Основные принципы

Комбинаторный синтез часто используется для получения смесей продуктов. Для этого используется широкий набор исходных материалов и реагентов. Это не значит, что все возможные исходные материалы сразу помещены один реакционный сосуд. Планирование комбинаторного синтеза означает стремление к минимизации труда и максимизации числа получаемых структур.

Для примера, предположим, что мы хотим синтезировать все возможные дипептиды из пяти различных аминокислот. Используя традиционную химию их можно получать по одному. Таким образом, 25 возможных дипептидов будут получены в 25 отдельных экспериментах.

Однако используя комбинаторную химию все они могут быть получены с гораздо меньшим трудом. Если все пять различных аминокислот отдельно связать с гранулами смолы, то эти гранулы затем могут быть смешаны вместе. Таким образом, можно получить все возможные дипептиды путем взаимодействия со второй аминокислотой за пять экспериментов. Например, в одном эксперименте пять различных аминокислот будут реагировать с глицином, давая пять из 25 возможных дипептидов:

Эта смесь затем может быть протестирована на биологическую активность. Если результаты положительные, то усилия будут направлены на идентификацию того дипептида, который проявляет активность. Если активности нет, то эта смесь будет отставлена и отправлена на хранение. Полученные смеси не выбрасываются. Хотя они и не содержат соединения-лидера, но они могут содержать лидер для другой области медицинской химии. Все эти смеси как активных, так и не активных соединений, образующихся при комбинаторном синтезе, сохраняются и носят название “комбинаторных библиотек”. Последовательная обработка связанных аминокислот другими кислотами из приведенного набора даст 5 смесей состоящих из 25 пептидов.

Мы привели пример получения 25 соединений за пять синтезов. Однако, используя комбинаторный синтез имеется возможность получения тысяч или даже миллионов соединений.

Принцип “смешай и раздели”

В случае когда генерируются большие количества различных структур очень важно минимизировать объем работ. В этом случае очень хорошие результаты дает так называемый принцип смешивания и разделения (mix and split method). Этот принцип лучше проиллюстрировать на примере. Предположим, что мы хотим получить все возможные трипептиды из трех различных аминокислот (например, Gly, Val, Ala). Для это применим метод смешивания и разделения:

Стадия 1 – свяжем каждую аминокислоту с твердой подложкой

Стадия 2 – смешаем все гранулы вместе и поделим смесь на три равные части

Стадия 3 – проведем реакции каждой части с разными аминокислотами

Стадия 4 – выделим все гранулы, смешаем затем их все вместе и поделим
на три равные части. Каждая часть сейчас содержит все 9 возможных дипептидов

Стадия 5 – проведем реакции каждой порции с тремя аминокислотами

В результате мы получили все 27 возможных трипептида всего за три эксперимента вместо 27 по классической схеме. В этом примере происходило связывание между собой аминокислот, но по эту стратегию можно использовать для связывания вместе и других мономерных единиц или комбинации химических структур.

Этот принцип используется в методе комбинаторного синтеза “одна гранула – одно соединение” (One-Bead – One-Compound или ОГОС). В этом случае одна гранула связывается только с одим типом молекул, хотя их может находиться на этой грануле диаметром 100 микрон до триллиона копий. Этот метод позволяет, с одной стороны, создавать библиотеки олигомеров. Описаны созданные на основе этого метода библиотеки пептидов из 20 природных L-аминокислот, олигонуклеотидов, олигосахаридов, пептоидов, олигокарбаматов, олигомочевин и др.

Другое очень важное направление применения метода ОГОС – получение библиотек небольших молекул. Эти методом созданы библиотеки бензодиазепинов, гидантоинов, кубанов, лактамов, тиазолидинов, тетрагидрофуранов, бензпиранов, изоксазолов, триазолов, циклопентанов, циклогексанов, пиперазинов, дикетопиперазинов, пиридинов, хинолинов, бенимидазолов, хиназолинов, триазинов и др.