JP5164902B2 - 9―アリール−10―ヨードアントラセン誘導体の合成方法及び発光材料の合成方法 - Google Patents

9―アリール−10―ヨードアントラセン誘導体の合成方法及び発光材料の合成方法 Download PDF

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Description

本発明は、9―アリール−10―ヨードアントラセン誘導体の合成方法に関し、特に、9−アリールアントラセンをヨウ素化する方法に関する。
与えられたエネルギーを光に変換することができる物質(発光物質)は、照明や表示、医療や生物の分野まで幅広く用いられている。このような物質は無機化合物だけでなく、有機化合物にも広く存在し、その利用が進められている。
発光物質が発する光の波長は、その物質特有のものであり、例えば、良好な青色の発光を示す骨格としてはアントラセン骨格が代表的である。また、アントラセン骨格はキャリアの輸送性も有することから、有機トランジスタの半導体層や有機EL素子のキャリア輸送層として用いられるものもある。
このように、青色発光も可能であるバンドギャップの広さと、キャリア輸送性からアントラセン骨格を有する物質は非常に有用な物質であることがわかる。
ところで、有機化合物は置換基の種類や場所を適切に設計することによって、必要とする性質を保持したまま、所望の性質を変化させることができる。例えば、アントラセンの9位及び10位にアリール基が置換した9,10−ジアリールアントラセンは青色の発光を呈し、キャリア輸送性を保持したまま物質の安定性や、発光の量子収率、蒸着膜の均質性を向上させることができることから、様々な構造を有する9,10−ジアリールアントラセンが提案されている(例えば特許文献1参照。)
アントラセン骨格にアリール基を導入する方法には、特許文献1にも記載があるようにアリール基を導入したい位置を臭素やヨウ素で置換することでハロゲン化し、その後、アリールボロン酸または、アリール有機ホウ素化合物、またはアリールアミンとカップリングする方法がある。この際、9位と10位に置換する基が異なる非対称型の9,10−ジアリールアントラセンを合成するには、異なる2つの置換基を同時にアントラセンに導入することは困難であり、まず、9−アリールアントラセンを合成してから、10位にもう一方の置換基を導入する方法をとることが多い。
9−アリールアントラセンの10位をハロゲン化する方法としては、非特許文献1に記載のようなザンドマイヤー法と呼ばれる方法が知られている。
国際公開第05/054162号パンフレット
Fredrik Norrsel他2名,"Journal of Organic Chemistry",1993年,Vol.58,No.18,pp.4929−4932
ところで、より複雑な構造の化合物を合成しようとする際、アントラセン骨格にアリール基をカップリングした後、さらに当該導入したアリール基に置換基を導入することを目的としてカップリングを繰り返す場合がある。このような場合、始めにアントラセン骨格とカップリングさせるアリールボロン酸(若しくはアリール有機ホウ素化合物やアリールアミン)には予めハロゲン基を導入しておく方が好ましい。
アントラセン骨格と予めハロゲン基が導入されたアリールボロン酸等とをカップリングさせる際、ハロゲン基が導入されたアリールボロン酸同士のカップリング反応を抑制し、アリールボロン酸等とアントラセン骨格とを選択的にカップリングさせるためには、アントラセン骨格に導入するハロゲン基はヨウ素からなるヨード基とすることが好ましい。これは、カップリング反応を行う際にハロゲン基と反応するアリールボロン酸(若しくはアリール有機ホウ素化合物、やアリールアミン)におけるボロン酸(または有機ホウ素やアミノ基)は、他のハロゲン基(例えばブロモ基やクロロ基)より優先的にヨード基と反応をする可能性が高いためである。
9−アリールアントラセンの10位をヨウ素化する方法としては、上述のザンドマイヤー法や一度臭素化してから臭素とヨウ素とを置換する方法などが知られている。
しかし、非特許文献1に記載のザンドマイヤー法や、一度臭素化する方法は、9−アリールアントラセンのヨウ素化したい部分に一度異なる置換基を導入しなければいけないため反応のステップ数が多く、ステップごとに反応試薬を仕込んだり、回収及び精製操作を繰り返さねばならないことを考えると、煩雑であり非常に効率的ではない。つまり、一回の反応で9−アリールアントラセンから、9−アリール−10−ヨードアントラセンを合成出来れば、2ステップで合成するよりも、収率の向上、時間の短縮、原料費削減が期待出来、工業的なメリットが非常に大きい。また、特許文献1には9−アリールアントラセンの10位をヨウ素化するとの記載はあるものの、ヨウ素化自体の方法については具体的に何の記載もない。
そこで、本発明では、簡便な操作で9−アリール−10−ヨードアントラセンを効率的に合成する方法を提供する事を課題とする。
本発明者は、アミド基の構造を有し、前記アミド基の窒素とヨウ素とが直接結合している構造を有する物質であるヨウ素化剤(言い換えると、アミド結合を有し、前記アミド結合に係わる窒素にヨウ素が直接結合している構造を有するヨウ素化剤)と、酸を同時に用いることによって、9−アリールアントラセンの10位を、迅速且つ高収率に直接ヨウ素化することができることを見いだした。
すなわち、本発明の一例はアミド基の構造を有し、前記アミド基の窒素とヨウ素とが直接結合している構造を有する物質であるヨウ素化剤と、酸と、9−アリールアントラセンを混合することで、9−アリールアントラセンの10位にヨウ素を導入する、9−アリール−10−ヨードアントラセンの合成方法である。
