JP4691779B2 - ピリジン誘導体およびその錯体 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規ピリジン誘導体およびその錯体に関する。
【0002】
【従来の技術】
太陽電池の一方式として光電変換作用をもつ化合物を用いた色素増感型太陽電池がある。このような色素増感型太陽電池に用いることができる化合物としては、米国特許第5463057号公報に、ビピリジン、テルピリジン誘導体のルテニウム錯体が開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、新規ピリジン誘導体およびその錯体を提供することを解決すべき課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ピリジン4量体の誘導体として一般式(I)で表される新規なピリジン誘導体から誘導される一般式(II)で表されるピリジン誘導体の錯体が、米国特許第5463057号公報に開示された化合物に比べて、吸収スペクトルが長波長側にシフトして太陽光を効率よく吸収できるという知見に基づいてなされたものである。
【0005】
なお、従来のピリジンの多量体の合成方法における本発明のピリジン誘導体の収率は著しく低いので、従来はその収率の低さから存在が検出されることおよびその存在が推測されることなかった。本発明者らは、ピリジン4量体の誘導体が高性能をもつという確信から反応条件として大量の原料および長時間にわたる反応時間を採用し、鋭意精査を行った結果、ピリジン4量体誘導体の存在を発見した。本発明はこの発見に基づいて完成した。
【0006】
すなわち、本発明のピリジン誘導体は、一般式(I)で表される化合物であることを特徴とする。
【0007】
【化1】
Figure 0004691779
【0008】
(R1〜R4:−OR’、−COOR’、−CONR’、−CHO、−CH2OR’、−CN、炭素数1〜20のアルキル基又は−COONR’4(R’は、水素もしくは炭素数1〜4のアルキル基))
そして、本発明のピリジン誘導体の錯体は、一般式(II)で表される化合物であることを特徴とする。
【0009】
【化2】
Figure 0004691779
【0010】
(X1〜X4:−OR’、−COOR’、−CONR’、−CHO、−CH2OR’、−CN、炭素数1〜20のアルキル基又は−COONR’4(R’は、水素もしくは炭素数1〜4のアルキル基)、Z:Cl、Br、CN、NCS又はNCO、M:Ru又はOs)
【0011】
【発明の実施の形態】
一般式(I)において、R1〜R4の炭素数1〜20のアルキル基としてはメチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、t−ブチル、n−ペンチルなどが例示できる。これらのうち、エチル、イソプロピルが好ましい。
【0012】
そして、R’として表される炭素数1〜4のアルキル基としてはメチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、t−ブチルなどが挙げられる。
【0013】
一般式(I)で表されるピリジン誘導体としては、式中R1〜R4がすべてエチル基、イソプロピル基である化合物が好ましく、そして式中R1〜R4がすべてカルボキシル基又はそのエステルである化合物も好ましい。
【0014】
具体的には、4,4’,4’’,4’’’−テトラエチル−[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジン、4,4’,4’’,4’’’−テトライソプロピル−[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジン、[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸、[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸テトラメチルエステルが好ましい。
【0015】
一般式(II)において、X1〜X4の炭素数1〜20のアルキル基としてはメチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、t−ブチル、n−ペンチルなどが例示できる。これらのうち、エチル、イソプロピルが好ましい。
【0016】
そして、R’として表される炭素数1〜4のアルキル基としてはメチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、t−ブチルなどが挙げられる。
【0017】
一般式(II)で表されるピリジン誘導体の錯体としては、式中X1とX4とが同一であり、X2とX3とが同一である化合物が好ましく、さらに式中X1〜X4とがすべてカルボキシル基又はそのエステルもしくはアミドである化合物が好ましい。そしてZとしてはNCSであり、Mがルテニウムである化合物が好ましい。
【0018】
