DE69839015T2

DE69839015T2 - Seltene erden und komplex gruppe enthaltende komplex

Info

Publication number: DE69839015T2
Application number: DE69839015T
Authority: DE
Inventors: Jan Willem Verhoeven; Erik Boudewijn Van Der Tol; Frank Johannes Steemers; Willem Verboom; David Nicolaas Reinhoudt; Johannes Willem Hofstraat
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: EP1019401A1; ATE384060T1; EP1019401B1; DE69839015D1; AU7336298A; WO1998049163A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen, ein Seltenerdmetall-Ion und eine komplexbildende Komponente enthaltenden Komplex, ein Verfahren zur Herstellung desselben, eine optische Vorrichtung sowie ein, diesen Komplex aufweisendes Diagnosekit.
Molekularsysteme, welche eine bestimmte Bindefähigkeit und langlebige Lumineszenz in sich vereinigen, sind zur Verwendung als Chemosensoren und Lumineszenzsonden von großem Interesse. Besonders Lanthanoidionen sind aufgrund ihrer relativ langen Lumineszenzlebensdauer (bis zu ms) und deren Emission in dem sichtbaren Teil des Spektrums von Interesse. Solche Lanthanoid-basierte Sonden wurden für einen großen Anwendungsbereich eingesetzt. Der Nachteil des niedrigen Extinktionskoeffizienten von Lanthanoidionen kann durch Verwendung einer Sensibilisator-("Antenne") Komponente behoben werden. In jüngster Zeit wurden ebenfalls Lanthanoid-Lumineszenzsonden im nahen Infrarot vorgeschlagen, bei denen Nd³⁺ oder Yb³⁺ als Luminophore verwendet wird, welches beide Ionen sind, die in dem Bereich jenseits von 800 nm emittieren und in dem sichtbaren Bereich des Spektrums anregbar sind. Durch den gleichen Lösungsweg könnte das Er³⁺ Ion, welches Lumineszenz in dem 1530 nm-Bereich vorsieht, angeregt werden. Solche Komplexe sind ebenfalls zur Verwendung in optischen Geräten, wie z. B. optischen Verstärkern und Laser, von Interesse.
Es besteht nun der Anspruch, dieses Verfahren so zu optimieren, dass der Sensibilisator multiple Lanthanoidionen (Eu³⁺, Tb³⁺, Sm³⁺, Dy³⁺, Nd³⁺, Yb³⁺, Er usw.) bei hoher Lumineszenzausbeute sensibilisiert, wodurch eine Mehrsondenanalyse möglich ist. Darüber hinaus sollte der Sensibilisator eine Absorption in dem nahen UV/VIS-Bereich aufweisen, um den Einsatz kostengünstiger Glasoptik und einfacher Anregungsquellen (z. B. Hg-Lampe) zu ermöglichen. In Anbetracht der relativ kurzen Wellenlänge von Tb³⁺ ist dadurch zur effektiven Sensibilisierung lediglich ein kleines Anregungsfenster möglich. Aufgrund seiner hohen intrinsischen Quantenausbeute und relativ geringen Empfindlichkeit gegenüber nicht radiativen Quenching-Effekten ist insbesondere die Sensibilisierung von Tb³⁺ wünschenswert.
In der Europäischen Patentanmeldung EP 171 978 wurde die Verbindung 4,5,9,14-Tetraaza-(1,2,3,4)-dibenzanthracen (TADDA) offenbart, die mit dem Seltenerdmetall-Ion Europium(III) einen Komplex bildet. Dieser Komplex weist jedoch eine geringe Lumineszenz-Quantenausbeute auf.
In der Europäischen Patentanmeldung EP 493 745 wurde eine Fluoreszenzverbindung offenbart, welche mit den Seltenerdmetall-Ionen einen Komplex bildet. Solche Verbindungen sind makrozyklische Verbindungen, welche zwei Phenanthrenkomponenten enthalten, die eine Käfigstruktur bilden, in welcher das Seltenerdmetall-Ion komplexiert werden kann. Diese Verbindungen wurden durch relativ komplexe, synthetische Verfahren erhalten, und es stellte sich weiterhin heraus, dass diese eine begrenzte Anwendbarkeit und zuweilen geringe Quantenausbeuten aufweisen. Es besteht jedoch Bedarf an einfachen Verbindungen, die mit Seltenerdmetall-Ionen stark komplexieren, hohe Quantenausbeuten aufweisen und sowohl für IR- als auch UV-Lumineszenz eingesetzt werden können.
Es hat sich gezeigt, dass geeignete Komplexe solche Komplexe sind, die ein Seltenerdmetall-Ion und die komplexbildende Komponente der allgemeinen Formel
enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass
