CN100362004C - 高纯的三邻位金属化的有机铱化合物的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高纯三邻位金属化的有机铱化合物的制备方法和这种纯有机金属化合物，特别是d8金属化合物，它们在不远的将来将可以作为染料组分、活性组分（＝功能材料）用于一系列不同类型的应用场合，这种应用在最宽的意义上可以分类到电子工业中。

Description

高纯的三邻位金属化的有机铱化合物的制备方法
有机金属化合物，特别是d8金属化合物在不远的将来将可以作为染料组分、活性组分(＝功能材料)用于一系列不同类型的应用场合，这种应用在最宽的意义上可以分类到电子工业中。
以纯有机组分(对其结构的一般描述参见US4539507和US5151629)及其单独的组分为基础的有机电致发光器件，有机发光二极管(OLED)已经上市，如先锋公司(Pioneer)的具有有机显示器的车载收音机已证实了这一点。其他这类产品也将很快上市。尽管如此，但在这里仍然需要显著的改进以与目前领导市场潮流的液晶显示器(LCD)形成真正的竞争或超越它们。
前两年这一方面呈现的发展是使用显示出磷光而不是荧光的有机金属络合物[M.A.Baldo，S.Lamansky，P.E.Burrows，M.E.Thompson，S.R.Forest，Applied Physics Letters，1999，75，4-6]。
关于旋转概率方面的理论原因，使用有机金属化合物，能量效率和工艺效能高达4倍都是可能的。不管这种新的发展本身是否首先在很大程度上依赖于或是不依赖于相应的器件，在OLED中均可以找到还能利用这些优势(与单重态发光(＝荧光)对比的三重态发光(＝磷光))的组合物。为了能够用于移动应用场合，实际使用中的主要条件尤其注意的是操作寿命长，对热应力的稳定性好以及使用和操作电压低。
首先，对于相应的高纯有机铱化合物必须有有效的化学使用途径，特别是在考虑到铱的成本时，这一点对该类特殊化合物的经济利用起到决定性的重要作用。
文献中描述了许多制备三邻位金属化(ortho-metallated)的有机铱化合物的制备方法。下面使用这类特殊化合物的基本结构，fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)，来简要描述一般的使用路径、通过这些方法获得的收率及其缺点。
从水合氯化铱(III)和2-苯基吡啶开始，在繁杂的色谱纯化法之后得到fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)，收率约为10％[K.A.King，P.J.Spellane，R.J.Watts，J.Am.Chem.Soc.，1985，107，1431-1432]。
K.Dedeian等人描述了一种方法，是从乙酰丙酮铱(III)和2-苯基吡啶开始制备fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)，收率为45％。与上述方法类似，这一方法中的产品也不得不通过色谱法从不纯物中分离出来，并且由于它们的溶解性，在这里要使用卤代烃[K.Dedeian，P.I.Djurovich，F.O.Garces，G.Carlson，R.J.Watts，Inorg.Chem.，1991，30，1685-1687]。
在第三种文献方法中，二-μ-氯四[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-二铱(III)用作反应物，并且必须首先由水合氯化铱(III)和2-苯基吡啶来制备它，收率约为72％[S.Spouse，K.A.King，P.J.Spellane，R.J.Watts，J.Am.Chem.Soc.，1984，106，6647]，然后，它与2-苯基吡啶和以二-μ-氯四[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-二铱(III)计两倍摩尔量的三氟甲烷磺酸银反应。在色谱纯化后，作者得到三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)，收率为75％[M.G.Colombo，T.C.Brunold，T.Riedener，H.U.Güdel，Inorg.Chem.，1994，33，545-550]。除了色谱纯化外，它又使用卤代烃，使用以二-μ-氯四[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-二铱(III)计两倍摩尔量的三氟甲烷磺酸银进行反应也是不利的。
