JP6139681B2 - 電気化学または光電子デバイスのためのジケトピロロピロール(dpp)系増感剤 - Google Patents

電気化学または光電子デバイスのためのジケトピロロピロール(dpp)系増感剤 Download PDF

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Description

本発明は、非対称DPP架橋/コアを有するDPP系増感剤、電気化学および/または光電子デバイスで用いるための前記DPP系増感剤、そのようなDPP系増感剤を含む電気化学または光電子デバイス、特に色素増感太陽電池(DSSC)に関する。
色素増感太陽電池(DSC)は、有望な新世代の起電力技術として広範な注目を集めている。それは、天然の光合成の原理を模倣したその環境にやさしく経済的な製造プロセスのために、従来の起電力システムに対する魅力的で信頼性の高い代替技術となっている。10%を超える電力変換効率(PCE)により、DSC技術は、非従来的光起電力装置の分野における最先端である。そのようなデバイスは、ワイヤレスキーボード、リモートコントロール、およびその他のバッテリー駆動デバイスなどの家庭用電化製品との一体化において理想的なものとなる。適切なナノ構造化金属酸化物、増感剤、およびレドックスシャトルなどの成分を最適化することにより、透明性および色などの美的特性、ならびに電流密度および出力電圧などの性能パラメーターが制御される。
増感剤は、最も重要な成分の1つであり、DSCデバイスの集光効率および色の両方を決定する。ジケトピロロピロール(DPP)系増感剤などの金属フリー有機増感剤は、N719およびN3(Hagfeldtら,2010,Chem.Rev.,110:6595−6663)などの同等の金属複合体と比較して、低コスト、容易な加工、および高いモル吸光係数などの多くの利点を有している。DPP部分は900nmまでの波長の光子を集光する可能性を有しており、工業用着色剤として公知である。DPP誘導体は、非常に優れた安定性および光電特性を示し、車体塗料用顔料から小分子および高分子有機光起電力装置まで、材料技術のその他の多くの局面で用いられてきた(国際公開第2008/101570号、国際公開第2011/144566号)。DPPを含むポリマーは、ソリッドステートDSCデバイスのための増感剤およびホール輸送剤(HTM)の両方として用いられてきており(Kanimozhiら,2010,J.Phys.Chem C,114:3287−3291)、限定された種類のDPP構造が、分子/色素系D−π−Aおよびドナー−アクセプター−ドナー(D−A−D)増感剤として用いられてきた。
標準的な金属フリーDPP系増感剤は、ドナー−π架橋−アクセプターモチーフから成り、この場合、ここでのDPPユニットは、主としてπ共役を拡張し、同時にドナーからアクセプターへ電子密度を効果的に伝える働きをするπ架橋である。別の選択肢として、電子密度のアクセプター、およびDSCデバイスの残りの部分に増感剤を結合させるためのアンカーが、D−A−Dの構造であってよく、この場合、アンカーおよびアクセプターは、2つのドナー部分の間に位置する。色素のアクセプター/アンカー成分にあたる対称DPPユニット 3,6−ジフェニルピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオンに基づき、ドナー部分としてトリフェニルアミンまたはN,N−ビス(4−メトキシフェニル)ベンゼンアミン部分、およびアンカー部分としてカルボン酸基を有する増感剤を含むDSCは、僅かに2.68%の全体変換効率しか示さない(Guoら,2010,Synthetic Metals,160:1767−1773)。DPP系増感剤の開発に向けてのより伝統的なD−π−Aの手法からは、対称DPP架橋/コア 2,5−ビス(2−エチルヘキシル)−3,6−ジフェニルピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオンにより、最終的な効率として7.43%が得られている(Quら,2012,Chem.Comm.,48:6972−6974)。これより以前には、対称DPP架橋/コア 2,5−ジブチル−3,6−ジフェニルピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオンが用いられ、アクセプター/アンカーを適切に選択することにより、6.03%の効率が得られた(Quら,(2012),Dyes and Pigments,92:1384−1393)。Quらによるこの第一および第二の報告の間での進歩は、ドナー、およびDPP部分上のN−アルキル可溶化基の選択である。適切なドナー、アクセプター/アンカー、および3,6−ジフェニルピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオン架橋/コアのためのN−アルキル部分の選択が開発される前には、2つの対称コア 2,5−ジブチル−3,6−ジフェニルピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオンおよび2,5−ジブチル−3,6−ジ(チオフェン−2−イル)ピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオンの間での比較研究が行われ:この基礎的研究より、対称チエニル系の2,5−ジブチル−3,6−ジ(チオフェン−2−イル)ピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオンコアからは、僅かに1.45%のPCEしか得られないことが特定された(Quら,2010,J.Phys.Chem.C,114:1343−1349)。そのような増感剤を含むDSCのPCEは、そのような増感剤とケノデオキシコール酸(CDCA)との共吸着を調整して色素凝集体の形成を阻害することにより、さらに改善され得る(Quら,2010,J.Phys.Chem.C,114:1343−1349)。また、TiO2膜上または溶液中でのDPPユニットの大π共役系のπ−πスタッキングを低減するために、およびローディング溶液からTiO2上へ色素をローディングすることを補助するために、増感剤のDPPコアは、置換され、さらにローディング溶媒中での溶解性も高めるために、より大きいアルキル鎖でさらに置換され得る。このようなこれまでに報告されたDPP系増感剤はすべて、2つの同一のアリール部分、チオフェンまたはベンゼンで置換された対称DPPコアを有する。DSCのPCEを高めるためのこれら2つのDPP系増感剤コア/架橋の改良は、ドナーおよびアクセプター部分の組み合わせの最適化、ならびにN−アルキル可溶化部分およびCDCAとの共吸着などのデバイス加工条件の最適化によってもたらされてきた。
国際公開第2008/101570号 国際公開第2011/144566号
Hagfeldtら,2010,Chem.Rev.,110:6595−6663 Kanimozhiら,2010,J.Phys.Chem C,114:3287−3291 Guoら,2010,Synthetic Metals,160:1767−1773 Quら,2012,Chem.Comm.,48:6972−6974 Quら,2012,Dyes and Pigments,92:1384−1393 Quら,2010,J.Phys.Chem.C,114:1343−1349
上述の先行技術を考慮して、本発明は、DPP系色素/増感剤を提供することによって、光電子デバイス、特にDSCの性能を改良する問題に対処するものであり、ここで、吸収スペクトルは、加工性および凝集とのバランスを有している。
