自从上世纪80年代末期，随着分子生物学研究的突破--高通量筛选技术的发展，新药开发所需要的新分子实体的数目越来越多，科学家们把注意力从寻找天然产物转入合成大数目的化合物群——化学库。化学库是由诸多具有不同属性的有机化合物的组成的。而组合化学是一种合成化学库的技术，运用这项技术，不同系列的合成砌块--结构片段有序地排列起来，以构筑多样化的有机化合物库。组合化学经过近二十年快速发展，已经演变成为一门学科，其概念和技术已被广泛地接受并用于具有生物活性物质及先导化合物的研发过程中。
据报道，一种新药从开始研制到上市，需要10~12年的时间，研究费用高达5亿美元以上；药物的研制历程之所以这样长，很重要的原因在于先导化合物的发现与优化速度相当缓慢。组合化学的引入能够大大加快新药的研制速度，对传统药物合成化学造成了巨大冲击。经过十几年的发展，组合化学方法已成为新药研制的必由之路，它的出现被誉为近年来药物合成领域的最显著的进步之一。
化学库合成从上世纪80年代末开始应用在新药开发领域，紧随着高通量筛选技术的成熟而日臻完善。Affimax 研究所作为第一家风险投资的组合化学公司出现在新兴的生物制药公司中。Affimax 的商业成功促进了用组合化学的风险投资进一步增加，到90年代前期ArQule 和Pharmacopeia 成立时进入顶峰。目前，国外风险投资兴办的新的组合化学公司仍在兴起，以组合合成技术为主体的制药公司仍是欧美投资领域的热点之一。
1、 化学库合成的特点
化学库合成最早起源于固相制备多肽、核苷酸、糖、脲等化合物，也称同步多重合成，组合合成、组合库和自动合成法。就本质而言，化学库合成是建立在高效平行的合成之上的，以组合化学技术为依托，合成步骤有限，但生成的化合物库内包含大量化合物。它的最大优点是合成的微型化、集成化和自动化，可以迅速、高效地对大量样品进行合成。
组合化学作为合成化学的一个分支，展现出了巨大的发展潜力。同时，组合化学经常被人们称为数字游戏，也就是如何排列众多的合成砌块的问题。从理论上讲，组合合成的总反应产物数N是由两个因素决定的，每一步的合成砌块数目b和合成的步骤数x。例如，对于一个三步的线性组合反应，如果每步的反应物数目分别是b1,b2和b3，那么，理论上的总反应产物的数目是N=b1b2b3。因此，化学库合成的目标就是怎样有效地尽量得到这一反应的所有产物N。化学库合成的另一研究目标是反应产物的结构多样化问题，以满足高通量筛选生物学研究。
每一个化学库都有一个公共的化合物结构单元，要求其具有某些潜在的生物活性，一般称之为化学库的母体结构。这些结构既要能产生分子的多样性, 又要具有一定的化学反应活性。在人们不断利用已知天然产物活性结构进行化学库合成设计的同时, 也在寻求着新的、具有可修饰性而且更适合于库合成的母体结构。含氮杂环化合物在药物中一直占有重要地位，而且自组合化学诞生以来, 人们就试图推动这一重要领域的发展,许多含氮杂环化合物，如哌嗪、哌啶、嘌呤、螺环吡咯烷、嘧啶等库，用组合化学技术得到成功合成。
因此，化学库合成的根本问题就是怎样快速地得到更多的包罗万象（借助于计算机化学事先设计）的化合物。合成体系大多采用在Merrifield 工作基础上发展起来的固相反应；相对而言, 人们采用液相合成体系的研究则起步较晚, Ugi 多组分缩合反应可以说是它的萌芽。近年来，从固相合成到快速液相平行合成，库合成在反应体系上取得了突破性的进展。常用的几种合成体系简介如下。
