探索宇宙奥秘 · 理性思考
一颗药丸里，某个氢原子被它的"重 cousins"氘取代，药效就能延长数倍，副作用大幅降低。这种名为氘代药物的设计策略，正成为现代制药工业的宠儿。将普通氢换成氘，过去常在高温高压的苛刻条件下进行，且产量以毫克计。中国科学技术大学团队近日在《自然-合成》发表的成果，用一盏LED灯、室温常压的条件，便实现了公斤级氘代化学品的绿色合成。
这项技术的核心，是一种名为Pd₁/TiO₂的单原子光催化剂。
研究人员将钯金属以原子级分散的形式锚定在二氧化钛表面。在这种结构中，每一个钯原子都是孤立的活性位点，没有传统纳米颗粒的"拥挤"。这就像把一群原本挤在一起的工人，分散成各自独立的工作站，每个人都有足够的空间施展手脚。
在可见光照射下，这些单原子钯位点展现出独特的电子特性。它们能够精准识别氮杂芳烃分子中氮原子邻位的碳氢键（C-H键），通过氧化加成机制将其活化。此时，重水（D₂O）中的氘原子便顺势而上，完成氢氘交换（HIE）。整个反应在室温常压、惰性气体保护下进行，氘代率可达99%。
相比之下，传统方法往往需要高温高压，或使用昂贵的氘气（D₂）作为氘源。而这项技术以廉价重水为唯一氘源，且催化剂可循环使用，大幅降低了成本。
实验室里的毫克级合成只是概念验证。真正的考验在于放大。
研究团队搭建了由30个250毫升光反应器组成的反应阵列。LED灯带提供光源，室温下照射反应液。经过三轮反应和重水循环利用，他们最终分离收集了1.157公斤氘代产物。整个过程中，重水与反应物的摩尔比降至19.7，这意味着极高的原子经济性。
这种"光反应器阵列"的设计思路，巧妙地解决了光催化规模化生产的难题。光在反应液中的穿透深度有限，传统大体积反应器效率低下。通过并联多个中小体积反应器，团队实现了从克级到公斤级的跨越。
更值得强调的是安全性。整个流程无需高温高压，也不需要处理易燃易爆的氘气，为工业化生产扫清了障碍。
氘代药物并非新概念。2000年左右，科学家们发现，将药物分子中的碳氢键替换为碳氘键，可以减缓药物在肝脏中的代谢速度，从而延长半衰期、降低给药剂量。2017年，全球首个氘代药物氘代丁苯那嗪获批上市，证明了这一策略的商业价值。
化学合成的瓶颈长期存在。早期依赖多步化学还原，步骤繁琐、成本高昂。后来的过渡金属催化氢氘交换虽有进步，但底物范围受限，且难以规模化。国际上，诺华、默克等制药巨头长期垄断高纯度氘代试剂的供应。
中国科大此次突破，不仅将合成规模提升了三个数量级（从毫克到公斤），更重要的是建立了通用平台。该技术对多种氮杂芳烃底物均适用，而这类结构广泛存在于抗病毒药物、抗癌药物和农药分子中。
在同位素标记与合成领域，中国正从跟跑者转变为并跑者甚至领跑者。
中国科学院体系内，上海有机化学研究所、兰州近代物理研究所等单位在稳定同位素分离和标记方面深耕多年。中国科学技术大学此次工作，结合了该校在单原子催化（吴宇恩教授团队等）和光催化领域的传统优势。单原子催化近年来是中国化学界的一张名片，从2011年张涛院士提出"单原子催化"概念，到如今在能源、环境、医药领域的广泛应用，中国学者始终处于第一梯队。
从产业角度看，氘代药物市场正以每年15%以上的速度增长。全球已有多款氘代药物进入临床三期。中国拥有全球最大的原料药生产能力，但在高附加值同位素药物领域长期依赖进口。公斤级合成技术的突破，意味着中国具备了自主生产氘代药物关键中间体的能力，有望打破国际垄断。
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