氘代乙腈的合成与应用转化

氘代乙腈，英文名为Acetonitrile-d3，常温常压下为无色液体。氘代乙腈属于氘代化合物，在有机化学中常用作核磁共振溶剂，帮助核磁仪器锁场；此外，氘代乙腈也可以用作有机合成试剂，用于合成相关的氘代衍生化合物和有机反应机理研究。

合成方法

图1 氘代乙腈的合成路线

方法一

在手套箱中，将锰催化剂的三齿复合物（0.005毫摩尔，1摩尔%）加入装有搅拌棒的100毫升Schlenk管中，然后用玻璃吸管向反应管中加入乙腈（0.5mmol，1.0当量），并用同一玻璃吸管加入经过脱气处理的甲苯（0.5mL）。在室温下搅拌该溶液10分钟，然后加入经过脱气处理的D2O（0.5毫升）。将Schlenk管从手套箱中取出，在110度（油浴）下搅拌反应24小时。反应结束后，往反应体系中加入乙酸乙酯，用乙酸乙酯萃取取反应混合物，分离出有机层并用无水硫酸钠干燥乙酸乙酯溶液，过滤除去无水硫酸钠固体，得到的滤液通过真空除去溶剂（需要说明的是，氘代乙腈的沸点较低，在真空浓缩时要格外注意真空度和蒸发温度）即可得到目标产物分子氘代乙腈。[1]

方法二

在充满氮气手套箱中，将乙腈（0.5mmol），钌催化剂（0.2至0.5mol%）和叔丁醇钾（0.5至1mol%）加入到反应烧瓶中，然后将反应瓶带出手套箱，并在氩气环境下加入经过脱气处理的D2O（0.4ml，20mmol）。密封反应瓶，并将其浸入70度的预热油浴中，在这个温度下搅拌反应混合物24小时。反应结束后，将反应混合物冷却至室温，然后用二氯甲烷（3 x 2mL）萃取，将合并的有机相在无水硫酸钠上干燥。过滤除去无水硫酸钠固体，得到的滤液通过真空除去溶剂即可得到目标产物分子氘代乙腈。[2]

有机合成转化

在有机合成转化中，氘代乙腈结构中甲基上的氢原子具有一定的酸性，可以在强碱的作用下拔除得到相应的碳负离子，然后进行一系列的亲核进攻反应。此外，氰基结构中的不饱和碳氮三键可以和各类亲核试剂进行反应转化为各种活性官能团包括酯基，酰胺等等。此外，氰基单元也可以进行环加成反应。

图2 氘代乙腈的应用转化

实验步骤：

在惰性气体的保护下，称取1,1-双取代的烯烃（63.5毫克，0.2毫摩尔，1当量）于配备有1厘米搅拌棒的耐压反应瓶中，然后再往反应玻璃瓶中称量催化剂（0.04毫摩尔，20摩尔%），最后往反应体系中加入氘代乙腈（0.5毫升），通过搅拌使上述混合物溶解与氘代乙腈中。接着将反应混合物转移到一个带有橡胶塞的反应烧瓶中，然后通过注射器慢慢地往反应体系中加入N,N-二甲基丙脲氟化氢络合物（0.5毫升）（DMPU-HF），最后再加入1-氯甲基-4-氟-1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷二(四氟硼酸)盐（Select fluor） （0.3毫摩尔，1.5当量）。在室温环境下以200rpm的速度搅拌反应混合物24小时，然后将反应混合物倒入饱和的碳酸氢钠溶液中，用二氯甲烷提取水层（3次），将合并的有机层在无水硫酸镁上干燥，过滤除去硫酸镁固体，滤液在减压下除去溶剂。最后通过柱色谱法（SiO2，50%乙酸乙酯在正戊烷中）分离纯化残余物即可得到目标产物。[3]

溶解性

氘代乙腈可与常见的有机溶剂混溶，包括非极性的石油醚和正己烷，同时也能溶于水。

储存条件

氘代乙腈由于沸点较低，需要避开氧化剂并低温（一般为2到8度）保存。

参考文献

[1] Zhou, Quan-Quan et al ACS Catalysis, 11(16), 10239-10245; 2021

[2] Krishnakumar, Varadhan Chemical Communications (Cambridge, United Kingdom), 54(63), 8705-8708; 2018

[3] Schafer, Michael et al Angewandte Chemie, International Edition, 61(32), e202205508; 2022