組合化學 最基礎的

1、第六章第六章 組合化學組合化學l組合化學是一項新型化學技術，他利用一系列組合化學是一項新型化學技術，他利用一系列合成、測試技術，在短時間內合成數目龐大的合成、測試技術，在短時間內合成數目龐大的有機化合物，經過高效生物活性篩選，從中發(fā)有機化合物，經過高效生物活性篩選，從中發(fā)現一批具有活性的藥物前體。現一批具有活性的藥物前體。l組合化學是應生物學家建立起來的高通量篩選組合化學是應生物學家建立起來的高通量篩選技術的需要而產生的。技術的需要而產生的。l組合化學合成技術已經給傳統(tǒng)的有機合成化學組合化學合成技術已經給傳統(tǒng)的有機合成化學帶來了革命性的變化，是近年來科學上取得的帶來了革命性的變化，是近年來科學

2、上取得的重要成就之一。重要成就之一。組合化學的起源組合化學的起源l組合化學最早起源于固相多肽合成。就本質而言，組合組合化學最早起源于固相多肽合成。就本質而言，組合化學是建立在高效平行的合成之上的，這種合成方法步化學是建立在高效平行的合成之上的，這種合成方法步驟有限，但生成的化合物庫內包含大量化合物。驟有限，但生成的化合物庫內包含大量化合物。l組合化學不是單一的一種技術，它包含了一系列化學技組合化學不是單一的一種技術，它包含了一系列化學技術。術。它是一門交叉性學科，它以有機化學為基礎，與生它是一門交叉性學科，它以有機化學為基礎，與生物化學、藥物化學密不可分，并涉及到數學、物理和計物化學、藥物化學

3、密不可分，并涉及到數學、物理和計算機等多門科學。而傳統(tǒng)有機合成方法是對單個分子分算機等多門科學。而傳統(tǒng)有機合成方法是對單個分子分步合成，在數量上是處于低層次的，合成速度太慢，無步合成，在數量上是處于低層次的，合成速度太慢，無法滿足對化合物量的需要。法滿足對化合物量的需要。第一節(jié)，組合化學概念第一節(jié)，組合化學概念l以組合化學為基礎的策略極為簡單，即化以組合化學為基礎的策略極為簡單，即化學組塊的組合，可存在著多種組合排列。學組塊的組合，可存在著多種組合排列。l因此化學家不在去尋找把化合物因此化學家不在去尋找把化合物A A和和B B轉化轉化為為C C的條件，而是發(fā)現一系列的條件，而是發(fā)現一系列AsA

4、s和和BsBs轉化成轉化成大量大量CsCs的最佳條件。的最佳條件。五肽的合成五肽的合成l用用2020種天然氨基酸合成的五肽，組合起種天然氨基酸合成的五肽，組合起來有以下種：來有以下種：l二聚體二聚體 20202 2=400 =400 l三聚體三聚體 20203 3=8000 =8000 l四聚體四聚體 20204 4=160,000 =160,000 l五聚體五聚體 20205 5=3200,000=3200,000一、組合化學策略一、組合化學策略l要合成大量的化合物，目前有兩種不同的要合成大量的化合物，目前有兩種不同的策略可以進行：策略可以進行：l混合物合成方式和平行合成方式混合物合成方式和

5、平行合成方式 混合物合成方式混合物合成方式l既是在反應體系中多種反應物混合在一起進行既是在反應體系中多種反應物混合在一起進行反應，得到多種產物如：正丁酸與醇縮合形成反應，得到多種產物如：正丁酸與醇縮合形成酯的反應。酯的反應。CH3CH2CH2COOH CH3OHCH3CH2OHCH3CH2CH2OHCH3CH2CH2CH2OHCH3CH2CH2COOCH3CH3CH2CH2COOCH2CH3CH3CH2CH2COOCH2CH2CH3CH3CH2CH2COOCH2CH2CH2CH3 平行合成方式平行合成方式l是指在合成過程中以平是指在合成過程中以平行的方式同時合成多種行的方式同時合成多種反應產物

