组合化学(combinatorial chemistry)是近十几年来刚刚兴起的一门新学科。经过短短的十余年特别是近六七年的发展，组合化学已渗透到药物、有机、材料、分析等化学的诸多领域，随着自动化水平的提高，组合化学已成为目前化学领域最活跃的领域之一。
性质学科
中文名称组合化学
涉及领域药物、有机、材料、分析
外文名称combinatorial chemistry
简介
组合化学的出现大大加速了化合物的合成与筛选速度，有人作过这样的统计：1个化学家用组合化学方法2～6周的工作量，就需要10个化学家用传统化学方法花费一年的时间来完成。组合化学的出现是药物合成化学上的一次革新，是近年来药物领域的最显著的进步之一。组合化学出现以前，新材料的开发一直沿用试凑法（trial-and-error method），效率很低。进入20世纪90年代以来，组合化学在材料合成领域取得了突破性进展。
发展历史
1963年，Merrifield利用固相技术合成了多肽，作到了产物与反应试剂的有效分离，为组合化学的发展奠定了基础。
20世纪80年代中期以后，一些科学家开始将组合原理应用到化学合成领域（最初主要是肽库的合成），其中以Houghten的“茶叶袋”（teabags）法和Furka的混分（mixed and split）最具代表性，混分法的出现更是标志着组合化学进入了一个崭新的发展阶段。
近六七年来伴随着电脑的普及和自动化水平的提高，组合化学由最初的药物合成领域延伸到有机小分子及无机材料合成领域，大大加速了新药、新材料的发现速度。
定义及特点
组合化学是一门将化学合成、组合理论、计算机辅助设计及机械手结合一体，并在短时间内将不同构建模块用巧妙构思，根据组合原理，系统反复连接，从而产生大批的分子多样性群体，形成化合物库（compound library），然后，运用组合原理，以巧妙的手段对库成分进行筛选优化，得到可能的有目标性能的化合物结构的科学。
组合化学与传统合成有显著的不同。传统合成方法每次只合成一个化合物；组合合成用一个构建模块的n个单元与另一个构建模块的n个单元同时进行一步反应，得到n×n个化合物；若进行m步反应，则得到（n×n）m个化合物。有人作过统计，一个化学家用组合化学方法在2～6周的工作量，十个化学家用传统合成方法要花费一年的时间才能完成。所以，组合化学大幅度提高了新化合物的合成和筛选效率，减少了时间和资金的消耗，成为20世纪末化学研究的一个热点。
组合化学的合成技术及对传统药物合成化学的冲击 组合化学合成技术
组合化学合成包括化合物库的制备、库成分的检测及目标化合物的筛选三个步骤。化合物库的制备包括固相合成和液相合成两种技术，一般模块的制备以液相合成为主，而库的建立以固相合成为主。
固相技术 液相技术
优点 纯化简单，过滤即达纯化目的，反应完全；合成方法可实现多设计；操作过程易实现自动化 反应条件成熟，不需调整；无多余步骤；适用范围宽。
缺点 发展不完善；反应中，连接和切链是多余步骤；载体与链接的范围有限 ；反应可能不完全；纯化困难；不易实现自动化。
1多针同步合成
多针同步合成是固相合成的基该方法。将96只带有载体针的小棒固定在同一块板上，其位置与96孔滴度板相对应，然后在96个孔中分别加入不同的反应物及试剂，即可同步合成96个样品。
Dewitt等对此法进行改进，使用下图装置（装置图 动画），在玻璃管的上端加一个硅橡胶垫片，可用注射器加样，管的外面有一个列管式夹层，可对反应物加热或冷却。
他们以此装置合成40个乙酰脲衍生物和具有生理活性的1，4-苯并二氮卓衍生物。（反应式6-43 动画）
2混合-分离随机合成法
1991年Lam等报道了以树脂为载体，进行随机合成，可以同步合成上百万个分子，并提出一珠一肽的概念。首先将19种保护的天然氨基酸分别连在树脂上，混合脱除保护，再分成19份分别与19种保护氨基的氨基酸进行偶联反应，可以得到19×19种连在树脂上的二肽，如此进行五次，可合成出195=
2,476,099种连在树脂上的侧链保护的五肽，脱除侧链保护但不从树脂上切下，可得到由近2.5万连在树
脂上的不同肽段的五肽组成的肽库。此法保证同一树脂上的肽段序列是相同的，即“一珠一肽”。
用该肽库与受体分子反应，可形成显色络合物的肽段树脂就会由无色变为有色，在显微镜下把显色的树脂拣出，用8摩尔/升的盐酸胍洗掉络合物后，用微量多肽测序仪即可测出该肽序列。
