第六章 组合化学

第六章第六章 组合化学组合化学l组合化学是一项新型化学技术，他利用一系列合组合化学是一项新型化学技术，他利用一系列合成、测试技术，在短时间内合成数目庞大的有机成、测试技术，在短时间内合成数目庞大的有机化合物，经过高效生物活性筛选，从中发现一批化合物，经过高效生物活性筛选，从中发现一批具有活性的药物前体。具有活性的药物前体。l组合化学是应生物学家建立起来的高通量筛选技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。术的需要而产生的。l组合化学合成技术已经给传统的有机合成化学带组合化学合成技术已经给传统的有机合成化学带来了革命性的变化，是近年来科学上取得的重要来了革命性的变化，是近年来科学上取得的重要成就之一。成就之一。组合化学的起源组合化学的起源l组合化学最早起源于固相多肽合成。就本质而言，组合组合化学最早起源于固相多肽合成。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。骤有限，但生成的化合物库内包含大量化合物。l组合化学不是单一的一种技术，它包含了一系列化学技组合化学不是单一的一种技术，它包含了一系列化学技术。术。它是一门交叉性学科，它以有机化学为基础，与生它是一门交叉性学科，它以有机化学为基础，与生物化学、药物化学密不可分，并涉及到数学、物理和计物化学、药物化学密不可分，并涉及到数学、物理和计算机等多门科学。而传统有机合成方法是对单个分子分算机等多门科学。而传统有机合成方法是对单个分子分步合成，在数量上是处于低层次的，合成速度太慢，无步合成，在数量上是处于低层次的，合成速度太慢，无法满足对化合物量的需要。法满足对化合物量的需要。第一节，组合化学概念第一节，组合化学概念l以组合化学为基础的策略极为简单，即化学以组合化学为基础的策略极为简单，即化学组块的组合，可存在着多种组合排列。组块的组合，可存在着多种组合排列。l因此化学家不在去寻找把化合物因此化学家不在去寻找把化合物A A和和B B转化为转化为C C的条件，而是发现一系列的条件，而是发现一系列AsAs和和BsBs转化成大转化成大量量CsCs的最佳条件。的最佳条件。五肽的合成五肽的合成l用用2020种天然氨基酸合成的五肽，组合起种天然氨基酸合成的五肽，组合起来有以下种：来有以下种：l二聚体二聚体 20202 2=400 =400 l三聚体三聚体 20203 3=8000 =8000 l四聚体四聚体 20204 4=160,000 =160,000 l五聚体五聚体 20205 5=3200,000=3200,000一、组合化学策略一、组合化学策略l要合成大量的化合物，目前有两种不同的要合成大量的化合物，目前有两种不同的策略可以进行：策略可以进行：l混合物合成方式和平行合成方式混合物合成方式和平行合成方式 混合物合成方式混合物合成方式l既是在反应体系中多种反应物混合在一起进行反既是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应，得到多种产物如：正丁酸与醇缩合形成酯的反应。反应。平行合成方式平行合成方式l是指在合成过程中以平是指在合成过程中以平行的方式同时合成多种行的方式同时合成多种反应产物。反应产物。l每个反应是独立进行的，每个反应是独立进行的，如上述反应当每个反应如上述反应当每个反应同时独立进行时，即为同时独立进行时，即为平行合成方式。平行合成方式。高通量筛选高通量筛选l指在药物筛选过程中的一种新方法指在药物筛选过程中的一种新方法 High Throughput Screening分子多样性分子多样性 Molecular diversityMolecular diversity l是一种描述分子并把它们分成若干个有用组的技是一种描述分子并把它们分成若干个有用组的技术（计算机设计技术）。术（计算机设计技术）。l可以通过对所设计合成的化合物库中各个分子的可以通过对所设计合成的化合物库中各个分子的物理化学性质等多方面的计算而分成不同特性的物理化学性质等多方面的计算而分成不同特性的组，以利于高通量合成和筛选。组，以利于高通量合成和筛选。l如亲水性，疏水性，键长等等。如亲水性，疏水性，键长等等。高通量合成高通量合成l一种大量合成化合物的方法一种大量合成化合物的方法。