本発明の目的はまた、VOC、IPCEの増加、もしくはその他の方法によって得ることができる改善された、またはより高い変換効率(PCE)を有し、ならびにそのような青色はDSC増感剤の中では非常に珍しく、本発明の色素の色によって提供されるその吸収スペクトルによる指標特性も有している、より安定な光電子および/または光電気化学デバイス、特にDSCを提供することである。
本発明は、本発明の一部である上記で示した問題に対処するものである。
従って、本発明者らは、驚くべきことに、両アリール部分が同じではない非対称アリール1−DPP−アリール2(Ar1−DPP−Ar2)コア/架橋を含むDPP系増感剤が、両アリール部分がフェニルである厳密に対称である3,6−ジフェニルピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオンコア/架橋と比較して、色の増大を示すと同時に、両アリール部分がチエニルである厳密に対称である3,6−ジ(チオフェン−2−イル)ピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオンと比較して、凝集現象を低減することを見出した。アリール−DPPコアは、本質的に着色したπ−架橋として働き、この場合、チエニル−DPPコアは、フェニル−DPPコアと比較して、特に両N原子がアルキル化されている場合に、より広いスペクトル応答を持つ。非対称性により、スペクトル応答/色と電荷注入/IPCE(光電変換効率)性能との間のバランスがもたらされる。非対称Ar1−DPP−Ar2コア/架橋系増感剤は、ドナーとコア/架橋/発色団との間の容易な電子的連結を有して、色素凝集の傾向が低い低エネルギーの電子吸収遷移を促進する色素である。色素の色は、可視光全体を通しての吸収の指標であり、青色が得られるということは、本発明が、スペクトル吸収においてIR/NIRに近く、一方高エネルギーの青色光子領域では比較的透明である増感剤を提供することを意味しており、この非対称DPPコア/架橋構造により、非常に珍しい種類のDSC増感剤色を得ることが可能となった。
1つの態様では、本発明は、以下の式(I)の化合物を提供する。
式中、
m、n、p、およびqは、独立して、0〜3の整数から選択され、
1およびR2は、独立して、H、C1−C35アルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、C4−C35ヘテロアリールから選択される置換基であり、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択され、
1およびR2は、独立して、H、OH、S、=O(ケト基)、C1−C35アルキル、C1−C35チオアルキル、C1−C35アルコキシ、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、C4−C35ヘテロアリールから選択される置換基であり、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択され、
Ar1およびAr2は、互いに異なっており、ならびにAr1およびAr2は、独立して、式(1)〜(18)
(式中、R3は、H、C1−C35アルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。)
のいずれか1つの部分から選択される芳香族アリール基であり、
π−スペーサー1およびπ−スペーサー2は、独立して、式(19)〜(33)
(式中、R4は、H、C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。)
のいずれか1つの部分から選択され、
Aは、アンカー基「Anch」およびアクセプター基を含む置換基であり、式(78)〜(87)
(式中、R5は、H、C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択され、Anchは、独立して、−COOH、PO32、−PO42、−P(R8)O2H、−SO32、−SO42、−CONHOH-、1,2−ヒドロキシベンゼン、1−ヒドロキシ−2−カルボキシベンゼン、アセチルアセトネート、上述の基の脱プロトン化形態、前記脱プロトン化形態の有機および/または無機塩、ならびにπ導電特性を持つキレート化基から選択されるアンカー基であり、ここで、R8は、1〜50個の炭素およびO、N、またはSから選択される0〜25個のヘテロ原子を含む炭化水素であり、前記炭化水素は、炭素原子によってホスフィン酸基のP原子と共有結合している。)
のいずれか1つの部分から選択され、
Dは、式(44)〜(55)
(式中、R6は、H、C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C60アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択され、そして、アリールは、C4−C35アリールアルキルまたはC4−C35アリールアルコキシ基によって置換されていてもよい。)
のいずれか1つの部分から選択されるドナー基であり、
Ar3およびAr4は、独立して、式(56)〜(70)
(式中、R7は、H、C1−C35アルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。)
のいずれか1つの部分から選択される芳香族アリール基であり、
ならびに、ここで、前記C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールは、O、N、S、またはハロゲンから選択される0〜15個のヘテロ原子を含むC1−C11炭化水素によってさらに置換されていてもよいし、置換されていなくてもよい。
さらに、本発明は、電気化学または光電子デバイスにおける色素またはD−π−A増感剤としての前記式(I)の化合物の使用も提供する。前記使用により、3,6−ジフェニルピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオン架橋/コア/発色団の使用と比較して、IPCEおよびスペクトル応答の両方が増加し、3,6−ジフェニルピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオン架橋/コア/発色団と比較して、IPCEが増加する。
1つの態様では、本発明は、式(I)の化合物を含む色素または増感剤を提供する。
別の態様では、本発明は、色素を含む電気化学、好ましくは光電気化学、または光電子デバイスを提供し、ここで、前記色素は、式(I)の化合物である。
さらなる態様では、本発明は、電気化学、または光電子デバイス、好ましくはDSCを作製する方法を提供し、第一の電極がTiO2のメソ細孔性酸化物膜で覆われたアノードである第一および第二の電極を提供すること、前記TiO2のメソ細孔性酸化物膜に増感剤として式(I)の化合物を提供すること、ならびに電解質およびレドックス対を含む中間層を提供することを含む。
本発明のさらなる態様および好ましい実施形態は、以下の本明細書にて、および添付の請求項で定められる。本発明のさらなる特徴および利点は、以下で与えられる好ましい実施形態の記述から、当業者にとって明らかとなる。
