JP5679403B2 - イオン液体類似構造を有するポルフィセン化合物および光酸化触媒 - Google Patents
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Description
ポルフィリンの構造異性体であるポルフィセンは、1986年ドイツのE.Vogelらによって合成された人工的な環状テトラピロール化合物であり、この化合物は、ポルフィリン金属錯体と比べて、その中心金属が強いルイス酸性と反応活性種に対する耐久性とを示すことから良好な触媒として期待されている。
しかし、これらの触媒は、光の散乱が起こり易い不均一状態を有しているため、シリカゲルや高分子上に担持された光増感剤に効果的に光照射をすることができないという問題があった。
また、反応物は、溶液中に溶解した状態で存在するため、上記不均一系触媒との反応性が低いという欠点もあった。
1. 式(1)で表されることを特徴とするポルフィセン化合物、
2. 前記R1、R2、R3、R4、R7、R8、R9、およびR10が、それぞれ独立に、水素原子、塩素原子、臭素原子、シアノ基、スルホン基、メチル基、エチル基、ノルマルプロピル基、イソプロピル基、ノルマルブチル基、イソブチル基、セカンダリーブチル基、ターシャリーブチル基、トリフルオロメチル基、ヒドロキシメチル基、ヒドロキシエチル基、カルボキシメチル基、メトキシ基、エトキシ基、ノルマルプロポキシ基、イソプロポキシ基、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基、アニソール基、トリル基、または−SO2−NH−(CH2)n−AX(A、nおよびXは、前記と同じ意味を表す。)を表し、前記R5、R6、R11、およびR12が、それぞれ独立に、水素原子、塩素原子、臭素原子、メチル基、エチル基、ノルマルプロピル基、またはフェニル基である1のポルフィセン化合物、
3. 前記R1、R2、R3、R4、R7、R8、R9、およびR10が、それぞれ独立に、水素原子、塩素原子、臭素原子、シアノ基、スルホン基、メチル基、エチル基、ノルマルプロピル基、トリフルオロメチル基、ヒドロキシメチル基、カルボキシメチル基、メトキシ基、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基、または−SO2−NH−(CH2)n−AX(Aは、N−アルキルイミダゾリウムカチオンを表し、nおよびXは、前記と同じ意味を表す。)であり、前記R5、R6、R11、およびR12が、水素原子である1のポルフィセン化合物、
4. 前記R1、R2、R3、R4、R7、R8、R9、およびR10が、それぞれ独立に、水素原子、スルホン基、エチル基、ノルマルプロピル基、フェニル基、またはペンタフルオロフェニル基、または−SO2−NH−(CH2)3−AX(Aは、N−メチルイミダゾリウムカチオンを、Xは、PF6 -を表す。)である1のポルフィセン化合物、
5. 1〜4のいずれかのポルフィセン化合物を含む光酸化触媒
を提供する。
すなわち、本発明のポルフィセン化合物は、イオン液体に高い溶解性を示すため、イオン液体を溶媒として用いることで均一系での光酸化反応が可能となるとともに、イオン液体溶液中で安定に溶解担持されているため、そのまま繰り返し使用が可能となる。
このポルフィセン化合物は、可視光領域に強い吸収を持つため、相当するポルフィリン錯体より反応効率が高い。
本発明に係るポルフィセン化合物は、上記式(1)で表され、R1〜R12の少なくとも1つの置換基が、−SO2−NH−(CH2)n−AX(nは、1〜20の整数であり、Aは、4級窒素原子を含むカチオンを、Xは、カウンターアニオンを表す。)であり、スルホニルアミド結合で連結されたイオン液体類似構造部位を有するものである。
ここで、イオン液体(ionic liquids)とは、有機カチオン種とアニオン種とからなる塩であり、常温・常圧において液体である溶融塩である。特徴としては、(1)蒸気圧がほとんどない、(2)イオン性であるが低粘性、(3)耐熱性であり液体温度範囲が広い、(4)イオン伝導性が高い(5)カチオン部とアニオン部の組み合わせで溶解性を制御できる等が挙げられ、従来用いられている有機溶剤に代わる溶剤として期待されている。
その具体例としては、4級アンモニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、N−アルキルイミダゾリウムカチオン等が挙げられる。
