JP2006507403A - 二次非線形光学クロモフォア、それを含有するポリマー及びそれかつくられた電気光学デバイス - Google Patents

二次非線形光学クロモフォア、それを含有するポリマー及びそれかつくられた電気光学デバイス Download PDF

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Abstract

式D−π−A(式中、πは、酸素原子がそのチオフェン環の3位及び4位に直接結合しているチオフェン環を含むπ架橋であり、Dは供与体であり、Aは受容体である)を有する非線形光学クロモフォア、並びに、直線状ポリマー及びペンダント基としての前記クロモフォアを含む組成物。

Description

本出願中に引用されるすべての特許、特許出願及び公報は、それぞれ個々の特許、特許出願又は公報を参照により具体的かつ個別に援用した場合と同程度に、参照により本明細書中に援用する。
発明の背景
本発明は、一般に、二次非線形光学(NLO)用途のための有機クロモフォア、そのようなクロモフォアを含む組成物、及びそのようなクロモフォアと組成物を含んだ用途に関する。
例えば、ポリマーマトリックス開発、導波管製作や光学デバイス製作といったNLOクロモフォアの開発及び使用は、充分に文書に記されている。NLOクロモフォア(「プッシュプル」クロモフォアとしても知られる)は、一般式D−π−A(式中、Dは供与体であり、πはπ架橋であり、Aは受容体である)で示される三つの基本的な基礎単位を含む。当技術分野において、「π架橋」は、「π共役架橋」、「π電子架橋」、「共役π電子架橋」などと呼ばれることもある。そのような架橋の例は、例えば、米国特許第5,670,091号、5,679,763号、6,067,186号及び6,090,332号に記載されている。「π架橋」は、電荷をクロモフォア中で供与体から受容体へと移動させる。例示的な受容体を図1に示す。図中では、各々について独立して、Rは、水素、α炭素又は直接、窒素、酸素若しくは硫黄原子に結合している場合を除いてハロゲン、あるいはアルキル、アリール、ヘテロアルキル、又はヘテロアリール基であり;YはO、S又はSeであり;そしてqは0又は1である。例示的な供与体を図2に示す。図中では、各々について独立して、Rは、水素、α炭素又は直接、窒素、酸素若しくは硫黄原子に結合している場合を除いてハロゲン、あるいはアルキル、アリール、ヘテロアルキル、又はヘテロアリール基であり;YはO、S又はSeであり;mは2、3又は4であり;pは0、1又は2であり;そしてqは0又は1である。本発明においては、ヘテロアルキル基には、限定されないが、官能基、ハロゲン置換アルキル基、過ハロゲン化アルキル基、及びデンドロンが含まれる。官能基が意味するものは、一般に有機化学の技術分野において理解されている。例えば、Appendix B in Jerry March, "Advanced Organic Chemistry" 4th Edition, John Wiley and Sons, New York, pp 1269-1300を参照されたい。「デンドロン」は、規則的に繰返すサブユニットを有する置換基である。デンドロンは、更に、一又はそれより多いヘテロアリール基から構成されてもよい。「デンドリマー」は、一又はそれより多いデンドロンにより囲まれた「コア」を含有する巨大分子構造である。当技術分野においては、デンドロン及びデンドリマーという用語を互換性があるように使用されることが多い。デンドロン及びデンドリマーは、Bosman et al., Chem. Rev. 1999, 99, 1665及び米国特許第5,041,516号に例証され検討されている。
特定のD−π−A配列は、分子の能力に影響を及ぼして、大きな二次NLO効果を達成させる。したがって、この能力の指標である一次の分子超分極率(first molecular electronic hyperpolarizability)(β。μβで与えられることもある。μはクロモフォアの双極子モーメントである。)を、D、π又はAのいずれか1つの電気的特性を変化させることにより、調整して、最適化することができる。Gorman and Marder Proc. Natl. Acad. Sci, USA 1993, 90, 11297を参照されたい。分子NLO効果はまた、電界を施用して分子を一方向に整列させることにより、物質中のバルクEO活性へと変換することができる。
発明の要旨
一の側面においては、非線形光学クロモフォアは、式D−π−A(式中、πは、酸素原子がそのチオフェン環の3位及び4位に直接結合しているチオフェン環を含むπ架橋であり、Dは供与体であり、Aは受容体である)を有する。チオフェン環の3位及び4位に直接結合している酸素は更に、独立して、1〜約20個の炭素を含むアルキル基、1〜約20個の炭素を含むヘテロアルキル基、1〜約20個の炭素を含むアリール基又は1〜約20個の炭素を含むヘテロアリール基により置換されてもよい。
第二の側面においては、非線形光学クロモフォアは、式:
Figure 2006507403
(式中、各々について独立して:πは、存在しないか又はπ架橋であり;πは、存在しないか又はπ架橋であり;Dは供与体であり;Aは受容体であり;XはO又はSであり;そしてRは、1〜約20個の炭素を含むアルキル基、1〜約20個の炭素を含むヘテロアルキル基、1〜約20個の炭素を含むアリール基、又はヘテロアリール基である)
を有する。
これらのクロモフォアは、ポリマーマトリックスと組み合わせて、光学変調器、光学スイッチ及び光方向性結合器などの電気光学デバイスを含む、種々の用途において有用な二次非線形光学組成物を形成してもよい。例えば、このクロモフォア及びポリマーマトリックスは、架橋可能な官能基を含有してもよく、組み合わせて、クロモフォアがゲストでありポリマーマトリックスがホストであるゲスト−ホスト複合材料を形成してもよい。次いで、電界をこの複合材料に施用して、電気光学活性を誘導し、その後又はその間に複合材料を架橋させて、共役結合によりクロモフォアをポリマーマトリックスに結合させる。
別の態様においては、非線形ポリマーは、式D−π−A(これまでに説明したように、式中、πは、酸素原子がそのチオフェン環の3位及び4位に直接結合しているチオフェン環を含むπ架橋であり、Dは供与体であり、Aは受容体である)を有するペンダントクロモフォアを含む。好ましくは、ペンダントクロモフォアは、式:
