第31卷第6期江蘇化工Vol 31 No 62003年12月Jiangsu Chemical IndustryDec.2003組合化學及其應用焦家俊①華東理工大學化學與制藥學院,上海200237)摘要組合化學是一種快速大量的合成技術。簡明地介紹了組合化學的基本原理、化合物庫的設計與制備方法、活性分子結構的表征以及組合化學在許多領域里的應用。關鍵詞組合化學混合-均分法組中圖分類號06.0文獻標識碼:A文章編號100-111(2003)6-0008-04組合化學( combinatorial chemistry),又稱多重合成法 simultaneous multiple synthesis),是一種大量而1組合化學原理快捷的合成方法。它是根據組合論的思想將各種化組合化學的本質是一種快速大量的合成方法,學構建單元( building block)以系統(tǒng)平行的方式進行它是一種將分子設計、化學合成、組合理論及分子識反應可以在極短的時間內迅速獲得大量的化合物。別融合為一體的技術。若按照傳統(tǒng)的化學合成模組合化學的概念最初起源于20世紀60年代問世的式反應起始物通常是兩兩相對每一次合成反應僅固相多肽合成法。在固相多肽合成中,由于采用產生一個化合物生成物經過分離、純化后作為中高分子聚合物固相作載體產物的分離與純化十分間體再進行第二步反應如此反復直至獲得終產物方便漢由于多肽合成中許多反應條件都是相同的,[見式1)~(3)傳統(tǒng)化學合成模式的特點是一次從而使各種肽分子能夠在同一反應器內按照預設程合成一個產物。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反應AB+C->ABC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。1991年Fuka提出的混-分合成法ABC…M+N一>ABC,MN( mix and split)標志著組合化學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個段。采用混-分合成法人們可以在短時間內僅經不同的化合物另一組含N個不同的化合物當這過幾步化學反應就可以產生成千上萬種不同的化合兩組化合物同時進行交又(組合嚴行反應僅一步物也稱化合物庫 hemical library)組合化學的誕應就會生成MxN個化合物見式4)]生是合成化學領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分子提供了強有力的工M2N2M1N2M2N2M3N2MnN2具。1998年, Science將組合化學技術列為科學研究M3+N3->M1N3+M2N3+M3N3+MnN3領域里的重大成果之一。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MnNM1NnM2NnM3..物、高分子合成等領域。顯然組合化學已成為當今(中國煤化工的基本原理。顯然按化學研究領域中的新熱點。CNMH氣可以制備出成千上萬①收稿日期2003-08-17作者簡介焦家傚1958-)男武漢人華東理工大學副教授博士主要研究液晶合成、環(huán)氧化反應、感光材料研究等。E-mail:jiaoji@ecust.edu.cno第31卷第6期焦家俊組合化學及其應用種不同的化合物見表1由此篩選而得到的數據比較準確可靠。表1組合化學中的構建單元數與生成物數量關系其它的化合物庫構建方法有位置掃描法、正交構建單元數法、迭代展開法2等。反應步驟數生成物數量M組D2312100A BC DA BC DJA BC DJABCD1001003A反應2化合物庫的合成AA BA CA DAL AB BB CB DB JAC BC CC DC AD BD CD如前所述組合化學合成方法最初是應用在新藥的研制與篩選。通常根據已有的分子構效知識混合-均分以某種藥物先導化合物為起始原料采用組合化學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按照組合化學原理將不同分子有計劃、有規(guī)律、系統(tǒng)的合成出來的分子數量龐大的化合物群即反應稱為化合物庫3在化合物庫的設計與合成中常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后再混合在一起然后經等分為若干份再分別與另外幾種不同的化合物反應。反應3活性分子結構表征結束后不經過分離、純化,直接再混合、分組、反應如此反復直到完成預定合成目標。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期功能活性的個化合物為例進行兩步組合合成每次混合后均分為四組當兩步反應完成后得四個子庫各子庫中含目標分子是組合化學工作中的一個重要方面在固相多肽自動合成過程中,目標分子的結構16個化合物A個子庫共計64個(4)不同的化合只要通過多肽測序儀測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序法僅限于多肽的結構分析。1993年編碼庫中生成物數與反應起始物數目相關與反應次數同步合成法的出現(xiàn)為化合物庫的組建及一般分子結呈指數關系。如果以20種化合物作起始物經混合構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種不同的試劑進行反應只要反復進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4次就可以獲得320萬種化合物。