JP2011519970A - 非対称アントラセン誘導体の製造方法及びこれを用いた有機電界発光素子 - Google Patents

非対称アントラセン誘導体の製造方法及びこれを用いた有機電界発光素子 Download PDF

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Abstract

本発明は、非対称アントラセン誘導体の新規な製造方法を提供する。より詳しくは、２番炭素がアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基又はヘテロアリール基で置換されていると共に、９番及び１０番炭素がそれぞれアリール基又はヘテロアリール基で置換されたアントラセン誘導体を高い収率で製造することができる方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非対称アントラセン誘導体の新規な製造方法及びこれを用いた有機発光ダイオード素子の製造に関する。より詳しくは、２番炭素がアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基又はヘテロアリール基で置換されていると共に、９番及び１０番炭素がそれぞれアリール基又はヘテロアリール基で置換されたアントラセン誘導体を高い収率で製造し、これを発光材料又は正孔注入及び伝達材料又は電子伝達及び注入材料として使用することにより、高効率と長寿命を有するＯＬＥＤ材料を開発することを目指している。
アントラセンは、１９６０年代から有機発光素子の有機物層を構成し得る重要な化学構造として知られている。アントラセンは、発光効率、寿命性能、色純度などにおいて比較的良好な効果が得られるが、まだ改善の余地があり、このため、様々な研究が行われている。
例えば、アントラセンをＩＴＯ基板に蒸着させると、その形成された薄膜は、容易に結晶化する傾向が示される。この問題を解決すため、アントラセンの２番炭素の位置に置換基を導入し、アントラセンの対称性を防ぎ、アントラセンの結晶化を防止することにより、膜特性を向上させる方法が提示されている。
また、アントラセンの９番及び１０番炭素の位置にアリール基を置換することで、電気的特性を向上させる方法が提示された。さらに、前記９番及び１０番炭素の位置にそれぞれ異なるアリール基を置換し、分子内双極子モーメントを増加させることで、電気的特性をさらに向上させる方法が提示されている。
有機発光素子の発光効率、寿命性能及び色純度を高くするため、２番炭素がアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基又はヘテロアリール基で置換されていると共に、９番及び１０番炭素がそれぞれアリール基又はヘテロアリール基で置換されたアントラセン誘導体に対する開発が求められ、特に経済性面から、前記アントラセン誘導体を高い収率で製造する方法が求められている。
本発明の目的は、２番炭素がアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基又はヘテロアリール基で置換されていると共に、９番及び１０番炭素がそれぞれアリール基又はヘテロアリール基で置換されたアントラセン誘導体を高い収率で製造することができる方法を提供することにある。
本発明は、アントラセン誘導体の製造方法において、
（ａ）化１で示される化合物と化２で示される化合物とを反応させて、化３で示される化合物を形成するステップ、
（ｂ）化３で示される化合物の環化反応によって、化４で示される化合物を形成するステップ、及び
（ｃ）化４で示される化合物のアントラセンの１０番炭素の位置にアリール基を置換させるステップ、
を含む化５で示されるアントラセン誘導体を製造する方法を提供する。
Figure 2011519970
Figure 2011519970
Figure 2011519970
Figure 2011519970
Figure 2011519970
式中、Ｚは、ＭｇＸ（Ｘはハロゲンである）、Ｌｉ又はＮａであり、Ｒ２は、Ｃ１〜Ｃ３０のアルキル基、Ｃ５〜Ｃ３０のシクロアルキル基、Ｃ５〜Ｃ３０のヘテロシクロアルキル基、Ｃ５〜Ｃ３０のアリール基又はＣ５〜Ｃ３０のヘテロアリール基であり、Ａｒ２は、Ｃ５〜Ｃ３０のアリール基又はＣ５〜Ｃ３０のヘテロアリール基であり、