また、本発明の一例はアミド結合を有し、前記アミド結合に係わる窒素にヨウ素が直接結合している構造を有するヨウ素化剤と、酸と、9−アリールアントラセンを混合することで、9−アリールアントラセンの10位にヨウ素を導入する、9−アリール−10−ヨードアントラセンの合成方法である。
以上のような方法を用いると、室温、もしくは多少の熱をかけての撹拌という簡便な操作且つ穏和な条件で9−アリールアントラセンの10位を直接ヨウ素化することができる。1ステップで9−アリールアントラセンから9−アリール−10−ヨードアントラセンを合成することができ、非常に効率的である。
また、本発明の合成方法はさらに溶媒を用いて合成を行っても良い。用いる酸が液体である場合は、酸が溶媒を兼ねる場合もある。
酸はヨウ素化剤(アミド基の構造を有し、前記アミド基の窒素とヨウ素とが直接結合している構造を有する物質、またはアミド結合を有し、前記アミド結合に係わる窒素にヨウ素が直接結合している構造を有する物質)に対して酸として働くものを用い、ルイス酸やブレンステッド酸など、いずれの定義の酸を用いても良いが、ブレンステッド酸であることが好ましい。ブレンステッド酸の目安としては、アレニウス酸性を示すもので、水に溶解させた際、酸性を示す物質が目安となる。具体的には、酢酸、硫酸及びトリフルオロ酢酸等が好ましい。また、ルイス酸を用いる場合、塩化アルミニウム(III)等があげられる。
なお、当該ヨウ素化剤におけるアミド構造(結合)はイミド構造(結合)を構成する一部であっても良く、この場合、当該イミド構造(結合)を構成する窒素にヨウ素が直接結合している物質ということもできる。また、ヨウ素化剤におけるアミド構造はジアシルアミド構造であっても良い。
本発明の合成方法により、9−アリール−10−ヨードアントラセンを効率的に合成することができる。又、9−アリール−10−ヨードアントラセンを原料に用いた、9,10−ジアリールアントラセン誘導体を、簡便でかつ安価に合成することができる。
合成例1で合成した9−ヨード−10−フェニルアントラセンのH NMRチャート。 PCBAPAのトルエン溶液中における吸収スペクトルおよび発光スペクトルを示す図。 PCBAPAの薄膜における吸収スペクトルおよび発光スペクトルを示す図。 PCCPAのトルエン溶液中における吸収スペクトルおよび発光スペクトルを示す図。 PCCPAの薄膜における吸収スペクトルおよび発光スペクトルを示す図。 発光素子の素子構造を表す模式図。 実施例5で作製した発光素子の電流密度―輝度特性を示す図。 実施例5で作製した発光素子の電圧―輝度特性を示す図。 実施例5で作製した発光素子の輝度―電流効率特性を示す図。 実施例5で作成した発光素子の輝度―外部量子効率特性を示す図。 実施例5で作製した発光素子の発光スペクトルを示す図。 実施例5で作製した発光素子の輝度―劣化曲線を示す図。
以下、本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
(実施の形態1)
本発明では、下記スキーム(a)で表されるように、一般式(M1)で表される9−アリールアントラセンとヨウ素化剤及び酸を混合することによって、迅速且つ高効率に一般式(G1)で表される9−アリール−10−ヨードアントラセンを得ることができる。
式中Arは、環を形成する炭素数が6以上13以下のアリール基を表し、具体的には、フェニル基、ナフチル基、ビフェニル基、フルオレニル基等が挙げられる。当該アリール基は置換基を有していても良く、この場合、置換基としては炭素数が1以上4以下のアルキル基、ハロゲン基、ハロアルキル基、炭素数6乃至10のアリール基などが挙げられる。
反応は室温で撹拌するのみで進行し、非常に簡便な操作で効率的に9−アリールアントラセンから9−アリール−10−ヨードアントラセンを合成することが可能となる。なお、多少熱をかける方が好ましい。
また、合成が1ステップで終了するため、目的物質を回収及び精製する操作が1回で済み、効率的に9−アリール−10−ヨードアントラセンを合成することができる。
ヨウ素化剤は、アミド基の構造を有し前記アミド基の窒素とヨウ素とが直接結合している構造を有する物質、またはアミド結合を有し、前記アミド結合に係わる窒素にヨウ素が直接結合している構造を有する物質を用いる。前記ヨウ素化剤は、アミド基の炭素に窒素がさらに結合していても良く、その窒素とヨウ素が直接結合していても良い。また、ヨウ素化剤の当量は、窒素に結合したヨウ素の数で決定される。
ヨウ素化剤は、例えば、下記一般式(1)〜(3)で示される構造の化合物が挙げられる。式中Rは、ヨウ素、アルキル基、アリール基、水素のいずれか一を表す。R、Rはそれぞれ独立にアルキル基、アリール基等のいずれか一を表し、R、Rは互いに直接結合して環構造を形成していても良い。R、Rはそれぞれ独立にアルキル基、アリール基等のいずれか一を表し、R、Rは互いに直接結合して環構造を形成していても良い。R、Rはそれぞれ独立にアルキル基、アリール基等のいずれか一を表し、R、Rは互いに直接結合して環構造を形成していても良い。Rは、ヨウ素、アルキル基、アリール、水素のいずれか一を表す。
又、一般式(1)〜(3)において、アミド基の窒素とヨウ素とが直接結合している構造とは、例えば下記一般式(1)〜(3)において、点線で囲った部分の構造のことを言う。
ヨウ素化剤の具体例としては、例えば、下記構造式(4)で表される1,3−ジヨード−5,5−ジメチルイミダゾリジン−2,4−ジオン(略称:DIH)、下記構造式(5)で表されるN−ヨードコハク酸イミド(略称:NIS)、構造式(6)で表される2,4,6,8−テトラヨード−2,4,6,8−テトラアザビシクロ[3,3,0]オクタン−3,7−ジオン、構造式(7)であらわされる2−ヨード−2,4,6,8−テトラアザビシクロ[3,3,0]オクタン−3,7−ジオン等が挙げられる。もちろん、ヨウ素化剤はこれら4つに限られることはない。
