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藥物化學（英語：Medicinal chemistry），簡稱藥化，是建立在化學和藥學基礎上，對藥物結構和活性進行研究的一門學科。研究內容涉及發現、修飾和優化先導化合物，從分子水平上揭示藥物及具有生理活性物質的作用機理，研究藥物及生理活性物質在體內的代謝過程。
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藥物化學的任務包括：研究藥物的化學結構和活性間的關係（構效關係）；藥物化學結構與物理化學性質的關係；闡明藥物與受體的相互作用；鑑定藥物在體內吸收、轉運、分布的情況及代謝產物；通過藥物分子設計或對先導化合物的化學修飾獲得新化學實體創製新藥。
19世紀以前的藥學作為商品學的一個分支學科，研究的對象是一些天然來源的藥物，直到19世紀開始人們從一些天然藥物中陸續分離出一些具有生理活性的化學物質（從鴉片中分離出鎮痛藥嗎啡、從顛茄中分離出抗膽鹼藥阿托品、從金雞納樹皮中分離出抗瘧藥奎寧等），以藥物分子為主要研究對象的藥物化學開始從原來的藥物學中獨立出來成為一個獨立的學科。
隨着包括化學、生理學、生物化學在內的眾多相關學科的發展，人們對藥物分子結構的認知更加清楚，對藥物結構和藥物活性之間的關係也更加清晰，並產生了解釋藥物藥理作用機理的眾多理論，在這些理論的指導下，人們開始對有生理活性的天然來源的藥物分子結構進行修飾改造。同時，有機化學尤其是有機合成理論和技術的發展使得人們能夠輕鬆合成較複雜的分子，人們對藥物分子改造的設想也得以實現，並使得合成藥物取代了天然來源的提取藥物成為人們主要應用的藥品。
近年來，分子生物學、基因組學和信息技術飛速發展，人們對一些疾病機理的了解更加清楚，可以對生物大分子和藥物小分子的相互作用過程進行計算模擬，定量分析藥物的結構和活性的關係，20世紀60年代Hansch和藤田創立了基於二維定量構效關係的Hansch方法，標誌着藥物化學進入了合理藥物設計（Rational Drug Design）的階段，現在的藥物化學家可以藉助高性能計算機的幫助，定量地預測某一藥物分子結構的生理活性，有目標地設計藥物分子。
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