單元時(shí)同時(shí)也在如果設(shè)計(jì)的化合物庫不大可用同步平行法即這粒樹脂珠上連接一段作為編碼用的多肽。多肽中以一多孔面板作反應(yīng)平臺(tái)面板中分布的每一個(gè)孔的每◇氣口薩表標(biāo)分子中的一個(gè)確定部都可視為一個(gè)反應(yīng)器。同步平行合成在操作過程中中國煤化由計(jì)算機(jī)程序控制通過機(jī)械手自動(dòng)定量地將反應(yīng)分。多肽編碼的氨基酸排序就以結(jié)構(gòu)信息。不過采用試劑置入孔中與預(yù)先置放在孔中的起始物反應(yīng)。如這種編碼技術(shù)雖然解決了目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)的表征問果面板分布N個(gè)孔經(jīng)過同步平行法就可合成出化題但是對(duì)于目標(biāo)分子的活性卻會(huì)產(chǎn)生干擾。因合物數(shù)目為N的化合物庫。采用同步平行法所獲此編碼技術(shù)主要用于化合物庫的初選階段。類似化合物庫規(guī)模比較小但是所得產(chǎn)物比較單一純凈地最近又推出了熒光膠體編碼法4使化合物庫中江蘇化工2003年12月的每一個(gè)化合物都具有一個(gè)特征的光標(biāo)”只需在組合化學(xué)方法已成為新藥研制的主要利器。例如,紫外光下就可區(qū)分使分子識(shí)別更為直觀簡(jiǎn)便。Agouron制藥公司在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)鼻病毒3C—蛋旦酶當(dāng)然傳統(tǒng)的光譜檢測(cè)技術(shù)在組合庫的結(jié)構(gòu)鑒抑制劑的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的新藥就是從為數(shù)500個(gè)定上仍然發(fā)揮著重要作用。例如利用高壓液相色化合物的組合庫中篩選出來的3。譜HPLC廄既可以跟蹤組合化學(xué)反應(yīng)過程也可以測(cè)據(jù)統(tǒng)計(jì)1漢199~1997年間,人們已經(jīng)篩選試產(chǎn)物純度。傳里葉轉(zhuǎn)換紅外光溦FT-IR灺常用出含有高活性酶抑制性化合物的組合庫47個(gè)、含G于組合合成的過程監(jiān)控即通過化合物特征基團(tuán)紅蛋白偶聯(lián)受體拮抗性化合物的組合庫25個(gè)另有外吸收峰的岀現(xiàn)或消失來判斷組合化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)2個(gè)組合庫中含有殺菌活性化合物。最近,國內(nèi)也程。其特點(diǎn)是檢出敏感性高僅需幾微克樣品即可。有許多學(xué)者采用組合化學(xué)技術(shù)開發(fā)新型農(nóng)藥并取得核磁共振澂NMR迕常規(guī)分子結(jié)構(gòu)解析中應(yīng)用初步成果Ⅵ]。十分廣泛但由于其對(duì)待測(cè)樣品需要量較大因而在組合化學(xué)技術(shù)不僅應(yīng)用于新藥的篩選而且越組合化學(xué)中的應(yīng)用受到局限。自岀現(xiàn)魔角自旋核磁來越廣泛地應(yīng)用于其它領(lǐng)域里的合成與研究工作。共振( Magic Angle Spinning NMR)技術(shù)后6由于該在有機(jī)合成方面,人們已采用組合化學(xué)技術(shù)合成雜技術(shù)需待測(cè)樣品量較少現(xiàn)在核磁共振譜也可用于環(huán)小分子、對(duì)稱及不對(duì)稱有機(jī)分子門、多環(huán)天組合化學(xué)中的微量分析。然產(chǎn)物衍生物12等。此外質(zhì)MS地可用來檢測(cè)如剖析化合物庫在無機(jī)合成方面組合化學(xué)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用中的化學(xué)結(jié)構(gòu)。例如采用電子噴霧離子化質(zhì)譜技于篩選各種功能性材料。例如超導(dǎo)體材料、鐵電材杓ESI-MS)以對(duì)樹脂接枝衍生物作無損結(jié)構(gòu)分料、絕緣材料、發(fā)光材料2、催化劑等。杯。還有人采用液相色譜-質(zhì)譜LCM聯(lián)用技在生物合成方面組合化學(xué)技術(shù)已用于合成殺術(shù)以及高壓液相色譜-核磁共振譜-質(zhì)譜HPLC/假絲菌素、土霉素等多烯類化合物3。NMR/MS)譜聯(lián)用技術(shù)8對(duì)化合物庫作同步成分分析和結(jié)構(gòu)解析5結(jié)束語除了上述光譜技術(shù)外,也有人采用掃描瞬態(tài)微綜上所述不難看出僅僅經(jīng)歷短短十多年的發(fā)波顯微鐓( scanning evanescent microwave microscope)展組合化學(xué)技術(shù)已經(jīng)取得了令人矚目的進(jìn)展雖然掃描針尖微波近場(chǎng)顯微鏡( scanning tip mIcrowave作為一個(gè)科學(xué)研究新領(lǐng)域它還存在著一些有待完nearfield microscope)等技術(shù)來測(cè)定化合物庫中樣品善的問題。