网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

中国科大戴懿涛课题组Angew:可见光诱导重水中苄位选择性氢氘交换新策略

0
分享至


第一作者:Jie Xu(徐杰),Rui Cao(曹瑞)

通讯作者:Yi-Tao Dai(戴懿涛)

通讯单位:中国科学技术大学

论文DOI:doi.org/10.1002/anie.9855820

全文速览

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烷基(杂)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,并通过实验证明了其中关键催化机制。相关研究成果于9月23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。

论文链接:https://doi.org/10.1002/anie.9855820


背景介绍

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,特别是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键在重水中的公斤级规模氘代(Nat. Synth., 2026, 5, 690-701;Nat. Synth., 2026, 5, 647-648)。然而,烷基芳烃苄位C–H键的HIE过程目前仍存在较大的挑战。现有的HIE方法主要依赖昂贵氘源(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,该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、室温条件下驱动烷基(杂)芳烃分子苄位C(sp3)–H键的氘代(图1)。


图1.通过HIE过程实现烷基芳烃苄位C–H键氘代的催化体系对比

本文亮点

1、氘源成本低,反应条件温和且工艺简单

以相对廉价的D2O作为唯一氘源,在室温常压、可见光照射和惰性气氛条件下,即可实现烷基(杂)芳烃分子的苄位选择性氘代。反应后处理简单,催化剂与产物易于分离,催化剂稳定性好,可多次循环使用。

2、底物范围广泛,易于放大合成

实现了54种(杂)芳烃分子(含多种吸电子或给电子取代基)的后期苄位氘代,氘代率高达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, CD3药物分子的克级合成(2.17 g,10 mmol)也验证了该光诱导策略的可扩展性与可持续性。

3、揭示了异裂解离的活性氘物种在引发苄位氘代中的关键作用

原位表征实验证明在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。相比之下,均裂解离模式产生的氘物种则无法驱动苄位在D2O中的氢氘交换反应。

图文解析


图2.光催化剂Pd/C3N4的结构表征

要点:

首先,通过三聚氰胺的热解合成了C3N4。随后,以C3N4为载体,通过光沉积法制备了Pd/C3N4光催化剂。HRTEM表征表明,Pd纳米颗粒均匀分散在C3N4表面,平均粒径为3.4 nm(图2B)。所测得的0.22 nm晶格间距对应于金属Pd的(111)晶面(图2C)。STEM-EDS元素分析显示,C和N元素分布均匀,而大部分Pd纳米颗粒分散在C3N4纳米片的边缘(图2D)。原始C3N4的XRD图谱在27.6°和12.9°处呈现两个特征峰,分别归属于(002)和(100)晶面。这些峰与共轭芳香骨架的π-π堆积以及七嗪环的面内重复单元有关。引入Pd物种后,C3N4的特征峰保持不变,表明C3N4的层状结构得到了良好保持。此外,在40.1°处观察到一个弱衍射峰,归属于金属Pd的(111)晶面,这与HRTEM的观测结果一致(图2E)。此外,PL光谱被抑制(图2F)、光电流响应增强(图2G),都表明Pd纳米颗粒的负载促进了电荷的分离与扩散,从而提升了C3N4的电子储存能力。


图3.光催化剂Pd/C3N4在D2O中光诱导苄位C(sp3)–H键氢氘交换的性能研究

要点:

1、光催化剂筛选:Pd纳米颗粒和C3N4的金属-载体界面在光诱导苄位C(sp3)–H键与D2O的氢氘交换反应中具有独特作用(图3A)。该界面能够协同产生活性氘物种(如解离D原子),用于后续的氘代步骤。

2、反应时间考察及原位质谱监测:Pd/C3N4在D2O中光诱导苄位C(sp3)–H键氢氘交换的时间曲线呈现出明显的诱导期(图3B),这对应于IPA在D2O中的光催化脱氢生成的解离D原子在Pd/C3N4上的积累。同时,通过原位质谱监测到少量D2的原位生成(图3C;1.4 μmol,仅占反应器空腔体积0.2%),这来源于Pd/C3N4表面解离D原子的脱附。

3、光照波段考察:365和410 nm下表现出高氘代率,而当采用更长波段的光照(包括450、500、530和600 nm)时,则未观察到任何氘代反应(图3D),符合Pd/C3N4的吸光曲线。

