Chimica combinatoriale

CHIMICA
COMBINATORIALE
Chimica combinatoriale
Perché e come
progettare e sintetizzare
una libreria di composti
Chimica combinatoriale
Svantaggi della MedChem tradizionale
 Sintesi complesse e di lunga durata
 Scarsa diversità (insufficiente per la scoperta di nuovi “leads”)
 Numero di composti di sintesi troppo basso
 Lento sviluppo di profili di relazioni struttura-attività
all’interno di una classe di composti
 Lenta ottimizzazione nei cicli iterativi evoluzionari
 Insufficiente copertura brevettuale
 Alti costi (circa 5.000 – 10.000 /composto)
Chimica combinatoriale
Il rapido sviluppo delle tecnologie di biologia molecolare ha permesso
lo sviluppo di test farmacologici rapidi e ad elevata efficienza
(HTS = High Throughput Screening) che danno risultati accurati anche
con quantità molto ridotte di sostanza (< 1 mg).
Ma questo richiede la produzione rapida di un gran numero di nuove
molecole per i test che non può essere ottenuta con i metodi classici
di sintesi organica.
La chimica combinatoriale è stata sviluppata per scoprire nuovi lead
compounds e soddisfare la domanda imposta dall’HTS, attraverso
la sintesi di librerie combinatoriali (400.000 molecole/mese).
Chimica combinatoriale
La diversità chimica
Chimica combinatoriale
La diversità chimica
Chimica combinatoriale
Attività della Chimica Combinatoriale
La Chimica Combinatoriale genera un insieme molto vasto
di composti chimicamente correlati (“congeneri”), detto
“libreria combinatoriale”
La sintesi in fase solida, l’automazione e le strategie di
risoluzione (deconvoluzione) delle miscele di composti
hanno accelerato la sintesi e la valutazione di ampie
collezioni di molecole.
Negli ultimi anni la Chimica Combinatoriale si è sempre
più spostata verso la sintesi parallela automatizzata e
la purificazione parallela.
Chimica combinatoriale
Chimica combinatoriale vs. Sintesi Classica
Chimica combinatoriale
Chimica combinatoriale
Building blocks con 68 residui differenti in 10 posizioni (R1-R10 sono
5, 10, 10, 4, 2, 5, 5, 2, 5 e 20 residui differenti) generano una
libreria di 20 milioni di composti differenti.
Considerando entrambi i centri chirali (*) il numero cresce di 4 volte,
cioè arriva a 80 milioni di composti.
Chimica combinatoriale
Chimica combinatoriale
 Sintesi organica rivolta al target:
Si usa nella drug discovery quando è già stato individuato
il target (recettore, enzima ecc....)
 Sintesi organica rivolta alla diversità:
Utilizzata per identificare nuovi target terapeutici e le
molecole regolatrici
Chimica combinatoriale
Criteri per il design di librerie
Obiettivo
Drug discovery
screening
Drug discovery
optimization
Ottenere il maggior
numero possibile di
informazioni
Massima diversità
possibile
Scaffold comune
• Ricerca dell’hit
• Diversità meno ampia,
ma più mirata
• Ricerca del lead
Chimica combinatoriale
Hit
Drug discovery screening
R1
H
N
N
H
N
OH
R2
N
OH
O
O
N
H
Indolattame
Attivatore di PKC
R3
N
H
O
Libreria su scaffold indolattamico
Chimica combinatoriale
Lead to Drug
Drug discovery optimization
R2
N
O
N
O
N
R4
HO
N
R3
R1
Valium-(Benzodiazepina)
agonista di GABA
Libreria di benzodiazepine
Chimica combinatoriale
Molecola “drug like”
Quantità e
Qualità della diversità
Regola del “5” (Lipinski)
•Peso molecolare < 500
• Numero di atomi donatori H <5
•Numero di atomi accettori H <10
•clogP < 5
 Le regole di Lipinski sono filtri
applicabili ad alcune proprietà chimicofisiche per aumentare le possibilità di
sviluppo farmaceutico di una molecola
(assorbimento, biodisponibilità, etc..).
 La
stragrande maggioranza dei
farmaci registrati rientra in questi
criteri.