例如北合物庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能化、組合合的物理性質(zhì)如電阻抗、磁阻、介電常數(shù)等由此獲取成自動(dòng)化、結(jié)構(gòu)分析過程同步化、超微量活性化合物相關(guān)化合物的結(jié)構(gòu)信息。的快速檢出等。然而科學(xué)家在這個(gè)新的研究領(lǐng)域應(yīng)該指出面對(duì)化合物數(shù)目龐大的組合庫既不里已經(jīng)取得的成績(jī)讓人們樂觀的相信組合化學(xué)技需要對(duì)每一個(gè)化合物進(jìn)行分離提純,也不必做結(jié)構(gòu)術(shù)將在更廣闊的科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用鑒定通常直接對(duì)混合物進(jìn)行生物活性篩選,一旦發(fā)現(xiàn)有活性化合物再對(duì)其作結(jié)構(gòu)剖析。參考文獻(xiàn)4組合化學(xué)的應(yīng)用1] Merrifield R B Solid phase peptide synthesis: I The synthesisof a tetrapeptide[ J ] Journal of The American Chemistry So-眾所周知新藥的研制是一個(gè)耗費(fèi)財(cái)力和時(shí)間city196385:149-2154的工作。通常每推出一種新藥約需6~10年耗資[2]焦家俊.合成化學(xué)新概念—組合化學(xué)J化學(xué)世高。組合化學(xué)自20世紀(jì)9年代問世以來已成功V/都24)17-20約1億美元。顯然傳統(tǒng)的新藥開發(fā)耗時(shí)長(zhǎng)、投資中國煤化工 urvey of combinatorial library地應(yīng)用在新藥的合成與篩選15。組合化學(xué)的概念CNMHGombinatorial Chemistry 2000沖破了傳統(tǒng)的思維模式為快速合成與快速篩選活[4] Hovis R, allotton P, Worland T. Fluorescence techniques性化合物提供了新思路。它使科學(xué)家們從一個(gè)反shedding light on應(yīng)只制備一個(gè)化合物"的繁重勞動(dòng)中解脫出來從而Pharmacological Sciences 2000.21 7)266-273大大縮短了新藥研制的周期效率更高速度更快。[5] Michael J, Shapiro J. High resolution MAS- NMR in combi-第31卷第6期焦家俊組合化學(xué)及其應(yīng)用11natorial chemistry[ J ] Biotechnology and Bioengineeringthroughput synthesis and screening-informatics and integra-200072):130~tion in drug discover[ J ] Journal of Automated Methods6] Young GS, Richard B, van Breemen. Analysis and screening ofManagement in Chemistry 2001 236 ): 191-192combinatorial libraries using mass spectrometr[ J Biopharma- 16 Dolle R E. Annual Reports in Combinatorial Chemistry andceltics& drug disposition 2001 2X7-8): 353-372Molecular Diversity C]. Vol 2, Editors: Pavia MR,Moos[7] Schmid D G, Philipp G, Holger B. 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Ann Pharmacother, 1999 3 2)241-246Combinatorial Chemistry and Its applicationJIAO Jia-junEast China University of Science Technology, Shanghai 2000237, China中國煤化工Abstract Combinatorial chemistry is a kind of technique for quickCNMHGthis short paper the ba-c, principle of combinatorial chemistry the design and preparation ot the chemical library the structure analysis of thetive molecule in the chemical library were described and the applications of combinatorial chemistry in the covering arKey words combinatorial chemistry mixed spilt synthesis combinatorial library