1)固相合成：是先把反应物连接到一个固相载体（通常是官能团化的高分子材料）上，然后，在非均相的条件下进行有机反应。在固相合成中, 它可以采用过量的反应试剂使反应进行完全, 通过简单过滤就能分离纯化产物。组合化学最早起源于固相有机合成，主要应用在寡聚物, 如肽、类肽等大分子领域。至今为止，还有很多人仍把化学库合成理解为固相合成。固相合成也因此而得到快速的发展。操作简单，易于提纯, 因此更适合于多步反应，例如多肽等寡聚物的合成。但是，但是单一键的连接方式对于合成分子多样性的化学库是个致命的弱点；固相合成的方法、工艺路线、反应条件都受到了树脂本身物化性质的限制，例如反应温度的选择。另外，固相反应的原位跟踪，分析技术也不如液相丰富。
2)液相合成：与传统的有机合成接轨，有成熟的合成路线与工艺，合成方法也较为成熟，其应用范围广泛。有机合成家们比较熟悉这一类反应，用起来得心应手，这对药物化学家来说比较有利。液相合成能够提高合成速度，同时也提高了对化学分析手段的要求。没有树脂负载量的影响，不受合成量的限制，反应过程中能对产物进行分析测定，易于跟踪分析，但实验操作复杂、产物不易于分离纯化。相对于固相合成来说, 液相合成更适合于步骤少、结构多样性小分子化合物库的合成，故在人们将视线逐渐转向具有药理活性的有机小分子合成的同时，液相组合化学也得到了快速发展。
3)带载体的液相合成：为充分发展液相合成的优点（方法成熟）而克服其弱点（难分离），液相合成中载体技术的应用是一种极为重要的手段。含氟载体应用于有机合成中是一种新颖合成策略，能提高分离效率，在组合化学的微量合成中尤为重要，如用含氟有机锡载体进行 Stille 偶联的液相组合合成。可溶性聚合物是另一大类应用于组合化学的载体，虽然受到在溶液中的可溶性和其负载量的限制, 但由于易得而又能提供合适连接基团使人们有理由相信它在组合化学中的应用前景。载体技术的应用使液相组合化学方法更为完善，Curran和Booth等人在他们的文章中展示了载体技术在液相合成中广阔的应用前景。
总之，化学库合成借助于组合化学快速系统的方法，能在较短的时间里合成大量的目标化合物，省时、省力又省钱，尤其受到了药物研究及开发者的重视。
2、 化学库合成的规划
化学库合成技术打破了传统化学合成的观念，不再以单个化合物逐个地进行合成而是采用相似的反应技术，一次性同步合成成千上万种化合物，即合成一个化学库；这些化合物具有共同的母核结构，同时拥有分子多样性的化学结构。依据合成化学的理论，库合成可分为多组分法和官能团转换法。
1)多组分法：多组分反应是有机化学反应中常见的一类反应，应用最多的是多组分缩合反应，通常指三种或三种以上反应物通过“一锅法”形成具有每种组分结构特性的化合物。例如，Ugi反应就是最常见的一种，既适用于固相合成，也适用于液相合成。
与线性反应相比，多组分反应不仅效率高、合成速度快，而且产物的结构更加多样化，同时代表着多个反应物的结构特性。多组分反应已发展成为化学库合成中最重要的一类反应。随着分离分析技术的不断提高，越来越多的药物研发的化学家把眼光投向多组分液相反应。主要原因在于其优化过程简单、反应速度快、操作容易、可合成的目标化合物多、其结构的多样化程度高。该方法与自动化操作的相结合，合成成千上万化合物将是有机合成中的日常作业而已，这使得较为及时地提供目标有机化合物变成了可能，以满足快速发展的新药筛选技术。但是，多组分液相反应仅局限于某些系列单分子合成，而且产物的分离往往很复杂。
2)官能团转换法：官能团转换法可分为两种：一种是库库转化法；另一种是模板外延法。这两种方法相辅相成，已成为十分常用的构建和修饰化学库的方法。所谓库库转化法就是在已有化学库的基础上，通过官能团的修饰而衍生出的新化学库，因此也被称为“后合成修饰”。这种方法不仅快速增加化学库的数量，也是一个有效的提高产物结构性质多元化的办法。但是其合成方法缺点很明显，实验操作繁琐、工作量比较大。