High Throughput Synthesis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来的组合方法。是最早以固相肽合成建立起来的组合方法。l固相合成固相合成Solid phase synthesisSolid phase synthesis技术由技术由Merrifield(1963)Merrifield(1963)首创，他使用取代的树脂首创，他使用取代的树脂作为固相载体来合成多肽；作为固相载体来合成多肽；l但是大量的以多肽合成方法衍生出来的固相但是大量的以多肽合成方法衍生出来的固相合成策略的应用是在合成策略的应用是在8080年代才有了突破年代才有了突破。固相合成的优点固相合成的优点 l1 1）可以使用过量的试剂是反应趋于完全。）可以使用过量的试剂是反应趋于完全。l2 2）反反应应结结束束后后，可可以以通通过过过过滤滤、洗洗涤涤固固相介质除去反应物。相介质除去反应物。l3 3）节省了分离纯化的时间）节省了分离纯化的时间l4)4)反应收率高，产物纯度高。反应收率高，产物纯度高。树脂珠的种类树脂珠的种类l目前固相合成中较多使用的树脂是目前固相合成中较多使用的树脂是小的球状树脂珠（小的球状树脂珠（80-20080-200umum）,常常用的有以下几种用的有以下几种 1,1,交联聚苯乙烯交联聚苯乙烯 l结构活化方式活化方式l1)氯甲基化l2)氨基化l3)羧基化2 2，聚酰胺树脂，聚酰胺树脂 l由于聚苯乙烯树脂与所合成的极性化合物（多肽，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，因此们的合成，因此ShepparlShepparl设计了聚酰胺树脂；它们设计了聚酰胺树脂；它们是以是以N,N-N,N-双烯丙酰基乙二胺为交联剂，以双烯丙酰基乙二胺为交联剂，以N,N-N,N-甲基丙烯酰胺为骨架的聚合物。甲基丙烯酰胺为骨架的聚合物。3 3，多孔玻璃，多孔玻璃 l聚苯乙烯和聚酰胺树脂通常缺乏结构上的刚性，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不能用于需要长期溶剂化而达到连续流动合成的目的。目的。l因此人们又设计了许多新型大孔高聚物，其中较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，可以与任何溶剂相容，对腐蚀性溶剂和球状物，可以与任何溶剂相容，对腐蚀性溶剂和高压、高温都比较稳定。高压、高温都比较稳定。合成方法合成方法l茶叶包法茶叶包法 tea-bag tea-bag l用用 具具 有有 7474mmmm网网 眼眼 的的 聚聚 丙丙 烯烯 网网 袋袋（1515mmX20mmmmX20mm），里里面面装装满满树树脂脂珠珠，密密封封好好。最最初初树树脂脂珠珠上上都都连连有有一一个个保保护护的的氨氨基基酸酸，然然后后它它被被浸浸在在反反应应物物核核偶偶联联剂剂的的混混合合溶溶剂剂中中，把把袋袋子子集集中中进进行行脱脱保保护护、洗洗涤涤、中和及再偶联等步骤。中和及再偶联等步骤。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,one compound)，l该方法依赖于在树脂珠上合成化合物，一定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。分独自与不同的起始单体原料反应。l反应后，树脂的各部分又重新合并，混匀，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。再被分成几部分，进一步与一系列试剂反应。l图例图例其他固相合成方法其他固相合成方法 l多多针针上上的的合合成成 在在4040mm,mm,直直径径为为4 4mmmm的聚苯乙烯针上合成。的聚苯乙烯针上合成。l在在园园片片上上合合成成 在在直直径径0.6350.635cmcm，厚厚度度为为0.37150.3715cmcm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、纸片上合在玻璃片、纸片上合成（成（50-40050-400umum）.