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氘源选择决定反应路径 氢同位素交换反应机制研究取得新突破
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发布时间：
2025-12-26 00:00
西班牙加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）莫妮卡・H・佩雷斯-滕普拉诺教授团队，与以色列本・古里安大学阿纳特・米洛教授团队合作开展研究，揭示了在碳-氢键氘代反应中，反应底物特性会对反应条件提出特定要求，进而左右化学反应进程。相关研究成果发表于《自然・催化》期刊。
氢同位素交换（HIE）反应在基础化学与应用化学领域均具有重要研究价值。其中，过渡金属催化的氢同位素交换反应，是向有机分子中引入同位素标记的高效手段，而同位素标记分子在药物化学、分析检测以及机理研究中，都是不可或缺的工具。
在制药行业，氘标记化合物的应用价值正不断攀升。这类化合物可用于探究药物代谢过程、降低药物毒性，还能改善药物的药代动力学特性。近年来，美国食品药品监督管理局批准首款氘代药物上市，更是凸显出这类化学反应的实用意义愈发重要。然而，长期以来，氢同位素交换反应中氘源的选择大多依靠经验判断，其背后的作用机理始终未能被充分阐释。
此次研究创新性地将精细实验与基于反应中间体的数据科学手段相结合。研究人员通过建立分子结构特征与反应结果之间的关联发现，氘源的选择绝非只影响氘代率那么简单。像重水（D₂O）、氘代甲醇（CD₃OD）、氘代乙酸（AcOD-d₄）这类不同氘源，甚至能够直接改变反应路径，由此也揭示出了单凭经验难以预判的复杂反应机理。
“即便是氢同位素交换这种看似简单的转化反应，在不同反应条件下也可能遵循截然不同的反应机制。”佩雷斯-滕普拉诺教授解释道，“这一研究表明，我们不能想当然地认为，同一种反应机制适用于所有底物或金属催化剂，同时也强调了测试多种氘源的重要性。”
研究团队还发现，底物结构与氘源优选之间存在着显著且出人意料的关联，氘源本身就可作为反应机制的“触发器”，引导反应沿着不同路径进行。值得注意的是，同一钴基催化剂在三种不同反应条件下，竟能触发三种完全不同的反应机制，足见反应体系对细微条件变化的高度敏感性。
为了破解这一难题，研究人员将实验机理研究与基于分子描述符的计算分析相结合。分子描述符是能够表征分子特征的数值参数，可助力科研人员建立分子结构与反应活性之间的定量关系。
这项研究的意义不仅局限于氢同位素交换反应领域。米洛教授指出：“该方法是对传统计算机理研究的有效补充。传统计算方法通常聚焦单一底物的完整反应轨迹，而我们的方法能够揭示反应机制在更广泛的底物类别与反应条件下的变化规律，为探究催化体系的实际作用机制提供了全新工具。”
该研究提醒化学科研工作者，反应条件、底物或金属催化剂的细微调整，都可能对反应进程产生决定性影响。研究团队以线性自由能关系为理论基础，开发出一种统计学方法，借助该方法，能够探究不同反应中间体如何根据底物与反应条件的差异，导致反应出现不同结果。
不同于以往局限于单一“模型底物”的研究模式，这项研究采用了更全面的数据驱动分析方法，为科研人员绘制和解读多样化的反应机制提供了全新思路。
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