Figure 2006507403
(式中、置換基はこれまでに説明したとおりである)を有する。このポリマーは、更にペンダントの架橋可能な基を含んでもよく、クロモフォアは、更に少なくとも1つの架橋可能な基を含んでもよい。
本発明の他の特徴及び利点は、以下の本発明の好ましい態様の説明及び特許請求の範囲から明らかとなるだろう。
具体的な説明
かかる二次非線形光学クロモフォアは、本発明の要旨において説明した化学構造及び式を有する。使用することができる供与体(D)の例には、
Figure 2006507403
からなる群から選択される構造が含まれる。使用することができる受容体(A)の例には、
Figure 2006507403
(式中、各々について独立して:Rは、水素、α炭素又は直接、窒素、酸素若しくは硫黄原子に結合している場合を除いてハロゲン、あるいはアルキル、アリール、ヘテロアルキル、又はヘテロアリール基であり;Rは、水素、又は、アルキル、アリール、ヘテロアルキル若しくはヘテロアリール基であり;YはO、S又はSeであり;mは2、3又は4であり;pは0、1又は2であり;そしてqは0又は1である)
からなる群から選択される構造が含まれる。好ましくは、供与体は、
Figure 2006507403
(式中、各々について独立して:Rは、水素、α炭素又は直接、窒素、酸素若しくは硫黄原子に結合している場合を除いてハロゲン、あるいはアルキル、アリール、ヘテロアルキル、又はヘテロアリール基であり;そしてRは、水素、又は、アルキル、アリール、ヘテロアルキル若しくはヘテロアリール基である)
からなる群から選択される。
かかるクロモフォアは、ポリマーマトリックスと組み合わせて、種々の電気光学用途に有用な組成物を形成してもよい。そのような組成物は、米国特許第5,776,374号;5,714,304号;5,223,356号;5,433,895号;6,294,573号;6,126,867号;5,811,507号;5,635,576号;5,520968号,5,359,008号;5,266,365号;5,207,952号;及び5,228,977号、並びに、Chem. Mater. 2000, 12, 1187;J. Am Chem. Soc. 2001, 123, 986;Macromolecules 1992, 25, 4032;Chem. Mater. 1999, 11, 2218;及びChem. Mater. 1998, 10, 146に記載されたものを含む数多くの既知の手法にしたがって調製することができる。一の態様においては、クロモフォアは、架橋ポリマーマトリックスホスト中のゲストである。別の態様においては、クロモフォアは、架橋ポリマーマトリックス中に共有結合に組み込まれ、クロモフォアは、初めは、架橋可能なポリマーマトリックスホスト中のゲストである。更に別の態様においては、クロモフォアは、ペンダント基として直線状ポリマーに共有結合により結合する。
別の態様は、1)ポリマーホスト中にゲストクロモフォアを提供し、この際、該ゲストクロモフォア及びポリマーホストは、フッ素化された架橋可能な基を含有し;2)この複合材に電界を適用して、電気光学活性を誘導し;そして3)この複合材を架橋させ、これにより、クロモフォアゲストを共有結合によりポリマー中に組み込んで、架橋非線形光学材料を提供することを含む方法である。この方法は、1)クロモフォアゲスト及びポリマーホストが、どちらもフッ素化された架橋可能な基を有することにより、適合性があること;2)架橋性の基はフッ素化されていることから、製造される非線形光学材料は1550nmにて低い損失を有する;3)クロモフォアホストは、ポーリング場が適用される前に共有結合によりポリマーホスト中に組み込まれていないことから、ポーリング場に関して整列するためのより大きい自由度を有する;及び4)ポリマーの分子量及び組成が性格に知られており、これにより膜厚、T、及び溶解性などの臨界的パラメータの制御が可能となる、などの慣用的な方法を超える利点を有する。
非線形光学組成物を使用して、光学デバイス、光学スイッチ、変調器、導波管、又は当技術分野において既知の方法を用いて通信系において使用することができる他の電気光学デバイスを製作することができる。例えば、光学通信系において、これまでに説明した組成物を含む製作されたデバイスを、光学通信系用のルータ、光学通信系用の導波管、又は、光学スイッチング若しくはコンピュータ計算用途に組み込んでもよい。ポリマーは一般的には現在使用されている材料よりも要求が厳しくないので、これまでに説明した組成物を含むデバイスはより高度に集積させることができる。これまでに説明した非線形光学組成物から全体又は一部を製作することができる光学通信系の構成要素の具体的な例としては、限定するものではないが、直線導波管、ベンド、シングルモード分配器、結合器(方向性結合器、MMI結合器、スター結合器を含む)、ルータ、フィルター(波長フィルターを含む)、スイッチ、変調器(光学及び電気光学変調器、例えば、複屈折変調器、マッハツェンダー干渉計、及び方向性・エバネセント(evanescent)結合器)、アレイ(長高密度導波管アレイを含む)、光学相互配線、光チップ、シングルモードDWDMコンポーネント、及び回折格子が挙げられる。
これまでに説明した非線形光学組成物によりつくられた導波管は、電気通信、データ通信、信号処理、情報処理、及びレーダー系デバイスにおいて使用することができ、したがって、少なくとも部分的に情報の光学的伝達に依拠している通信方法において使用することができる。これまでに説明した非線形光学組成物を組み込むことができる具体的な用途としては、次のものが挙げられる:
(1)干渉光学変調器又はスイッチである電気光学デバイス。このデバイスは、1)入力導波管;2)出力導波管;3)第一の端部と第二の端部を有する第一の脚(この第一の脚は、第一の端部にて入力導波管に連結し、第二の端部にて出力導波管に連結する);及び4)第一の端部と第二の端部を有する第二の脚(この第二の脚は、第一の端部にて入力導波管と連結し、第二の端部にて出力導波管と連結する)を含み、少なくとも1つの導波管は、これまでに説明した非線形光学組成物を含む。
