JP5773377B2 - カルバゾールで端部キャップされているビピリジン化合物及びそれらの調製のための方法 - Google Patents

カルバゾールで端部キャップされているビピリジン化合物及びそれらの調製のための方法 Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
[発明の分野]
本発明は、固体照明、対アニオンの選別、及び二光子生体撮像に有用な一般式Aの、カルバゾールで端部キャップされているビピリジン化合物及びそれらのZn錯体に関する。
Figure 0005773377
本発明はまた、一般式Aの調製のための方法を提供する。
[発明の背景]
改善された特性を有する同調可能な有機フルオロフォアの開発のための探求は、重要である。魅力的で効率的な発光の特徴を有するフルオロフォアは、生物科学における用途、有機発光ダイオード(OLED)などの材料科学用途、及びセンシング用途に望ましい。a)E.M.Nolan、S.J.Lippard、Chem.Rev.2008、108巻、3443ページ、b)Applied Fluorescence in Chemistry,Biology,and Medicine(W.Retting、B.Strehmel、S.Schrader、H.Seifert編)、Springer、New York、1999、c)A.C.Grimsdale、K.L.Chan、R.E.Martin、P.G.Jokisz、A.B.Holmes、Chem.Rev.2009、109巻、897ページ、d)S.M.Kelly、Flat Panel Displays:Advanced Organic Materials(J.A.Connor編)、The Royal Society of Chemistry、Cambridge、2000、e)S.Park、J.E.Kwon、S.H.Kim、J.Seo、K.Chung、S.−Y.Park、D.−J.Jang、B.M.Medina、J.Gierschner、S.Y.Park、J.Am.Chem.Soc.2009、131巻、14043ページ、f)Y.Yamaguchi、Y.Matsubara、T.Ochi、T.Wakamiya、Z.−I.Yoshida、J.Am.Chem.Soc.2008、130巻、113867ページ、g)Z.M.Hudson、S.Wang、Acc.Che.Res.2009、42巻、1584ページ、g)H.S.Joshi、R.Jamshidi、Y.Tor、Angew.Chem.Int.Ed.1999、38巻、2722ページを参照してもよい。
かかる材料を設計し製作するのに決定的な要素は、材料の発光波長の制御である。青色、緑色、及び赤色の発光材料が、フルカラーディスプレイのために必要とされる。有機分子にとって、これは、より強い供与体又は受容体部分での置換を含む、π共役又は置換基を化学的に改変することによって、しばしば達成される。これは、分子のHOMO−LUMOギャップを有効に調整することになる。有機材料が発した色を制御するための代替の取り組みは、蛍光発色団をポリマー骨格に付加すること、又は不活性なポリマーマトリックス中へかかる染料をブレンドすることである。a)Y.Yamaguchi、T.Tanaka、S.Kobayashi、T.Wakamiya、Y.Matsubara、Z.−I.Yoshida、J.Am.Chem.Soc.2005、127巻、9332ページ、b)R.Abbel、C.Grenier、M.J.Pounderoijen、J.W.Stouwdam、P.E.L.G.Leclere、R.P.Sijbesma、E.W.Meijer、A.P.H.J.Schenning、J.Am.Chem.Soc.2009、131巻、833ページ、c)G.Kwak、H.Kim、I.−K.Kang、S.−H.Kim、Macromolecules、2009、42巻、1733ページを参照してもよい。
発光デバイスは、ディスプレイ(例えば、フラットパネルディスプレイ)、コンピューターの画面などの画面、及び照明を必要とするその他の物品中で使用できる。発光デバイスの輝度は、発光デバイスの重要な特色である。LEDを含む固体発光デバイスは、その低い製作コスト及び長期の耐久性から、極めて有用である。Rubnerら、米国特許第6548836号、Baretzら、米国特許第6600175号を参照してもよい。有機発光材料として、8−キノリノールアルミニウム錯体又はクマリン化合物などの蛍光を発する有機染料が使用される。有機発光ダイオードは、高い発光の特徴を有するが、発光又は半減期についての安定性の問題を伴う。Hiroseら、米国特許第6670052号を参照してもよい。
Chenら、米国特許第7179542号、米国特許第6713781号による、オキサゾール−、チアゾール−又はイミダゾール−融合フェナントロリン分子が、発光層として使用される、有機発光デバイス。
これまで、種々の方策が、高い固体発光の実現を成し遂げてきた。供与体−受容体の強さを変化させることによる光学バンドギャップの調整は、Ajayaghosh及び共同研究者らによって示された。a)A.Ajayaghosh、V.K.Praveen、S.Srinivasan、及びR.Varghese、Adv.Mater.2007、19巻、411ページ、b)C.Vijayakumar、V.K.Praveen、及びA.Ajayaghosh、Adv.Mater.2009、21巻、2059ページ、Ajayaghoshら、国際出願PCT/IN2008/000372を参照できる。近年、同等の強度で同時に三原色(青色、緑色、及び赤色)を発光して、白色光及び同調可能な方法で別々に純色を生成することが、単一成分発光体から達成された。G.He、D.Guo、C.He、X.Zhang、X.Zhao、及びC.Duan、Angew.Chem.Int.Ed.2009、48巻、6132ページを参照できる。
