JP6249210B2

JP6249210B2 - 有機蛍光材料

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Publication number: JP6249210B2
Application number: JP2013189950A
Authority: JP
Inventors: 洋史片桐; 好弘大場; 輝生別部; 悠太堀江; 紘輔冨口
Original assignee: Yamagata University NUC
Current assignee: Yamagata University NUC
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2033-09-13
Also published as: JP2015054937A

Description

本発明は、スルホニルアニリン骨格を有する有機蛍光材料に関する。

有機蛍光材料は、バイオイメージング、有機ＥＬ用発光色素、色素レーザへの応用が可能であることから、近年注目されている。この有機蛍光材料の高性能を発揮させるためには、高いモル吸光係数及び発光量子効率が求められる。

このため、有機蛍光材料の分子設計は、従来、分子運動を抑制した堅固なπ電子系を拡張することにより行われてきた。
しかしながら、このような有機蛍光材料は、強い分子間相互作用による溶解性の低下や分子間エネルギー移動による濃度消光、さらに、材料の安定性が低い等の課題を有していた。特に、濃度消光は、バイオイメージングのコントラストを著しく低下させ、また、固体発光を利用する有機ＥＬ用発光色素の場合に問題となる。さらに、溶解性の低下は、主に水系媒体中で行うバイオイメージングへの応用において極めて不利であり、また、有機電子材料としての特徴を最大限に活用したプロセス、すなわち、インクジェット法に代表されるウェットプロセスにおいて大きな障害となる。
なお、ここで言うバイオイメージングとは、細胞・組織または個体レベルでタンパク質などの分布・局在を捉え、その動態を画像として解析する技術であり、具体的には、蛍光発光イメージングシステム、すなわち、蛍光を用いて生体分子を可視化する技術（蛍光イメージング法）を指す。

したがって、新たな分子設計の指針が求められている。そのうちの１つの手法として、蛍光特性に直接関係しない嵩高い置換基の導入が検討されてきた。また、この場合には、溶解性を付加する官能基の導入も必須となることが多い。

これに対して、本願発明者らは、１つのベンゼン骨格に複数のアミノ基とスルホニル基を共存させることによって、他の官能基を導入することなく、（１）Push-Pull効果がもたらす長波長化、（２）スルホニル基の折れ曲がり構造がもたらす溶解性の向上及び固体蛍光性、（３）アミノ基とスルホニル基との間での水素結合によるアミノ基の自由回転の抑制がもたらす蛍光量子効率や安定性の向上等、従来よりも優れた特性が得られる有機蛍光材料を見出した。具体的には、下記（化１）に示す「２，６−ビス（アリールスルホニル）アニリン類縁体の合成及び蛍光特性」を既に報告している（非特許文献１参照）。

別部輝生、大場好弘、片桐洋史、「日本化学会第９３春季年会（２０１３）講演予稿集」、プログラム番号２Ａ２−０５

しかしながら、上記の２，６−ビス（アリールスルホニル）アニリン類縁体は、蛍光波長が最長で４３２ｎｍであり、また、水に溶解しないため、バイオイメージングへの適応性が低いものであった。加えて、量子効率が低く、塗布型の有機ＥＬ材料としての利用も困難であった。さらに、その合成においては、ニトロベンゼン誘導体を基質に用いるが、現時点で入手可能なこのような基質はニトロ基が１つである材料に限られ、合成の点からも制約が大きかった。

したがって、より高い溶解性を有し、溶液及び固体のいずれの状態でも蛍光発光が可能であり、蛍光量子効率や安定性のより一層の向上が図られ、かつ、簡便に効率的に合成することができる蛍光材料が求められる。

本発明は、先に報告したアミノ基とスルホニル基をベンゼン骨格に導入した有機蛍光材料における上記技術的課題に対して、これらの課題の改善を図るべく、バイオイメージングや有機ＥＬにおける発光材料として優れた性能を発揮し得る有機蛍光材料を提供することを目的とするものである。

本発明によれば、下記一般式（１）〜（９）で表される、スルホニルアニリン骨格を有する有機蛍光材料が提供される。

ここで、式（１）〜（９）中、置換基Ｒ¹〜Ｒ³は、それぞれ独立に、アルキル基、フルオロアルキル基、フェニル基、ハロゲン原子又はアミノ基もしくはアルコキシ基で置換されたフェニル基、ナフチル基、チエニル基、ハロゲン原子で置換されたチエニル基、チアゾリル基、ハロゲン原子で置換されたチアゾリル基、ピリジル基、及び、ハロゲン原子で置換されたピリジル基のうちのいずれかである。

