氘（Deuterium）作为氢（Hydrogen）的稳定同位素，在地球上的丰度为5%，且大多以重水（D₂O）的形式存在于海水与普通水中。氘由一个质子、一个中子和一个电子组成，由1931年美国 H.C.尤里和 F.G.布里克维德在液氢中发现。根据尤里的建议，重氢被命名为Deuterium，在希腊语中是“第二”的意思。现阶段，氘代试剂已广泛应用在核磁共振、生物医药、光电显示、OLED蓝光主体材料等领域。
氘代试剂可避免普通溶剂氢原子干扰，进而提升有机分子氢元素分析的准确率，是核磁共振检测的基础材料。氘代试剂产品种类较多，包括氘代丙酮、氘代苯、氘代四氢呋喃、氘代氢氧化钠、氘代氯仿、氘代二甲基亚砜等。氘代试剂通常是由氘代水制备的，氘代水于上世纪四十年代开始工业化生产，目前全球主要生产国家为印度、美国、阿根廷以及日本等。 与氢相比，氘的摩尔体积更小(每原子0.140cm3/mol)，亲脂性更低(ΔlogPoct=-0.006)，两者在pKa上可能具有细微差异。此外，C-D键长更短(0.005Å)，有时对氧化环境更稳定。氘含有一个中子，质量是H的两倍，导致C-D键的振动伸缩频率比C-H减小，因此具有更低的基态能量。因此，C-D键断裂所需的活化能要高于C-H键，反应速率也更慢(速率常数kH＞kD)。 尽管存在着上述差异，氘取代氢仍是电子等排策略中最保守的例子。氘保持着与氢相似的几何结构以及空间上的可变性。因此，氘修饰的化合物通常能保持生物化学上的活性和选择性。药物中氢原子的氘代可能给药物分子带来意想不到的性质，在药物化学中得到了广泛应用，已成为重要的药物设计策略之一。
研究表明氘代可以改善药物的PK参数。通常来说，药物分子氘代成功后，药物的AUC增加，清除率减少，Cmax和t1/2通常会增加，而Tmax受影响较小，此外，生物利用度可能也会受到影响(当存在首过效应时)。
氘代一个易代谢位点以减少不必要代谢物的形成，同时增加活性代谢物的形成的过程称为代谢分流(metabolic shunting)。氘介导的代谢分流可以改善非氘代药物的副作用，如与奈韦拉平相比，d3-奈韦拉平的皮疹副作用发生率和严重程度降低；d1-依非韦伦的大鼠肾毒性减弱；[d5-乙基]-他莫昔芬的遗传毒性低于他莫昔芬。
自1992年以来，越来越多最初是外消旋体的化合物已被分离、评估，并发展为单一的优势对映体用于临床，即优势对映体。对于一些化合物，由于立体异构体在体外和/或体内的快速相互转换，分离出单一立体异构体存在很大困难，在这种情况下，用氘取代单个立体异构体的手性中心的酸性质子可能会降低原子的抽提率(the rate of atom abstraction)，以稳定化学不稳定的立体异构体。
丁苯那嗪(Deutetrabenazine)是全球首个上市的氘代药物。2017年丁苯那嗪被FDA批准用于治疗与亨廷顿症相关的舞蹈病和迟发性运动障碍，与已上市的母体药物四苯喹嗪的适应症相同，氘代后的药物能显著减慢代谢过程，从而降低用药频率，丁苯那嗪的上市是该领域的一个里程碑。多纳非尼(Donafenib)是全球第二个上市的氘代药物。2021年NMPA批准多纳非尼上市，用于肝细胞癌患者治疗，多纳非尼将索拉非尼分子的吡啶酰jiaan基上的甲基的氢用氘替换，代谢性能得到优化。
氘在药物发现的早期阶段就被引入以优化新药研发过程中的先导化合物。如BMS-986165和VX-984。BMS-986165(31)是一种有效的(Ki=0.02nM)选择性酪氨酸激酶2(Tyk2)抑制剂，在一些临床前模型中已经显示出了它的有效性。VX-984(32)是一种选择性的DNA依赖的蛋白激酶(DNA-PK)抑制剂，已经完成了治疗复发性转移性子宫内膜癌的I期临床。