4、底物浓度考察:当反应底物浓度由0.1 mmol增至2.5 mmol时,通过适当升高温度(60 °C)、增加Pd负载量(2.0 wt.%)以及延长光照时间(12 h),可实现令人满意的氘代(氘代率为91%)(图3E)。此时,D2O与反应物的摩尔比降至35当量。

5、催化剂稳定性考察:Pd/C3N4光催化剂在经过四次连续循环测试后,氘代率从99%略微降至94%(图3F),具有较好的稳定性。

6、牺牲剂考察:加入K2S2O8和TEOA分别作为牺牲电子受体/给体后,HIE反应被完全抑制(图3G)。表明光生电子和空穴在IPA的光催化脱氢以及原位产生D2的过程中起决定性作用。与此同时,TEMPO的加入也表现出淬灭效应(图3G),这可能是TEMPO充当了自由基清除剂或氧化剂。而BHT的加入却对HIE反应没有影响,从而排除了反应过程中苄基自由基中间体的参与。因此,TEMPO的主要作用是作为氧化剂消除还原性中间体。


图4.光诱导D2O中烷基芳烃苄位C(sp3)–H键氢氘交换的催化机制研究

要点:

1、KIE实验:反应的决速步骤是苄位C(sp3)–H键的断裂,而非D2O的活化(图4A)。

2、D2在不同催化剂样品上的红外吸附:如图4B所示,仅在Pd/C3N4上观察到位于~2420 cm-1和~2520 cm-1处的明显红外吸收峰,这分别归属于N–D和O–D键的伸缩振动。相比之下,在Pd/C上未检测到此类异裂相关的氘信号,而D2在Pd/C上的吸附通常发生均裂解离形成Pd–D物种。这些结果表明,Pd纳米颗粒与C3N4载体之间的界面对D2异裂解离生成Pd–Dδ⁻和N–Dδ⁺物种至关重要。与此同时,在黑暗中D2存在下,Pd/C上未观察到任何氘代,而Pd/C3N4上则发生了高水平氘代(图4C)。据此,团队推断优异的氘代活性依赖于异裂解离的活性D物种,而非均裂解离的D原子。

3、原位红外实验:以甲苯作为反应底物。当向原位红外反应池中引入足量D2(300 µL)后,甲苯的苄位C(sp3)–H键(位于2937/2881 cm-1处)的红外吸收峰在黑暗中随反应时间的延长而逐渐减弱(图4D)。这可归因于H/D交换步骤的进行,同时伴随着一个归属于甲苯-d3中C–D键的新吸收峰在~2144 cm-1处出现(图4D)。此外,当引入不足量的D2(20 μL)时,在未吸附甲苯时,可清晰观察到归属于N–D和O–D物种伸缩振动的明显红外吸收峰(图4E,上)。而当甲苯预先吸附在催化剂表面后,即使引入等量D2,N–D和O–D键的特征红外吸收峰却明显减弱(图4E,下)。与此同时,苄位C(sp3)–H键的伸缩振动峰(2937/2881 cm-1处)随时间逐渐衰减(图4E,下)。这些结果表明,甲苯分子可能与Pd-C3N4界面上由异裂解离产生的活性D原子发生了H/D交换。

4、可能的催化机制:首先,在可见光照射下,光生电子-空穴对在催化剂表面发生扩散。随后,IPA被价带空穴氧化脱氢生成丙酮,而脱去的质子(H⁺/D⁺)则在Pd纳米颗粒表面被光生电子还原形成解离的H/D原子,并伴随有HD/D2的原位释放。然后,原位生成的D2在Pd纳米颗粒与C3N4载体的界面处发生异裂解离,产生活性D物种(Pd–Dδ⁻和N–Dδ⁺)。接着,底物的苄位C(sp3)–H键在活性D物种(Pd–Dδ⁻)的促进下经过去质子化被活化,生成苄基中间体(PhCH2*)并释放HD。最后,苄基活性中间体与氘源(吸附的D2O或解离的D原子)结合形成氘代产物。与此同时,HD中间体在催化剂表面与D2O发生H/D交换生成HDO,从而使催化剂表面的解离D原子得以再生。


图5.烷基(杂)芳烃底物拓展


图6.天然产物和药物分子底物拓展

要点:

