研究背景
隨著藥物化學和材料科學領域的迅速發展，氘標記技術因其在新藥創制、質譜內標、化學反應動力學、生物示蹤劑等方面的廣泛應用而備受關注。氘標記（即在有機分子中引入氘原子）是一種重要的化學工具，能夠穩定化合物，提高其代謝穩定性，減少藥物相互作用，并改善藥物的藥代動力學性質。然而，目前的氘標記方法存在一些顯著問題，如高成本、低氘標記率和難以實現多氘原子的引入。尤其是對于芳香烴這一類常見的化學原料，其還原氘代為飽和環狀化合物的技術尚未得到有效的開發。這些因素導致氘標記化合物的合成效率低，價格昂貴，限制了其在大規模生產和應用中的潛力。為了解決這些問題，武漢大學雷愛文和李武教授團隊通過創新電催化技術，開發了一種具有普適性的電合成方法，實現了芳香烴和雜芳烴的還原氘代和氘脫氟反應。他們利用氮摻雜電極和氘水（D2O）作為氘源，在溫和條件下進行電解反應，成功地將芳環轉化為全氘化和飽和的氘代環狀化合物。該方法突破了傳統氘標記方法的局限性，不僅具備較高的氘標記率，還能夠在短時間內以低成本合成多種氘代化合物。以上成果在“Nature”期刊上發表了題為“Electrocatalytic reductive deuteration of arenes and heteroarenes”的最新論文。本研究解決了現有氘標記方法在經濟性和實用性上的瓶頸問題。通過使用廉價且易得的氘水作為氘源，該團隊實現了在溫和條件下進行高效的芳烴還原氘代反應，有效地合成了13種高氘標記的藥物分子。機制研究進一步揭示了電解過程中生成的釕-氘（Ru-D）物種作為關鍵中間體直接還原芳香化合物的作用機理。此方法不僅快速且具成本效益，還展示了其在藥物開發和代謝研究中的巨大潛力，為未來高效氘標記合成的研究與應用提供了新的技術路徑和理論依據。
研究亮點
（1）實驗首次使用電催化方法對（雜）芳烴進行還原氘代和氘脫氟反應，得到了全氘化和飽和氘碳產物。
雷愛文和李武教授團隊通過創新的電催化方法，使用氮摻雜電極和D2O作為氘源，在溫和條件下實現了（雜）芳烴的還原氘代反應。這是首次成功實現將芳香烴這一常見化學原料還原氘代為飽和環狀化合物，合成了多種氘代環狀和雜環化合物。該方法具備廣泛的適用性，能夠在溫和的電催化條件下實現對多種芳烴和雜芳烴的氘代反應，有效降低了氘代化合物的生產成本。
（2）實驗通過電催化合成技術和氮摻雜的釕電極，成功合成了13種高氘標記藥物分子，展示了其在藥物開發和代謝研究中的巨大潛力。
研究團隊利用該方法成功合成了13個氘標記的藥物分子，充分展示了這一技術在實際應用中的廣闊前景。機制研究進一步表明，通過在氮摻雜的釕電極下電解D2O產生的Ru-D物種，是直接還原芳香化合物的關鍵中間體。該研究為制備高氘標記的飽和（雜）環化合物提供了一種快速且經濟的途徑，有望在藥物開發、代謝研究以及材料科學中得到廣泛應用。電合成新技術因其綠色、安全和低能耗的特性，將有助于推動綠色制造和高質量發展，解決基于化石能源的傳統生產方式所帶來的環境污染和高能耗問題。
圖文解讀
總結展望
本文的研究帶來了顯著的科學啟迪，特別是在氘代化學和電催化領域。首先，該研究提供了一種全新的電催化還原氘代方法，通過使用氮摻雜電極和D2O，可以有效地將芳香烴還原氘代為飽和環狀化合物。傳統的氘代方法在引入多個氘原子和實現高氘標記率方面存在很大的挑戰，而此方法通過電催化實現了高效且經濟的氘代過程。這不僅解決了氘標記化合物高昂成本的問題，也擴展了氘代技術的應用范圍。 其次，研究還揭示了氮摻雜釕電極中生成的Ru-D物種在還原氘代反應中的關鍵作用。這一發現為未來的電催化反應機制研究提供了重要線索，并可能推動新催化劑的設計和應用。此外，該方法的成功應用于13種高氘標記藥物分子的合成，展示了其在藥物開發和代謝研究中的巨大潛力。這一研究不僅在理論上豐富了電催化和氘代化學的知識體系，也在實際應用中為藥物科學提供了新的工具和方法。Bu, F., Deng, Y., Xu, J. et al. Electrocatalytic reductive deuteration of arenes and heteroarenes. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07989-7