三、液相合成法三、液相合成法l由于应用固相合成的化学反应范围有限，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，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。究了液相合成方法。Solution phase Synthesis 平行液相合成平行液相合成l通通常常平平行行液液相相合合成成包包括括一一步步或或二二步步可可靠靠的的液液相相合合成成反反应应，如如还还原原氨氨化化反反应应、酰酰化化反反应应等等，可可以以以以相相对对较较小小的的量量进进行行（1010umolumol/L/L）。反反应应混混合合物物可可以以用用薄薄层层层析和质谱分析，测定产物的浓度。层析和质谱分析，测定产物的浓度。索引化合物库合成索引化合物库合成l化化合合物物库库通通过过选选取取每每一一个个酰酰氯氯（A A）,将将其其与与等等摩摩尔尔的的亲亲核核试试剂剂混混合合物物（N1-N1-4040），），在二氯甲烷溶液中反应。在二氯甲烷溶液中反应。l同同样样，在在选选取取一一个个亲亲核核试试剂剂（N N）与与含含所所有有酰酰氯氯的的混混合合物物(A1-40)A1-40)反反应应。可可以以得得到到16001600个个化化合合物物，从从而而构构成成了了一一个个索索引化合物库。引化合物库。四、液体相合成四、液体相合成l由由于于液液相相合合成成存存在在一一些些不不确确定定性性，在在合合成成的的每每一一步步之之后后均均需需进进行行某某种种形形式式的的纯纯化化，如如果果用用平平行行合合成成大大量量的的化化合合物物，进进行行纯纯化化的的工工作作是是相相当当烦烦琐琐的的，如如果果用用混混合合物方式合成，那么，纯化过程几乎是不可能的。物方式合成，那么，纯化过程几乎是不可能的。l因因此此人人们们将将传传统统的的液液相相合合成成的的优优点点与与固固相相合合成成的的优优点点结合起来，从而形成了液体相合成方法。结合起来，从而形成了液体相合成方法。l其其原原理理是是将将化化合合物物结结合合到到一一种种可可溶溶性性高高分分子子上上，反反应应后后，经经过过调调节节反反应应体体系系的的溶溶剂剂、离离子子强强度度、pHpH等等使使高高分子从溶液中沉淀下来。分子从溶液中沉淀下来。l目目前前使使用用的的有有聚聚乙乙烯烯醇醇单单甲甲醚醚，它它可可以以溶溶解解在在多多种种溶溶剂中，但在乙醚中可以结晶析出。剂中，但在乙醚中可以结晶析出。Liquid phase SynthesisLiquid phase Synthesis树枝状载体的组合合成树枝状载体的组合合成l树枝状分子是分枝状寡聚物，一般为可溶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，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、化学稳的树枝状分子具有特殊的溶解性、化学稳定性和高载量。定性和高载量。树枝状载体的组合合成树枝状载体的组合合成五、组合合成的应用五、组合合成的应用l药物合成与筛选药物合成与筛选l催化剂的合成与筛选催化剂的合成与筛选l高分子试剂的合成与筛选高分子试剂的合成与筛选l酶抑制剂的合成与筛选酶抑制剂的合成与筛选l酶催化的组合合成酶催化的组合合成第二节第二节 多肽的化学合成多肽的化学合成l多肽的化学合成，是按照设计的氨基酸顺序，多肽的化学合成，是按照设计的氨基酸顺序，通过定向形成酰胺键方法得到目标多肽分子通过定向形成酰胺键方法得到目标多肽分子l要成功的合成具有特定氨基酸顺序的多肽，必要成功的合成具有特定氨基酸顺序的多肽，必须采用定向形成酰胺键方法，即对暂时不参予须采用定向形成酰胺键方法，即对暂时不参予形成酰胺键的氨基和羧基，以及侧链活性基团形成酰胺键的氨基和羧基，以及侧链活性基团进行保护。同时还要对羧基进行活化。进行保护。同时还要对羧基进行活化。一一 氨基的保护方法氨基的保护方法l（1 1）叔丁氧基酰基（）叔丁氧基酰基（t-t-BocBoc）lt-t-BocBoc是常用的氨基保护基。二叔丁基二碳酸酯与是常用的氨基保护基。二叔丁基二碳酸酯与氨基酸作用，形成氨基酸作用，形成t-t-BocBoc-氨基酸，可以有效地保氨基酸，可以有效地保护氨基。护氨基。