Lam等用该法合成的五肽库对抗β-内啡肽的单克隆抗体进行了亲和性研究，找到天然抗原位点肽的六个有效类似物，还用该肽库进行了结合抗生蛋白链菌素的研究，找到一些有结合作用的肽段。
（混分法示意图）
一珠一肽法的优点是可以同步合成大量的化合物，并可对多种受体进行筛选，但只适合于合成能微量测定的样品，如多肽和寡核苷酸，应用范围不广。
3编码确定结构的同步合成
编码确定结构的同步合成法在同步合成时，引入另一个容易合成且在合成后可以通过微量分析测定结构的分子，以该分子作为密码来确定与其同时合成的目标分子的结构。
Mikolaiev 等在1993年报道了Selectide编码合成方法，即在一个树脂上合成一个非肽类化合物或其它不可测序的化合物时，在其上合成一个作为编码用的多肽。
该法常用含多功能团的化合物如Lys等作为目标分子与编码分子的连接点，每一个氨基酸代表目标分子中的一个组成部分，在混合-分离合成法中，每安装一个构建模块，就向目标分子的编码臂上偶联一个代表该构建模块的氨基酸，合成并测定活性后，活性分子结构可以通过测定同一树脂珠上多肽的序列而给出。
药物的开发是一个耗时耗费的过程，据报道，一种新药从开始研制到上市，需8～10年的时间，研究费用高达2～5亿美元。药物的研制历程之所以这样长，很重要的原因是先导化合物的发现与优化速度缓慢。组合化学能够大大加快化合物库的合成及筛选速度，从而大大加快了新药的研制速度。
应用
1新材料的开发
十年来，已报道许多以组合化学方法开发的新材料，如抗磁材料、磷光材料、介电材料、铁电材料、半导体、催化剂、沸石和聚合物及复合材料等。
2催化剂筛选
催化剂传统的筛选法是试凑法，工作量大，效率不高。
科学家们用各种方法设计和建立了催化剂库，对催化剂进行快速筛选，已取得不少成果。
美国Purdue大学开发一种自动制备并检测沸石分子筛的系统，每个式样板有8～19个反应室（150-300微升），每次可同时试验六块板，产品用离心方法回收，最后形成的组合库用X-射线散射技术检测或用电子显微镜筛选，仅消耗很少试剂就取得很多数据。
由于催化反应是放热反应，有活性的催化剂可红外成相。Steven J.Taylor和James P.Morken利用红外热谱仪对载有3000多个潜在催化剂库的聚合物珠进行筛选，找出两个活性有机化合物作为亲核酰化的有效催化剂。
Wilhelm F.Maier 和助手组装了由37种氧化物组成的催化剂库，测定其在100℃对己烯-1氢化的催化活性，红外成相表明有四个点比衬底热，即表明这四个点有活性。活性与非活性点温差非常小，不到0.7℃，但像0.1℃的温差也能可靠地检测。
加州大学Selim M.Senkan教授发展了一基于激光的方法，以快速筛选环己烯脱氢成苯的固相催化剂库，筛选出由80%铂、10%钯和10%铟组成的三元混合物，比库中其他成员生成的苯多。66个成员库使用全自动装置制备，制备和筛选只需两天半时间。
3新药物的合成与筛选
迄今为止，组合化学最多的应用是新药物的设计、合成和筛选方面。R.F.Service在Science撰文，认为组合化学方法创制的新药将冲击21世纪的药物市场。美国及欧洲已涌现一批组合化学公司，杜邦制药公司的研究者将组合化学（随机设计，合理筛选）与合理药物设计（合理设计，随机筛选）两种不同的方法联用设计合成了新奇的胶原酶抑制剂，能够抑制引起癌转移和关节炎的胶原酶（Coll-agenases），这些工作有利于获得更加有效的抑制癌细胞转移和治疗关节炎的新药。
Beatrice Ruhland 以组合化学法，把同手性氨基酸衍生的胺键合到Tenta GelS树脂上，并与非手性烯酮和芳香醛或α，β-不饱和醛发生环加成反应合成了一些3-氨基-2-氮杂环丁酮--制备α-酰胺基-β-内酰胺，包括许多重要的抗生素的前体。发现该反应有很高的cis选择性，二种非对映体cis β-内酰胺比率为1:1到3:1。
1994年，Ellman小组应用多针同步合成系统二次共合成192种结构不同的1，4-苯并二氮杂卓衍生物，并测定了这些化合物对缩胆囊肽（CCK）A受体的结合作用。
