基于光解重水产氘技术的不饱和羰基化合物选择性氘代反应研究

Deuterium-labeled (D-labeled) chemicals are widely used as unique research tools. Recent years, development of deuterated heavy drugs is becoming a hot issue. The state of art C-H/C-D exchange process is a powerful deuteration strategy but often suffers from usage of D2 gas, harsh reaction conditions, and low selectivity. In this regard, we have developed an unconventional approach that activating D2O to generate more active D species by photocatalytic heavy water splitting technology. Subsequent deuteration of organic functional groups with those generated D species would selectively introduce controllable deuterium atoms at desired positions in the organic molecule. Thus, it achieved the strategy that selective deuteration of important organic intermediates e.g. unsaturated carbonyl compounds by using a green D source under mild condition. In this project, polymeric carbon nitride semiconductor is chosen as a model multiple functional photocatalyst to study the design and synthetic method via a structural and surface modification process. Then, the structural and surface properties of as-prepared photocatalysts will investigated by using XRD,XPS,TEM,etc., and the spectroscopic properties and band structure will studied by UV-Vis,PL, etc.. In addition, it is necessary to construct a synergistic reaction system that combines photocatalytic heavy water splitting and selective deuteration reactions. Then, the thermodynamic and kinetic properties would be studied. The structure-activity relationship will also be further discussed. Hopefully, our research achievements will contribute to innovate and develop new methods and technologies for large-scaled synthesis of fine deuterated chemicals.

氘代化学品是重要的科研工具，近年来，氘代药物的研发也逐渐成为前沿研究的热点。氢氘交换作为广泛应用的氘代化学品合成方法，其技术缺陷（使用氘气、反应条件苛刻、选择性差等）一直未得到有效解决。针对这些问题，本项目另辟蹊径，提出利用光解重水过程对氘水进行活化，再利用产生的活性氘物种与有机分子中的官能团化合，从而选择性的将不同数目的氘原子引入分子的特定位置，实现绿色氘源在温和条件下对重要有机中间体（如不饱和羰基化合物）的选择性可控氘代。项目拟采用有机碳氮半导体为光催化剂，通过结构和表面改性研究多功能光催化剂的设计与制备工艺；利用XRD,XPS,TEM,TPD等研究其结构和表面性质；通过UV-Vis，DRS，PL等研究其光谱学性质和能带结构；构建光解氘水和选择性加氘反应的协同光催化体系，研究反应的热力学、动力学性质，及光催化剂与反应活性间的构效关系等；创新和发展氘代化学品大规模精细合成方法和工艺。

氘代化学品是重要的科研工具，近年来，氘代药物的研发也逐渐成为前沿研究的热点。氢氘交换作为广泛应用的氘代化学品合成方法，其技术缺陷（使用氘气、反应条件苛刻、选择性差等）一直未得到有效解决。针对这些问题，本项目另辟蹊径，提出利用光解重水过程对氘水进行活化，再利用产生的活性氘物种与有机分子中的官能团化合，从而选择性的将不同数目的氘原子引入分子的特定位置，实现绿色氘源在温和条件下对重要有机中间体的选择性可控氘代。项目采用氮化碳半导体材料为光催化剂，针对传统氮化碳材料结晶性和比表面积不高的缺点；我们通过添加造孔剂、模板剂等合成了多种K离子掺杂的晶体材料和含有多种孔道结构的大比表面介孔氮化碳材料，提升其光电性质、比表面积，增加活性位点，同时促进底物的传质和吸附，并将其应用于光催化水分解原位产氢（氘）用氢（氘）串联反应（如胺基化学物氘代氮甲基化反应，硝基化合物氮烷基化反应，烯烃、α,β-不饱和醛酮选择性加氢反应等）。同时还研究不同活性金属（如Pd、Pt、Au等）、反应溶液体系、添加剂、酸碱性、光外场等因素对反应活性的影响。结果表明Pd基催化剂具有较好的经济性和反应活性，基于光解水原位产氢（氘）用氢（氘）光催化反应体系对于有机分子化合物中的大部分官能团具有很好的耐受性，合成了大量高附加值的氘代化学品和药物。值得一提的是，项目开发了通过调节氘代水和烷基醇的组合可以在胺类化合物中引入N-CH3, -CDH2, -CD2H, -CD3, 和 -13CH3官能团的合成方法，从而精准可控的合成具不同氘原子氘代N-烷基药物。此外，通过平行反应、元素示踪、捕捉反应中间体、分子模拟、化学热力学和动力学计算等探索了催化材料、活性中心、反应体系和光外场对反应活性的影响。最终，针对项目的研究目标，我们进行了大量的实验论证工作，对项目书中的研究目标有较好的实现，在申请专利的同时还发表了多篇高水平研究论文，项目研究成果在很大程度上填补了传统氢氘交换技术的缺陷，有望解决目前氘代化学品合成面临的一些瓶颈问题，因此具有很好的应用前景。