しかし、固体状態において相当な量子収率を有する蛍光プローブの合理的な設計は、まだ困難な作業である。したがって、効率的な蛍光材料の設計及び開発に対する需要は、常に科学的関心事である。本発明において、本発明者らは、多色発光デバイスを製作するのに有用な高い固体発光を有する有機発光材料を開発するための単純で容易な手順を提唱する。可視光へのUV光の変換は、365nm発光固体LED上に、色同調可能な材料をコーティングすることによってもまた、実証される。
フルオロフォアの別の用途は、カチオン、アニオン、及び中性分子のセンシングである。a)A.P.de Silva、H.Q.Gunaratne、T.Gunnlaugsson、A.J.M.Huxley、C.P.McCoy、J.T.Rademacher、T.E.Rice、Chem.Rev.1997、97巻、1515ページ、b)M.Takeuchi、M.Ikeda、A.Sugasaki、S.Shinkai、Acc.Chem.Res.2001、34巻、865ページ、c)A.Ajayaghosh、Acc.Chem.Res.2005、38巻、449ページ、d)E.L.Que、D.W.Domaille、C.J.Chang、Chem.Rev.2008、108巻、1517ページ、e)E.Nolan、S.J.Lippard、Chem.Rev.2008、108巻、3443ページ、f)R.McRae、P.Bagchi、S.Sumalekshmy、C.J.Fahrni、Chem.Rev.2009、109巻、4780ページ、g)E.J.O’Neil、B.D.Smith、Chem.Soc.Rev.2006、250巻、3068ページ、h)S.W.Thomas III、G.D.Joly、T.M.Swager、Chem.Rev.2007、107巻、1339ページを参照できる。
これらのセンサーの多くは、特定のカチオン又はアニオンのいずれかに対して特異的である。しかし、関連する対アニオンの観点から、特異的金属塩の選別は、困難なままである。例えば、特異的カチオンを感知する比色定量及び/又は蛍光定量プローブは、関連する対アニオンを差別化すること、及びその逆も、一般的にできないことになる。強い分子内電荷移動(ICT)を有するフルオロフォアは、周囲の環境に対して蛍光の実質的な変化を示す(ソルバトクロミックプローブ)。ソルバトクロミック特性をフルオロフォアに分与する方法の一つは、電子供与体(D)及び電子受容体(A)部分で官能基化することによる。かかる構造は、基底状態と励起状態との間の分子の双極子モーメントの著しい差異をもたらすことになる。供与体及び受容体部分が弱い場合、電荷移動が、励起状態を起こして、それによって蛍光に摂動を与える。正のソルバトクロミズムを有するフルオロフォアは、溶媒極性を上昇させる際、低量子収率で、発光極大において、赤色移動を示す。さらに、ソルバトクロミックプローブは、溶媒極性に対する蛍光寿命の変化にもまた関連することになる。したがって、ソルバトクロミックプローブは、極性感受性生細胞撮像、カチオンセンシング、及びバイオセンシングのためなど、種々の用途に広く使用されてきた。しかし、ソルバトクロミック蛍光特性は、特異的カチオンの異なる塩に含まれる対アニオンを差別化し同定するために、生かされてこなかった。本発明において、本発明者らは、式2の蛍光分子プローブが、多様な対イオンを有する亜鉛塩を区別できることを示す。a)Sunahara,H.、Urano,Y.、Kojima,H.、Nagano,T、J.Am.Chem.Soc.2007、129巻、5597ページ、b)S.Maruyama、K.Kikuchi、T.Hirano、Y.Urano、T.Nagano、J.Am.Chem.Soc.2002、124巻、10650ページ、c)S.Sumalekshmy、M.M.Henary、N.Siegel、P.V.Lawson、Y.Wu、K.Schmidt、J.−L.Bredas、J.W.Perry、C.J.Fahrni、J.Am.Chem.Soc.2007、129巻、11888ページを参照してもよい。
ある種の蛍光プローブは、UV又は可視域の波長で、一つの光子によって励起される場合、高い蛍光を発する。しかし、かかる波長は、その低い透過力のため、並びにまたこの波長での組織及び細胞の吸収が原因で、細胞撮像及び組織撮像にとって不都合である。かかる波長は、著しい自己蛍光及び光毒性もまたもたらす。プローブは、細胞のための二光子撮像プローブとして使用されるために、特定の分析物について特異的であるべきであり、細胞生存率を有し、良好な二光子吸収断面積を有するべきである。
二光子吸収する化合物の多くは、式D−π−D、A−π−A、D−A−D、及びA−D−Aを満足させ、式中、Dは、電子供与体基であり、Aは、電子受容体基であり、πは、供与体と受容体とを連結するπ−共役結合の橋を含む。これらの形態を有する分子を、化合物が同時二光子吸収をする方法で作動させるように設計できる。大きな二光子吸収断面積を有する非対称の染料が、Reinhardtらによって調製されている。米国特許第5770737号を参照してもよい。
高い蛍光量子収率、高い二光子吸収断面積、及び高い光安定性を有する新規の二光子プローブが、多光子撮像の方法において使用される。この使用において、フルオロフォアは、タンパク質、抗体、DNA、及びRNAへの共有結合の特性を有する部分で、官能基化される。細胞膜の親水性及び疎水性ドメインを区別するのに有用な、細胞膜の環境において高い蛍光強度を有する二光子染料が、脂質ラフトのリアルタイム撮像のために使用される。Belfieldら、米国特許第7253287号、Choら、米国特許第7511167号を参照し得る。ジピロメタンボロンジフルオリド染料及びその抱合体は、二光子励起に基づく生化学分析アッセイにおいて使用される。Meltolaら、米国特許第7763439号を参照できる。
