自從上世紀80年代末期，隨著分子生物學研究的突破--高通量篩選技術的發(fā)展，新藥開發(fā)所需要的新分子實體的數目越來越多，科學家們把注意力從尋找天然產物轉入合成大數目的化合物群——化學庫?；瘜W庫是由諸多具有不同屬性的有機化合物的組成的。而組合化學是一種合成化學庫的技術，運用這項技術，不同系列的合成砌塊--結構片段有序地排列起來，以構筑多樣化的有機化合物庫。組合化學經過近二十年快速發(fā)展，已經演變成為一門學科，其概念和技術已被廣泛地接受并用于具有生物活性物質及先導化合物的研發(fā)過程中。

據報道，一種新藥從開始研制到上市，需要10~12年的時間，研究費用高達5億美元以上；藥物的研制歷程之所以這樣長，很重要的原因在于先導化合物的發(fā)現與優(yōu)化速度相當緩慢。組合化學的引入能夠大大加快新藥的研制速度，對傳統(tǒng)藥物合成化學造成了巨大沖擊。經過十幾年的發(fā)展，組合化學方法已成為新藥研制的必由之路，它的出現被譽為近年來藥物合成領域的最顯著的進步之一。

化學庫合成從上世紀80年代末開始應用在新藥開發(fā)領域，緊隨著高通量篩選技術的成熟而日臻完善。Affimax 研究所作為第一家風險投資的組合化學公司出現在新興的生物制藥公司中。Affimax 的商業(yè)成功促進了用組合化學的風險投資進一步增加，到90年代前期ArQule 和Pharmacopeia 成立時進入頂峰。目前，國外風險投資興辦的新的組合化學公司仍在興起，以組合合成技術為主體的制藥公司仍是歐美投資領域的熱點之一。

1、 化學庫合成的特點

化學庫合成最早起源于固相制備多肽、核苷酸、糖、脲等化合物，也稱同步多重合成，組合合成、組合庫和自動合成法。就本質而言，化學庫合成是建立在高效平行的合成之上的，以組合化學技術為依托，合成步驟有限，但生成的化合物庫內包含大量化合物。它的最大優(yōu)點是合成的微型化、集成化和自動化，可以迅速、高效地對大量樣品進行合成。

組合化學作為合成化學的一個分支，展現出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。同時，組合化學經常被人們稱為數字游戲，也就是如何排列眾多的合成砌塊的問題。從理論上講，組合合成的總反應產物數N是由兩個因素決定的，每一步的合成砌塊數目b和合成的步驟數x。例如，對于一個三步的線性組合反應，如果每步的反應物數目分別是b1,b2和b3，那么，理論上的總反應產物的數目是N=b1b2b3。因此，化學庫合成的目標就是怎樣有效地盡量得到這一反應的所有產物N?；瘜W庫合成的另一研究目標是反應產物的結構多樣化問題，以滿足高通量篩選生物學研究。

每一個化學庫都有一個公共的化合物結構單元，要求其具有某些潛在的生物活性，一般稱之為化學庫的母體結構。這些結構既要能產生分子的多樣性, 又要具有一定的化學反應活性。在人們不斷利用已知天然產物活性結構進行化學庫合成設計的同時, 也在尋求著新的、具有可修飾性而且更適合于庫合成的母體結構。含氮雜環(huán)化合物在藥物中一直占有重要地位，而且自組合化學誕生以來, 人們就試圖推動這一重要領域的發(fā)展,許多含氮雜環(huán)化合物，如哌嗪、哌啶、嘌呤、螺環(huán)吡咯烷、嘧啶等庫，用組合化學技術得到成功合成。

因此，化學庫合成的根本問題就是怎樣快速地得到更多的包羅萬象（借助于計算機化學事先設計）的化合物。合成體系大多采用在Merrifield 工作基礎上發(fā)展起來的固相反應；相對而言, 人們采用液相合成體系的研究則起步較晚, Ugi 多組分縮合反應可以說是它的萌芽。近年來，從固相合成到快速液相平行合成，庫合成在反應體系上取得了突破性的進展。常用的幾種合成體系簡介如下。

