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Die
Erfindung betrifft neuartige Polyaza-polyacene, bestehend aus vier
bis sechs annelierten Pyrazinen, deren N-arylsubstituierte Hydroderivate
und weitere kondensierte Benzoreste, sowie Verfahren zu ihrer Herstellung
und ihre Verwendung als Fluoreszenzfarbstoffe, wie auch in der organischen
Halbleitertechnik, beispielsweise als Transistoren.
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In
der Literatur ist die Darstellung und Reaktivität von Pyrazinen gut etabliert.
Es existieren zahlreiche Daten zu Ringsystemen, bei welchen bi-
und tricyclische Systeme durch Annelierung dieser Sechsringheterocyclen
gebildet werden. So finden einige dieser Derivate Interesse als
biologisch aktive Verbindungen (
Verini, M. A.; Fioretti,
A.; Casazza, A. M.; Sanfilippo, A.; Palamidessi, G.; Ghione, M.:
Antiviral activity of a pyrazinopyrazine derivative, Chemotherapy,
Basel, Switzerlan, 1975, 21(3–4),
221-30;
Gulbenk, Aylin H.; Horne, Dorothy J.; Johnston,
Howard: Pesticidal 2,3-dichloro-5-10-dihydropyrazino[2,3-b]quinoxaline and
related compounds, US., 1972, 6 pp.;
Paz, Mercedes
A.; Martin, Pierre; Flueckiger, Rudolf; Mah, James; Gallop, Paul
M.: The catalysis of redox cycling by pyrroloquinoline quinone (PQQ),
PQQ derivatives, and isomers and the specificity of inhibitors,
Analytical Biochemistry, 1996, 238(2), 145–149;
Martin,
Pierre; Winkler, Tammo: Formation of derivatives of PQQ [4,5-dihydro-4,5-dioxo-1H-pyrrolo[2,3-f]quinoline-2,7,9-tricarboxylic
acid] and PQQ-triester for the detection of PQQ, Helvetica Chimica
Acta, 1993, 76(4), 1678-86;
Gulbenk, Aylin H.;
Horne, Dorothy J.; Johnston, Howard: Tricyclic pyrazino compounds,
US., 1973, 6 pp.), andere werden sowohl in Lösung als auch
im festen Zustand als effiziente Fluoreszenzfarbstoffe beschrieben
(
Matsuoka, Masaru; Tei, Zairin; Fukunishi, Koshi; Yakihara,
Tomio: Preparation of fluorescent 1,4,6,9-tetraaza-5,10-dehydrophenazine
derivatives, Nippon Soda Co., Ltd., Japan, Jpn. Kokai Tokkyo Koho,
1998, 4 pp.;
Matsui, Nobuo; Hatano, Hiromi; Nagasaki, Fumihiko;
Takahashi, Hiroshi: Preparation of 2,3-disubstituted-6,7-dicyano-1,4,5,8-tetraazanaphthalene
derivatives and polyazanaphthalocyanine derivatives, Nippon Soda
Co., Ltd., Japan, Jpn. Kokai Tokkyo Koho, 1991, 14 pp.;
Takahashi,
Hiroshi; Kimura, Kimiharu: 2,3-Di-substituted-6,7-dicyano-1,4,5,8-tetraazanaphthalenes
as monomers, Nippon Soda Co., Ltd., Japan, Jpn. Kokai Tokkyo Koho,
1989, 5 pp.;
Takahashi, Hiroshi; Shiraishi, Shinsaku:
2,3,6,7-Tetracyano-1,4,5,8-tetraazanaphthalene
as reagent for fluorometric determination of polyamines and others,
Nippon Soda Co., Ltd., Japan, Jpn. Kokai Tokkyo Koho, 1989, 4 pp.;
Matsuoka, Masaru;
Tei, Zairin; Fukunishi, Koshi; Yakihara, Tomio: Preparation of fluorescent
1,4,6,9-tetraaza-5,10-dehydrophenazine
derivatives, Jpn. Kokai Tokkyo Koho, 1998, 4 pp.;
US 2,495,202 ;
Takahashi,
Hiroshi; Kimura, Kimiharu.: Light-resistant fluorescent polymer
products, Nippon Soda Co., Ltd., Japan. Jpn. Kokai Tokkyo Koho, 1989,
4 pp.;
JP 87-313882 ;
Baganz,
Horst; Kruger, Karl Eugen: 1,2-Dialkoxyethenes. VIII. Preparations
and reactions of 1,1,2,2-tetrachloro-1,2-dialkoxyethanes, Tech.
