Учебно-методический комплекс дисциплины «Медицинская химия»
|
Скачать 1.36 Mb.
|
Лекция 10. Основные понятия и определения (скрининг и его реализация, фокусированные библиотеки и способы их формирования, “темплат”, “scaffold”). Суть комбинаторного подхода состоит в разработке методов ускоренного синтеза веществ близкого строения. Основной принцип можно проиллюстрировать на примере, представленном на схеме 1. Так, если продукт АС образуется в результате взаимодействия реагентов А и С, то одновременное использование 10 соединений А1../..А10 и С1 С10 обеспечит получение уже не одного, а 100 разных веществ однотипного строения. Схема 12.1  Самая простая демонстрация такого подхода — одновременно поместить в раствор несколько реагентов с целью получения всех возможных продуктов, например, синтез 100 оснований Шиффа из 10 альдегидов и 10 аминов Однако такой подход часто непродуктивен, т.к. по причине различной реакционной способности первоначально взаимодействуют самые активные реагенты, образуя объемные продукты. Остальные же будут присутствовать в незначительных количествах, и такую смесь трудно разделить. Тем не менее, этот метод используют, когда скорости реакций примерно одинаковы. Если перенести рассмотренный принцип на многостадийные превращения, то при участии 10 реагентов 4-х типов А1 А10, В1 В10, С1 С10 и D1 D10 всего в 4 стадии можно получить 10 000 соединений.  Процесс создания библиотеки веществ в целом может рассматриваться как итерационная процедура, когда одна библиотека становится основой для создания новой, и состоит из следующих этапов: • планирование библиотеки; • отбор В В; • химическая апробация синтеза в растворе или на твердом носителе и контроль качества продукта; • синтез библиотеки; • биологический скрининг; • идентификация активных соединений; • подтверждение активности; • интерпретация результатов. При планировании библиотеки, в первую очередь, определяют цель проведения скрининга. Если осуществляется подбор лигандов к мишени, строение которой неизвестно, и нет сведений о структуре соединений, способных с ней связываться, то это будет «скрининг наугад» — random screening. Такой скрининг предполагает проверку активности среди большого разнообразия структур и в результате будет получена огромная библиотека или совокупность нескольких более мелких, т. е. скрининг сведется к выявлению активности в океане «неактивности». В противоположность этому, целевые библиотеки содержат родственные структуры, различающиеся только заместителями, и имеют гораздо меньший размер по сравнению с массивами для broad или random screening. При этом все члены библиотеки, как правило, обладают активностью, и выбор сводится к идентификации наиболее аффинных среди них. Способы конструирования библиотек этих двух типов различаются количеством используемых ВВ, размером носителей, стратегией декодирования. Следующий важный этап в подготовке библиотеки — отбор ВВ. Обычно исходят из того, что мол. масса веществ, образующих массив, должна находиться в пределах 350—750. Общее количество соединений с массой < 750 можно оценить как 10200. Отсюда очевидно, что потенциал комбинаторной химии огромен, получить все эти соединения и проверить их активность на сегодняшний день представляется маловероятным. И все же, если предположить, что масса отобранных ВВ будет равна 150, то целевые соединения можно будет «собрать» в 2-4 стадии из 2-5 фрагментов. При выборе ВВ путем ретросинтеза определяют их доступность и реакционную способность, необходимость их синтезировать серийно или с помощью параллельного синтеза. Большинство ВВ — это амины, карбоновые кислоты, ароматические альдегиды и т.п. Удачным является такой набор ВВ, который обеспечивает максимальное разнообразие заместителей в целевых соединениях и все возможные варианты их пространственного расположения. Учитывают также физико-химические характеристики. Теоретически количество соединений в библиотеке определяют числом ВВ, участвующих в каждой стадии, и числом отдельных стадий. Если ВВ = Ь, а стадий х, то общее количество веществ N=b\ Если число ВВ на каждой стадии различно (Ь, с, d в 3-х стадийном синтезе), то N=bcd. Однако, как уже отмечалось, при значительных различиях в реакционной способности участвующих в синтезе ВВ, в первую очередь образуются продукты из наиболее