DE3408028A1 - Verwendung von substituierten und unsubstituierten ringueberbrueckten para-oligophenylenen als uv-laserfarbstoffe - Google Patents
Verwendung von substituierten und unsubstituierten ringueberbrueckten para-oligophenylenen als uv-laserfarbstoffeInfo
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Description
Kernforschungszentrum Karlsruhe, 27.02.1984 Karlsruhe GmbH PLA 8410 Gl/hr
ANR 1 002 597
Verwendung von substituierten und unsubstituierten ringüberbrückten Para-Oligophenylenen
als UV-Laserfarbstoffe.
Verwendung von substituierten und unsubstituierten ringüberbrückten
Para-Oligophenylenen als UV-Laserfarbstoffe.
Die Erfindung betrifft die Verwendung von substituierten und unsubstituierten ringüberbrückten p-Oligophenylenen
mit mindestens 3 und maximal 8 Phenyüengruppen.
Organische fluoreszenzfähige Farbstoffmoleküle sind oft in geeigneten Lösungsmitteln durch optische Anregung zur
stimulierten kohärenten Emission fähig und so meist als Laserfarbstoffe verwendbar. Eine Übersicht der organischen
Laserfarbstoffe wird ausführlich in F.P. Schäfer: "Dye Lasers", Topics in Applied Physics, Band 1, Herausgeber
F.P. Schäfer, Springer-Verlag (Berlin-Heidelberg New York), 1977 beschrieben.
Die optische Anregung erfolgt mit Hilfe von Lichtquellen, wie Gaslasern ("Pumplaser"), beispielweise Stickstoff-Argon-
oder Krypton-Ionenlasern oder Excimer-Lasern. Dabei werden die gelösten organischen Moleküle des Laserfarbstoffes
aus dem Grundzustand in einen elektronisch angeregten Zustand gebracht, übertrifft die Zahl der im
elektronisch angeregten Zustand befindlichen Laserfarbstoff-Moleküle die der im Grundzustand befindlichen (Besetzungsinversion)
, so kann eine stimulierte Emission von
kohärentem Licht erfolgen. Diese stimulierte Emission erfolgt in einem sog. optischen Resonator, wo in einer
Quarzzelle die Lösung des Laserfarbstoffes in einem geschlossenen Kreislauf umgepumpt wird. Dadurch wird eine
lokale Überhitzung vermieden, die zur optischen Inhomogenität (Schlierenbildung) führen würde. Die geschlossene Einheit
des optischen Systems mit Spiegeln, Prismen, Reflexionsgitter und Farbstoff-Kreislauf nennt man Farbstofflaser.
Aus ihm kann innerhalb des Bereiches der Fluo-
reszenzemission des Laserfarbstoffes jede gewünschte Wellenlänge
ausgekoppelt werden.
Der große Vorteil der Farbstofflaser gegenüber den Gaslasern besteht darin, daß über einen großen Bereich des
Fluoreszenzspektrums des organischen Farbstoffs abgestimmte
Wellenlängen für vielfältige Anwendungen selektiert
werden können. Anwendungsgebiete dieser frequenzveränderlichen Laser sind u.a. die chemische Analytik,
hochauflösende Spektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Photoionisations-rSpektroskopie, Isotopentrennung etc.
Die bekannten Laserfarbstoffe decken heute den Bereich vom nahen Ultraviolett (ca. 320 nm) bis ins nahe Infrarot
(ca. 1000 nm) ab. Im UV-Bereich, besonders im Bereich unter 450 nm gibt es nur wenige photostabile Laserfarbstoffe.
Da die vom Pumplaser im UV-Bereich eingestrahlten Energien in dem Bereich der Bindungsenergien organischer Moleküle
liegen, konkurriert die stimulierte Emission mit dem photochemischen Abbau (bzw. der Zersetzung) des Laserfarbstoffes.
