组合化学应用之二：固相组合合成领域期待新突破
曾经是组合合成主要方法的固相合成化学，在过去几年里的应用已成下降趋势。这是因为，将普通合成方法转移到固相化学的过程中出现了一些问题，导致开发必要的方法学的时间过长，与新药开发周期日益缩短的要求相悖。目前，一些高等院校及制药企业的科研人员正在致力于突破这一瓶颈，这将很有可能促进固相合成化学的再次广泛应用。
■固相载体的研究进展
固相合成化学家们已经达成共识，不加修改地将液相反应转移到固相上是行不通的，因为固相载体本身的复杂性。例如，使用不同极性的溶剂引起的变化，树脂珠内部的包埋作用和空间位阻，以及在不同条件下解离产物时所引起的变化，等等。因此，对树脂基本性质的考察是十分必要的。
Bradley研究组的一项研究，通过共焦Raman光谱对一些市售树脂(包括聚苯乙烯树脂PS和TentaGelTM树脂TG)的官能团位点的分布进行了考察。将甲氨基化的PS和TG树脂与4-氰基苯甲酸进行偶联反应，不同时间停止反应可以获得上载率不同的树脂。树脂珠上分布的氰基在Raman光谱上2230cm-1表现很强的伸缩振动。随机选择树脂珠上的一点，发现在x轴和y轴上所得的Raman谱图基本一致，这就说明了这两种树脂的活性官能团在空间上的分布都是完全一致的，没有证据表明在树脂珠的表面或是内部出现了官能团“富集”的现象。时程实验表明，PS树脂所有的反应位点几乎同步进行反应；而TG树脂则是外部位点反应较快，内部位点反应需要延长时间，表明TG树脂参与的反应的速率受扩散控制。
, 百拇医药
树脂交联度对反应速率有着显而易见的影响。早期通过对树脂内部反应和三相催化反应的考察，表明增大交联成分直接导致反应速率的降低，并且二者呈线性关系。扩散速率与反应速率有着必然的联系，Meldal及其同事采用染色手段对大孔树脂上的扩散形式进行了全面的研究。结果表明，增加树脂的交联成分则会降低扩散速率，因此也会降低反应速率。扩散速率还和其他因素有直接联系：树脂珠半径越大，则扩散越慢；升高温度、改善溶胀性、增大浓度等都会提高扩散速率。
对于“一珠一化合物”合成策略中使用的树脂，单珠的高载量极为重要。为实现高载量，就必须将低载量的树脂“树丛化”。低载量的树脂作为中心核分子，再在其外面成长出密集层或构造分子“树枝”状。Lebreton等人报道选用异氰酸酯单体将PS树脂(75μm~150μm)和TG树脂(160μm)的上载量分别提高至每珠12.5nmol和9.0nmol。
树脂的重复利用至今几乎未得到人们的重视。通常情况下，当目标产物从树脂上脱离后，树脂就被丢弃。然而从理论上讲，如果树脂上活性官能团能够再生，那么树脂则有回收利用的价值。对大规模合成反应来说，树脂的重复利用不仅在经济上可以发掘潜在的价值，而且对环境保护也可做出贡献。有些研究以带有Marshell连接分子的PS树脂证明了三重反应-切离-反应循环的可行性。尽管一些树脂的颜色变暗，但对反应性、上载率、产物纯度和收率等的影响基本可以忽略。
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■新型固相连接分子的应用
连接分子是连接固相载体与底物的桥梁。一套固相合成反应的成败与否，与连接分子在全部反应步骤中(从底物的上载到最终的切离)的表现密切相关。在最近的几年里，保护基策略的不断改进间接促进了新型连接分子的出现，继而推动了固相合成的深入发展。新型连接分子的设计不仅要求结构上的稳健，还旨在通过这一桥梁分子来指导化学反应的发展方向，控制最终产物的骨架构型。这些精巧的连接分子在合成方法学上已超越了载体和底物机械性连接的概念和功能。这样的例子并不少见。例如，α-硅烷亚胺连接分子通过硅烷与亚胺氮原子重排生成一个甲亚胺型叶立德，然后与不同的亲偶级化合物进行环加成反应，生成一系列的吡咯烷类化合物。这类连接分子的特点在于通过独特的重排方式能够快速实现结构上的多样性。或如，α-硫醚酯连接分子烃化后活化为锍，然后在碱性条件下形成叶立德，通过分子内的Michael加成转为烯酮结构。产物通过形成环丙烷结构从树脂上脱下。这种独特的成环脱载方法同样也适用于通过叶立德与醛的分子内加成来合成环氧丙烷结构。
, http://www.100md.com
Meldrum酸作为连接分子经原甲酸三乙基酯活化后，与苄胺生成环丙二酸苄氨酯，在200℃断键生成喹诺酮类产物伴随放出二氧化碳。这一方法可以合成数量巨大的杂环库。
■微波辅助技术的应用
与传统热源相比，微波可从分子水平对物质进行加热，因此具有起热快速、受热均匀的特点。在微波辐射条件下进行反应的最大优势在于反应速度和产率的显著提高。因此，将微波加热技术与组合合成化学的结合应用，可以收到一个“快上加快”的效果，十分有利于新药的发现。
