氘代化合物是一类重要的高附加值化学品，除了作为溶剂广泛应用于核磁共振波谱分析领域外，在探究药物代谢、揭示有机反应机理和改善材料性能等方面也有着重要的应用。特别是在药物化学中，氘标记的作用日渐凸显，成为一种理想的药物修饰方法。碳-氘键无毒无放射性，又比碳-氢键稳定约6~9倍。对药物活性位点进行氘代可以封闭代谢位点，达到延长药物半衰期、降低剂量的目的。近年来，许多药物生产商已经开始对传统的药物分子进行选择性氘代。美国食品药品监督管理局（FDA）在2017年正式批准了第一例氘代药物（Deutetrabenazine），它作为囊泡单胺转运蛋白2的阻断剂，可以有效地治疗亨丁顿舞蹈症。氘代药物具有巨大的市场价值，仅仅是福泰（Vertex）制药公司向Concert制药公司收购用于治疗囊状纤维化的CTP-656就分别花费了1.6亿和9千万美金用于前期研发与市场推广。据统计，目前大约有5~10%的传统药物有望实现氘代改性。遗憾的是，药物分子中通常含有敏感的官能团。传统的氢氘交换方法难以满足氘代药物的合成需求，发展温和、高效、普适的氘代策略具有重要的意义。
近日，深圳大学教育部二维材料国际联合实验室的苏陈良教授与新加坡国立大学的Loh Kian Ping教授团队合作，利用简单的光氧化还原催化反应，实现了具有广谱官能团兼容性，针对碳-卤键的高效、高选择性氘代（图1），并成功将该方法应用于氘代维生素B3衍生物的可控制备。他们继而将氘代方法学从传统的氢/氘交换推广至Suzuki偶联和Click反应，使制备氘代化学品、氘代药物及其中间体更加可控、便捷、有效。
图1. 光氧化还原催化重水分解的卤化物可控氘代制备氘代精细化学品以及氘代维生素B3衍生物。
在这项工作中，作者通过在CdSe纳米片上引入多孔结构，调节了其能带结构并暴露更多催化活性位点，有效地同步催化重水分解和碳-卤键断裂（图2）。在可见光的照射下，光生电子分别转移至重水和卤化物分子，在催化剂表面形成氘自由基和碳自由基活性物种，两种自由基偶联形成最终的氘代产物。相应的光生空穴则转移至亚硫酸钠牺牲剂，使催化剂恢复至基态，同时完成催化循环。作者通过飞秒激光吸收谱证实了光催化剂与反应底物之间的电子转移，并通过顺磁共振波谱对反应过程中的自由基历程进行了证实。
图2.（a）多孔CdSe纳米片的形貌及EELS成像；（b）典型光催化剂的能带位置与析氢电位、碘代物还原电位的比较；（c）可能的自由基反应历程；（d）不同催化剂对4-碘苯甲醚脱卤加氢的反应性能比较。
值得注意的是，碳-碘键相对于碳-氢键更容易断裂，氘代反应能在较温和的条件下（室温、可见光、非贵金属催化剂）有效地进行。氰基、酯键、氨基、羟基、醛基、酮、巯基、硅烷等敏感官能团都不受到影响，并且氘代位点和氘代数目能够得到精确的控制，这些都是传统的氢氘交换方法很难实现的。此外，该氘代方法也能较好地适用于含有C(sp)-I键和C(sp3)-I键的碘化物；部分溴化物以及活性的氯化物、氟化物也能发生氘代反应。
图3. 官能化氘代底物与复杂氘代分子的合成。
在此基础上，作者进一步发展了氘代硼酸、卤代物、炔烃、醛等一系列官能化氘代底物，并利用Suzuki偶联反应、Click反应和C-H键插入反应合成了复杂的氘代分子，为氘代药物的制备提供了一种可行的方案（图2，eq. 1-4）。例如，维生素B3（烟酸）是一种典型的抗高胆固醇血症药物，在2009年药物销售中排行前200名。作者通过碳-溴键至碳-氘键的转换，合成出该药物的氘代前驱体，后续通过酯水解反应合成了氘代维生素B3。该策略还可以通过一锅法的脱卤-自由基环化-氘化快速构建氘代苯并二氢呋喃衍生物，体现了该光氧化还原催化自由基合成策略的优势（图2，eq. 5）。
团队负责人、深圳大学教育部二维材料实验室的苏陈良教授表示，该研究工作的特色在于创新性地设计了光氧化还原催化重水分解的制氘技术实现了卤代物的可控氘代反应。相比于传统的氘代技术，该方法具有官能团适用性好、氘代数目可控、氘代位点可控等优势，有望解决传统氢氘交换技术难以对氘代药物代谢位点进行选择性和针对性氘代的难题。此外，将氘代技术从氢氘交换延伸至Suzuki偶联和Click反应等经典有机反应，有望将氘代策略更广泛地应用于氘代精细化学品、氘代药物及其中间体、氘代新材料的可控制备。
这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是深圳大学教育部二维材料国际合作联合实验室的博士后刘翠波和新加坡国立大学化学系的博士研究生陈仲欣。深圳大学的苏陈良教授和新加坡国立大学的罗建平教授为共同通讯作者。深圳大学和新加坡国立大学分别为第一、二完成单位，研究工作得到国家自然科学基金、深圳市孔雀团队、广东省科技计划项目、新加坡国家研究基金的财政支持。