X unabhängig CH oder N ist und die Bindungen a, b, c, d und e sowie die Kombination aus Bindungen i/ii und iii/iv mit einer Benzolgruppe oder einer kondensierten, aromatischen Komponente optional kondensiert werden, wobei aromatische Kohlstoffatome durch Stickstoffatome ersetzt werden können und wobei die komplexbildende Komponente gegen C_1–6 Alkyl, C_2–6 Alkenyl, C_2–6 Alkynyl, C_3–4 Alkylen, CN, Halogen, COOH, C_1–3 Alkyl-COOH, NO₂, NH₂ oder eine "Pending Group" (Seitenkette) zur weiteren Funktionalisierung oder Komplexierung ausgetauscht werden kann.
Für umfangreiche, auf direkte Koordination gerichtete Studien wurden Bipyridin-Komplexe eingesetzt. Lehn et al., Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 29 (1990), 1304, verwendeten Kryptate, bei denen Bipiyridin ("die Antenne") in die makrozyklische Struktur inkorporiert ist. In wässriger Lösung wandeln die Eu³⁺- und Tb³ ⁺-Kryptate jedoch lediglich etwa 1% der einfallenden UV-Photonen in emittierte, sichtbare Photonen um. Hemmilä et al., Helv. Chim. Acta., 76 (1993), 1361, untersuchten Terpyridinstrukturen und Picolinsäurederivate (J. Chem. Soc., Perkin Trans., 2 (1995), 995), bei denen die koordinierende Pyridinkomponente als Sensibilisator dient, wobei sich bei Eu³⁺ und Tb³⁺ eine hohe Quantenausbeute ergibt.
Es hat sich nun gezeigt, dass zusätzlich zu den mit 1 und 2 bezifferten N-Atomen die Zugabe von mindestens einem weiteren N-Atom in einem der aromatischen Kerne und vorzugsweise zwei weiteren N-Atomen in dem aromatischen Kern die Quantenausbeute des Komplexes und den Extinktionskoeffizienten des Sensibilisators wesentlich verbessert.
Die im vorliegenden Fall beanspruchten Verbindungen enthalten ein Seltenerdenmetall-Ion und die komplexbildende Komponente der allgemeinen Formel:
wobei X unabhängig CH oder N ist und die Bindungen a, b, c, d, e, f und g mit einer Benzolgruppe oder einer kondensierten, aromatischen Komponente optional kondensiert werden, wobei aromatische Kohlenstoffatome durch Stickstoffatome ersetzt werden können und wobei die komplexbildende Komponente gegen C_1–6 Alkyl, C_2–6 Alkenyl, C_2–6 Alkynyl, C_3–4 Alkylen, CN, Halogen, COOH, C_1–3 Alkyl-COOH, NO₂, NH₂ oder eine "Pending Group" (Seitenkette) zur weiteren Funktionalisierung oder Komplexierung ausgetauscht werden kann, wobei die "Pending Group" (Seitenkette) eine Kopplungskomponente aufweist, welche aus der aus Isothiocyanat, aktiviertem Ester, Epoxid, Essigsäureanhydrid, Maleimid, Halogenoacetamid, Amino, Thio, Hydrazid, Aldehyd, Isocyanat, Säurechlorid, Hydroxy bestehenden Gruppe gewählt wird, einer Gruppe zur Bildung eines Komplexes mit einem Seltenerdmetall-Ion, wobei die Gruppe eine stickstoffhaltige, schwefelhaltige oder eine phosphorhaltige Gruppe oder Calixaren ist.
Unter dem Begriff C_1–6-Alkyl wird eine verzweigte oder unverzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, wie z. B. Methyl, Ethyl, Propylisopropyl, Butyl, Neopentyl und Hexyl, verstanden. Der Begriff C_1–3-Alkyl in Alkyl-COOH bedeutet Methyl, Ethyl oder Propyl. Methyl ist die bevorzugte Alkylgruppe. Unter den Begriffen C_2–6-Alkenyl und C_2–6-Alkynyl wird jeweils eine Alkenyl- oder Alkynyl-Gruppe mit 2 bis 6 Kohlenstoffatomen verstanden. Beispiele sind Ethenyl, Propenyl, Ethynyl, Propynyl u. ä. Die C_3–4-Alkylen-Gruppe bildet zusammen mit der aromatischen Gruppe, mit der sie eine Bindung eingeht, einen 5- oder 6-gliedrigen Ring. Der Begriff Halogen bedeutet Fluor, Chlor, Brom oder Iodum.
Unter dem Begriff "Pending Group" (Seitenkette) zur weiteren Funktionalisierung oder Komplexierung wird eine "Pending Group" verstanden, die auf diesem Fachgebiet eingesetzt wird, um sich mit Peptiden, Proteinen, Kohlenhydraten oder Nucleotiden zu verbinden, oder die einen Komplex mit Seltenerdmetall-Ionen bilden kann. Solche "Pending Groups" (Seitenketten) besitzen ein Atom oder Atome (Kopplungskomponente), die eingesetzt werden können, um sich mit anderen Gruppen oder einer Gruppe oder Gruppen, die zur Komplexierung mit Seltenerdmetall-Ionen verwendet werden können, zu verbinden. Übliche Kopplungskomponenten sind zum Beispiel Isothiocyanat, aktivierter Ester (z. B. N-hydroxysuccinimidylester), Epoxid, Essigsäureanyhdrid und Maleimid zur Verbindung mit Aminogruppen, Amino zur Verbindung mit Isothiocyanat, aktiviertem Ester, Epoxid, Essigsäureanhydrid und Maleimidgruppen, Maleimid und Halogenoacetamid