具体的には、Ru(2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’−クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸テトラメチルエステル)(NCS)2、((C253NH)4[Ru(2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’−クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボキシレート)(NCS)2]、((C493N)n4-n[Ru(2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’−クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボキシレート)(NCS)2]、[Ru(2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’−クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸)(NCS)2]が好ましい。
【0019】
本発明の化合物はそれ自体公知の類似方法によって製造できる。
【0020】
本発明のピリジン誘導体は対応するピリジン単量体又はピリジン2量体を重合させることによって得られる(単量体から合成する方法としては、たとえば、米国特許第5463057号公報、J.Am.Chem.Soc.,99,4947(1977)、Inorg.Chem.,24,4543(1985)に記載の方法。)。この場合に本発明のピリジン誘導体の収率は著しく低いので注意が必要である。これらの合成法ではピリジン4量体誘導体の他に多量の副生成物としてピリジン2量体、3量体の誘導体が生成する。これらの混合物からピリジン4量体の誘導体を単離するには蒸留、カラム等の公知の分離方法で達成できる。そして本発明のピリジン誘導体の錯体は得られた本発明のピリジン誘導体に対して公知の方法(たとえば、前述の文献の方法。)を類推適用することで製造可能である。
【0021】
本発明の一般式(I)で表されるピリジン誘導体は一般式(II)で表されるピリジン誘導体の錯体を製造する原料となる中間体として用いることができるほか、キレート化剤、導電性ポリマー(原料)に用いることも可能である。
【0022】
本発明の一般式(II)で表されるピリジン誘導体の錯体は光電変換活性が高く色素増感型太陽電池等に用いることができる光増感色素に好適に使用可能である。たとえば、色素増感型太陽電池としては、透明導電膜を備えた透明基板と、その透明基板と対極をなす導電性基板との間に増感色素を担持させた半導体電極と電解質層とを有するものが例示できる。これは光電変換によって前記した透明導電膜と前記した導電性基板との間に電気エネルギーを発生する。この増感色素として、一般式(II)で表されるピリジン誘導体錯体を含むことができる。具体的には導電性基板上に、アルミニウムをドープした半導体基板としての酸化チタン層を形成し、その酸化チタン層の表面上に増感色素として本発明のピリジン誘導体の錯体の層を設けた電極と、導電性ガラス等からなる透明電極と、その間に満たされたヨウ素等を含む電解質溶液とを公知の方法で組み合わせることで色素増感型太陽電池が得られる。本発明のピリジン誘導体の錯体はピリジンの2量体および3量体と比較するとより電子が非局在化しており最大吸収波長が長波長側に移動しているので、太陽光のスペクトル(エネルギー)を効率よく電力に変換することができる。
【0023】
また、本発明のピリジン誘導体の錯体は新規な色素として、一般的な色素が利用されるその他の利用方法が適用できる。
【0024】
【実施例】
以下に本発明のピリジン誘導体およびその錯体について例を挙げてその合成方法および諸性質について説明する。なお、本発明のピリジン誘導体およびその錯体は以下の例示によってその構造式を限定されるものでないことはいうまでもない。
【0025】
(合成例1)
4,4’,4’’,4’’’−テトラエチル−[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジンの合成
フラスコ内で市販されている4−エチルピリジンを500mLとパラジウム含量が重量基準で5%であるパラジウムカーボンを20gとを混合した。攪拌しながら4日間還流を行った後に、反応混合物をろ過してパラジウムカーボンを除去した。得られた反応生成物を減圧蒸留して目的物を得た。なお、本合成例では4,4’−ジエチル−[2,2’]ビピリジン、4,4’,4’’−トリエチル−[2,2’;6’,2’’]テルピリジンも併せて合成され、前述の蒸留操作によって分離された。
【0026】
【化3】
Figure 0004691779
【0027】
(合成例2)
[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸の合成