上記のようなスルホニルアニリン骨格を有する有機蛍光材料は、溶液及び固体のいずれの状態でも蛍光発光が可能であり、蛍光量子効率や安定性にも優れた新規の蛍光材料である。

本発明によれば、従来よりも、高い溶解性を有し、溶液及び固体のいずれの状態でも蛍光発光が可能であり、蛍光量子効率や安定性のより一層の向上が図られ、簡便に効率的に合成することができる蛍光材料が得られる。
したがって、本発明に係る蛍光材料は、バイオイメージングや有機ＥＬにおける発光材料として優れた性能を発揮し得るものである。

実施例における有機蛍光材料の照射時間と吸光度減少率の関係を示したグラフである。

以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係る有機蛍光材料は、上記一般式（１）〜（９）で表される、スルホニルアニリン骨格を有する化合物である。すなわち、前記化合物は、ベンゼン骨格に、アミノ基と２又は３個のスルホニル基を導入した構造からなる新規の有機蛍光材料である。
このようなスルホニルアニリン骨格を有する化合物は、従来の蛍光色素と比較して、単純な構造であり、分子量が小さく、溶解性に優れ、水溶性も認められ、かつ、ストークスシフトが大きいことから、バイオイメージングにおいて非常に有用であり、また、塗布型の有機ＥＬ材料としても好適に適用し得る。

また、前記有機蛍光材料は、濃度消光の影響を受けにくく、溶液状態でも、固体の状態でも、高い量子効率で蛍光発光するものであり、従来の蛍光色素よりも安定であるという特性も有している。
さらに、これらの有機蛍光材料は、ウルマン反応を経由する簡便かつ高効率な方法で合成することができるという利点も有している。

また、上記一般式（１）〜（９）において、置換基Ｒ¹〜Ｒ³には、種々の置換基を導入することが可能であり、電子供与性基又は電子受容性基を導入する以外にも、ねじれ型分子内電荷移動（ＴＩＣＴ）構造を形成するためにアニリン等を導入したり、水溶性発現のため、小分子を導入したりする等の自由度の高い分子設計を行うことができる。

前記置換基Ｒ¹〜Ｒ³は、具体的には、それぞれ独立に、アルキル基、フルオロアルキル基、フェニル基、ハロゲン原子又はアミノ基もしくはアルコキシ基で置換されたフェニル基、ナフチル基、チエニル基、ハロゲン原子で置換されたチエニル基、チアゾリル基、ハロゲン原子で置換されたチアゾリル基、ピリジル基、及び、ハロゲン原子で置換されたピリジル基のうちのいずれかである。

上記一般式（１）で表される有機蛍光材料のうち、具体的な化合物を以下に例示する。

上記のような本発明に係る有機蛍光材料の合成方法は、特に限定されるものではないが、前記有機蛍光材料は、ベンゼン骨格に、アミノ基とスルホニル基を導入した単純な骨格を有し、かつ、比較的分子量が小さい化合物であるため、ウルマン反応等による簡便な合成法を用いて、効率的に得ることができる。具体的な合成方法は、下記実施例に示す。

本発明に係る有機蛍光材料は、上述したように、従来の有機蛍光色素よりも、ストークスシフトが大きく、自家蛍光の抑制が図られる、かつ、安定であるため、バイオイメージングに好適に適用することができる。
また、従来の有機蛍光材料に比べて、溶解性及び量子効率が改善され、かつ、合成プロセスも簡便であることから、ウェットプロセスによる低コストでの有機ＥＬ素子等の有機電子デバイスの作製を可能とし得るものであり、色素レーザへの応用も可能な材料である。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
本発明に係る有機蛍光材料のうち、４つの代表例について、ウルマン反応を用いた方法により合成した。

（合成例１）ＢＰＳ−ｐ−Ａの合成
下記に示すようなステップを経て、ＢＰＳ−ｐ−Ａを合成した。

まず、窒素雰囲気下、１００ｍｌ二口フラスコに水５０ｍｌ、水酸化ナトリウム１３０ｍｇ、化合物１３００ｍｇを入れ、３０分間室温で撹拌を行った。続いて、塩化銅（I）６０ｍｇ、trans−１，２−シクロヘキサンジアミン２．１０ｇ、ヨードベンゼン（化合物２）９００ｍｇを加え、還流撹拌を１日行った。放冷後、ジクロロメタン１００ｍｌで３回抽出を行い、有機層を水１００ｍｌで２回、飽和食塩水１００ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィ（ＮＨシリカゲル、ジクロロメタン：ヘキサン＝２：３）で精製し、化合物３の無色鱗片状結晶を得た（３０３ｍｇ、収率７６％）。

