中國科大實現低成本制備氘代酸堿，成本僅為傳統工藝 20%

　　近日，中國科學技術大學精準智能化學全國重點實驗室徐銅文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授團隊聯合攻關，在氘代化學品制備領域取得突破性進展。他們創新性地利用雙極膜實現重水（D₂O）高效解離，首次揭示了核量子效應導緻膜層内氘離子（D⁺）遷移速率反超氫離子（H⁺）的現象，颠覆了長期以來“重水解離速率慢”的傳統認知，并成功開發出低成本、高效率制備氘代酸和氘代堿的新技術。北京時間7月9日，相關研究成果以“Synthesis of deuterated acids and bases using bipolar membranes”為題，在線發表于《自然》雜志。

　　氘代酸和氘代堿是合成氘代藥物、進行氫/氘（H/D）交換反應的關鍵原料，在OLED等發光材料中也具有重要應用，市場前景廣闊。然而，當前氘代酸堿的生産普遍存在工藝複雜多樣、反應條件苛刻、産物純化困難、濃縮能耗高等瓶頸問題。本研究以廉價的重水和無機鹽為原料，在室溫條件下利用雙極膜電滲析技術直接高效解離重水，一步生成高濃度的氘代酸和氘代堿，大幅降低了生産成本，有望為下遊衆多氘代化學品提供經濟、優質的氘代酸堿原料。

　　研究闡明了雙極膜高效解離重水的核心機理。在反向偏壓作用下，雙極膜中間層離子定向遷出，解離産生的氘離子和氘氧根離子成為氘代酸堿的來源。研究表明，重水體系中更高的氘氧鍵鍵能和更低的離子擴散系數，共同導緻了雙極膜電滲析膜堆電壓的顯著升高。同時，更高的雙極膜極限電流密度和溶液電阻，使得重水解離達到穩态所需時間（>45分鐘）遠長于普通水解離。分析顯示，重水體系下雙極膜中間層解離電阻、膜層傳質電阻及擴散邊界層電阻均顯著高于水體系。在消耗相同電荷量的情況下，氘離子/氘氧根離子的生成速率反而是氫離子/氫氧根離子的1.25倍，這颠覆了數十年來對重水産酸堿速率的固有認知。分子動力學模拟表明，重水更高的粘度和更強的氫鍵網絡增加了陽離子（如鉀離子）遷移阻力，使其溶劑化殼層更穩定有序；其次，氘離子和質子在膜相内遷移能力存在差異。通過第一性原理計算證實，膜相内氘離子團簇（Zundel構型）具有比質子團簇更低的脫水能壘（低1.08 kcal・mol⁻¹），導緻其遷移速率差異近7倍。這表明離子在膜相内的快速有序擴散顯著強化了雙極膜中間層的解離效率。

　　基于此原理，研究團隊成功将技術拓展至多個體系，實現了包括氘代硫酸、氘代鹽酸、氟化氘、氘代硝酸、氘氧化鉀、氘氧化鈉等在内的一系列氘代酸和氘代堿的高效制備。以該雙極膜重水解離技術為核心的氘代酸堿制備平台，平均生産成本僅為傳統工藝的20%左右。整個生産過程無需使用強腐蝕性試劑或重金屬催化劑，排放趨近于零，環境友好特性突出。目前，該技術已成功完成工程放大，具備年産3噸氘代酸堿的能力，為其工業化大規模生産奠定了堅實基礎。

　　《自然》審稿人對該工作給予高度評價，認為“是雙極膜創新性應用”“首次實現雙極膜重水解離制氘代酸堿”；“作者找到了雙極膜的完美應用領域，該技術具有高度靈活、便捷、高效等優點；該平台技術能顯著加速研究進程，并大幅提升氘代分子相關實驗方法的可及性”。

　　徐銅文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及中國科學院基礎與交叉前沿科研先導專項的資助。