フラスコ内に合成例1で合成した4,4’,4’’,4’’’−テトラエチル−[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジンを3.00g(7.10mmol)入れた。そして硫酸90mLを加え溶解するまで攪拌した。これに二クロム酸カリウム16.70g(56.80mmol)を反応液温が30℃から60℃になるように6時間かけて加える。一晩反応させた後に反応溶液を3Lの氷水中に加え一晩5℃で静置し結晶を析出させた後に反応液から結晶をろ過して取り出した。その結晶を良く水洗した後に真空下で乾燥した。得られた粗生成物と50%硝酸10mLとをフラスコ内で60℃に加熱し、5時間攪拌した。攪拌後2Lの氷水中に反応溶液を加え一晩5℃で静置し結晶を析出させた後に結晶をろ過して取り出した。取り出した結晶を良く水洗した後に真空下で乾燥して目的物(白色結晶)を得た。
【0028】
【化4】
Figure 0004691779
【0029】
(合成例3−1)
[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸テトラメチルエステルの合成
フラスコ内に合成例2で合成した[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸を3.30g(6.79mmol)を入れ、アルゴン雰囲気下、乾燥メタノール300mL、硫酸6mLと共に2日間攪拌しながら還流した。反応液温を室温まで冷却した後に反応液を飽和炭酸水素ナトリウム水溶液に加えた。減圧下反応溶液中のメタノールを除去した後に結晶をろ過して取り出した。取り出した結晶を良く水洗した後に真空下で乾燥し目的物(白色結晶)を得た。
【0030】
【化5】
Figure 0004691779
【0031】
(合成例3−2)
[Ru(2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’−クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸テトラメチルエステル)(NCS)2]の合成
フラスコ内にジメチルホルムアミド(DMF)を200mL入れた。アルゴン雰囲気下でRuCl3・nH2O174mgを加え、80℃で1時間半攪拌した後に合成例3−1で合成した[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸テトラメチルエステルを500mg(0.922mmol)加え、160℃で5時間反応させた。その後、反応溶液にチオシアン酸アンモニウム水溶液1.913g(25.1mmol)/2mLを加えて、140℃で一晩攪拌した。反応液温を室温まで冷却した後に減圧下で溶媒を約10mLまで除去し、水約100mLを加え、5℃で一晩静置して結晶を析出させた。ろ過にて結晶を取り出した後に結晶を水洗し、真空下で乾燥して目的物(白色結晶)を得た。
【0032】
【化6】
Figure 0004691779
【0033】
(合成例3−3)
((C253NH)4[Ru(2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’−クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボキシレート)(NCS)2]の合成
フラスコ内に合成例3−2で合成したRu(2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’−クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸テトラメチルエステル)(NCS)2を700mg(0.921mmol)入れた。アルゴン雰囲気下、DMF53mL、チオシアン酸アンモニウム水溶液701mg(9.21mmol)/21mL、トリエチルアミン6mLを加えて130℃で2日間攪拌した。反応液温を室温まで冷却した後に減圧下で溶媒を約10mLまで除去し、水約100mLを加え、5℃で一晩静置し結晶を析出させた後に結晶をろ過して取り出した。取り出した結晶を水洗した後に減圧下で乾燥した。得られた粗生成物をフラスコに入れ、アルゴン雰囲気下、DMF53mL、チオシアン酸アンモニウム水溶液701mg(9.21mmol)/21mL、トリエチルアミン6mLを加えて110℃で2日間攪拌した。反応液温を室温まで冷却した後に減圧下で溶媒を約10mLまで除去し、水約100mLを加え、5℃で一晩静置して結晶を析出させた。ろ過にて結晶を取り出した後に結晶を水洗し、真空下で乾燥して目的物(黒色結晶)を得た。
【0034】
【化7】
Figure 0004691779
【0035】
(合成例3−4)
((C493N)n4-n[Ru(2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’−クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボキシレート)(NCS)2]の合成