前記アルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基、及びヘテロアリール基は、それぞれ独立に、炭素数１〜３０のアルキル、炭素数２〜３０のアルケニル、炭素数２〜３０のアルキニル、炭素数５〜３０のアリール、炭素数５〜３０のヘテロアリール、炭素数５〜３０のアリールオキシ、炭素数１〜３０のアルキルオキシ、炭素数５〜３０のアリールアミノ、炭素数５〜３０のジアリールアミノ、炭素数５〜３０のアリールアルキル、炭素数５〜３０のシクロアルキル、炭素数５〜３０のヘテロシクロアルキル及びハロゲン原子からなる群から選択される少なくとも１つで置換されるものであることができる。
本発明によれば、優れた発光性能を発揮できるアントラセン誘導体を高い収率で製造することができるので、有機発光素子を開発するにあたって経済性を向上させることができる。
実施例１のＣｐｄ１アントラセン誘導体に対するＮＭＲ分析結果を示す図である。 実施例２のＣｐｄ２アントラセン誘導体に対するＮＭＲ分析結果を示す図である。 実施例１３のＣｐｄ１３アントラセン誘導体に対するＮＭＲ分析結果を示す図である。
本発明が提供しようとする化合物は、２番炭素がアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロアルキル基、アリール基又はヘテロアリール基で置換されていると共に、９番及び１０番炭素がそれぞれアリール基又はヘテロアリール基で置換されたアントラセン誘導体（以下「目的のアントラセン誘導体」という）であって、化６で示すことができる。
Figure 2011519970
式中、Ａｒ１及びＡｒ２は、それぞれ独立に、Ｃ５〜Ｃ３０のアリール基又はＣ５〜Ｃ３０のヘテロアリール基であり、Ｒ２は、Ｃ１〜Ｃ３０のアルキル基、Ｃ５〜Ｃ３０のシクロアルキル基、Ｃ５〜Ｃ３０のヘテロシクロアルキル基、Ｃ５〜Ｃ３０のアリール基又はＣ５〜Ｃ３０のヘテロアリール基であり、Ｒ１及びＲ３〜Ｒ８は、それぞれ独立に、水素、ハロゲン原子、Ｃ１〜Ｃ３０のアルキル基、Ｃ５〜Ｃ３０のシクロアルキル基、Ｃ１〜Ｃ３０のアルコキシ基、Ｃ５〜Ｃ３０のヘテロシクロアルキル基、Ｃ５〜Ｃ３０のアリール基及びＣ５〜Ｃ３０のヘテロアリール基からなる群から選択されるものである。なお、Ａｒ１は、−Ｐｈ−Ｒ２の構造を有するもので、Ａｒ２とは異なるアリール基又はヘテロアリール基であることが好ましい。
一方、目的のアントラセン誘導体を製造するため、従来は、アントラセンの２番炭素をアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基又はヘテロアリール基に置換した後、９番炭素、１０番炭素をアリール基又はヘテロアリール基に順次置換する方法をとっている。しかし、この場合、アントラセンの希望の炭素に希望の置換基を選択的に置換することは難しいので、その収率が低下するという問題点があった。特に、アントラセンの２番炭素に置換基を導入するステップ、及びアントラセンの９番炭素にアリール基又はヘテロアリール基を置換するステップにおいて、その選択性が劣るため、異性体が形成されることがあり、このような異性体は、分離が難しいという問題点を持っている。
本発明は、２番及び９番炭素を順次置換するステップを行うことなく、１つのステップで、２番炭素がアルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール又はヘテロアリール基で置換され、９番炭素がアリール基又はヘテロアリール基で置換されたアントラセン誘導体を形成することにより、目的のアントラセン誘導体の収率を高くすることに特徴がある。
本発明に係るアントラセン誘導体の製造方法は、下記の反応式１で示すことができる。
［反応式１］
Figure 2011519970
上記の（ａ）は、化１の化合物と化２の化合物とを反応させることで化３の化合物を形成するステップであって、化１の化合物と化２の化合物とは、１：１〜１：１０のモル当量比、好ましくは、１：２のモル当量比で使用される。
前記化２の化合物は、目的のアントラセン誘導体の２番炭素に置換しようとするアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基と同様なアルキル基、アリール基又はヘテロアリール基をＲ２として含む化合物である。
上記のステップ（ａ）は、０〜５０℃の温度下で１〜６０時間かけて行われ、当業界で周知の不活性溶媒下で行うことができる。この不活性溶媒としては、例えば、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、シクロヘキサンなどの飽和炭化水素類、１，２−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、メチル−ｔ−ブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル類、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類などが挙げられるが、これらに限定されない。これらは、単独で又は混合して使用することができる。