又、これらのヨウ素化剤において、アミド基の構造を有し前記アミド基の窒素とヨウ素とが直接結合している構造とは、構造式(8)〜(11)で示されている構造の、点線で囲った部分のような構造を示している。
ヨウ素化剤の量については特に制限はなく、ヨウ素の数を基準として1当量〜5当量の範囲で用いることが好ましいが、収率の観点から、1当量〜2当量の範囲で用いることが好ましい。
ヨウ素化剤のうち、下記構造式(12)で表されるようなジアシルアミド構造(イミド構造とも言う)を有する化合物が安価であるため好ましい。ジアシルアミド構造(イミド構造)とは、構造式(12)で示されている構造の、点線で囲った部分の構造を示している。なお、式中、Rは、ヨウ素、アルキル基、アリール基、水素のいずれか一を表す。R、Rはそれぞれ独立にアルキル基、アリール基等のいずれか一を表し、R、Rは互いに直接結合して環構造を形成していても良い。R、Rはそれぞれ独立にアルキル基、アリール基等のいずれか一を表し、R、Rは互いに直接結合して環構造を形成していても良い。
酸は上記ヨウ素化剤(アミド基の構造を有し前記アミド基の窒素とヨウ素とが直接結合している構造を有する物質、またはアミド結合を有し、前記アミド結合に係わる窒素にヨウ素が直接結合している構造を有する物質)に対して酸として働くものを用い、ルイス酸やブレンステッド酸など、いずれの定義の酸を用いても良いが、ブレンステッド酸であることが好ましい。ブレンステッド酸の目安としては、アレニウス酸性を示すもので、水に溶解させた際、酸性を示す物質が目安となる。酸としては例えば、ルイス酸として三フッ化ホウ素、塩化アルミニウム(III)等、ブレンステッド酸として酢酸、硫酸、トリフルオロ酢酸等が挙げられる。液体の酸を用いると、当該酸を溶媒としても用いることができるため好ましい構成である。
なお、本実施の形態における合成法において酸を用いずに合成を行った場合、9−アリールアントラセンの10位をヨウ素化するには膨大な時間がかかる上、ごく僅かしか目的物は得られない。また、上記ヨウ素化剤の代わりに、単体のヨウ素を用いても9−アリールアントラセンの10位を直接ヨウ素化することは難しい。すなわち、上記ヨウ素化剤と酸とを同時に9−アリールアントラセンに作用させることによって、初めて迅速且つ簡便に9−アリールアントラセンの10位を直接ヨウ素化することができるようになる。これは、上記ヨウ素化剤のヨウ素と、酸とが反応することによって生成するヨウ素化物質により、ヨウ素化反応が進行するためである。この様な反応が進行するヨウ素化物質の生成例を下記反応式(d)に示す。反応式(d)において生成する化合物(P1)が、上記ヨウ素化剤のヨウ素と、酸とが反応することによって生成するヨウ素化物質の例である。
本実施の形態における合成方法においては、溶媒を用いても良い。この場合、用いる溶媒に特に制限はなく、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、メチル−t−ブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、シクロヘキサン等の飽和炭化水素類、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、1,2−ジクロロエタン、1,1,1−トリクロロエタンなどのハロゲン類、アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類、酢酸エチル、酢酸メチル、酢酸ブチル等のエステル類、酢酸(氷酢酸)、水などを単一又は混合して使用することができる。水を用いる場合は、有機溶媒と混合して用いることが好ましい。
以上のように、本発明を用いると9−アリールアントラセンから簡便な操作で効率的に9−アリール−10−ヨードアントラセンを得ることができる。
また、本実施の形態における合成方法を用いれば、特別な操作を必要とせず、材料を仕込み、室温で撹拌するのみ(もしくは多少加熱)の穏和な条件で目的物が得られる。このため、本実施の形態に記載の合成方法は自動化された大量合成にも非常に適した合成方法であると言える。結果として、安価に9−アリール−10−ヨードアントラセン及びそれを原料とするアントラセン誘導体を得ることができるようになる。
以上のような方法で合成した9−アリール−10−ヨードアントラセンと、アリールボロン酸または、アリール有機ホウ素化合物をカップリングする場合にはパラジウム触媒やニッケル触媒など、アリールアミンをカップリングする場合にはパラジウム触媒や銅触媒などを用いることによって、アントラセンの9位及び10位にアリール基が結合した9,10−ジアリールアントラセンを得ることができる。
なお、さらにカップリングを繰り返すことによって、より複雑な構造を有する9,10−ジアリールアントラセンを合成することもできる。この場合は、9−アリール−10−ヨードアントラセンとカップリングするアリールボロン酸または、アリール有機ホウ素化合物、もしくはアリールアミンに、臭素や塩素などのハロゲン基が予め導入してあるものを用いると良い。
本実施例では、ヨウ素化剤として1,3−ジヨード−5,5−ジメチルイミダゾリジン−2,4−ジオン(略称:DIH)、酸として酢酸を用い、9−フェニルアントラセンから9−ヨード−10−フェニルアントラセンを合成した結果について示す。
≪合成例1:ヨウ素化剤1当量≫