(2)光学変調器又はスイッチ。これらは、1)入力;2)出力;3)入力と出力の間に伸びる第一の導波管;及び4)第一の導波管に対して整列し、第一の導波管に対するエバネセント結合のために配置された、第二の導波管を含み;少なくとも1つの導波管は、これまでに説明した非線形光学組成物を含む。
(3)これまでに説明した非線形光学組成物を含む少なくとも1つの光学変調器、光学スイッチ、又は光方向性結合器を含む光学ルータ。
追加の用途としては、これまでに説明した非線形光学組成物を含む少なくとも1つの電気光学デバイス通信系、これまでに説明した非線形光学組成物を通して光を伝達することを含むデータ伝達の方法、これまでに説明した非線形光学組成物を通して光を伝達することを含む電気通信方法、これまでに説明した非線形光学組成物を通して又は介して、光を指向させることを含む光伝達方法、及び、これまでに説明した非線形光学組成物を通して又は介して光を伝達することを含む、光学系を通して光をルーティングする方法が挙げられる。
また、本明細書中に説明した非線形光学組成物は、物質を通過する光波の相を制御するデバイス又は方法に適用してもよい。ある用途においては、光波が伝わる導波管のセットにわたって電界を施用する。電界を制御することにより、光波の相対的な位相を制御することが可能となる。そのようなアプローチは、代わりの導波管を通過する光波のフェイズドアレイレーダー又は位相整合などの当業者に既知の用途において特に有用である。例えば、米国特許第5,353,033号;5,051,754号;4,258,386号;及び4,028,702号を参照されたい。このように、別の態様は、上述の非線形光学組成物の態様を含むフェイズドアレイレーダーである。
以下の実施例は例証であり、限定として意図するものではない。
実施例
実施例1
図3をみると、Syn. Comm. 1996, 26, 2213のように調製した化合物1(187.8g,0.824mol)、乾燥DMF(127.4mL,1.647mol)及び乾燥ジクロロメタン(2000mL)を三口フラスコ中で混合し、0℃に冷やした。POCl(201.6g,1.318mol)を添加した。混合物を加熱して3時間還流させた。次いで、1M NaOAc溶液中に注いだ。これをCHClで抽出し、水で洗浄して、MgSOで乾燥させた。溶媒を除去した後、酢酸エチル/ヘキサン(1:2.5)を用いてフラッシュカラムにより精製して、200g(95%)の化合物2を与えた。
亜鉛(61.5g,0.941mol)及び乾燥THF(950mL)を三口フラスコ中に入れ、0℃に冷やした。TiCl(51.5mL,0.469mol)をゆっくり添加した。次いで、混合物を加熱して、30分還流させた。次いで、0℃に冷やした。THF(200mL)中の化合物2(60g,0.234mol)及びピリジン(49.5mL,0.605mol)の溶液をゆっくり添加した。この混合物を加熱して2時間還流させた。室温まで冷却した後、氷とCHClを添加した。得られる混合物をゼ、オライトを通してろ過し、HCl溶液、水で洗浄して、MgSOで乾燥させた。溶媒を除去した後、粗製固体をメタノールからの再結晶により精製して、42.4g(75%)の化合物3を与えた。
化合物3(75g,0.156mol)及びエーテル(1400mL)をフラスコ中に入れて、0℃に冷やした。BuLi(2.5M)(156mL,0.39mol)をゆっくり添加し、15分間攪拌した。次いで、DMF(57mL,0.733mol)を添加し、その後に混合物を室温まで暖めて、攪拌した。NHCl溶液を添加し、溶媒を減圧下で部分的に除去した。次いで、CHClで抽出し、水で洗浄して、MgSOで乾燥させた。溶媒を除去した後、粗生成物をメタノールからの再結晶により精製して、76g(91%)の化合物4を与えた。
化合物5(2.74g,5.44mmol)及びTHF(200mL)を混合して攪拌した。40℃にてBuLi(2.5M)(2.4mL,5.98mmol)を添加してから、室温で30分間攪拌した。得られた溶液を、100mLのTHF中の化合物4(2.65g,4.94mmol)の溶液に攪拌しながらゆっくりと添加した。この溶液を室温で8時間攪拌し、その後、溶媒を減圧下で除去した。残った粗製物質を、ヘキサン/CHCl/酢酸エチル混合物を用いてカラムクロマトグラフィーにより精製して、2.65g(76%)の化合物6(更に反応した生成物である不純物がわずかに含まれていてもよい)を与えた。
化合物6(2.65g,3.9mmol)、化合物7(1.55g,7.8mmol)、CHCl(2mL)、及びピペリジン(2滴)を混合して、3時間還流させた。バルクの色が暗青色/暗緑色に変わるまで、反応を薄層クロマトグラフィーによりモニターした。生成物を、CHCl/酢酸エチル/ヘキサン混合物を用いてフラッシュカラム及び標準カラムのクロマトグラフィーにより精製して、1.5g(45%)の化合物8を与えた。
クロモフォア化合物8を含む電気光学ポリマー薄膜を次のように調製した:1)ジブロモメタン中、化合物8及びAldrichからのポリ[ビフェニルAカーボネート−コ−4,4’−(3,3,5−トリメチルシクロヘキシリデン)−ジフェノールカーボネート](ポリカーボネートに関して化合物8を27重量%配合)の溶液(ジブロモメタンに関して化合物8及びポリカーボネートを6.67重量%配合)を得て;2)この溶液を2”径インジウム・スズ酸化物(ITO)基板上に500rpmで5分間、1500rpmで30秒間スピン堆積し;3)このポリマー薄膜上に金電極をスパッタリングし;そして、4)シリコンオイル中100〜150V/μmのポーリング電圧を用いて124℃で5〜10分間ポーリングした。
実施例2
図4〜6をみると、化合物9(82g,0.107mol)及びTHF(2500mL)を混合して攪拌した。40℃にて、BuLi(2.5M)(47.4mL,0.118mol)を添加してから、室温で30分間攪拌した。得られた溶液を、1500mLのTHF中に溶解した化合物4(50g,0.093mol)の溶液中にゆっくりと添加した。次いで、得られた溶液を室温で8時間攪拌した。溶媒を減圧下で除去した。残った粗製物質を、ヘキサン/CHCl/酢酸エチル混合物を用いてカラムクロマトグラフィーにより精製して、61.3g(70%)の化合物10を与えた。