[発明の目的]
本発明の主要な目的は、固体照明及び関連用途に有用な一般式Aのカルバゾールで端部キャップされているビピリジン化合物を提供することである。
本発明の別の目的は、一般式Aのカルバゾールで端部キャップされているビピリジン化合物の調製のための方法を提供することである。
本発明の別の目的は、一般式Aの高い固体発光アッセイ用粉末を使用して、365nm発光固体LED上に、色同調可能な材料をコーティングすることによって、UV光を可視光に変換することである。
本発明の別の目的は、溶液中で異なる対イオンを有する金属塩を選別するための、式2のフルオロフォアを提供することである。
本発明のさらに別の主要な目的は、細胞環境においてZn2+を検出するための新しい二光子活性蛍光Zn2+特異的プローブを開発することである。本発明は、細胞環境におけるZn2+イオンの二光子撮像のために、式3を有するZn2+特異フルオロフォアを使用することを目標とする。
[発明の概要]
したがって、本発明は、一般式Aのカルバゾールで端部キャップされているビピリジン化合物及び一般式Bのその亜鉛錯体に関する。
Figure 0005773377
本発明の一つの実施形態において、代表的な化合物の構造式は、
Figure 0005773377

Figure 0005773377

Figure 0005773377

Figure 0005773377

である。
本発明の別の実施形態において、一般式Aの化合物及び一般式Bのその亜鉛錯体は、固体状態における可視光へのUV光の変換のために有用である。
本発明の別の実施形態において、化合物1及び2は、それぞれ、固体状態において青色(490nm)及び緑色(500nm)へのUV光の変換のために有用である。
本発明の別の実施形態において、亜鉛錯体1A及び亜鉛錯体2Aは、それぞれ、黄色がかったオレンジ色の光(586nm)及び赤色光(622nm)へ、UV光を変換する。
本発明の別の実施形態において、化合物2は、溶液状態における亜鉛塩中の対アニオンの同定のために有用である。
本発明の別の実施形態において、溶液状態において使用される溶媒は、クロロホルムである。
本発明の別の実施形態において、亜鉛塩の対アニオンは、塩化物、酢酸塩、臭化物、過塩素酸塩、硝酸塩、及びトリフレートからなる群から選択される。
本発明の別の実施形態は、一般式Aの化合物及び一般式Bのその亜鉛錯体の調製のための方法であって、
a.塩基の存在下、溶媒に、置換ビピリジン及び置換カルバゾールモノアルデヒドをモル比1:2で添加するステップと、
b.ステップ(a)で得られた反応混合物を32〜40℃の範囲の温度で12〜14時間の範囲の時間、撹拌するステップと、
c.ステップ(b)で得られた反応混合物を冷却して、沈殿物を得、続いて、溶媒に沈殿物を溶解し、次に、溶媒を蒸発させて、粗生成物を得るステップと、
d.ステップ(c)で得られた粗生成物を、塩基性アルミナ中で溶媒として石油エーテルを使用して、カラムクロマトグラフィーによって精製して、一般式Aの純粋な化合物を得るステップと、
e.30〜35℃の範囲の室温で、溶媒、好ましくはアセトニトリル中で、一般式Aの化合物をZnClとモル比1:1で反応させて、式Bの亜鉛錯体を得るステップと
を含む、方法である。
本発明の別の実施形態において、ステップ(a)で使用される溶媒は、乾燥DMF又は乾燥THFからなる群から選択される。
本発明の別の実施形態において、ステップ(a)で使用される塩基は、カリウムtert−ブトキシド及び水素化ナトリウムからなる群から選択される。
本発明の別の実施形態において、ステップ(a)で使用される置換ビピリジンは、テトラエチル2,2’−ビピリジン−5,5’−ジイルビス(メチレン)ジホスホネート、及び4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジンからなる群から選択される。
本発明の別の実施形態において、ステップ(a)で使用される置換カルバゾールモノアルデヒドは、9−置換カルバゾール−−カルバルデヒドである。
本発明の別の実施形態において、カルバゾールで端部キャップしたビピリジン化合物の収率は、40〜50%の範囲内である。
本発明の別の実施形態は、一般式Aの化合物及び一般式Bのその亜鉛錯体を使用することによって調製される固体発光デバイスであって、プロセスステップが、
a)200〜210℃まで加熱することによって、乳鉢中で一般式Aの化合物及び一般式Bのその亜鉛錯体を融解するステップと、
b)UV LED上にステップ(a)で得られた前記融解物をコーティングし、15〜20分間冷却させて、固体発光デバイスを調製するステップと
を含む、デバイスである。
本発明の別の実施形態において、固体発光デバイスは、4.3%〜45.6%の範囲内の固体蛍光量子収率を示す。
本発明の別の実施形態は、HeLa細胞、ヒト筋細胞からなる群から選択される生体細胞における亜鉛イオンの二光子撮像のための式3の化合物の使用である。
Figure 0005773377
本発明のこれらの並びにその他の特色、態様、及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲及び付属の図面を参照することによって、よりよく理解されるようになる。
