近日，中國科學技術大學蘇州高等研究院/化學與材料科學學院/精準智能化學全國重點實驗室的戴懿濤特任研究員課題組提出了重水中氮雜芳烴發生氫氘交換的納米光催化合成路線。在室溫常壓、可見光照射和惰性氣體條件下，通過原子級鈀分散的光催化劑（Pd₁/TiO₂）驅動了公斤級氘代化學品的綠色合成，并揭示了其中關鍵催化機制。相關研究成果于1月26日以“Scalable light-driven deuteration of N-heteroarenes over atomically dispersed palladium”為題發表在《自然·合成》（Nature Synthesis）上。

圖1、合成氘代N-雜芳烴的氫氘交換路線

氘作為氫的穩定同位素，在制藥工業、光電設備制造、醫學診斷及生命科學領域具有重要應用。氘代化合物的合成可以通過還原氘代、脫鹵氘代、氫氘交換三種方法實現。相比之下，氫同位素交換（HIE）能夠以更直接和高效的方式實現分子的一步氘代，且使用相對廉價的同位素試劑重水D₂O作為唯一氘源更是廣受青睞，這也是氘代標記領域的“圣杯”。然而，現有報道的N-雜芳烴HIE合成策略仍有諸多局限。例如，均相催化體系中常需較昂貴氘源（如D₂、C₆D₆和C₂H₅OD）或復雜絡合物催化劑，且產物難以分離。相比之下，多相催化體系則面臨著D₂O過量使用（通常D₂O/反應物的摩爾比>40）和操作條件（高溫、高壓H₂/D₂）較苛刻等問題。為了突破以上限制，研究團隊設計了一種原子級分散Pd位點的納米光催化劑（Pd₁/TiO₂），在可見光照射下活化N-雜芳烴的氮鄰位C–H鍵，并與D₂O發生氫氘交換反應，其反應優勢如圖1所示。與其他催化體系相比，低D₂O使用量（D₂O/反應物摩爾比≤20）、可循環使用、寬泛的底物范圍（62種N-雜芳烴）和公斤級氘代規模突出了該納米光催化系統的先進性。

圖2、單原子納米光催化Pd₁/TiO₂-h的微觀結構分析和重水中光催化HIE性能研究

研究人員以2-氨基嘧啶作為模型底物，在自研光催化反應器平臺上系統考察了催化劑組分、LED光波長、反應時間等關鍵參數，相關結果表明在室溫、常壓和1bar Ar氣氛中，可見光照射下（410 nm LED），Pd₁/TiO₂單原子光催化劑可實現2-氨基嘧啶4，6號位的99%氘代率（圖2）。通過理化表征技術確定了Pd主要為原子級分散狀態。對比試驗則表明該反應的主要活性位點可能來自Pd單原子物種，而不是Pd團簇或納米顆粒。另外，催化劑的多次循環實驗也證明其穩定性。相關機理研究表明：氮雜芳烴底物會先與納米光催化劑上的Pd位點進行N原子配位吸附；接著，光照下原位產生的富電子特性Pd^δ*位點則借助可能的氧化加成機制來活化N鄰位的C(sp²)–H鍵；隨后，該中間物種與D₂O發生氫氘交換和還原消除步驟，產生了氘代N-雜芳烴。最后，釋放的Pd^δ*位點則容易被空穴或羥基自由基氧化回單原子Pd^δ+。

為進一步驗證該納米光催化體系的實用性，研究人員進行了一系列放大實驗（圖3）。經LED燈帶可見光照射，三輪反應后可獲取約40 g氘代產物（421 mmol）（平均氘代率92%）。通過循環利用重水，整個合成體系中D₂O與反應物的摩爾比可降低至19.7。研究人員在室內搭建了配備30個250 mL光反應器的反應架，并批量化復制放大合成反應，最終分離收集了1.157 kg氘代產物（2-氨基嘧啶-4,6-d₂；分離收率95%），充分證明該光催化合成體系具備良好的可靠性和可操作性。

圖3、氘代N-雜芳烴的光催化放大合成

由于該成果的重要性與創新性，《自然·合成》雜志同期以“研究簡報”（Research Briefing）專欄形式對該工作進行了題為“Scalable photocatalytic deuteration of N-heteroarenes”的報道。該雜志高級編輯Peter Seavill高度評價：“戴及其同事報道的這一方法之所以突出，是因為它能夠在溫和的反應條件下，通過單原子光催化和重水D₂O作為同位素源，實現雜芳烴的氘代。與許多氘代方法相比，反應條件的溫和性使這一方法更具吸引力，同時該過程的可擴展性也得到了證明。”捷克國家科學院的Ale? Marek教授評論該工作：“這種簡單的自制反應裝置使其他實驗室能夠常規使用。這種方法有可能擴展重氫同位素標記的工具箱。”

中國科大化學與材料科學學院/蘇州高等研究院的2023級博士生徐杰為論文的第一作者，戴懿濤特任研究員為論文的通訊作者，中國科大為論文通訊單位。該工作得到了中國科學院大學趙達副教授、中國科大潘挺睿教授、歐洲科學院院士香港城市大學劉錦茂（K. M. Liew）教授和中國科學院外籍院士丹麥奧胡斯大學Flemming Besenbacher教授的悉心指導。該工作主要由國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、姑蘇創新創業領軍人才計劃、蘇州市外籍院士工作站和校內人才引進啟動經費等科技項目資助。同時也得到了中國科大理化科學實驗中心和蘇州高等研究院理化實驗平臺的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44160-025-00975-5