химически активных реагентов, и концентрация таких соединений будет выше. Поэтому подбор ВВ осуществляют таким образом, чтобы в результате образовались эквимолярные количества целевых продуктов. При проведении синтеза в одном реакционном сосуде (one pot synthesis) оптимальной для скрининга, по мнению специалистов, является смесь из 20 веществ. В процессе усовершенствования структуры лидера скрининг смесей вообще неприемлем. Для таких целей создаются библиотеки индивидуальных соединений с количеством < 1000 веществ. При разработке стратегии синтеза важным является определение типа реакций, с помощью которых будут «собраны целевые конструкции». В настоящее время в комбинаторной химии используется довольно большой набор реакций. К ним относятся: циклоприсоединение [3+2], [2+2], [4+2]; конденсация; фоторасщепление; окисление/восстановление; реакция Михаэля; нуклеофильное замещение; восстановительное аминирование; алкилирование -N, S, О, С; металлоорганический синтез; реакция Мицунобу; гидролиз; фосфорилирование; ацилирование -N, -О, причем число реакций постоянно увеличивается. Лекция 11. Твердофазный параллельный синтез как методологическая основа комбинаторной химии. Наиболее ресурсоемкой частью в создании библиотеки является апробация получения соединений, которую обычно проводят с помощью параллельных синтезов. В случае твердофазного синтеза на этом этапе подбирают линкеры и проверяют адаптированность полимерного носителя к выбранным ВВ, т. е. определяют характер взаимодействия ВВ как с функциональными группами модифицированного полимера, так и с аналогичными лигандами в растворе. Кроме того, оптимизируют условия проведения реакций с учетом свойств носителя и линкеров. На сегодняшний день твердофазный синтез индивидуальных органических веществ так же хорошо развит, как и синтез полипептидов. Схематически этот процесс представлен на рисунке  Методы формирования многокомпонентных смесей при твердофазном синтезе хорошо отработаны только для ограниченного набора веществ, таких как амиды, пептиды и нуклеотиды. В случае получения смесей малых органических молекул на твердом носителе большое значение приобретают различия в реакционной способности взаимодействующих реагентов и в скоростях протекающих процессов. Проблема различия в скоростях реакций нашла оригинальное разрешение в методе расщепленного синтеза (split method), позволяющем сформировать смесь из эквимолярных количеств веществ. Схема такого синтеза представлена на рисунке  Так, набор фанул твердого носителя разделяют на несколько равных частей и помещают на них индивидуальные ВВ А1....А3, которые ковалентно связываются с линкерами. После этого все гранулы объединяют и вновь делят на 3 равные части, в результате чего образуются 3 смеси, в которых связанные с линкерами ВВ присутствуют в эквимолярных количествах. К каждой группе прибавляют реагенты В1, В2 и В3 соответственно. При этом в реакционном сосуде присутствует только один реагент, который взаимодействует с закрепленными на носителе субстратами. На каждой грануле формируется индивидуальный продукт (one bead, one compound). Получают 3 группы веществ по 3 соединения в каждой. Перед прибавлением ВВ С1....С3 процедуру смешивания гранул и последующего их разделения на три равные части повторяют. Таким способом, используя 9 ВВ, в три стадии можно получить 27 новых соединений. Для раздельного синтеза этих веществ потребуется 81 стадия. Синтез в растворах отличается от обычного органического синтеза только аппаратурным оформлением и высокой степенью роботизации. Это может быть как синтез индивидуальных веществ (п соединений синтезируется в п реакционных сосудов), так и смесей, когда число веществ намного больше, чем число реакторов, в которых их одновременно получают. Стоит отметить, что последний способ имеет, скорее, историческое значение и в настоящее время мало используется. Лекция 12. Оптимизация жидкофазного синтеза для нужд комбинаторной химии. В этом направлении комбинаторного синтеза существует две стратегии — синтез смесей и параллельный синтез индивидуальных веществ. Последний, несмотря на то, что приводит к формированию небольших коллекций соединений, имеет существенные преимущества. Он позволяет легко охарактеризовать полученные продукты и проводить скрининг индивидуальных соединений. При синтезе смесей возникают значительные трудности с идентификацией продуктов. Примером формирования эквимолярных смесей в одну стадию служат так называемые индексные библиотеки, созданные М.