ヘキサン(−)、CHCl(−)、アセトニトリル(−)、DMSO(−)における、a)1[6×10−6M、λex=358nm]、b)2[6×10−6M、λex=395nm]の発光スペクトル変化を示す図である。式1:リガンド1〜3の分子構造を示す。 (a)は、(CHCl/アセトニトリル1:1で濃度6×10−6M、吸収極大で励起)における、1(−)、2(−)、1・Zn2+(−)、及び2・Zn2+(−)の発光スペクトル変化を示す図である。(b)は、発光色変化を示す写真である。 (a)は、1(−)、2(−)、1・Zn2+(−)、及び2・Zn2+(−)の固体発光スペクトル変化を明示する図である。(b)は、対応する発光色変化の写真である。 (a)は、(1)UV-LED(365nm)照射青色光(Nitride Semiconductors Co.,Ltd.から市販されている)、(2)1のコーティングされた層のLED照射、(3)1・Zn2+錯体のコーティングされた層のLED照射を示す写真である。(b)は、(1)UV-LED(365nm)照射青色光、(2)2のコーティングされた層のLED照射、(3)2・Zn2+錯体のコーティングされた層のLED照射を示す写真である。 (a)は、Zn(NO(0〜1eqv.)の添加の際のクロロホルム中での2(6×10−6M)の発光スペクトル応答を明示する図である。(差し込み図は、2とZn(NOの1:1の結合を示すジョブプロットを示す。)(b)は、様々な金属イオンについて596nmでモニターされた蛍光強度2(6μM)のプロットを明示する図である。 クロロホルム中での様々な対アニオンを有する金属塩の添加の際の式2(6×10−6M)の色変化プロファイル(BioTekの細胞リーダーからの蛍光出力、λex435nmで)を示す図である。 式2による金属塩の認識に基づく蛍光強度対波長を示す図である。 (a)は、アセトニトリル中のZn(ClOによる3(アセトニトリル溶液中に濃度6×10−6M)の滴定のための一光子蛍光発光スペクトルを示す図である。(b)は、アセトニトリル中のZn(ClOによる3(アセトニトリル溶液中に濃度6×10−5M)の滴定のための二光子蛍光発光スペクトルを示す図である。 Zn2+の不在下(■)及び存在下(▲)における3(アセトニトリル溶液中に6×10−5M)の二光子作用スペクトルを示す図である。 (a)〜(f)は、Zn2+インキュベーションの前(a〜c)及び後(d〜f)の3によるC2C12(マウスの筋芽細胞)を示す蛍光画像である。(g)〜(h)は、Zn2+インキュベーションの前(g)及び後(h)の3によるHeLa細胞を示す二光子顕微鏡画像である。 式1、2、及び3の合成のスキームを示す図である。
[発明の詳細な説明]
本発明は、固体照明のために有用な式1及び2の高い固体発光性フルオロフォアを提供することである。式1及び2は、それぞれ、青色及び緑色の領域において良好な固体発光を有する。式1及び2の亜鉛錯体は、それぞれ、固体状態において黄色及び赤色の発光を有する。本発明は、式1及び2の高い固体発光アッセイもまた提供して、365nm発光固体LED上に、色同調可能な材料をコーティングすることによって、UV光を可視光へ変換する。本発明は、溶液中で様々な対イオンを有する金属塩を選別するための、カルバゾールで端部キャップされているビピリジンをさらに提供する。異なる金属塩の識別は、溶液中の蛍光変化を記録することによってモニターできる。異なる対イオンを有する亜鉛塩は、溶液中で異なる発光色を有する。本発明は、細胞環境においてZn2+を検出するための新しい二光子活性蛍光Zn2+特異的プローブもまた開発する。式3でのアッセイは、HeLa細胞におけるZn2+イオンの二光子撮像のための蛍光プローブとして使用される。これは、式3の高い二光子吸収断面積及び蛍光量子収率によって、二光子励起蛍光撮像による細胞環境においてZn2+を検出するための有用なプローブになった。
Figure 0005773377

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[実施例]
以下の実施例は、本発明の方法を例証するために示され、本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではない。
実施例1
式1の調製
(4)(4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジン)2mmolを、乾燥DMF(50mL)に溶解した。カリウムtert−ブトキシド(290mg、12mmol)を、その溶液に添加し、十分撹拌した。カルバゾールモノアルデヒド(9−置換カルバゾール−−カルバルデヒド)(5)6mmolを、その反応混合物に添加した。次に、反応物を、12時間、室温(32℃)で撹拌した。反応完了後に、反応混合物全体を、氷に注いだ。形成された黄色の沈殿物を、クロロホルム(100mL)に溶解し、濃縮した。粗生成物を、溶媒として石油エーテルを使用する塩基性アルミナ上でのカラムクロマトグラフィーによって、精製した。1:mp195〜197℃、(収率:40%)
H NMR(300MHz,CDCl,δ):8.70(d,2H,Ar H)、8.60(d,2H,Ar H)、8.30(d,2H,Ar H)、8.15〜8.13(d,2H,Ar H)、7.74(d,1H,Ar H)、7.72(s,2H,Ar H)、7.67(s,1H,Ar H)、7.51〜7.40(m,7H,Ar H)、7.29(m,2H,ビニルH)、7.21(s,2H,ビニルH)、7.16(s,1H,ビニルH)、4.33〜4.29(t,J=12Hz,4H;−NCH)、1.89(m,4H;CH)、1.35〜1.24(m,28H;CH)、0.89(m,6H;CH)。
