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
2027款福特锐界L到店,外观调整,长度+车机升级,保留隐藏门把手

2027款福特锐界L到店,外观调整,长度+车机升级,保留隐藏门把手

闻车品百魅
2026-10-22 11:52:05
云南这则新闻,难道代价就只能落到老百姓头上?

云南这则新闻,难道代价就只能落到老百姓头上?

胖胖说他不胖
2026-09-29 10:00:34
APEC 会议不必留座?中日谈判大门关上,高市玩砸了,我军圈定禁区

APEC 会议不必留座?中日谈判大门关上,高市玩砸了,我军圈定禁区

林子说事
2026-10-22 12:44:43
缘分!林庭谦与前女友同一联赛,女方身材火辣,曾索要6000万青春补偿费!

缘分!林庭谦与前女友同一联赛,女方身材火辣,曾索要6000万青春补偿费!

体坛卡卡说
2026-10-22 17:58:06
杨子分享儿女近况:24岁女儿在上海当老师,儿子安迪5个月减50斤

杨子分享儿女近况:24岁女儿在上海当老师,儿子安迪5个月减50斤

青梅侃史啊
2026-10-23 07:09:53
乌克兰外交部长会见中国驻乌大使,“感谢中方”

乌克兰外交部长会见中国驻乌大使,“感谢中方”

观察者网
2026-10-22 18:11:06
拉夫罗夫告诫后辈,俄罗斯跟中国截然不同,没有资格谈论岁月静好

拉夫罗夫告诫后辈,俄罗斯跟中国截然不同,没有资格谈论岁月静好

策前论
2026-10-22 13:29:11
1965年香港,何香凝含泪质问宋庆龄:咱们半辈子积下的革命家业,怎就落进了那个洋行买办外孙手里?

1965年香港,何香凝含泪质问宋庆龄:咱们半辈子积下的革命家业,怎就落进了那个洋行买办外孙手里?

磊子讲史
2026-10-13 16:31:51
朱可夫晚年吐露:1951年苏联援华军火数量大得惊人,多年后他才说出那批物资背后不为人知的内情?

朱可夫晚年吐露:1951年苏联援华军火数量大得惊人,多年后他才说出那批物资背后不为人知的内情?

回京历史梦
2026-09-25 18:25:33
老泄残精,人穷寿尽!医生提醒:63岁之后,男性要守好这4道关

老泄残精,人穷寿尽!医生提醒:63岁之后,男性要守好这4道关

医学科普汇
2026-10-16 18:19:25
当6.5%的人拿走四成:一张养老金账单背后的制度追问

当6.5%的人拿走四成:一张养老金账单背后的制度追问

金融科技一线
2026-10-10 08:53:24
一日本高管防火期硬闯禁区偷钓极危鱼类,开的日产车烧毁了蒙古八成保护区

一日本高管防火期硬闯禁区偷钓极危鱼类,开的日产车烧毁了蒙古八成保护区

老郭在学习
2026-10-21 15:32:12
大帽子满天飞,到底怕什么?

大帽子满天飞,到底怕什么?

阿凯销售场
2026-10-21 07:57:54
太荒唐!夫妻进厂务工,班长安排男的上夜班,夜夜和人家老婆厮守

太荒唐!夫妻进厂务工,班长安排男的上夜班,夜夜和人家老婆厮守

四海神君
2026-09-28 20:30:04
不是危言耸听!再不着手解决台海问题,全世界,真的会看我们笑话

不是危言耸听!再不着手解决台海问题,全世界,真的会看我们笑话

乌克兰小静
2026-10-22 08:00:22
跑光了!6年少了8300万人,年轻人说不交就不交,问题出在哪?

跑光了!6年少了8300万人,年轻人说不交就不交,问题出在哪?

南宗历史
2026-10-14 00:36:57
轮到中国掀桌,中方罕见出手,日本反对无效,日媒:最坏结果出现了

轮到中国掀桌,中方罕见出手,日本反对无效,日媒:最坏结果出现了

关权教授聊经济
2026-10-18 19:47:06
被裁7个月,他靠Claude Code投了69份简历,拿了20个面试:这个GitHub第一的求职工具,我跑完后发现它最值钱的不是“自动投”

被裁7个月,他靠Claude Code投了69份简历,拿了20个面试:这个GitHub第一的求职工具,我跑完后发现它最值钱的不是“自动投”

阿鑫讲ai
2026-10-20 19:30:42
含大量硼砂,别再给家里人吃了!这10类食物最易掺硼砂,别害自己

含大量硼砂,别再给家里人吃了!这10类食物最易掺硼砂,别害自己

健康之光
2026-09-25 07:25:20
挺好的训练装,硬是穿出不协调的感觉!

挺好的训练装,硬是穿出不协调的感觉!

穿的像个人样
2026-10-15 07:52:49
2026-10-23 08:24:49
化学加网 incentive-icons
化学加网
萃聚英才,共享化学
13175文章数 8318关注度
往期回顾 全部

科技要闻

扎克伯格杀回来了,但Meta还没赢

头条要闻

美国间谍被指要伪装成商人卧底中国 五角大楼急忙否认

头条要闻

美国间谍被指要伪装成商人卧底中国 五角大楼急忙否认

体育要闻

卢卡:伦德伯格,欢迎来到NBA

娱乐要闻

芭莎盛典,张小斐因救场实现口碑暴涨

财经要闻

娃哈哈集团董事长许思敏离职

汽车要闻

搭城市NOA/续航555KM 捷达M6上市售7.98万起

态度原创

艺术
亲子
家居
数码
公开课

艺术要闻

故宫藏一幅特殊古画:饱经起落的帝王画钟馗,不是吓人,是送整年好运

亲子要闻

生儿子的几大优势,女孩家长根本想象不到

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

数码要闻

王腾:iFlow睡眠精度高于AppleWatch 受限于成本确实不便宜

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