1)固相合成：是先把反應物連接到一個固相載體（通常是官能團化的高分子材料）上，然后，在非均相的條件下進行有機反應。在固相合成中, 它可以采用過量的反應試劑使反應進行完全, 通過簡單過濾就能分離純化產物。組合化學最早起源于固相有機合成，主要應用在寡聚物, 如肽、類肽等大分子領域。至今為止，還有很多人仍把化學庫合成理解為固相合成。固相合成也因此而得到快速的發(fā)展。操作簡單，易于提純, 因此更適合于多步反應，例如多肽等寡聚物的合成。但是，但是單一鍵的連接方式對于合成分子多樣性的化學庫是個致命的弱點；固相合成的方法、工藝路線、反應條件都受到了樹脂本身物化性質的限制，例如反應溫度的選擇。另外，固相反應的原位跟蹤，分析技術也不如液相豐富。

2)液相合成：與傳統(tǒng)的有機合成接軌，有成熟的合成路線與工藝，合成方法也較為成熟，其應用范圍廣泛。有機合成家們比較熟悉這一類反應，用起來得心應手，這對藥物化學家來說比較有利。液相合成能夠提高合成速度，同時也提高了對化學分析手段的要求。沒有樹脂負載量的影響，不受合成量的限制，反應過程中能對產物進行分析測定，易于跟蹤分析，但實驗操作復雜、產物不易于分離純化。相對于固相合成來說, 液相合成更適合于步驟少、結構多樣性小分子化合物庫的合成，故在人們將視線逐漸轉向具有藥理活性的有機小分子合成的同時，液相組合化學也得到了快速發(fā)展。

3)帶載體的液相合成：為充分發(fā)展液相合成的優(yōu)點（方法成熟）而克服其弱點（難分離），液相合成中載體技術的應用是一種極為重要的手段。含氟載體應用于有機合成中是一種新穎合成策略，能提高分離效率，在組合化學的微量合成中尤為重要，如用含氟有機錫載體進行 Stille 偶聯(lián)的液相組合合成?？扇苄跃酆衔锸橇硪淮箢悜糜诮M合化學的載體，雖然受到在溶液中的可溶性和其負載量的限制, 但由于易得而又能提供合適連接基團使人們有理由相信它在組合化學中的應用前景。載體技術的應用使液相組合化學方法更為完善，Curran和Booth等人在他們的文章中展示了載體技術在液相合成中廣闊的應用前景。

總之，化學庫合成借助于組合化學快速系統(tǒng)的方法，能在較短的時間里合成大量的目標化合物，省時、省力又省錢，尤其受到了藥物研究及開發(fā)者的重視。

2、 化學庫合成的規(guī)劃
化學庫合成技術打破了傳統(tǒng)化學合成的觀念，不再以單個化合物逐個地進行合成而是采用相似的反應技術，一次性同步合成成千上萬種化合物，即合成一個化學庫；這些化合物具有共同的母核結構，同時擁有分子多樣性的化學結構。依據合成化學的理論，庫合成可分為多組分法和官能團轉換法。

1)多組分法：多組分反應是有機化學反應中常見的一類反應，應用最多的是多組分縮合反應，通常指三種或三種以上反應物通過“一鍋法”形成具有每種組分結構特性的化合物。例如，Ugi反應就是最常見的一種，既適用于固相合成，也適用于液相合成。

與線性反應相比，多組分反應不僅效率高、合成速度快，而且產物的結構更加多樣化，同時代表著多個反應物的結構特性。多組分反應已發(fā)展成為化學庫合成中最重要的一類反應。隨著分離分析技術的不斷提高，越來越多的藥物研發(fā)的化學家把眼光投向多組分液相反應。主要原因在于其優(yōu)化過程簡單、反應速度快、操作容易、可合成的目標化合物多、其結構的多樣化程度高。該方法與自動化操作的相結合，合成成千上萬化合物將是有機合成中的日常作業(yè)而已，這使得較為及時地提供目標有機化合物變成了可能，以滿足快速發(fā)展的新藥篩選技術。但是，多組分液相反應僅局限于某些系列單分子合成，而且產物的分離往往很復雜。

2)官能團轉換法：官能團轉換法可分為兩種：一種是庫庫轉化法；另一種是模板外延法。這兩種方法相輔相成，已成為十分常用的構建和修飾化學庫的方法。所謂庫庫轉化法就是在已有化學庫的基礎上，通過官能團的修飾而衍生出的新化學庫，因此也被稱為“后合成修飾”。這種方法不僅快速增加化學庫的數量，也是一個有效的提高產物結構性質多元化的辦法。但是其合成方法缺點很明顯，實驗操作繁瑣、工作量比較大。

