南京大学Nature Chemistry:“矿物到分子”的合成新范式!

第一作者：Yandong Wang

通讯作者：Frank Glorius, Zhuangzhi Shi (史壮志)

通讯单位：德国明斯特大学、南京大学

研究要点

本研究开创性地提出了一种“矿物到分子”的合成新范式，利用可见光光氧化还原催化技术，直接将天然砷硫化物矿物（特别是雌黄，As₂S₃）转化为结构多样的有机砷化合物（图1）。该方法成功绕过了传统合成路线中需要使用高毒性、易挥发砷试剂（如AsCl₃）的关键瓶颈，在温和条件下实现了有机砷的一步高效构建。研究展示了该策略广泛的底物适用性，能兼容芳基、杂芳基及烷基碘化物，高效合成相应的三级砷或砷硫化物。这一成果不仅为有机砷化学提供了一条安全、可持续的合成路径，更在地球化学与合成化学之间架起了一座桥梁，为实现矿产资源的高值化、绿色利用开辟了新天地。

图1.合成方法示意图

一、研究背景

砷，一个在人类文明史上兼具“毒药”与“良药”双重身份的元素，其化合物在古今中外扮演着复杂角色：从古代的颜料、药剂，到近代保罗·埃尔利希发明的治疗梅毒的“魔弹”洒尔佛散，再到现代用于治疗非洲锥虫病的药物美拉胂醇，有机砷化学始终与人类健康息息相关。在现代合成化学中，有机砷化合物作为配体在过渡金属催化（如Stille反应）中展现出超越其磷类似物的独特反应活性，在功能材料和天然产物合成中也具有重要应用。

然而，尽管需求巨大，有机砷的合成方法却长期停滞不前（图2）。当代工业与实验室合成主要依赖于从As₂O₃出发，预先制备AsCl₃等高毒性中间体。这些试剂不仅本身剧毒、易挥发，而且在后续与有机金属试剂（如有机锂、格氏试剂）反应时，对官能团的耐受性极差，极大地限制了产物的结构多样性和合成路线的设计。这种传统模式操作风险高、步骤繁琐，迫切需要一种变革性的方法来重塑有机砷化学。

图2. 砷化学背景及其发现

二、研究思路

1. 合成策略与设计原理：向自然学习，用光驱动

受自然界中微生物通过酶催化将无机砷甲基化解毒的启发，研究团队设想是否能用光氧化还原催化这一人工工具，实现从无机矿物到有机砷的直接转化（图3）。他们的设计核心在于直接利用毒性相对较低、自然界储量丰富的硫化砷矿物（雌黄）作为砷源。关键在于如何活化惰性的矿物晶体，并实现砷原子向有机分子的高效转移。

研究者提出，在可见光照射下，光催化剂被激发，随后与体系中的三乙胺发生单电子转移，生成还原态的光催化剂和三乙胺自由基阳离子。还原态的光催化剂有能力还原有机碘化物，产生有机自由基。这些高活性的有机自由基会选择性地攻击雌黄矿物中较长的As-S键，从而实现砷-碳键的构建，并释放出硫化氢（H₂S）作为唯一的副产物。整个设计在温和条件下，一步完成了从矿物到目标产物的转化，彻底规避了有毒中间体的分离与使用。

图3. 反应条件的优化

2. 反应条件的精准优化

通过对反应参数的系统筛选，团队确定了最优条件：以雌黄（As₂S₃）粉末为砷源，碘苯为模型底物，(Ir(dF(Me)ppy)₂(dtbbpy))PF6（PC3）为光催化剂，三乙胺为关键添加剂，在乙腈/苯混合溶剂中于45°C用蓝光LED照射72小时，能以66%的分离产率得到目标产物三苯基砷（图3，entry 1）。

研究发现，反应对催化剂结构有严格要求，非铱基光催化剂效果不佳。碳-碘键是成功的关键，溴苯、氯苯则完全无效。三乙胺不可或缺，它不仅是电子供体，还可能参与矿物的溶解。值得注意的是，雌黄和雄黄（As₄S₄）均能反应，但剧毒的三氧化二砷（As₂O₃）或单质砷则无效，凸显了硫化物矿物的独特性。进一步的灵敏度分析表明，该方案对氧气、水分等波动具有优异的稳定性。

