氘（Deuterium）作為氫（Hydrogen）的穩定同位素，在地球上的豐度為5%，且大多以重水（D?O）的形式存在于海水與普通水中。氘由一個質子、一個中子和一個電子組成，由1931年美國 H.C.尤里和 F.G.布里克維德在液氫中發現。根據尤里的建議，重氫被命名為Deuterium，在希臘語中是“第二”的意思。現階段，氘代試劑已廣泛應用在核磁共振、生物醫藥、光電顯示、OLED藍光主體材料等領域。

1. 氘代試劑

氘代試劑可避免普通溶劑氫原子干擾，進而提升有機分子氫元素分析的準確率，是核磁共振檢測的基礎材料。氘代試劑產品種類較多，包括氘代丙酮、氘代苯、氘代四氫呋喃、氘代氫氧化鈉、氘代氯仿、氘代二甲基亞砜等。氘代試劑通常是由氘代水制備的，氘代水于上世紀四十年代開始工業化生產，目前全球主要生產國家為印度、美國、阿根廷以及日本等。
2. 氘代藥物   與氫相比，氘的摩爾體積更小(每原子0.140cm3/mol)，親脂性更低(ΔlogPoct=-0.006)，兩者在pKa上可能具有細微差異。C-D鍵長更短(0.005?)，有時對氧化環境更穩定。氘含有一個中子，質量是H的兩倍，導致C-D鍵的振動伸縮頻率比C-H減小，具有更低的基態能量。C-D鍵斷裂所需的活化能要高于C-H鍵，反應速率也更慢(速率常數kH＞kD)。 存在著上述差異，氘取代氫仍是電子等排策略中最保守的例子。氘保持著與氫相似的幾何結構以及空間上的可變性。氘修飾的化合物通常能保持生物化學上的活性和選擇性。藥物中氫原子的氘代可能給藥物分子帶來意想不到的性質，在藥物化學中得到了廣泛應用，已成為重要的藥物設計策略之一。

氘代改善藥代動力學性質

     研究表明氘代可以改善藥物的PK參數。通常來說，藥物分子氘代成功后，藥物的AUC增加，清除率減少，Cmax和t1/2通常會增加，而Tmax受影響較小，生物利用度可能也會受到影響(當存在首過效應時)。

氘代降低化合物毒性

    氘代一個易代謝位點以減少不必要代謝物的形成，增加活性代謝物的形成的過程稱為代謝分流(metabolic shunting)。氘介導的代謝分流可以改善非氘代藥物的副作用，如與奈韋拉平相比，d3-奈韋拉平的皮疹副作用發生率和嚴重程度降低；d1-依非韋倫的大鼠腎毒性減弱；[d5-乙基]-他莫昔芬的遺傳毒性低于他莫昔芬。

氘代穩定化學不穩定的立體異構體

自1992年以來，越來越多最初是外消旋體的化合物已被分離、評估，并發展為單一的優勢對映體用于臨床，即優勢對映體。對于一些化合物，由于立體異構體在體外和/或體內的快速相互轉換，分離出單一立體異構體存在很大困難，在這種情況下，用氘取代單個立體異構體的手性中心的酸性質子可能會降低原子的抽提率(the rate of atom abstraction)，以穩定化學不穩定的立體異構體。

已上市的氘代藥物

丁苯那嗪(Deutetrabenazine)是全球首個上市的氘代藥物。2017年丁苯那嗪被FDA批準用于治療與亨廷頓癥相關的舞蹈病和遲發性運動障礙，與已上市的母體藥物四苯喹嗪的適應癥相同，氘代后的藥物能顯著減慢代謝過程，從而降低用藥頻率，丁苯那嗪的上市是該領域的一個里程碑。多納非尼(Donafenib)是全球第二個上市的氘代藥物。2021年NMPA批準多納非尼上市，用于肝細胞癌患者治療，多納非尼將索拉非尼分子的吡啶酰jiaan基上的甲基的氫用氘替換，代謝性能得到優化。

處于臨床研究階段的氘代藥物

氘在藥物發現的早期階段就被引入以優化新藥研發過程中的先導化合物。如BMS-986165和VX-984。BMS-986165(31)是一種有效的(Ki=0.02nM)選擇性酪氨酸激酶2(Tyk2)抑制劑，在一些臨床前模型中已經顯示出了它的有效性。VX-984(32)是一種選擇性的DNA依賴的蛋白激酶(DNA-PK)抑制劑，已經完成了治療復發性轉移性子宮內膜癌的I期臨床。