lt-t-BocBoc基可以在温和的酸性条件下，以气态形式被基可以在温和的酸性条件下，以气态形式被除去。除去。（2 2）苄氧酰基（）苄氧酰基（CBzCBz）lCBzCBz也是一种常用的氨基保护基。也是一种常用的氨基保护基。lCBzCBz在弱酸性条件下比较稳定，但在催化在弱酸性条件下比较稳定，但在催化氢解条件下容易被除去。产物也容易分离。氢解条件下容易被除去。产物也容易分离。二、羧基的保护方法二、羧基的保护方法l（1 1）苯甲醇酯法）苯甲醇酯法 l 由苯甲醇与亚硫酰氯作用生成氯亚硫酸酯，由苯甲醇与亚硫酰氯作用生成氯亚硫酸酯，然后再与氨基酸反应：然后再与氨基酸反应：l此保护基可以用氢解方法除去。此保护基可以用氢解方法除去。（2 2）叔丁醇酯法）叔丁醇酯法l一般采用酯交换法得到氨基酸叔丁醇酯：叔丁醇一般采用酯交换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。基常用三氟甲酸水解方法除去。三，肽键形成方法三，肽键形成方法l（1 1）酰氯法）酰氯法l氨基酸的羧基可以通过以下的反应，方便氨基酸的羧基可以通过以下的反应，方便地转变成酰氯：地转变成酰氯：l氨基酸的酰氯很容易与氨基作用形成肽键。氨基酸的酰氯很容易与氨基作用形成肽键。但是，由于在反应过程中容易引起氨基酸但是，由于在反应过程中容易引起氨基酸的消旋化，实际应用价值不大。的消旋化，实际应用价值不大。1羧基活化法（2 2）酸酐法）酸酐法l氨基酸的羧基可以转变成酸酐：氨基酸的羧基可以转变成酸酐：l这种酸酐有两个亲电中心，在形成肽这种酸酐有两个亲电中心，在形成肽键时能够产生几乎等量的副产物。键时能够产生几乎等量的副产物。（3 3）活性酯法）活性酯法l 常用的活性酯是氨基酸常用的活性酯是氨基酸-对硝基苯酚酯。对硝基苯酚酯。这种活性酯容易与氨基作用形成肽键。这种活性酯容易与氨基作用形成肽键。2 2偶联剂缩合法偶联剂缩合法l偶联剂本身是一种脱水剂，它能够促进羧基和氨基之间偶联剂本身是一种脱水剂，它能够促进羧基和氨基之间的缩合反应。最常用的偶联剂是的缩合反应。最常用的偶联剂是N,NN,N-二环己基碳二亚二环己基碳二亚胺（简称胺（简称DCCDCC）。）。lDCCDCC先与一分子氨基酸的羧基反应，生成类似酸酐的中间先与一分子氨基酸的羧基反应，生成类似酸酐的中间产物。这种不稳定的中间物能够进一步与第二分子氨基产物。这种不稳定的中间物能够进一步与第二分子氨基酸的氨基作用，形成肽键。酸的氨基作用，形成肽键。反应中产生的反应中产生的DCUDCU不溶于大多不溶于大多数有机溶剂，容易与产物分离。数有机溶剂，容易与产物分离。l此此法法的的优优点点是是消消旋旋化化可可能能性性很很小小。DCCDCC是是多多肽肽合合成成中中应应用用最广的一种试剂。最广的一种试剂。四四.多肽的固相合成多肽的固相合成l此此法法的的基基本本过过程程是是：将将目目标标多多肽肽的的C-C-端端羧羧基基以以共共价价键键形形式式与与一一个个不不溶溶性性的的高高分分子子树树脂脂相相连连，然然后后以以这这个个氨氨基基酸酸的的氨氨基基作作为为起起点点，与与另另一一分分子子氨氨基基酸酸的的羧羧基基作作用用（用用DCCDCC作作偶偶联联剂剂）形形成成肽肽键键。不不断重复这一过程，即可以得到目标多肽产物。断重复这一过程，即可以得到目标多肽产物。l合合成成反反应应完完成成后后，去去除除保保护护基基，将将肽肽链链与与树树脂脂分分离，即得到目标产物。离，即得到目标产物。组成合成法合成多肽组成合成法合成多肽 l在在混混合合均均分分合合成成法法中中，每每一一个个合合成成步步骤骤分分别别合合成成出出x x组组中中间间体体，将将这这些些中中间间体体混混合合均均匀匀后后平平均均分分成成x x份份，并并分分别别延延长长一一个个结结构单元。构单元。l反反应应产产物物再再混混合合均均分分成成x x份份，再再延延长长一一个个结构单元，直至完成全部合成。结构单元，直至完成全部合成。第三节、多聚核苷酸的化学合成第三节、多聚核苷酸的化学合成lDNA DNA 和和 RNA RNA 的化学合成非常复杂。与合成多肽的化学合成非常复杂。与合成多肽类似类似,必须按照一定的次序把核苷酸单元组合成必须按照一定的次序把核苷酸单元组合成具有特定碱基顺序的核酸。具有特定碱基顺序的核酸。