С. Pirrung с соавт. из 72 тетрагидроакридинов.  R. Storer создал библиотеку из 160000 диамидов, полученных в результате взаимодействия 50 аминокислот, 80 карбоновых кислот и 40 аминов. Каждую из 50 аминокислот вводили в реакцию со смесью из 40 аминов. Полученные в результате 50 смесей по 40 веществ реагировали с каждой из 80 карбоновых кислот. Соединения образовывали 4000 смесей по 40 компонентов каждая. В отличие от индексной библиотеки, вещества в этом случае не были получены дважды. Однако, если при скрининге какая-либо смесь давала положительный результат, то для дальнейшей проверки все 40 индивидуальных компонентов синтезировали раздельно. В рассмотренной библиотеке диамидов выявлены структуры-лидеры, обладающие сродством к ВИЧ-1-протеазе и рецепторам нейрокинина-1. Примером многостадийного комбинаторного синтеза в растворе является последовательность реакций (схема 12.7), в результате реализации которой получена библиотека из 125 пиразолов (5 смесей по 25 веществ в каждой). Успеху способствовал тщательный выбор условий проведения процессов и продуманный отбор ВВ. Так, например, аллилбромид, из-за неизбежного протекания перегруппировки Кляйзена, не использовали в качестве О-алкилирующего агента.  J. Rebek с соавт. [17, 18] для создания библиотеки предложили многоступенчатую последовательность реакций. В качестве молекулярных остовов (scaffolds, centroids), содержащих несколько однотипных реакционных центров, авторы использовали тетрахлориды ксантен- (12.1), кубантетракарбоновых (12.2) кислот и трихлорангидрид (12.3), а в качестве ВВ — эфиры аминокислот.  Первые два остова представляют собой достаточно жесткие конструкции, а производные (12.3) являются конформационно более гибкими. Продукты на основе хлорангидридов (12.1) и (12.3) обладают плоской симметрией, а производные (12.2) — сферической. При этом реакционные центры во всех случаях расположены с учетом минимального взаимного стерического влияния. В результате реакции тетрахлорида ксантентетракарбоновой кислоты с 4, 7, 12 и 19 аминными компонентами теоретически образуется смесь из 136, 1225, 10440 и 65341 веществ. Особый интерес вызывает вопрос об абсолютно исчерпывающем синтезе всех возможных продуктов реакций. Получить ответ на него удалось с помощью масс- спектров. Однако в связи с тем, что масс-спектрометрический анализ смеси из нескольких тысяч веществ — задача достаточно сложная, было принято решение создать модельную библиотеку на основе дихлорангидрида ксантендикарбоновой кислоты (12.4). Теоретически на основе дихлорангидрида (12.4) с участием 8, 9 и 10 эфиров аминокислот можно получить 36, 45 и 55 диамидов. Масс- спектрометрически в 36-компонентной системе были обнаружены пики молекулярных ионов 85% ожидаемых продуктов, в 55-компонентной — уже только 78%. Этот эксперимент позволил выявить «проблемные» ВВ среди аминных компонентов. Так, если из набора ВВ исключить производные аргинина, то в 55-компонетной смеси идентифицируются 95% ожидаемых продуктов. Следовательно, для того, чтобы большая часть предполагаемых соединений присутствовала в синтезированном массиве веществ, необходимо тщательно отбирать ВВ. В то же время анализ показывает, что 10% библиотеки составляют побочные продукты. Метод one-pot reaction позволяет получать очень большие библиотеки веществ в виде смесей. Однако для этого пригоден ограниченный набор реакций и ВВ. В настоящее время описанный метод становится все менее популярным и постепенно утрачивает свое значение. Наиболее очевидный способ комбинаторного синтеза индивидуальных соединений — это параллельное проведение хорошо известных реакций, например, конденсации Кневенагеля с участием оксазолонов и альдегидов или раскрытия оксазолонового цикла нуклеофилами.  