氘作为氢的稳定同位素，其标记技术在制药工业、光电器件制备、医学诊断和生命科学领域均具有重要意义。
例如，首个氘代药物奥匹哌醇（氘代丁苯那嗪）可用于治疗亨廷顿舞蹈症的不自主运动症状，这一疗效可能源于氘代化合物得到提升的药代动力学与药效学性能。
对美国食品药品监督管理局2013年1月至2023年12月批准的小分子药物分析显示，82%的新药分子中至少含有一个氮杂环结构；而1938年至2012年获批的药物中，该比例仅为59%。
此外，在出现频次排名前20的氮杂环结构中，有14种为氮杂芳烃，其中吡啶和嘧啶分别位列第一和第五。制药行业亟需开发一种高效、低成本且可规模化的氮杂芳烃氘代制备方法。
传统药物分子的氘代制备通常需多步反应，包括对底物的预官能化（如卤代反应）与脱官能化（碳-卤键转化为碳-氘键），或对不饱和前体（如炔烃、烯烃、腈类、醛酮类化合物）的还原反应。
与之相比，直接氢同位素交换法可通过单步反应实现氘代，是一种更为简洁高效的合成策略，尤以使用廉价同位素试剂重水的方法最具优势。目前科研人员已基于多种催化体系对该直接合成方法展开研究，相关体系见图1。
例如2016年，奇里克研究团队报道了以铁基配合物为催化剂、昂贵的氘气为氘源，实现药物分子芳香族碳(sp²)-氢键位点的氘代改性。其他过渡金属配合物也已实现温和条件下、以氘气为氘源，对各类碳(sp²)-氢键和碳(sp³)-氢键的氘代。也有研究报道以昂贵的氘代苯为氘源，在钌或铁配合物催化下合成氘代（杂）芳烃。
科研人员还开发了若干光氧化还原催化体系，可在昂贵的氘气/氘代乙醇或廉价的重水作为氘源的条件下驱动氢同位素交换反应。近期，陶氏研究团队报道了以酚盐型光催化剂（2,6-二叔丁基-4-苯基苯酚）为催化材料，在405 nm发光二极管光照下、叔丁醇钾-氘代乙醇体系中实现芳香族药物分子的氘代，但该体系在重水中无催化活性。
昂贵氘源（氘气、氘代苯、氘代乙醇）和金属配合物的使用，限制了上述方法的进一步推广。据现有研究报道，仅有少数均相催化剂能以重水为氘源，成功驱动芳香族碳(sp²)-氢键的氢同位素交换反应，其核心难点可能在于重水的活化动力学缓慢。
因此，以钌或钯配合物为均相催化剂时，反应通常需要较长的反应时间（3天）、较高的反应温度（110℃），或过量的重水（44~92当量）。综合来看，现有均相催化体系的主要问题集中在：需使用昂贵氘源、催化剂为均相体系，且产物与催化剂难以分离。
### 图1 氢同位素交换法合成氘代氮杂芳烃的催化体系
a 以昂贵氘源为原料的氮杂芳烃氢同位素交换代表性方法；b 以重水为氘源的氮杂芳烃氢同位素交换代表性方法；c 本研究报道的、以原子分散钯为催化材料、重水为氘源的氮杂芳烃光催化氢同位素交换方法。r.t.为室温；hν为光能；NPs为纳米颗粒。
相较而言，非均相催化体系在该反应中已取得理想效果。例如佐木研究团队以市售5~10 wt.%钯/碳为催化剂，在1 bar氢气氛围、约160℃条件下，以重水为氘源反应24小时，成功制得产率良好的氘标记杂环/芳烃化合物。
2022年，布吕克纳、雷和贝勒研究团队首次以铁/碳化铁纳米颗粒为催化剂，在20 bar氢气氛围、120~140℃条件下，以重水为氘源实现了（杂）芳烃的规模化、高选择性氘代，成功制备出1.005千克（6.17 mol）的氘代4-苯基吗啉，但该反应需使用大量重水（249 mol，40当量）。类似地，锰基核壳纳米颗粒可在120℃、加压氢气氛围下，以重水为氘源驱动富电子（杂）芳烃的氢同位素交换反应。
尽管非均相催化体系以重水为氘源时，能实现优异的氘代效果，但反应所需的苛刻且危险的操作条件，限制了其实际应用。
此外，已有研究报道钌、铑、铱、镍基纳米颗粒可在温和条件下、以昂贵的氘气为氘源，实现（杂）芳烃的氘代，而氘气的高成本与安全风险，成为其规模化生产的阻碍。对于以重水为氘源的氮杂芳烃氢同位素交换非均相催化体系，其实际应用价值主要受两大因素制约：
重水的使用成本（通常重水与反应物的摩尔比>40）与反应操作条件（温度、气氛、压力）。目前，尚未开发出一种可规模化的高效非均相催化剂，能在温和、安全的条件下，以低当量重水为氘源驱动氮杂芳烃的氢同位素交换反应。
设计原子分散金属型非均相催化剂应用于有机合成，已被证实是一种极具前景的策略，该类催化剂可在更温和、更绿色的反应条件下，展现出高催化活性与稳定性。
例如，维莱和托索尼研究团队近期制备了单原子镍/碳氮化物光催化体系，将其应用于碳-氧偶联反应，在白光照射下该体系表现出高反应速率（最高达0.14 mmol·g₍催化剂₎⁻¹·min⁻¹）与良好的长期稳定性。
中国科大苏州高等研究院戴懿涛老师课题组制备了钛白粉负载原子分散钯位点的光催化剂（Pd₁/TiO₂），该催化剂在可见光照射下可形成激发态，能在室温、1 bar氩气氛围下活化氮杂芳烃的碳-氢键，从而在重水中实现难度较高的氢同位素交换反应。
此外，本研究开发的光催化合成路线还具有以下优势：钯负载量低（0.5~2.0 wt.%）、重水用量少（重水与反应物摩尔比≤20）、催化剂可循环利用、底物适用范围广（62种氮杂芳烃），且能实现千克级氘代氮杂芳烃的规模化合成，相较其他氢同位素交换催化方法实现了关键性改进。
戴懿涛，中国科学技术大学特任研究员、课题组组长。于2018年在丹麦奥胡斯大学获得博士学位，导师为中国科学院外籍院士Flemming Besenbacher教授。博士期间在中科合成油技术股份有限公司（李永旺教授任公司总裁）下设的表面科学研发中心（SynCat@Beijing，Dr. J W (Hans) Niemantsverdriet教授和许健教授任中心主任）进行合作交流。2018年5月至2021年5月，在德国马普协会煤碳研究所的多相催化部门（纳米材料和催化专家Ferdi Schuth教授为主任）从事博士后研究，并获得“洪堡学者”称号。
于2021年8月加入中国科学技术大学苏州高等研究院/化学与材料科学学院，并入选中科院人才引进计划项目。目前，已在高水平学术期刊上共发文28篇，被SCI引用1000余次，H因子20（google scholar）。其中以第一作者在Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等顶刊发表7篇论文。于2018年1月在第四届英国催化大会上做keynote报告，于2021年9月在第11届国际介观结构材料研讨会（IMMS11）和2021中国化工学会年会（光催化科学与技术论坛）上做邀请报告（Invited speaker）。主要研究方向为多相催化有机反应，本课题组与中科大熊宇杰教授团队协同攻关，资源共享
https://sz.ustc.edu.cn/2021/0923/c26468a523541/page.htm
文章：https://www.nature.com/articles/s44160-025-00975-5