500mg(2.0mmol)の9−フェニルアントラセンを100mLマイヤーフラスコへ入れた。フラスコへ40mLの酢酸を加え、約70℃に加熱して9−フェニルアントラセンを溶かした。この溶液へ、ヨウ素化剤として370mg(1.0mmol)の1,3−ジヨード−5,5−ジメチルイミダゾリジン−2,4−ジオン(略称:DIH)を加えた。この溶液を70℃、空気下で5時間攪拌した。攪拌後、この溶液へ約50mLの水と約50mLのクロロホルムを加えた。この混合物を、水で2回洗浄し、水層をクロロホルムで抽出した。抽出溶液と有機層を合わせて、飽和食塩水で洗浄した後、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥した。この混合物を自然ろ過し、得られたろ液を濃縮したところ、褐色固体を得た。得られた固体を高速液体クロマトグラフィー(HPLC)(移動層:クロロホルム)により精製したところ、黄色固体を405mg、収率54%で得た。合成スキームを(a−1)に示す。
得られた固体のH NMRを測定した。以下に測定データを示す。
H NMR(CDCl,300MHz):δ=7.33−7.42(m、4H)、7.52−7.61(m、7H)、8.56(d、J=9.0Hz、2H)
また、図1(A)、(B)にH−NMRチャートを示す。図1(B)は図1(A)における7.0ppm〜9.0ppmの範囲を拡大して表したチャートである。
≪合成例2:ヨウ素化剤2当量≫
500mg(2.0mmol)の9−フェニルアントラセンを100mLマイヤーフラスコへ入れた。フラスコへ40mLの酢酸を加えて、約70℃に加熱して9−フェニルアントラセンを溶かした。この溶液へ746mg(2.0mmol)の1,3−ジヨード−5,5−ジメチルイミダゾリジン−2,4−ジオン(略称:DIH)を加え、室温空気下で17時間攪拌した。攪拌後、この溶液へ約50mLの水を加えたところ固体が析出した。この固体を吸引ろ過により回収し、得られた固体をトルエンにとかした。この溶液を、アルミナ、セライト(和光純薬工業株式会社、カタログ番号:531−16855)、フロリジール(和光純薬工業株式会社、カタログ番号:540−00135)を通してろ過し、得られたろ液を濃縮したところ、目的物の淡黄色固体を、350mg、収率47%で得た。反応スキームは上記(a−1)と同様である。
≪合成例3:ヨウ素化剤4当量≫
500mg(2.0mmol)の9−フェニルアントラセンを100mLマイヤーフラスコへ入れた。フラスコへ40mLの酢酸を加えて、約70℃に加熱して9−フェニルアントラセンを溶かした。この溶液へ1.5g(3.9mmol)の1,3−ジヨード−5,5−ジメチルイミダゾリジン−2,4−ジオン(略称:DIH)を加えた。この溶液を70℃、空気下で5時間攪拌した。攪拌後、この溶液へ約50mLの水と約50mLのクロロホルムを加えた。この混合物を、水で2回洗浄し、水層をクロロホルムで抽出した。抽出溶液と有機層を合わせて、飽和食塩水で洗浄した後、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥した。この混合物を自然ろ過し、得られたろ液を濃縮したところ、目的物の褐色固体を、218mg、収率37%で得た。反応スキームは上記(a−1)と同様である。
≪合成例4:ヨウ素化剤1.5当量、スケールアップ≫
DIHと酢酸を用いた9−フェニルアントラセンのヨウ素化反応について、反応スケールをアップして行ったので、その結果を示す。
4.5g(18mmol)の9−フェニルアントラセンを500mLマイヤーフラスコへ入れた。フラスコへ200mLの酢酸を加えて、70℃に加熱して9−フェニルアントラセンを溶かした。この溶液へ、5.2g(13mmol)の1,3−ジヨード−5,5−ジメチルイミダゾリジン−2,4−ジオン(DIH)を加えた。この溶液を70℃、空気下で3時間攪拌した。攪拌後、この溶液へ約100mLの水と約200mLのクロロホルムを加えた。この混合物を、水で2回洗浄し、水層をクロロホルムで抽出した。抽出溶液と有機層を合わせて、飽和食塩水で洗浄した後、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥した。この混合物を自然ろ過し、得られたろ液を濃縮したところ、褐色固体を得た。この固体をヘキサンで洗浄したところ、目的物の黄色固体を5.8g、収率86%で得た。反応スキームは上記(a−1)と同様である。
合成例1乃至4の結果を表1にまとめた。
以上のように、本発明の合成方法を用いて、9−フェニルアントラセンから簡便な操作且つ1ステップで効率的に9−ヨード−10−フェニルアントラセンを合成することができた。また、反応スケールをmgスケールから、gスケールへスケールアップすることで、収率の大幅な向上が見られた。これは、反応後の回収及び精製作業に於けるロスが抑えられたためと考えられる。つまり、本発明のヨウ素化反応は、副生成物が抑えられており目的のモノヨード体が主生成物として生成していると考えられ、工業的利用価値が高い反応と言える。更に、合成例4のように、スケールアップしたことにより、86%と非常に高収率で目的物が得られた事から、本発明のヨウ素化法を用いることで、工業的に非常有利に9−アリール−10−ヨードアントラセンまたは、それを原料に用いた有機化合物を合成できる。
本実施例では、ヨウ素化剤としてN−ヨードコハク酸イミド(略称:NIS)、酸として酢酸を用い、9−フェニルアントラセンから9−ヨード−10−フェニルアントラセンを合成した結果について示す。
≪合成例5:ヨウ素化剤1当量≫