Haskell-Luevano,C.等1999年报道以组合化学法固态合成951个化合物，这些化合物用显色生物试验在10μM测试，显示对MC1R分型的活性。选择其中二种重新合成、纯化和鉴定，一种鉴定结构为2的，对鼠的MC1R分型EC50为42.5μM，为进一步研究非肽杂环兴奋剂提供新的起点。
4新农药的合成和筛选
1962年，美国女作家蕾切尔·卡逊撰写《寂静的春天》一书，提出农药杀害野生动物、危害儿童健康、污染表土的问题，引起各国的关注。随后，一批高毒、高残留农药被禁用，并促使农药的研究和生产向提高原药固有的活性及其使用效率和效果，降低农药用量，提高农药对人、畜和作物的安全性，改善与环境的相容性，减少对非靶标生物和生态环境的负面影响的方向发展。
十年来，组合化学法结合高通量的筛选，大大加快农药研究开发的速度，如艾格福公司每年可合成5万个新化合物；诺华公司的筛选能力是每年10万个新化合物；捷利康公司1995～1997年，化合物的筛选能力从每年1万个提高到10万个，1998年为12万个，2000年为20万个。
John J.Parlow 利用分子反应活性的互补性/分子识别技术（CMR/R）平行合成具有除草活性的取代杂环酰胺化合物，生物试验结果表明化合物3有一定的除草活性。（反应式6-46 动画）
他们把3（结构式3）分成两部分。先对A部分的杂环进行改造，改变环上的原子和取代基，得到56个化合物，但生物试验表明它们的活性不如3大；接着对B部分进行改造，以不同的取代基取代苯环C或D的不同部位，得到68个化合物，生物试验表明化合物4（结构式4）的生物活性是3的4倍。
展望
21世纪是绿色化学的世纪。绿色化学要求将原子重新巧妙组合，实现零排放的原子经济反应，生产环境友好产品。所以，组合化学是实现绿色化学的必经之路。
正如中国军事医学研究所胡文祥所长在《广义组合化学》一文所指出的：任何成功的事情或事物都是巧妙的合理的组合。1234567七个音符可以组合成最美妙的音乐旋律，赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光可以组合成美丽的画卷和五彩缤纷的世界；喜、怒、哀、乐、悲、恐、惊七种感情可以组合成斑斓的人生。我们相信元素周期表上109种元素的巧妙组合，将为绿色化学、为美化地球环境谱写不朽的篇章。组合化学从一诞生起，便显示出强大的生命力，十余年来，在有机（包括药物）领域得到了蓬勃发展。21世纪的化学将更多地向生命、材料领域渗透，对于这个领域内的合成化学家来说，组合化学提供了一条新的化学合成思路。虽然还面临着诸如缺乏系统有效的平行检测手段等困难，但随着电脑技术和自动化水平的提高及新型检测仪器的研制，这些困难将逐步被解决。
作者：吉民 定价：¥ 35.00 元
出版社：化学工业出版社 出版日期：2004年06月
ISBN：7-5025-5500-5 开本：16 开
类别：有机化学化工 页数：304 页
简介
本书从组合化学的角度出发，详细分析了合成策略，以此为基础着重介绍了固相组合和液相组合的合成方法、组合化学的筛选及低聚物的合成等内容。同时强调了组合化学在高通量筛选和新药发现中的作用，并且对组合化学的进展做了展望。
目录
第1章组合合成策略7
混合?裂分法7
树脂珠技术9
茶叶袋法10
平行合成法10
使用树脂珠的反应器械14
多中心合成法15
空间定位平行合成法15
混合试剂合成法16
参考文献16
第2章组合合成方法——固相组合合成18
载体19
树脂珠19
多针22
圆片24
薄片25
结合分子28
酸不稳定结合分子31
碱不稳定结合分子34
安全制动结合分子37
氨基甲酸酯结合分子38
硅结合分子/无痕迹结合分子40
光不稳定结合分子41
烯丙基官能团化结合分子42
多处可裂（多官能团）结合分子42
多中心结构库模板43
方酸44
经Baylis?Hillmann反应得到的模板45
2?溴乙酰基）吡咯作为模板51
用烯酮作为模板54
反应类型59
亲电和亲核取代反应60
取代反应63
杂环合成63
环加成反应66
缩合反应67
酰胺形成及相关反应69
及相关反应69
麦克尔加成69
烯烃形成69
氧化反应69
还原反应69
参考文献70
第3章组合合成方法——液相组合合成76
与固相组合合成相比较77
混合物的合成78
已用于液相组合化学的反应80
酰化反应80
胺的磺化80
脲、硫脲和氨基甲酸酯的制备81
烷化和加成反应81
