研究背景
随着药物化学和材料科学领域的迅速发展，氘标记技术因其在新药创制、质谱内标、化学反应动力学、生物示踪剂等方面的广泛应用而备受关注。氘标记（即在有机分子中引入氘原子）是一种重要的化学工具，能够稳定化合物，提高其代谢稳定性，减少药物相互作用，并改善药物的药代动力学性质。然而，目前的氘标记方法存在一些显著问题，如高成本、低氘标记率和难以实现多氘原子的引入。尤其是对于芳香烃这一类常见的化学原料，其还原氘代为饱和环状化合物的技术尚未得到有效的开发。这些因素导致氘标记化合物的合成效率低，价格昂贵，限制了其在大规模生产和应用中的潜力。为了解决这些问题，武汉大学雷爱文和李武教授团队通过创新电催化技术，开发了一种具有普适性的电合成方法，实现了芳香烃和杂芳烃的还原氘代和氘脱氟反应。他们利用氮掺杂电极和氘水（D2O）作为氘源，在温和条件下进行电解反应，成功地将芳环转化为全氘化和饱和的氘代环状化合物。该方法突破了传统氘标记方法的局限性，不仅具备较高的氘标记率，还能够在短时间内以低成本合成多种氘代化合物。以上成果在“Nature”期刊上发表了题为“Electrocatalytic reductive deuteration of arenes and heteroarenes”的最新论文。本研究解决了现有氘标记方法在经济性和实用性上的瓶颈问题。通过使用廉价且易得的氘水作为氘源，该团队实现了在温和条件下进行高效的芳烃还原氘代反应，有效地合成了13种高氘标记的药物分子。机制研究进一步揭示了电解过程中生成的钌-氘（Ru-D）物种作为关键中间体直接还原芳香化合物的作用机理。此方法不仅快速且具成本效益，还展示了其在药物开发和代谢研究中的巨大潜力，为未来高效氘标记合成的研究与应用提供了新的技术路径和理论依据。
研究亮点
（1）实验首次使用电催化方法对（杂）芳烃进行还原氘代和氘脱氟反应，得到了全氘化和饱和氘碳产物。
雷爱文和李武教授团队通过创新的电催化方法，使用氮掺杂电极和D2O作为氘源，在温和条件下实现了（杂）芳烃的还原氘代反应。这是首次成功实现将芳香烃这一常见化学原料还原氘代为饱和环状化合物，合成了多种氘代环状和杂环化合物。该方法具备广泛的适用性，能够在温和的电催化条件下实现对多种芳烃和杂芳烃的氘代反应，有效降低了氘代化合物的生产成本。
（2）实验通过电催化合成技术和氮掺杂的钌电极，成功合成了13种高氘标记药物分子，展示了其在药物开发和代谢研究中的巨大潜力。
研究团队利用该方法成功合成了13个氘标记的药物分子，充分展示了这一技术在实际应用中的广阔前景。机制研究进一步表明，通过在氮掺杂的钌电极下电解D2O产生的Ru-D物种，是直接还原芳香化合物的关键中间体。该研究为制备高氘标记的饱和（杂）环化合物提供了一种快速且经济的途径，有望在药物开发、代谢研究以及材料科学中得到广泛应用。电合成新技术因其绿色、安全和低能耗的特性，将有助于推动绿色制造和高质量发展，解决基于化石能源的传统生产方式所带来的环境污染和高能耗问题。
图文解读
总结展望
本文的研究带来了显著的科学启迪，特别是在氘代化学和电催化领域。首先，该研究提供了一种全新的电催化还原氘代方法，通过使用氮掺杂电极和D2O，可以有效地将芳香烃还原氘代为饱和环状化合物。传统的氘代方法在引入多个氘原子和实现高氘标记率方面存在很大的挑战，而此方法通过电催化实现了高效且经济的氘代过程。这不仅解决了氘标记化合物高昂成本的问题，也扩展了氘代技术的应用范围。 其次，研究还揭示了氮掺杂钌电极中生成的Ru-D物种在还原氘代反应中的关键作用。这一发现为未来的电催化反应机制研究提供了重要线索，并可能推动新催化剂的设计和应用。此外，该方法的成功应用于13种高氘标记药物分子的合成，展示了其在药物开发和代谢研究中的巨大潜力。这一研究不仅在理论上丰富了电催化和氘代化学的知识体系，也在实际应用中为药物科学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