13C NMR(75MHz,THF−d,δ):154.85、147.33、144.30、139.13、138.95、132.13、123.77、122.85、121.37、121.08、118.38、118.21、117.52、117.06、115.53、107.07、40.82、29.97、27.65、27.09、25.27、20.69、11.58;IR(KBr):v=3047、2920、2848、1622、1581、1492、1467、1377、1355、1332、1238、1143、964、866、823、752、613;FAB−MS(m/z):[M+H]計算値C5867、819.53;実測値、820.38。
実施例2
式2の調製
乾燥THF(50mL)中に水素化ナトリウム(12mmol、290mg)の懸濁液を、THF50mL中にビスホスホネート(テトラエチル2,2’−ビピリジン−5,5’−ジイルビス(メチレン)ジホスホネート)(6)(912mg、2mmol)及びカルバゾールアルデヒド((5)、9−置換カルバゾール−−カルバルデヒド)(4mmol、1.35g)の溶液に、ゆっくり添加した。65℃で、12時間還流した後で、得られた反応混合物を冷却し、続いて減圧下、THFを除去して、黄色の固体残渣を生成した。残渣を、水100mL中に懸濁し、ジクロロメタン50mLで抽出した。有機層を、かん水50mLで洗浄し、Na2SO4上で乾燥し、濃縮して、粗生成物を生成し、この粗生成物を、溶出剤として石油エーテルを使用する塩基性アルミナ上でのカラムクロマトグラフィーによって、さらに精製した。
2:mp169〜172℃、収率:50%
H NMR(300MHz,CDCl,δ):8.82(s,2H,Ar H)、8.44〜8.42(d,2H,Ar H)、8.28(s,2H,Ar H)、8.17〜8.15(d,2H,Ar H)、8.03〜8.01(d,2H,Ar H)、7.72〜7.70(d,2H,Ar H)、7.52〜7.40(m,8H,Ar H)、7.30〜7.27(d,2H,ビニル,J=15Hz)、7.19〜7.16(d,2H,ビニル,J=15Hz)、4.32〜4.29(t,4H−NCH,J=15Hz)、1.90(m,4H;CH)、1.66(s,4H,CH,)、1.40〜1.37(m,24H;CH)、0.90〜0.88(t,6H;CH)。
13C NMR(75MHz,CDCl,δ):154.20、147.92、140.89、140.57、133.52、132.93、131.85、127.91、125.93、124.56、123.26、122.84、121.91、120.85、120.47、119.15、119.06、109.00、43.24、31.86、29.40、22.67、14.12;IR(KBr):v=3051、2956、2922、2850、1624、1597、1469、1381、1330、1259、1234、960、802、744、727;FAB−MS(m/z):[M+H]計算値C5867、819.53;実測値、820.59。
実施例3
式3の調製
乾燥THF(50mL)中に水素化ナトリウム(12mmol、290mg)の懸濁液を、THF(50mL)中にビスホスホネート((6)、テトラエチル2,2’−ビピリジン−5,5’−ジイルビス(メチレン)ジホスホネート、912mg、2mmol)及びカルバゾールアルデヒド((5)、9−(2−(2−(2−メトキシエトキシ)エトキシ)エチル)−9H−カルバゾール−3−カルバルデヒド)(4mmol、1.36g)の溶液に、ゆっくり添加した。65℃で、12時間還流した後で、得られた反応混合物を冷却し、続いて減圧下、THFを除去して、黄色の固体残渣を生成した。残渣を、水(100mL)中に懸濁し、ジクロロメタン(50mL)で抽出した。有機層を、かん水(50mL)で洗浄し、NaSO上で乾燥し、濃縮して、粗生成物を生成し、この粗生成物を、溶出剤として石油エーテルを使用する塩基性アルミナ上でのカラムクロマトグラフィーによって、さらに精製した。
3:収率:50%
H NMR(300MHz,CDCl,TMS)δ(ppm):8.81(d,2H,芳香族)、8.43(d,2H,芳香族)、8.26(s,2H,芳香族)、8.14(d,2H,芳香族)、8.03(dd,2H,芳香族)、7.72(dd,2H,芳香族)、7.47(m,8H,芳香族)、7.28(2H,ビニル)、7.20(2H,ビニル)、4.52(t,4H−NCH)、3.89(t,4H,−OCH)、3.5(m,12H)、3.4(m,4H)、3.3(s,6H,−OCH)。
13C NMR CDCl、(75MHz)δ:43.34、59.00、70.55、71.01、71.85、109.17、118.95、120.83、122.19、126.01、128.19、131.83、132.98、133.51、140.80、141.05、147.94、154.24;FAB−MS:[M]計算値C5662、831.01;実測値832.66。
実施例4
固体照明のための1及び2のZn錯体を、室温(35℃)で、少量のアセトニトリル(0.5ml)と一緒に、1:1の比で、式1及び式2をZnClと混合することによって調製した。溶媒を減圧蒸発させることによって、アッセイ用固体粉末を得た。アッセイ1の亜鉛錯体の色は、黄色であり、アッセイ2の亜鉛錯体の色は、オレンジ色であった。粉末は、UV光(365nm)下、高い蛍光性があった。アッセイ1の亜鉛錯体の発光色は、黄色がかったオレンジ色であり、アッセイ2は、365nmのUV光下、赤色であった。アッセイ用粉末は、UV−LED上のコーティングのために使用された。
Figure 0005773377

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実施例5