 La violazione di almeno 2 delle regole
determina un
sviluppabilità.
alto
rischio
di
non
Chimica combinatoriale
Ipotesi o Diversità
Capacità di
Legame H
Classificazione della diversità:
solution
x
7
5
x
Ipotesi
6
polarità
3
2
x
Building block
– Strategia per la diversificazione
dei building blocks
– Selezione dei building blocks
Gruppi funzionali
– Importanza della diversità del gruppo
funzionale
– Trasformazione dei gruppi funzionali
x
Molecola
scelta su
ipotesi
base
1
4
Capacità di
Legame H
8
17
x
s o lu ti o n
14
7
5
11
16
15
6
18
12
polarità
9
3
13
2
Massima diversità
4
10
1
Chimica combinatoriale
Ipotesi o Diversità
Ricerca basata su un’ipotesi
IPOTESI
Capacità di
Legame H
solution
x
7
5
Es.
x
6
polarità
3
2
x
Idrofobicità, polarità e capacità di
legame H hanno un ruolo fondamentale
per modulare l’attività della proteina.
x
4
1
 Il successo dipende dalla qualità dell’ipotesi
 Enormi successi si sono avuti con tale approccio
 Con l’aumentare della complessità del problema diminuisce
la possibilità di formulare ipotesi
Molecola
scelta su
ipotesi base
Chimica combinatoriale
Ricerca basata sulla diversità
Capacità di
Legame H
8
17
x
s o l u ti o n
14
7
5
11
16
15
6
18
12
polarità
Il risultato dipende dalla
diversità della libreria che
viene testata
9
3
13
4
2
10
1
La diversità è indipendente dalla complessità del problema
Chimica combinatoriale
Tecniche di Sintesi Combinatoriale:
 Fase solida
 In soluzione
Fase solida
In soluzione
Reagenti usati in eccesso per
portare a completamento le
reazioni
I reagenti non possono
essere usati in eccesso, a
meno di purificazioni
addizionali
Purificazione semplice
(lavaggio del supporto)
Purificazione difficoltosa
Facile automazione
Automazione difficoltosa
Poche reazioni organiche
applicabili
In teoria tutte le reazioni
organiche sono utilizzabili
Scale-up relativamente
costoso
Scale-up semplice e non
costoso
Chimica combinatoriale
La strategia “split and combine” (Metodo di Furka)
nella sintesi di librerie combinatoriali (fase solida)
Una volta scelti i building
blocks (b) e il numero di step
sintetici (x), il numero di
composti finali nella libreria
sarà:
Cpds. = bx
Chimica combinatoriale
La strategia “split and combine” (Metodo di Furka)
nella sintesi di librerie combinatoriali
Tre miscele:
9 composti diversi in
ogni pallone di reazione.
Chimica combinatoriale
Combinazione di scaffolds e building blocks
Chimica combinatoriale
La chimica su fase solida e la chimica combinatoriale
Merrifield
(1963)
Chimica combinatoriale
La chimica su fase solida e la chimica combinatoriale
Chimica combinatoriale
Chimica combinatoriale
Chimica combinatoriale
Diversità dei building blocks
R2
R4
O
N
HO
R1-R3 elementi di diversità
N
R1
R1
CN
R3
R2
R3
H+
S
• Senza conoscere la sintesi della libreria si possono identificare
elementi di diversità (R1-R4)
• Tutti i membri della libreria hanno lo stesso scaffold
• Senza conoscere la sintesi della libreria non è possibile identificare i
building blocks
Chimica combinatoriale
Libreria di 1,4 diazepine
O
TFA
NHBoc DCM
O
SnMe3
R1COCl
Pd2dba3
NH2
O
NHFmoc
NH
O
O
THF, iPr2NEt
R2
F
t-Bu
N
NHFmoc
O
O
R1
R2
R1
t-Bu
DCM-THF
O
NH
O
O
R1
R2
NH2
H
N
1. piperidine
DMF
2. AcOH
DMF, 65°C
Base, R3X
R2
N
O
R3
N
O
THF-DMF
TFA, Me2S
H2O
R1
J. A. Ellman et al. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 3306
O
R2
N
HO
R1
Chimica combinatoriale
Cloruri acilici (20)
R3
N
O
R2
N
HO
R1
• Cloruri acilici scelti
tra 300 prodotti
commerciali
Chimica combinatoriale
Amino Acidi (35)
R3
N
O
R2
N
HO
R1
a.a. naturali e non
disponibili in commercio
Chimica combinatoriale
Agenti alchilanti (16)
R3
N
O
R2
N
HO
R1
Chimica combinatoriale
Building blocks
Utilizzando x building blocks per ogni y punto di
diversità si ottengono xy composti.