zur Verbindung mit Thiolgruppen, Thiol zur Verbindung mit Maleimid- und Halogenoacetamidgruppen, Hydrazid zur Verbindung mit Aldehydgruppen, Aldehyd zur Verbindung mit Hydrazidgruppen, Isocyanat und Säurechlorid zur Verbindung mit Hydroxy-, Amino- Thiohydroxy- und Carboxylgruppen, sowie Hydroxy zur Verbindung mit Isocyanat- und Saurechloridgruppen. Gruppen, welche Komplexe mit Seltenerdmetall-Ionen bilden können, sind Carbonsäure und Stickstoff, Schwefel sowie Phosphor enthaltende Gruppen. Es ist von besonderem Vorteil, "Pending Groups" (Seitengruppen) zu verwenden, welche Calixaren oder ähnliche Gruppen aufweisen.
Die kondensierte, aromatische Gruppe ist eine Gruppe, wie z. B. Naphthalen, Phenalen, Naphthacen, Perylen, Pyren, Phenanthren, Anthracen, Acenaphthylen, Inden, Benzanthracen, Naphthoperylen u. ä. Vorzugsweise wird die komplexbildende Komponente mit einer Benzol- oder eine Naphthalengruppe kondensiert.
Die Komplexe können in optischen Vorrichtungen und Diagnosekits eingesetzt werden. Alternativ können die beschriebenen Komplexe bei optischer Verstärkung oder als aktives Material in einem Laser oder aber für den Sicherheitspapierdruck (Banknoten usw.) verwendet werden.
Die Erfindung wird weiterhin durch die folgenden Beispiele dargestellt.
Beispiel 1
Synthese von Diazatriphenylen
Einbau von N-Atomen auf cis-facile Weise in die Triphenylenstruktur bietet eine Möglichkeit, Lanthanoidatome zu koordinieren. Zu diesem Zweck wurde Diazatriphenylen (3) unter Anwendung eines geringfügig modifizierten Literaturverfahrens (Thang, D. C.; Jacquignon, P.; Dufour, M. J. Heterocyclic Chem., 13 (1976), 641) durch eine doppelte Skraup-Reaktion von 2,3-Diaminonaphthalen (1) synthetisiert. Eine zweifache Durchführung einer Michael-Addition an Acrolein (durch Dehydration von Glycerin mit Schwefelsäure erhalten), gefolgt von einer säurekatalysierten Zyklisierung, ergab Diamin (2) in einer Ausbeute von 51%. Diamin (2) wurde mit Arsenpentoxid oxidiert, um Diazatriphenylen (3) in quantitativer Ausbeute vorzusehen (Schema 1). Die Funktionalisierung von 3 durch eine Nitrierungsreaktion, um Nitrodiazatriphenylen (4) zu erhalten, wurde unter Anwendung von Literaturverfahren (Richardson, F. S. Chem. Rev., 82 (1982), 541) durchgeführt.
Es folgt eine detaillierte Beschreibung der Synthese:
Trockenes Glycerin (5 g) wurde tropfenweise konzentrierter Schwefelsäure (15 ml) beigemischt. Das Gemisch wurde 5 Minuten bei Raumtemperatur gerührt. Diamino-2-3-naphthalen (5 g) wurde portionsweise zugegeben. Während dieser Zugabe wurde das Gemisch durch Erhitzen mit einem Metallbad in dem flüssigen Zustand gehalten. Nach Beendigung der Zugabe wurden Arsenpentoxid (6,5 g) und Schwefelsäure (30 ml) hinzugefügt. Das Gemisch wurde 2 Stunden bei 130–140°C erhitzt. Das Gemisch konnte bei Raumtemperatur abkühlen und wurde in Wasser (100 ml) und zerstoßenem Eis (100 g) ausge schüttet. Der pH-Wert der Lösung wurde auf 9 eingestellt. Der braune Niederschlag wurde abgefiltert und der Rückstand danach in Ethylacetat (100 ml) gelöst. Die organische Lösung wurde über einer Aluminiumoxidsäule (neutral, Eluent: Ethylacetat) gespült. Das Produkt wurde als ein gelber Feststoff erhalten: mp. 183–184°C (lit. 183°C).
Schema 1: Synthese von Diazatriphenylen (3)
Beispiel 2
Synthese von Tetraazatriphenylenen und Derivaten von 1,10-Phenanthrolin-4-5-chinon
Die Tetraazatriphenylen-Derivate (6-11) wurden, ausgehend von 1,10-Phenanthrolin-4,5-chinon (5), erhalten aus der Oxidation von 1,10-Phenanthrolin-Monohydrat mit Brom (in situ aus Schwefelsäure und Natriumbromid erzeugt) und Salpetersäure gemäß Literaturverfahren (Gillard, R. D.; Hill, R. E. E.; Maskill, R. J. Chem. Soc. (A) 1970, 1447) synthetisiert. Anschließend wurde die Schiffsche Base mit den Diaminen o-Diaminobenzol, cis-Diaminocyclohexan, Diaminomalononitril oder Ethylendiamin und 1,10-Phenanthrolin-4,5-chinon in Ethanol (oder Tetrahydrofuran) gebildet, woraufhin nach einer Oxidationsstufe für Verbindungen 6, 8, 10 und 11 (Sauerstoff aus der Luft) die Tetraazatriphenylene (6-11) in von 80–84% reichenden Ausbeuten vorgesehen wurden. Die nachfolgende Erwärmung des Diols mit Triethylamin als Base in N,N-Dimethylformamid (DMF) resultierte darin, dass das Dicyanotetraazatriphenylen (7) in einer Ausbeute von 80% vorgesehen wurde.
