维生素K、辅酶Q等化合物是重要的脂溶性维生素，1943年诺贝尔生理学或医学奖授予丹麦科学家达姆与美国科学家多伊西，以表彰两位科学家在维生素K的发现和功能研究上的贡献。维生素K和辅酶Q都是具有多聚异戊烯基侧链的醌类化合物（isoprenoid quinones），它们的化学合成方法自发现以来一直备受关注，但传统策略采用较复杂的多步合成，工艺繁琐，资源消耗大。上海科技大学物质科学与技术学院李智课题组在2017年发现了醌类化合物独特的氧化还原链式反应机制，为醌类化合物的合成提供了全新思路，但当时还无法实现醌类维生素的合成。
为解决醌类维生素的合成问题，李智课题组开始研究碱性催化条件下、氧化还原链式机理的可行性，这一极具探索性的任务交给了当时大二的2017级本科生张子宁同学。他不仅发现碱性条件可以解决该问题，还在实验过程中意外观察到了一类全新的含有卤素离子的叔丁醇钠团簇分子晶体(NaOR)12·NaX，也即“X@RONa”，并使用X射线晶体衍射技术确认了其微观结构：一个高度对称的笼状团簇，氯离子被烷基醇钠组成的壳层包裹在笼子中心。
图1. X@RONa的分子结构与晶体衍射图像
后续研究表明，X@RONa团簇正是催化作用的核心物质，其他形态的醇钠碱无法实现该反应。通过对团簇进行结构设计，维生素K、辅酶Q以及多种其他醌类天然产物都可实现一步法高效合成。进一步机理研究揭示了X@RONa的每个结构组成部分都在氧化还原链式反应中发挥了关键作用：其一，通过X@RONa的RO醇盐交换，将氢醌中间体的酚氧基嵌入X@RONa团簇从而抑制酚氧基的烷基化副反应，该副反应会严重影响主要反应的进行；其二，通过X@RONa与固体盐之间交换X离子的相转移作用，增加固体碱氢化钠的溶解性，加快反应进行；其三，通过X@RONa的Na离子的路易斯酸性，促进氢醌中间体与原料醌的氧化还原链转移。
图2. X@RONa催化的氧化还原链式反应及维生素合成
李智课题组2021届本科毕业生张子宁在校期间完成了该论文中的绝大部分实验工作，毕业离校后完成了理论工作。2021届本科毕业生谷欢潮（现为2021级物质学院研究生）、2018级本科生曹敦旭分别提供了部分重要的表征数据。三位同学同心协力、一路接力完成。近日，成果在线发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）。张子宁为本项研究成果的第一作者，谷欢潮为第二作者，曹敦旭为第三作者，李智教授为通讯作者，上海科技大学物质学院为唯一完成单位。
文章标题：Rapid Access to Isoprenoid Quinones through X@RONa-Catalyzed Redox Chain Reaction
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