4級アンモニウムカチオンとしては、例えば、テトラメチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、メチルトリオクチルアンモニウム、エチルジメチルプロピルアンモニウム、N−エチル−N,N−ジメチル−2−メトキシエチルアンモニウム、(2−ヒドロキシエチル)トリメチルアンモニウム、エチルジメチル(5−ジイソプロピルアミノ−3−オキサペンチル)アンモニウム、エチルジメチルシアノメチルアンモニウム、N−メチルピロリジニウム、N−ブチルピロリジニウム、N−オクチルピロリジニウム、N−ヘキシルピロリジニウム、N−メチルモルホリニウム等が挙げられる。
N−アルキルイミダゾリウムカチオンとしては、N−メチルイミダゾリウム、N−エチルイミダゾリウム、N−n−プロピルイミダゾリウム、N−n−ブチルイミダゾリウム、N−n−ヘキシルイミダゾリウム、N−n−オクチルイミダゾリウム、N−ベンジルイミダゾリウム、N−シアノメチルイミダゾリウム、N−(2−ヒドロキシエチル)イミダゾリウム等が挙げられる。
これらの中でも、本発明においては、N−アルキルイミダゾリウムカチオンが好ましく、特に、N−メチルイミダゾリウムカチオンが好ましい。
また、上記nは、1〜20の整数であれば特に制限はないが、2〜5が好ましく、特に3が好適である。
上記各置換基で任意に置換されていてもよい炭素数1〜10のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ノルマルブチル基、イソブチル基、セカンダリーブチル基、ターシャリーブチル基、ノルマルペンチル基、アミル基、イソアミル基、ターシャリーアミル基、ネオペンチル基、ノルマルヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、トリフルオロメチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、1,1,2,2,2−ペンタフルオロエチル基、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル基、ヒドロキシメチル基、ヒドロキシエチル基、カルボキシルメチル基、カルボキシルエチル基、メトキシエチル基、ベンジル基、p−フルオロベンジル基、p−メトキシベンジル基、p−メチルベンジル基、フェニルエチル基等が挙げられる。
炭素数3〜6のシクロアルキル基としては、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基が挙げられる。
炭素数1〜6のアルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、n−ブトキシ基、t−ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基等が挙げられる。
一方、R5、R6、R11、およびR12としては、水素原子、塩素原子、臭素原子、メチル基、エチル基、ノルマルプロピル基、フェニル基が好ましく、水素原子がより好ましい。
例えば、下式(4)および/または式(5)で示される化合物を、無水テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒中、亜鉛、塩化銅(I)等の金属および/または金属塩、ピリジン等のアミン化合物、四塩化チタンから発生させた低原子価チタンまたは三塩化チタン等のチタン化合物等を必要に応じて用いて反応させることにより、式(3)で示されるポルフィセンが得られる。
次に、式(3)で示されるポルフィセンを、例えば、非プロトン性溶媒中、クロロスルホン酸と反応させることにより、スルホニルクロライド基を有するポルフィセンを得ることができる。このポルフィセンとアミノ基含有ハロゲン化アルキルとを反応させることにより、ポルフィセンを置換基として有するハロゲン化アルキルが得られる。このハロゲン化アルキルを、上述した各種カチオンを与えるような種々のアミンと反応させることにより、本発明のポルフィセン化合物を得ることができる。
[1]NMR
AVANCE 500型 核磁気共鳴装置(ブルカー(株)製)
[2]MALDI−TOF−MS
Bruker Daltonics Auto Flex 質量分析装置(ブルカー・ダルトニクス(株)製)
[3]電子スペクトル(UV−vis)
U−3000型紫外可視分光光度計((株)日立製作所製)
U−3300型紫外可視分光光度計((株)日立製作所製)(実施例6)
[4]ESR