500mg(2.0mmol)の9−フェニルアントラセンを100mLマイヤーフラスコへ入れた。フラスコへ40mLの酢酸を加えて、約70℃に加熱して9−フェニルアントラセンを溶かした。この溶液へ450mg(2.0mmol)のN−ヨードコハク酸イミド(NIS)を加えた。この溶液を70℃、空気下で5時間攪拌した。攪拌後、この溶液へ約50mLの水と約50mLのクロロホルムを加えた。この混合物を、水で2回洗浄し、水層をクロロホルムで抽出した。抽出溶液と有機層を合わせて、飽和食塩水で洗浄した後、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥した。この混合物を自然ろ過し、得られたろ液を濃縮したところ、褐色固体を得た。得られた褐色固体を高速液体クロマトグラフィー(HPLC)(移動層:クロロホルム)により精製したところ、目的物の黄色固体を378mg、収率50%で得た。合成スキームを(a−2)に示す。
≪合成例6:ヨウ素化剤2当量≫
500mg(2.0mmol)の9−フェニルアントラセンを100mLマイヤーフラスコへ入れた。フラスコへ40mLの酢酸を加えて、約70℃に加熱して9−フェニルアントラセンを溶かした。この溶液へ900mg(4.0mmol)のN−ヨードコハク酸イミド(NIS)を加え、室温空気下で17時間攪拌した。攪拌後、この溶液へ約50mLの水を加えたところ固体が析出した。この固体を吸引ろ過により回収し、得られた固体をトルエンにとかした。この溶液を、アルミナ、セライト、フロリジールを通してろ過し、得られたろ液を濃縮したところ、目的物の淡黄色固体を、350mg、収率47%で得た。反応スキームは上記(a−2)と同様である。
合成例5及び6の結果を表2にまとめた。
以上のように、本発明の合成方法を用いて、9−アリールアントラセンから簡便な操作且つ1ステップで効率的に9−アリール−10−ヨードアントラセンを合成することができた。
(比較例)
上記合成例1乃至6において、酢酸の代わりに酢酸エチルを用いて同様の反応を室温17時間の条件で行ったが、9−ヨード−10−フェニルアントラセンを合成することはできなかった。また、ヨウ素、オルト過ヨウ素酸、酢酸、無水酢酸の条件により、9−フェニルアントラセンのヨウ素化を試みたが、9−ヨード−10−フェニルアントラセンを得ることはできなかった。
本実施例では、実施例1や実施例2で合成した9−ヨード−10−フェニルアントラセンとハロゲン基を有する芳香族炭化水素をカップリングし、9,10−ジアリールアントラセン誘導体を合成する例を示す。
≪合成例7:4−(10−フェニル−9−アントリル)−4’−(9−フェニル−9H−カルバゾール−3−イル)トリフェニルアミン(略称:PCBAPA)の合成≫
本合成例では、下記構造式(13)で表される4−(10−フェニル−9−アントリル)−4’−(9−フェニル−9H−カルバゾール−3−イル)トリフェニルアミン(略称:PCBAPA)の合成方法について具体的に説明する。
まず、9−フェニル−10−ヨードアントラセンと、ハロゲンである臭素が結合した芳香族炭化水素であるp−ブロモフェニルボロン酸をカップリングして、9−(4−ブロモフェニル)−10−フェニルアントラセンを合成する具体的な方法について説明する。
[ステップ1:9−(4−ブロモフェニル)−10−フェニルアントラセンの合成]
実施例1又は実施例2のように合成した9−ヨード−10−フェニルアントラセンを出発原料として用いた、9−(4−ブロモフェニル)−10−フェニルアントラセンの合成法を示す。1.0g(2.63mmol)の9−ヨード−10−フェニルアントラセンと、542mg(2.70mmol)のp−ブロモフェニルボロン酸と、46mg(0.03mmol)のテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)と、3mLの炭酸カリウム水溶液(2mol/l)と、10mLのトルエンを50mL三口フラスコへ入れた。この混合物を窒素気流下、80℃で9時間撹拌した。攪拌後、この混合物へ約20mLのトルエンを加えてから、フロリジール(和光純薬工業株式会社、カタログ番号:540−00135)、セライト(和光純薬工業株式会社、カタログ番号:531−16855)、アルミナを通して吸引ろ過をした。得られたろ液を水、飽和食塩水で洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。この混合物を自然ろ過し、ろ液を濃縮したところ固体を得た。この固体をクロロホルム/ヘキサンにより再結晶したところ、9−(4−ブロモフェニル)−10−フェニルアントラセンを淡褐色固体として562mg、収率45%で得た。ステップ1の合成スキームを下記(b−1)に示す。
続いて、目的物であるPCBAPAを合成する為に9−(4−ブロモフェニル)−10−フェニルアントラセンとカップリングする、4−(9−フェニル−9H−カルバゾール−3−イル)ジフェニルアミン(略称:PCBA)を合成する方法をステップ2及び3で説明する。
[ステップ2:9−フェニル−9H−カルバゾール−3−ボロン酸の合成]
10g(31mmol)の3−ブロモ−9−フェニル−9H−カルバゾールを500mLの三口フラスコへ入れ、フラスコ内を窒素置換した。150mLのテトラヒドロフラン(THF)をフラスコに加えて、3−ブロモ−9−フェニル−9H−カルバゾールを溶かした。この溶液を−80℃に冷却した。この溶液へ20mL(32mmol)のn−ブチルリチウム(1.58mol/Lヘキサン溶液)を、シリンジにより滴下して加えた。滴下終了後、溶液を同温度で1時間攪拌した。攪拌後、この溶液へ3.8mL(34mmol)のホウ酸トリメチルを加え、室温に戻しながら約15時間攪拌した。攪拌後、この溶液に約150mLの希塩酸(1.0mol/L)を加えて、1時間攪拌した。攪拌後、この混合物の水層を酢酸エチルで抽出し、抽出溶液と有機層を合わせて、飽和炭酸水素ナトリウムで洗浄した。有機層を硫酸マグネシウムにより乾燥し、乾燥後この混合物を自然ろ過した。得られたろ液を濃縮したところ、淡褐色の油状物を得た。この油状物を減圧乾燥したところ、目的物の淡褐色固体を7.5g収率86%で得た。ステップ2の合成スキームを下記(b−2)に示す。