还原胺化81
胺的芳基化81
经缩合反应形成碳?碳键81
钯催化的碳?碳键的形成81
氢化和还原81
多组分反应81
环化反应82
其他反应82
反应顺序83
纯化85
固相束缚试剂85
固相萃取86
液相萃取88
氟的合成89
在可溶性聚合物载体上的合成91
6树枝状载体93
高聚物试剂的使用94
参考文献95
第4章组合化学库的筛选97
混合物库97
在珠筛选法97
解缠绕法98
编码105
多处可裂的结合分子115
含单独化合物的库115
参考文献116
第5章组合化合物库的鉴定118
红外光谱法（IR)118
傅里叶?红外显微镜学118
衰减全反射光谱127
其他的红外光谱方法129
核磁共振法130
在珠分析法130
高分辨质子魔角旋转核磁共振133
3质谱138
组合化合物分析138
样品分析与纯化的高通量系统154
参考文献160
第6章组合合成的低聚物165
6?1类肽165
亚单体法165
单体合成法167
3拟肽物167
彻底烷基化多肽168
类肽169
低聚氨基甲酸酯169
磺酰肽和插烯磺酰氨肽170
聚?N?酰胺172
寡脲174
线性寡脲174
低聚环脲和环硫脲174
硫脲175
脲类肽175
含杂环低聚物175
聚甲基吡咯和咪唑175
含噻唑环和?唑环的多肽176
寡聚四氢呋喃176
聚异?唑啉177
寡聚噻吩177
含吡咯啉酮的低聚物177
其他合成低聚物178
反假肽178
插烯多肽179
氮杂化物和氮杂多肽179
多肽180
四取代氨基酸的多肽180
聚羟基化合物181
多肽核酸181
肽键在一个位置上的修饰182
硫代酰胺假肽182
酰胺键被还原的多肽182
羟基酰胺键的多肽183
羟乙胺肽键电子等排体184
参考文献184
第7章自动组合合成188
单个化合物的平行合成189
实验室制备效率189
实验室自动化设备190
分散型自动化系统191
中心控制和功能型多组分系统192
中心自动的样品导向多组分系统192
高通量纯化和分析193
自动纯化193
微反应系统简介194
参考文献195
第8章组合生物合成196
克隆生物合成功能基因簇196
遗传工程及新药研究197
1靶向基因失活197
单基因表达198
基因簇的表达202
合成起始单位变异203
酶亚基的重组装203
组合生物合成的应用212
寡糖类抗生素生物合成基因的运用212
其他来源基因的运用——地球上的新化合物212
对酶变换其底物特异性212
参考文献213
第9章用作化学传感器的分子接受器215
超分子识别部位215
大环肽类217
组合接受器库218
环肽作为化学传感器的超分子识别部位219
参考文献222
第10章高通量筛选与新药发现224
高通量药物筛选224
对高通量筛选的要求225
高通量药物筛选的组成226
化合物资源226
微反应系统227
筛选模型227
高灵敏度检测系统229
自动化操作系统230
数据采集传输处理系统231
高通量筛选的特点231
高通量药物筛选的过程232
高通量筛选系统简介233
虚拟筛选234
参考文献236
第11章催化反应的高通量实验238
1HTE技术用于催化反应238
库设计和试验策略240
合成方法242
测试方法243
多路径反应器244
参考文献246
第12章计算机辅助化合物库设计247
化合物库设计理论248
相似性原则249
分子描述250
二维指纹250
三点药效团251
其他描述251
分子相似性方法252
亲和力指纹252
特征树253
碎片的自动化结构重合254
描述有效性研究254
和3D描述的对比254
随机设计和合理化设计的比较255
三点药效团和2D指纹比较256
局部相似——相似性半径256
化合物选择技巧257
设计组合化合物库258
参考文献262
第13章组合化学进展264
丝氨酸及半胱氨酸蛋白酶抑制剂265
真菌I型蛋白香叶基转移酶（GGTase?1）抑制剂267
KDR受体酪氨酸激酶抑制剂268
自动形成靶向化合物库设计270
优先GPCR配体272
拮抗剂274
胺的合成277
多样性导向合成280
Katritsky苯并三唑固相合成法283
多组分缩合285
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