近日，中国科学技术大学仿生界面材料科学全国重点实验室/苏州高等研究院/纳米科学技术学院/化学与材料科学学院的戴懿涛特任研究员课题组提出了重水中芳烃苄位C(sp3)–H键发生氢氘交换的纳米光诱导路线。在室温常压、可见光照射和惰性气体条件下，通过构筑Pd纳米颗粒和C3N4载体之间的氘物种异裂活化界面，驱动了54种苄位氘代化学品的绿色合成，并实验证明其中关键催化机制。相关研究成果于9月24日以“Visible‐Light‐Induced Deuteration of Benzylic C(sp3)–H Bonds in D2O via Heterolytic Dissociation Mode”为题发表在《德国应用化学》（ Angewandte Chemie International Edition）上。
氘作为氢的稳定同位素，在制药、光电器件、医学诊断及生命科学领域具有重要应用。氘代化合物的合成可通过还原氘代、脱卤氘代、氢氘交换三种方法实现。相比之下，氢同位素交换（HIE）能够以更直接和高效的方式实现分子的一步氘代，且可使用相对廉价的同位素试剂重水D2O作为唯一氘源。HIE反应虽然受到业界青睐，但在氘代位点选择性、氘代率、C–H键适配范围、合成条件温和性、重水用量、催化剂/产物分离和公斤级规模化等方面仍然面临极大的挑战，这也是氘代标记领域的“圣杯”。
该研究团队（同位素药物合成实验室；Isotope Pharmaceutical Synthesis Laboratory）前期通过构建单原子Pd位点，成功驱动了氮杂芳烃C(sp2)–H在重水中的公斤级氘代规模（Nat. Synth., 2026, 5, 690-701；Nat. Synth., 2026, 5, 647-648）。然而，当前芳烃苄位C–H键的HIE过程仍依赖昂贵氘源（D2、氘代DMSO、氘代丙酮等）、难分离的金属络合物或高温/高压（≥120 °C和10 bar H2）等。对此，研究团队设计了一种Pd颗粒纳米光催化剂（Pd/C3N4），在 D₂O 中于410nm光照、1bar氩气氛围、室温条件下驱动芳烃分子苄位C(sp3)–H键的氘代（见图1）。该方法可对54种（杂）芳烃（含多种吸电子或给电子取代基）进行后期苄位氘代，氘代掺入率高达99%，底物范围涵盖高度官能团化的天然产物与药物分子。与此同时，含–CD₃ 药物分子的克级合成（2.17 g，10 mmol）验证了该光诱导策略的可扩展性与可持续性。原位表征（原位红外/质谱）实验证明在Pd 纳米颗粒与C3N4载体界面处发生了异裂解离，产生了活性氘物种（Pd–Dᵟ⁻ 与 N–Dᵟ⁺），进而引发 D₂O 中苄位C(sp3)–H键的氘代反应（见图2）。相比之下，均裂解离模式产生的氘物种则无法驱动苄位在重水中的氢氘交换反应。
图1、纳米光催化剂Pd/C3N4在重水中光诱导苄位C(sp³)–H键氢氘交换的性能研究
图2、光诱导重水中芳烃苄位C(sp3)–H键氢氘交换的催化机制
中国科大化学与材料科学学院/苏州高等研究院的2023级博士生徐杰和2024级硕士生曹瑞为论文的共同第一作者，戴懿涛特任研究员为论文的通讯作者，中国科大为论文通讯单位。该工作得到了清华大学潘挺睿教授的悉心指导。该工作主要由国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、姑苏创新创业领军人才计划和江西省创新领军人才等科技项目资助。同时也得到了中国科大理化科学实验中心和苏州高等研究院理化实验平台的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.9855820
（仿生界面材料科学全国重点实验室，苏州高等研究院，化学与材料科学学院，纳米科学技术学院，科研部）