化合物10(61g,0.065mol)、化合物7(26g,0.129mol)、CHCl(20mL)、及びピペリジン(10滴)を混合して、3時間還流させた。バルクの色が暗青色/暗緑色に変わるまで、反応を薄層クロマトグラフィーによりモニターした。生成物を、CHCl/酢酸エチル/ヘキサン混合物を用いてフラッシュカラム及び標準カラムのクロマトグラフィーにより精製して、36g(49%)の化合物11を与えた。
化合物11を750mLのTHF中に溶解させた。HCl溶液(1N,250mL)を添加して、得られた溶液を8時間攪拌した。反応を薄層クロマトグラフィーにより確認した後、NaHCO溶液を添加した。次いで、得られた溶液をCHClにより抽出し、水で洗浄して、MgSOで乾燥させた。溶媒を減圧下で除去した後、残った物質を、CHCl/酢酸エチル混合物を用いてフラッシュカラムクロマトグラフィーにより精製して、17.8g(63%)の化合物12を与えた。
米国特許第5,198,513号のように、又は化合物15(図7)のリチウム塩をカルボニル化した後塩化チオニル(23.5g,0.099mol)と反応させることにより調製することができる、化合物13を、50mLのCHCl中に溶解させて、0℃まで冷やした。化合物12(17.8g,0.0199mol)及びピリジン(9.6mL,0.119mol)を200mLのCHCl中に溶解し、化合物13の溶液にゆっくりと添加した。得られた溶液を室温で8時間攪拌した。次いで、混合物をCHClで抽出し、水で洗浄して、MgSOで乾燥させた。溶媒を減圧下で除去した後、残った物質を、CHCl/酢酸エチル混合物を用いてフラッシュカラムクロマトグラフィーにより精製して、21g(83%)の化合物14を与えた。
図7をみると、温度計、マグネチックスターラーバー、及び付加漏斗を備えた三口フラスコに、Macromolecules 1996, 29(3), 852-860のように調製することができる25.3g(0.1mol)の化合物15を充填した。このフラスコを窒素でパージした後、200mLの乾燥エーテルを導入し、次いで、ドライアイス−アセトン浴中で冷却した。ペンタン中の1.7M t−BuLiを76mL、−65℃より低い温度で付加漏斗からフラスコ中に滴下した。この添加を完了した後、反応を上述の浴中で1時間保持した。次いで、19.4gの2,3,4,5,6−ペンタフルオロスチレンを添加して1時間反応させ、その後冷却浴を取り外して、温度を0℃に到達させた。この時点で、希HCl水溶液をフラスコ中に注いで、水層が酸性になるまで反応を停止させた。有機層を分離し、MgSOで乾燥させ、蒸発して、ヘキサンを用いてシリカゲルカラムにより精製して、化合物16を白色固体として与えた(10.08g,29%)。
凝縮器を備えた25mLフラスコ中で、化合物16(1.7411g,5.0mmol)、THF(5mL)、及び2,2’−アゾイソブチロニトリル(AIBN)の混合物を窒素雰囲気下に、76℃で5時間、60℃で一晩保持した。反応物を冷やして、ヘキサンを添加することにより沈殿させろ過した後にポリマーを回収して、1.2gのポリマー17を白色粉末として与えた。
次の化合物(化合物18〜37)の合成を以下に図8〜12を参照しながら説明する。
化合物19:化合物18(米国特許第5,396,556号におけるN−(6−ヒドロキシヘキシル)−N−メチルアニリンの調製と同様なやり方で調製した)(111g,0.5mol)及び無水酢酸(76.5g,0.75mol)を混合して、65℃まで20分間加熱した。反応混合物を水中に注ぎ、CHClで抽出した。粗製油状物をヘキサン/酢酸エチル(3:1)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物110gを84%の収率で得た。
化合物20:DMF(45.5g,0.624mol)を三口フラスコに入れた。0℃にて、POCl(76.3g,0.499mol)を滴下した。次いで、化合物19(109.5g,0.416mol)を添加した。これを室温で30分間攪拌し、100℃で3時間加熱した。次いで、反応混合物を水中に注いで、NaHCOを用いて中和させた。CHClで抽出した後、混合物を、ヘキサン/酢酸エチル(5:2)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物96.2gを80%の収率で得た。
化合物21:化合物20(96g,0.33mol)及び600mLエタノールを混合した。KCO(50g,0.36mol)を攪拌しながら添加した。この混合物を室温で4時間攪拌した。CHClを添加し、MgSOで乾燥させた。溶媒をろ過し除去した後、酢酸エチル/CHCl(3:2)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物54.3gを66%の収率で得た。
化合物22:化合物21(54g,0.217mol)、TBDMS−Cl(42.4g,0.282mol)、イミダゾール(38.3g,0.563mol)、及び140mLのDMFを混合して、50℃で10時間加熱した。この混合物を水中に注ぎ、CHClで抽出した。次いで、ヘキサン/酢酸エチル(3:1)を用いて精製した。生成物68.2gを87%の収率で得た。
化合物23:化合物22(68g,0.187mol)を200mLのメタノール中に溶解した。NaBHを7%NaOH溶液(4mL)と混合し、30mLの水で希釈してから、0℃にて上述の溶液中に滴下した。室温で3時間攪拌した後、これを水中に注いでCHClで抽出した。次いで、ヘキサン/酢酸エチル(2:1)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物58gを84%の収率で得た。
化合物24:化合物23(57.5g,0.157mol)、PPh.HBr(48.6g,0.142mol)、及び400mLのCHClを混合して、ディーン・スターク装置を用いて3時間還流させた。次いで、溶媒の殆どを除去することにより、この混合物を凝縮させて、ジエチルエーテルを用いて沈殿させた。生成物82gを84%の収率で得た。