合成例3−3で合成した((C253NH)4[Ru(2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’−クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボキシレート)(NCS)2]を2.0g、テトラ−n−ブチルアンモニウムチオシアナート2.4g、水30mLをビーカーに入れ攪拌した後に10%テトラ−n−ブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を溶液のpHが9〜10になるまで加えた。しばらく攪拌して沈殿物が溶解した後に、溶液をろ過し不純物を取り除いた。その後、1N・0.1N・0.01Nの硝酸でpHを4.80に調整した。5℃で一晩静置し結晶を析出させた後に結晶をろ過して取り出した。取り出した結晶を減圧下で乾燥した。得られた粗生成物をゲルカラムにて精製した。得られた溶液を減圧下で約10mLまで濃縮した後に10%テトラ−n−ブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を溶液のpHが9〜10になるまで加えた。しばらく攪拌して沈殿物が溶解した後に、溶液をろ過し不純物を取り除いた。その後、再度硝酸でpHを5.20〜1.50に調整し、nの異なる(n=0〜4)目的物を得た。
【0036】
【化8】
Figure 0004691779
【0037】
(合成例4−1)
[RuCl2(DMSO)4]の合成
フラスコにジメチルスルホキシド10mLを入れ、80℃に加熱した後に[RuCl3・nH2O]4gを加え10分間攪拌した。反応溶液を室温まで冷却した後にアセトン50mLを加えて5℃で1時間静置して結晶を析出させた。結晶をろ過にて取り出して真空下で乾燥させて目的物(赤褐色結晶)を得た。
【0038】
(合成例4−2)
[Ru(2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’−クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸)(NCS)2]の合成
フラスコ内に合成例4−1で合成した[RuCl2(DMSO)4]を2g(4.1mmol)、合成例2で合成した[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボン酸を2g(4.1mmol)を入れ、アルゴン雰囲気下、DMF500mLを加えて140℃で4時間攪拌した。そして、反応液温を120℃まで下げチオシアン酸アンモニウム水溶液3.1g(41mmol)/100mLを加えて2時間攪拌した。その後反応液温を室温まで冷却した後に析出した結晶をろ過によって取り出し水洗した後に真空下で乾燥した。得られた粗生成物2gをテトラ−n−ブチルアンモニウムチオシアナート2.4g、水30mLをビーカーに入れ攪拌した後に10%テトラ−n−ブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を溶液のpHが9〜10となるまで加えた。しばらく攪拌して沈殿物が溶解した後に溶液をろ過して不純物を取り除いた。その後、1N・0.1N・0.01Nの硝酸でpHを4.80に調整した。5℃で一晩静置し結晶を析出させた後に結晶をろ過して取り出した。取り出した結晶を減圧下で乾燥した。得られた粗生成物を溶解させゲルカラムにて精製した。得られた溶液を減圧下で約10mLまで濃縮した後に10%テトラ−n−ブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を溶液のpHが9〜10になるまで加えた。しばらく攪拌して沈殿物が溶解した後に、溶液をろ過し不純物を取り除いた。その後、再度硝酸でpHを5.20〜1.50に調整し、目的物(黒色結晶)を得た。
【0039】
【化9】
Figure 0004691779
【0040】
(合成例5)
4,4’−ジエチル−[2,2’]ビピリジンおよび4,4’,4’’−トリエチル−[2,2’;6’,2’’]テルピリジンについても合成例2〜4と同様の操作を行って、ルテニウム錯体を合成した。4,4’−ジエチル−[2,2’]ビピリジンから合成されたルテニウム錯体は赤色結晶であった。そして4,4’,4’’−トリエチル−[2,2’;6’,2’’]テルピリジンから合成されたルテニウム錯体は緑色結晶であった。
【0041】
【化10】
Figure 0004691779
【0042】
(生成物の同定)
目的物の構造は核磁気共鳴吸収法(NMR)、赤外分光法(IR)、紫外・可視分光法(UV−VIS)、高速液体クロマトグラフィー、質量分析、元素分析にて確認した。
【0043】
▲1▼合成例1で合成した4,4’,4’’,4’’’−テトラエチル−[2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’]クアテルピリジンについて、NMRスペクトルを図1に、IRスペクトルを図2にそれぞれ示す。
図1より明らかなように、化学シフトδ8.58ppm(2H、d、J=4.9)のピークが6位と6’’’位の水素に、化学シフトδ8.46ppm(4H、s)のピークが5’位と3’’位と3’位と5’’位の水素に、化学シフトδ8.31ppm(2H、d、J=1.6)のピークが3位と3’’’位の水素に、化学シフトδ7.17ppm(2H、dd、J=5.0;1.7)のピークが5位と5’’’位の水素にそれぞれ対応できる。