[ステップ3:4−(9−フェニル−9H−カルバゾール−3−イル)ジフェニルアミン(略称:PCBA)の合成]
6.5g(26mmol)の4−ブロモジフェニルアミンと、7.5g(26mmol)の9−フェニル−H−カルバゾール−3−ボロン酸と、400mg(1.3mmol)のトリ(o−トリル)ホスフィンを500mL三口フラスコへ入れ、フラスコ内を窒素置換した。この混合物へ100mLのトルエンと、50mLのエタノールと、14mLの炭酸カリウム水溶液(2mol/L)を加えた。この混合物を、減圧下で攪拌しながら脱気し、脱気後、67mg(30mmol)の酢酸パラジウム(II)を加えた。この混合物を窒素気流下、100℃で10時間還流した。還流後、この混合物の水層をトルエンで抽出し、抽出溶液と有機層を合わせ、飽和食塩水で洗浄した。有機層を硫酸マグネシウムにより乾燥し、乾燥後この混合物を自然ろ過し、得られたろ液を濃縮したところ、淡褐色の油状物を得た。この油状物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒、ヘキサン:トルエン=4:6)により精製した。精製後に得られた白色固体をジクロロメタン/ヘキサンにより再結晶したところ、PCBAの白色固体を4.9g収率45%で得た。ステップ3の合成スキームを下記(b−3)に示す。
最後に、9−(4−ブロモフェニル)−10−フェニルアントラセンとPCBAをカップリングし、PCBAPAを合成する方法について説明する。
[ステップ4:PCBAPAの合成]
ステップ1のように合成した7.8g(12mmol)の9−(4−ブロモフェニル)−10−フェニルアントラセンと、ステップ2−3のように合成した4.8g(12mmol)のPCBAと、5.2g(52mmol)のナトリウム tert−ブトキシドを300mL三口フラスコへ入れ、フラスコ内を窒素置換した。この混合物へ、60mLのトルエンと、0.30mLのトリ(tert−ブチル)ホスフィン(10wt%ヘキサン溶液)を加えた。この混合物を、減圧下で攪拌しながら脱気し、脱気後、136mg(0.24mmol)のビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウム(0)を加えた。この混合物を、100℃で3時間攪拌した。攪拌後、この混合物に約50mLのトルエンを加え、セライト(和光純薬工業株式会社、カタログ番号:531−16855)、アルミナ、フロリジール(和光純薬工業株式会社、カタログ番号:540−00135)を通して吸引ろ過した。得られたろ液を濃縮し、黄色固体を得た。この固体をトルエン/ヘキサンにより再結晶したところ、再結晶し、目的物のPCBAPAの淡黄色固体6.6g収率75%で得た。得られた淡黄色固体3.0gをトレインサブリメーション法により昇華精製した。昇華精製条件は、圧力8.7Pa、アルゴンガスを流量3.0mL/minでながしながら、350℃でPCBAPAを加熱した。昇華精製後、PCBAPAの淡黄色固体を2.7g回収率90%で得た。また、ステップ4の合成スキームを下記(b−4)に示す。
なお、上記ステップ4で得られた固体のH NMRを測定した。以下に測定データを示す。測定結果から、上述の構造式(13)で表される9,10−ジアリールアントラセン誘導体であるPCBAPAが得られたことがわかった。
H NMR(CDCl,300MHz):δ=7.09−7.14(m,1H),7.28−7.72(m、33H)、7.88(d,J=8.4Hz、2H),8.19(d,J=7.2Hz、1H)、8.37(d,J=1.5Hz,1H)
次にPCBAPAの吸収スペクトルを測定した。吸収スペクトルの測定は紫外可視分光光度計((株)日本分光製 V550型)を用い、トルエン溶液を用いて、室温にて測定を行った。また、PCBAPAの発光スペクトルを測定した。発光スペクトルの測定は蛍光光度計((株)浜松ホトニクス製 FS920)を用い、トルエン溶液を用いて、室温にて測定を行った。測定結果を図2に示す。また、PCBAPAを蒸着法にて成膜し、薄膜状態にて同様な測定を行った。測定結果を図3に示す。また、横軸は波長(nm)、縦軸は吸収強度(任意単位)および発光強度(任意単位)を表す。
図2および図3より、PCBAPAからの発光は、トルエン溶液中において459nmにピークを有し、薄膜状態において473nmにピークを有することがわかる。このように、PCBAPAは、色純度の高い青色発光を示す優れた発光材料であることがわかる。
このように、本発明の合成方法を用いて、アントラセン骨格を有する様々な発光材料を簡便に効率良く合成することができる。
本実施例では、実施例1や実施例2で合成した9−ヨード−10−フェニルアントラセンとハロゲン基を有する芳香族炭化水素をカップリングし、9,10−ジアリールアントラセン誘導体を合成する例を示す。
≪合成例8:9−フェニル−9’−[4−(10−フェニル−9−アントリル)フェニル]−3,3’−ビ(9H−カルバゾール)(略称:PCCPA)の合成≫
本合成例では、下記構造式(14)で表される9−フェニル−9’−[4−(10−フェニル−9−アントリル)フェニル]−3,3’−ビ(9H−カルバゾール)(略称:PCCPA)の合成方法について具体的に説明する。
まず、目的物であるPCCPAを合成する為に9−(4−ブロモフェニル)−10−フェニルアントラセンとカップリングする、9−フェニル−3,3’−ビ(9H−カルバゾール)(略称:PCC)を合成する方法をステップ1で説明する。
[ステップ1:9−フェニル−3,3’−ビ(9H−カルバゾール)(略称:PCC)の合成]