次に、窒素雰囲気下、３０ｍｌ二口フラスコに化合物３５０ｍｇ、ジクロロメタン１０ｍｌ、トリエチルアミン７８ｍｇ、無水酢酸７９ｍｇを入れ、室温で１日撹拌した。水１０ｍｌを加え、３０分撹拌した後、ジクロロメタン３０ｍｌで３回抽出を行った。有機層を水３０ｍｌで５回、飽和食塩水１００ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、化合物４の無色粉末を得た（６１ｍｇ、収率９７％）。

そして、窒素雰囲気下、５０ｍｌ二口フラスコに化合物４６８ｍｇ、ジクロロメタン２０ｍｌ、ｍ−ＣＰＢＡ７５％２１２ｍｇを入れ、室温で１日撹拌した。その後、飽和亜硫酸ナトリウム水溶液１０ｍｌ、１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液１０ｍｌを加えて失活させ、反応溶液を分液ロートに移し、ジクロロメタン５０ｍｌ、水５０ｍｌを加え、有機層と水層を分離した。水層をジクロロメタン４０ｍｌで１０回抽出し、有機層と合わせ、飽和食塩水２００ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、化合物５の無色粉末を得た（７３ｍｇ、定量的）。

そして、５０ｍｌ二口フラスコに化合物５５５ｍｇ、６Ｎ塩酸６ｍｌ、テトラヒドロフラン８ｍｌを入れ、還流撹拌を３時間行った。これを、４Ｎ水酸化ナトリウム水溶液４００ｍｌに少量ずつ加え、室温で１日激しく撹拌した後、吸引ろ過し、水５０ｍｌで洗浄し、ろ物を減圧乾燥し、化合物６（ＢＰＳ−ｐ−Ａ）の黄緑色粉末を得た（４４．３ｍｇ、収率９８％）。

（合成例２）ＢＡＳ−ｐ−Ａの合成
下記に示すようなステップを経て、ＢＡＳ−ｐ−Ａを合成した。

まず、窒素雰囲気下、１００ｍｌ二口フラスコに水７５ｍｌ、エタノール１０ｍｌ、水酸化ナトリウム１９０ｍｇ、化合物１５００ｍｇを入れ、室温で３０分間撹拌した。続いて、塩化銅（I）１００ｍｇ、trans−１，２−シクロヘキサンジアミン３．５ｇ、２−ヨードアニリン（化合物７）１．４２ｇを加え、還流撹拌を１日行った。放冷後、ジクロロメタン１００ｍｌで５回抽出を行い、この有機層を水１００ｍｌで２回、飽和食塩水１００ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィ（ＮＨシリカゲル、ジクロロメタン）で精製した。次いで、ジクロロメタン−ヘキサンの混合溶媒で再結晶を行い、化合物８の無色鱗片状結晶を得た（５５４ｍｇ、収率７７％）。

次に、窒素雰囲気下、１００ｍｌ二口フラスコに化合物８３００ｍｇ、ジクロロメタン６０ｍｌ、トリエチルアミン１．２９ｇ、無水酢酸１．３０ｇを入れ、室温で１日撹拌した。水３０ｍｌを加え、３０分間撹拌した。反応溶液を分液ロートに移し、ジクロロメタン５０ｍｌ、水５０ｍｌを加え、水層と有機層を分離した。水層をジクロロメタン８０ｍｌで４回抽出し、有機層と合わせ、水１００ｍｌで２回、飽和食塩水１００ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、化合物９の無色粉末を得た（４４０ｍｇ、定量的）。

そして、窒素雰囲気下、２００ｍｌ二口フラスコに化合物９１５０ｍｇ、ジクロロメタン１００ｍｌ）、ｍ−ＣＰＢＡ７５％６６０ｍｇを加え室温で１日撹拌した。その後、飽和亜硫酸ナトリウム水溶液３０ｍｌ、１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液３０ｍｌを加えて失活させ、反応溶液を分液ロートに移し、ジクロロメタン５０ｍｌ、水５０ｍｌを加え、水層と有機層を分離した。水層をジクロロメタン８０ｍｌで５回抽出し、有機層と合わせ、飽和食塩水２００ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、化合物１０の無色粉末を得た（１６５ｍｇ、定量的）。

