2.8. Основные концепции комбинаторной химии
Цели комбинаторной химии, терминология. Жидкофазный и твердофазный синтез.
Средняя статистика показывает, что одно новое лекарственное средство находят при скрининге из 100 000 испытанных соединений. Синтез новых веществ одно за другим и их последовательные испытания являются чрезвычайно дорогой программой. Успехи молекулярной биологии и генной инженерии привели к революционному изменению методов отбора новых биологически активных соединений (раздел 1.2), к так называемому высокоэффективному скринингу (High Througput Screening). В свою очередь это потребовало интенсификации органического синтеза, т. к. для скрининга необходимы многие тысячи новых соединений. В качестве примера можно привести опыт фирмы Bayer, которая испытывает до 20 000 новых веществ в год. Для получения массива новых веществ, так называемых библиотек соединений, используют методы комбинаторной химии. Сами библиотеки могут быть массивами индивидуальных соединений или смесями. В данном разделе рассмотрены только методы синтеза индивидуальных веществ. К комбинаторным методам относят синтезы, в которых в результате проведения нескольких последовательных реакций число соединений увеличивается по экспоненте. В основу получения новых веществ положена надстройка группировок в одном соединении, которое называют билдинг-блоком. В таком веществе необходимо иметь две или три группировки, которые могут вступать в реакции. При проведении первой реакции другие группы не реагируют. Полученный продукт вновь направляют на следующую реакцию, в которой может участвовать также только одна группа. Так, например, в качестве билдинг-блока используем вещество А, в молекуле которого имеются две реакционноспособные группировки. Проведение реакции по одной из них с 10 реагентами b(1 – 10) приведет к получению десяти соединений. Взаимодействие каждого из полученных веществ с 10 реагентами с(1 – 10) приведет к 100 новым соединениям Abc. Следует отметить, что требование к содержанию основного вещества составляет 90 %, а не 98 – 99 %, как для лекарственного препарата. Для создания библиотеки используют два метода:
синтез на твердой фазе (полимере)
проведение реакций в жидкой фазе с выделением или без выделения промежуточных продуктов.
Принципы твердофазного синтеза отработаны при получении пептидов (см. раздел 3.1).
Твердофазный синтез
В комбинаторной химии на твердой фазе используются методы, отработанные на химии пептидов. Большим достоинством твердофазного синтеза является то, что он может быть автоматизирован. В билдинг-блоке также должно иметься несколько реакционноспособных групп. Необходимо иметь заместитель, который связывается с полимерным носителем, и полученная связь может быть довольно просто разрушена после завершения синтеза. По второму реакционному центру проводятся последовательные реакции. Промежуточные продукты не удаляются с носителя. В качестве твердой фазы используются полимерные соединения. Для использования в комбинаторной химии в молекулу полимера вводятся реакционноспособные группировки. К полимерам предъявляются следующие требования:
набухаемость в органических растворителях;
нерастворимость в органических растворителях, в которых проводятся реакции;
устойчивость полимерной цепи при проведении реакций.
В качестве твердофазного носителя используют сополимер стирола и дивинилбензола (1 – 2 %), а также полиакриловую или полиметакриловую кислоту. В качестве примера введения реакционноспособных групп для последующего проведения синтезов можно рассмотреть модификации сополимера стирола и дивинилбензола. В полимере имеются фенильные группы, в которые вводят реакционноспособные группировки:
Как видно из схемы, группировки подбираются таким образом, чтобы после проведения реакций можно было с помощью известных приемов удалить с полимера полученные соединения. Выбор реакций для проведения твердофазного синтеза обусловлен следующими факторами:
реакции должны протекать с выходом, близким к 100 % при комнатной температуре;
взаимодействие групп в билдинг-блоке должно обеспечивать реакции с большим кругом реагентов для того, чтобы была возможность получения библиотеки соединений;
реакции должны быть региоселективны;
полученные соединения не должны разрушаться при снятии с полимера.
В качестве первого примера представлен на схеме синтез библиотеки производных изохинолина:
Вторым примером может служить использование реакции Биджинелли для получения библиотеки производных пиримидина:
Третьим примером является синтез производных фторхинолона. И в этом случае используют тот же полимер, но его дополнительно модифицируют для увеличения доступности реакционного центра:
Синтез представлен на следующей схеме:
Обычные реакции адаптируют для проведения твердофазного синтеза. После проведения первого процесса смолу с закрепленным на ней соединением отмывают растворителем от реагента. Проводят второе превращение и т. д. После окончания синтеза полученное соединение снимают с полимерной матрицы и выделяют из раствора обычными приемами. При проведении реакций в мягких условиях возможно использование автоматического синтезатора. Недостатком метода твердофазного синтеза является относительная дороговизна, т. к. реагенты при проведении процесса берутся в избытке. Кроме того, отмывка смолы требует расхода большого объема растворителей.