種不能作微量測序的分子結構單元時同時也在如果設計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平臺面板中分布的每一個孔的每◇氣口薩表標分子中的一個確定部都可視為一個反應器。同步平行合成在操作過程中中國煤化由計算機程序控制通過機械手自動定量地將反應分。多肽編碼的氨基酸排序就以結構信息。不過采用試劑置入孔中與預先置放在孔中的起始物反應。如這種編碼技術雖然解決了目標分子結構的表征問果面板分布N個孔經過同步平行法就可合成出化題但是對于目標分子的活性卻會產生干擾。因合物數目為N的化合物庫。采用同步平行法所獲此編碼技術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月的每一個化合物都具有一個特征的光標”只需在組合化學方法已成為新藥研制的主要利器。例如,紫外光下就可區(qū)分使分子識別更為直觀簡便。Agouron制藥公司在現(xiàn)有結構鼻病毒3C—蛋旦酶當然傳統(tǒng)的光譜檢測技術在組合庫的結構鑒抑制劑的基礎上開發(fā)出來的新藥就是從為數500個定上仍然發(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反應過程也可以測據統(tǒng)計1漢199~1997年間,人們已經篩選試產物純度。傳里葉轉換紅外光溦FT-IR灺常用出含有高活性酶抑制性化合物的組合庫47個、含G于組合合成的過程監(jiān)控即通過化合物特征基團紅蛋白偶聯(lián)受體拮抗性化合物的組合庫25個另有外吸收峰的岀現(xiàn)或消失來判斷組合化學反應的進2個組合庫中含有殺菌活性化合物。最近,國內也程。其特點是檢出敏感性高僅需幾微克樣品即可。有許多學者采用組合化學技術開發(fā)新型農藥并取得核磁共振澂NMR迕常規(guī)分子結構解析中應用初步成果Ⅵ]。十分廣泛但由于其對待測樣品需要量較大因而在組合化學技術不僅應用于新藥的篩選而且越組合化學中的應用受到局限。自岀現(xiàn)魔角自旋核磁來越廣泛地應用于其它領域里的合成與研究工作。共振( Magic Angle Spinning NMR)技術后6由于該在有機合成方面,人們已采用組合化學技術合成雜技術需待測樣品量較少現(xiàn)在核磁共振譜也可用于環(huán)小分子、對稱及不對稱有機分子門、多環(huán)天組合化學中的微量分析。然產物衍生物12等。此外質MS地可用來檢測如剖析化合物庫在無機合成方面組合化學技術已被廣泛應用中的化學結構。例如采用電子噴霧離子化質譜技于篩選各種功能性材料。例如超導體材料、鐵電材杓ESI-MS)以對樹脂接枝衍生物作無損結構分料、絕緣材料、發(fā)光材料2、催化劑等。杯。還有人采用液相色譜-質譜LCM聯(lián)用技在生物合成方面組合化學技術已用于合成殺術以及高壓液相色譜-核磁共振譜-質譜HPLC/假絲菌素、土霉素等多烯類化合物3。NMR/MS)譜聯(lián)用技術8對化合物庫作同步成分分析和結構解析5結束語除了上述光譜技術外,也有人采用掃描瞬態(tài)微綜上所述不難看出僅僅經歷短短十多年的發(fā)波顯微鐓( scanning evanescent microwave microscope)展組合化學技術已經取得了令人矚目的進展雖然掃描針尖微波近場顯微鏡( scanning tip mIcrowave作為一個科學研究新領域它還存在著一些有待完nearfield microscope)等技術來測定化合物庫中樣品善的問題。例如北合物庫結構設計智能化、組合合的物理性質如電阻抗、磁阻、介電常數等由此獲取成自動化、結構分析過程同步化、超微量活性化合物相關化合物的結構信息。的快速檢出等。然而科學家在這個新的研究領域應該指出面對化合物數目龐大的組合庫既不里已經取得的成績讓人們樂觀的相信組合化學技需要對每一個化合物進行分離提純,也不必做結構術將在更廣闊的科學領域中發(fā)揮更大的作用鑒定通常直接對混合物進行生物活性篩選,一旦發(fā)現(xiàn)有活性化合物再對其作結構剖析。參考文獻4組合化學的應用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耗費財力和時間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.合成化學新概念—組合化學J化學世高。組合化學自20世紀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)耗時長、投資中國煤化工 urvey of combinatorial library地應用在新藥的合成與篩選15。組合化學的概念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。它使科學家們從一個反shedding light on應只制備一個化合物"的繁重勞動中解脫出來從而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期焦家俊組合化學及其應用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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