氘代化合物由于其C-D键比C-H键更强且反应性更低，在多个科学领域的应用中取得了革命性进展[1], [2], [3]。其稳定性使其成为核磁共振（NMR）光谱学的理想溶剂[4], [5], [6]，能够实现精确的分子分析[7]。2017年FDA批准的首个氘代药物——阿ustedo[8], [9], [10]，显示出氘通过减缓代谢延长了半衰期，改善了亨廷顿病的治疗效果，并改变了药物开发格局。具体而言，氘代多元醇在医药化学中起着关键作用，作为代谢示踪剂用于研究生物过程[11], [12]。特别是，位点选择性氘代葡萄糖衍生物被广泛用作代谢探针，凸显了糖的精确氘标记的重要性[13], [14]。然而，传统氘代糖缀合物的合成方法仍然过于复杂且成本高昂，亟需创新且经济高效的策略来推进这一有前景的领域[13]。
传统氘标记多元醇的合成涉及复杂的多步方案，需要从氘代小分子逐步衍生化到目标多元醇结构[15]。氢同位素交换（HIE）[1], [16], [17]提供了一种有前景的一步氘代方法。然而，经典的酸/碱催化HIE过程面临关键限制：官能团不稳定性、催化剂分离困难、反应条件苛刻和设备腐蚀，这些问题共同阻碍了可扩展的制造[7], [18]。过渡金属催化HIE[19], [20], [21], [22]的创新通过更温和的条件、易于催化剂回收和减少产品损失解决了这些问题。这一进展实现了可扩展的可持续氘标记，使该技术成为制药生产的变革性技术。
为实现醇类和多元醇的选择性氘代，过渡金属催化H/D交换近年来取得了显著进展，但结构复杂多元醇的高效直接氘代仍然具有挑战性。Sajiki课题组首次报道了在氢气气氛下Ru/C上醇的温和α位氘代[20]。随后，Ru/C-H2-D2O体系被开发用于糖苷和保护糖衍生物的区位、化学和立体选择性氘代，为位点选择性糖标记提供了有用策略[23], [24]。这些方法对于制备选择性氘代糖很有价值，在代谢研究和成像应用中至关重要。然而，它们通常依赖于糖苷底物或保护/脱保护策略，在常规Ru/C条件下直接氘代游离葡萄糖仍然困难。其他均相Ru或Ir基体系也实现了醇的α或β选择性氘代，但它们通常受限于底物范围有限、催化剂回收困难或对多元醇多位点高水平氘代能力不足[25], [26], [27], [28], [29]。最近，包括Mn/Fe钳型配合物和Fe基非均相催化剂在内的地壳中丰富的3d金属催化剂，在使用D2O作为氘源的成本效益C-H氘代中显示出有前景的活性[30], [31], [32]。然而，这些体系主要关注简单醇、芳烃或杂芳烃，而糖类和多元醇的直接高水平氘代研究较少。因此，开发用于多元醇氘代的直接、可循环且机理可调的催化体系是非常必要的。聚丙烯腈衍生的碳材料因其碳化后的高机械强度、大表面积、高氮含量和良好导电性而成为有吸引力的催化剂载体[33], [34], [35], [36], [37]。作为高性能碳材料的前驱体，聚丙烯腈与普通碳材料相比具有优异的机械强度、高比表面积、碳化收率（50-60%）、高氮含量和良好导电性，因此其碳化产物作为多相催化剂载体在调控贵金属分散和增强电子转移方面具有无限潜力[38], [39], [40]。
在本工作中，开发了一种在温和条件下直接合成氘标记多元醇的方法，氢-氘交换反应表现出高的氘取代率，且多元醇本身的结构保持不变。采用简化的三步法合成具有高比表面积和良好机械强度的碳花纳米颗粒。聚丙烯腈颗粒通过以丙烯腈为单体、2,2'-偶氮双(2-甲基丙腈)为引发剂、丙酮为溶剂的简便一锅法引发，然后通过空气稳定过程和碳化依次合成碳花颗粒；碳花表面结构不仅有利于Ru的均匀负载，还暴露了更多催化活性位点。此外，通过调节碳化温度增强了富含氮前驱体聚丙烯腈中的吡咯氮含量。具有五元环和六个共享π电子的吡咯氮增强了铷与载体之间的相互作用。这种修饰进一步改变了Ru周围的电子云，最终提高了氘原子利用率和氘取代率。