化合物26:化合物24(71g,0.103mol)を2000mLのTHF中に溶解させた。40℃にて、BuLi(45mL,0.113mol)を滴下した。これを室温で30分間攪拌した。上述の溶液を、1400mLのTHF中、化合物4(48g,0.09mol)の溶液中に滴下した。この反応混合物を10時間攪拌した。溶媒を除去した後、CHCl/ヘキサン/酢酸エチル(4:4:0.2)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物58.1gを75%の収率で得た。
化合物27:以下に説明するように、又はLiu, S; Haller, M. A.; Ma, H.; Dalton, L.R.;Jang, S.-H.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. 2003, 15(7-8), 603-607に記載の方法により調製することができる。
化合物28:化合物26(30g,34.5mmol)、化合物27(10g,41.5mmol)、ピペリジン(触媒量)、及び15mLのCHClを混合し、加熱して5時間還流させた。反応混合物を、ヘキサン/酢酸エチル/CHCl(4:1.2:4)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物15.6gを45%の収率で得た。
化合物29:化合物28(7.13g,6.52mmol)及びピリジン(1.32mL,16.3mmol)を80mLのCHCl中に溶解させた。10mLCHCl中の化合物13(3.1g,13.04mmol)を0℃にて滴下した。この混合物を室温で12時間攪拌してから、水中に注いだ。これをCHClにより抽出し、ヘキサン/CHCl/酢酸エチル(4:4:0.4)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物7.7gを91%の収率で得た。
化合物30:化合物28(7.6g,5.875mmol)を150mLのTHF中に溶解させた。HCl溶液(1N,50mL)を添加した。これを室温で12時間攪拌してから、NaHCO溶液で中和させた。CHClにより抽出した後、ヘキサン/酢酸エチル/CHCl/酢酸エチル(1:2:1)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物5.7gを82%の収率で得た。
化合物31:化合物30(1g,0.848mmol)、DMAP(0.021g,0.017mmol)、及びトリエチルアミン(0.24mL,1.7mmol)を30mLのCHCl中に溶解させた。無水フタル酸(0.157g,1.06mmol)を添加し、室温で12時間攪拌した。次いで、1N HCl溶液で洗浄し、CHClにより抽出して、NaHCO及び水により洗浄した。この混合物をCHCl/アセトン(2.5:1)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物0.82gを73%の収率で得た。
化合物32は、以下に説明するように調製した。合成は、Luo, J.; Liu, S.; Haller, M.; Liu, L.; Ma, H.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. 2002, 14(23), 1763-1768に基づいている。
化合物33:化合物28(4.2g,3.84mmol)、化合物32(2.63g,4.99mmol)、及びDPTS(0.3g,1.01mmol)を30mLのCHCl中に溶解させた。DCC(1.23g,5.95mmol)を添加し、室温で12時間攪拌した。ろ過して溶媒を除去した後、混合物をヘキサン/CHCl/酢酸エチル(4:4:0.4)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物5.88gを95.6%の収率で得た。
化合物34:化合物33(5.85g,3.65mmol)を100mLのTHF中に溶解させた。HCl溶液(1N,30mL)を添加し、室温で12時間攪拌した。次いで、混合物をCHClにより抽出し、NaHCO溶液で洗浄した。これをCHCl/酢酸エチル(12:1)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物4.77gを88%の収率で得た。
化合物35:化合物34(3.5g,2.35mmol)、DMAP(0.057g,0.47mmol)、及びトリエチルアミン(0.66mL,4.71mmol)を70mLのCHCl中に溶解させた。無水フタル酸(0.44g,2.94mmol)を添加し、室温で12時間攪拌した。次いで、これを1N HCl溶液により洗浄し、CHClにより抽出して、NaHCO溶液及び水で洗浄した。混合物をCHCl/アセトン(2.5:1)を用いてフラッシュカラムにより精製した。生成物2.3gを60%の収率で得た。
化合物36:(Luo, J.; Liu, S.; Haller, M.; Liu, L.; Ma, H.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. 2002, 14(23), 1763-1768に記載されるのと同様のやり方で調製した)真空乾燥したポリ(4−ビニルフェノール)(0.9436g)、DPTS(0.231g,0.786mmol)、及び化合物31(1.044g)をTHF(30ml)及びCHCl(10ml)中に溶解させた。DCC(0.404g,1.965mmol)を添加した後、溶液を室温で40時間攪拌した。化合物13(4.05g,17.12mmol)及びN(i−Pr)Et(1.806g,14mmol)を添加した。更に24時間後、反応混合物をメタノール中で沈殿させるため約10mlまで蒸発させた。濾過により集めた固体を再び沈殿させるためCHCl中に溶解させた。この沈殿を8回繰り返した。回収したポリマーを真空下で乾燥させて、2.43gのポリマー36を暗青色粉末として与えた。