式1は、クロロホルム中、377nmで吸収極大を示す。式1は、360nmで励起される場合、ヘキサン中で強烈な青色発光(419nm)を示し、これはクロロホルム中では467nmに並びにアセトニトリル及びDMSO中では472nmに移動し、強度を増強した。アセトニトリル(Φ=0.109)中の量子収率の増加は、クロロホルム(Φ=0.062)と比較した場合、アセトニトリル中の無放射減衰の経路における減少が原因である。無極性から極性の溶媒への分子によって示される53nm深色移動は、溶媒緩和状態からの発光が原因である。蛍光減衰プロファイルは、単一指数関数的減衰で、ヘキサンからアセトニトリルまで、寿命の増加を示す。式2は、共役の増加が原因で、クロロホルム中、405nmで、広い、赤色移動の吸収バンドを示した。式2は、無極性から極性の溶媒中の漸進的で、大きなソルバトクロミズムを示す。式2は、395nmで励起される場合、ヘキサン中、430nmで発光極大を示し、DMSO中で513nmへさらに移動した。これは、励起状態リガンド内電荷移動の明白な表示である。2の単一指数関数的減衰励起状態の寿命は、ヘキサン(0.81ns)からDMSO(1.59ns)まで、漸進的に増加する。
式1及び2は、受容体へ供与体が連結する位置を除いて、構造的に類似している。式1において、供与体基(カルバゾール)は、4,4’位でビピリジンに連結されるが、式2の場合、それは、5,5’位で連結される。両方の場合とも、受容体は、良好な金属キレート剤であり、それ故、金属イオンの結合は、式1及び2の光物理特性を著しく変化させることもできる。式1の吸収バンドは、Zn(ClOとの結合の際に、416nmへ移動した。対応する変化は、発光特性においてもまた観察された。発光極大は、468nmから563nm(青色から黄色)へ移動した(図2)。金属イオンの結合によって、励起状態の無放射減衰の経路が減少した。式1の亜鉛錯体の溶液状態の量子収率は、0.49(標準物質としてローダミンB)であるとわかり、アセトニトリル中で量子収率0.109を最初に示していた。式2の場合、Zn(ClOでの錯体化の際に、吸収は、452nmへ移動し、発光は、507nmから615nm(緑色からオレンジ色)へ移動した(図2)。アッセイ2は、アセトニトリル中で量子収率0.62を有する。錯体は、溶液中でかなり良好な量子収率0.304を示す。両方の場合とも、1:1の金属リガンド錯体を示す。
式2の吸収及び発光波長における赤色移動は、式1と比較した場合、式2における、より有効な共役が原因である。1及び2のZn2+様のd10金属イオンでの錯体化は、リガンド内電荷移動(ILCT)を強化することになる。これは、遊離リガンド式1及び2と比較した場合、吸収及び発光をより高い波長へ、さらに移動させることになる。
実施例6
固体照明は、固体状態において発光する発色団を必要とする。分子のほとんどは、固体状態において蛍光の自己消光を示す。この問題は、これらの分子の実際の用途を妨げる。ここに記載される分子は、高度に固体発光する。高い固体発光を有する分子は、液体条件下、亜鉛イオンを検出するために使用された。Ajayaghoshら、国際出願PCTIN2008000374、S.Sreejith、K.P.Divya、及びA.Ajayaghosh、Chem.Commun.、2008、2903ページを参照できる。ここに、カルバゾールを付加したフルオロフォアは、絶対法(積分球法)によって測定された、固体状態におけるかなり良好な量子収率を示す。式1、2及びそれらの亜鉛錯体は、固体状態において、発光極大でわずかな赤色移動を示した(図3)。式1は、量子収率0.149で青色発光を有し、そのZn2+は、量子収率0.086で黄色発光を有する。式2は、量子収率0.456で緑色発光を有し、式2のZn2+錯体は、量子収率0.043で赤色発光を有する。
実施例7
図4は、フルオロフォアコーティングされたLEDからの可視域全体(青色から赤色)における発光を示す。本発明者らは、Nitride Semiconductors Co.Ltd.から市販されているUV−LED(365nm、20mA)を購入した。化合物1、2、及びそれらの金属錯体でコーティングされた場合、UV−LEDは、可視領域全体において光を発する。式1及び2を、200℃で、乳鉢中で加熱することによって融解する。固体融解物を、UV LED上にコーティングし、20分間冷却させた。これで、LEDは、照明の準備ができた。亜鉛が結合した式1及び2の融解物が、同じ方法でUV LED上にコーティングされてもまたよい。
実施例8
式2の発光スペクトルは、溶媒極性への大きな依存性を示した。ヘキサン中で、構築された発光スペクトルは、433nmでの発光極大を有して得られた(C=6×10−6M、λex=400nm)。クロロホルム中で、発光スペクトルは、476nmで極大を示し、より広くなり、アセトニトリル(λem=505nm)及びDMSO(λem=515nm)中で、より長い波長領域へ移動して、青色から緑色へ発光色を変化させた(図1b)。式2によって示される発光におけるこの大きなソルバトクロミズムは、励起状態における電荷移動状態の安定化が原因であり得る。励起状態は、本質的に極性であるので、極性溶媒中でより安定化されることになる。これは、時間分解蛍光寿命の研究によってさらに立証される。分子は、クロロホルム様の極性がより低い溶媒中で高い発光性であり、量子収率87%を示したが(標準物質として0.1N HSO中の硫酸キニーネ)、一方、発光強度は、アセトニトリル中で低下した(φ=69%)。
