导语：
氘代化合物与普通碳氢化合物相比有着特殊的性质与功能，因此它们有着比较广泛的应用。另外，由于H/D的动力学差异有助于增强化合物的稳定性，因此氘代逐渐成为药物设计的一种策略。近些年来，各种氘代试剂如D2, d6-DMSO,d6-EtOH, d3-MeCN, C6D6等被用作氘源进行氘代反应研究。通过分析，D2O被认为是最为廉价易得的氘源，因此开发直接使用D2O的氘化方法是非常有必要的。近日，南京大学程旭课题组报道了无外加化学还原剂条件下重水为氘源的电化学氘代反应。相关成果在线发表于Angew. Chem.Int. Ed. DOI:10.1002/anie.202005765。
课题组简介
课题组成立于2012年9月，自成立以来一直致力于清洁能源驱动的有机合成研究。主要研究方向是电化学合成以及可见光促进的相关反应。近年来在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catalysis, Org. Lett.等期刊上发表论文10余篇。
程旭教授简介
程旭，南京大学化学化工学院教授，博士生导师。2000年本科毕业于南开大学化学系，2005年毕业于南开大学元素有机化学研究所，获得博士学位，研究方向为手性催化剂的设计和对映选择性催化反应，导师周其林院士。2005年至2008年在德国Max-Planck煤炭研究所Benjamin List课题组进行博士后研究工作，研究方向为有机催化。2009-2010在美国德克萨斯州立Austin分校Dionicio Siegel课题组进行博士后研究工作，研究方向为神经元修复活性的天然产物全合成。2010至2012年于美国普渡大学化学系Arun K. Ghosh课题组进行博士后研究工作，研究方向为高抗癌活性天然产物全合成和抗SARS活性的药物设计。2012年加入南京大学化学化工学院。
前沿科研成果：无外加化学还原剂条件下重水为氘源的电化学氘代反应
由于D2O相较于其他氘代试剂是最为廉价易得的氘源，近年来，一些使用D2O对有机分子进行直接氘化的方法已经取得了一些进展。然而，这些方法都需要加入额外的还原剂作为电子给体，而且这些反应过程会产生碱性物质使得整个体系呈碱性从而限制了官能团的兼容性。在结合课题组之前电化学有机合成的研究成果基础上，利用电化学独特的还原性，成功实现了α,β-不饱和化合物的氘化。
图1. 氘代化合物以及使用氘水作为氘源的氘化反应
（来源：Angew. Chem.Int. Ed.）
作者以肉桂酸乙酯（1a）作为模板底物，nBu4NBF4为电解质，D2O为氘源，使用石墨毡电极作为阴阳极，以DMF为溶剂，在6 V电压下反应可以得到91%的分离产率，并且氘代率可以达到99%。之后，为了考察该方法的底物范围，作者合成了一系列的肉桂酸酯以及肉桂酰胺类化合物，这些底物反应效果都很好，均以较好的收率得到目标产物，而且产物的氘代率也很高。
图2. 底物拓展
（来源：Angew. Chem.Int. Ed.）
之后，作者又对这种电化学方法进行了应用合成研究。利用这种方法可以合成氘代的氨基酸类化合物以及氘代多巴胺前体（图3a）。另外，一些药物分子片段也可以利用这种方法有效进行氘化，例如氘代CCR3抗结剂片段、氘代布洛芬以及止痛药。除此之外，作者还进行了大量反应研究。15克的原料最终能以60%的收率得到目标产物，并且氘代率与小量反应没有什么变化（图3b）。以得到的氘代羧酸作为原料还可以进行进一步的转化，例如硼化、叠氮化、炔基化等。
图3. 应用研究
（来源：Angew. Chem.Int. Ed.）
最后，作者又通过一系列机理研究实验提出了反应的可能途径（图4）。以1a为底物，在阴极，1a首先得到电子转化为阴离子自由基A，然后D2O立即与之反应得到中性的自由基B。第二次阴极还原将B转化为自由基阴离子C，之后氘化生成最终产物2a。由于使用的石墨毡电极具有大面积多孔结构，在反应过程中电子转移氘化反应是高度协同的，因此中间体A、B、C的寿命很短，所以不会发生副反应，比如二聚反应。在溶液中，OD-处于稳定状态，因此会在阳极被氧化释放出氧气和D2O。另一方面，D2O可以在阳极直接发生氧化，产生氧气或者D+物种，并且会中和在阴极形成的碱性物种。综合阴极和阳极的整体效应，反应体系的pH值稳定在中性附近。
图4. 反应的可能机理
（来源：Angew. Chem.Int. Ed.）
综上，该工作报道了无外加化学还原剂条件下电化学氘代反应研究。该反应使用重水作为氘源，廉价的石墨毡作为阴阳极，底物兼容性好，氘代率高。机理研究表明底物在阴极被还原，而阳极析出氧气。该论文的第一作者是南京大学化学化工学院博士生刘旭。该研究项目得到国家自然科学基金，绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地以及江苏省教育厅青蓝项目资助。
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