また、上記の（ｂ）は、化３の化合物を環化させることで化４の化合物を形成するステップである。本発明では、このようなステップ（ｂ）によって、２番及び９番炭素を順次置換することなく、２番炭素にアルキル基、アリール基、ヘテロアリール基が置換され、９番炭素にアリール基又はヘテロアリール基が置換されたアントラセン誘導体を形成することができ、この場合、異性体が形成されることがない。
前記環化反応は、当業界で周知の方法を適用することができる。例えば、まず、化３の化合物を無水酢酸又はアセチルハライドと反応させてアセチル化し、次に、酸の存在下で反応させることで、２番の位置と９番の位置が選択的に置換されたアントラセン誘導体を製造することができるが、これに限定されない。
上記の（ｃ）は、化４の化合物の１０番炭素にアリール基（Ａｒ２）を置換させるステップであって、当業界で周知のカップリング反応で行うことができる。より具体的には、化４で示される化合物の１０番炭素の位置にハロゲンを置換した後、スズキカップリング反応により、化５で示される化合物を形成することができる。
前記ハロゲン化反応においては、当業界で周知のハロゲン剤を使用することができ、例えば、ハロスクシンイミド（化７）、ハロゲン（Ｆ２、Ｃｌ２、Ｂｒ２、Ｉ２）などが挙げられるが、これらに限定されない。なお、前記ハロゲン化剤は、化４の化合物に対して、０．８〜１０モル当量、好ましくは、１〜５モル当量で使用される。
Figure 2011519970
式中、Ｘは、ハロゲンであり、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩからなる群から選択される。
前記ハロゲン化反応は、０〜２００℃、好ましくは、２０〜１２０℃の温度で、１〜２４時間かけて行われ、不活性溶媒の存在下で行うことができる。前記不活性溶媒としては、例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、四塩化炭素、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ニトロベンゼン、トルエン、キシレン、水などが挙げられ、これらは、単独で又は混合して使用されることができる。
また、スズキカップリング反応は、当業界で周知の方法で行うことができ、スズキカップリング剤としては、化学式Ａｒ２−Ｂ（ＯＨ）２のアリール−ボロン酸が使用されることができる。
前記スズキカップリング反応は、一般に、常圧下で、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性雰囲気下で行われるが、必要に応じて加圧の条件下で行うこともできる。また、前記スズキカップリング反応は、１５〜３００℃、好ましくは、３０〜２００℃の温度で１〜４８時間かけて行うことができる。
前記スズキカップリング反応の反応溶媒としては、水、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類、１，２−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、メチル−ｔ−ブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル類、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、シクロヘキサンなどの飽和炭化水素類、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、１，２−ジクロロエタン、１，１，１−トリクロロエタンなどのハロゲン類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、酢酸エチル、酢酸メチル、酢酸ブチルなどのエステル類、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドンなどのアミド類などが挙げられる。これらは、単独で又は混合して使用されることができる。
前記スズキカップリング反応に使用される塩基としては、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸リチウム、フッ化カリウム、フッ化セシウム、塩化セシウム、臭化セシウム、炭酸セシウム、リン酸カリウム、メトキシナトリウム、ｔ−ブトキシカリウム、ｔ−ブトキシナトリウム、ｔ−ブトキシリチウムなどが挙げられる。