下表中，为了更好地概括，对这些参考进行了比较，包括实施例1中进行的比较实验。
表1：现有制备方法的文献比较
  参考1   参考2 参考3
  文献   比较试验
  反应物   IrCl<sub>3</sub>2-苯基吡啶   Ir(乙酰丙酮)<sub>3</sub>2-苯基吡啶   Ir(乙酰丙酮)<sub>3</sub>2-苯基吡啶 [Ir(ppy)<sub>2</sub>Cl]<sub>2</sub>2-苯基吡啶AgO<sub>3</sub>SCF<sub>3</sub>
  溶剂   2-乙氧基乙醇/水   乙二醇   乙二醇 无
  温度   ---   196-198℃   196-198℃ 110℃
  铱反应物浓度   0.03mol/l   0.02mol/l   0.02mol/l ---
  铱反应物与2-苯基吡啶的摩尔比   1∶4   1∶6.3   1∶6.3 1∶15
  反应时间   24h   10h   10h 24h
  收率   约10％，[Ir(μ-Cl)(ppy)]<sub>2</sub>为副产物   45％   39.3-44.0％ 75％
  HPLC纯度   无数据   无数据   94.0-96.0％ 无数据
表1：现有制备方法的文献比较
参考1：K.A.King，P.J.Spellane，R.J.Watts，J.Am.Chem.Soc.，1985，107，1431-1432；
S.Spouse，K.A.King，P.J.Spellane，R.J.Watts，J.Am.Chem.Soc.，1984，106，6647-6653。
参考2：K.Dedeian，P.I.Djurovich，F.O.Garces，G.Carlson，R.J.Watts，Inorg.Chem.，1991，30，1685-1687。
参考3：M.G.Colombo，T.C.Brunold，T.Riedener，H.U.Güdel，Inorg.Chem.，1994，33，545-550。
现在已经令人惊奇地发现，在不使用色谱纯化法的情况下，从乙酰丙酮铱(III)或类似的1，3-二酮螯合物和2-芳基吡啶开始，通过适合地选择反应参数，如反应温度、浓度和反应时间，可以重现地以约90-95％的收率得到式(I)的化合物(根据流程1)，HPLC纯度＞99.9％(参见方法A，实施例2-5)。
本发明提供一种制备化合物I的方法：
其中：
X为-CH＝CH-，-CR＝CH-，-CR＝CR-，N-H，N-R1，O，S或Se；优选-CH＝CH-，-CR＝CH-或S；
R在各种情况下相同或不同，为F，Cl，Br，NO2，CN，含1-20个碳原子的直链或支链或环状烷基或烷氧基，其中一个或多个不相邻的CH2基团可以被-O-，-S-，-NR1-或-CONR2-代替，并且其中一个或多个氢原子可以被F代替，或含4-14个碳原子的可以被一个或多个非芳基团R取代的芳基或杂芳基；以及在同一个环上或在两个不同环上的一些取代基R，它们可以一起形成另外的单环或多环体系；
R1和R2相同或不同，各自为H或含1-20个碳原子的脂肪或芳烃基；
a是0，1，2，3或4，优选0或1；
b是0，1或2，优选0或1，
它通过由式(Ia)的化合物
Figure C0280421200082
与式(Ib)的化合物
Figure C0280421200091
其中基团X，R，a和b均如式(I)中定义，
在双极性质子溶剂、其醚化衍生物或N-甲基吡咯烷酮(NMP)中反应来进行，反应温度为160-220℃，铱反应物(以铱计)的浓度为0.05-1.00mol/l，使用的配体(芳基-吡啶基衍生物)浓度为铱反应物浓度的4-20倍，反应时间为20-100小时。
本发明的方法由流程1表示：
流程1：
Figure C0280421200092
式(Ia)                  式(Ib)                            式(I)
本发明的反应介质是高沸点、双极性质子溶剂，如乙二醇或丙二醇，或其他高级二醇或多元醇，如甘油，或其他聚醚醇，如聚乙二醇，例如PEG600和PEG1000，以及它们的醚化同系物，如三甘醇二甲醚或聚(乙二醇)二甲醚，以及NMP。
根据本发明，反应在160-220℃的温度下进行，优选180-210℃。
根据本发明，铱反应物，即乙酰丙酮铱(III)或类似的1，3-二酮螯合物的浓度为0.05-1.00摩尔，优选0.08-0.25摩尔。