図1は、図10に示す通りの対称置換DPPコアに基づく式(I)の化合物であるDPP03、または非対称置換DPPコアに基づく式(72)の化合物を指すDPP07のいずれかをCDCAの存在下で含む太陽電池の、太陽光強度9.5%(一点鎖線)、51%(鎖線)、および100%(実線)下での光起電力特性を示す。DPP03を含む太陽電池に対する曲線は灰色であり、DPP07を含む太陽電池に対する曲線は黒色である。影付き曲線は、デバイスの暗電流を示す。 図2は、本発明の化合物の非対称DPPコアを示し、それは、R1、R2、R1、およびR2において置換されており、さらに、式(I)の本発明の化合物において記載し、定めるように、Ar3、Ar4、π−スペーサー1、π−スペーサー2、A、およびDによって置換されていてよい。 図3は、THF中におけるDPP03(鎖線)およびDPP07(実線)のUV−可視光吸収スペクトルを示す。 図4は、色素および増感剤として式(72)の本発明の化合物に相当するDPP07を含むDSCの、1sun(100mWcm-2)下における光起電力特性を示す。実線は、単一の色素DPP07を含むDSCに対応する。一点鎖線は、式(71)の化合物に相当する共増感剤NT35と共にDPP07を含むDSCに対応する。鎖線は、共色素または共増感剤D35(CAS番号1197992−37−2)と共にDPP07を含むDSCに対応する。 図5は、単一色素デバイスとしてDPP07を含むDSC(黒色実線)、共増感剤NT35と共に色素としてDPP07を含むDSC(黒色一点鎖線)、およびD35と共に色素としてDPP07を含むDSC(黒色鎖線)のIPCEを示す。DPP07なしでNT35を含む太陽電池のIPCEは、灰色影付き線で示す。DPP07なしでD35を含む太陽電池のIPCEは、影付き鎖線で示す。 図6は、CDCAなしでDPP03(1sunに対して標準化した測定電流の影付き線および一点鎖線)またはDPP07(1sunに対して標準化した測定電流の実線および鎖線)のいずれかを含む太陽電池の電流動態を、光強度の関数として示す。 図7は、2μm厚のTiO2膜上におけるNT35(影付き線)、D35(鎖線)、およびDPP07(実線)の標準化したUV−可視光吸収スペクトルを示す。 図8は、CDCAと共にDPP07のみを含む(黒色丸印)、またはCDCAの存在下にてNT35と共にDPP07を含む(白色三角印)、またはCDCAの存在下にてD35と共にDPP07を含む(黒色四角印)太陽電池の電子寿命を示す。 図9は、Ar1およびAr2が同じ芳香族アリール基である、DPP09と命名または称される式(I)の化合物を示す。 図10は、Ar1およびAr2が同じ芳香族アリール基である、DPP03と命名または称される式(I)の化合物を示す。 図11は、Ar1およびAr2が異なる芳香族アリール基である、DPP07と命名または称される式(I)の化合物に相当する式(72)の化合物を示す。 図12は、DPP07とも称される式(72)の化合物の合成の一般スキームを示す。 図13は、NT35とも称される式(71)の化合物の合成のための一般スキームを示す。 図14は、DPP07(灰色実線)、DPP13(鎖線)、DPP14(一点鎖線)、DPP15(点線)、およびDPP17(実線)のUV−可視光スペクトルを示す。 図15は、EL I電解質(ヨウ素系電解質)(図15aおよびb)およびEL Co電解質(コバルト系電解質)(図15cおよびd)を含むDPP色素増感太陽電池の光起電力性能を示す:DPP07(灰色実線)、DPP13(鎖線)、DPP14(一点鎖線)、DPP15(点線)、およびDPP17(実線)。
本発明は、電気化学または光電子デバイスにおけるD−π−A型の金属フリー有機増感剤または色素として有用であるDPP部分に基づく化合物、増感剤または色素としてのそれらの使用、ならびに本発明の化合物を含む電気化学または光電子デバイスを提供する。
特に、本発明の化合物は、以下に記載する通りの式(I)の化合物である。
式(I)の化合物中のm、n、p、およびqは、独立して、0〜3の整数から選択される。m、n、p、およびqは、0、1、2、および3から選択される整数である。好ましくは、mおよびnは、0である。好ましくは、pおよびqは0もしくは1であり、またはpは0でありqは1であり、またはpは1でありqは0である。好ましくは、mおよびnは0であり、ならびにpおよびqは0もしくは1であり、またはpは1でありqは0であり、またはpは0でありqは1である。好ましくは、pは0であり、qは1である。
DPP(ジケトピロール)コアは、電気化学、光電気化学、または光電子デバイスのための、特に色素増感太陽電池(DSC)のための増感剤として、より良好な期待PCEを提供するように、芳香族基(Ar1、Ar2、Ar3、およびAr4)を付加し、前記芳香族基とドナーまたはアクセプター部分(それぞれ、DまたはA)との間にπ−スペーサー基(π−スペーサー1、π−スペーサー2)を挿入することによって調整されている。
式(I)の化合物中のR1およびR2は、置換基であり、それは芳香族であってよく、独立して、H、C1−C35アルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、C4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。アルキル、アリール、アリールアルキル、およびヘテロアリール基が、3個以上の炭素を含む場合、それらは、直鎖状、分岐鎖状、または環状であってよい。R1およびR2は、H、C1−C35アルキル、C1−C35アルケニル、C1−C35アルキニル、C1−C35ヘテロアルキル、アリール、C1−C35アリールアルキル、C4−C35ヘテロアリールから選択されてもよく、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。好ましくは、アルキル、アルキニル、アリールアルキルは、1〜26個の炭素、1〜15個の炭素、または1〜8個の炭素を含有する炭化水素から選択される。R1およびR2は、同一であっても、または異なっていてもよい。より好ましくは、R1およびR2は、2−エチルヘキシルまたは2−オクチルドデシルである。
式(I)の化合物中のR1およびR2は、独立して、H、O、S、C1−C35アルキル、C1−C35チオアルキル、C1−C35アルコキシ、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、C4−C35ヘテロアリールから選択される置換基であり、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。アルキル、チオアルキル、アルコキシ基が3個以上の炭素を含む場合、それらは、直鎖状、分岐鎖状、または環状であってよい。好ましくは、アルキル、チオアルキル、アルコキシ、アリールアルキルは、1〜26個の炭素、1〜15個の炭素、または1〜8個の炭素を含有する炭化水素から選択される。好ましくは、R1およびR2は、OH、=O(ケト基)、S、N、C1−C35アルコキシ、またはC1−C35チオアルキルから選択される。R1およびR2は、同一であっても、または異なっていてもよい。
別の実施形態では、式(I)の化合物中のR1およびR2は、独立して、H、OH、=O(ケト基)、S、C1−C35アルキル、C1−C35チオアルキル、C1−C35アルコキシ、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、C4−C35ヘテロアリールから選択される置換基であり、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。アルキル、チオアルキル、アルコキシ基が3個以上の炭素を含む場合、それらは、直鎖状、分岐鎖状、または環状であってよい。好ましくは、アルキル、チオアルキル、アルコキシ、アリールアルキルは、1〜26個の炭素、1〜15個の炭素、または1〜8個の炭素を含有する炭化水素から選択される。好ましくは、R1およびR2は、OH、=O(ケト基)、S、N、C1−C35アルコキシ、またはC1−C35チオアルキルから選択される。R1およびR2は、同一であっても、または異なっていてもよい。さらに好ましい実施形態では、R1およびR2は、同一であり、=O(ケト基)である。