目前许多配置精密的微波反应装置都具备以下的特点：内置磁力搅拌系统；采用光纤探头、热电耦或IR传感器直接控制反应物的温度；配备可以通过调节微波功率来实时控制温度和压力变化的软件系统。到2000年，所有的有机合成用微波仪器的生产商均已转向开发组合/高通量平台系统。
在过去的十年里，微波辅助固相有机合成反应已经成为科研人员越来越重视的课题。国外学者最近采用多模式微波反应装置进行了一项固相有机合成的研究。研究结果表明微波辅助手段可以有效地将芳香羧酸化合物引入到PS氯甲基树脂上。同传统的加热方式相比，微波辅助手段在提高反应速率和上载量两个方面表现出显著的优势。这个反应是以NMP作溶剂在开口玻璃仪器中进行的，传统方法需加热到80℃后反应12~48小时，改用微波加热则片刻升温至200℃，反应时间减少到5~15分钟。重要的一点是PS树脂即使置于微波辐射下200℃的环境里，较长时间内仍未发生降解。相关研究中，通过微波加热将芳香羧酸上载到PSWang树脂上。常压下200℃反应10分钟，芳香羧酸几乎达到定量上载；而与此相对照，传统方法室温条件下则需要2~3天。
, 百拇医药
1998年，自从第一个微波辅助平行合成后，此后相关的研究纷纷出现，这些研究的主题主要集中于微波辅助无溶剂条件下进行多组分反应构建杂环体系。最近研究较多的是在微波辅助下固相有机平行合成方法的应用。Glass和Combs报道了微波辅助树脂产物切离反应，固载于4-丁酰磺酰胺树脂上的N-乙酰氨基酸切离后生成一系列胺类产物。实验采用家用微波炉和传统油浴两种加热形式对照了二异丙胺和苯胺在DMSO中的生成速度。80℃的油浴加热在一小时内仅达到20%的转化率；而使用微波辅助方法，即使是通常情况下不易反应的苯胺，脱载仍然能够在140℃左右15分钟内全部完成。运用这一手段，研究者选用10个带有不同酰基(R2)的氨基酸(R1)和88个不同的胺(R3R4NH)参加切离反应，在96孔板上通过微波辐射进行平行合成，完成了一个880个成员的组合库的构建。
固相合成化学曾经作为组合化学的旗舰，带动了这一领域的蓬勃发展。尽管目前在合成方法学上还未有更新的突破，但是随着对固相载体本质的深入了解，新颖的连接分子和连接方法的不断出现以及现代化设备的发明使用，相信在不久的将来，固相合成化学一定会在药物发现史中再次谱写一段辉煌的篇章。
(刘洋 郑利刚 陈卯生), 百拇医药(刘洋；郑利刚；陈卯生)
■固相载体的研究进展
固相合成化学家们已经达成共识，不加修改地将液相反应转移到固相上是行不通的，因为固相载体本身的复杂性。例如，使用不同极性的溶剂引起的变化，树脂珠内部的包埋作用和空间位阻，以及在不同条件下解离产物时所引起的变化，等等。因此，对树脂基本性质的考察是十分必要的。
Bradley研究组的一项研究，通过共焦Raman光谱对一些市售树脂(包括聚苯乙烯树脂PS和TentaGelTM树脂TG)的官能团位点的分布进行了考察。将甲氨基化的PS和TG树脂与4-氰基苯甲酸进行偶联反应，不同时间停止反应可以获得上载率不同的树脂。树脂珠上分布的氰基在Raman光谱上2230cm-1表现很强的伸缩振动。随机选择树脂珠上的一点，发现在x轴和y轴上所得的Raman谱图基本一致，这就说明了这两种树脂的活性官能团在空间上的分布都是完全一致的，没有证据表明在树脂珠的表面或是内部出现了官能团“富集”的现象。时程实验表明，PS树脂所有的反应位点几乎同步进行反应；而TG树脂则是外部位点反应较快，内部位点反应需要延长时间，表明TG树脂参与的反应的速率受扩散控制。
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树脂交联度对反应速率有着显而易见的影响。早期通过对树脂内部反应和三相催化反应的考察，表明增大交联成分直接导致反应速率的降低，并且二者呈线性关系。扩散速率与反应速率有着必然的联系，Meldal及其同事采用染色手段对大孔树脂上的扩散形式进行了全面的研究。结果表明，增加树脂的交联成分则会降低扩散速率，因此也会降低反应速率。扩散速率还和其他因素有直接联系：树脂珠半径越大，则扩散越慢；升高温度、改善溶胀性、增大浓度等都会提高扩散速率。
对于“一珠一化合物”合成策略中使用的树脂，单珠的高载量极为重要。为实现高载量，就必须将低载量的树脂“树丛化”。低载量的树脂作为中心核分子，再在其外面成长出密集层或构造分子“树枝”状。Lebreton等人报道选用异氰酸酯单体将PS树脂(75μm~150μm)和TG树脂(160μm)的上载量分别提高至每珠12.5nmol和9.0nmol。