ポリマー37:(Luo, J.; Liu, S.; Haller, M.; Liu, L.; Ma, H.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. 2002, 14(23), 1763-1768に記載されるのと同様のやり方で調製した)化合物35(1.0287g)、真空乾燥したポリ(4−ビニルフェノール)(0.7555g)、及びDPTS(0.1851g,0.6288mmol)をTHF(30ml)中に溶解させた。DCC(0.404g,1.965mmol)及びCHCl(10ml)を添加した後、溶液を室温で47時間乾燥させた。化合物13(3.71g,15.7mmol)及びN(i−Pr)Et(1.8g,14mmol)を添加した。更に2日後、反応混合物を、メタノール中での沈殿のため約10mlまで蒸発させた。濾過により集めた固体を再び沈殿させるためCHCl中に溶解させた。この沈殿を8回繰り返した。回収したポリマーを真空下で乾燥させて、2.04gの黒青色粉末を与えた。
化合物27中間体:200mLのジクロロメタン中のジイソプロピルエチルアミン(18.48g,143mmol)に、0℃にて3−アセチル−1−プロパノール(13.28g,130mmol)を添加した。溶液を0.5時間攪拌した後、温度を0℃に維持しながら、クロロメチルメチルエーテル(13.08g,162.5mmol)を添加した。得られた溶液を更に1時間攪拌し、室温にして、一晩攪拌した。有機溶媒を回転蒸発により濃縮した。粗生成物を、溶出剤としてジクロロメタンを用いてフラッシュクロマトグラフィーにより精製して、5−メトキシメトキシ−2−ペンタノン(14.3g,収率75)をうすい油状物として与えた。
THF中エチルビニルエーテル(19.47g,270mmol)の溶液に、106mLのtert−ブチルリチウム(1.7M,180mmol)を−78℃にて滴下した。この溶液を氷浴により0℃まで温めて、更に1時間攪拌してから、−78℃まで再び冷却した。このリチウム化されたエノールエーテルに、10mLのTHF中、5−メトキシメトキシ−2−ペンタノン(13.16g,90mmol)の溶液を滴下した。得られた混合物を−78℃にて1時間、0℃にて30分間攪拌してから、ゆっくりと室温まで温めた。反応混合物を、70mLの飽和NHCl水溶液を用いて停止させた。有機層を分離して、水層を3×100mLのジエチルエーテルを用いて抽出した。組み合わせた有機層を、NaSOを用いて乾燥させ、回転蒸発により濃縮して、2−エトキシ−3−ヒドロキシ−6−メトキシメトキシ−3−メチル−1−ヘキセンを計量可能な収率(19.4g)で与えた。粗生成物は、更に精製することなく後続の反応において使用した。
50mLのメタノール中、2−エトキシ−3−ヒドロキシ−6−メトキシメトキシ−3−メチル−1−ヘキセン(8.99g,41.2mmol)の溶液に、室温で1M HCl(100mL,100mmol)を滴下した。発熱反応を水浴により冷やして、TLCによりモニターした。2時間攪拌した後、得られた混合物をNaHCOにより中和させ、回転蒸発により濃縮して、3×120mLのジクロロメタンを用いて抽出した。組み合わせた有機層を、NaSOを用いて乾燥させ、濃縮した。粗生成物を、溶出剤としてヘキサン/酢酸エチル(2/1−1/1)を用いてフラッシュクロマトグラフィーにより精製して、4.6gの3−メチル−3−ヒドロキシ−6−メトキシメトキシ−2−ヘキサノン(収率59)を与えた。
100mLの無水(absolute)エタノール中、反応の事前に一晩MgSOにより乾燥させた3−メチル−3−ヒドロキシ−6−メトキシメトキシ−2−ヘキサノン3(6.66g,35mmol)及びマロノニトリル(5.55g,84mmol)の溶液に、メタノール洗浄したリチウム(7.6mg,1.1mmol)を添加した。この溶液を、4Åのモレキュラーシーブを充填したソックスレー装置において一晩還流させた。最後に、1mLの水を添加して反応を停止させた。有機溶媒を除去し、残渣を、溶出剤としてヘキサン/酢酸エチル(3/1−1/1)を用いてフラッシュクロマトグラフィーにより精製して、4.6gの2−ジシアノメチレン−3−シアノ−4,5−ジメチル−5−(3’−メトキシメトキシプロピル)−2,5−ジヒドロフラン(3.7g,収率37)を与えた。
化合物27:50mLのTHF中、2−ジシアノメチレン−3−シアノ−4,5−ジメチル−5−(3’−メトキシメトキシプロピル)−2,5−ジヒドロフラン4(2.5g,8.7mmol)の溶液に、室温にて58mLの6M HCl(348mmol)を滴下した。次いで、この溶液を65℃まで4時間加熱してから、氷浴上で、87mLの水中72gのKCOの溶液中にゆっくりと注いだ。有機層を回転蒸発により除去して、残った溶液を3×150mLのジエチルエーテルを用いて抽出した。組み合わせた有機層を、NaSOを用いて乾燥させ、濃縮した。残渣を、勾配溶出剤(ヘキサン/酢酸エチル(1/1)、次いで純粋な酢酸エチル)によるフラッシュクロマトグラフィーを用いて精製して化合物27(1.5g)を与えた。
化合物32中間体:−78℃の乾燥ジエチルエーテル(60mL)中、4−(トリフルオロビニルオキシ)−ブロモベンゼン(9.25g,36.6mmol)溶液に、t−BuLi(23.7mL,ペンタン中1.7M)を滴下した。1時間後に、DMF(4.3mL,1.5当量)を滴下した。反応混合物を−78℃で1時間攪拌した。次いで、反応混合物を室温まで約45分間温めて、水(10mL)を添加することにより停止させた。エーテルを含んだ層を回収し、水層をジエチルエーテルで抽出した。組み合わせた有機層を、水で2回洗浄し(50mL×2)、硫酸ナトリウムを用いて乾燥させた。濾過して溶媒を蒸発させた後、生成物を真空下で一晩乾燥させて、4−(トリフルオロビニルオキシ)ベンズアルデヒドを黄色油状物として与えた。これは更に精製することなく次の工程において使用することができる。H NMR(CDCl):δ10.18(s,1H),7.85(d,J=8.8Hz,2H),7.17(d,J=8.8Hz,2H)。
室温のベンゼン/エタノール(75/75mL)中、4−(トリフルオロビニルオキシ)ベンズアルデヒド(約35mmol)の溶液に、水素化ホウ素ナトリウム(1.8g,1.3当量)を添加した。得られた混合物を室温で3時間攪拌した。減圧下で、溶媒をすべて蒸発させた。残渣をCHClにより1時間抽出して、硫酸ナトリウムにより乾燥させた。生成物を、溶出剤としてCHClを用いたクロマトグラフィーにより精製して、4−(トリフルオロビニルオキシ)ベンジルアルコールを無色油状物として与えた(5.0g,収率68%)。H NMR(CDCl):δ7.36(d,J=8.8Hz,2H),7.09(d,J=8.8Hz,2H),4.67(s,2H),2.03(s,1H)。