Wegen der sehr hohen Anregungsdichte des Pumplasers muß die Quantenausbeute für die photochemische
Zersetzung des Laserfarbstoffes unter 10 liegen. Die Photostabilität des Laserfarbstoffes ist besonders bei
Langzeituntersuchungen von Bedeutung. So sind Verbindungen aus der Klasse der Cumarine zwar hervorragende, im
Blauen emittierende Laserfarbstoffe, die jedoch nur geringe Photostabilität aufweisen £b.H. Winters, H.I. Mandelberg
und W.B. Bohr, Appl. Phys. Letters 2jj, 723 (1974)J . Ähnliche
Verhältnisse liegen bei den geschützten Bisstyrylbiphenyl-Verbindungen (DE-PS 27 00 292) und bei manchen
auch als organische Szintillatoren verwendeten Laserfarbstoffen aus der Oxazol- und Oxadiazol-Reihe £ V.S. Antonov
und K.L. Hohla, Appl. Phys. B.32^, 9 (1983)] vor.
Bei Versuchen, eine kürzer welligere Laseremission als 323 nm zu erhalten, die in einer 1 χ 10 molaren Para~
Terphenyl-Lösung in Cyclohexan erreicht wurde, wurden substituierte Para-Terphenyle gefunden (DE-OS 30 07 234).
Die in Tabelle 2 dieser Druckschrift erwähnten substituierten p-Terphenyle weisen als Laserfarbstoffe
Abstimmbereiche (Δλ ) auf, die zwischen 311,2 und
360,5 nm liegen. p-Terphenyl selbst besitzt einen Abstimmbereich zwischen 321,8 und 365,5 nm.
Fluoreszenzfarbstoffe, die sich von p-Quaterphenyl ableiten
lassen und 2 bis 4 Sulfonsäureestersubstxtuenten und weitere Substituenten tragen können, wie z.B. das in
Kurzform genannte "Polyphenyl 1"
und deren Verwendung als Laserfarbstoffe sind aus der
DE-OS 29 38 132 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Pumplaser anregbare Laser farbstoff e zu finden, welche im
nahen Ultraviolett-Bereich, insbesondere im Bereich unter 450 nm, zur stimulierten kohärenten Emission fähig sind
und dabei eine verbesserte Photostabilität besitzen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung von substituierten und unsubstituierten ringüberbrückten
p-Oligophenylenen mit mindestens 3 und maximal 8 Phenylengruppen,
bei welchen
a) die Anzahl der Überbrückungen
eine Zahl von.!.bis 7 ist, jedoch jeweils nur
eine überbrückung zwischen zwei benachbarten Phenylengruppen besteht,
b) jede Überbrückung in 0,0 -cis-Stellung bei zwei benachbarten
Phenylengruppen eingreift,
c) die überbrückungen X. gleiche und/oder verschiedene
Species aus der Gruppe
ti
1 I \Z / ν /
C CH C H-C CH HC CH
0 N
darstellen, wobei R1 Alkylreste mit 1 bis 8
C-Atomen, R- jeweils gleiche Alkylreste aus der Gruppe CH3, C-H5, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl
und iso-Butyl bedeuten, und
d) die Phenylenringe mit Ausnahme der überbrückungen unsubstituiert
sind oder ein oder mehrere Phenylenringe im Molekül, unabhängig davon, ob sie überbrückt sind
oder nicht, pro Phenylenring einen oder 2 gleiche Reste R_, in verschiedenen Phenylenringen gleiche oder verschiedene
Reste R3 tragen, wobei R3 Alkylgruppen mit
1 bis 5 C-Atomen oder CF3 oder Alkoxygruppen mit 1 bis
&■
8 C-Atomen oder sich von Guerbet-Alkoholen (2-C~n~C2 +4
Alkoholen mit η = einer ganzen Zahl ^ 1) ableitende Alkoxygruppen oder Alkoxygruppen mit einer Oxalkyl-Seitenkette
mit 2 bis 5 C-Atomen bedeuten,
als UV-Laserfarbstoffe mit verbesserten Eigenschaften.
Die erfindungsgemäß verwendbaren ringüberbrückten p-Oligophenylene sind aromatische Verbindungen mit Oligophenylen-Grundstruktur,
bestehend aus mindestens 3 paraverknüpften aromatischen Ringen mit der Maßgabe, daß
mindestens eine der Biarylbindungen pro Molekül nur einmal überbrückt ist und daß maximal alle Biarylbindungen je
einmal überbrückt sind.