6、。反應產物。l每個反應是獨立進行的，每個反應是獨立進行的，如上述反應當每個反應如上述反應當每個反應同時獨立進行時，即為同時獨立進行時，即為平行合成方式。平行合成方式。 SR1R2R3R4SR1SR2SR3SR4高通量篩選高通量篩選l指在藥物篩選過程中的一種新方法指在藥物篩選過程中的一種新方法 S15S14XS13S12S11S10S9S8S7S6S5S4S3S2S1S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13XS14S15S8S11XS4High Throughput Screening分子多樣性分子多樣性 Molecular diversityMolecular divers

7、ity l是一種描述分子并把它們分成若干個有用組的是一種描述分子并把它們分成若干個有用組的技術（計算機設計技術）。技術（計算機設計技術）。l可以通過對所設計合成的化合物庫中各個分子可以通過對所設計合成的化合物庫中各個分子的物理化學性質等多方面的計算而分成不同特的物理化學性質等多方面的計算而分成不同特性的組，以利于高通量合成和篩選。性的組，以利于高通量合成和篩選。l如親水性，疏水性，鍵長等等。如親水性，疏水性，鍵長等等。 高通量合成高通量合成l一種大量合成化合物的方法一種大量合成化合物的方法。高通量合成固相法溶液法液體法混合物法平行法103-10610-104High Throughput Sy

8、nthesis二，固相合成法二，固相合成法 l是最早以固相肽合成建立起來的組合方法。是最早以固相肽合成建立起來的組合方法。l固相合成固相合成Solid phase synthesisSolid phase synthesis技術由技術由Merrifield(1963)Merrifield(1963)首創(chuàng)，他使用取代的樹脂首創(chuàng)，他使用取代的樹脂作為固相載體來合成多肽；作為固相載體來合成多肽；l但是大量的以多肽合成方法衍生出來的固相但是大量的以多肽合成方法衍生出來的固相合成策略的應用是在合成策略的應用是在8080年代才有了突破年代才有了突破。 固相合成的優(yōu)點固相合成的優(yōu)點 l1 1）可以使用過量的

9、試劑是反應趨于完全。）可以使用過量的試劑是反應趨于完全。l2 2）反應結束后，可以通過過濾、洗滌固）反應結束后，可以通過過濾、洗滌固相介質除去反應物。相介質除去反應物。l3 3）節(jié)省了分離純化的時間）節(jié)省了分離純化的時間l4) 4) 反應收率高，產物純度高。反應收率高，產物純度高。 樹脂珠的種類樹脂珠的種類l目前固相合成中較多使用的樹脂是目前固相合成中較多使用的樹脂是小的球狀樹脂珠（小的球狀樹脂珠（80-200um80-200um）, ,常常用的有以下幾種用的有以下幾種 1,1,交聯聚苯乙烯交聯聚苯乙烯 l結構CHCH2CHCH2CHCH2CHCH2活化方式活化方式l1) 氯甲基化l2) 氨基

10、化l3) 羧基化CHCH2CHCH2CHCH2COOHNH2CH2Cl2 2，聚酰胺樹脂，聚酰胺樹脂 l由于聚苯乙烯樹脂與所合成的極性化合物（多肽，由于聚苯乙烯樹脂與所合成的極性化合物（多肽，寡核苷酸等）在溶劑中的溶解性不相同，不利于它寡核苷酸等）在溶劑中的溶解性不相同，不利于它們的合成，因此們的合成，因此ShepparlShepparl設計了聚酰胺樹脂；它們設計了聚酰胺樹脂；它們是以是以N,N-N,N-雙烯丙?；叶窞榻宦搫?，以雙烯丙酰基乙二胺為交聯劑，以N,N-N,N-甲基丙烯酰胺為骨架的聚合物。甲基丙烯酰胺為骨架的聚合物。 CH2=CHCON(CH3)2CH2=CHCONHCH2CH2

11、NHOCCH=CH23 3，多孔玻璃，多孔玻璃 l聚苯乙烯和聚酰胺樹脂通常缺乏結構上的剛性，聚苯乙烯和聚酰胺樹脂通常缺乏結構上的剛性，不能用于需要長期溶劑化而達到連續(xù)流動合成不能用于需要長期溶劑化而達到連續(xù)流動合成的目的。的目的。l因此人們又設計了許多新型大孔高聚物，其中因此人們又設計了許多新型大孔高聚物，其中較好的是多孔玻璃，它是一種剛性的衍生化的較好的是多孔玻璃，它是一種剛性的衍生化的玻璃球狀物，可以與任何溶劑相容，對腐蝕性玻璃球狀物，可以與任何溶劑相容，對腐蝕性溶劑和高壓、高溫都比較穩(wěn)定。溶劑和高壓、高溫都比較穩(wěn)定。 合成方法合成方法l茶葉包法茶葉包法 tea-bag tea-bag l