新しく蒸留した2,2,2−トリクロロエタノール(25mL)に、3,5−ジヒドロキシ安息香酸(4.50g,29.2mmol)、その後、濃硫酸(1.0mL)を添加し、混合物を激しく攪拌して、90℃で48時間窒素下で加熱した。反応混合物を冷却し、減圧下で乾燥状態まで蒸発した。粗生成物を、CHClから1:10のジエチルエーテル/CHClまで徐々に増加させて溶出するフラッシュクロマトグラフィーにより精製して、(2,2,2−トリクロロエチル)3,5−ジヒドロキシベンゾエートを粘性の油状物として与えた(5.12g,収率61.4%)。
新しく蒸留したTHF(40mL)中、化合物(2,2,2−トリクロロエチル)3,5−ジヒドロキシベンゾエート(2.04g,7.14mmol)、4−(トリフルオロビニルオキシ)ベンジルアルコール(3.2g,15.6mmol)、及びトリフェニルホスフィン(6.0g,22.9mmol)の溶液に、ジエチルアゾカルボキシレート(3.6mL,22.7mmol)を滴下した。反応混合物を室温で一晩攪拌してから、溶媒をすべて減圧下で蒸発させた。粗生成物を、溶出剤としてCHCl/ヘキサン(1:3,v/v)を用いるカラムクロマトグラフィーにより精製して、(2,2,2−トリクロロエチル)3,5−ジ((4−トリフルオロビニルオキシ)ベンジルオキシ)ベンゾエートを無色の油状物として与えた(3.39g,収率72%)。
化合物32:THF/酢酸(10mL/10mL)の混合物中、(2,2,2−トリクロロエチル)3,5−ジ((4−トリフルオロビニルオキシ)ベンジルオキシ)ベンゾエート(3.38g,5.14mmol)の溶液に、2.3gの亜鉛末を添加した。反応混合物窒素下で3時間激しく攪拌して、濾過した。溶媒の大部分を蒸発し、濾液の残渣をジエチルエーテル中に再溶解させた。この溶液を水で洗浄し(100mL×3)、硫酸ナトリウムで乾燥させた。粗生成物を、溶出剤としてCHCl/アセトン(2:1,v/v)を用いるカラムクロマトグラフィーにより精製して、32を白色固体として与えた(2.60g,収率96%)。H NMR(CDCl):δ7.36(d,J=8.8Hz,4H),7.26(d,J=2.6Hz,2H),7.04(d,J=8.8Hz,4H),6.72(t,J=2.6Hz,1H),4.97(s,4H)。
ポリマー17中に化合物14を含む架橋された電気光学ポリマー薄膜を次のように調製した:1)シクロペンタノン中、化合物14及びポリマー17(ポリマー17に関して化合物14を15重量%配合)の溶液(シクロペンタノンに関して、化合物14及びポリマー17(固体全体)を30重量%配合)を調製し;2)この溶液を2”ITO基板上に500rpmで5秒間、1300rpmで30秒間スピン堆積し;3)この系を180℃にて、4.5kVで10分間、5.5kVで5分間、6.5kVで5分間、そして7.5kVで5分間コロナポーリングし;4)架橋された薄膜を7.5kV場で室温まで冷却させた。
ポリマー36から形成された架橋電気光学ポリマー薄膜を、シクロペンタノン中、ポリマー36の25%(重量基準)溶液をITO被覆ガラススライド上にスピンコーティングすることにより調製した。この溶液を0.2μmナイロンフィルターを通して濾過し、500rpmで6秒間、1000rpmで30秒間スピンコートして、50℃にて一晩真空下でソフトベークして、3.2μmの薄膜を与えた。この薄膜を、ニードルを用いて20kVにてコロナポーリングし、架橋させるために220℃で5分間加熱した。薄膜を、適用した場のもとで室温まで冷やして、1.31μmにてr33が36pm/Vである電気光学薄膜を与えた。
他の態様は特許請求の範囲内にある。
図1は、ある態様において使用することができる例示的な受容体を示す。 図2は、ある態様において使用することができる例示的な供与体を示す。 図3は、種々の非線形光学クロモフォアの合成の概略である。 図4は、種々の非線形光学クロモフォアの合成の概略である。 図5は、種々の非線形光学クロモフォアの合成の概略である。 図6は、種々の非線形光学クロモフォアの合成の概略である。 図7は、ある態様において使用される架橋可能なポリマーの合成を概説する図である。 図8は、非線形光学クロモフォアの合成を概説する図である。 図9は、非線形光学クロモフォアの合成を概説する図である。 図10は、非線形光学クロモフォアの合成を概説する図である。 図11は、二つの架橋可能な基を示す。 図12は、ペンダントの非線形光学クロモフォアを有する二つの側鎖ポリマーの合成を概説する図である。

Claims (40)

  1. 直線状ポリマーを含む組成物であって、該直線状ポリマーが、式D−π−A(式中、πは、酸素原子がそのチオフェン環の3位及び4位に直接結合しているチオフェン環を含むπ架橋であり、Dは供与体であり、Aは受容体である)を有するペンダントクロモフォアを含む前記組成物。
  2. 酸素原子が独立して、アルキル、ヘテロアルキル、アリール、又はヘテロアリール基により置換される、請求項1記載の組成物。
  3. 直線状ポリマーを含む組成物であって、該直線状ポリマーが、次式:
    Figure 2006507403
    (式中、各々について独立して:πは、存在しないか又はπ架橋であり;πは、存在しないか又はπ架橋であり;Dは供与体であり;Aは受容体であり;XはO又はSであり;そしてRは、アルキル、アリール、ヘテロアルキル、又はヘテロアリール基である)
    を有するペンダントクロモフォアを含む前記組成物。
  4. 供与体が
    Figure 2006507403
    からなる群から選択され、受容体が
    Figure 2006507403
    (式中、各々について独立して:Rは、水素、α炭素又は直接、窒素、酸素若しくは硫黄原子に結合している場合を除いてハロゲン、あるいはアルキル、アリール、ヘテロアルキル、又はヘテロアリール基であり;Rは、水素、又は、アルキル、アリール、ヘテロアルキル若しくはヘテロアリール基であり;YはO、S又はSeであり;mは2、3又は4であり;pは0、1又は2であり;そしてqは0又は1である)
    からなる群から選択される、請求項3記載の組成物。
  5. 供与体が
    Figure 2006507403