さらなる実施形態では、式(I)の化合物中のR1およびR2は、独立して、H、OH、=O(ケト基)、−OR、S、C1−C35アルキル、C1−C35チオアルキル、C1−C35アルコキシ、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、C4−C35ヘテロアリールから選択される置換基であり、ここで、Rは、C1−C35アルキル、C1−C35チオアルキル、C1−C35アルコキシ、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、C4−C35ヘテロアリールから選択され、ならびにここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。アルキル、チオアルキル、アルコキシ基が3個以上の炭素を含む場合、それらは、直鎖状、分岐鎖状、または環状であってよい。好ましくは、アルキル、チオアルキル、アルコキシ、アリールアルキルは、1〜26個の炭素、1〜15個の炭素、または1〜8個の炭素を含有する炭化水素から選択される。
式(I)の化合物中、Ar1およびAr2は、同一または異なる芳香族アリール基であってよい。
1つの実施形態では、Ar1およびAr2は、互いに異なっており、Ar1およびAr2は、独立して、式(1)〜(18)のいずれか1つの部分から選択される芳香族アリール基であり、
式中、R3は、H、C1−C35アルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。アルキル、アリールアルキル基が3個以上の炭素を含む場合、それらは、直鎖状、分岐鎖状、または環状であってよい。好ましくは、アルキル、アリールアルキルは、1〜26個の炭素、1〜15個の炭素、または1〜8個の炭素を含有する炭化水素から選択される。
別の実施形態では、Ar1およびAr2は、独立して、式(1)、(2)、(3)、(7)、および(13)のいずれか1つの部分から選択される。
さらなる実施形態では、Ar1は、式(1)、(7)、または(13)の部分であり、Ar2は、式(2)または(3)の部分である。
理論に束縛されるものではないが、本発明の化合物のDPPコアを置換する2つのアリール基であるAr1およびAr2が、同じ群の芳香族アリール基から選択されず、互いに異なっている場合、本発明の化合物を増感剤として含む電気化学、光電気化学、または光電子デバイスのPCEの驚くべき上昇が観察される。本発明の化合物は、同一のアリール基によって対称に置換されたDPPコアを有するDPPコアに基づくこれまでの増感剤と比較して、非対称置換DPPコアを含む。DPPコアのこの非対称置換により、増感剤または色素として本発明の少なくとも1つの化合物を含むデバイスの性能が向上される。この向上は、増感剤として本発明の化合物を含むDSCにおける、光強度に対して直線的な電流の発生によって説明される(図6)。
異なる部分から選択される異なるAr1およびAr2によって置換され、R1、R2、R1、およびR2においてもさらに置換されている本発明の化合物のいくつかの好ましい非対称DPPコアを図2に記載する。前記DPPコアは、式(I)の本発明の化合物において記載され、定められるように、Ar3、Ar4、π−スペーサー1、π−スペーサー2、A、およびDによってさらに置換されていてよい。図2の前記非対称DPPコアでは、Ar1およびAr2において置換された非対称DPPコアと、存在する場合の以下のAr3、Ar4、π−スペーサー1、π−スペーサー2、A、またはDの部分のいずれか1つに従う部分との結合は、共有結合を表す鎖線によって図示される。
別の実施形態では、Ar1およびAr2は、同一の芳香族アリール基であり、式(3)〜(18)のいずれか1つの部分から選択される。好ましくは、それらは、式(3)の部分である。
式(I)の化合物において、π−スペーサー1およびπ−スペーサー2は、芳香族部分から選択される。それらは、独立して、式(19)〜(33)のいずれか1つの部分から選択される。
式中、R4は、H、C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。アルキル、アルコキシ、チオアルキル、アリールアルキル基が3個以上の炭素を含む場合、それらは、直鎖状、分岐鎖状、または環状であってよい。好ましくは、アルキル、アリールアルキルは、1〜26個の炭素、1〜15個の炭素、または1〜8個の炭素を含有する基から選択される基である。
本発明の化合物の半導体表面への結合は、本発明の化合物のアンカー基によって行われる。前記結合は、静電気相互作用および/または共有結合および/または配位共有結合によるものであってよく、それは、少なくとも10時間安定であり、好ましくは、少なくとも10週間、より好ましくは、少なくとも10か月、理想的には、1〜3年まで、およびそれを超えて安定である。アンカー基は、前記式(I)の化合物を半導体の表面に固定させるのに適している。特に、このコア構造を有する化合物は、前記半導体の表面に、何らかの形で、特には前記アンカー基によって、吸着または接着されることが好ましい。
式(I)の化合物において、Aは、アンカー基「Anch」およびアクセプター基を含む置換基であり、式(78)〜(87)のいずれか1つの部分から選択される。
式中、R5は、H、C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。アルキル、アルコキシ、チオアルキル、アリールアルキル基が3個以上の炭素を含む場合、それらは、直鎖状、分岐鎖状、または環状であってよい。好ましくは、アルキル鎖は、直鎖状または分岐鎖状であり、1〜35個のCを含有する。好ましくは、式(81)および(84)のアリール部分のC3は、ハロゲンFによって置換されている。Aは、好ましくは、式(78)、(80)、(82)、(83)、または(84)のうちのいずれか1つの部分から選択される。
Anchは、独立して、−COOH、PO32、−PO42、−P(R8)O2H、−SO32、−SO42、−CONHOH-、1,2−ヒドロキシベンゼン、1−ヒドロキシ−2−カルボキシベンゼン、アセチルアセトネート、上述の基の脱プロトン化形態、前記脱プロトン化形態の有機および/または無機塩、ならびにπ導電特性を持つキレート化基から選択されるアンカー基である。R8は、1〜50個の炭素およびO、N、またはSから選択される0〜25個のヘテロ原子を含む炭化水素であってよく、前記炭化水素は、炭素原子によって前記ホスフィン酸基のP原子と共有結合している。R8は、置換または無置換であり、直鎖状、分岐鎖状、または環状であるC1−C20アルキル、C2−C20アルケニル、C2−C20アルキニル、およびC4−C20アリールであってもよい。
1つの実施形態によると、式(I)の化合物において、Aは、好ましくは、アンカー基および/またはアクセプター基を含む置換基であり、式(34)〜(43)のいずれか1つの部分から選択される。
式中、R5は、H、C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。アルキル、アルコキシ、チオアルキル、アリールアルキル基が3個以上の炭素を含む場合、それらは、直鎖状、分岐鎖状、または環状であってよい。好ましくは、アルキル鎖は、直鎖状または分岐鎖状であり、1から35個のCを含有する。好ましくは、式(37)および(40)のアリール部分のC3は、ハロゲンFによって置換されている。好ましくは、Aは、式(34)、(36)、(38)、(39)、または(40)のうちのいずれか1つの部分から選択される。