また、スズキカップリング反応に使用可能な触媒としては、例えば、テトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウム、ジクロロビス（トリフェニルホスフィン）パラジウム、ジクロロ［ビス（ジフェニルホスフィノ）エタン］パラジウム、ジクロロ［ビス（ジフェニルホスフィノ）プロパン］パラジウム、ジクロロ［ビス（ジフェニルホスフィノ）ブタン］パラジウム、ジクロロ［ビス（ジフェニルホスフィノ）フェロセン］パラジウムなどのパラジウム触媒、テトラキス（トリフェニルホスフィン）ニッケル、ジクロロビス（トリフェニルホスフィン）ニッケル、ジクロロ［ビス（ジフェニルホスフィノ）エタン］ニッケル、ジクロロ［ビス（ジフェニルホスフィノ）プロパン］ニッケル、ジクロロ［ビス（ジフェニルホスフィノ）ブタン］ニッケル、ジクロロ［ビス（ジフェニルホスフィノ）フェロセン］ニッケルなどのニッケル触媒などが挙げられる。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、これらの実施例は、本発明の例示に過ぎず、本発明は、これらに限定されるものではない。
［実施例１］目的のアントラセン誘導体（Ｃｐｄ１）の製造
実施例１−１
Figure 2011519970
３Ｌの丸底フラスコに、フタルジアルデヒド５０ｇ（０．３７mol）とテトラヒドロフラン１Ｌとを入れて攪拌した後、４−ビフェニルマグネシウムブロミド１Ｌ（１．５Ｍ ｉｎ ＴＨＦ、１．５mol）を常温で滴下した。前記反応混合物を常温で１時間攪拌した後、アンモニウムクロリド水溶液を用いて反応を終結させた。前記反応液をエチルアセテートで抽出し、硫酸マグネシウムで乾燥した後、有機溶媒を濃縮した。
実施例１−２
Figure 2011519970
上記の実施例１−１で得られた化合物にメチレンクロリド１Ｌを入れて攪拌した。ここに、トリエチルアミン３０９ｍＬ（２．２２mol）、無水酢酸１４０ｍＬ（１．４８mol）及びジメチルアミノピリジン９ｇ（０．０７４mol）を投入し、１時間攪拌した。次いで、炭酸水素ナトリウム水溶液を用いて反応を終結させ、メチレンクロリド層を抽出した。これを、硫酸ナトリウムで乾燥し、有機溶媒をろ過濃縮した後、メチレンクロリドとヘキサンを用いて再結晶し、白色固体のジアセタート化合物１５５ｇ（収率８０％）を得た。
1H NMR (CDCl3): δ2.02(s), 2.08(s), 7.15-7.51(m); HRMS for C36H30O4Na [M+Na]+: calcd 549, found 549.
メチレンクロリド４Ｌに、上記で得られたジアセタート１５０ｇ（０．２８mol）及びトリフルオロメタンスルホン酸４ｍＬ（０．０５６mol）を投入した後、１０分間常温で攪拌し、これをシリカゲルでろ過した。ろ液を濃縮した後、メタノール−メチレンクロリド溶液で再結晶し、黄色固体１１４ｇ（収率８２％）を得た。
1H NMR (CDCl3): δ7.25-7.60(m, 12H), 7.69-7.80(m, 6H), 7.95(s, 1H), 8.00(d, 1H), 8.07(d, 1H), 8.46(s, 1H); HRMS for C32H22 [M]+: calcd 406, found 406.
実施例１−３
Figure 2011519970
ジメチルホルムアミド１Ｌに、上記の実施例１−２で得られた黄色固体１１０ｇ（０．２７mol）及びＮ−ブロモスクシンイミド４８ｇ（０．２７mol）を投入し、６０℃で５時間攪拌した後、常温に冷やした。反応溶液をシリカゲルでろ過し、濃縮した後、真空下で乾燥させ、化合物を得た。
上記で得られた化合物を窒素雰囲気下でトルエン１Ｌに溶解させた後、ここに、２−ナフタレニルボロン酸５１．６ｇ（０．３mol）、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム９．３ｇ（８．１mmol）、炭酸ナトリウム３１．４ｇ（０．３mol）、水３００ｍＬを投入した。この反応混合物を３時間かけて還流攪拌を行った。反応溶液を約６０℃に冷やし、シリカゲルでろ過した後、トルエン層を抽出した。その抽出液を濃縮して有機溶媒を除去し、メタノールを加え、固体を生成させた。この固体をろ過して黄褐色のものを得た。これをメチレンクロリドで溶解させた後、メタノールを少しずつ加え、淡いクリーム色固体のアントラセン誘導体Ｃｐｄ１ １２２ｇ（収率５８％）を得た。
このアントラセン誘導体を質量分析及びＮＭＲ（図１参照）などによって同定した。
C42H28に対する成分分析: calcd C 94.70, H 5.30, found C 94.90, H 5.10; HRMS for C42H28 [M]+: calcd 532, found 532.