3. 机理研究：追踪硫的去向与活性中间体

为揭示反应机理，研究者设计了一系列精巧实验（图4）。首先，利用一个H型双室反应器，在一侧进行光反应，另一侧放入可检测H₂S的显色剂。光照下，产物生成的同时，显色剂由蓝色变为橙黄色，首次直接证实了H₂S是该过程的副产物。

其次，通过合成可能的中间体进行验证。当使用苯基砷硫化物（PhAs=S）与碘苯反应时，能得到目标产物，表明其可能是反应中间体。更重要的是，三苯基砷硫化物（Ph₃As=S）在标准条件下能以92%的产率高效转化为三苯基砷，而没有三乙胺时该脱硫过程完全被抑制，揭示了三乙胺在还原脱硫中的关键作用。

荧光淬灭实验表明，激发态的光催化剂优先与三乙胺发生单电子转移（原文图3c）。基于此，作者提出了一个包含自由基机理的催化循环：光激发→还原三乙胺并产生芳基自由基→自由基进攻矿物砷中心→逐步构建C-As键→最终还原消除并释放H₂S。

图4. 机制探究

4.底物范围拓展：从芳基到烷基的广泛适用性

在最优条件下，团队考察了该方法的普适性（表1）。

三芳基砷的合成（表1a）：反应表现出极佳的官能团兼容性。无论是带有供电子基（甲基、甲氧基）还是吸电子基（酯基、氰基、三氟甲基）的芳基碘化物，均能顺利反应，以良好至优秀的产率得到相应产物。卤素（F， Cl， Br）等敏感基团也能完美保留。甚至可以通过串联反应一步构建苯并[b]砷杂环戊二烯结构。

三杂芳基砷的合成（表1b）：含氮、硫的杂环碘化物，如吡啶、嘧啶、噻吩等，也能很好地适应反应，为合成含砷配体库提供了便捷途径。

烷基砷硫化物的合成（表1c）：当底物拓展至烷基碘化物时，反应路径发生有趣的变化，直接生成三烷基砷硫化物。此时，更换为催化剂PC4效果更佳。该反应同样兼容多种官能团化的烷基碘，包括含酯基、醚键甚至卤素的底物。

表1. 底物范围

5.合成应用：从基础原料到功能分子与材料

为展示该方法的实用价值，研究者进行了一系列衍生化与应用探索（图5）。

克级规模与转化（图5a）：5.0 mmol规模的放大反应顺利得到1.54克三苯基砷(1b)，产率基本不变。该产物可轻松转化为一系列高价值衍生物，如砷氧化物、季砷盐、砷锂试剂等。更重要的是，1b可作为优异配体，与铑、铱、钌等金属前体配位，得到结构明确的金属配合物（如Wilkinson催化剂类似物），并通过X射线单晶衍射确证了其结构。

精准合成不对称砷化物（图5b）：通过使用PhAs=S作为中间体，可以高选择性地合成Cs对称的砷化物，克服了直接混合卤代烃时产物复杂的难题。

安全合成含砷功能材料（图5c）：该方法为合成含砷金属有机框架的关键前体提供了更安全的路径，避免了使用剧毒AsCl₃和敏感有机锂试剂的操作。

揭示砷化物间转化（图5d）：研究发现，三烷基砷在雌黄存在下容易重新被硫化，这加深了对不同价态砷物种间转化关系的理解。

图5. 合成应用

三、小结

本研究通过将光氧化还原催化引入古老的砷化学，成功创立了“矿物到分子”的合成新范式。这一策略颠覆了沿用数百年的有机砷合成路线，直接从天然雄黄/雌黄矿物出发，在温和、安全的条件下，一步构建了结构多样的芳基、杂芳基及烷基有机砷化合物，完美避开了剧毒、危险的中间步骤。

这项工作的突破性在于：它不仅是方法学的创新，更是合成思维的革新。它证明了地球上的矿物资源可以作为安全、直接的合成砌块，通过现代催化技术实现高值化利用。研究通过深入的机理研究和广泛的应用展示，在基础化学与功能材料应用之间建立了坚实的桥梁。该方法所有原料商业化可得，操作简便，为有机砷化学的未来发展——从新型配体设计、药物开发到先进功能材料构建——开辟了安全、可持续的新路径，是绿色化学与合成美学结合的典范。

原文详情：

Yandong Wang, Chengzhi Ge, Frank Glorius, Zhuangzhi Shi. Mineral-to-molecule arsenic transfer via photoredox catalysis. Nature Chemistry (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41557-026-02064-2