式(I)の化合物中のDは、好ましくは、式(44)〜(55)のうちのいずれか1つの部分から選択されるドナー基である。
式中、R6は、H、C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C60アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択され、およびここで、アリールは、C4−C35アリールアルキルまたはC4−C35アリールアルコキシ基によって置換されていてもよい。アルキル、アルコキシ、チオアルキル、アリールアルキル基が3個以上の炭素を含む場合、それらは、直鎖状、分岐鎖状、または環状であってもよい。好ましくは、アルキル鎖は、直鎖状または分岐鎖状であり、1〜35個のCを含有する。好ましくは、Dは、式(45)、(46)、(48)、および(54)のうちのいずれか1つの部分から選択される。
置換基Aのアクセプターおよび/またはアンカー基(「Anch」)、ならびにドナー基Dは、それぞれ、式34〜43、78〜87、ならびに式44〜55の部分に限定されない。前記アクセプターおよび/またはアンカー基、ならびにドナー基Dは、また、その全内容が参照により本明細書に援用されるHagfeldtら(2010,Chem.Rev.,110:6595−6663)およびPCT/IB2011/054628に開示されるDSC用に一般的に用いられる増感剤のアクセプターまたはアンカー基として、およびドナー基として開示される部分から選択されてもよい。
式(I)の化合物において、Ar3およびAr4は、独立して、式(56)〜(70)のうちのいずれか1つの部分から選択される芳香族アリール基である。
式中、R7は、H、C1−C35アルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。アルキル、アリールアルキル基が3個以上の炭素を含む場合、それらは、直鎖状、分岐鎖状、または環状であってよい。好ましくは、アルキル、アリールアルキルは、1〜26個の炭素、1〜15個の炭素、または1〜8個の炭素を含有する基から選択される基である。
式(I)の化合物において、前記C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールは、O、N、S、またはハロゲンから選択される0〜15個のヘテロ原子を含むC1−C11炭化水素によってさらに置換されていても、または置換されていなくてもよい。ハロゲンは、F、Cl、Br、またはIから選択される。
1つの実施形態によると、本発明の化合物のC1−C35アルキルおよびC1−C35アリールアルキルの基のアルキル鎖は、分岐鎖状C1−C35アルキル鎖である。
式(1)〜(70)の部分において、いずれの部分と基本構造DPPコアとの、またはその前の部分との結合も(例えば、整数m、n、p、またはqのうちのどれか1つが0ではない場合)、その部分と、DPPコアとの、およびそれに続く部分との、またはその前の部分およびそれに続く部分との結合を示す結合を表す鎖線で図示される。
1つの実施形態によると、式(I)の化合物は、式(72)〜(77)および(88)の化合物のいずれか1つより選択される。
本発明はまた、電気化学または光電子デバイスにおける色素またはD−π−A増感剤としての式(I)の化合物の使用も提供する。
別の態様では、本発明は、式(I)の化合物を含む色素または増感剤を提供する。前記色素は、CDCAと共に、および/またはさらなる共増感剤と共に共吸着されていてもよい。前記共増感剤は、存在する場合、ワイドバンドギャップ増感剤の中から選択されることが好ましい。好ましくは、共増感剤は、式(71)の化合物である。
1つの態様では、本発明はさらに、色素を含む電気化学または光電子デバイスも提供し、ここで、前記色素は、本発明の式(I)の化合物である。
別の実施形態では、本発明のデバイスは、本発明の化合物が吸着される半導体表面を含む。
1つの実施形態によると、本発明のデバイスは、電気化学デバイス、光電気化学デバイス、光電子デバイス、発光デバイス、エレクトロクロミックもしくはフォトエレクトロクロミックデバイス、電気化学センサー、バイオセンサー、電気化学ディスプレイおよび電気化学コンデンサー、または色素増感太陽電池から選択される。
好ましい実施形態によると、電気化学デバイスは、太陽電池、色素増感太陽電池(DSC)、再生型色素増感太陽電池、光起電力デバイス、または光起電力電池から選択される光電気変換デバイスである。本発明のデバイスは、最も好ましくは、色素増感太陽電池(DSC)である。前記デバイスにおいて、半導体は、式(I)の置換基「A」に含まれるそのアンカー基によって半導体表面に結合されていてよい式(I)の本発明の化合物によって増感されている。
好ましい実施形態では、本発明のデバイスは、色素増感太陽電池であり、ここで、式(I)の化合物を含む色素は、CDCA(ケノデオキシコール酸)と共吸着されている。好ましくは、前記色素は、CDCAおよび/または式(71)の化合物と共吸着されている。
さらなる態様では、本発明は、電気化学、または光電子デバイス、好ましくはDSCを作製する方法を提供し、第一の電極がTiO2のメソ細孔性酸化物膜で覆われたアノードである第一および第二の電極を提供すること、前記TiO2のメソ細孔性酸化物膜に増感剤として式(I)の化合物を提供すること、ならびに電解質およびレドックス対、またはソリッドステートデバイスのためのホール輸送剤を含む中間層を提供することを含む。
本発明を、ここで、実施例を用いて説明する。これらの実施例は、添付の請求項によって定められる本発明の範囲を限定するものではない。
実施例1
DPP07に相当する式(72)の化合物の合成
3−(4−ブロモフェニル)−2,5−ビス(2−エチルヘキシル)−6−(チオフェン−2−イル)ピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオンを、国際公開第2011/144566号および国際公開第2010/144566号に報告された方法に類似の方法で合成した。この合成の一般スキームを図12に示す。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ8.90(dd,J=3.9,1.1Hz,1H),7.71(dd,J=5.0,1.2Hz,1H),7.67(s,4H),7.30(dd,J=5.1,3.9Hz,1H),3.99−3.86(m,2H),3.86−3.70(m,2H),1.85−1.75(m,1H),1.49−1.40(m,1H),1.40−0.99(m,16H),0.89−0.68(m,12H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ162.03,161.79,144.98,135.49,131.97,131.26,130.15,129.76,128.92,128.28,128.11,127.69,124.85,45.44,44.84,39.06,38.66,30.22,30.13,30.11,28.35,28.23,23.64,23.45,23.02,22.81,13.77,13.70,10.15
Th−DPP EthHex−Ph−ベンズアルデヒド
