近日，中国科学技术大学苏州高等研究院/化学与材料科学学院/精准智能化学全国重点实验室的戴懿涛特任研究员课题组提出了重水中氮杂芳烃发生氢氘交换的纳米光催化合成路线。在室温常压、可见光照射和惰性气体条件下，通过原子级钯分散的光催化剂（Pd1/TiO2）驱动了公斤级氘代化学品的绿色合成，并揭示了其中关键催化机制。相关研究成果于1月26日以“Scalable light-driven deuteration of N-heteroarenes over atomically dispersed palladium”为题发表在《自然·合成》（Nature Synthesis）上。

图1、合成氘代N-杂芳烃的氢氘交换路线

氘作为氢的稳定同位素，在制药工业、光电设备制造、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以通过还原氘代、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，且使用相对廉价的同位素试剂重水D2O作为唯一氘源更是广受青睐，这也是氘代标记领域的“圣杯”。然而，现有报道的N-杂芳烃HIE合成策略仍有诸多局限。例如，均相催化体系中常需较昂贵氘源（如D2、C6D6和C2H5OD）或复杂络合物催化剂，且产物难以分离。相比之下，多相催化体系则面临着D2O过量使用（通常D2O/反应物的摩尔比>40）和操作条件（高温、高压H2/D2）较苛刻等问题。为了突破以上限制，研究团队设计了一种原子级分散Pd位点的纳米光催化剂（Pd1/TiO2），在可见光照射下活化N-杂芳烃的氮邻位C–H键，并与D2O发生氢氘交换反应，其反应优势如图1所示。与其他催化体系相比，低D2O使用量（D2O/反应物摩尔比≤20）、可循环使用、宽泛的底物范围（62种N-杂芳烃）和公斤级氘代规模突出了该纳米光催化系统的先进性。

图2、单原子纳米光催化Pd1/TiO2-h的微观结构分析和重水中光催化HIE性能研究

研究人员以2-氨基嘧啶作为模型底物，在自研光催化反应器平台上系统考察了催化剂组分、LED光波长、反应时间等关键参数，相关结果表明在室温、常压和1bar Ar气氛中，可见光照射下（410 nm LED），Pd1/TiO2单原子光催化剂可实现2-氨基嘧啶4，6号位的99%氘代率（图2）。通过理化表征技术确定了Pd主要为原子级分散状态。对比试验则表明该反应的主要活性位点可能来自Pd单原子物种，而不是Pd团簇或纳米颗粒。另外，催化剂的多次循环实验也证明其稳定性。相关机理研究表明：氮杂芳烃底物会先与纳米光催化剂上的Pd位点进行N原子配位吸附；接着，光照下原位产生的富电子特性Pdδ*位点则借助可能的氧化加成机制来活化N邻位的C(sp2)–H键；随后，该中间物种与D2O发生氢氘交换和还原消除步骤，产生了氘代N-杂芳烃。最后，释放的Pdδ*位点则容易被空穴或羟基自由基氧化回单原子Pdδ+。

为进一步验证该纳米光催化体系的实用性，研究人员进行了一系列放大实验（图3）。经LED灯带可见光照射，三轮反应后可获取约40g氘代产物（421 mmol）（平均氘代率92%）。通过循环利用重水，整个合成体系中D2O与反应物的摩尔比可降低至19.7。研究人员在室内搭建了配备30个250mL光反应器的反应架，并批量化复制放大合成反应，最终分离收集了1.157kg氘代产物（2-氨基嘧啶-4,6-d2；分离收率95%），充分证明该光催化合成体系具备良好的可靠性和可操作性。

图3、氘代N-杂芳烃的光催化放大合成

由于该成果的重要性与创新性，《自然·合成》杂志同期以“研究简报”（Research Briefing）专栏形式对该工作进行了题为“Scalable photocatalytic deuteration of N-heteroarenes”的报道。该杂志高级编辑Peter Seavill高度评价：“戴及其同事报道的这一方法之所以突出，是因为它能够在温和的反应条件下，通过单原子光催化和重水D2O作为同位素源，实现杂芳烃的氘代。与许多氘代方法相比，反应条件的温和性使这一方法更具吸引力，同时该过程的可扩展性也得到了证明。”捷克国家科学院的Aleš Marek教授评论该工作：“这种简单的自制反应装置使其他实验室能够常规使用。这种方法有可能扩展重氢同位素标记的工具箱。”

中国科大化学与材料科学学院/苏州高等研究院的2023级博士生徐杰为论文的第一作者，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。该工作得到了中国科学院大学赵达副教授、中国科大潘挺睿教授、欧洲科学院院士香港城市大学刘锦茂（K. M. Liew）教授和中国科学院外籍院士丹麦奥胡斯大学Flemming Besenbacher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、苏州市外籍院士工作站和校内人才引进启动经费等科技项目资助。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。