模板外延法，通常以具有多官能团特性的母核结构为模板，依次选择性地连接
上多个化学结构片段。近年来，随着组合化学的发展，以多官能团化合物或特定结构为模板设计的化学库越来越多，提出了超级模板的概念，以此来阐释此法的应用范围之广。事实上，这种方法就是药物化学家多年来一直用于优化先导化合物的方法，只不过是引进了平行合成的操作罢了。模板外延法灵活方便，适用于数目小的系列单分子库的合成，因此被药物合成化学家用来做先导化合物的结构修饰和结构活性关系的研究。然而，有限的商品模板，复杂的官能团保护过程，以及繁琐的产品分离使这一方法的应用受到限制。
另外，要合成大量的化合物，目前有两种不同的合成策略可以进行实施：混合裂分法和平行合成法。
1)混合裂分法：是利用线性有机反应的特点，将一系列反应物分组平行反应，所得产物混合到分组后再进行下一步的平行反应（如图1 所示）。这种方法既适用于混合物的合成，也可用于系列单分子的平行合成，是混合物合成中最常用的一种方法。这种方法始于固相多肽合成，是合成较大化学库的一种非常有效的方法。其优点是省时省力，可以在很短的时间里合成大量的目标化合物。缺点是后处理较为繁杂，难以得到足够纯度的目标化合物，有时只能得到两种或者两种以上化合物的混合物。
2)平行合成法：平行单分子合成是指同时合成一系列的单个分子，然后进行分离纯化。这种方法接近于经典有机合成，因此，很容易为药物化学家所接受，已经成为最常用的库合成方法，将此方法广泛地用于合成小的某种特殊用途的化学库，尤其是先导化合物的优化过程。此方法要求设计合理高效的合成路线时，应该共同的步骤越长越好，每个化合物只是在最后的合成步骤中不同，目的在很短的时间内得到大量目标化合物。但是，每个中间产物都需要纯化，加之每个化合物都要投料，工作量较大，不易于合成大的目标化合物库。随着自动化技术的发展，机械手操作的自动化加样方式，使得平行合成法具有较大发展空间。
3、化学库合成的实践
化学库合成以组合化学技术为基础，其策略极为简单，即化学结构片段的连接可存在着多种组合排列。因此化学家不再去寻找把化合物A和B转化为C的条件，而是发现一系列As和Bs转化成大量Cs的最佳条件。这就要求合成人员对复杂的化学库进行简单抽象化，找出具有代表性的特例，把握母核的合成特性；接着再对其复杂具体化，进行化学库合成。
3.1 实验准备
化学库合成想要得到好的实验结果，必须结合类似反应的参考文献，以预测为主，设计一些具有代表性小试实验，在整个实验过程中进行系统分析，运用逻辑性的方法，准确把握库合成反应的实验规律，以确保结论在整个化学库合成中的成功率（包括反应和分离，二者相辅相成，同样重要；但合成人员经常忘记分离的成功率）。
1)最佳反应条件：在投库之前，需要找出库合成反应中所涉及到的关键条件。比如，库库转化，母体化合物库拥有大量的活性官能团，化学选择性的可控条件成为关键因素；模板外延，主要考虑电子效应、空间位阻的影响；更多的时候需要两者兼顾！多组分缩合，通常几个反应协同进行，需要对其反应过程机理牢记在心，对生成的中间过程产物能准确分析。
2)纯化条件：严格把握小试纯化条件，优先考虑制备板分离。若制备板分不开或分不纯或化合物紫外吸收弱而且反应原料非常昂贵，再考虑用HPLC 分离。
3)反应收率：准确称量，为库合成的保质保量的进行提供投料量参考。一定不能简单依据反应液混合物的LCMS和HPLC谱图进行判断，否则风险是很大，产物量很少，往往前功尽弃！