2.5g(10mmol)の3−ブロモカルバゾールと、2.9g(10mmol)のN−フェニルカルバゾール−3−ボロン酸と、152mg(0.50mmol)のトリ(オルト−トリル)ホスフィンを200mL三口フラスコへ入れた。フラスコ内を窒素で置換し、この混合物へ50mLのジメトキシエタノール(DME)と、10mLの炭酸カリウム水溶液(2mol/L)を加えた。この混合物を減圧しながら攪拌することで脱気し、脱気後、50mg(0.2mmol)の酢酸パラジウム(II)を加えた。この混合物を、窒素気流下、80℃で3時間攪拌した。攪拌後、この混合物に約50mLのトルエンを加え、30分ほど攪拌し、この混合物を水、飽和食塩水の順で洗浄した。洗浄後、有機層を硫酸マグネシウムにより乾燥した。この混合物を自然ろ過し、得られたろ液を濃縮したところ油状物を得た。得られた油状物をトルエンに溶かし、この溶液をフロリジール(和光純薬工業株式会社、カタログ番号:540−00135)、アルミナ、セライト(和光純薬工業株式会社、カタログ番号:531−16855)を通してろ過し、得られたろ液を濃縮したところ、目的物の白色固体を、3.3g収率80%で得た。ステップ1の合成スキームを下記(c−1)に示す。
次に、9−(4−ブロモフェニル)−10−フェニルアントラセンとPCCをカップリングし、PCCPAを合成する方法について説明する。
[ステップ2:PCCPAの合成]
1.2g(3.0mmol)の実施例3、合成例7のステップ1のように合成した9−(4−ブロモフェニル)−10−フェニルアントラセンと、1.2g(3.0mmol)のPCCと、1.0g(10mmol)のナトリウム tert−ブトキシドを100mL三口フラスコへ入れた。フラスコ内を窒素にて置換し、この混合物へ20mLのトルエンと、0.1mLのトリ(tert−ブチル)ホスフィン(10wt%ヘキサン溶液)を加えた。この混合物を減圧しながら攪拌することで脱気をした。脱気後、この混合物へ、96mg(0.17mmol)のビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウム(0)を加えた。この混合物を窒素気流下、110℃で8時間還流した。還流後、この混合物に約50mLのトルエンを加え、30分ほど攪拌し、この混合物を水、飽和食塩水の順で洗浄した。洗浄後、有機層を硫酸マグネシウムにより乾燥した。この混合物を自然ろ過し、得られたろ液を濃縮したところ、油状物を得た。得られた油状物を、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒ヘキサン:トルエン=1:1)により精製した。得られた淡黄色個体をクロロホルム/ヘキサンにより再結晶すると、目的物であるPCCPAの淡黄色粉末状固体を1.2g収率54%で得た。得られた淡黄色粉末状固体2.4gをトレインサブリメーション法により昇華精製した。昇華精製条件は、圧力8.7Pa、アルゴンガスを流量3.0mL/minで流しながら、350℃でPCCPAを加熱した。昇華精製後、PCCPAの淡黄色固体を2.2g回収率94%で得た。また、ステップ2の合成スキームを下記(c−2)に示す。
なお、上記ステップ2で得られた固体のH NMRを測定した。以下に測定データを示す。測定結果から、上述の構造式(14)で表される9,10−ジアリールアントラセン誘導体であるPCCPAが得られたことがわかった。
H NMR(CDCl,300MHz):δ=7.34−7.91(m,32H),8.27(d,J=7.2Hz、1H),8.31(d,J=7.5Hz、1H)、8.52(dd,J=1.5Hz,J=5.4Hz、2H)
次にPCCPAの吸収スペクトルを測定した。吸収スペクトルの測定は紫外可視分光光度計((株)日本分光製 V550型)を用い、トルエン溶液を用いて、室温にて測定を行った。また、PCCPAの発光スペクトルを測定した。発光スペクトルの測定は蛍光光度計((株)浜松ホトニクス製 FS920)を用い、トルエン溶液を用いて、室温にて測定を行った。測定結果を図4に示す。また、PCCPAを蒸着法にて成膜し、薄膜状態にて同様な測定を行った。測定結果を図5に示す。また、横軸は波長、縦軸はモル吸光係数および発光強度を表す。
図4および図5より、PCCPAからの発光は、薄膜状態において454nmにピークを有し、トルエン溶液中において436nmにピークを有することがわかる。このように、PCCPAは、特に青色系の発光を呈する発光物質にも適することがわかる。
また、CV測定により、PCCAPAの酸化還元反応特性を測定した。CV測定は、電気化学アナライザー(ビー・エー・エス(株)製 ALS600a)を用いた。また、溶媒にジメチルホルムアミド(DMF)、支持電解質に過塩素酸テトラ‐n‐ブチルアンモニウム(n‐BuNClO)を用い10mmol/Lとなるように調整した。さらに、電解質溶液にPCCPAを1mmol/Lとなるように調整した。また、作用電極に白金電極(ビー・エー・エス(株)製 PTE白金電極)、補助電極に白金電極(ビー・エー・エス(株)製 VC−3用Ptカウンター電極)、参照電極にAg/Ag電極(ビー・エー・エス(株)製 RE5非水溶媒系参照電極)を用いた。なお、CV走査速度は、0.1V/sとし、100サイクル測定を行った。この結果より、PCCPAの酸化電位は0.47V(vs.Ag/Ag電極)であった。また、PCCPAの還元電位は−2.19V(vs.Ag/Ag電極)であった。また、100サイクル走査後の結果からも、CV曲線に酸化還元反応のピークが明確に観測され、これより、本実施例で合成した9,10−ジアリールアントラセン誘導体であるPCCPAは酸化還元反応に対して優れた可逆性を示す安定した物質であることがわかった。
このように、本発明の合成方法を用いて、アントラセン骨格を有する様々な発光材料を簡便に効率良く合成することができる。
