第六章 組合化學.ppt

1、第六章 組合化學,組合化學是一項新型化學技術(shù)，他利用一系列合成、測試技術(shù)，在短時間內(nèi)合成數(shù)目龐大的有機化合物，經(jīng)過高效生物活性篩選，從中發(fā)現(xiàn)一批具有活性的藥物前體。 組合化學是應生物學家建立起來的高通量篩選技術(shù)的需要而產(chǎn)生的。 組合化學合成技術(shù)已經(jīng)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重要成就之一,Combinatorial chemistry,組合化學的起源,組合化學最早起源于固相多肽合成。就本質(zhì)而言，組合化學是建立在高效平行的合成之上的，這種合成方法步驟有限，但生成的化合物庫內(nèi)包含大量化合物。 組合化學不是單一的一種技術(shù)，它包含了一系列化學技術(shù)。它是一門交叉性學科，它

2、以有機化學為基礎(chǔ)，與生物化學、藥物化學密不可分，并涉及到數(shù)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步合成，在數(shù)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,第一節(jié)，組合化學概念,以組合化學為基礎(chǔ)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。 因此化學家不在去尋找把化合物A和B轉(zhuǎn)化為C的條件，而是發(fā)現(xiàn)一系列As和Bs轉(zhuǎn)化成大量Cs的最佳條件,五肽的合成,用20種天然氨基酸合成的五肽，組合起來有以下種： 二聚體 202=400 三聚體 203=8000 四聚體 204=160,000 五聚體 205=3200,000,一、組合化學策略,要合成大量的化合物

3、，目前有兩種不同的策略可以進行： 混合物合成方式和平行合成方式,混合物合成方式,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(chǎn)物如：正丁酸與醇縮合形成酯的反應,平行合成方式,是指在合成過程中以平行的方式同時合成多種反應產(chǎn)物。 每個反應是獨立進行的，如上述反應當每個反應同時獨立進行時，即為平行合成方式,高通量篩選,指在藥物篩選過程中的一種新方法,High Throughput Screening,分子多樣性 Molecular diversity,是一種描述分子并把它們分成若干個有用組的技術(shù)（計算機設(shè)計技術(shù)）。 可以通過對所設(shè)計合成的化合物庫中各個分子的物理化學性質(zhì)等多方面的計算而分成

4、不同特性的組，以利于高通量合成和篩選。 如親水性，疏水性，鍵長等等,高通量合成,一種大量合成化合物的方法,High Throughput Synthesis,二，固相合成法,是最早以固相肽合成建立起來的組合方法。 固相合成Solid phase synthesis技術(shù)由Merrifield(1963)首創(chuàng)，他使用取代的樹脂作為固相載體來合成多肽； 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80年代才有了突破,固相合成的優(yōu)點,1）可以使用過量的試劑是反應趨于完全。 2）反應結(jié)束后，可以通過過濾、洗滌固相介質(zhì)除去反應物。 3）節(jié)省了分離純化的時間 4) 反應收率高，產(chǎn)物純度高,樹脂珠

5、的種類,目前固相合成中較多使用的樹脂是小的球狀樹脂珠（80-200um）,常用的有以下幾種,1,交聯(lián)聚苯乙烯,結(jié)構(gòu),活化方式,1) 氯甲基化 2) 氨基化 3) 羧基化,2，聚酰胺樹脂,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，不利于它們的合成，因此Shepparl設(shè)計了聚酰胺樹脂；它們是以N,N-雙烯丙酰基乙二胺為交聯(lián)劑，以N,N-甲基丙烯酰胺為骨架的聚合物,3，多孔玻璃,聚苯乙烯和聚酰胺樹脂通常缺乏結(jié)構(gòu)上的剛性，不能用于需要長期溶劑化而達到連續(xù)流動合成的目的。 因此人們又設(shè)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玻璃球狀物，

6、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,合成方法,茶葉包法 tea-bag 用具有74mm網(wǎng)眼的聚丙烯網(wǎng)袋（15mmX20mm），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基酸，然后它被浸在反應物核偶聯(lián)劑的混合溶劑中，把袋子集中進行脫保護、洗滌、中和及再偶聯(lián)等步驟,混合均分法 Mix-Split,一珠一物法(one bead,one compound)， 該方法依賴于在樹脂珠上合成化合物，一定數(shù)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。 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應,圖例,其他固相合成方法,多

7、針上的合成 在40mm, 直徑為4mm的聚苯乙烯針上合成。 在園片上合成 在直徑0.635cm，厚度為0.3715cm的聚苯乙烯上合成。 在薄片上合成 在玻璃片、紙片上合成（50-400um,三、液相合成法,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(chǎn)物連接到固相載體上時，檢測反應過程比較困難，因此人們重新研究了液相合成方法,Solution phase Synthesis,平行液相合成,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、?；磻龋梢砸韵鄬^小的量進行（10umol/L）。反應混合物可以用薄層層析和質(zhì)譜分析，測定產(chǎn)物的濃度,索引化合物庫合成,化合物庫