building block
R4
NH
R2
R1
O
NH2
O
NH
R3
R1
O
DCE
TFA
N
O
R4
N
O
NHR4
R1
N
R3
R2
R3
R2
S. H. DeWitt et al. Proc. Natl. Acad. Sci. 1993, 90, 6909
Chimica combinatoriale
• Il numero di punti di diversità contribuisce più del
numero di building blocks usati per diversificare al
numero totale di composti
A
F
B
200 building blocks
per ogni punto di diversità
40,000 composti
(2002)
A
6 building blocks
per ogni punto di diversità
E
B
D
C
46,656 composti
(66)
Chimica combinatoriale
Fonti per la scelta dei building blocks
– Databases di prodotti commerciali
(substructure search)
– Software per la scelta di un subset di n
composti da un set di prodotti
commerciali
Chimica combinatoriale
Criteri per la scelta dei building blocks
Facile reperibilità (prodotti commerciali)
I building blocks devono essere inseriti utilizzando
reazioni che sfruttano comuni gruppi funzionali
Compatibilità con la strategia sintetica
Un building block deve contenere solo gruppi funzionali
compatibili con le reazioni successive al suo inserimento
L’ordine con cui vengono inseriti i punti di diversità può
favorire la sintesi
Chimica combinatoriale
Gruppi funzionali
Idrofobicità/idrofilicità
I
I
OMe
I
idrofobico
Capacità di
formare
legame H
H
R
accettore
HO
O
Me
O
R
N
N
H
H
accettore e
donatore
O
O
R
R
donatore
H
acido
Dimensioni
NH
OH
R
Acidità/Basicità
I
idrofilico
O
R
+
NMe3
R
NH2
R
N
H
neutro
base
HO
HO
R
HO
R
O
H
accettore e
donatore
Chimica combinatoriale
Chelanti di metalli
R1
Ph3P
R2
R1
PPh3
H2N
OH HO
R2
N
NH2
R1
R2
R3
Gruppi reattivi
•
R
N
nucleofili
R
NH2
N
•
elettrofili
O
O
R1
R
R
R
SH
Chimica combinatoriale
Gruppi funzionali e diversità
OMe
O
N
H
N
S
O
O
S
H
Br
O
O
S
H
Br
OH
N
O
O
N
N
S
H
Br
O
N
N
O
OMe
O
O
N
OH
R
H
N
S
O
R
Ar
O
sulfonyl
hydrazone
N
R
R N
H
N
H
urea
O
R
R
R
oxime
O
OH
O
R
R
R
N
R
ketone
O
R
amine
R
N
H
amide
R
Chimica combinatoriale
Gruppi funzionali e diversità
OH
R1
OH
R1
R
R3 3
O
R1
O
R3
O
R1
O
R2
O
O
R1
N
H
R3
R1
O
R1
H
OH
La diversità potenziale di un gruppo funzionale può essere
parte della progettazione della libreria
Chimica combinatoriale
Diversità dei Gruppi Funzionali
– Importante per la struttura e le proprietà delle molecole
– La diversità dei gruppi funzionali è spesso sfruttata per
diversificare ulteriormente punti di diversità già inseriti
con building blocks
– La diversità potenziale di un gruppo funzionale è parte
integrante della progettazione di librerie
– In alcuni casi le trasformazioni di un gruppo funzionale sono
sfruttate per inserire un punto di diversità
Chimica combinatoriale
Multicomponent reactions
Chimica combinatoriale
Multicomponent reactions
Chimica combinatoriale
Multicomponent reactions
Chimica combinatoriale
Multicomponent reactions
Chimica combinatoriale
Affinità per tripsina e trombina di diversi inibitori
Ricerca basata sull’ipotesi
La benzammidina mostra selettività per la tripsina
L’ N-ammino piperidina leggermente più selettiva
per la trombina
Chimica combinatoriale
Inibitori classici della trombina 1
Chimica combinatoriale
Libreria di inibitori della trombina
La reazione di Ugi
applicata alla sintesi
di inibitori della trombina
Chimica combinatoriale