Es wurden die folgenden Produkte hergestellt:
Dipyrido[3,2-f:2',3'-h]chinoxalin (6)
Einer Lösung aus 1,10-Phenanthrolin-4,5-chinon (0,60 g, 2,85 mmol) in Tetrahydrofuran (600 ml) wurde tropfenweise Ethylendiamin (0,19 g, 2,85 mmol), in Tetrahydrofuran (10 ml) gelöst, beigemischt. Es wurden Molekularsiebe (3 Å) zugefügt, und die Lösung wurde 4 Stunden refluxiert. Die Lösung wurde im Vakuum konzentriert. Der leicht gelbe Feststoff wurde in Dichloromethan (100 ml) gelöst und mit 1 N Chlorwasserstoffsäure (50 ml) gewaschen. Die wässrige Lösung wurde auf pH 9,0 eingestellt und in einem Eisbad abgekühlt. Das Präzipitat wurde gefiltert, und nach Säulenchromatographie (Aluminiumoxid, Dichloromethan) und Trituation mit Benzol wurde Verbindung 6 als reiner, weißer Feststoff erhalten: Ausbeute 92%; mp > 300°C.
2,3-Dicyano-dipyrido [3,2-f:2',3'-h]chinoxalin (7)
Einer Lösung aus 1,10-Phenanthrolin-4,5-chinon (0,85 g, 4,0 mmol) in Tetrahydrofuran (100 ml) wurde Dicyanomaleonitril (0,43 g, 4,0 mmol) beigemischt. Es wurden Molekularsiebe (3 Å) zugefügt, und die Lösung wurde 1 Stunde refluxiert. Die Lösung wurde gefiltert und im Vakuum konzentriert. Der leicht rote Feststoff wurde mit Dichloromethan pulverisiert. Der Feststoff wurde in DMF (50 ml) wieder gelöst, und es wurden 2 Äquivalente Triethylamin unter Erwärmung bei 90°C während 30 min zugegeben. Das Lösemittel wurde im Vakuum entfernt. Der Feststoff wurde in Dichloromethan (100 ml) wieder gelöst und mit 1 N Salzsäure (100 ml) gewaschen. Nach Säulenchromatographie (Aluminiumoxid, Dichloromethan) und Trituation mit Hexan/Dichloromethan wurde Verbindung 7 als reiner, weißer Feststoff erhalten: Ausbeute 71%; mp > 300°C.
Cis-2,3-Cyclohexan-dipyrido[3,2-f:2',3'-h]chinoxalin (8)
Einer Lösung aus 1,10-Phenanthrolin-4,5-chinon (0,99 g, 4,7 mmol) in Ethanol wurde cis-Diaminocyclohexan (0,53 g, 4,6 mmol) beigemischt. Es wurden Molekularsiebe (3 Å) zugefügt, und die Lösung wurde 1 Stunde refluxiert. Die Lösung wurde im Vakuum konzentriert, und der erhaltene Feststoff wurde einer Säulenchromatographie (Aluminiumoxid, Dichloromethan) unterworfen. Der Feststoff wurde mit Dichloromethan/Hexan pulverisiert und aus Benzol kristallisiert, um Verbindung 8 als einen weißen, reinen Feststoff zu erhalten: Ausbeute 86%; mp 292–295°C.
2,3-(1,2-Diaminobenzol)-dipyrido [3,2-f:2'‚3^,-h]chinoxalin (9)
Verbindung 9 wurde hergestellt und gereinigt, wie für Verbindung 8 beschrieben, ausgehend von 1,10-Phenanthrolin-4,5-chinon (0,6 g, 2,9 mmol) und 1,2-Diaminobenzol (0,3 g, 2,9 mmol). Ausbeute 81%.
3[2-Dipyrido[3,2-f:3'2'-h]chinoxalin]propionsäure (10)
Einer Lösung aus 1,10-Phenanthrolin-4,5-chinon (50 mg, 0,24 mmol) in Ethanol (150 ml) wurde DL-γ-Ornithin (48 mg, 0,24 mmol) beigemischt. Die Lösung wurde 4 Stunden refluxiert und im Vakuum konzentriert. Der Feststoff wurde in Ethanol/Wasser (3/1) gelöst und durch Säulenchromatographie (Aluminiumoxid, Eluent Ethanol/Wasser: 3/1 + 1% Triethylamin) gereinigt. Der leicht braune Feststoff wurde mit Ethylacetat pulverisiert, um 10 als reinen, weißen Feststoff zu erhalten: Ausbeute 53%.
2-Methyl-dipyrido[3,2-f:2'3'-h]chinoxalin (11)
Auf die gleiche Weise hergestellt, wie für Verbindung 8 beschrieben. Ausbeute 83%; mp. 271°C.
Schema 2: Synthese von Tetraazatriphenylen-Derivaten (6-11)
Beispiel 3
Monofunktionalisierung von Tetraazatriphenylen mit 1,10-Phenanthrolin-4-5-chinon als Ausgangssubstanz.
Tetraazatriphenylen (16) wurde durch die Reaktion von Diamin (15) und 1,10-Phenanthrolin-4,5-chinon 5 in einer Ausbeute von 83% erhalten. Zu diesem Zweck wurde das Diamin (15), ausgehend von DL-2,3-Diaminopropionsäure, via (12)-Boc-Schutz, (13)-Amidbildung, (14)-Boc-Entschützung, wie in Schema 3 dargestellt, synthetisiert.
Die detaillierte Reaktion findet wie folgt statt:
D,L-N,N'-di-tert-Boc-2,3-Diaminopropionsäure (13).