そして、１００ｍｌ二口フラスコに化合物１０７０ｍｇ、６Ｎ塩酸３０ｍｌ、テトラヒドロフラン３０ｍｌを加え、還流撹拌を３時間行った。これを、４Ｎ水酸化ナトリウム水溶液６００ｍｌに少量ずつ加え、室温で１日激しく撹拌した後、吸引ろ過し、水５０ｍｌで洗浄し、ろ物を減圧乾燥し、黄緑色粉末を得た。これを、１，２−ジクロロエタン３０ｍｌでコーティングし、シリカゲルカラムクロマトグラフィ（ＮＨシリカゲル、ジクロロメタン：メタノール＝３０：１）で精製し、化合物１０（ＢＡＳ−ｐ−Ａ）の黄緑色粉末を得た（３４ｍｇ、収率６９％）。

（合成例３）ＢＴｈＳ−ｐ−Ａ
下記に示すようなステップを経て、ＢＴｈＳ−ｐ−Ａを合成した。

まず、窒素雰囲気下、２００ｍｌ三口フラスコに水１４０ｍｌ、水酸化ナトリウム２７０ｍｇ、化合物１８００ｍｇを入れ、室温で３０分間撹拌した。続いて、塩化銅（I）３０ｍｇ、trans−１，２−シクロヘキサンジアミン５．３ｇ、２−ヨードチオフェン（化合物１２）３．１ｇを加え、還流撹拌を１日行った。放冷後、ジクロロメタン１５０ｍｌで３回抽出し、有機層を水１００ｍｌで３回、飽和食塩水１００ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィ（中性シリカゲル、ジクロロメタン）、（ＮＨシリカゲル、ジクロロメタン）で精製し、化合物３の黄色鱗片状結晶を得た（７０４ｍｇ、収率６５％）。

次に、窒素雰囲気下、２００ｍｌ三口フラスコに化合物１３５００ｍｇ、ジクロロメタン１００ｍｌ、トリエチルアミン１．６３ｇ、無水酢酸１．５２ｇを入れ、室温で６日間撹拌した。水１００ｍｌを加え、３０分撹拌した。反応溶液を分液ロートに移し、有機層と水層を分離した。続いて、有機層を水１００ｍｌで２回、飽和食塩水１００ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、酢酸エチル５０ｍｌ、次いで、ジクロロメタン１０ｍｌで洗浄し、化合物１４の無色粉末を得た（６０２ｍｇ、収率９６％）。

そして、窒素雰囲気下、２００ｍｌ三口フラスコに化合物１４１００ｍｇ、クロロホルム１００ｍｌ、ｍ−ＣＰＢＡ７５％２８０ｍｇを入れ、室温で５日間撹拌した。その後、飽和亜硫酸ナトリウム水溶液１０ｍｌ、１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液５０ｍｌを加えて失活させ、反応溶液を分液ロートに移し、有機層と水層を分離した。水層をクロロホルム５０ｍｌで５回抽出し、有機層と合わせ、飽和食塩水２００ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィ（ＮＨシリカゲル、ジクロロメタン）で精製し、化合物１５の無色粉末を得た（１１５ｍｇ、定量的）。

そして、２００ｍｌ三口フラスコに化合物１５１００ｍｇ、６Ｎ塩酸６０ｍｌ、テトラヒドロフラン６０ｍｌを入れ、還流撹拌を７日間行った。この際、２４時間ごとに濃塩酸１０ｍｌを加えた。これを、４Ｎ水酸化ナトリウム水溶液１２００ｍｌに少量ずつ加え、室温で１日激しく撹拌した後、吸引ろ過し、水５０ｍｌで洗浄した。ろ物を減圧乾燥し、化合物１６（ＢＴｈＳ−ｐ−Ａ）の黄緑色粉末を得た（８２ｍｇ、定量的）。

（合成例４）ＢＭｅＳ−ｐ−Ａ
下記に示すようなステップを経て、ＢＭｅＳ−ｐ−Ａを合成した。

まず、窒素雰囲気下、２５ｍｌ二口フラスコにメタノール１０ｍｌ、金属ナトリウム１９０ｍｇを入れ、室温で５分間撹拌した。化合物１５２０ｍｇを加え、室温で５分間撹拌し、次いで、ヨードメタン６２０ｍｇを加えて、室温で４時間撹拌した。１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液６ｍｌを加えて失活させ、反応溶液を分液ロートに移し、ジクロロメタン５０ｍｌ、水５０ｍｌを加え、有機層と水層に分離した。水層をジクロロメタン５０ｍｌで４回抽出し、有機層と合わせ、飽和食塩水１５０ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、化合物１７の深緑色鱗片状結晶を得た（４００ｍｇ、収率９５％）。