本実施例では、9−アリール−10−ヨードアントラセンを原料として合成した発光材料(本実施例ではPCBAPA)を用いて作製した発光素子について、図6を用いて説明する。本実施例で用いた材料の化学式を以下に示す。
(発光素子の作製)
まず、ガラス基板1100上に、酸化珪素を含むインジウムスズ酸化物をスパッタリング法にて成膜し、第1の電極1101を形成した。なお、その膜厚は110nmとし、電極面積は2mm×2mmとした。
次に、第1の電極が形成された面が下方となるように、第1の電極が形成された基板を真空蒸着装置内に設けられた基板ホルダーに固定し、10−4Pa程度まで減圧した後、第1の電極1101上に、NPBと酸化モリブデン(VI)と共蒸着することにより、有機化合物と無機化合物とを複合してなる複合材料からなる正孔注入層1102を形成した。その膜厚は50nmとし、NPBと酸化モリブデンの比率は、重量比で4:1(=NPB:酸化モリブデン)となるように調節した。なお、共蒸着法とは、一つの処理室内で複数の蒸発源から同時に蒸着を行う蒸着法である。
次に、抵抗加熱を用いた蒸着法により、正孔注入層1102上にNPBを10nmの膜厚となるように成膜し、正孔輸送層1103を形成した。
さらに、9−[4−(10−フェニル−9−アントリル)フェニル]−9H−カルバゾール(略称:CzPA)とPCBAPAとを共蒸着することにより正孔輸送層1103上に30nmの膜厚の発光層1104を形成した。ここで、CzPAとPCBAPAとの重量比は、1:0.10(=CzPA:PCBAPA)となるように調節した。
その後抵抗加熱による蒸着法を用いて、発光層1104上にトリス(8−キノリノラト)アルミニウム(略称:Alq)を10nmの膜厚となるように成膜し、電子輸送層1105を形成した。
さらに、電子輸送層1105上に、トリス(8−キノリノラト)アルミニウム(略称:Alq)とリチウムを共蒸着することにより、20nmの膜厚で電子注入層1106を形成した。ここで、Alqとリチウムの重量比は、1:0.01(=Alq:リチウム)となるように調節した。
最後に、抵抗加熱による蒸着法を用い、電子注入層1106上にアルミニウムを200nmの膜厚となるように成膜することにより、第2の電極1107を形成することで、発光素子を作製した。
(発光素子の特性)
発光素子の電流密度―輝度特性を図7に示す。また、電圧―輝度特性を図8に示す。また、輝度―電流効率特性を図9に示す。また、輝度―外部量子効率特性を図10に示す。また、1mAの電流を流した時の発光スペクトルを図11に示す。図11から、発光素子の発光は、PCBAPAの発光であることがわかる。820cd/mの輝度のときの発光素子のCIE色度座標は(x,y)=(0.16,0.19)であり、色純度の高い青色発光が得られた。また、図10から分かるように、発光素子の820cd/mにおける外部量子効率は2.9%であり、高い外部量子効率を示すことがわかる。よって、発光素子の発光効率は高い。また、図9から、発光素子の820cd/mにおける電流効率は4.2cd/Aであり、高い視感効率を有することがわかる。また、図8から、820cd/mにおける駆動電圧は5.2Vであり、ある一定の輝度を得るための電圧が低く消費電力が小さいことがわかる。
なお、初期輝度を1000cd/mに設定し、電流密度一定の条件で本実施例の発光素子を駆動したところ、図12のような輝度劣化曲線が得られた。図12において、横軸は時間、縦軸は初期輝度を100とした場合の相対輝度である。本実施例で作製した発光素子の輝度は380時間駆動後、初期輝度の81%を保っていた。
1100 ガラス基板
1101 第1の電極
1102 正孔注入層
1103 正孔輸送層
1104 発光層
1105 電子輸送層
1106 電子注入層
1107 第2の電極

Claims (4)

  1. 下記式(1)〜(3)のいずれか一で表されるヨウ素化剤と、ブレンステッド酸と、9−アリールアントラセンとを混合することで、9−アリールアントラセンの10位にヨウ素を導入する9−アリール−10−ヨードアントラセンの合成方法。

    (式中、R は、ヨウ素、アルキル基、アリール基、または水素のいずれか一を表す。R 、R はそれぞれ独立に、アルキル基、又はアリール基のいずれか一を表し、R 、R は互いに直接結合して環構造を形成していてもよい。R 、R はそれぞれ独立に、アルキル基、又はアリール基のいずれか一を表し、R 、R は互いに直接結合して環構造を形成していてもよい。R 、R はそれぞれ独立に、アルキル基、又はアリール基のいずれか一を表し、R 、R は互いに直接結合して環構造を形成していてもよい。R は、ヨウ素、アルキル基、アリール基、又は水素のいずれか一を表す。)
  2. ヨウ素化剤と、ブレンステッド酸と、9−アリールアントラセンとを混合することで、9−アリールアントラセンの10位にヨウ素を導入する9−アリール−10−ヨードアントラセンの合成方法であって、
    前記ヨウ素化剤は、1,3−ジヨード−5,5−ジメチルイミダゾリジン−2,4−ジオン、N−ヨードコハク酸イミド、2,4,6,8−テトラヨード−2,4,6,8−テトラアザビシクロ[3,3,0]オクタン−3,7−ジオン、または2−ヨード−2,4,6,8−テトラアザビシクロ[3,3,0]オクタン−3,7−ジオンである9−アリール−10−ヨードアントラセンの合成方法。
  3. 請求項1または2において、前記ブレンステッド酸は酢酸、硫酸及びトリフルオロ酢酸のいずれかである9−アリール−10−ヨードアントラセンの合成方法。
  4. 請求項1乃至のいずれか一において、前記9−アリールアントラセンが9−フェニルアントラセンである9−アリール−10−ヨードアントラセンの合成方法。
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