遷移金属塩をクロロホルム中の式2(6×10−6M)の溶液に添加すると、405nmにおける吸収バンドの著しい低下を示し、およそ460nmに新しい赤色移動バンドを同時形成した。新しいバンドは、金属結合でのLUMOの安定化が原因で、金属結合フルオロフォアの平坦化及びまたHOMO−LUMOギャップの減少を示す。476nmでの式2の発光は、亜鉛(II)及びカドミウム(II)以外の異なる遷移金属イオンによって、著しく消光された。Zn2+の場合、476nmでの発光バンドは、新しい赤色移動バンドの同時形成によって、消光された。例えば、Zn(NOに対するクロロホルム中の式2の蛍光応答は、図5aに示される。Zn(NOの滴定の際、発光極大は、547nmでの等発光点を通って、563nmにおける新しいバンドの同時形成を伴って、漸進的に減少する。様々な遷移金属イオンに対する式2の個々の発光応答は、図5bに示される。選択性は、5倍過剰の様々なカチオンの存在下、式2の蛍光を記録することによって、チェックされた。驚いたことに、本発明者らは、2+Zn2+の赤色移動発光が、亜鉛塩の対アニオンに強い依存性であることがわかった。多様な亜鉛塩による式2の個々の発光応答は、注目すべき変化を示した(図6)。この知見によって、本発明者らは、調査をさらに広げて、多様な対アニオンでの亜鉛(II)イオンを識別する式2の能力を見出した。クロロホルム(λem=476nm)中の式2の発光ピークは、Zn(ClOとの結合の際に597nmへ赤色移動し、量子収率0.30であった。発光ピークは、ZnCl(λem=554nm、φ=0.50)及びZn(NO(λem=563nm、φ=0.40)と比較して、Zn(OAc)(λem=548nm、φ=0.50)の場合、青色移動した。対アニオン(couteranion)に依存する発光極大における大きな移動は、対アニオンと亜鉛(II)との間の異なる配位能力に原因がある。亜鉛カチオンの正味の電荷量は、亜鉛カチオンと対アニオンとの間の平均距離に依存し、溶液中の亜鉛のイオン化係数によって測定される。亜鉛(II)は、対アニオンがClO の場合、溶液中のZn(ClOのより大きなイオン化平衡係数が原因で、より大きい正味の電荷を持つことがある。Zn(OAc)のより大きな共有結合特性のために、亜鉛(II)上の正味の実効電荷は、低くなることになる。ジョブプロットは、全ての場合において、フルオロフォアとZn2+との間の1:1の錯体化を明らかにした。ベネシヒルデブランドプロットから計算される結合定数は、結合定数がZn(ClO(3.33×10−1)について最高であること、及び結合定数がZn(NO(1.47×10−1)からZnCl(7.8×10−1)へ減少することを示し、Zn(OAc)は、クロロホルム中で最低の値(1.77×10−1)を示す。単一波長励起によって2つの発光極大をモニターする可能性によって、式2は、多様な亜鉛(II)塩のための効率的なレシオメトリックプローブとなる(図7)。蛍光特性における差異は、異なる対イオンを有する非結合金属塩の場合、観察されない。例えば、本発明者らは、過塩素酸塩、硝酸塩、塩化物、及び酢酸塩様の多様なナトリウム塩の効果をチェックした。しかし、式2の蛍光特性における差異は見えない。
起状態の安定化は、Zn(ClO錯体の場合において最大である。安定化は、亜鉛錯体のイオン化が減少するにつれて、漸進的に低下する。これは、2・Zn2+錯体の量子収率及び寿命の値から明白である。式2の励起状態はCT状態であるので、多様な亜鉛塩の有効な識別は、プローブ式2を使用することによって、達成可能である。したがって、励起状態の安定化によって、蛍光に、容易に摂動を与えることができる。
実施例9
435nmでの励起の際に、BioTeckの細胞リーダーを使用して、様々な金属塩の存在下で、式2の発光色を記録することにより、対アニオンの選別ができる(図6)。いずれの金属塩も不在の対照実験は、プローブ式2の独自の青色蛍光を示した。蛍光強度対波長のプロットは、視覚的色変化によって容易に見出されない金属塩の測定のために適用できる(図7)。発光特性における変化は、高い溶媒依存性である。例えば、アセトニトリル中での多様な亜鉛塩との結合の際の式2の発光移動は、無視できる。式2の発光は、安定化された電荷移動状態から起こるので、対アニオンの効果は、アセトニトリル中で無視できる。2・Zn2+錯体の量子収率は、対アニオンに関わりなく、アセトニトリル中でほとんど同一であったが(φ=0.30、標準物質としてエタノール中のローダミンB)、クロロホルム中で、量子収率は、対アニオンに依存性であった
実施例10
式3は、アセトニトリル中、406nmでの吸収極大を有する。式3は、390nmでの励起に際して、アセトニトリル中、510nmでの発光極大を示す。発光極大は、吸収極大の著しい移動を伴わすに、1:1のアセトニトリル/水中で、525nmへ移動した。発光極大は、アセトニトリル又は1:1のアセトニトリル/水中の式3の溶液へ、ZnClを1当量添加する際に、611nmへ赤色移動した。式3の亜鉛錯体の発光強度は、遊離の式3と比較して、440nmでの励起に際して、減少した。
式3は、800nmで、二光子吸収(TPA)断面積値107GMを示していた。興味深いことに、式3のZn2+錯体は、アセトニトリル溶液中で、TPA断面積における12倍の増強を示す。860nmでの二光子励起は、レシオメトリックな発光スペクトルを生成して、Zn2+との結合に際しての式3について、赤色移動発光極大であった。二光子励起蛍光スペクトルは、遊離の式3と比較する場合、3・Zn2+錯体についての発光強度における増強を示す。これは、Zn2+との配位が蛍光強度を減少させる、定常状態の蛍光挙動と対照的である。これは、Zn2+との配位が、TPA断面積の増加と共に、二光子励起蛍光(TPEF)信号の著しい増強をもたらすことを示す。
二光子励起は、繰り返し周波数82MHz及びパルス幅約100フェムト秒で、Spectra Physics(ツナミ(Tsunami)(商標))からのモードロックフェムト秒チタンサファイアレーザーを使用して実行された。チタンサファイアレーザーの同調範囲は、690nm〜1080nmである。平均電力0.6〜0.8Wでの出力レーザー光線は、垂直に偏光する。
実施例11