50mLの1つ口丸底フラスコ中にて、1.1グラムのTh−DPP EtHex−Ph−Br(1.84mmol)、0.854グラムの4−(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン−2−イル)−ベンズアルデヒド(3.68mmol)、および0.976グラムの三塩基性リン酸カリウム(4.59mmol)を、20mLのトルエン、0.2mLのtアミルOH、および0.1mLの水に溶解した。この溶液を、N2気流によって20分間脱気し、その後、10mgのPd2dba3および20mgのX−Phosを同時にワンバッチで添加した。次に、この反応液を6時間、80℃とし、続いて、DCMで希釈し、500mLのシリカを充填したラージカラムへ直接ローディングした。40:60 トルエン:DCMから100% DCMの勾配溶出を用いて化合物を精製した。668mg(収率58%)の純粋赤色固体を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ10.10(s,1H),8.94(dd,J=3.9,1.1Hz,1H),8.07−7.98(m,2H),7.98−7.92(m,2H),7.92−7.83(m,4H),7.74(dd,J=5.0,1.2Hz,1H),7.33(dd,J=5.0,3.9Hz,1H),4.04−3.93(m,2H),3.93−3.81(m,2H),1.84(p,J=6.6Hz,1H),1.55−1.48(m,1H),1.44−1.04(m,16H),0.96−0.85(m,6H),0.85−0.69(m,6H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ191.63,162.12,161.94,145.70,142.05,141.64,135.76,135.42,131.17,130.17,129.32,128.92,128.27,128.11,127.69,127.56,125.19,45.46,44.94,39.09,38.69,30.25,30.16,28.37,28.24,23.70,23.46,23.03,22.80,21.11,13.77,13.72,10.19
BrTh−DPP EthHex−Ph−ベンズアルデヒド
50mLの1つ口丸底フラスコ中にて、0.658グラムのTh−DPP EthHex−Ph−ベンズアルデヒド(1.06mmol)を、20mLのクロロホルムに溶解し、0.198グラム NBS(1.11mmol)を、室温にてワンバッチで添加した。この反応液を2時間撹拌し、この時点で、溶液を、ショートシリカカラムへ直接ローディングし、20:80 Tol:DCMで溶出した。211mg(収率28%)の赤色がかった/紫色固体を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ10.07(s,1H),8.66(d,J=4.2Hz,1H),8.03−7.97(m,2H),7.91(d,J=8.4Hz,2H),7.89−7.79(m,4H),7.28(d,J=4.1Hz,1H),3.95−3.78(m,4H),1.80(p,J=6.6Hz,1H),1.52−1.45(m,1H),1.43−1.00(m,16H),0.87(td,J=7.4,1.9Hz,6H),0.75(dt,J=17.5,7.0Hz,6H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ191.63,162.69,161.86,145.70,141.77,140.60,135.32,134.07,131.41,130.17,129.31,128.62,127.69,127.58,127.69,127.56,125.19,45.54,44.99,39.10,38.67,30.70,30.23,28.32,28.22,23.69,23.47,23.00,22.79,21.11,13.77,13.71,10.18
HexOTPA−Th−DPP EthHex−Ph−ベンズアルデヒド
反応および精製を、Th−DPP EthHex−Ph−ベンズアルデヒドの場合と同じ方法で行った。200mg(収率62%)の紫色がかった固体を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ10.07(s,1H),9.06(d,J=4.1Hz,1H),8.01−7.96(m,2H),7.91(d,J=8.4Hz,2H),7.89−7.79(m,4H),7.52−7.47(m,2H),7.38(d,J=4.2Hz,1H),7.11−7.03(m,4H),6.93−6.82(m,6H),4.04−3.91(m,6H),3.87(td,J=6.9,3.8Hz,2H),1.92(p,J=6.6Hz,1H),1.77(dt,J=14.6,6.7Hz,4H),1.53−1.42(m,4H),1.42−1.04(m,22H),0.99−0.82(m,12H),0.82−0.69(m,6H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ191.63,162.32,161.75,156.24,151.41,149.79,145.76,144.21,142.37,141.33,139.63,137.85,135.71,130.16,129.29,128.97,127.66,127.51,127.24,126.89,126.75,124.05,122.66,119.06,115.31,110.23,107.32,68.29,45.53,44.98,39.21,38.71,31.58,30.26,29.26,28.51,28.26,28.25,25.69,23.71,23.58,23.07,22.81,22.61,13.82,13.79,13.73,10.26,10.22,10.21
DPP07、HexOTPA−Th−DPP EthHex−Ph−フェニルCAA
25mLの1つ口丸底フラスコ中にて、186mgのHexOTPA−Th−DPP EthHex−Ph−ベンズアルデヒド(0.17mmol)および120mg シアノ酢酸(1.41mmol)を、3mL DCM、1.5mL トリエチルアミン、および1滴のピペリジン中に溶解した。スパチュラ1杯分のMgSO4をこの反応液へ添加し、次に一晩40℃へ加熱した。翌朝、この反応液をDCMで希釈し、水および酢酸の溶液で、次に純水で抽出した。粗生成物をロータリーエバポレーターで蒸発させ、次にシリカカラムにローディングし、2:3:95 酢酸:メタノール:DCMの溶出液で溶出した。107mg(収率55%)の紫色がかった/青色固体を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ9.06(d,J=4.2Hz,1H),8.32(d,J=1.7Hz,1H),8.16−8.10(m,2H),7.91(d,J=8.5Hz,2H),7.88−7.79(m,4H),7.53−7.47(m,2H),7.39(d,J=4.1Hz,1H),7.13−7.04(m,4H),6.92−6.83(m,6H),4.04−3.91(m,6H),3.91−3.83(m,2H),1.91(p,J=6.6Hz,1H),1.77(dt,J=14.6,6.6Hz,4H),1.46(p,J=7.1Hz,4H),1.41−1.03(m,22H),0.97−0.81(m,12H),0.81−0.70(m,6H)。C64H78N4O6S2[M+]精密質量=1132.6112,MS(MALDI)=1132.6071
この増感剤の最大吸収は、約560nmで観察され、これは、DPP03と比較して、約80nm青色側へシフトしていた(図3)。DPP07のこの浅色シフトは、DPP−フェニル結合における二面ねじれ(dihedral twist)の増加、フェニル基の芳香族安定化エネルギーの増加、およびチオフェンと比較したフェニルの電子供与力の減少によって説明される。