EMX8/2.7型電子スピン共鳴装置(ブルカー(株)製)
[5]FL
HORIBA Fuluolog−3型蛍光光度計(堀場(株)製)
[6]蛍光量子収率
絶対量子収率測定装置C9920(浜松ホトニクス(株)製)
[7]三重項(蛍光)寿命
蛍光寿命測定装置C4780(浜松ホトニクス(株)製)
[8]三重項寿命
時間分解分光測定装置TSP−1000M((株)ユニソク製)
[参考例1]スルホンアミドブロモプロピルポルフィセン(2)の合成
なお、ポルフィセン(1)は、文献J. Biomed, Sci. 2003, 10, 418.記載の方法により合成した。
実施例1で得られたイミダゾリウムポルフィセン(3)のイオン液体溶液(1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホニルイミド)(5.2×10-5M)を調製した。その一方で、一重項酸素トラップ剤である2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリドンの水溶液(3mM)を別途調製した。
調製したイオン液体溶液1mLと水溶液3mLとを混ぜ合わせ、二層に分離した溶液を撹拌しながら可視光照射(500Wタングステンランプ、カットオフフィルター:TOSHIBA Y−46フィルター、以下同様)した後、水相を0.1mLサンプリングし、ESR測定を行った。その結果を図7に示す。
図7に示されるように、一重項酸素をトラップしたESRシグナルが得られていることがわかる。
実施例1で得られたイミダゾリウムポルフィセン(3)のイオン液体溶液(1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホニルイミド)(5.2×10-5M)を調製した。その一方で、2,4,6−トリクロロフェノールの水溶液(4mM,pH10.6)を別途調製した。
調製したイオン液体溶液1mLと水溶液3mLとを混ぜ合わせ、二層に分離した溶液を撹拌しながら可視光照射した後、水相をサンプリングし、図8に示すUV−visスペクトル変化から、310nm付近に吸収極大波長を有する2,4,6−トリクロロフェノールの消失を確認した。
その後、イオン液体相を回収し、新たに2,4,6−トリクロロフェノールの水溶液(4mM,pH10.6)3mLを回収イオン液体溶液に加え、同様の光反応を行った。本操作を2回繰り返し、計3回のイミダゾリウムポルフィセン(3)のイオン液体溶液のリサイクル光増感反応を行った。2回目および3回目のUV−visスペクトル変化を図9および図10に示す。
イオン液体相にイミダゾリウムポルフィセン(3)を溶解させない以外は、実施例3と同様の操作で反応を行った。水相をサンプリングし、UV−visスペクトルから、2,4,6−トリクロロフェノールがイミダゾリウムポルフィセン(3)なしでは分解しないことを確認した。
イミダゾリウムポルフィセン(3)のイオン液体溶液(1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホニルイミド)(2.1×10-6M)を調製し、さらにこの中に1,5−ジヒドロキシナフタレン(3.8×10-3M)を溶解させた。
調製したイオン液体溶液を撹拌しながら可視光照射した後、反応溶液をサンプリングし、図11に示すUV−visスペクトル変化から、427nm付近に吸収極大波長を有する5−ヒドロキシ−1,4−ナフトキノンの生成を確認した。
イミダゾリウムポルフィセン(3)のイオン液体溶液(1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホニルイミド)を、600nmにおける吸光度が0.1になるように調製し、空気下、室温で600nmの波長で励起し、発光スペクトルを測定した。その結果を図12に示す。図12に示す発光スペクトルから、一重項酸素に由来する1270nmの発光が確認できた。
イミダゾリウムポルフィセン(3)のイオン液体溶液(1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホニルイミド)(関東化学(株)製)(1.0×10-6M)5mLを調製し、これに1,5−ジヒドロキシナフタレン(ナカライテスク(株)製)(3.1×10-3M)を溶解させた。
調製したイオン液体溶液に、撹拌しながら可視光照射(200Wタングステンランプ、カットオフフィルター:TOSHIBA Y−46フィルター)し、反応溶液をサンプリングしてMeOHに希釈し、図13に示されるUV−visスペクトル変化から、427nm付近に吸収極大波長を有する、下記式で示される5−ヒドロキシ−1,4−ナフトキノン(Juglone)の生成を確認した。