Einer Lösung aus D,L-2,3-Diaminopropionsäure (12) (5,0 g) und Triethylamin (18 g, 0,18 mmol) in 1,4-Dioxan und Wasser (75 ml, 1/1) wurde Di-tert-Butyldicarbonat (17,08 g, 78,3 mmol) beigemischt. Die Lösung wurde 10 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Nach abgeschlossener Reaktion wurden Ethylacetat (100 ml) und 1 N Salzsäure (100 ml) zugegeben. Die organische Schicht wurde mit Salzlösung (2 × 100 ml) gewaschen. Das Lösemittel wurde getrocknet und im Vakuum entfernt, woraufhin Produkt 13 als ein weißer Feststoff erhalten wurde: Ausbeute 91%; mp 162–164°C.
D,L-N,N'-di-tert-Boc-2,3-Diaminopropionsäure-dodecylamid (14)
Einer Lösung aus Essig (13) (4,1 g, 13,3 mmol) in Tetrahydrofuran wurde 1,1'-Carbonyldiimidazol (3,0 g, 13,3 mmol), 4-Dimethylaminopyridin (Katalysator 0,1 g) und Dodecylamin (2,7 g, 13,3 mmol) beigemischt. Die Lösung wurde über Nacht gerührt und im Vakuum konzentriert. Zu dem Rückstand wurde Dichloromethan (100 ml) zugegeben, und das Ganze wurde mit 1 N Salzsäure (aq.) gewaschen; hierauf folgte eine Standardbearbeitung. Das Produkt wurde durch Säulenchromatographie (Kieselsäuregel, Dichloromethan) gereinigt, um reines 14 in einer Ausbeute von 85%; mp 103–105°C, zu erhalten.
D,L-2,3-Diaminopropionsäure-dodecylamid (15)
Einer Lösung aus 10% Schwefelsäure/Dioxan (75 ml) wurde langsam 14 (0,80 g, 1,7 mmol) bei 0°C beigemischt. Nach abgeschlossener Zugabe wurde das Gemisch 4 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Das gebildete Präzipitat wurde gefiltert, in Dichloromethan (100 ml) gelöst und danach mit 1 M Natriumhydroxid (aq.) (50 ml) und Salzlö sung (50 ml) gewaschen; hierauf folgte eine Standardbearbeitung. Das Produkt wurde nach Zerreiben mit MeOH als weißer, reiner Feststoff erhalten: mp. 88–90°C, Ausbeute 77%.
2-Dipyrido[3,2-f:2',3'-h]Chinoxalinsäure-dodecylamid (16)
Ähnlich wie Verbindung 8 hergestellt und gereinigt, ausgehend von 1,10-Phenanthrolin-4,5-chinon (0,50 g, 1,06 mmol) und Diamin 15 (0,50 g, 1,06 mmol). Ausbeute 81%; mp 172–174°C.
Schema 3: Synthese von monofunktionalisiertem Tetraazatriphenylen 16
Beispiel 4
Synthese von Tetraazatriphenylenen aus 4,7-Phenanthrolin-4,5-chinon
Cis-2,3-Cyclohexan-dipyrido[2,3-f:3',2'-h]chinoxalin (17)
Hergestellt gemäß einem Literaturverfahren, ausgehend von 1,2-cis-Diaminocyclohexan (0,53 g, 4,6 mmol) und 4,7-Phenanthrolin-4,5-chinon (0,99 g, 4,7 mmol).
3-[2-Dipyrido[2,3-f:3',2'-h]chinoxalin]propionsäure (18)
Ähnlich wie Verbindung 16 hergestellt, ausgehend von 4,7-Phenanthrolin-4,5-chinon (50 mg, 0,24 mmol) und DL-γ-Ornithin (48 mg, 0,24 mmol). Ausbeute 55%; mp. 230–231°C.
Schema 4: Synthese von Tetraazatriphenylenen aus 4,7-Phenanthrolin-4,5-chinon
Beispiel 5
Synthese von Hexaazatriphenylen-Analoga
Hexamethyl-hexaazatriphenylen (26) und Hexaphenyl-hexaazatriphenylen (27) wurden gemäß Literaturverfahren (Kohne, B; Praefcke, K. Liebigs Ann. Chem., 108 (1975), 875) synthetisiert. Der Schlüsselschritt ist die Kondensation von Benzil (25) oder 2,3-Butandion(24) mit Hexaaminobenzol (23), welches durch Reduktion von 1,3,5-Triamino-2,4,6-trinitrobenzol (22) mit Phenylhydrazin erhalten wurde. 1,3,5-Triamino-2,4,6-trinitrobenzol (22) wurde durch Nitrierung von 1,3,5,-Trichlorobenzol 19 synthetisiert, um 1,3,5-Trichloro-2,4-dinitribenzol (20) vorzusehen. Durch strenge Nitrierungsbedingungen an Dinitroderivat (20) mit Schwefelsäure/Salpetersäure wurde 1,3,5-Trichloro-2,4,6-trinitrobenzol (21) in einer Ausbeute von 76% vorgesehen. Die nachfolgende Zugabe von NH₃-Gas zu (21) ergab stark gelbes Triamin (22) in einer Ausbeute von 90%. Durch die Reduktion der Trinitrofunktionalitäten von 22 mit Phenylhydrazin wurde Hexaaminobenzol (23) in einer Ausbeute von 63% vorgesehen.
Schema 5: Synthese von Hexaaminobenzol 23
Hexaaminobenzol 23 geht eine Reaktion mit den α-Diketonen Benzil (25) und 2,3-Butandion (24) ein, um die 2,3,6,7,10,11-hexasubstituierten Dipyrazino [2,3-f:2',3'-h]chinoxaline (26) und (27) in einer Ausbeute von 40–45%, wie in Schema 6 dargestellt, vorzusehen.
Schema 6: Synthese von Hexaazatriphenylenderivaten 26, 27
Beispiel 6
Synthese von weiter rot verschobenem Tetraazatriphenylen aus 1,10-Phenanthrolin-4,5-chinon
2,3(2,3-Diaminonaphthalen)-dipyrido[3,2-f:2',3-h]chinoxalin (28).