根据本发明，铱反应物，即乙酰丙酮铱(III)或类似的1，3-二酮螯合物与芳基-吡啶基衍生物的摩尔比为1∶4-1∶20，优选比例为1∶6-1∶15，特别优选1∶8-1∶12。
芳基-吡啶基衍生物的优选浓度为0.05-10.00摩尔，更优选0.08-2.50摩尔。
当浓度低于上述浓度时，除了转化度低外，还会形成棕色副产物并因此污染产物。
根据本发明，反应进行20-100小时，优选30-80小时。当反应时间比规定的时间短时，会导致所使用的铱反应物，即乙酰丙酮铱(III)或类似的1，3-二酮螯合物不完全转化，从而使收率损失并使产物被乙酰丙酮铱(III)或类似的1，3-二酮螯合物污染。
另外，已经令人惊奇地发现，在不使用色谱纯化法的情况下，从铱(III)化合物和盐的复分解反应中原位生成的2’-锂-2-芳基吡啶开始，在低温下可以重现地以约85-92％的收率得到式(II)的化合物，HPLC纯度＞99.9％(参见流程2；方法B，实施例6-8)。
本发明还提供一种制备化合物(II)的方法：
Figure C0280421200101
其中：
X为-CH＝CH-，-CR＝CH-，-CR＝CR-，N-H，N-R1，O，S或Se；优选-CH＝CH-，-CR＝CH-或S；
R’在各种情况下相同或不同，为F，含1-20个碳原子的直链或支链或环状烷基，其中一个或多个氢原子可以被F代替，或含6-14个碳原子的可以被一个或多个非芳基团R’取代的芳基；以及在同一个环上或在两个不同环上的一些取代基R’，它们可以一起形成另外的单环或多环体系；
R1在各种情况下相同或不同，并为含1-20个碳原子的脂肪或芳烃基；
a是0，1，2，3或4，优选0或1；
b是0，1或2，优选0或1，
它通过由式(IIb)的化合物
Figure C0280421200111
其中基团X，R’，a和b均如上所定义，与有机金属锂化合物反应得到式(IIc)的化合物，
Figure C0280421200112
随后使式(IIc)的化合物与Ir(III)化合物在低温下反应得到式(II)的目标化合物来进行。
根据本发明，使用的Ir(III)化合物是铱(III)的卤化物或拟卤化物，如氰化物，硫氰酸盐和氰酸盐或其衍生的络合物，优选氯化铱(III)，三吡啶氯化铱(III)和三(四氢噻吩)氯化铱(III)。
根据本发明，还使用原位制备的2’-锂-2-芳基吡啶基衍生物。
根据本发明，反应在低温下进行，优选-110至+10℃，更优选-110至-20℃，最优选-90至-40℃。从实验技术角度出发，在-78℃(使用丙酮/干冰冷浴)下进行反应证明是有利的。
反应按如下所述进行：
首先在低温下使用有机锂(如正、仲或叔丁基锂)对下述流程2的2-芳基吡啶或类似的前体在2’-位选择性去质子(步骤1)，并加入本领域技术人员公知的活化剂，即TMEDA(N，N，N’，N’-四甲基亚乙基-1，2-二胺)、2-羟乙基二甲胺或类似物，可能是有利的。然后在第二步中，使通过这一方式生成的芳基锂物质与上述铱(III)化合物进行盐复分解反应(步骤2)。当所使用的取代的2-芳基吡啶带有热不稳定的基团时该化合物是特别有利的，并且，使用极高温度的方法A不能用于这一反应。
步骤1：
Figure C0280421200121
步骤2：
Figure C0280421200131
化合物II
符号和标识在化合物(II)中已经进行了定义。
现有技术中描述的式(I)和(II)的化合物迄今为止可达到的最高纯度为96％，但是，根据本发明的制备方法却可获得纯度大于99.9％，优选超过99.9％的式(I)和(II)的化合物。这么纯的化合物迄今为止在本领域中还不为人所知，因此，它同样形成本发明主题的一部分。
下面通过实施例更详细地阐明本发明，但不希望局限于这些实施例。对于有机合成领域的技术人员来说，现在，勿需任何另外的创造性劳动，应该可以利用上述另外的体系实施本发明的反应。
1、三邻位金属化的有机铱化合物的合成：
以下合成直到完成时(up to the workup)均在干燥的纯氮气气氛下或氩气气氛下使用充分干燥的溶剂进行。使用的反应物得自ALDRICH[1.6摩尔的正丁锂的正己烷溶液，乙二醇，三甘醇二甲醚，聚乙二醇600或1000，氯化铱(III)，乙酰丙酮铱(III)，三吡啶氯化铱(III)]，并且使用时没有进一步纯化，或是通过文献方法制备的[三(四氢噻吩)氯化铱(III)：L. Mnsted，O.Mnsted，G.Nord，K.Simonsen，Acta Chem Scand.，1993，47，439-443；2-(4’，5’-二氟苯基)吡啶：类似于E.I.Negeshi，F.T.Luo，R.Frisbee，H.Matsushita，Heterocycles，1982，18，117]。