還有一些處于臨床的氘代化合物是營養物質的氘代形式。亞油酸中亞甲基的C-H鍵較弱，可以被活性氧裂解，從而引發脂質過氧化過程。11,11-d2-亞油酸乙酯(RT001)，是基于雙烯丙基亞甲基可以通過雙氫-氘取代而穩定的基礎上開發的，從而減少脂質過氧化的進程。RT001在一些自由基相關的神經退行性疾病的體外和體內模型中取得了令人鼓舞的結果。最近I/II期試驗測試了RT001 的初步療效、安全性和 PK 特性，結果表明RT001是安全的、耐受性良好的，并且可以改善弗里德希共濟失調患者的運動能力。
3. 氘代材料
OLED（Organic Light-Emitting Diode），學名“有機發光二極管”，作為一種固體光源，它具有低電壓驅動、小型輕量、自發光、視角廣、易折疊等優點，在畫質、效能、成本及用途上，它的表現都比液晶屏(LCD)優異很多，被業界公認為最具有發展潛力的顯示裝置。隨著5G時代的到來，OLED 的應用可以延伸到電子產品領域、商業領域、交通領域、工業控制領域和醫用領域當中，OLED產業有望迎來發展的“黃金十年"。OLED面板前期一直由于藍光材料使用壽命問題受到行業質疑。OLED發光層主要由紅光材料、綠光材料以及藍光磷材料三者混合成白光，最終實現全色域發光。在OLED的光能量機制中，由于藍光光子的能量較高，壽命也最短。藍光的特殊性也注定受到產業層面的關注，OLED面板的市場化需要技術層面的支持，尤其是OLED電視對于使用壽命的要求高于智能手機。

提高OLED藍光壽命成為研究人員亟待解決的一大難題。通過對OLED基體材料改性是延長其壽命最直接方法，但隨意改動有機材料的結構可能會導致材料性質發生明顯變化，這個改動必須謹慎。氘由于具有比氫更大的原子質量使得C-D鍵比C-H鍵更加穩定(6-9倍)。在OLED基體材料中，不穩定的雜環碳氫鍵的氫/氘交換可以延長器件的壽命，其他化學性質不會有明顯差別。由于“重原子效應”，在藍光材料中引入氘原子后，發光分子的自旋軌道耦合作用將得到增強，從而有利于磷光的產生，提高其量子效率。研究發現，用C-D鍵替換主結構中的C-H鍵，OLED基體材料能承受住比非氘代材料大20倍的電流，可以將OLED器件的壽命延長5-20倍。
2022年5月，韓國LG在美國加利福利亞州圣何塞舉行的SID 2022上展示下一代OLED解決方案-“OLED EX”。與以往的OLED屏幕相比，OLED EX重大改變之一是使用了氘化合物，制造發出更強光的高效有機發光二極管，首次將有機發光元件中存在的氫元素轉化為穩定的氘應用到OLED EX。再結合個性化的算法，以增強有機發光二極管的穩定性和效率，從而提高整體顯示性能和效果。這一技術的發布，昭示著氘代材料在OLED改性領域的巨大潛力。

隨著氘代技術的發展和成熟，用氘代替氫的策略在藥物和材料研究中的應用將越來越廣泛。現階段，全球氘代產品市場規模已達到62億元左右，隨著氘代藥物、氘代材料的大規模應用，未來十年，全球氘代產品市場規模有望迎來爆發增長期。針對氘標記化合物如何制備，國外已形成較為完整的技術和產品鏈，但出于技術保密和產品壟斷等原因，不僅關于合成的技術文獻和專利鮮有公開，且相關的技術標準和檢測方法也很少公開發表。目前國內氘代物合成技術落后，大部分氘代試劑（如氘水、氘氣、氘代甲醇等基礎原料）仍依賴進口，氘代原料藥成本較高，成為限制我國氘代化合物研發與產業化的關鍵瓶頸。近年來，本土氘代試劑企業也在加速崛起，爭奪國內氘代試劑市場份額。重視自主氘代物合成技術開發、推動常用氘代試劑特別是氘代水的工業化生產，進而讓我國企業能以相對廉價的氘代原料為氘源制備氘代藥物，將成為我國氘代藥物產業取得成功的關鍵要素之一。