模板外延法，通常以具有多官能團特性的母核結構為模板，依次選擇性地連接
上多個化學結構片段。近年來，隨著組合化學的發(fā)展，以多官能團化合物或特定結構為模板設計的化學庫越來越多，提出了超級模板的概念，以此來闡釋此法的應用范圍之廣。事實上，這種方法就是藥物化學家多年來一直用于優(yōu)化先導化合物的方法，只不過是引進了平行合成的操作罷了。模板外延法靈活方便，適用于數目小的系列單分子庫的合成，因此被藥物合成化學家用來做先導化合物的結構修飾和結構活性關系的研究。然而，有限的商品模板，復雜的官能團保護過程，以及繁瑣的產品分離使這一方法的應用受到限制。

另外，要合成大量的化合物，目前有兩種不同的合成策略可以進行實施：混合裂分法和平行合成法。

1)混合裂分法：是利用線性有機反應的特點，將一系列反應物分組平行反應，所得產物混合到分組后再進行下一步的平行反應（如圖1 所示）。這種方法既適用于混合物的合成，也可用于系列單分子的平行合成，是混合物合成中最常用的一種方法。這種方法始于固相多肽合成，是合成較大化學庫的一種非常有效的方法。其優(yōu)點是省時省力，可以在很短的時間里合成大量的目標化合物。缺點是后處理較為繁雜，難以得到足夠純度的目標化合物，有時只能得到兩種或者兩種以上化合物的混合物。

2)平行合成法：平行單分子合成是指同時合成一系列的單個分子，然后進行分離純化。這種方法接近于經典有機合成，因此，很容易為藥物化學家所接受，已經成為最常用的庫合成方法，將此方法廣泛地用于合成小的某種特殊用途的化學庫，尤其是先導化合物的優(yōu)化過程。此方法要求設計合理高效的合成路線時，應該共同的步驟越長越好，每個化合物只是在最后的合成步驟中不同，目的在很短的時間內得到大量目標化合物。但是，每個中間產物都需要純化，加之每個化合物都要投料，工作量較大，不易于合成大的目標化合物庫。隨著自動化技術的發(fā)展，機械手操作的自動化加樣方式，使得平行合成法具有較大發(fā)展空間。

3、化學庫合成的實踐

化學庫合成以組合化學技術為基礎，其策略極為簡單，即化學結構片段的連接可存在著多種組合排列。因此化學家不再去尋找把化合物A和B轉化為C的條件，而是發(fā)現一系列As和Bs轉化成大量Cs的最佳條件。這就要求合成人員對復雜的化學庫進行簡單抽象化，找出具有代表性的特例，把握母核的合成特性；接著再對其復雜具體化，進行化學庫合成。

3.1 實驗準備
化學庫合成想要得到好的實驗結果，必須結合類似反應的參考文獻，以預測為主，設計一些具有代表性小試實驗，在整個實驗過程中進行系統(tǒng)分析，運用邏輯性的方法，準確把握庫合成反應的實驗規(guī)律，以確保結論在整個化學庫合成中的成功率（包括反應和分離，二者相輔相成，同樣重要；但合成人員經常忘記分離的成功率）。

1)最佳反應條件：在投庫之前，需要找出庫合成反應中所涉及到的關鍵條件。比如，庫庫轉化，母體化合物庫擁有大量的活性官能團，化學選擇性的可控條件成為關鍵因素；模板外延，主要考慮電子效應、空間位阻的影響；更多的時候需要兩者兼顧！多組分縮合，通常幾個反應協(xié)同進行，需要對其反應過程機理牢記在心，對生成的中間過程產物能準確分析。

2)純化條件：嚴格把握小試純化條件，優(yōu)先考慮制備板分離。若制備板分不開或分不純或化合物紫外吸收弱而且反應原料非常昂貴，再考慮用HPLC 分離。

3)反應收率：準確稱量，為庫合成的保質保量的進行提供投料量參考。一定不能簡單依據反應液混合物的LCMS和HPLC譜圖進行判斷，否則風險是很大，產物量很少，往往前功盡棄！

