表面活性剂增强Cuδ+及诱导静电作用促进三氯乙酸电催化氘代脱氯反应

《Nature Communications》：Surfactant-enhanced Cuδ+ and induced electrostatic forces promote the electrocatalytic deuteron-dechlorination of trichloroacetic acid

本研究针对电催化三氯乙酸（TCAA）氘代脱氯合成氘代乙酸（AA-d4）过程中单氯乙酸中间体（MCAA-d3）C-Cl键氘代困难的问题，设计了季铵盐表面活性剂修饰的低配位铜电催化剂，实现了91%选择性和91%法拉第效率的高效转化。该工作通过界面微环境调控与电子结构优化的协同作用，为氘代药物合成提供了绿色新途径。

　　

在药物研发领域，氘代技术因其能显著改善药物代谢特性而备受关注。其中，全氘代乙酸（AA-d₄，CD₃COOD）作为重要合成砌块，传统制备需贵金属催化剂和高温高压条件，且需多次H/D交换循环才能实现高氘代率。电催化氘代脱氯技术虽能以D₂O为氘源实现温和合成，但三氯乙酸（TCAA）逐步脱氯过程中产生的单氯乙酸中间体（MCAA-d₃）因其C-Cl键活化能垒高、易发生副反应，成为制约AA-d₄选择性和反应效率的关键瓶颈。

针对这一挑战，天津大学张斌/刘翠波团队在《Nature Communications》发表研究，通过设计溴化辛基三甲基铵（OTAB）表面活性剂修饰的低配位铜（LC-Cu）电催化剂，成功实现了TCAA至AA-d₄的高效转化。该催化剂在-100 mA cm^-2电流密度下可获得91%选择性、91%法拉第效率（FE）和0.59 mmol h^-1的产率，并在600 mA cm^-2大电流条件下实现1.84克AA-d₄的克级制备，为氘代药物合成提供了新策略。

研究团队主要采用以下关键技术方法：通过电化学还原法制备低配位铜催化剂，利用同步辐射X射线吸收谱（XAS）表征局部配位环境；结合密度泛函理论（DFT）计算和原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析表面吸附行为；采用电化学阻抗谱（EIS）和塔菲尔曲线研究反应动力学；通过原位拉曼光谱和分子动力学模拟（AIMD）揭示界面水分子结构；使用流动电解槽进行放大实验验证实用性。

反应过程分析与理论计算辅助设计LC-Cu电催化剂

理论计算表明MCAA脱氯能垒（0.77 eV）显著高于TCAA（0.12 eV）和DCAA（-0.69 eV），线性扫描伏安法（LSV）曲线证实MCAA-d₃还原过电位最高。晶体轨道哈密顿布居（pCOHP）分析显示低配位Cu^δ+位点可促使C-Cl键反键轨道下移费米能级，增强吸附活化作用。扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）谱证实LC-Cu的Cu-Cu配位数低于铜箔，成功构建富Cu^δ+活性位点。

OTAB增强选择性与FE的作用机制

季铵盐表面活性剂通过N⁺头基与MCAA-d₃羧基阴离子（COO^-）产生静电作用，将局部浓度提升1.3倍。X射线光电子能谱（XPS）显示OTAB吸附使Cu 2p_3/2结合能正移，增强Cu^δ+位点缺电子特性。原位拉曼光谱中C-Cl键振动峰从778 cm^-1红移至764 cm^-1，证实键能减弱。电荷转移系数α从0.316增至0.406，表明OTAB加速了电子转移过程。

OTAB抑制D₂析出的界面调控

原位拉曼光谱发现OTAB有序排列可降低K⁺·D₂O界面覆盖率，接触角测试显示疏水界面形成。AIMD模拟表明OTAB使氢键数量减少，创建氘疏性微环境。这种界面重构使MCAA-d₃与D₂O比例优化，将D₂析出副反应抑制率提升至91% FE。

AA-d₄的规模化合成与氘代药物应用

采用甘油电氧化（GOR）替代析氧反应（OER），在25 cm²流动电解槽中于7.5 A电流下实现30 mmol h^-1产率，65% FE。所得AA-d₄经核磁共振（NMR）和质谱（HRMS）验证纯度>98%，并成功用于合成氘代阿司匹林-d₃、对乙酰氨基酚-d₃及青蒿素、塞来昔布等药物衍生物，证实其药物砌块应用潜力。

该研究通过表面活性剂协同调控催化剂电子结构与界面微环境，突破了多步电催化反应中关键中间体转化效率低的限制，为绿色氘代合成及药物分子修饰提供了新范式。其揭示的静电作用增强吸附、低D₂O覆盖抑制副反应等机制，对电催化界面工程研究具有普适性指导意义。