还有一些处于临床的氘代化合物是营养物质的氘代形式。亚油酸中亚甲基的C-H键较弱，可以被活性氧裂解，从而引发脂质过氧化过程。11,11-d2-亚油酸乙酯(RT001)，是基于双烯丙基亚甲基可以通过双氢-氘取代而稳定的基础上开发的，从而减少脂质过氧化的进程。RT001在一些自由基相关的神经退行性疾病的体外和体内模型中取得了令人鼓舞的结果。最近I/II期试验测试了RT001 的初步疗效、安全性和 PK 特性，结果表明RT001是安全的、耐受性良好的，并且可以改善弗里德希共济失调患者的运动能力。OLED（Organic Light-Emitting Diode），学名“有机发光二极管”，作为一种固体光源，它具有低电压驱动、小型轻量、自发光、视角广、易折叠等优点，在画质、效能、成本及用途上，它的表现都比液晶屏(LCD)优异很多，被业界公认为最具有发展潜力的显示装置。随着5G时代的到来，OLED 的应用可以延伸到电子产品领域、商业领域、交通领域、工业控制领域和医用领域当中，OLED产业有望迎来发展的“黄金十年"。OLED面板前期一直由于蓝光材料使用寿命问题受到行业质疑。OLED发光层主要由红光材料、绿光材料以及蓝光磷材料三者混合成白光，最终实现全色域发光。在OLED的光能量机制中，由于蓝光光子的能量较高，寿命也因此最短。蓝光的特殊性也注定受到产业层面的关注，因此OLED面板的市场化需要技术层面的支持，尤其是OLED电视对于使用寿命的要求高于智能手机。提高OLED蓝光寿命成为研究人员亟待解决的一大难题。通过对OLED基体材料改性是延长其寿命最直接方法，但随意改动有机材料的结构可能会导致材料性质发生明显变化，所以这个改动必须谨慎。氘由于具有比氢更大的原子质量使得C-D键比C-H键更加稳定(6-9倍)。在OLED基体材料中，不稳定的杂环碳氢键的氢/氘交换可以延长器件的寿命，而且其他化学性质不会有明显差别。此外，由于“重原子效应”，在蓝光材料中引入氘原子后，发光分子的自旋轨道耦合作用将得到增强，从而有利于磷光的产生，提高其量子效率。研究发现，用C-D键替换主结构中的C-H键，OLED基体材料能承受住比非氘代材料大20倍的电流，可以将OLED器件的寿命延长5-20倍。2022年5月，韩国LG在美国加利福利亚州圣何塞举行的SID 2022上展示下一代OLED解决方案-“OLED EX”。与以往的OLED屏幕相比，OLED EX重大改变之一是使用了氘化合物，制造发出更强光的高效有机发光二极管，首次将有机发光元件中存在的氢元素转化为稳定的氘应用到OLED EX。再结合个性化的算法，以增强有机发光二极管的稳定性和效率，从而提高整体显示性能和效果。这一技术的发布，昭示着氘代材料在OLED改性领域的巨大潜力。随着氘代技术的发展和成熟，用氘代替氢的策略在药物和材料研究中的应用将越来越广泛。现阶段，全球氘代产品市场规模已达到62亿元左右，随着氘代药物、氘代材料的大规模应用，未来十年，全球氘代产品市场规模有望迎来爆发增长期。针对氘标记化合物如何制备，国外已形成较为完整的技术和产品链，但出于技术保密和产品垄断等原因，不仅关于合成的技术文献和专利鲜有公开，且相关的技术标准和检测方法也很少公开发表。目前国内氘代物合成技术落后，大部分氘代试剂（如氘水、氘气、氘代甲醇等基础原料）仍依赖进口，氘代原料药成本较高，成为限制我国氘代化合物研发与产业化的关键瓶颈。近年来，本土氘代试剂企业也在加速崛起，争夺国内氘代试剂市场份额。因此，重视自主氘代物合成技术开发、推动常用氘代试剂特别是氘代水的工业化生产，进而让我国企业能以相对廉价的氘代原料为氘源制备氘代药物，将成为我国氘代药物产业取得成功的关键要素之一。