Ähnlich wie Verbindung (6) hergestellt, ausgehend von 1,10-Phenanthrolin-4,5-chinon (5) (0,6 g, 2,9 mmol) und 2,3-Diaminonaphthalen (0,45 g, 2,9 mmol).
Schema 7: Synthese von Tetraazatriphenylenderivat 28
Beispiel 7
Synthese von TBDMS-Derivat (32)
Eine Lösung aus TBDMS-Monotrichloroethanolcalix[4]aren (31) (260 mg, 0,081 mmol, hergestellt nach dem Schema 8, wie in F. J. Steemers, Sensitizer-Modified Lanthanide Complexes for Time-Resolved Fluoroimmunoassays, Dissertation, University of Twente, Niederlande (1997), Seiten 103–107) beschrieben, Tetraazatriphenylenamin (30) (35 mg, 0,093 mmol), 125 μl 1,5 Diazabicyclo[4,3,0]non-5-en (DBN) und 10 μl Triethylamin in 10 ml Dichloromethan wurde über Nacht bei Raumtemperatur gerührt. Das Lösemittel wurde im Vakuum entfernt, und das Reaktionsgemisch wurde mittels präparativer Silicaplatte mit 10% Methanol/Dichloromethan als Eluent gereinigt. Die Ausbeute von Calix[4]aren (32) betrug 14%.
Eine Lösung aus Kaliumcarbonat (16 mg, 0,12 mmol) in 3 ml Wasser wurde einer refluxierenden Lösung aus Calix[4]aren (32) (40 mg, 0,012 mmol) in Methanol (10 ml) beigemischt. Nach einer Refluxierungsdauer von 1 h wurde das Gemisch in Wasser (50 ml) gegossen und der pH-Wert danach mit 1 N Salzsäure auf etwa 2 eingestellt. Die Wasserschicht wurde mit Dichloromethan entzogen, um nach Entfernen des Lösemittels im Vakuum das Triacid als weißen Feststoff vorzusehen. Ausbeute 50%. Eine Lösung aus 0,5 g dieses dreibasigen Calix[4]arens in Trifluoressigsäure (TFA/H₂O; 9/1, 25 ml) wurde über Nacht gerührt, anschließend frisches Toluol (50 ml) hinzugefügt und das Gemisch im Vakuum konzentriert. Dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt. Der rohe, weiße Feststoff wurde in einer minimalen Menge Wasser gelöst, und es wurde dieser Lösung tropfenweise Aceton beigemischt, bis das Produkt anfing zu präzipitieren. Nachdem die Suspension 30 Minuten gerührt wurde, wurde das Produkt gefiltert, gefriergetrocknet und analysiert. Vor den Lumineszenzmessungen wurde die Lösung dieser Verbindung in Wasser dialysiert, um überschüssige Trifluoressigsäure zu entfernen, und wurde erneut gefriergetrocknet.
Schema 8
Beispiel 8
Herstellung von Seltenerdkomplexen
Es wurden Seltenerdkomplexe für alle oben beschriebenen Verbindungen hergestellt. Die Komplexe wurden durch Hinzufügen einer 1:2 (Mol Lanthanoid/Mol Ligand) Menge Lanthanoidsalz (im Allgemeinen wurde das Nitrat verwendet) zu einer Ligandenlösung in Acetonitril erhalten, welche vor Verwendung über Molekularsiebe gehalten wurde. Titrationstests zeigten, dass ein 2:1 Komplex zwischen dem Liganden und dem Lanthanoidion gebildet wird. Die Lumineszenz des sensibilisierten Lanthanoids befindet sich bei der 2:1 Zusammensetzung auf einem Maximum. Es wurden die folgenden Komplexe erzeugt: Tb³⁺, Eu³⁺, Dy³⁺, Sm³⁺, Yb³⁺, Nd³⁺ und Er³⁺
Beispiel 9
Photophysikalische Messungen
Für die Komplexe, wie in Beispiel 8 beschrieben, wurden Absorptionsspektren und Lumineszenzemission sowie Anregungsspektren aufgezeichnet. Zudem wurden Messungen der Lumineszenzlebensdauer in belüfteter und entlüfteter Lösung vorgenommen. Es wurden unter Verwendung von Chinonsulfat in 1 M Schwefelsäure (mit einer berichteten Quantenausbeute von 0,546) als Referenz Quantenausbeuten für die Tb- und Eu-Komplexe ermittelt.
Die effektive Sensibilisierung der Lanthanoidionen wird aus den Lumineszenzanregungsspektren deutlich: wird die Seltenerdlumineszenz überwacht, zeigt die Variation der Anregungswellenlänge ein Spektrum, welches dem Absorptionsspektrum des organischen Liganden gleicht. In den meisten Fällen wird das Absorptionsspektrum des Liganden sogar verbessert und bei Komplexierung mit dem Seltenerdion etwas rot verschoben, was für die meisten Anwendungen von Vorteil ist. Aufgrund des typischerweise 1,000-10,000 fachen, höheren Absorptionsquerschnitts des Liganden resultiert eine sensibilisierte Anregung im Vergleich zu dem Lanthanoidion in einer ungeheuren Verbesserung der Lumineszenzintensität. Die Energieübertragungsrate ist hoch, da ein Entlüften keinen großen Einfluss auf die meisten Lumineszenzintensitäten und die Lebensdauer hat.