Реакция Манниха также широко применяется для проведения параллельного синтеза индивидуальных веществ в раствоpax. С ее помощью создана библиотека 9000 аминофенолов исходя из формальдегида, фенолов и вторичных аминов. Каждое вещество было получено в количестве 20 мг, степень чистоты — 80%. Основным требованием к реакциям, отбираемым для проведения параллельного синтеза, является высокий (желательно количественный) выход целевых продуктов. Часто для того, чтобы реакция прошла до конца, используют избыток одного из реагентов, от которого по окончании процесса необходимо избавиться. Для таких целей применяют реагенты-секвестранты или «чистильщики». При этом существует два подхода. Первый связан с разделением веществ между двумя несмешивающимися слоями жидкости: в один слой переходят целевые соединения, в другом остаются побочные продукты и непрореагировавшие исходные реагенты. Второй подход представляет собой сочетание технологий синтеза в растворах с твердофазным синтезом; «чистильщики» закрепляют на полимерном носителе, добавление их в реакционную смесь позволяет связать избыток исходных веществ или побочные продукты, а после взаимодействия с примесями они легко удаляются из раствора фильтрованием . Например, полимеры, содержащие аминогруппы, позволяют убрать из растворов электрофильные реагенты. Так, доступные аминоэтилполистиролы эффективно связывают альдегиды, имины, изоцианаты, изотиоцианаты, сульфохлориды, хлорангидриды и ангидриды кислот. Для удаления из реакционной смеси таких нуклеофилов, как тетра-бутиламмонийфторид (ТБАФ), используют ионообменные смолы, содержащие сульфогруппы (амберлит А-15) или их дикальциевые соли. Полимер с функцией метилизоцианата эффективно удаляет из растворов избыток первичных и вторичных аминов, а также гидразинов. Амберлит IRA-900, содержащий высоко основные четвертичные гидроксиаммонийные группы, применяют для связывания слабых кислот — фенолов, гидроксипиразолов и т.п. Для удаления побочных продуктов кислотного характера, образующихся при ацилировании аминов, используют анионообменный амберлит IRA-68. В тех случаях, когда минорные продукты реакции не содержат ионогенных групп, очистку реакционной смеси проводят с использованием высоко реакционноспособных бифункциональных реагентов (sequestration-enabling-reagents), которые превращают трудно удаляемые побочные продукты в легко секвестируемые. Так, при гидролизе в реакциях с участием тиазолилизоцианата в качестве нежелательного побочного продукта образуется аминотиазол. Взаимодействием с фенилсульфонилизоцианатом его превращают в аминотиазолил-N-сульфонилмочевину. Последняя легко удаляется благодаря наличию в структуре NH-группы, обладающей слабыми кислотными свойствами. Добавление в реакционную среду основной полиаминной смолы обеспечивает эффективное удаление как изоцианата, так и мочевины. Использование закрепленных на полимерном носителе секвестрантов имеет ряд недостатков. В частности, взаимодействие с примесями из реакционных растворов происходит в гетерогенной среде. Кинетика протекания таких процессов трудно предсказуема, поэтому очистка не всегда происходит эффективно. Попытка обойти эти трудности привела к созданию растворимых секвестрантов (tagged reagents). Такие реагенты должны взаимодействовать только с побочными продуктами и быть инертны в условиях реакции. По окончанию процесса и избыток tagged reagent, и связанный с ним побочный продукт легко удаляются путем инкубирования реакционной смеси с подходящей ионообменной смолой. |
Похожие:
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины социальная психология специальность 020101. 65 «Химия» Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины компьютерный практикум 010707.... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «организационное поведение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Торговое оборудование» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Русский язык и культура речи» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Системное программное обеспечение» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины архитектура ЭВМ 090104. 65... Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «коммерческое право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Таможенное право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «римское право» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «иностранный язык по специальности» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «право интеллектуальной собственности» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины «Технология формирования имиджа» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |