通过丙二醇和丙二醇保护作用提高芘-4,5,9,10-四酮的溶解度及其抗降解性能

《Organic Letters》：Enhanced Solubility and Deprotection of Pyrene-4,5,9,10-tetraones through Propylene Glycol and Propanediol Protection

研究新型丙二醇（PrG）、1,3-丙二醇（PD）及2,2-二甲基-1,3-丙二醇（DMPD）作为四酮（PTO）保护剂，显著提升溶解度（PrG达44倍）并简化脱保护条件（PD在20% TFA中60°C下1小时完全脱保护），同时支持手性功能化。

　　本研究聚焦于一种重要的有机合成前体——4,5,9,10-芘四酮（PTO）。作为一种具有高度化学活性的化合物，PTO因其在多种功能材料中的应用而备受关注，例如有机电池、有机发光二极管、有机场效应晶体管和有机太阳能电池等。然而，PTO在合成过程中存在一些显著的挑战，主要包括其对碱性条件的敏感性、对金属离子的易配位性以及在有机溶剂中的溶解性较差。这些特性使得PTO在许多合成路线中难以有效使用，尤其是在涉及聚合反应和构建高度扭曲的芳香大环分子时。

为了解决这些问题，研究团队尝试使用不同的二醇化合物对PTO进行保护。传统上，PTO的保护通常采用乙二醇（EtG）作为保护基团，但这种方法在合成过程中存在一定的局限性。例如，EtG保护的PTO（PTO_EtG）在有机溶剂中的溶解度较低，导致其在后续反应中难以分离和纯化，且去保护过程通常需要高浓度的酸（如90%的三氟乙酸，TFA）才能完成。此外，由于PTO的四个羰基基团在碱性条件下容易发生不可逆分解，因此在实际应用中需要特别小心处理。

为了提升PTO的合成可行性，研究人员提出使用其他二醇化合物进行保护，包括丙二醇（PrG）、丙三醇（PD）及其衍生的2,2-二甲基丙三醇（DMPD）。这些新的保护策略不仅提高了PTO的溶解度，还优化了其去保护条件，使得后续的功能化反应更加高效和便捷。具体而言，PrG保护的PTO（PTO_PrG）表现出显著的溶解度提升，其在二氯甲烷中的溶解度比EtG保护的PTO高出44倍，这使得PTO_PrG在合成过程中具有更高的反应效率和纯化能力。而PD和DMPD保护的PTO则表现出“半保护”的特性，即仅部分保护了PTO的羰基基团，但其保护效果与EtG保护的PTO相当，并且去保护条件更为温和。

在研究中，研究人员首先考察了PrG作为保护基团的应用。通过酸催化下的缩酮反应，成功合成了PTO_PrG，并获得了高达96%的产率。这一产率远高于EtG保护的PTO，表明PrG保护策略在原子经济性方面具有明显优势。同时，PrG的引入不仅提高了PTO的溶解度，还增加了其立体异构性和区域异构性，从而在结构上更加多样化。通过核磁共振（NMR）分析，研究人员发现PTO_PrG的NMR谱图呈现出复杂的信号模式，而PTO_EtG的NMR谱图则相对简单，这表明PrG保护策略引入了更多的异构体，使得分子结构更加丰富。

进一步研究发现，当使用对映纯的（S）-或（R）-PrG作为保护基团时，可以得到具有相同保护效果的几何异构体（PTO_(S)PrG和PTO_(R)PrG）。这些异构体的产率均超过90%，并且其结构具有高度对称性，使得异构体的复杂性大大降低。此外，通过电子圆二色光谱（ECD）分析，研究人员发现PrG保护的PTO异构体在紫外区域表现出强烈的Cotton效应，表明其具有手性特性。这种特性为开发基于PTO的手性光学材料提供了新的可能性。

在功能化反应方面，研究人员发现使用PrG保护的PTO在后续反应中表现出优异的反应性能。例如，通过铱催化的硼化反应，成功引入了硼酸酯基团，使得PTO_PrG能够进一步参与Suzuki–Miyaura偶联反应。这一过程的产率接近定量（98%），并且保护基团在反应过程中保持完整。此外，研究人员还发现，通过PD保护的PTO可以用于构建具有不对称功能化的材料，例如通过格氏试剂的加成反应引入新的官能团，从而拓展了PTO在合成中的应用范围。

为了进一步优化去保护条件，研究人员对不同保护策略下的PTO进行了系统研究。结果显示，PD保护的PTO在去保护过程中表现出最高效的反应条件。仅需在25°C下使用45:45:10（体积比）的TFA/CHCl?/H?O混合溶剂，即可在2小时内完成完全去保护，产率达到90%。相比之下，EtG保护的PTO需要在60°C下加热10小时才能完成去保护，且产率较低。这表明PD保护策略在去保护条件方面具有明显优势，为后续的合成提供了更加温和的反应条件。

研究团队还发现，DMPD保护的PTO在去保护过程中表现出较高的效率，其产率和反应条件与PD保护的PTO相似，但溶解度稍低。这表明，虽然DMPD保护策略在某些方面优于PrG，但在实际应用中仍需权衡其溶解度与去保护效率之间的关系。因此，PD在本研究中被确认为最适合作为PTO保护基团的选择，其在溶解度和去保护条件之间达到了最佳平衡。

总的来说，本研究提出了一种新的保护策略，使用丙二醇、丙三醇及其衍生的2,2-二甲基丙三醇对PTO进行保护。这些新的保护基团不仅显著提高了PTO的溶解度，还优化了其去保护条件，使得后续的功能化反应更加高效和便捷。通过这一策略，研究人员成功开发了多种PTO衍生物，为未来基于PTO的材料合成提供了重要的支持。这些成果有望推动PTO在更多合成和材料应用中的使用，使其在功能材料领域发挥更大的潜力。