【0044】
そして、図2から明らかなように、3050cm-1(w)のピークがピリジンに、3000〜2800cm-1(m)のピークが−CH2CH3にそれぞれ対応できる。したがってNMRスペクトルおよびIRスペクトルから本化合物が推定できた。
【0045】
また、質量分析および元素分析からも本化合物が推定できた。
【0046】
▲2▼合成例3−4で合成した((C493N)n4-n[Ru(2,2’;6’,2’’;6’’,2’’’−クアテルピリジン−4,4’,4’’,4’’’−テトラカルボキシレート)(NCS)2]について、NMRスペクトルを図3に、IRスペクトルを図4にそれぞれ示す。
【0047】
図3より明らかなように、化学シフトδ9.57ppm(2H、d、J=5.5)のピークが6位と6’’’位の水素に、化学シフトδ8.92ppm(2H、d、J=0.9)のピークが5’位と3’’位の水素に、化学シフトδ8.88ppm(2H、d、J=0.9)のピークが3’位と5’’位の水素に、化学シフトδ8.77ppm(2H、d、J=0.9)のピークが3位と3’’’位の水素に、化学シフトδ8.25ppm(2H、dd、J=5.5;1.6)のピークが5位と5’’’位の水素にそれぞれ対応できる。
【0048】
そして、図4から明らかなように、3600〜2500cm-1(b)のピークがOHに、3073cm-1(w)のピークがピリジン骨格に、3000〜2900cm-1(m)のピークがTBAに、2101cm-1(s)のピークがNCSに、1711cm-1(m)のピークがCOに、1605cm-1(m)のピークもCOにそれぞれ対応できる。したがってNMRスペクトルおよびIRスペクトルから本化合物が推定できた。
【0049】
また、質量分析および元素分析からも本化合物が推定できた。
【0050】
▲3▼参考までに4,4’−ジエチル−[2,2’]ビピリジン、4,4’,4’’−トリエチル−[2,2’;6’,2’’]テルピリジンのピリジン誘導体のNMRスペクトルをそれぞれ図5、図6に示す。
【0051】
(それぞれのピリジン誘導体錯体のUV−VIS吸光スペクトル:光電変換特性について)
図7にピリジン2量体、3量体、4量体のカルボン酸誘導体から合成したルテニウム錯体のUV−VIS吸光スペクトルを示す。吸光スペクトルの測定は、各化合物をエタノール溶液として測定した。それぞれのカルボン酸誘導体錯体の溶液の色は、ピリジン2量体(赤色)、3量体(緑色)、4量体(青紫色)であった。図7から明らかなように、ピリジンの重合度が上がる毎にその吸収波長が長波長側に移動していることが解る。その結果、本発明の化合物(ピリジン4量体誘導体錯体)の吸収スペクトルは太陽光のスペクトルとの重なりが大きく、光電変換色素として用いた場合に2量体および3量体誘導体の錯体よりも太陽エネルギーの吸収効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例のピリジン誘導体(合成例1)のNMRスペクトルを示した図である。
【図2】実施例のピリジン誘導体(合成例1)のIRスペクトルを示した図である。
【図3】実施例のピリジン誘導体の錯体(合成例3−4)のNMRスペクトルを示した図である。
【図4】実施例のピリジン誘導体の錯体(合成例3−4)のIRスペクトルを示した図である。
【図5】ピリジン2量体誘導体(合成例5)のNMRスペクトルを示した図である。
【図6】ピリジン3量体誘導体(合成例5)のNMRスペクトルを示した図である。
【図7】実施例の各ピリジン誘導体(2量体、3量体、4量体)の各錯体のUV−VIS吸光スペクトルを示した図である。

Claims (7)

  1. 一般式(I)で表されるピリジン誘導体。
    Figure 0004691779
    (R1〜R4:−OR’、−COOR’、−CONR’、−CHO、−CH2OR’、−CN、炭素数1〜20のアルキル基又は−COONR’4(R’は、水素もしくは炭素数1〜4のアルキル基))
  2. 前記式中、R1〜R4がエチル基又はイソプロピル基である請求項1に記載のピリジン誘導体。
  3. 前記式中、R1〜R4がカルボキシル基又はそのエステルである請求項1に記載のピリジン誘導体。
  4. 一般式(II)で表されるピリジン誘導体錯体。
    Figure 0004691779
    (X1〜X4:−OR’、−COOR’、−CONR’、−CHO、−CH2OR’、−CN、炭素数1〜20のアルキル基又は−COONR’4(R’は、水素もしくは炭素数1〜4のアルキル基)、Z:Cl、Br、CN、NCS又はNCO、M:Ru又はOs)
  5. 前記式中X1とX4とが同一であり、X2とX3とが同一である請求項4に記載のピリジン誘導体錯体。
  6. 前記式中、ZがNCSであり、MがRuである請求項4又は5に記載のピリジン誘導体錯体。
  7. 前記式中、X1〜X4がすべてカルボキシル基またはそのアミドである請求項4から6のいずれかに記載のピリジン誘導体錯体。
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