次に、窒素雰囲気下、１００ｍｌ二口フラスコに化合物１７３００ｍｇ、ジクロロメタン４０ｍｌ、トリエチルアミン１．５２ｇ、無水酢酸１．５３ｇを入れ、室温で１日撹拌した。反応溶液を吸引ろ過し、ろ物を減圧乾燥した（２６０ｍｇ）。また、ろ液を分液ロートに移し、ジクロロメタン１００ｍｌ、水１００ｍｌを加え、有機層と水層に分離した。水層をジクロロメタン５０ｍｌで５回抽出し、有機層と合わせ、水１５０ｍｌで２回、飽和食塩水１５０ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、ろ物と合わせて、化合物１８の無色粉末を得た（３８５ｍｇ、収率９０％）。

そして、窒素雰囲気下、１００ｍｌ二口フラスコに化合物１８１３５ｍｇ、ジクロロメタン５０ｍｌ、ｍ-ＣＰＢＡ７５％１０９０ｍｇを入れ、室温で２日間撹拌した。次いで、飽和亜硫酸ナトリウム水溶液１０ｍｌ、６Ｎ水酸化ナトリウム水溶液２０ｍｌを加え、室温で１８時間撹拌した。反応溶液を分液ロートに移し、水２０ｍｌを加えた、有機層と水層を分離した。水層をジクロロメタン５０ｍｌで５回抽出し、有機層と合わせ、水１５０ｍｌ、飽和食塩水１５０ｍｌで洗浄し、無水硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。その後、ロータリーエバポレータで溶媒を留去し、ジクロロメタン３０ｍｌに懸濁させ、吸引ろ過し、ろ物を減圧乾燥した（３０ｍｇ）。また、ろ液をシリカゲルカラムクロマトグラフィ（ＮＨシリカゲル、ジクロロメタン）で精製し、ろ物と合わせて、化合物１９（ＢＭｅＳ−ｐ−Ａ）の黄緑色粉末を得た（４０ｍｇ、収率３２％）。

（光学特性評価）
上記において合成したＢＰＳ−ｐ−Ａ、ＢＡＳ−ｐ−Ａ、ＢＴｈＳ−ｐ−Ａ及びＢＭｅＳ−ｐ−Ａについて、それぞれ、ＴＨＦ溶液における吸収スペクトル及び蛍光スペクトルの測定を行った。
ＢＭｅＳ−ｐ−Ａについては、水溶液における測定も行い、比較のため、汎用の水溶性蛍光色素であるフルオレセイン（０．１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液）についても同様に測定した。なお、フルオレセインの構造式を下記に示す。

これらの結果を表１にまとめて示す。
なお、表１における量子効率Φは、９，１０−ジフェニルアントラセン（シクロヘキサン溶液）を０．９５とした場合に対応する値である。

表１に示した結果から分かるように、本発明に係る有機蛍光材料であるＢＰＳ−ｐ−Ａ、ＢＡＳ−ｐ−Ａ、ＢＴｈＳ−ｐ−Ａ及びＢＭｅＳ−ｐ−Ａはいずれも、高い蛍光量子効率及び大きなストークスシフトを示すことが認められた。
また、ＢＭｅＳ−ｐ−Ａは、水溶性を示し、水中において、より高い蛍光量子効率及び大きなストークスシフトを示し、かつ、汎用の水溶性蛍光色素であるフルオレセインと比較して、ストークスシフトの優位性が認められた。

（安定性評価）
ＢＭｅＳ−ｐ−Ａ及びフルオレセインについて、水中での安定性の評価を行った。
なお、ＢＭｅＳ−ｐ−Ａは２．５×１０^-5Ｍの水溶液、また、フルオレセインは１．０×１０^-5Ｍの０．１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液を用いて、１５０Ｗキセノンランプによる白色光を照射し、その照射時間の経過に伴う吸光度の変化を測定することにより、安定性を評価した。
図１に、それぞれの照射時間と吸光度減少率の関係をグラフとして示す。

図１に示したグラフから、ＢＭｅＳ−ｐ−Ａは、汎用の蛍光色素であるフルオレセインよりも高い安定性を示すことが認められた。

Claims

下記一般式（１）で表される、スルホニルアニリン骨格を有する有機蛍光材料。

（式（１）中、置換基Ｒ¹，Ｒ²は、それぞれ独立に、アルキル基、フルオロアルキル基、フェニル基、ハロゲン原子又はアミノ基もしくはアルコキシ基で置換されたフェニル基、ナフチル基、チエニル基、ハロゲン原子で置換されたチエニル基、チアゾリル基、ハロゲン原子で置換されたチアゾリル基、ピリジル基、及び、ハロゲン原子で置換されたピリジル基のうちのいずれかである。）