12、用 具 有用 具 有 7 4 m m7 4 m m 網 眼 的 聚 丙 烯 網 袋網 眼 的 聚 丙 烯 網 袋（15mmX20mm15mmX20mm），里面裝滿樹脂珠，密封），里面裝滿樹脂珠，密封好。最初樹脂珠上都連有一個保護的氨好。最初樹脂珠上都連有一個保護的氨基酸，然后它被浸在反應物核偶聯劑的基酸，然后它被浸在反應物核偶聯劑的混合溶劑中，把袋子集中進行脫保護、混合溶劑中，把袋子集中進行脫保護、洗滌、中和及再偶聯等步驟。洗滌、中和及再偶聯等步驟。 混合均分法混合均分法 Mix-SplitMix-Splitl一珠一物法一珠一物法(one bead,one compound)(one bead

13、,one compound)，l該方法依賴于在樹脂珠上合成化合物，一該方法依賴于在樹脂珠上合成化合物，一定數量的載體被分成相等的幾部分，然后定數量的載體被分成相等的幾部分，然后各部分獨自與不同的起始單體原料反應。各部分獨自與不同的起始單體原料反應。l反應后，樹脂的各部分又重新合并，混勻，反應后，樹脂的各部分又重新合并，混勻，再被分成幾部分，進一步與一系列試劑反再被分成幾部分，進一步與一系列試劑反應。應。 l圖例圖例XYZYZZXXYZYYXXZXXYYZZXYZZZZYYYXXXXZZYXXZYYXYYZXXYZZYZXZXYXYXZYXYXYXZXXXYYYXZZXYZYZXZXYZZYZY

14、XZXZYXXZYYZZZYXYZ混合均分偶聯混合均分偶聯其他固相合成方法其他固相合成方法 l多針上的合成多針上的合成 在在40mm, 40mm, 直徑為直徑為4mm4mm的聚苯乙烯針上合成。的聚苯乙烯針上合成。l在園片上合成在園片上合成 在直徑在直徑0.635cm0.635cm，厚，厚度為度為0.3715cm0.3715cm的聚苯乙烯上合成。的聚苯乙烯上合成。l在薄片上合成在薄片上合成 在玻璃片、紙片上合在玻璃片、紙片上合成（成（50-400um50-400um）. . 三、液相合成法三、液相合成法l由于應用固相合成的化學反應范圍有限，由于應用固相合成的化學反應范圍有限，而且當反應物和產物連

15、接到固相載體上時，而且當反應物和產物連接到固相載體上時，檢測反應過程比較困難，因此人們重新研檢測反應過程比較困難，因此人們重新研究了液相合成方法。究了液相合成方法。 Solution phase Synthesis 平行液相合成平行液相合成l通常平行液相合成包括一步或二步可靠通常平行液相合成包括一步或二步可靠的液相合成反應，如還原氨化反應、酰的液相合成反應，如還原氨化反應、酰化反應等，可以以相對較小的量進行化反應等，可以以相對較小的量進行（10umol/L10umol/L）。反應混合物可以用薄層）。反應混合物可以用薄層層析和質譜分析，測定產物的濃度。層析和質譜分析，測定產物的濃度。索引化合物庫

16、合成索引化合物庫合成l化合物庫通過選取每一個酰氯（化合物庫通過選取每一個酰氯（A A）, ,將將其與等摩爾的親核試劑混合物（其與等摩爾的親核試劑混合物（N1-N1-4040），在二氯甲烷溶液中反應。），在二氯甲烷溶液中反應。l同樣，在選取一個親核試劑（同樣，在選取一個親核試劑（N N）與含）與含所有酰氯的混合物所有酰氯的混合物(A1-40)(A1-40)反應?？梢苑磻？梢缘玫降玫?6001600個化合物，從而構成了一個索個化合物，從而構成了一個索引化合物庫。引化合物庫。 四、液體相合成四、液體相合成l由于液相合成存在一些不確定性，在合成的每一步之由于液相合成存在一些不確定性，在合成的每一步之

