1931年，美国著名宇宙化学家、物理学家Harold Clayton Urey发现氢同位素氘1，随后，于1934年迅速获得诺贝尔化学奖。氘在地球上天然氢中的丰度约为0.015%，主要以HDO和D2O的形式存在于海水中2-4。氘的质量是氢的两倍，因此，与C-H键相比，C-D键的振动拉伸频率降低，基态能量更低，进而解离活化能更高，所以，C-D键比C-H键更稳定（差异为1.2 ~ 1.5 kcal mol−1）5。
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由于C-D键比C-H键更稳定，使得氘代有机化合物在许多领域展现出了与众不同的优势。例如，利用动力学同位素效应（Kinetic Isotope Effect）来研究化学反应机理5,6。
此外，氘在半导体和OLED材料领域也有重要应用，氘主要通过将半导体和OLED材料中的氢替换为氘，抵抗环境中的化学腐蚀和热载流子效应，延缓其老化和退化，降低半导体材料中C-D键和Si-D键的振动弛豫时间，使其更快地达到振动平衡点，提高半导体器件的响应速度，改变OLED材料中分子的振动模式和能级结构，从而改变其发光波长和色纯度7,8。
其中，尤为重要的氘代有机化合物的应用是，氘代技术在药物研究中的作用，这种应用主要分为两部分：
（1）利用氘代药物进行示踪，原理是结合同位素标记+质谱检测，通过将氘选择性地引入药物分子，由于氘是氢的稳定、非放射性的“重”同位素，不会改变药物的基本化学结构和药理活性，但会赋予该分子一个独特的“质量标签”，从而可以在复杂的生物体内环境中被高灵敏度的仪器（主要是质谱）精准地追踪和定量9,10。
（2）用于治疗的氘代药物，其核心原理是有策略地利用“氘动力学同位素效应（DKIE）”来氘代关键代谢键位，提高该键的键能，增加其稳定性，从而为氘代药物带来一系列的优势，诸如改善药代动力学：延长半衰期，提高生物利用度，降低给药频率，减少血药浓度波动。另一点是提高安全性与耐受性：许多药物的毒性并非来自母药本身，而是其特定代谢产物，通过氘代阻断或减少这条有毒代谢路径，迫使其通过其他安全、但原本竞争不过的次要路径代谢，从而降低药物毒性，减少与代谢相关的不良反应11-13。例如，氘丁苯那嗪相较于丁苯那嗪具有明显优势（见表1）14-16。
表1丁苯那嗪与氘丁苯那嗪的对比14-16
更多的已上市的氘代药物，包括氘丁苯那嗪，如表2所示17。
表2 已上市的氘代药物17
综上所述，氘代已从一个学术概念，发展成为推动机理探索、材料科学和医药工业等领域进步的重要技术路径。接下来，本文将系统性地介绍氘代有机化合物的合成策略。
部分氘源及其价格
介绍这些策略前，先了解一下部分氘源及其价格，如图1所示18。
图1 部分氘源及其价格（以欧元计价，€/mol）18
氘代策略
一、氘代砌块法
氘代砌块法是指通过市售易得的氘代基本原料（砌块），设计适宜的合成路线合成最终目标产物，如氘丁贝那替秦的合成19,20。
二、化学转化法（去官能团氘代法）
化学转换法是一种通过将官能团转化为氘原子从而实现选择性氘代的方法，通过在设计合成路线时，有目的性地在分子内预留例如卤素、碳碳双键和碳氧双键等官能团，最后在合适的时机，通过合适的氘代试剂将该官能团转化为氘原子，因此该方法也称为去官能团氘代法。
例如，氢溴酸氘瑞米德韦（vv116）的部分合成路线21。
一当量的重水作为氘源，基础金属钴催化的脱硼酯氘代23。
氘水作为氘源，金属锌作为电子给体的烷基溴的脱溴氘代24。
室温下，光诱导，30分钟即完成不对称脱氯氘代25。
室温下，氘水作为氘源，长链硫醇作为催化剂，在干燥的空气中通过自由基机理完成烷基碘的脱碘氘代26。
钠作为电子给体，C2H5OD作为氘源，可将酰胺还原为α二氘代醇；重水作为氘源，可选择性地彻底还原酰胺碳氧双键，保留二甲基胺基27。
SmI2-D2O体系能实现重水中氘正离子的极性翻转，从而还原酯为α二氘代醇28。
室温下，氘水作为氘源，光诱导，实现多肽链脱巯基氘代29。
三、氢同位素交换法（Hydrogen Isotope Exchange, HIE）
氢同位素交换法是指利用催化剂使目标分子中的氢与氘源中的氘进行交换。目前HIE体系大致分为三类：酸催化法、碱催化法和金属催化法。
1. 酸催化HIE
全氘甲醇作为氘源，高氯酸催化，实现苯酚的氘代30。
全氘代苯作为氘源，磺酸催化，实现芳环的全氘代31。
氘水作为氘源，苯甲酸催化，实现喹啉N邻位甲基的全氘代32。
2. 碱催化HIE
氘代DMSO作为氘源，碳酸铯作为催化剂，实现二氟苯的选择性氘代33。
氘代DMSO作为氘源，叔丁醇钾作为催化剂，实现苯乙烯的选择性氘代34。
氘代DMSO作为氘源，氢氧化钠作为碱，能实现芳环苄位的全氘代35。
3. 金属催化HIE
根据催化体系不同，可将金属催化HIE分为异相催化和均相催化。
异相金属催化HIE36。
均相金属催化HIE37。
如果底物中含有导向基团，金属能和导向基团配位，从而产生位点选择性。
邻位导向金属催化HIE38-40。
间位导向金属催化HIE41,42。
空间位阻控制的金属催化HIE43-45。
电子效应控制的金属催化HIE46。
4. 其他氘代方法
光催化的氘代47-49。
电催化的氘代50。
有机小分子催化的氘代51,52。
生物催化的氘代，使用不同的酶催化，能实现区域选择性还原氘代53。
总结与展望
氘代有机化合物作为重要的工具与功能分子，在多个领域展现出独特的价值与应用潜力。本文综述了其在机理研究、材料科学和药物科学等领域的核心应用，并系统性地梳理了当前主流的和前沿的氘代策略。
尽管氘代化学已取得丰硕成果，其未来发展仍面临挑战与机遇，以下几个方面值得深入探索：
1.当前许多氘代方法在底物普适性和选择性上仍有局限，未来需发展更具普适性和高区域/立体选择性的氘代策略；
2.目前各种用于氘代反应的氘代试剂价格仍相当昂贵，所以开发高效的氘回收与循环利用技术、降低氘代试剂的用量和发展更多使用廉价氘源进行氘代的方法是十分必要和富有意义的；
3.虽然，氘代技术已经在多个高科技领域表现出了其应用价值，但其仍有巨大潜力未被释放，未来，将氘代技术与人工智能及自动化融合，预测氘代位置对化合物性质的影响，结合高通量、自动化合成与筛选平台，从而指导化学工作者定向合成大量特定氘代模式的分子，这将有望显著加速氘代化合物库的构建，并从中发现更多的具有特定功能的氘代分子。
总之，氘代化学已步入一个从基础工具到创新引擎的转型阶段。随着氘代方法的不断革新、应用领域的持续拓展以及与其他前沿技术的深度融合，氘代有机化合物有望在应对能源、材料和健康等领域的科学与技术挑战中发挥更关键的作用，展现出广阔的应用前景。
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