維生素K、輔酶Q等化合物是重要的脂溶性維生素，1943年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予丹麥科學(xué)家達(dá)姆與美國(guó)科學(xué)家多伊西，以表彰兩位科學(xué)家在維生素K的發(fā)現(xiàn)和功能研究上的貢獻(xiàn)。維生素K和輔酶Q都是具有多聚異戊烯基側(cè)鏈的醌類(lèi)化合物（isoprenoid quinones），它們的化學(xué)合成方法自發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直備受關(guān)注，但傳統(tǒng)策略采用較復(fù)雜的多步合成，工藝繁瑣，資源消耗大。上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李智課題組在2017年發(fā)現(xiàn)了醌類(lèi)化合物獨(dú)特的氧化還原鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)制，為醌類(lèi)化合物的合成提供了全新思路，但當(dāng)時(shí)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)醌類(lèi)維生素的合成。

為解決醌類(lèi)維生素的合成問(wèn)題，李智課題組開(kāi)始研究堿性催化條件下、氧化還原鏈?zhǔn)綑C(jī)理的可行性，這一極具探索性的任務(wù)交給了當(dāng)時(shí)大二的2017級(jí)本科生張子寧同學(xué)。他不僅發(fā)現(xiàn)堿性條件可以解決該問(wèn)題，還在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中意外觀(guān)察到了一類(lèi)全新的含有鹵素離子的叔丁醇鈉團(tuán)簇分子晶體(NaOR)₁₂·NaX，也即“X@RONa”，并使用X射線(xiàn)晶體衍射技術(shù)確認(rèn)了其微觀(guān)結(jié)構(gòu)：一個(gè)高度對(duì)稱(chēng)的籠狀團(tuán)簇，氯離子被烷基醇鈉組成的殼層包裹在籠子中心。

圖1. X@RONa的分子結(jié)構(gòu)與晶體衍射圖像

后續(xù)研究表明，X@RONa團(tuán)簇正是催化作用的核心物質(zhì)，其他形態(tài)的醇鈉堿無(wú)法實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)。通過(guò)對(duì)團(tuán)簇進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，維生素K、輔酶Q以及多種其他醌類(lèi)天然產(chǎn)物都可實(shí)現(xiàn)一步法高效合成。進(jìn)一步機(jī)理研究揭示了X@RONa的每個(gè)結(jié)構(gòu)組成部分都在氧化還原鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用：其一，通過(guò)X@RONa的RO醇鹽交換，將氫醌中間體的酚氧基嵌入X@RONa團(tuán)簇從而抑制酚氧基的烷基化副反應(yīng)，該副反應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響主要反應(yīng)的進(jìn)行；其二，通過(guò)X@RONa與固體鹽之間交換X離子的相轉(zhuǎn)移作用，增加固體堿氫化鈉的溶解性，加快反應(yīng)進(jìn)行；其三，通過(guò)X@RONa的Na離子的路易斯酸性，促進(jìn)氫醌中間體與原料醌的氧化還原鏈轉(zhuǎn)移。

圖2. X@RONa催化的氧化還原鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及維生素合成

李智課題組2021屆本科畢業(yè)生張子寧在校期間完成了該論文中的絕大部分實(shí)驗(yàn)工作，畢業(yè)離校后完成了理論工作。2021屆本科畢業(yè)生谷歡潮（現(xiàn)為2021級(jí)物質(zhì)學(xué)院研究生）、2018級(jí)本科生曹敦旭分別提供了部分重要的表征數(shù)據(jù)。三位同學(xué)同心協(xié)力、一路接力完成。近日，成果在線(xiàn)發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）。張子寧為本項(xiàng)研究成果的第一作者，谷歡潮為第二作者，曹敦旭為第三作者，李智教授為通訊作者，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院為唯一完成單位。

文章標(biāo)題：Rapid Access to Isoprenoid Quinones through X@RONa-Catalyzed Redox Chain Reaction

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c10470