反応終了後、トルエン3mLを加えて5−ヒドロキシ−1,4−ナフトキノンの抽出操作を6回繰り返した。イオン液体相を減圧乾燥後、再び1,5−ジヒドロキシナフタレンを加えて(3.1×10-3M)、撹拌しながら可視光照射して光酸化反応を行った。同様の操作を繰り返し、計3回の光酸化反応を行った。反応の経時変化を図14に示す。
イミダゾリウムポルフィセン(3)のイオン液体溶液(1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート)(関東化学(株)製)(1.0×10-6M)5mLを調製し、これに1,5−ジヒドロキシナフタレン(ナカライテスク(株)製)(3.3×10-3M)を溶解させた。
調製したイオン液体溶液に、撹拌しながら可視光照射(200Wタングステンランプ、カットオフフィルター:TOSHIBA Y−46フィルター)し、反応溶液をサンプリングしてMeOHに希釈し、そのUV−visスペクトル変化から、実施例6と同様、427nm付近に吸収極大波長を有する5−ヒドロキシ−1,4−ナフトキノン(Juglone)の生成を確認した。
反応終了後、酢酸エチル3mLを加えて5−ヒドロキシ−1,4−ナフトキノンの抽出操作を6回繰り返した。イオン液体相を減圧乾燥後、再び1,5−ジヒドロキシナフタレンを加えて(3.3×10-3M)、撹拌しながら可視光照射し、光酸化反応を行った。同様の操作を繰り返し、計3回の光酸化反応を行った。反応の経時変化を図15に示す。
イミダゾリウムポルフィセン(3)のイオン液体溶液(1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホニルイミド)(関東化学(株)製)溶液5mLおよびアセトニトリル(ナカライテスク社製)溶液5mLをそれぞれ調製した。吸光度は0.2程度であった。
測定セルに乾燥窒素ガスを約15分間吹き込んで脱気した後、蛍光量子収率、蛍光寿命スペクトル、時間分解過渡吸収スペクトルについて、分光測定を行った。蛍光量子収率測定図を図16に、蛍光寿命スペクトルを図17に、時間分解過渡吸収スペクトルを図18に示す。また光物性値を表3に示す。
Claims (5)
- 式(1)で表されることを特徴とするポルフィセン化合物。
- 前記R1、R2、R3、R4、R7、R8、R9、およびR10が、それぞれ独立に、水素原子、塩素原子、臭素原子、シアノ基、スルホン基、メチル基、エチル基、ノルマルプロピル基、イソプロピル基、ノルマルブチル基、イソブチル基、セカンダリーブチル基、ターシャリーブチル基、トリフルオロメチル基、ヒドロキシメチル基、ヒドロキシエチル基、カルボキシメチル基、メトキシ基、エトキシ基、ノルマルプロポキシ基、イソプロポキシ基、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基、アニソール基、トリル基、または−SO2−NH−(CH2)n−AX(A、nおよびXは、前記と同じ意味を表す。)を表し、
前記R5、R6、R11、およびR12が、それぞれ独立に、水素原子、塩素原子、臭素原子、メチル基、エチル基、ノルマルプロピル基、またはフェニル基である請求項1記載のポルフィセン化合物。 - 前記R1、R2、R3、R4、R7、R8、R9、およびR10が、それぞれ独立に、水素原子、塩素原子、臭素原子、シアノ基、スルホン基、メチル基、エチル基、ノルマルプロピル基、トリフルオロメチル基、ヒドロキシメチル基、カルボキシメチル基、メトキシ基、フェニル基、ペンタフルオロフェニル基、または−SO2−NH−(CH2)n−AX(Aは、N−アルキルイミダゾリウムカチオンを表し、nおよびXは、前記と同じ意味を表す。)であり、
前記R5、R6、R11、およびR12が、水素原子である請求項1記載のポルフィセン化合物。 - 前記R1、R2、R3、R4、R7、R8、R9、およびR10が、それぞれ独立に、水素原子、スルホン基、エチル基、ノルマルプロピル基、フェニル基、またはペンタフルオロフェニル基、または−SO2−NH−(CH2)3−AX(Aは、N−メチルイミダゾリウムカチオンを、Xは、PF6 -を表す。)である請求項1記載のポルフィセン化合物。
- 請求項1〜4のいずれか1項記載のポルフィセン化合物を含む光酸化触媒。
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