8、通過選取每一個酰氯（A）,將其與等摩爾的親核試劑混合物（N1-40），在二氯甲烷溶液中反應。 同樣，在選取一個親核試劑（N）與含所有酰氯的混合物(A1-40)反應?？梢缘玫?600個化合物，從而構(gòu)成了一個索引化合物庫,四、液體相合成,由于液相合成存在一些不確定性，在合成的每一步之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，如果用混合物方式合成，那么，純化過程幾乎是不可能的。 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(jié)合起來，從而形成了液體相合成方法。 其原理是將化合物結(jié)合到一種可溶性高分子上，反應后，經(jīng)過調(diào)節(jié)反應體系的溶劑、離子強度、pH等使高分子從

9、溶液中沉淀下來。 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(jié)晶析出,Liquid phase Synthesis,樹枝狀載體的組合合成,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技術(shù)，寡聚物可以通過色譜技術(shù)分離純化。合適的樹枝狀分子具有特殊的溶解性、化學穩(wěn)定性和高載量,樹枝狀載體的組合合成,五、組合合成的應用,藥物合成與篩選 催化劑的合成與篩選 高分子試劑的合成與篩選 酶抑制劑的合成與篩選 酶催化的組合合成,第二節(jié) 多肽的化學合成,多肽的化學合成，是按照設(shè)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 要成功的合成具有特定氨基酸順序的

10、多肽，必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(cè)鏈活性基團進行保護。同時還要對羧基進行活化,一 氨基的保護方法,1）叔丁氧基?；╰-Boc） t-Boc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t-Boc-氨基酸，可以有效地保護氨基。 t-Boc基可以在溫和的酸性條件下，以氣態(tài)形式被除去,2）芐氧?；–Bz,CBz也是一種常用的氨基保護基。 CBz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(chǎn)物也容易分離,二、羧基的保護方法,1）苯甲醇酯法 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： 此保護基可以用氫解方法除去,2）叔丁醇

11、酯法,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,三，肽鍵形成方法,1）酰氯法 氨基酸的羧基可以通過以下的反應，方便地轉(zhuǎn)變成酰氯： 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的消旋化，實際應用價值不大,1羧基活化法,2）酸酐法,氨基酸的羧基可以轉(zhuǎn)變成酸酐： 這種酸酐有兩個親電中心，在形成肽鍵時能夠產(chǎn)生幾乎等量的副產(chǎn)物,3）活性酯法,常用的活性酯是氨基酸-對硝基苯酚酯。這種活性酯容易與氨基作用形成肽鍵,2偶聯(lián)劑縮合法,偶聯(lián)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(lián)劑是N,N-二環(huán)己基碳二亞胺（簡稱DCC）。 DC

12、C先與一分子氨基酸的羧基反應，生成類似酸酐的中間產(chǎn)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，形成肽鍵。反應中產(chǎn)生的DCU不溶于大多數(shù)有機溶劑，容易與產(chǎn)物分離。 此法的優(yōu)點是消旋化可能性很小。DCC是多肽合成中應用最廣的一種試劑,四. 多肽的固相合成,此法的基本過程是：將目標多肽的C-端羧基以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，與另一分子氨基酸的羧基作用（用DCC作偶聯(lián)劑）形成肽鍵。不斷重復這一過程，即可以得到目標多肽產(chǎn)物。 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(chǎn)物,組成合成法合成多肽,在混合均分合成法中，每一個合成步驟分

13、別合成出x組中間體，將這些中間體混合均勻后平均分成x份，并分別延長一個結(jié)構(gòu)單元。 反應產(chǎn)物再混合均分成x份，再延長一個結(jié)構(gòu)單元，直至完成全部合成,第三節(jié)、多聚核苷酸的化學合成,DNA 和 RNA 的化學合成非常復雜。與合成多肽類似, 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。 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，還要對不參加反應的基團進行保護，而且對保護、偶聯(lián)和脫保護基的每一步反應要求具有高的產(chǎn)率,一、保護基,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, 戊糖的羥基(2-,3-或5-羥基), 以及核苷酸的磷酸基,1堿基中游離氨基的

14、保護,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磷酰胺, 必須進行保護。 常用于氨基保護的?；校阂阴；?、異丁酰基、異丁氧羰基、苯甲?；蛯籽趸?苯甲?；?。 ?；Ｗo基通常用濃氨水、NaOH或肼溶液水解除去,2 戊糖羥基的保護,脫氧核糖上有兩個羥基 (3-和5-羥基), 而核糖則有三個羥基 (2-, 3-和5-羥基)。在多聚核苷酸合成過程中, 對戊糖羥基進行選擇性保護顯得特別重要。 單對甲氧基-三苯甲基（MMT）、雙對甲氧基-三苯基(DMT)或三苯甲基常用來選擇性地保護5 - OH。 用四氫吡喃基（THP）保護醇羥基是一個在有機合成中廣泛應用的方法。該保護基的引入和除去均在酸性條件下進行。 核糖2-和3-羥基處于順式位置, 可以用異丙叉基同時進行保護。常用的保護劑是丙酮,3磷酸酯基的保護,甲基是常用的磷酸羥基保護基。甲醇與亞磷酰氯作用，生成單甲基亞磷酰氯。然后依次與含有游離3-OH的核苷和二異丙基胺反應，得到一個質(zhì)子化的活性中間體核苷3- 亞磷酰胺。 上述反應是DNA固相合成的基本反應。 其它一些基團，如2, 2, 2三氯乙基，芳基和 -氰乙基等也可用于磷酸酯基的保護,二、磷酸二酯鍵的形成,主要有兩種方法：將磷酸酯基轉(zhuǎn)變成活性較高的磷酰