Zum Beispiel:
Als Guerbet-Alkohole werden solche Alkohole bezeichnet, die wie die Species 2-Äthyl-hexyl-Alkohol, 2-Butyl-octyl-Alkohol,
2-Hexyl-decyl-Alkohol und 2-Octyl-dodecyl-Alkohol
unter der Abkürzung 2-C2n-C2n+4-Alkohole zusammgengefaßt
werden können, wobei C2n+. die Hauptkette, C„ die Seitenkette
in 2-Stellung bedeutet.
Alle Ringe können noch zusätzliche Substituenten tragen, vorzugsweise Alkyl- und Alkoxy-Gruppen; zur Steigerung
der Löslichkeit am vorteilhaftesten jedoch langkettenverzweigte Alkyl- oder Alkoxy-Gruppen. Die Anzahl der
Substituenten pro aromatischem Grundbaustein (Benzolring) beträgt 1, maximal 2. Diese Substituenten haben
nur einen geringen Einfluß auf die laserspektroskopischen Eigenschaften wie Durchstimmbereich, Wirkungsgrad und
Photostabilität und dienen in erster Linie zur Erhöhung der Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln.
Die Anordnung der Substituenten ist vorzugsweise so, daß das Konjugationssystem des Moleküls am wenigsten
gestört ist.
Typische Vertreter mit p-Terphenylstruktur:
O-2-Äthylhexyl
Typische Vertreter mit p-Quaterphenylstruktur:
•"■Butyl-O
O- X Butyl
Die Synthese dieser ringüberbrückten p-Oligophenylene
ist in der Literatur beschrieben. Die Ringüberbrückung in den p-Oligophenylenen mit einer
CH2-Gruppe führt zu einem Fluorenderivat. Ringüberbrückung
mit der CH2-CH2-Gruppe läßt ein 9,10-Dihydrophenanthren-derivat
entstehen. Dementsprechend erhält man Dibenzofurane durch eine Sauerstoffbrücke und Carbazole
durch eine NH-überbrückung.
Folgende photophysikalischen und laserspektroskopischen Eigenschaften wurden gemessen:
- Fluoreszenzquantenausbeute, Qp,
- Fluoreszenzabklingzeit, T ,
- Abstimmbereich, Δ λ,
- Wirkungsgrad,^ ,
- Photostabilität, E /2.
In einer Apparatur mit Excimerlaser 1 und Farbstofflaser
2 (gemäß Figur 1) werden der Abstimmbereich, Wirkungsgrad und die Photostabilität in der
Oszillatorstufe 5 des Farbstofflasers gemessen. Das Durchstimmen der Wellenlängen im Farbstofflaser erfolgt
mittel eines Reflexionsgitters 8(gemäß Figur 2). Der
zweite Teil des Resonators besteht aus einem Linsensystem 9, über das die Laserstrahlung ausgekoppelt
wird. Aus dem Verhältnis der mit Joulemetern 3 und 4 (Pyroelektrische Detektoren) gemessenen Energie des
Pump- und Farbstofflaser ergibt sich der Wirkungsgrad.Bei
- 10 -
allen Messungen wird die Konzentration des Laserfarbstoffes bei der Pumpwellenlänge des Excimerlasers 1 von
308 nm so eingestellt, daß in der Durchflußküvette '7 bei
einer Schichtdicke von 0.15 cm 99.9 % des Anregungslichtes absorbiert wird. Die Pumpenergie von max. 20 mJ
2 pro Puls wird mit einer max. Energiedichte von 0.4j/cm
in die Farbstofflösung fokusiert, die Pulsfrequenz beträgt 10 Hz.
Der Wirkungsgrad wird durch Messen der Farbstofflaserenergie als Funktion der gesamten in der Farbstofflösung
absorbierten Pumpenergie bestimmt, wobei die Halbwertenergie E /2 die Farbstofflaserenergie ist, bei der die
Farbstofflaserenergie auf die Hälfte ihres Anfangswertes abgesunken ist. Sie wird unter Berücksichtigung
der angewendeten Photonenenergie und der jeweiligen Farbstoffkonzentration als molekülabhängige Größe in
Photonen pro Molekül angegeben. Diese wird als Maß für die photochemische'Stabilität des Laserfarbstoffes angegeben.