Univ. Berlin-Charlottenburg,
Chemische Berichte, 1958, 91, 806-8;
De, Satish
Chandra; Dutta, Paresh Chandra: Dyes derived from pyrazine-2,3-dicarboxylic acid,
Ber., 1931, 64B 2606-9;
Ogg, R. A., Jr.; Bergstrom,
F. W.: Cyclic ammono ketones and acid chlorides of the quinoxaline
series, Journal of the American Chemical Society, 1931, 53 1846-53;
Kehmann,
V; Bener, C.: Phenyl and halogen derivatives of fluoflavine, Helvetica
Chimica Acta, 1925, 8, 20-2), und in der Halbleitertechnik
werden solche stabilen Elektronenmangelaromaten als n-Typ Transistoren
verwendet (
Lai, William W.; Millward, Andrew R.; Francis,
Anthony H.; Rasmussen, Paul G.: Identification and characterization
of a new n-carrier material suitable for electronics application.
PMSE Preprints, 2005, 92, 620–621;
Yamashita,
Takao; Su, Na-Ri; Nishida, Junichi: Dicyanopyrazinoquinoxalines
showing high electron affinity for FET, Jpn. Kokai Tokkyo Koho,
2004, 14 pp.;
WO
2003052777 A1 ;
Starodub, V. A.; Tsyguleva, O. M.:
Electronic properties of heterocyclic analogs of fulvalene and derivatives
of thiafulvalenes and the possibility of using them in the synthesis
of organic semiconductors, Elektron. Org. Mater, 1985, 375-7;
Nishida,
Junichi; Naraso; Murai, Shio; Fujiwara, Eiichi; Tada, Hirokazu;
Tomura, Masaaki; Yamashita, Yoshiro: Preparation, Characterization,
and FET Properties of Novel Dicyanopyrazinoquinoxaline Derivatives,
Organic Letters, 2004, 6(12), 2007–2010;
Saso,
Haruo; Takahashi, Toshiaki. Charge transfer molecular associations
containing planar compounds having cyano-substituted pyrazine rings, Nippon Soda
Co., Ltd., Japan, Jpn. Kokai Tokkyo Koho, 2004, 17 pp).
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Präparative
Arbeiten, die mehr als drei linear kondensierte Pyrazine beinhalten,
sind nur sehr wenig in der Literatur beschrieben. So sind cyanosubstituierte
Pyrazinringe, Ringzahl bis zum Decaazapentacen (
Haruo Saso,
Toshiaki Takahashi: Charge transfer molecular associations containing
planar compounds having cyano-substituted pyrazine rings, Jpn. Kokai
Tokkyo Koho, 2004, 17 pp.;
JP 2004189674 A2 ) sowie
1,4,10,11-tetrabutoxy-5,6,7,8,13,14,15,16-octaazadihydrohexacene
(
Shinichi Kawai, Akira Ikegami. The synthesis of 1,4,10,11-tetrabutoxy-5,6,7,8,13,14,15,16-octaazadihydrohexacene,
Nippon Kagaku, 1959, 80, 555–556)
bisher bekannte Arbeiten über
synthetisierte Verbindungen.
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Für alle genannten
Verbindungen und präparative
Arbeiten besteht jedoch das Problem, in einem Pyrazinsystem gleichzeitig
hinreichende Stabilität,
Löslichkeit
und insbesondere eine leichte Zugänglichkeit zu realisieren.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, neue Polyaza-polyacene
anzugeben, welche leicht und einfach zugänglich sind und eine hohe Stabilität, Löslichkeit
und Funktionalisierungsmöglichkeit
besitzen. Insbesondere sollen diese Polyaza-polyacene als Fluoreszenzfarbstoffe
sowie zur Anwendung in der organischen Halbleitertechnik geeignet
sein.