1、官能团兼容性好:给电子基团(如–OMe、–NHMe和–N(Me)2)或吸电子基团(如–NH3+、–Ms、–COOH、–COOR等)以及其它官能团取代的甲基芳烃底物均能顺利兼容于该光诱导HIE反应体系(苄位氘代率高达99%)。此外,亚甲基以及次甲基芳烃底物也能顺利完成苄位选择性氘代。

2、复杂分子后期修饰:通过该光诱导HIE策略,可以实现天然产物分子(包括百里香酚、橄榄醇和维生素E)的后期苄位氘代。此外,还实现了治疗阿尔茨海默病/心血管疾病/肌肉疾病/精神疾病的商品化药物分子的后期苄位氘代。其中包括氘代奈非西坦、美西律、美他沙酮、吉非罗齐、萘丁美酮、丙咪嗪、赛洛唑啉、塞来昔布、褪黑素和罂粟碱。

3、氘甲基药物的克级合成:通过使用自制的玻璃光反应器,可以轻松实现10 mmol (2.17 g)氘甲基药物(美他沙酮-d6)的放大合成,D2O用量仅需55当量。上述结果进一步凸显了该光诱导HIE策略的实际应用价值。

总结与展望

该研究开发了一种重水D2O中烷基(杂)芳烃苄位C(sp3)–H键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,并通过原位表征实验证明其中关键催化机制。所建立的光诱导HIE方法温和、可持续、催化剂可重复使用、可放大且操作简便,展现出令人满意的实用性。研究团队预期该方法将为制备含CD3的药物提供一种经济、高选择性且稳健的途径。

作者简介


戴懿涛,中国科学技术大学特任研究员,博导,课题组PI,德国洪堡学者。2011/2014年获大连理工大学学士/硕士学位,2018年获丹麦奥胡斯大学博士学位(导师为中国科学院外籍院士Flemming Besenbacher教授)。主要研究方向为精准催化合成同位素化学品及其他高值分子。已在高水平学术期刊上共发文50多篇,H因子28。其中以独立通讯作者或第一作者在Nat. Synth. (2), Sci. Adv. (1), Nat. Commun. (2), J. Am. Chem. Soc. (1), Angew. Chem. Int. Ed. (4)等顶级期刊上发表多篇学术论文。曾受邀担任The Innovation(Cell旗下综合国际期刊)和Chinese Chemical Letters《中国化学快报》的青年编委。获省部/市级创新创业领军人才计划支持。曾受邀担任NSFC项目的通讯评审专家。主持国家级、省部/市级和校企合作科技项目10余项。获评Nanoscale 2023年新锐科学家和ChemSusChem 2025可持续学科人才。受邀担任国际会议分会Chair并在多个会议上做Keynote/Invited报告。于2025年获评省科学技术进步二等奖。已和国内外多家上市公司、大型央企开展过技术合作,具备工程研发基础。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
中国为加纳打了1000口井,没料到修的太好,成50万人的“救命药”

中国为加纳打了1000口井,没料到修的太好,成50万人的“救命药”

云霄纪史观
2026-10-21 13:31:36
恩爱40年难抵残酷现实?65岁刘德华近况曝光,14岁女儿成遗憾

恩爱40年难抵残酷现实?65岁刘德华近况曝光,14岁女儿成遗憾

菲儿爱蛋糕
2026-10-20 17:43:22
哈里又抢戏了!查尔斯摆4,000件金餐具宴请苏丹,哈里在隔壁一句话抢走头条!

哈里又抢戏了!查尔斯摆4,000件金餐具宴请苏丹,哈里在隔壁一句话抢走头条!

英国那些事儿
2026-10-23 02:42:20
“我读这么多书有什么用?”女子控诉求职难,网友一针见血:文员对长相有要求!

“我读这么多书有什么用?”女子控诉求职难,网友一针见血:文员对长相有要求!

林林先生
2026-10-21 18:50:03
白鹿事件升级!泰国见面会取消后,缅北视频又被扒,黑历史曝光

白鹿事件升级!泰国见面会取消后,缅北视频又被扒,黑历史曝光

明天去看太阳
2026-10-22 13:19:21
2017年,30岁少妇寂寞难耐,和网友酒店厮混,完事后,她嘲讽对方身体太虚,酿成惨祸

2017年,30岁少妇寂寞难耐,和网友酒店厮混,完事后,她嘲讽对方身体太虚,酿成惨祸

法网恢恢
2026-10-22 22:33:24
人民日报评星巴克“消费入座”:一张椅子,照出了多大的问题?

