同位素标记方法在新药物和农用化学品的开发中发挥着重要作用。例如，在制药行业，活性药物同位素同位素标记方法在新药物和农用化学品的开发中发挥着重要作用。在所有的标记性同位素原子中，氘原子是最常用的一种，它也常被用于在基本机理研究中确定动力学同位素效应 (KIE)。氘标记的化合物显示出与其氢类似物几乎相同的物理行为，但分子量不同，因此是制备用于液相色谱-质谱 (LC-MS) 分析的内标物的主要来源。同时，氘代物也常被用于代谢组学的研究，包括代谢物鉴定和量化，相关反应性代谢物的毒理学研究和蛋白质组学研究。由于氘标记化合物具有潜在改善的药代动力学和药理学性质，同时保留了与未标记化合物几乎相同的化学结构和物理性质，因此近年来，这类化合物作为实际的药物越来越受到关注。2017 年，美国食品和药物管理局 (FDA) 批准了第一种氘代药物 Austedo，用于治疗亨廷顿病相关疾病。同时，几种氘代化合物正处于各种应用的临床试验中。因此，如何更有效的制备氘代物引起了人们原来越广泛的兴趣。酸介导的氢氘交换反应是最为古老的一种制备氘代物的方法。但是这种方法应用范围十分有限，对于大多数芳烃无法适用，同时也存在着官能团耐受性的问题。基于均相金属催化C-H活化的进展，已经发展出多种有机金属配合物用于芳烃的催化H/D交换反应。然而，在这些反应中，易于还原的官能团和卤素的选择性和耐受性都具有挑战性。此外，除了基于镍的催化剂之外，所有已知的用于氘代的多相催化剂都依赖于昂贵的贵金属，这阻碍了它们在农业化学、制药或食品工业中的使用。此外，氘的来源也是一个重要的问题，其中氘代水D2O是最为廉价的一种氘源，它同时也是各种氘源包括最常用的D2的原料。
在此，德国莱布尼兹学院的Matthias Beller教授和Angelika Brückner教授团队与武汉大学雷爱文教授合作，通过结合纤维素与丰富的铁离子盐制备了一种纳米结构的铁催化剂。通过该催化剂实现了使用廉价的氘代水对一些芳环和芳杂环的氘代。该工作以题为“Scalable and selective deuteration of (hetero) arenes”发表在《Nature Chemistry》上。
由于铁盐具有来源丰富、成本低以及可忽略的安全问题等优势，作者对铁基纳米粒子产生了浓厚的兴趣。初步试验发现，Fe(NO3)3·9H2O 与纤维素的热解产生了高活性和选择性的催化系统，用于邻位和对位苯环的氘化，反应效果甚至优于商业催化剂，如 Pt/C、Au/ C和Ru/C等。在氢气压力下可以进一步改善氘的掺入。此外，催化剂在 H2下的稳定性和可回收性更好。在120 °C的氢气存在下，用 D2O进行的基准反应得到了几乎定量的氘代。通过使用XPS，扫描隧道显微镜等方法，作者观察了催化剂的结构。这些结果表明，新鲜热解的催化剂由尺寸为 20-50 nm 的 Fe/Fe3C 颗粒组成，由多达30个石墨烯层的外壳覆盖，总厚度为 6-10 nm。将颗粒嵌入碳基质中可防止它们发生聚集。在催化反应的早期阶段，石墨烯覆盖层被部分去除，从而使铁表面与反应物接触。然后，在反应过程中，Fe3C 部分转化为金属铁，金属铁是反应中的活性物种。通过动力学实验，作者提出了该反应中可能的机理。组装体中的铁纳米粒子暴露在反应相中，铁原子与反应底物的芳环相互作用，导致芳环上C-H键的部分活化，活化的芳香C-H键与氘代水发生H-D交换反应。底物脱离纳米粒子，释放铁原子催化剂。作者首先尝试了大量的芳香胺以及苯酚的衍生物。通过加入0.25 mmol反应物、83 mmol（1.5 ml）氘代水，在催化剂负载为20 mol%，20 bar H2压力以及120度条件下反应24小时后，发现绝大多数底物都发生了很好的选择性氘代。氘代产率均早80%以上。该反应复合亲电取代的基本规则，对于含有不同取代基的芳胺以及苯酚化合物，D优先取代在亲电性强的官能团的临位或对位，并且往往为几个位置的氢同时被氘代。此外，作者还尝试了大量不同的杂环化合物的氘代。基于类似的反应条件，氘更易在富电子的环中引入，如吡啶等缺电子杂环中的氢则不会被氘代。此外，氘代反应仅发生在芳环上而不发生在烷基上，展示了该方法的高度位置选择性。值得注意的是，作者使用这种催化剂进行了底物氘代的放大实验。结果表明，该方法可以完美的适用于氘代底物的大规模生产，产物可以达到200-300克量级。展示了该方法的实用性。最后，作者也尝试了对多种药物和天然产物分子如褪黑激素、N-乙酰血清素等进行了氘代。结果表明，在复杂的分子中，该方法也同样可以实现选择性的氘代。总结，该工作开发了一种廉价的具有纳米结构的铁催化剂。该催化剂系统由纤维素与来源丰富的铁盐制备而成。通过特殊的制备方法，纳米结构中的铁原子作为催化剂，可以有效的催化芳环以及芳杂环的位置选择性氘代。同时该方法使用的氘源为廉价的D2O。该方法的实用性极强，成本低，为工业化生产更多更复杂的氘代试剂提供了更多可能。
来源：高分子科学前沿
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