17、后均需進行某種形式的純化，如果用平行合成大量的后均需進行某種形式的純化，如果用平行合成大量的化合物，進行純化的工作是相當煩瑣的，如果用混合化合物，進行純化的工作是相當煩瑣的，如果用混合物方式合成，那么，純化過程幾乎是不可能的。物方式合成，那么，純化過程幾乎是不可能的。l因此人們將傳統(tǒng)的液相合成的優(yōu)點與固相合成的優(yōu)點因此人們將傳統(tǒng)的液相合成的優(yōu)點與固相合成的優(yōu)點結合起來，從而形成了液體相合成方法。結合起來，從而形成了液體相合成方法。l其原理是將化合物結合到一種可溶性高分子上，反應其原理是將化合物結合到一種可溶性高分子上，反應后，經過調節(jié)反應體系的溶劑、離子強度、后，經過調節(jié)反應體系的溶劑、離子強

18、度、pHpH等使高等使高分子從溶液中沉淀下來。分子從溶液中沉淀下來。l目前使用的有聚乙烯醇單甲醚，它可以溶解在多種溶目前使用的有聚乙烯醇單甲醚，它可以溶解在多種溶劑中，但在乙醚中可以結晶析出。劑中，但在乙醚中可以結晶析出。Liquid phase SynthesisLiquid phase Synthesis樹枝狀載體的組合合成樹枝狀載體的組合合成l樹枝狀分子是分枝狀寡聚物，一般為可樹枝狀分子是分枝狀寡聚物，一般為可溶性聚合物。利用該方法如同液體合成溶性聚合物。利用該方法如同液體合成技術，寡聚物可以通過色譜技術分離純技術，寡聚物可以通過色譜技術分離純化。合適的樹枝狀分子具有特殊的溶解化。合適的

19、樹枝狀分子具有特殊的溶解性、化學穩(wěn)定性和高載量。性、化學穩(wěn)定性和高載量。 樹枝狀載體的組合合成樹枝狀載體的組合合成AAAAAAAABABAABABBABAABABBAB五、組合合成的應用五、組合合成的應用l藥物合成與篩選藥物合成與篩選l催化劑的合成與篩選催化劑的合成與篩選l高分子試劑的合成與篩選高分子試劑的合成與篩選l酶抑制劑的合成與篩選酶抑制劑的合成與篩選l酶催化的組合合成酶催化的組合合成第二節(jié)第二節(jié) 多肽的化學合成多肽的化學合成l多肽的化學合成，是按照設計的氨基酸順序，多肽的化學合成，是按照設計的氨基酸順序，通過定向形成酰胺鍵方法得到目標多肽分子通過定向形成酰胺鍵方法得到目標多肽分子l要成

20、功的合成具有特定氨基酸順序的多肽，必要成功的合成具有特定氨基酸順序的多肽，必須采用定向形成酰胺鍵方法，即對暫時不參予須采用定向形成酰胺鍵方法，即對暫時不參予形成酰胺鍵的氨基和羧基，以及側鏈活性基團形成酰胺鍵的氨基和羧基，以及側鏈活性基團進行保護。同時還要對羧基進行活化。進行保護。同時還要對羧基進行活化。一一 氨基的保護方法氨基的保護方法l（1 1）叔丁氧基?；ǎ┦宥⊙趸；╰-Boct-Boc） lt-Boct-Boc是常用的氨基保護基。二叔丁基二碳酸酯是常用的氨基保護基。二叔丁基二碳酸酯與氨基酸作用，形成與氨基酸作用，形成t-Boc-t-Boc-氨基酸，可以有效地氨基酸，可以有效地保護氨

