氘與有機(jī)分子的結(jié)合在藥物化學(xué)和材料科學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。例如，氘化藥物，如Austedo、Donafenib和Sotyktu，最近已獲得批準(zhǔn)。有多種方法可以合成具有高氘摻入度的氘代化合物，但很少實(shí)現(xiàn)芳烴（常見的化學(xué)原料）還原氘化為飽和環(huán)狀化合物。
在此，武漢大學(xué)雷愛文教授和李武教授等人描述了一種可擴(kuò)展的通用電催化方法，用于使用制備的氮摻雜電極和D2O對(duì)（雜）芳烴進(jìn)行還原氘化和氘化氟化，得到全氘和飽和的氘碳產(chǎn)物，該方案已成功應(yīng)用于13種高氘代藥物分子的合成。機(jī)理研究表明，由D2O電解生成的Ru-D物質(zhì)在氮摻雜Ru電極存在下，是直接還原芳香族化合物的關(guān)鍵中間體。這種快速且經(jīng)濟(jì)高效的制備高度D標(biāo)記的飽和（雜）環(huán)化合物的方法可用于藥物開發(fā)和代謝研究。
相關(guān)文章以“Electrocatalytic reductive deuteration of arenes and heteroarenes”為題發(fā)表在Nature上。
氫同位素氘（D）標(biāo)記在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，化學(xué)、生物學(xué)、制藥工業(yè)到材料科學(xué)。例如，與相應(yīng)的非氘化類似物相比，氘的摻入提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，通過(guò)產(chǎn)生毒性更小的代謝物、更高的藥物耐受性以及提高藥物的生物利用度來(lái)提高藥物的安全性。氘標(biāo)記的化合物已被廣泛用于潛在的治療藥物（氘藥物）或作為內(nèi)部質(zhì)譜（MS）標(biāo)準(zhǔn)，用于準(zhǔn)確定量母體化合物和代謝物。值得注意的是，氘化藥物和生物標(biāo)記物也被用于大流行期間2019冠狀病毒?。–OVID-19）的研究，一些D標(biāo)記的化合物顯示了對(duì)COVID-19病毒的潛在治療潛力。
此外，氘代謝成像（DMI）結(jié)合多元素氘（2H）磁共振光譜成像（2H MRSI），使用氘化底物進(jìn)行代謝空間映射。隨后，人們對(duì)開發(fā)有機(jī)分子氘化的新方法越來(lái)越感興趣。許多高效的方法，包括均勻過(guò)渡金屬和光氧化還原催化的氫同位素交換（HIE）以及氘的C（sp3）-H鍵已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)，允許在特定位置制備氘化化合物。由于反應(yīng)的可逆性，在每個(gè)交換位置合成一個(gè)具有高同位素純度（≥95%）化合物的化合物通常具有挑戰(zhàn)性。與精確位置的選擇性氘標(biāo)記相比，具有高氘原子摻入的綜合標(biāo)記在特定的應(yīng)用中更可取。
芳香烴在自然界中含量豐富，在這兩種合成材料中都起著至關(guān)重要的作用。分解轉(zhuǎn)化反應(yīng)是芳香族化合物的重要轉(zhuǎn)化反應(yīng)，它們可以直接產(chǎn)生飽和的環(huán)狀化合物。飽和（異質(zhì)）循環(huán)存在于許多療法和具有生物活性的天然產(chǎn)物中，并且在藥物和農(nóng)用化學(xué)品中含量豐富。在銷售商業(yè)藥物的前200名中，近一半含有飽和（異質(zhì)）周期，這些周期經(jīng)常在其作用模式中顯示出關(guān)鍵作用。例如，哌啶和哌嗪在藥物發(fā)現(xiàn)中分別被列為第一和第三大最常見的氮雜環(huán)。因此，從（雜源）芳烴中合成過(guò)氘化和飽和氘化碳化合物的需求很大。
作者設(shè)想，芳香族化合物的直接還原氘化可以生成過(guò)氘化的化合物（圖1a）。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)這種方法，可以從氘化芳烴中得到飽和氘化碳（圖1b）。如果從通常很容易獲得的多鹵代芳烴開始，就可以直接獲得飽和的氘代碳。不幸的是，還原氘化（異）芳烴飽和氘碳與多氘合并仍很大程度上未開發(fā)。因此，只有少數(shù)方法使用化學(xué)計(jì)量強(qiáng)還原劑（NaBD4和LiAlD4）或在高溫和D2壓力下實(shí)現(xiàn)了芳香族化合物的直接還原氘化。到目前為止，還沒(méi)有開發(fā)出芳香族化合物還原氘化的一般策略。然而，在溫和的條件下使用廉價(jià)、安全和操作方便的D2O催化（雜）芳烴的催化還原氘化的研究要少得多。此外，由于芳香族C?F σ鍵（C-F BDE = 536 kJ/mol）的化學(xué)惰性，芳基氟化物是各種芳基鹵化物中氘脫鹵化作用中最具挑戰(zhàn)性的底物，現(xiàn)成的多氟芳烴的還原氘去氟直接到飽和氘碳仍然是未知的。
近年來(lái)，由于合成有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域?qū)ζ錅睾?、高效和環(huán)保的性質(zhì)，人們對(duì)電催化轉(zhuǎn)化的研究越來(lái)越感興趣，電驅(qū)動(dòng)的電催化同位素標(biāo)記已逐漸被證明是一種有吸引力的、有前途的方法。然而，使用氧化氘對(duì)（雜）芳烴的電催化還原和氘脫氟化仍然在很大程度上是一個(gè)未被滿足的挑戰(zhàn)，認(rèn)識(shí)到電極材料將是電化學(xué)還原氘化反應(yīng)目的的關(guān)鍵因素。在此，作者報(bào)道了一種獨(dú)特的和可回收的釕（Ru）電極，用于還原（雜）芳烴的氘化。使用D2O作為氘源，可以制備>120選擇性氘代砌塊和13種具有特殊氘結(jié)合的代表性藥物。
圖1：過(guò)氘化環(huán)化合物和飽和氘碳化合物的策略。
圖2：芳烴還原性氘化。
圖3：雜芳烴的還原性氘化。
圖4：合成應(yīng)用和克級(jí)合成。
Faxiang Bu, Yuqi Deng, Jie Xu, Dali Yang, Yan Li, Wu Li*，Aiwen Lei*, Electrocatalytic reductive deuteration of arenes and heteroarenes, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-024-07989-7