人民日报评星巴克“消费入座”:一张椅子,照出了多大的问题?

亿通电子游戏
2026-10-23 07:17:26
刘国周到深圳检查APEC会议安保工作!要求确保社会面干干净净

刘国周到深圳检查APEC会议安保工作!要求确保社会面干干净净

南方都市报
2026-10-22 20:12:07
红果短剧让很多台湾网友沉迷,自称一刷就停不下来,花上万把大陆美食买遍了!

红果短剧让很多台湾网友沉迷,自称一刷就停不下来,花上万把大陆美食买遍了!

怪味历史连连看
2026-10-22 17:24:51
末节13分救主,赛后落泪!苦等486天复出,熟悉的关键先生回来了

末节13分救主,赛后落泪!苦等486天复出,熟悉的关键先生回来了

锅子篮球
2026-10-22 16:30:57
13年前男孩扶人被讹百万,老太发誓“骗人死全家”,后来成真了吗

13年前男孩扶人被讹百万,老太发誓“骗人死全家”,后来成真了吗

流云随风去远方
2026-10-21 17:20:43
一场29分逆转!骑士要认清4条现实:主教练换人刻不容缓!

一场29分逆转!骑士要认清4条现实:主教练换人刻不容缓!

运筹帷幄的篮球
2026-10-23 11:58:20
不查不知道,披日旗的南京留学生,私下有多壕,校方承诺开除遣返

不查不知道,披日旗的南京留学生,私下有多壕,校方承诺开除遣返

小鋭有话说
2026-10-20 22:13:14
iPhone Duo 微信运行界面曝光,有点尴尬

iPhone Duo 微信运行界面曝光,有点尴尬

全是技能
2026-10-22 16:41:11
暗流已经出现?苏联当年的颠覆套路再现中国,接连怪事更值得警惕

暗流已经出现?苏联当年的颠覆套路再现中国,接连怪事更值得警惕

補懂事的孩紙
2026-10-16 11:58:16
力克强敌刚一夜!赛后传来广东雅科维奇最新消息,崔永熙一番话说的很实在

力克强敌刚一夜!赛后传来广东雅科维奇最新消息,崔永熙一番话说的很实在

旧纸讲非遗
2026-10-23 10:23:23
“黄金腰臀比”魏秋月:运动员时因技术出名,退役后靠身材出圈

“黄金腰臀比”魏秋月:运动员时因技术出名,退役后靠身材出圈

洒脱一点p
2026-10-22 03:20:16
党、政、军的接班人,毛主席在1971年选出来了,但只有他走到最后

党、政、军的接班人,毛主席在1971年选出来了,但只有他走到最后

简史档案馆
2026-10-18 11:05:04
不受耿同学打假影响,南开大学陈佺被免职、撤稿后,其团队再发Nature

不受耿同学打假影响,南开大学陈佺被免职、撤稿后,其团队再发Nature

东东趣谈
2026-10-22 15:20:39
日媒:被中国重点提防的桥本帆乃香连赢两名中国选手 夺冠头号功臣

日媒:被中国重点提防的桥本帆乃香连赢两名中国选手 夺冠头号功臣

念洲
2026-10-23 10:15:34
2026-10-23 12:59:01
化学加网 incentive-icons
化学加网
萃聚英才,共享化学
13180文章数 8318关注度
往期回顾 全部

科技要闻

抢运营商饭碗!马斯克又有大动作

头条要闻

特朗普儿子前女友被解雇 曾鼓励助理和有钱男人上床

头条要闻

特朗普儿子前女友被解雇 曾鼓励助理和有钱男人上床

体育要闻

没人看好的加图索,打出队史最佳开局

娱乐要闻

高梓淇向女友求婚,被女方父母接受

财经要闻

娃哈哈集团董事长许思敏离职

汽车要闻

泊车有绝学 新手亦高手 全新第四代博越L泊车篇

态度原创

教育
数码
时尚
本地
公开课

教育要闻

日常英语:厨房的味道也会影响别人

数码要闻

入门卡溢价超60%!RTX 50系价格彻底崩坏:5050、5060 Ti仅差500元

“风衣+裙子”才是今年秋天绝美搭配,这样搭显瘦还时髦

本地新闻

一场垂直登高赛跑出了"山城"的真正内核

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版