［実施例２〜２４］目的のアントラセン誘導体（Ｃｐｄ２〜Ｃｐｄ２４）の製造
上記の実施例１−１の４−ビフェニルマグネシウムブロミドと実施例１−３の２−ナフタレニルボロンと酸を、下記の表１に記載の通りに変化させた以外は、実施例１と同様にしてＣｐｄ２〜Ｃｐｄ２４のアントラセン誘導体を製造した。
Figure 2011519970
Figure 2011519970
Figure 2011519970
Figure 2011519970
Figure 2011519970
Figure 2011519970
Figure 2011519970
Figure 2011519970
上記において、一部のアントラセン誘導体、実施例２のＣｐｄ２及び実施例１３のＣｐｄ１３に対してＮＭＲ分析を行った。その結果をそれぞれ図２及び図３に示す。
［実験例１］有機電界発光素子の性能評価
次のような方法で有機電界発光素子を製造した。
用意したＩＴＯ（インジウムスズ酸化物；陽極）上にＤＳ−２０５（ＤＯＯＳＡＮ社製）を８００Åの厚さで熱真空蒸着を行うことで正孔注入層を形成し、この正孔注入層の上にＮＰＢ（Ｎ，Ｎ−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ−ジフェニルベンジジン）を１５０Åの厚さで真空蒸着することで正孔輸送層を形成した。上記の実施例１〜２４で製造されたＣｐｄ１〜Ｃｐｄ２４のアントラセン誘導体のそれぞれに、下記の化８で示される化合物を５％ドープし、これを前記正孔輸送層の上に３００Åの厚さで真空蒸着して発光層を形成し、この発光層の上に電子輸送物質であるＡｌｑ３を２５０Åの厚さで真空蒸着した。次に、電子注入物質であるＬｉＦを１０Åの厚さで蒸着し、アルミニウム（陰極）を２０００Åの厚さで真空蒸着することで有機発光素子を製作した。
Figure 2011519970
上記で製造された有機発光素子のそれぞれに対して、電流密度１０mA/cm2における発光効率を測定した。その結果を下記の表２に示す。
Figure 2011519970
本発明によって製造されたアントラセン誘導体を有機発光素子の発光ホストとして使用した場合は、いずれも高い輝度を示した。特に、実施例２では、駆動電圧が低く、輝度が高いだけでなく、９０００ｎｉｔにおいて、輝度１０％の減少に２００時間がかかり、優れた寿命性能が得られた。この寿命性能は、ＴＮＡを有機発光素子の発光ホストとして使用する時、９０００ｎｉｔにおいて輝度１０％の減少に１８０時間がかかっている従来のものに比べて同等以上の効果がある。

Claims (3)

  1. （ａ）下記の化１で示される化合物と下記の化２で示される化合物とを反応させて、下記の化３で示される化合物を形成するステップ、
    （ｂ）化３で示される化合物の環化反応によって、下記の化４で示される化合物を形成するステップ、及び
    （ｃ）化４で示される化合物のアントラセンの１０番炭素の位置にアリール基を置換させるステップ、
    を含む化５で示されるアントラセン誘導体の製造方法：
    Figure 2011519970
    Figure 2011519970
    Figure 2011519970
    Figure 2011519970
    Figure 2011519970
     （式中、Ｚは、ＭｇＸ（Ｘはハロゲンである）、Ｌｉ又はＮａであり、Ｒ２は、Ｃ１〜Ｃ３０のアルキル基、Ｃ５〜Ｃ３０のシクロアルキル基、Ｃ５〜Ｃ３０のヘテロシクロアルキル基、Ｃ５〜Ｃ３０のアリール基又はＣ５〜Ｃ３０のヘテロアリール基であり、Ａｒ２は、Ｃ５〜Ｃ３０のアリール基又はＣ５〜Ｃ３０のヘテロアリール基であり、
    前記アルキル基、シクロアルキル基、ヘテロシクロアルキル基、アリール基、及びヘテロアリール基は、それぞれ独立に、炭素数１〜３０のアルキル、炭素数２〜３０のアルケニル、炭素数２〜３０のアルキニル、炭素数５〜３０のアリール、炭素数５〜３０のヘテロアリール、炭素数５〜３０のアリールオキシ、炭素数１〜３０のアルキルオキシ、炭素数５〜３０のアリールアミノ、炭素数５〜３０のジアリールアミノ、炭素数５〜３０のアリールアルキル、炭素数５〜３０のシクロアルキル、炭素数５〜３０のヘテロシクロアルキル及びハロゲン原子からなる群から選択される少なくとも１つで置換されるものであることができる）。
  2. 前記ステップ（ｂ）では、化３で示される化合物をアセチル化した後、環化反応を行うことを特徴とする請求項１に記載のアントラセン誘導体の製造方法。
  3. 前記ステップ（ｃ）では、化４で示される化合物のアントラセンの１０番炭素の位置にハロゲンを置換した後、Ａｒ２−Ｂ（ＯＨ）２の化合物とスズキカップリング反応を行うことにより、化５で示される化合物を形成することを特徴とする請求項１に記載のアントラセン誘導体の製造方法。
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