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由于H/D的同位素差別非常顯著，在分子中引入氘原子可以調節分子的化學性質，在藥物設計，分子影像等方面具有廣泛的應用。2017年，氘代丁苯那嗪獲得FDA批準上市，就是利用了氘代甲氧基在代謝中表現出的高穩定性(Drug Des Devel Ther. 2018, 12, 313–319) 。在核磁共振的應用方面，特定位置引入的氘原子，是解析化合物結構的有力工具。此外，氘代還是研究反應機制的重要手段之一。正是有如此多方面的應用，氘代方法研究成為廣泛關注的研究領域。

氘水是最為直接易得廉價的氘源。利用氘水作為氘源實現氘化在成本上具有顯著優勢。但另一方面，由于水是氫的最為穩定的存儲形式之一，利用氘水中的氘需要使用當量還原劑，作為能量的補償。常用的還原劑如Na，Mg，Mn，Zn等強還原性金屬，會生成如氫氧化物等副產物，難以兼容堿性敏感的官能團。如何實現中性條件下無還原劑的氘化轉化需要應用新的反應模式來加以解決。

電化學轉化可以實現多種有挑戰性的轉化，特別是陰極析氫過程可以實現無氧化劑條件下的多種放氫偶聯構建結構多樣的有機化合物。我國的化學工作者在這些方面取得了豐碩的成果（綜述參考：Acc. Chem. Res. 2019, 52, 3309-3324.; 3339-3350; 2020, 53, 300-310; Chin. J. Chem. 2019, 37, 92-301; 513-528; Chemsuschem2019, 12, 115-132; 2020, 13, 1661-1687; ChemElectroChem, 10.1002/celc.202000252）。這方面的進展說明通過電極的氣體析出過程，可以有效的避免當量的試劑使用，因而發展出利用陽極氣體析出過程的氘化反應是有可能的。

 近日，南京大學化學化工學院程旭課題組實現了電化學條件下無還原劑的中性電化學氘代反應（Angew. Chem. Int. Ed. DOI:10.1002/anie.202005765，圖1a）。該方法有如下特點：

 1）  以普通DMF為溶劑，氘水為試劑，以四氟化硼四丁基銨鹽為支持電解質，溶劑和電解質不會干擾氘代效果。

 2）  反應無需酸堿添加劑，從起始到結束保持中性。

 3）  反應無需外加還原劑。

 4）  底物范圍為a,b-不飽和酯，酰胺，羧酸，可以實現碳碳雙鍵，碳碳三鍵的氘化。

 5）  產率從中等到良好，氘代率普遍在90%以上，最高可達99%。

 6）  反應以石墨氈為電極，直流恒槽壓電解，裝置簡單廉價。

 7）  反應易于放大，產率和氘代率幾乎無影響。

 8）  反應可以耐受多種酸堿/氫化敏感官能團，如非共軛烯烴，五/六元雜環，N常見保護基團，硅醚，硫醚，環氧，環丙烷，酮羰基，氟氯溴原子，氰基，保護的氨基酸等多種官能團。

 利用這種方法可以合成氘代的氨基酸類化合物以及氘代多巴胺前體。另外，一些藥物分子片段也可以利用這種方法有效進行氘化，例如氘代CCR3抗結劑片段、氘代布洛芬以及止痛藥。反應得到的氘代羧酸作為原料還可以進行進一步的轉化，例如硼化、疊氮化、炔基化，芳基化等（圖1b）。

圖1以重水為氘源的無還原劑電化學氘化反應。

反應中，電極材料的選擇具有關鍵性作用，作者發現使用石墨氈電極作為陰陽極是實現目標轉化的重要條件。使用石墨氈電極，可以實現烯烴底物的高速轉化。作為對比，使用Pt電極作為陰極，反應難以進行。另外一個值得注意的情況是使用同為碳元素的石墨棒電極作為陽極，反應僅有微量轉化。以往的陰極還原反應很少關注陽極過程的影響，而這個發現表明電化學工作中輔助電極的重要作用。反應中，陰極實現底物的還原氘化，副產物OD^-陰離子受到電場遷移及擴散因素的影響，快速轉移至陽極并被氧化為氧氣和氘水。整個反應的pH在此過程中維持在中性附近。氧氣的捕獲支持陽極析氧過程，而電化學實驗支持分步電子轉移過程。（圖2）

圖2分步還原氘化和陽極析氧協同的氘化反應機理

該論文的第一作者是南京大學化學化工學院博士生劉旭，作為慶祝南京大學化學化工學院成立100周年的獻禮。該研究項目得到國家自然科學基金，浙江工業大學綠色化學合成技術國家重點實驗室培育基地開放基金以及江蘇省教育廳青藍工程的資助。