21、基。保護氨基。lt-Boct-Boc基可以在溫和的酸性條件下，以氣態(tài)形式基可以在溫和的酸性條件下，以氣態(tài)形式被除去。被除去。CH3CCH3CH3O COOCO COCH3CH3CH3CH3CCH3CH3O CNHOCHCOOHR+(CH3)2CCH2+CO2+H3+NCHCOOHRH+（2 2）芐氧酰基（）芐氧酰基（CBzCBz）lCBzCBz也是一種常用的氨基保護基。也是一種常用的氨基保護基。lCBzCBz在弱酸性條件下比較穩(wěn)定，但在催化在弱酸性條件下比較穩(wěn)定，但在催化氫解條件下容易被除去。產物也容易分離。氫解條件下容易被除去。產物也容易分離。CH2O CClO二、羧基的保護方法二、羧基的保

22、護方法l（1 1）苯甲醇酯法）苯甲醇酯法 l 由苯甲醇與亞硫酰氯作用生成氯亞硫酸酯，由苯甲醇與亞硫酰氯作用生成氯亞硫酸酯，然后再與氨基酸反應：然后再與氨基酸反應：l此保護基可以用氫解方法除去。此保護基可以用氫解方法除去。CH2OH + SOCl2CH2O SClO氯亞硫酸酯（2 2）叔丁醇酯法）叔丁醇酯法l一般采用酯交換法得到氨基酸叔丁醇酯：叔丁一般采用酯交換法得到氨基酸叔丁醇酯：叔丁醇基常用三氟甲酸水解方法除去。醇基常用三氟甲酸水解方法除去。H3+NCHRCOOH +CH3CO C(CH3)3OH3+NCHRC O C(CH3)3O+ CH3COOH三，肽鍵形成方法三，肽鍵形成方法l（1 1

23、）酰氯法）酰氯法l氨基酸的羧基可以通過以下的反應，方便氨基酸的羧基可以通過以下的反應，方便地轉變成酰氯：地轉變成酰氯： l氨基酸的酰氯很容易與氨基作用形成肽鍵。氨基酸的酰氯很容易與氨基作用形成肽鍵。但是，由于在反應過程中容易引起氨基酸但是，由于在反應過程中容易引起氨基酸的消旋化，實際應用價值不大。的消旋化，實際應用價值不大。1羧基活化法（2 2）酸酐法）酸酐法l氨基酸的羧基可以轉變成酸酐：氨基酸的羧基可以轉變成酸酐：l這種酸酐有兩個親電中心，在形成肽這種酸酐有兩個親電中心，在形成肽鍵時能夠產生幾乎等量的副產物。鍵時能夠產生幾乎等量的副產物。（3 3）活性酯法）活性酯法l 常用的活性酯是氨基酸常

24、用的活性酯是氨基酸- -對硝基苯酚酯。對硝基苯酚酯。這種活性酯容易與氨基作用形成肽鍵。這種活性酯容易與氨基作用形成肽鍵。2 2偶聯劑縮合法偶聯劑縮合法l偶聯劑本身是一種脫水劑，它能夠促進羧基和氨基之間偶聯劑本身是一種脫水劑，它能夠促進羧基和氨基之間的縮合反應。最常用的偶聯劑是的縮合反應。最常用的偶聯劑是N,N-N,N-二環(huán)己基碳二亞二環(huán)己基碳二亞胺（簡稱胺（簡稱DCCDCC）。）。lDCCDCC先與一分子氨基酸的羧基反應，生成類似酸酐的中先與一分子氨基酸的羧基反應，生成類似酸酐的中間產物。這種不穩(wěn)定的中間物能夠進一步與第二分子氨間產物。這種不穩(wěn)定的中間物能夠進一步與第二分子氨基酸的氨基作用，形

25、成肽鍵。反應中產生的基酸的氨基作用，形成肽鍵。反應中產生的DCUDCU不溶于不溶于大多數有機溶劑，容易與產物分離。大多數有機溶劑，容易與產物分離。l此法的優(yōu)點是消旋化可能性很小。此法的優(yōu)點是消旋化可能性很小。DCCDCC是多肽合成中應是多肽合成中應用最廣的一種試劑。用最廣的一種試劑。四四. . 多肽的固相合成多肽的固相合成l此法的基本過程是：將目標多肽的此法的基本過程是：將目標多肽的C-C-端羧基以端羧基以共價鍵形式與一個不溶性的高分子樹脂相連，共價鍵形式與一個不溶性的高分子樹脂相連，然后以這個氨基酸的氨基作為起點，與另一分然后以這個氨基酸的氨基作為起點，與另一分子氨基酸的羧基作用（用子氨基酸