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Überraschend
wurden zur Lösung
dieser Aufgabe Polyaza-polyacene gefunden, die aus mindestens vier
Pyrazinen bzw. deren Hydroderivaten bestehen, wobei zwei dieser
Hydroderivatringe jeweils wenigstens einen Arylrest aufweisen. Solche
vorteilhaften Polyaza-polyacene sind insbesondere Octaazatetracene
der allgemeinen Formel I:
Dodecaazahexacene
der allgemeinen Formel II:
und
Octaazatetracene der allgemeinen Formel III:
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Die
gefundenen Polyaza-polyacene sind, insbesondere mit dem an der Friedrich-Schiller-Universität Jena durch
dyotrope Umlagerung aus Tetraazafulvalenen an sich bekannten Verfahren
zur Herstellung von 1,4,5,8-Tetraazanaphthalenen (Frances
Stoeckner, Christian Kaepplinger, Rainer Beckert, Helmar Goerls:
Dyotropic rearrangements of tetraazafulvalenes – a new approach to amino-substituted
1,4,5,8-tetraazanaphthalenes, Synlett 4, 2005, 643–645),
gut und aufwandgering zugänglich
und weisen eine überraschend
hohe Stabilität
und Löslichkeit
auf. Die variablen, einfach einführbaren
exocyclischen Phenylreste (Ar) bieten eine gute Funktionalisierungsmöglichkeit,
da mit ihnen sehr leicht eine Vielzahl an Substituenten eingeführt werden
können,
die zum Beispiel als Haftgruppen oder als Wasserlöslichkeit
vermittelnde Reste dienen können.
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Die
vorgeschlagenen neuen Verbindungen 5,11-Bis-aryl-5,11-dihydro-1,4,5,6,7,10,11,12-octaazatetra-cen-2,3,8,9-tetracarbonitril
(I) und 5,8,13,16-Tetrakis-aryl-5,8,13,16-tetrahydro-1,4,5,6,7,8,9,12,13,14,15,16-dodecaza-hexacen-2,3,10,11-tetracarbonitril
(II) werden auf folgendem Syntheseweg hergestellt:
Die Kondensation
von 5,6-Dihydropyrazino[2,3-b]pyrazin mit einem Überschuss an 2,3-Dichlor-5,6-dicyanopyrazin
wird unter Zusammenschmelzen bei 200 °C im Argonstrom (vorzugsweise
15–20
Minuten) durchgeführt. Die
Kondensation von Pyrazino[2,3- b]pyrazin
wird nach dem prinzipiell gleichen Verfahren durchgeführt (vgl. nachstehende
sowie in den Unteransprüchen
aufgeführte
Reaktionsfolgen).
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Mit
den vorgenannten Synthesen lassen sich diese besagten Polyaza-polyacene,
welche beispielsweise sehr gut als Elektronenmangelverbindungen
in der organischen Halbleitertechnik (Transistoren) geeignet sind,
relativ aufwandgering herstellen.
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Die
Verbindung 3,11-Di-alkyl-5,13-bis-aryl-5,13-dihydro-5,6,7,8,13,14,15,16-octaaza-hexacen (III) wird
auf folgendem Synthesewege hergestellt (vgl. auch nachstehende sowie
in den Unteransprüchen
aufgeführte
Reaktionsfolgen):
Methode 1: 1,4,5,8-Tetrazafulvalen wird in
Gegenwart von Luftsauerstoff in Xylol und einem geringen Zusatz von
Diisobutylamin mehrere Stunden in Gegenwart von Luftsauerstoff bei
130 °C erhitzt.
Methode
2: Pyrazino[2,3-b]pyrazin wird in DMSO mehrere Stunden in Gegenwart
von Luftsauerstoff bei 130 °C
erhitzt.
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Mit
solcher Synthese lässt
sich dieses chinoide Octaazatetracen ebenfalls relativ aufwandgering
und in der Praxis gut verfügbar
herstellen.
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Auf
Grund der spektrometrischen Eigenschaften finden diese Verbindungen
beispielsweise sehr gut Verwendung als langwellig absorbierende
und emittierende Farbstoffe in Lichtsammlern sowie als Fluoreszenzfarbstoffe
beispielsweise in der biochemisch-medizinischen Diagnostik.