Die photophysikalischen und laserspektroskopischen Eigenschaften einer Reihe der hier beschriebenen ringüberbrückten
p-Oligophenylene sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Zum Vergleich sind die Photostabilitäts-Daten etc,
der kommerziell erhältlichen Laserfarbstoffe "Stilben 3"
und '-'Polyphenyl 1" mit aufgeführt.
"Stilben 3"
-CH = CH
SO3Na
Die Erfindung ist nicht .auf die Verwendung der in Tabelle
1 beispielhaft zusammengestellten p-Oligophenylene beschränkt.
- 11 -
Tabelle 1 Photophysikalische und laserspektroskopische Eigenschaften ringüberbrückter
p-Oligophenylene in Dioxan
Substanz
- = CH-,
- = CH-,
TF [>secj
Abstimmbereich δ Qnm]
Wirkungsgrad "*} C3
Photostabilität
für E°/2
LPhotonen/Moleküli
0.68
0.59
0.74
<o\-(o\-(o\-lo
oy<oy<oyjo) 0-73
OMOMOMO) 0.75
0.78
1 .00
1 .00
0.85
0.86
0.82
0.90
1 .65
370 - 382
376 - 385
363 - 377
365 - 377
369 - 380
375 - 381
2.5 2.5 10.6
370 - 382 13.6
9.9 9.2 2.9
2450
4609
2080
316
8770
4100
912
O OO CD
Fortsetzung von Tabelle 1;
Substanz
tnsecj
Abstimmbereich
Wirkungs
grad η
grad η
Photostabilität
für E /2 [Photonen/Molekül]
"Stilben 3"
0.76
0.82
416 - 439
10.5
85
"Polyphenyl 1"
366 - 400
5.8
x)
105
x)
x) in Diethylenglycol gemessen, da nicht löslich in Cyclohexan
Claims (1)
- Kernforschungszentrum Karlsruhe, 27.02.1984 Karlsruhe GmbH PLA 8410'Gl/hrANR 1 002 597 Patentanspruch;Verwendung von substituierten und unsubstituierten ringüberbrückten p-Oligophenylenen mit mindestens 3 und maximal 8 Phenylengruppen, bei welchena) die Anzahl der Überbrückungeneine Zahl von'M -bis 7 ist, jedoch jeweils nur eine überbrückung zwischen zwei benachbarten Phenylengruppen besteht,b) jede Überbrückung in o,o -cis-Stellung bei zwei benachbarten Phenylengruppen eingreift,c) die überbrückungen .X. gleiche und/oder verschiedene Species aus der GruppeH„ R1 R- R9 R0 R0 C CH C H0C CH HC CH0 Ndarstellen, wobei R.. Alkylreste mit 1 bis 8 C-Atomen, R_ jeweils gleiche Alkylreste aus der— 2 —Gruppe CH3, C2H5, n-Propylf iso-Propyl, n-Butyl und iso-Butyl bedeuten, undd) die Phenylenringe mit Ausnahme der überbrückungen unsubstituiert sind oder ein oder mehrere Phenylenringe im Molekül, unabhängig davon, ob sie überbrückt sind oder nicht, pro Phenylenring einen oder 2 gleiche Reste R3, in verschiedenen Phenylenringen gleiche oder verschiedene Reste R-, tragen, wobei R-. Alkylgruppen mit 1 bis 5 C-Atomen oder CF-. oder Alkoxygruppen mit 1 bis 8 C-Atomen oder sich von Guerbet-Alkoholen (2-Co -C-, , . -Zn zn+4Alkoholen mit η = einer ganzen Zahl ^s 1) ableitende Alkoxygruppen oder Alkoxygruppen mit einer Oxalkyl-Seitenkette init 2 bis 5 C-Atomen bedeuten,als UV-Laserfarbstoffe mit verbesserten Eigenschaften.
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GB2156374A (en) | 1985-10-09 |
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