该论文作者为：Cuibo Liu, Zhongxin Chen, Chenliang Su, Xiaoxu Zhao, Qiang Gao, Guo-Hong Ning, Hai Zhu, Wei Tang, Kai Leng, Wei Fu, Bingbing Tian, Xinwen Peng, Jing Li, Qing-Hua Xu, Wu Zhou & Kian Ping Loh
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Controllable Deuteration of Halogenated Compounds by Photocatalytic D2O Splitting
Nat. Commun., 2018, 9, 80, DOI: 10.1038/s41467-017-02551-8
参考文献：
FDA approves first deuterated drug. Nat. Rev. Drug Discov., 2017, 16, 305.
Deuterated drugs draw heavier backing. Nat. Rev. Drug Discov., 2016, 15, 219.
苏陈良教授简介
苏陈良博士，深圳大学教育部二维材料国际联合实验室教授，2010年于浙江大学获得理学博士学位，2010年至2015年在新加坡国立大学石墨烯及先进二维材料研究中心从事博士后研究工作，2015年加入深圳大学二维材料国际合作联合实验室范滇元院士团队，被聘为教授，同年入选深圳市海外高层次人才孔雀计划。苏陈良近年来主要从事碳基材料、二维材料的多相催化研究，迄今为止，在国际著名期刊Nat. Energy、Nat. Commun. (2)、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Catal.、Mater. Horiz. 等发表高水平学术论文40余篇，当前总引用920余次，其中ESI高引论文3篇，单篇最高引用240余次，H-index为14（Google Scholar）。
苏陈良
http://www.x-mol.com/university/faculty/47869
个人主页
http://blog.sciencenet.cn/u/chemsuc
Kian Ping Loh教授简介
Kian Ping Loh教授，新加坡国立大学化学系教授，1996年于牛津大学获得博士学位，1996年至1998年在日本国家材料科学研究所从事博士后研究，随后就职于新加坡国立大学，受聘终身正教授。Loh Kian Ping教授领导的研究团队取得了丰硕的成果，其中包括研发了大尺寸石墨烯的仿生生长与转移技术、大尺寸石墨烯的商业化应用，首次研制成功世界最薄的石墨烯宽波段偏振器等。Loh Kian Ping教授在2010年被评为学院首席教授，2013年获得美国化学会（ACS）NANO lectureship奖，2014年获得新加坡“总统科学与科技奖”；迄今为止已经发表300余篇SCI论文，包括Nature、Nat. Nanotechnol.、Nat. Chem.、Nat. Energy、Nat. Photon.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Adv. Mater. 等。Loh Kian Ping教授担任美国化学协会杂志Chemistry of Materials 副主编、英国物理所杂志2D Materials 副主编、Materials Horizon 科学编辑以及Advanced Functional Materials 国际顾问委员会成员。
Loh Kian Ping
http://www.x-mol.com/university/faculty/4383
个人主页
http://carbonlab.science.nus.edu.sg/
苏陈良教授团队欢迎愿意从事碳基材料、二维材料多相催化（光电催化、热催化）的优秀博士申请博士后，有意者联系苏陈良教授chmsuc@szu.edu.cn
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