方法A
实施例1：fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)
根据以下文献的比较例：[K.Dedeian，P.I.Djurovich，F.O.Garces，G.Carlson，R.J.Watts，Inorg.Chem.，1991，30，1685-1687]
将4.90g(10.0mmol)的乙酰丙酮铱(III)和9.77g＝9.0ml(63mmol)的2-苯基吡啶加入到500ml脱气的乙二醇中，在充分的搅拌下，把悬浮液加热至回流(油浴温度为200-210℃)，加热10小时。在冷却到室温后，将反应混合物与3000ml浓度为1N的盐酸水溶液搅拌混合在一起，搅拌5分钟后，用通过玻璃吸滤器(P3)吸滤除去黄色沉淀。将粗产物转移入2000ml沸腾的二氯甲烷中，滤出不溶物并用200ml二氯甲烷洗两次。通过硅胶快速色谱脱除滤液中的棕色副产物，在向滤液中加入500ml甲醇后，蒸除二氯甲烷，沉淀出黄色微晶状粉末。
收到2.57-2.88g产品，HPLC纯度为94.0-96.0％，相当于收率为39.3-44.0％。
实施例2：fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)
将4.90g(10.0mmol)的乙酰丙酮铱(III)和15.52g＝14.0ml(100mmol)的2-苯基吡啶加入到100ml脱气的乙二醇中，在充分的搅拌下，把悬浮液加热至回流(油浴温度为200-210℃)，加热16小时。在冷却到室温后，将包含呈黄色微晶沉淀状产物fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)的反应混合物在搅拌下倾入到2000ml浓度为1N的盐酸水溶液中，搅拌5分钟后，反应混合物通过玻璃吸滤器(P3)吸滤，并将黄色微晶状沉淀用30ml的1N盐酸洗涤3次，用30ml的水洗涤5次，随后在80℃下高真空干燥5小时，200℃下高真空干燥2小时。
收到6.04-6.29g产品，HPLC纯度为＞99.9％，相当于收率为92.2-96.0％。
1H NMR(CDCl3)：[ppm]＝7.84(m，3H)，7.58(m，6H)，7.48(m，3H)，6.82(m，6H)，6.68(m，6H)。
实施例3：fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)
实施类似于实施例2的程序，除了用三甘醇二甲醚代替乙二醇之外。
收到5.90-6.13g产品，HPLC纯度为＞99.9％，相当于收率为90.1-93.6％。
1H NMR(CDCl3)：[ppm]＝参见实施例2。
实施例4：fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)
将100g聚乙二醇600或聚乙二醇1000，4.90g(10.0mmol)乙酰丙酮铱(III)和7.76g＝7.0ml(50mmol)2-苯基吡啶的混合物在Crigee设备中熔化，并通过施用真空并回充保护气进行脱气(三个循环)。充分搅拌下将悬浮液加热到180-200℃，加热30小时。逐渐把乙酰丙酮在贮器中脱除分离。在冷却到45℃后，将包含呈黄色微晶沉淀状产物fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)的反应混合物在搅拌下倾入到200ml浓度为1N的盐酸水溶液中，搅拌5分钟后，反应混合物通过玻璃吸滤器(P3)吸滤，并将黄色微晶状沉淀用30ml的1N盐酸洗涤3次，用30ml的水洗涤5次，随后在80℃下高真空干燥5小时，200℃下高真空干燥2小时。
收到5.87-6.02g产品，HPLC纯度为＞99.9％，相当于收率为89.6-91.9％。
1H NMR(CDCl3)：[ppm]＝参见实施例2
实施例5：fac-三[4，5-二氟-2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)
将4.90g(10.0mmol)的乙酰丙酮铱(III)和19.12g＝(100mmol)的2-(4’，5’-二氟苯基)吡啶加入到80ml脱气的乙二醇中，在充分的搅拌下，把悬浮液加热至回流(油浴温度为200-210℃)，加热60小时。在冷却到室温后，将包含呈黄色微晶沉淀状产物fac-三[4，5-二氟-2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)的反应混合物在搅拌下倾入到100ml浓度为1N的盐酸水溶液中，搅拌5分钟后，反应混合物通过玻璃吸滤器(P3)吸滤，并将黄色微晶状沉淀用30ml的1N盐酸洗涤3次，用30ml的水洗涤5次，随后在80℃下高真空干燥5小时，200℃下高真空干燥2小时。