4)試劑管理：項目入手后首先任務是試劑管理，通常，根據庫合成路線，對原料和中間體依次進行合理編號，依次整齊排列，投料時得心應手。如果試劑管理不好會嚴重影響合成的效率，特別是化合物較多的庫，甚至會出現試劑投錯的現象。

5)項目管理：庫化合物數量繁多，加之從反應投料到最終分離交貨需要一段的時間，這就要求從對庫化合物分批、分層次進行管理。否則，可能會很混亂，越積越多，到最后影響項目的進程。

6)PC軟件使用：化學庫DB文件的制作與應用，充分利用其智能化管理試劑及目標產物的屬性（如分子量、化學結構等等）；Office辦公軟件對投料量的智能計算及方便快捷地項目管理等；目標化合物的Compound_ID的打印等等。目的盡可能使研發(fā)人員從重復、繁瑣的勞動中解脫出來。

3.2 庫合成

1)試劑稱?。何⒘?、多次。盡可能大量溶解均分，然后定量稱取，準確高效！

 
2)合成自動化：庫合成的數目如此之大，手工操作將越來越困難。因此，機械化和自動化操作將是必然趨勢。計時合成和篩選已經成為科學家們追求的目標，而且必將成為現實。一方面，儀器廠商將進一步研制方便適用的自動化合成儀器；另一方面，有些化學家們將花費更多的時間去研究改進現有反應的自動化操作過程，并尋求新的可用于自動化合成的有機化學反應?？梢韵胂笤诓贿h的將來，研究倉庫的架子上堆積的將不再是常年積累起來的化學庫，而是隨時可用的自動化合成反應及必要的反應物?？茖W家們可以隨時提取自動化反應，并計時合成出大數目的應用化學庫。這就要求庫合成人員及時了解、學習、掌握先進的自動化合成儀。目前公司常用的自動化合成儀是搖床和智能微波合成儀等。

3)協(xié)調合作：庫合成是團隊項目，需要組內成員相互協(xié)調合作，利于化學庫的高效合成。

4)做好跟蹤：選擇性地對典型的化合物進行TLC、HPLC 和LCMS 檢測，做到對每一個化合物的反應心中有數，及時調整反應溫度和時間，為下一步的分離提供質的鋪墊。

3.3 分離純化
在藥物先導化合物的發(fā)現過程中, 化合物合成只是其中一步, 更為關鍵的是生物活性的篩選。高純度的化合物更有利于提高活性篩選的準確性，避免因純度問題帶來的漏篩的可能，因而在庫合成中，分離純化要達到一定的純度，一般是85%以上。在固相反應中，采用簡單過濾手段能達到較為理想的純化效果；然而，在液相合成中，產物不易純化, 但是一些小分子雜環(huán)化合物的合成更適合在液相中進行, 另外，隨著液相組合合成手段的逐漸成熟，這一尷尬局面得到大改善。

1)成本控制：嚴格按照小試純化條件進行分離，綜合考慮成本和效率的關系。

2)QC分析：庫化合物純度的把關口，在決定產品是否可以交貨或者重新分離純化，不能簡單純粹以MS，TLC，HPLC，LC-MS來產品的純度，一定要以核磁為主要參考手段，以防過度純化所帶來的產品損失。

3)跟蹤統(tǒng)計：化合物分離純化的過程繁雜，需要組內以及專門從事分離工作的同時進行緊密合作，需要對產物進行跟蹤統(tǒng)計，借助于Excel軟件及時準確地把握產物的分離狀態(tài)。

3.4 交貨
最后一個過程，也是最為關鍵的環(huán)節(jié)。
1)轉移溶劑：低沸點溶劑，對目標分子具良好的溶解性，而且是對庫或者庫中的某些系列具有通用性；不能與目標產物反應，例如MeOH易與具有羧基官能團的產物反應等。
2)做好跟蹤：通過QC-checking之后，把產物交到專門的交貨部門；合成人員需要及時跟蹤，對自己的化合物負責。

4、結論
化學庫合成絕對不是一項單純的體力勞動，而是一項高強度的腦力勞動。庫合成能在較短的時間里合成大量的化合物，省時、省力又省錢，受到了藥物研究及開發(fā)者的重視，具有廣闊的發(fā)展前景。它將促使藥物合成向小型化、微量化、計時化、自動化和商品化發(fā)展。在具體實踐中，要求合成人員仔細認真、高效合成、精誠合作、跟蹤統(tǒng)計。