导读

氘代化合物在药物研发、材料科学及机理研究中具有不可替代的价值。因此，开发出一种操作简单、成本价廉且高效的合成方法深受研究学者们的青睐。近日，郑州大学的张月腾和王志远团队合作通过380-420nm光照激活硫醇，在无需贵金属或有机光催化剂条件下实现甲酰基（formyl）和胺类α-碳（α-amine）的高效氢氘交换氘代。首次开发出一种无光催化剂的光催化氘代方法。

正文

醛不仅广泛存在于天然产物中，而且是有机合成中重要的中间体，在官能团转化和构建化学键的过程中起到了关键性桥梁作用。此外，胺作为另外一种广泛存在于自然界和药物分子中的化合物，因N的富电子性，在药物分子中的α位易被代谢，可通过氘化加以克服。当前的氘代策略主要包括还原氘代、脱卤氘代和氢/氘交换（HDE）。其中，HDE因能保持原有官能团而被认为是最有效的方法。自2017年MacMillan开创光催化氘代药物以来，该领域取得了快速发展。但现有光催化氘代体系普遍依赖贵金属（如Ir配合物）或有机光催化剂（PCs），这些催化剂价格昂贵、合成复杂且后续难以去除，严重阻碍了其在学术研究和工业生产中的进一步发展。

郑州大学团队开发的无光催化剂的光催化氘代方法很好地解决了上述问题。研究团队前期在甲酰基光催化氘代实验中发现无催化剂体系在420nm光照下仍获得85%的氘代率，这一现象打破了光催化氘代体系需要光催化剂激活的传统认知。基于上述发现，该团队提出“低能量光（380-420nm）可以直接激活硫醇产生硫自由基催化氘代反应而无需添加光催化剂”这一核心假说。本研究在380-420nm光照下，使用市售常见硫醇化合物作为氢原子转移（HAT）催化剂，利用重水作为氘源，在无贵金属或有机光催化剂条件下成功实现了甲酰基（formyl）和胺类α-碳（α-mine）的高效氢氘交换。

通过优化反应条件，研究团队成功合成了一系列甲酰基和α-胺高氘代率产物，产率为51-99%，其中包含有芳香族、脂肪族以及多种药物衍生物。并且通过克级放大、重水回收和自然光驱动实验表明该方法具有良好的工业应用前景。此外，采用高分辨质谱、气相色谱和EPR证明体系中硫自由基和氢自由基的生成，验证低能量光（380-420nm）直接激活硫醇产生硫自由基这一核心假说。进一步，还通过实验和理论计算揭示S-H键在低能量光照射下发生均裂产生硫自由基和氢自由基的反应机制，为光催化氘代化合物的合成提供了新的见解。

图无光催化剂的光驱动氘代合成。图片来源：Nature Communications

总结

这一成果近期发表在Nature子刊Nature Communications上，文章的通讯作者是郑州大学基础医学院青年教师张月腾和郑州大学河南先进技术研究院的王志远副教授。郑州大学博士生孟颖、硕士生舒贝和张静为文章的共同第一作者。该研究成果得到了国家自然科学基金和河南省自然科学基金资助，由郑州大学基础医学院、代谢紊乱与食管癌防治全国重点实验室、郑州大学化学学院、河南先进技术研究院、郑州大学癌症化学预防河南省协同创新中心、郑州大学癌症化学预防国际联合实验室等单位共同完成。

作者简介

张月腾，郑州大学基础医学院病理生理学系讲师、硕士生导师。研究方向聚焦药物化学与化学生物学，致力于通过化学合成技术开发抗肿瘤药物及探针分子。主持河南省自然科学青年科学基金、中国博士后面上项目等课题，并参与国家自然科学基金面上项目。近年来在化学与药物化学领域取得系列成果，以第一/通讯作者在《Chem. Soc. Rev.》《ACS Catalysis》《Green Synthesis & Catalysis》《European Journal of Medicinal Chemistry》等期刊发表多篇论文，系统探索光氧化还原催化吲哚去芳构化、氘代修饰及天然产物靶标发现等方向。

王志远，郑州大学副教授，博士生导师。主要从事金属纳米材料的可控构筑及催化应用研究。包括金属纳米、单原子催化材料的设计、可控构筑及其在光催化、电催化、热催化等领域的应用研究等。至今已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, JMCA, Adv. Mater., Nano Energy, Nano Research等国际知名期刊发表论文40多篇；主持国家自然科学基金面上项目1项，中国博士后基金特备资助1项，企业横向项目多项。

文献详情：

Photocatalyst-free photochemical deuteration via H/D exchange with D2O

Ying Meng, Bei Shu, Jing Zhang, Heng Rao, Ziyuan Zhou, Zhiyuan Wang, Zhongyi Liu, Kangdong Liu, Yueteng Zhang, Wei Wang

Nature Communications ，2025

DOI：10.1038/s41467-025-61641-0