電気化学的特徴は、テトラ−n−ブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェートの0.1M DMF溶液中でのサイクリックボルタンメトリー測定によって特性決定した。白金対電極および参照電極を、ガラス状炭素作用電極と共に用いた。基底状態の酸化電位(E(S+/S))は、Fc+/Fcに対して0.29Vと特定され、それは、標準水素電極(NHE)に対しての0.98Vに相当する(NHEに対して、E0(Fc+/Fc)=0.69Vを用いる)。還元電位(Ered)は、NHEに対して−0.87と特定された。吸収の開始から取ったHOMO−LUMOギャップ(E(0,0))、約1.90eVを考慮すると、対応する励起状態の酸化電位(E(S+/S*))は、NHEに対して−0.92Vと算出される。
共増感剤NT35に相当する式(71)の化合物の合成
NT35の合成のための一般スキームを、図13に示す。
ビスヘキシルオキシ−4−クロロ−レゾルシノール
100mLの1つ口丸底フラスコ中にて、10.00グラムの4−クロロレゾルシノール(69.18mmol)および9.7gの水酸化カリウム(172.87mmol)を70mLのDMSO中に溶解した。この溶液を0℃に冷却した。次に、34.26グラムの臭化n−ヘキシル(207.55mmol)を、シリンジで添加した。0℃で30分間撹拌した後、この反応液を氷浴から取り出し、一晩室温まで加温した。この反応液を、ヘキサンで抽出し、大量の水で洗浄した。シリカゲルクロマトグラフィを、生成物の溶出が開始するまで100%ヘキサンで行い、次に溶出液の極性を高めて20:80 DCM:ヘキサンとし、これをすべての生成物が溶出するまで行った。20グラム(収率93%)の純粋透明オイルを得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.21(d,J=8.7Hz,1H),6.52(d,J=2.8Hz,1H),6.42(dd,J=8.7,2.7Hz,1H),3.99(t,J=6.6Hz,2H),3.92(t,J=6.6Hz,2H),1.90−1.69(m,4H),1.51−1.42(m,4H),1.41−1.28(m,8H),0.99−0.86(m,6H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ159.06,155.20,129.87,113.92,105.76,101.26,69.02,68.32,31.60,31.54,29.21,29.04,25.68,25.62,22.63,22.61,13.82,13.81
2−(2,4−ビス(ヘキシルオキシ)フェニル)−4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン
100mLの1つ口丸底フラスコ中にて、8.56グラムのビスヘキシルオキシ−4−クロロ−レゾルシノール(27.36mmol)、10.42グラムのビス(ピナコラート)ジボロン(41.03mmol)、および8.06グラムの酢酸カリウム(82.12mmol)を60mLのジオキサン中に溶解した。この溶液を、N2気流により20分間脱気し、その後、10mgのPd2dba3および20mgのX−Phosを同時にワンバッチで添加した。次に、この反応液を10時間、95℃とした。続いて、この反応液を室温まで冷却し、DCMを用いてMgSO4の薄パッドを透過させた。粗生成物を、勾配シリカゲルクロマトグラフィで精製した:100% ヘキサンから20:80 ヘキサン:DCM。6.23グラム(収率70%)の純粋透明オイルを得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.54(d,J=8.2Hz,1H),6.46(dd,J=8.2,2.2Hz,1H),6.40(d,J=2.2Hz,1H),3.96(dt,J=14.4,6.4Hz,4H),1.85−1.72(m,4H),1.61−1.42(m,4H),1.41−1.34(m,8H),1.32(s,12H),0.99−0.86(m,6H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ165.58,163.11,137.71,129.65,105.10,99.20,83.17,82.81,68.20,67.88,31.66,31.58,29.32,29.20,25.68,25.67,24.83,24.64,22.71,22.60,13.88,13.80
ビス(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)アミン
25mLの1つ口丸底フラスコ中にて、1.5グラムのビス(4−ブロモフェニル)アミン(4.59mmol)、3.99グラムの2−(2,4−ビス(ヘキシルオキシ)フェニル)−4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン(9.86mmol)、および2.92グラムの酢酸カリウム(13.76mmol)を10mLのトルエン、0.2mL tアミルOH、および0.1mL 水に溶解した。この溶液を、N2気流により20分間脱気し、その後、10mgのPd2dba3および20mgのX−Phosを同時にワンバッチで添加した。次に、この反応液を10時間、80℃とした。続いて、この反応液を室温まで冷却し、DCMを用いてMgSO4の薄パッドを透過させた。粗生成物を、シリカゲルクロマトグラフィで精製した:10:90 Et2O:ヘキサン。時間と共に固化して灰色ワックスとなる2.26グラム(収率68%)の純粋透明オイルを得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.44(d,J=8.3Hz,4H),7.22(d,J=8.2Hz,2H),7.12(d,J=8.3Hz,4H),6.54(d,J=7.5Hz,4H),5.88(s,1H),3.98(dt,J=9.7,6.6Hz,8H),1.77(tt,J=14.7,6.8Hz,8H),1.47(qd,J=13.4,11.7,6.9Hz,8H),1.35(dh,J=14.4,3.7Hz,16H),0.92(dt,J=10.5,6.7Hz,12H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ159.48,156.94,141.53,131.08,130.61,130.26,123.01,116.95,105.33,100.17,68.33,68.12,31.65.31.51,29.33,29.15,25.81,25.76,22.66,22.62,13.85,13.84
4−(ビス(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)アミノ)ベンズアルデヒド