    (式中、各々について独立して:Rは、水素、α炭素又は直接、窒素、酸素若しくは硫黄原子に結合している場合を除いてハロゲン、あるいはアルキル、アリール、ヘテロアルキル、又はヘテロアリール基であり;Rは、水素、又は、アルキル、アリール、ヘテロアルキル若しくはヘテロアリール基である)
    からなる群から選択される、請求項4記載の組成物。
  6. 各Xが酸素であり、各R基がアルキル基である、請求項3記載の組成物。
  7. ポリマーが、ペンダント架橋可能な基を更に含む、請求項3記載の組成物。
  8. クロモフォアが、少なくとも1つの架橋可能な基を更に含む、請求項7記載の組成物。
  9. 請求項1記載の組成物を含む、電気光学デバイス。
  10. 光学変調器、光学スイッチ及び光方向性結合器からなる群から選択される、請求項9記載の電気光学デバイス。
  11. 1)入力導波管;2)出力導波管;3)第一端部及び第二端部を有する第一の脚であって、該第一端部にて該入力導波管と結合し、該第二端部にて該出力導波管と結合する前記第一の脚;及び4)第一端部及び第二端部を有する第二の脚であって、該第一端部にて該入力導波管と結合し、該第二端部にて該出力導波管と結合する前記第二の脚を含む、請求項9記載の電気光学デバイス。
  12. 1)入力;2)出力;3)該入力及び出力の間に伸張する第一の導波管;及び4)該第一の導波管に対して整列され、該第一の導波管にエバネセント結合するために配置された、第二の導波管を含む、請求項9記載の電気光学デバイス。
  13. 請求項9記載の電気光学デバイスを含む光学ルータ。
  14. 請求項9記載の電気光学デバイスを少なくとも1つ含む通信系。
  15. 請求項1記載の組成物を通して光を伝達することを含む、データ伝達方法。
  16. 請求項1記載の組成物を通して又は媒介として光を伝達することを含む、電気通信方法。
  17. 請求項1記載の組成物を通して又は媒介として光を指向させることを含む、光伝達方法。
  18. 請求項1記載の組成物を通して又は媒介として光を伝達することを含む、光学系を通して光をルーティングする方法。
  19. 請求項1記載の組成物を含む、フェーズドアレイレーダー系。
  20. 式D−π−A(式中、πは、酸素原子がそのチオフェン環の3位及び4位に直接結合しているチオフェン環を含むπ架橋であり、Dは供与体であり、Aは受容体である)を有する非線形光学クロモフォア。
  21. 酸素原子が、独立して、アルキル、ヘテロアルキル、アリール、又はヘテロアリールにより置換される、請求項20記載のクロモフォア。
  22. 式:
    Figure 2006507403
    (式中、各々について独立して:πは、存在しないか又はπ架橋であり;πは、存在しないか又はπ架橋であり;Dは供与体であり;Aは受容体であり;XはO又はSであり;そしてRは、アルキル、アリール、ヘテロアルキル、又はヘテロアリール基である)
    を有する非線形光学クロモフォア。
  23. 供与体が
    Figure 2006507403
    からなる群から選択され、受容体が
    Figure 2006507403
    (式中、各々について独立して:Rは、水素、α炭素又は直接、窒素、酸素若しくは硫黄原子に結合している場合を除いてハロゲン、あるいはアルキル、アリール、ヘテロアルキル、又はヘテロアリール基であり;Rは、水素、又は、アルキル、アリール、ヘテロアルキル若しくはヘテロアリール基であり;YはO、S又はSeであり;mは2、3又は4であり;pは0、1又は2であり;そしてqは0又は1である)
    からなる群から選択される、請求項20、21又は22に記載のクロモフォア。
  24. 供与体が
    Figure 2006507403
    (式中、各々について独立して:Rは、水素、α炭素又は直接、窒素、酸素若しくは硫黄原子に結合している場合を除いてハロゲン、あるいはアルキル、アリール、ヘテロアルキル、又はヘテロアリール基であり;Rは、水素、又は、アルキル、アリール、ヘテロアルキル若しくはヘテロアリール基である)
    からなる群から選択される、請求項23記載のクロモフォア。
  25. 各Xが酸素であり、各R基がアルキル基である、請求項22記載の組成物。
  26. ポリマーマトリックス及び請求項20、21又は22に記載のクロモフォアを含む、二次非線形光学組成物。
  27. クロモフォアが、ポリマーマトリックス中に共有結合により組み込まれている、請求項26記載の組成物。
  28. ポリマーマトリックスが架橋されている、請求項26記載の組成物。
  29. ポリマーマトリックスが架橋されている、請求項27記載の組成物。
  30. 請求項26記載の二次非線形光学組成物を含む、電気光学デバイス。
  31. 光学変調器、光学スイッチ及び光方向性結合器からなる群から選択される、請求項30記載の電気光学デバイス。
  32. 1)入力導波管;2)出力導波管;3)第一端部及び第二端部を有する第一の脚であって、該第一端部にて該入力導波管と結合し、該第二端部にて該出力導波管と結合する前記第一の脚;及び4)第一端部及び第二端部を有する第二の脚であって、該第一端部にて該入力導波管と結合し、該第二端部にて該出力導波管と結合する前記第二の脚を含む、請求項30記載の電気光学デバイス。
  33. 1)入力;2)出力;3)該入力及び出力の間に伸張する第一の導波管;及び4)該第一の導波管に対して整列され、該第一の導波管にエバネセント結合するために配置された、第二の導波管を含む、請求項30記載の電気光学デバイス。
  34. 請求項30記載の電気光学デバイスを含む光学ルータ。
  35. 請求項30記載の電気光学デバイスを少なくとも1つ含む通信系。
  36. 請求項26記載の組成物を通して光を伝達することを含む、データ伝達方法。
  37. 請求項26記載の組成物を通して又は媒介として光を伝達することを含む、電気通信方法。
  38. 請求項26記載の組成物を通して又は媒介として光を指向させることを含む、光伝達方法。
  39. 請求項26記載の組成物を通して又は媒介として光を伝達することを含む、光学系を通して光をルーティングする方法。
  40. 請求項26記載の組成物を含む、フェーズドアレイレーダー系。
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