l由于核苷酸单元是多官能团分子，必须对参加反由于核苷酸单元是多官能团分子，必须对参加反应的基团要进行活化处理，还要对不参加反应的应的基团要进行活化处理，还要对不参加反应的基团进行保护，而且对保护、偶联和脱保护基的基团进行保护，而且对保护、偶联和脱保护基的每一步反应要求具有高的产率。每一步反应要求具有高的产率。一、保护基一、保护基l多多聚聚核核苷苷酸酸合合成成过过程程中中，需需要要保保护护的的基基团团包包括括：碱碱基基中中游游离离的的氨氨基基,戊戊糖糖的的羟羟基基(2-,3-(2-,3-或或5-5-羟羟基基),),以以及及核核苷苷酸酸的的磷磷酸酸基。基。1碱基中游离氨基的保护碱基中游离氨基的保护 l腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶中含有游离的氨基。腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶中含有游离的氨基。在形成磷酸二酯键反应中可能生成不需要的在形成磷酸二酯键反应中可能生成不需要的磷酰胺磷酰胺,必须进行保护。必须进行保护。l常用于氨基保护的酰基有：乙酰基、异丁酰常用于氨基保护的酰基有：乙酰基、异丁酰基、异丁氧羰基、苯甲酰基和对甲氧基基、异丁氧羰基、苯甲酰基和对甲氧基-苯苯甲酰基等。甲酰基等。l酰基保护基通常用浓氨水、酰基保护基通常用浓氨水、NaOHNaOH或肼溶液水或肼溶液水解除去。解除去。2 2 戊糖羟基的保护戊糖羟基的保护l脱脱氧氧核核糖糖上上有有两两个个羟羟基基 (3-(3-和和5-5-羟羟基基),),而而核核糖糖则则有有三三个个羟羟基基 (2-,(2-,3-3-和和5-5-羟羟基基)。在在多多聚聚核核苷苷酸酸合合成成过程中过程中,对戊糖羟基进行选择性保护显得特别重要。对戊糖羟基进行选择性保护显得特别重要。l 单单对对甲甲氧氧基基-三三苯苯甲甲基基（MMTMMT）、双双对对甲甲氧氧基基-三三苯苯基基(DMT)DMT)或三苯甲基常用来选择性地保护或三苯甲基常用来选择性地保护5-5-OHOH。l用用四四氢氢吡吡喃喃基基（THPTHP）保保护护醇醇羟羟基基是是一一个个在在有有机机合合成成中中广广泛泛应应用用的的方方法法。该该保保护护基基的的引引入入和和除除去去均均在在酸酸性性条条件件下下进行。进行。l核核糖糖2-2-和和3-3-羟羟基基处处于于顺顺式式位位置置,可可以以用用异异丙丙叉叉基基同同时时进行保护。常用的保护剂是丙酮。进行保护。常用的保护剂是丙酮。3磷酸酯基的保护磷酸酯基的保护l甲甲基基是是常常用用的的磷磷酸酸羟羟基基保保护护基基。甲甲醇醇与与亚亚磷磷酰酰氯氯作作用用，生生成成单单甲甲基基亚亚磷磷酰酰氯氯。然然后后依依次次与与含含有有游游离离3-3-OHOH的的核核苷苷和和二二异异丙丙基基胺胺反反应应，得得到到一一个个质质子化的活性中间体核苷子化的活性中间体核苷3-3-亚磷酰胺。亚磷酰胺。l上述反应是上述反应是DNADNA固相合成的基本反应。固相合成的基本反应。l 其它一些基团，如其它一些基团，如2,2,22,2,2三氯乙基，芳基和三氯乙基，芳基和 -氰乙基等也可用于磷酸酯基的保护。氰乙基等也可用于磷酸酯基的保护。二、磷酸二酯键的形成二、磷酸二酯键的形成 l主主要要有有两两种种方方法法：将将磷磷酸酸酯酯基基转转变变成成活活性性较较高的磷酰氯高的磷酰氯;二是加入偶联剂二是加入偶联剂,如如DCCDCC等。等。l 一一般般来来说说,核核苷苷中中的的 5-5-OHOH比比较较活活泼泼(第第一一醇醇羟羟基基),),比比较较容容易易磷磷酰酰化化。所所以以通通常常是是通通过过3-3-磷磷酸酸核核苷苷的的 3-3-P-OHP-OH和和另另一一核核苷苷的的5-5-OHOH之间形成磷酸二酯键。之间形成磷酸二酯键。三、三、DNA DNA 的固相合成法的固相合成法 lDNA DNA 固固相相合合成成法法的的基基本本原原理理与与多多肽肽固固相相合合成成法法相相似似。先先将将目目标标 DNA DNA 链链 3-3-端端核核苷苷上上的的 3-3-OH OH 与与树树脂脂(固固相相)共共价价相相连连，然然后后将将经经过过活活化化的的单单体体核核苷苷酸酸(不不参参加加反反应应基基团团必必须须保保护护),),按设计的顺序依次加上去。按设计的顺序依次加上去。l合成所用的活性单体是质子化的核苷合成所用的活性单体是质子化的核苷 3-3-亚亚磷酰氨。磷酰氨。