Mengendaten für eine Anzahl Komplexe sind in den Tabellen 1–3 zusammen gefasst. Tabelle 1. Photophysikalische Daten von (Aza)triphenylenen und deren Eu³⁺ und Tb³⁺ Komplexe in Acetonitril

Verbindung	¹E₀₀(cm^–1)(nm)	ε(M^–1 cm^–1)	³E₀₀(cm^–1)	ΦEu(λex)	ΦTb(λex)
Triphenylen	29900 (334)	355	23300	< 0,001	< 0,001
3	29700 (337)	1290	23800	0,41 (337)	0,55 (337)
8	28800 (347)	6440	23400	0,37 (343)	0,62 (343)
9	26500 (377)	9160	~18500	0	0
6	29400 (340)	3800	23800	0,41 (335)	0,67 (335)
7	27300 (366)	5520	21700	0,25 (355)	0,14 (355)
26	29800 (336)^b	9300	22300	0,001 (345)	< 0,001 (345)
27	27200 (367)^b,c	> 9000^c	~19100	0	0
16	28600 (350)	6630	22500	0,29 (340)	0,30 (340)
11	29400 (340)	8500	23600	0,43 (337)	0,51 (337)

^a Nicht bestimmt. ^b Schulter bei starker Absorption. ^cGesättigte Lösung. ^d Abkürzungen:
¹E₀₀ = Energie des geringsten, elektronischen Singulett-0-0-Übergangs (nach dem Absorptionsspektrum bestimmt);
ε = Extinktionskoeffizient des elektronischen Singulett-00-Übergangs;
³E₀₀ = Energie des Triplett-0-0-Übergangs (nach dem 77 K Phosphoreszenzspektrum bestimmt);
Φ = Lumineszenzquantenausbeute, bestimmt im Hinblick auf den Chinonsulfatstandard.