4)试剂管理：项目入手后首先任务是试剂管理，通常，根据库合成路线，对原料和中间体依次进行合理编号，依次整齐排列，投料时得心应手。如果试剂管理不好会严重影响合成的效率，特别是化合物较多的库，甚至会出现试剂投错的现象。
5)项目管理：库化合物数量繁多，加之从反应投料到最终分离交货需要一段的时间，这就要求从对库化合物分批、分层次进行管理。否则，可能会很混乱，越积越多，到最后影响项目的进程。
6)PC软件使用：化学库DB文件的制作与应用，充分利用其智能化管理试剂及目标产物的属性（如分子量、化学结构等等）；Office办公软件对投料量的智能计算及方便快捷地项目管理等；目标化合物的Compound_ID的打印等等。目的尽可能使研发人员从重复、繁琐的劳动中解脱出来。
3.2 库合成
1)试剂称取：微量、多次。尽可能大量溶解均分，然后定量称取，准确高效！
2)合成自动化：库合成的数目如此之大，手工操作将越来越困难。因此，机械化和自动化操作将是必然趋势。计时合成和筛选已经成为科学家们追求的目标，而且必将成为现实。一方面，仪器厂商将进一步研制方便适用的自动化合成仪器；另一方面，有些化学家们将花费更多的时间去研究改进现有反应的自动化操作过程，并寻求新的可用于自动化合成的有机化学反应。可以想象在不远的将来，研究仓库的架子上堆积的将不再是常年积累起来的化学库，而是随时可用的自动化合成反应及必要的反应物。科学家们可以随时提取自动化反应，并计时合成出大数目的应用化学库。这就要求库合成人员及时了解、学习、掌握先进的自动化合成仪。目前公司常用的自动化合成仪是摇床和智能微波合成仪等。
3)协调合作：库合成是团队项目，需要组内成员相互协调合作，利于化学库的高效合成。
4)做好跟踪：选择性地对典型的化合物进行TLC、HPLC 和LCMS 检测，做到对每一个化合物的反应心中有数，及时调整反应温度和时间，为下一步的分离提供质的铺垫。
3.3 分离纯化
在药物先导化合物的发现过程中, 化合物合成只是其中一步, 更为关键的是生物活性的筛选。高纯度的化合物更有利于提高活性筛选的准确性，避免因纯度问题带来的漏筛的可能，因而在库合成中，分离纯化要达到一定的纯度，一般是85%以上。在固相反应中，采用简单过滤手段能达到较为理想的纯化效果；然而，在液相合成中，产物不易纯化, 但是一些小分子杂环化合物的合成更适合在液相中进行, 另外，随着液相组合合成手段的逐渐成熟，这一尴尬局面得到大改善。
1)成本控制：严格按照小试纯化条件进行分离，综合考虑成本和效率的关系。
2)QC分析：库化合物纯度的把关口，在决定产品是否可以交货或者重新分离纯化，不能简单纯粹以MS，TLC，HPLC，LC-MS来产品的纯度，一定要以核磁为主要参考手段，以防过度纯化所带来的产品损失。
3)跟踪统计：化合物分离纯化的过程繁杂，需要组内以及专门从事分离工作的同时进行紧密合作，需要对产物进行跟踪统计，借助于Excel软件及时准确地把握产物的分离状态。
3.4 交货
最后一个过程，也是最为关键的环节。
1)转移溶剂：低沸点溶剂，对目标分子具良好的溶解性，而且是对库或者库中的某些系列具有通用性；不能与目标产物反应，例如MeOH易与具有羧基官能团的产物反应等。
2)做好跟踪：通过QC-checking之后，把产物交到专门的交货部门；合成人员需要及时跟踪，对自己的化合物负责。
4、结论
化学库合成绝对不是一项单纯的体力劳动，而是一项高强度的脑力劳动。库合成能在较短的时间里合成大量的化合物，省时、省力又省钱，受到了药物研究及开发者的重视，具有广阔的发展前景。它将促使药物合成向小型化、微量化、计时化、自动化和商品化发展。在具体实践中，要求合成人员仔细认真、高效合成、精诚合作、跟踪统计。