树脂的重复利用至今几乎未得到人们的重视。通常情况下，当目标产物从树脂上脱离后，树脂就被丢弃。然而从理论上讲，如果树脂上活性官能团能够再生，那么树脂则有回收利用的价值。对大规模合成反应来说，树脂的重复利用不仅在经济上可以发掘潜在的价值，而且对环境保护也可做出贡献。有些研究以带有Marshell连接分子的PS树脂证明了三重反应-切离-反应循环的可行性。尽管一些树脂的颜色变暗，但对反应性、上载率、产物纯度和收率等的影响基本可以忽略。
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■新型固相连接分子的应用
连接分子是连接固相载体与底物的桥梁。一套固相合成反应的成败与否，与连接分子在全部反应步骤中(从底物的上载到最终的切离)的表现密切相关。在最近的几年里，保护基策略的不断改进间接促进了新型连接分子的出现，继而推动了固相合成的深入发展。新型连接分子的设计不仅要求结构上的稳健，还旨在通过这一桥梁分子来指导化学反应的发展方向，控制最终产物的骨架构型。这些精巧的连接分子在合成方法学上已超越了载体和底物机械性连接的概念和功能。这样的例子并不少见。例如，α-硅烷亚胺连接分子通过硅烷与亚胺氮原子重排生成一个甲亚胺型叶立德，然后与不同的亲偶级化合物进行环加成反应，生成一系列的吡咯烷类化合物。这类连接分子的特点在于通过独特的重排方式能够快速实现结构上的多样性。或如，α-硫醚酯连接分子烃化后活化为锍，然后在碱性条件下形成叶立德，通过分子内的Michael加成转为烯酮结构。产物通过形成环丙烷结构从树脂上脱下。这种独特的成环脱载方法同样也适用于通过叶立德与醛的分子内加成来合成环氧丙烷结构。
, http://www.100md.com
Meldrum酸作为连接分子经原甲酸三乙基酯活化后，与苄胺生成环丙二酸苄氨酯，在200℃断键生成喹诺酮类产物伴随放出二氧化碳。这一方法可以合成数量巨大的杂环库。
■微波辅助技术的应用
与传统热源相比，微波可从分子水平对物质进行加热，因此具有起热快速、受热均匀的特点。在微波辐射条件下进行反应的最大优势在于反应速度和产率的显著提高。因此，将微波加热技术与组合合成化学的结合应用，可以收到一个“快上加快”的效果，十分有利于新药的发现。
目前许多配置精密的微波反应装置都具备以下的特点：内置磁力搅拌系统；采用光纤探头、热电耦或IR传感器直接控制反应物的温度；配备可以通过调节微波功率来实时控制温度和压力变化的软件系统。到2000年，所有的有机合成用微波仪器的生产商均已转向开发组合/高通量平台系统。
在过去的十年里，微波辅助固相有机合成反应已经成为科研人员越来越重视的课题。国外学者最近采用多模式微波反应装置进行了一项固相有机合成的研究。研究结果表明微波辅助手段可以有效地将芳香羧酸化合物引入到PS氯甲基树脂上。同传统的加热方式相比，微波辅助手段在提高反应速率和上载量两个方面表现出显著的优势。这个反应是以NMP作溶剂在开口玻璃仪器中进行的，传统方法需加热到80℃后反应12~48小时，改用微波加热则片刻升温至200℃，反应时间减少到5~15分钟。重要的一点是PS树脂即使置于微波辐射下200℃的环境里，较长时间内仍未发生降解。相关研究中，通过微波加热将芳香羧酸上载到PSWang树脂上。常压下200℃反应10分钟，芳香羧酸几乎达到定量上载；而与此相对照，传统方法室温条件下则需要2~3天。
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1998年，自从第一个微波辅助平行合成后，此后相关的研究纷纷出现，这些研究的主题主要集中于微波辅助无溶剂条件下进行多组分反应构建杂环体系。最近研究较多的是在微波辅助下固相有机平行合成方法的应用。Glass和Combs报道了微波辅助树脂产物切离反应，固载于4-丁酰磺酰胺树脂上的N-乙酰氨基酸切离后生成一系列胺类产物。实验采用家用微波炉和传统油浴两种加热形式对照了二异丙胺和苯胺在DMSO中的生成速度。80℃的油浴加热在一小时内仅达到20%的转化率；而使用微波辅助方法，即使是通常情况下不易反应的苯胺，脱载仍然能够在140℃左右15分钟内全部完成。运用这一手段，研究者选用10个带有不同酰基(R2)的氨基酸(R1)和88个不同的胺(R3R4NH)参加切离反应，在96孔板上通过微波辐射进行平行合成，完成了一个880个成员的组合库的构建。
固相合成化学曾经作为组合化学的旗舰，带动了这一领域的蓬勃发展。尽管目前在合成方法学上还未有更新的突破，但是随着对固相载体本质的深入了解，新颖的连接分子和连接方法的不断出现以及现代化设备的发明使用，相信在不久的将来，固相合成化学一定会在药物发现史中再次谱写一段辉煌的篇章。
(刘洋 郑利刚 陈卯生), 百拇医药(刘洋；郑利刚；陈卯生)