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Die
Erfindung sollen nachstehend anhand von Versuchsbeispielen näher erläutert werden.
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Ausführungsbeispiel
1:
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5,11-Bis(4-tert-butylphenyl)-5,11-dihydro-[1,4,5,6,7,10,11,12]-octaazatetracen-2,3,8,9-tetracarbonitril
(I)
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0,001
mol 7-(4-Tert-butylphenylamino)-5-(4-tert-butylphenyl)-5,6-dihydro-6-imino-pyrazino-[2,3-b]pyrazin-2,3-dicarbonitril
werden mit 0,005 mol 2,3-Dichlor-5,6-dicyanopyrazin 15 Minuten bei
200 °C im
Argonstrom erhitzt. Nach beendeter Reaktion wird über Kieselgel
säulenchromatographisch
aufgearbeitet. Das überschüssige 2,3-Dichlor-5,6-dicyanopyrazin wird
mit Toluol eluiert und anschließend
das Produkt mit Toluol/Essigester 19:1 abgetrennt.
Ausbeute:
(30 %),
gelber Feststoff,
UV/VIS: λmax (lgε) = 482 nm
(4.9) (CH3CN); Fluoreszenz: λmax =
487 nm, (φ):0.55.
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Ausführungsbeispiel
2:
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5,8,13,16-Tetrakis-(3-trifluoromethyl-phenyl)-5,8,13,16-tetrahydro-1,4,5,6,7,8,9,12,13,14,15,16-dodecaaza-hexacen-2,3,10,11-tetracarbonitril
(II)
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0,7
mmol N,N',N'',N'''-Tetrakis-(3-trifluoromethyl-phenyl)-pyrazino[2,3-b]pyrazin-2,3,6,7-tetraamin werden
in 10 mmol 2,3-Dichlor-5,6-dicyanopyrazin bei 200 °C gerührt. Nach
30 Minuten ist kein Ausgangsstoff mehr nachweisbar. Die Reaktionskontrolle
erfolgt mittels Dünnschichtchromatographie
Kieselgel Toluol/Essigester 2:1. Nach beendeter Reaktion wird über Kieselgel
säulenchromatographisch
aufgearbeitet. Das überschüssige 2,3-Dichlor-5,6-dicyanopyrazin
wird mit Toluol eluiert und anschließend das Produkt mit Toluol/Essigester
19:1 abgetrennt.
Ausbeute: 30 %,
oranger Feststoff,
UV/VIS: λmax =
517 nm (CH3CN); Fluoreszenz: λmax =
522 nm, (φ):0.60.
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Ausführungsbeispiel
3:
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3,11-Di-tert-butyl-5,13-bis-(4-tert-butyl-phenyl)-5,13-dihydro-5,6,7,8,13,14,15,16-octaaza-hexacen (III)
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Methode
1: Bei der Umsetzung von 0,1 mol 1,4,5,8-Tetraazafulvalen in 100
ml Xylol unter Zugabe von 1 ml Diisobutylamin in Gegenwart von Luftsauerstoff
erhält
man nach 20 Stunden bei 130 °C
das zweifach cyclisierte intensiv rot fluoreszierende Produkt (III).
Der Reaktionsverlauf wird dünnschichtchromatographisch verfolgt
(Al2O3 Toluol/Aceton
3:2). Zur Aufarbeitung wird das Reaktionsgemisch komplett eingeengt
und säulenchromatographisch über Al2O3 mit Toluol/Aceton
als Eluent aufgearbeitet.
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Methode
2: N,N',N'',N'''-Tetrakis-(4-tert-butyl-phenyl)-pyrazino[2,3-b]pyrazin-2,3,6,7-tetraamin
wird in Gegenwart von Luftsauerstoff 12 Stunden bei 130°C in DMSO
erhitzt. Die Aufarbeitung erfolgt gemäß Methode 1.
Ausbeute:
50 %,
blauer Feststoff,
UV/VIS: λmax (lgε) = 599 nm
(4.7)(CH3CN); Fluoreszenz: λmax =
603 nm,(φ):0.88.