_ex

Verbindung	τ^Eu,ox(ms)	τ^Eu,deox(ms)	τ^Tb,ox(ms)	τ^Tb,deox(ms)
3	1,20	1,19	1,31	1,32
8	1,03	1,02	1,20	1,21
6	1,04	0,98	1,43	1,36

^aAbkürzungen: τ_ox ist die Lumineszenzlebensdauer in der Sauerstoff enthaltenden Lösung, τ^deox ist die Lumineszenzlebensdauer in der Lösung, der Sauerstoff entzogen

Verbindungen 9, 26, 27 und 28 weisend ausreichend Triplettenergie auf, um die Eu³⁺- und Tb³⁺-Ionen, die in dem sichtbaren Teil des Spektrums emittieren und daher eine Sensibilisierung in dem UV- oder blauen Teil des Spektrums erforderlich machen, zu sensibilisieren. Die "rot verschobenen" Sensibilisatoren nehmen die Energieübertragung jedoch an die im nahen Infrarot emittierenden Seltenerdionen wie Yb³⁺, Nd³⁺ und Er³⁺ vor. Tabelle 3. Photophysikalische Daten von (Aza)triphenylen-basierten Yb³⁺, Nd³⁺ und Er³⁺-Komplexen in Acetonitril

Verbindung ¹E₀₀(cm^–1)(nm) τ^Yb,ox(μs) τ^Nd,ox(μs) τ^Er,ox(μs)

3 29700 (337) 7,4 0,38 1,7

9 26500 (377) 6,2 0,33 2,0

6 29400 (340) 7,5 0,29 2,3

28 21500 (465) 7,9 0,32 2,5

a Abkürzungen:
¹E₀₀ = Energie des geringsten, elektronischen Singulett-0-0-Übergangs (nach dem Absorptionsspektrum bestimmt)
τ^ox (us) = Lebensdauer der Seltenerdionlumineszenz (längste, im Allgemeinen Haupt-, Komponente) in Sauerstoff enthaltender Lösung

Claims

Komplexe mit einem Seltenerdmetall-Ion und einer komplexbildenden Komponente, wobei die komplexbildende Komponente durch die allgemeine Formel
dargestellt ist, wobei – X unabhängig CH oder N ist, – die Bindungen a, b, c, d, e, f und g sowie die Kombination aus Bindungen i/ii/iii und iv/v/vi mit einer Benzolgruppe oder einer kondensierten, aromatischen Komponente optional kondensiert werden, wobei aromatische Kohlenstoffatome durch Stickstoffatome ersetzt werden können, und – wobei die komplexbildende Komponente gegen C_1–6 Alkyl, C_2–6 Alkenyl, C_2–6 Alkynyl, C_3–4 Alkylen, CN, Halogen, C_1–3 Alkyl-COOH, NO₂, NH₂ oder eine "Pending Group" (Seitenkette) zur weiteren Funktionalisierung oder Komplexierung ausgetauscht werden kann, wobei die "Pending Group" eine Kopplungskomponente aufweist, welche aus der aus Isothiocyanat, aktiviertem Ester, Epoxid, Essigsäureanhydrid, Maleimid, Halogenoacetamid, Amino, Thio, Hydrazid, Aldehyd, Isocyanat, Säurechlorid, Hydroxy bestehenden Gruppe gewählt wird, einer Gruppe zur Bildung eines Komplexes mit einem Seltenerdmetall-Ion, wobei die Gruppe eine stickstoffhaltige, schwefelhaltige oder eine phosphorhaltige Gruppe oder Calixaren ist.
Komplex nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Gruppen X N ist.
Komplex nach Anspruch 1, wobei die komplexbildende Komponente die allgemeine Formel
aufweist, wobei – X unabhängig CH oder N ist, – die Bindungen a, b, c, d, e, f und g mit einer Benzolgruppe oder einer kondensierten, aromatischen Komponente optional kondensiert werden, wobei aromatische Kohlenstoffatome durch Stickstoffatome ersetzt werden können, und – wobei die komplexbildende Komponente gegen C_1–6 Alkyl, C_2–6 Alkenyl, C_2–6 Alkynyl, C_3–4 Alkylen, CN, Halogen, C_1–3 Alkyl-COOH, NO₂, NH₂ oder eine "Pending Group" (Seitenkette) zur weiteren Funktionalisierung oder Komplexierung ausgetauscht werden kann, wobei die "Pending Group" eine Kopplungskomponente aufweist, welche aus der aus Isothiocyanat, aktiviertem Ester, Epoxid, Essigsäureanhydrid, Maleimid, Halogenoacetamid, Amino, Thio, Hydrazid, Aldehyd, Isocyanat, Säurechlorid, Hydroxy bestehenden Gruppe gewählt wird, einer Gruppe zur Bildung eines Komplexes mit einem Seltenerdmetall-Ion, wobei die Gruppe eine stickstoffhaltige, schwefelhaltige oder eine phosphorhaltige Gruppe oder Calixaren ist.
Verfahren zur Herstellung des Komplexes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wonach eine Lösung aus einem Salz der seltenen Erden und eine Lösung aus der komplexbildenden Komponente von Anspruch 1 in Kontakt gebracht werden.
Optische Vorrichtung oder Diagnosekit mit dem Komplex nach einem der Ansprüche 1 bis 3.