26、的羧基作用（用DCCDCC作偶聯劑）形成肽作偶聯劑）形成肽鍵。不斷重復這一過程，即可以得到目標多肽鍵。不斷重復這一過程，即可以得到目標多肽產物。產物。l合成反應完成后，去除保護基，將肽鏈與樹脂合成反應完成后，去除保護基，將肽鏈與樹脂分離，即得到目標產物。分離，即得到目標產物。樹脂CH2CltBocNH CHR1COO-CH2樹脂tBocNH CHR1COOCF3COOH或HCL/CH3COOH樹脂CH2NH2CHR1COOtBocNH CHR2COO-DCCNHCHR1COOCH2樹脂tBocNH CHR2CO組成合成法合成多肽組成合成法合成多肽 l在混合均分合成法中，每一個合成步驟分在混合均

27、分合成法中，每一個合成步驟分別合成出別合成出x x組中間體，將這些中間體混合組中間體，將這些中間體混合均勻后平均分成均勻后平均分成x x份，并分別延長一個結份，并分別延長一個結構單元。構單元。l反應產物再混合均分成反應產物再混合均分成x x份，再延長一個份，再延長一個結構單元，直至完成全部合成。結構單元，直至完成全部合成。第三節(jié)、多聚核苷酸的化學合成第三節(jié)、多聚核苷酸的化學合成lDNA DNA 和和 RNA RNA 的化學合成非常復雜。與合成多肽的化學合成非常復雜。與合成多肽類似類似, , 必須按照一定的次序把核苷酸單元組合必須按照一定的次序把核苷酸單元組合成具有特定堿基順序的核酸。成具有特定

28、堿基順序的核酸。l由于核苷酸單元是多官能團分子，必須對參加由于核苷酸單元是多官能團分子，必須對參加反應的基團要進行活化處理，還要對不參加反反應的基團要進行活化處理，還要對不參加反應的基團進行保護，而且對保護、偶聯和脫保應的基團進行保護，而且對保護、偶聯和脫保護基的每一步反應要求具有高的產率。護基的每一步反應要求具有高的產率。 一、保護基一、保護基l 多聚核苷酸合成過程中，需要保護的基多聚核苷酸合成過程中，需要保護的基團包括：堿基中游離的氨基團包括：堿基中游離的氨基, , 戊糖的羥基戊糖的羥基(2-,3-(2-,3-或或5-5-羥基羥基), ), 以及核苷酸的磷酸以及核苷酸的磷酸基。基。1堿基中

29、游離氨基的保護堿基中游離氨基的保護 l腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶中含有游離的氨基。腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶中含有游離的氨基。在形成磷酸二酯鍵反應中可能生成不需要的在形成磷酸二酯鍵反應中可能生成不需要的磷酰胺磷酰胺, , 必須進行保護。必須進行保護。 l常用于氨基保護的?；校阂阴；惗□３Ｓ糜诎被Ｗo的?；校阂阴；惗□；?、異丁氧羰基、苯甲?；蛯籽趸?、異丁氧羰基、苯甲?；蛯籽趸? -苯苯甲?；取＜柞；?。l?；Ｗo基通常用濃氨水、酰基保護基通常用濃氨水、NaOHNaOH或肼溶液水或肼溶液水解除去。解除去。 2 2 戊糖羥基的保護戊糖羥基的保護l脫氧核糖上有兩個羥基脫氧核糖上有兩個羥基 (3-(3-和和5-5-羥基羥基), ), 而核糖則而核糖則有三個羥基有三個羥基 (2-, 3-(2-, 3-和和5-5-羥基羥基) )。在多聚核苷酸。在多聚核苷酸合成過程中合成過程中, , 對戊糖羥基進行選擇性保護顯得特別重要。對戊糖羥基進行選擇性保護顯得特別重要。l 單對甲氧基單對甲氧基- -三苯甲基（三苯甲基（MMTMMT）、雙對甲氧基）、雙對甲氧基- -三苯基三苯基(DMT)(DMT)或三苯甲基常用來選擇性地保護或三苯甲基常用來選擇性地保護5 - OH5 - OH。 l用四氫吡喃基（用四氫吡喃基（THPTHP）保護醇羥基是一個在