收到7.13-7.37g产品，HPLC纯度为＞99.9％，相当于收率为93.4-96.6％。
1H NMR(CDCl3)：[ppm]＝8.35(m，3H)，7.66(m，3H)，7.53(m，3H)，6.93(m，3H)，6.67(m，3H)，6.39(m，3H)。
方法B
实施例6：fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)
将冷却到-78℃的5.12g＝4.72ml(33mmol)2-苯基吡啶和100mlTHF的混合物在搅拌下与20.6ml(33mmol)浓度为1.6摩尔的正丁基锂的正己烷溶液混合10分钟，深红色溶液在-78℃下另外搅拌1小时，然后与2.99g无水氯化铱(III)混合。使反应混合物在搅拌下于12小时内升温到室温，随后，在旋转蒸发器上除去THF，并将黄色的半固体残渣悬浮到100ml乙醇中并在搅拌下倾入到200ml浓度为1N的盐酸水溶液中，搅拌5分钟后，反应混合物通过玻璃吸滤器(P3)吸滤，并将黄色微晶状沉淀用30ml的1N盐酸洗涤3次，用30ml的水洗涤5次，随后在80℃下高真空干燥5小时，200℃下高真空干燥2小时。
收到5.66-5.79g产品，HPLC纯度为＞99.9％，相当于收率为86.4-88.4％。
1H NMR(CDCl3)：[ppm]＝参见实施例2。
实施例7：fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)
实施类似于实施例6的程序，除了用5.36g(10mmol)三(吡啶)氯化铱(III)代替氯化铱(III)之外。
收到5.83-6.05g产品，HPLC纯度为＞99.9％，相当于收率为89.0-92.3％。
1H NMR(CDCl3)：[ppm]＝参见实施例2。
实施例8：fac-三[2-(2-吡啶基-κN)苯基-κC]-铱(III)
实施类似于实施例6的程序，除了用5.66g(10mmol)三(四氢噻吩)氯化铱(III)代替氯化铱(III)之外。
收到5.61-5.70g产品，HPLC纯度为＞99.9％，相当于收率为85.7-87.0％。
1H NMR(CDCl3)：[ppm]＝参见实施例2。

Claims (6)

1.一种制备式(I)面式化合物的方法：
Figure C028042120002C1
其中：
X为-CH＝CH-，-CR＝CH-或-CR＝CR-；
R在各种情况下相同或不同，为F，Cl，Br，NO2，CN，含1-20个碳原子的直链或支链或环状烷基或烷氧基，其中一个或多个不相邻的CH2基团可以被-O-，-S-，-NR1-或-CONR2-代替，并且其中一个或多个氢原子可以被F代替；
R1和R2相同或不同，各自为H或含1-20个碳原子的脂肪烃基，或具有达20个碳原子的芳烃基；
a是0，1，2，3或4；
b是0，1或2，
它是由式(Ia)的化合物
Figure C028042120002C2
与式(Ib)的化合物
Figure C028042120003C1
其中基团X，R，a和b均如式(I)中定义，
在双极性质子溶剂、其醚化衍生物或N-甲基吡咯烷酮中反应来进行，反应温度为160-220℃，式(Ia)的铱反应物的浓度以铱计为0.05-1.00mol/l，使用的配体式(Ib)的芳基-吡啶基衍生物浓度为铱反应物浓度的4-20倍，反应时间为20-100小时。
2.如权利要求1要求的方法，其特征在于使用的溶剂是乙二醇，丙二醇，甘油，PEG600，PEG1000，三甘醇二甲醚，聚(乙二醇)二甲醚，或N-甲基吡咯烷酮。
3.如权利要求1或2要求的方法，其特征在于反应在180-210℃的温度范围内进行。
4.如权利要求1或2所要求的方法，其特征在于式(Ia)的铱反应物，即铱(III)1，3-二酮螯合物的浓度为0.08-0.25mol/l。
5.如权利要求1或2所要求的方法，其特征在于式(Ia)的铱反应物，即铱(III)1，3-二酮螯合物与式(Ib)的芳基-吡啶基衍生物的摩尔比为1∶6-1∶15。
6.如权利要求1或2所要求的方法，其特征在于反应进行30-80小时。
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