式3で標識されたHeLa細胞の二光子顕微鏡画像は、明るいTPEFを示した。式3によって撮像する場合、Zn2+でインキュベートされた細胞は、595〜640nmで増強されたTPEFを示した。したがって、式3は、二光子顕微鏡撮像による生体細胞における細胞内遊離Zn2+イオンの選択的検出のための効率的な蛍光分子プローブとして使用できる。
[本発明の主要な利点]
1)フルオロフォアに基づく供与体−受容体−供与体の賢明な設計、及びその位置的改変、及び金属イオン結合は、可視領域全体における固体照明を補助した。連結する位置における変化の組合せ及び金属錯体化は、可視領域におけるフルカラーの同調性(tenability)に到達することを助けた。ここにおいて、本発明者らは、365nm発光LED上に、フルオロフォアをコーティングすることによって、可視光へのUV光の変換を実証することに成功した。このようにして、青色発光LEDによって、本発明者らは、青色、緑色、オレンジ色、及び赤色などの可視スペクトル全体を得ることができ得る。
2)蛍光プローブ式2の励起状態電荷移動特性は、様々な対アニオンによる遷移金属塩の有効な選別のために成功裏に使用される。本プローブの容易な合成、高い感度、及び選択性は、本プローブを遷移金属塩の識別のための有望な候補にする。本プローブは、分析試料において、多様な対イオンを有する亜鉛塩の選択的視覚センシングのために使用できる。
3)式3は、二光子顕微鏡撮像による生体細胞における細胞内遊離Zn2+イオンの選択的検出のための、効率的なレシオメトリック蛍光分子プローブとして使用できる。

Claims (17)

  1. 一般式Aの、カルバゾールで端部キャップされているビピリジン化合物及び一般式Bのその亜鉛錯体。
    Figure 0005773377
  2. 代表的な化合物の構造式が、
    Figure 0005773377

    Figure 0005773377

    Figure 0005773377

    Figure 0005773377

    である、請求項1に記載のカルバゾールで端部キャップされているビピリジン化合物。
  3. 固体状態において可視光へのUV光の変換に有用である、請求項1に記載の一般式Aの化合物及び一般式Bのその亜鉛錯体。
  4. 固体状態において、それぞれ、青色(490nm)及び緑色(500nm)へのUV光の変換に有用である、請求項2に記載の化合物1及び2。
  5. それぞれ、黄色がかったオレンジ色光(586nm)及び赤色光(622nm)へUV光を変換する、請求項2に記載の亜鉛錯体1A及び亜鉛錯体2A。
  6. 溶液状態における亜鉛塩中の対アニオンの同定に有用な、請求項2に記載の化合物2。
  7. 溶液状態において使用される溶媒がクロロホルムである、請求項6に記載の化合物。
  8. 亜鉛塩の対アニオンが、塩化物、酢酸塩、臭化物、過塩素酸塩、硝酸塩、及びトリフレートからなる群から選択される、請求項6に記載の化合物。
  9. 請求項1に記載の一般式Aの化合物及び一般式Bのその亜鉛錯体の調製のための方法であって、
    a.塩基の存在下、溶媒に、置換ビピリジン及び置換カルバゾールモノアルデヒドをモル比1:2で添加するステップと、
    b.ステップ(a)で得られた反応混合物を32〜40℃の範囲の温度で12〜14時間の範囲の時間、撹拌するステップと、
    c.ステップ(b)で得られた反応混合物を冷却して、沈殿物を得、続いて、溶媒に沈殿物を溶解し、次に、溶媒を蒸発させて、粗生成物を得るステップと、
    d.ステップ(c)で得られた粗生成物を、塩基性アルミナ中で溶媒として石油エーテルを使用して、カラムクロマトグラフィーによって精製して、一般式Aの純粋な化合物を得るステップと、
    e.30〜35℃の範囲の室温で、溶媒中で、一般式Aの化合物をZnClとモル比1:1で反応させて、式Bの亜鉛錯体を得るステップと
    を含む、方法。
  10. ステップ(a)で使用される溶媒が、乾燥DMF又は乾燥THFからなる群から選択される、請求項9に記載の方法。
  11. ステップ(a)で使用される塩基が、カリウムtert−ブトキシド及び水素化ナトリウムからなる群から選択される、請求項9に記載の方法。
  12. ステップ(a)で使用される置換ビピリジンが、テトラエチル2,2’−ビピリジン−5,5’−ジイルビス(メチレン)ジホスホネート及び4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジンからなる群から選択される、請求項9に記載の方法。
  13. ステップ(a)で使用される置換カルバゾールモノアルデヒドが9−置換カルバゾール−−カルバルデヒドである、請求項9に記載の方法。
  14. カルバゾールで端部キャップされているビピリジン化合物の収率が40〜50%の範囲内である、請求項9に記載の方法。
  15. 請求項1に記載の一般式Aの化合物及び一般式Bのその亜鉛錯体を使用することによって調製される固体発光デバイスであって、プロセスステップが、
    a)200〜210℃まで加熱することによって、乳鉢中で一般式Aの化合物及び一般式Bのその亜鉛錯体を融解するステップと、
    b)UV LED上にステップ(a)で得られた前記融解物をコーティングし、15〜20分間冷却させて、固体発光デバイスを調製するステップと
    を含む、固体発光デバイス。
  16. 固体発光デバイスが、4.3%〜45.6%の範囲内の固体蛍光量子収率を示す、請求項15に記載の固体発光デバイス
  17. HeLa細胞、ヒト筋細胞からなる群から選択される生体細胞における亜鉛イオンの二光子撮像のための、式3の化合物の使用。
    Figure 0005773377
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