25mLの1つ口丸底フラスコ中にて、0.269グラムの4−ブロモベンズアルデヒド(1.45mmol)、10.42グラムのビス(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)アミン(1.38mmol)、および0.587グラムの三塩基性リン酸カリウム(2.76mmol)を6mLのジオキサンに溶解した。この溶液を、N2気流により20分間脱気し、その後、10mgのPd2dba3および20mgのX−Phosを同時にワンバッチで添加した。次に、この反応液を10時間、75℃とした。続いて、この反応液を室温まで冷却し、DCMを用いてMgSO4の薄パッドを透過させた。粗生成物を、勾配シリカゲルクロマトグラフィで精製した:100% ヘキサンから100% DCMの勾配。1.05グラム(収率83%)の純粋黄色オイルを得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ9.82(s,1H),7.75−7.67(m,2H),7.60−7.53(m,4H),7.33−7.19(m,6H),7.15−7.10(m,2H),6.62−6.51(m,4H),4.01(td,J=6.5,4.4Hz,8H),1.87−1.70(m,8H),1.53−1.26(m,24H),1.02−0.80(m,12)。13C NMR(10MHz,塩化メチレン−d2)δ190.03,159.92,156.97,153.36,144.15,135.47,131.01,130.81,130.57,128.94,125.65,122.24,119.05,105.42,100.10,68.36,68.12,31.59,31.43,29.26,29.05,25.74,25.70,22.62,22.56,13.80,13.78
本発明の化合物、DPP07とも称される式(72)の化合物を単独で、および共増感剤NT35またはD35と共に含む色素太陽電池の作製
フッ素ドープ酸化スズ(FTO)導電性ガラス上の約20nmのアナターゼから構成されるTiO2透明電極を、複数パスのスクリーン印刷によって制御して、所望される厚さを得た。400nmサイズのTiO2粒子から成る4〜5μm厚の光散乱層を透明層の上に印刷することで、散乱によって光パス長を増加させた。Yum,J.H.;Jang,S.R.;Humphry−Baker,R.;Gratzel,M.;Cid,J.J.;Torres,T.;Nazeeruddin,M.K.,Langmuir,2008,24,5636に開示されるように、白金化FTOガラスを対電極として用いた。
TiO2膜の有機色素(式(72)の化合物、DPP07)による染色を、4−tert−ブタノール/アセトニトリル混合物(1:1 体積/体積)中の2.5mM 3α,7α−ジヒドロキシ−5β−コール酸(ケノデオキシコール酸)を含むDPP07の0.025mM溶液にそれを浸漬することによって行った。膜は、DPP07および共増感剤を含有する溶液中へそれを浸漬することにより、共増感剤と共に共吸着された。
約7.5+5(20nmおよび400nm粒子)μmのTiO2厚さ、アセトニトリル:バレロニトリル(85:15)中0.6M DMII、0.05M LiI、0.03M I2、0.25M TBP、0.05M GuSCNの電解質組成でデバイスを作製した。性能データはすべて、約24時間後に測定した。DPP07、共色素NT35または共色素D35を含むDPP07の色素溶液中、2.5mMのCDCAが含有されている。
DSCの光起電力測定では、照射源は、フィルター(Schott 113)付き450W キセノン光源(Osram XBO 450、ドイツ)とし、その出力は、模擬光とAM 1.5Gとの間の350〜750nmの領域におけるミスマッチを4%未満に抑えるために、カラーマッチフィルター(colour matched filter)(KG−3、Schott)を備えた参照Si光ダイオードを用いることでAM 1.5G太陽光標準に調節した。光電変換効率(IPCE)の測定値を、Gemini−180ダブルモノクロメーター(ジョバンイボン社(Jobin Yvon Ltd.))を通して集光した300W キセノンランプ(ILCテクノロジー(ILC Technology),米国)からの入射光を用いることにより、励起波長の関数としてプロットした。
表1および図4に提示する結果から、DPP07増感太陽電池によって約7.7%のPCEが得られ、500〜640nmにおいて80%超の光電変換効率(IPCE)を示したことが分かる(図5)。
DPP03の性能である5.03%と比較して(図6)、DPP07に基づく太陽電池が、DPP03増感太陽電池よりも優れた性能であることは明らかである(図6のIV曲線の比較を参照)。DPP03と比較してDPP07のスペクトル幅が減少しているにも関わらず、DPP07の非対称性により、IPCEの増加および最終的なより高い性能が得られており、DPP03増感太陽電池は、800nmに近いより長い波長まで広がるIPCEを示したが、光電流に変換される光子はより少なかった。DPP07増感太陽電池でのより高い性能の理由は、主として、光強度に対する直線的な電流発生の結果である。図6は、光強度の関数としての電流動態を示しており、1sunJscに標準化された個々の光電流を示している。
DPP07増感太陽電池からの光電流は、非常に高い直線性を示し、平坦域(plateau)が得られないDPP03太陽電池と比較して、0.01から1sunまでの強度において平坦域が得られる。両方の増感剤に対して、CDCAの存在によって電流直線性が改善されたことには留意されたい。この直線性は、DPP07の場合の凝集の低減に帰する可能性が高く、それは、非対称DPP架橋/コアが、増感剤間のπ−π相互作用を妨害し得るからである。それが逆光強度依存性に従うことから、この凝集に関するさらなる研究が進行中である。
この比較的低いバンドギャップの増感剤の能力を十分に実現するために、ワイドバンドギャップ共増感剤を用いて、高エネルギー光子からさらに電流を補うと共に、Vocの改善に繋がる表面被覆率の補助とした。新しい共増感剤NT35ならびにD35を用いることで、光起電力デバイスのPCEは、8.30%超に改善される。NT35は、TiO2表面上において約415nmにその最大吸収を有しており、それは、D35と比較して約35nm青色側へシフトしている(図7)。DPP07と合わせたNT35の表面上のより大きいスペクトル相補性にも関わらず、最大PCEは、D35と組み合わせたDPP07で得られており、それは、改善されたVocおよびJscに起因する。ワイドバンドギャップ増感剤は、400〜550nmの高エネルギー可視光吸収を実質的に増加させ、DPP07単独増感剤デバイスと比較した場合の、共増感光起電力デバイスのIPCEスペクトルが拡張された。共増感デバイスのIPCEは、低エネルギー波長においてさえも高効率を維持し、およびそれらは(特に、DPP07/D35)、400〜750nmの理想に近い全色性形状を示す。
興味深いことに、共増感太陽電池、特にDPP07/D35のVocが改善された。この増加は、ワイドバンドギャップ増感剤の存在下における電子寿命の延長に起因する可能性が高い(図8)。この寿命の延長は、官能基、ドナーリガンドのジヘキシルオキシビフェニル、または共吸収剤20として作用するワイドバンドギャップ色素によるパッシベーションのいずれかに帰することが妥当である。結局、最良のDPP07/D35共増感太陽電池は、DPP07単独増感剤太陽電池によって得られる7.7%から改善された8.6%の電力変換効率を達成したものであり、それは、VocおよびJscの両方の増加に起因する。
可視光範囲全体にわたる80%を超える著しいIPCEが、この非対称コアによって達成され、それは、単独色素DPP07の場合、7.7%の最大電力変換効率をもたらす。対称DPPコアに基づく増感剤DPP03と比較したこの改善は、スペクトル吸収における浅色シフトにも関わらず、光電流の増加の結果として得られるものである。DSC用途のための非対称Th−DPP−Ph系増感剤により、スペクトル応答およびIPCEを最大化するDPP設計に対するバランスの取れた手法が明らかとなる。この非対称手法により、光吸収を最大化するより強い供与基を用いることで、より性能の高い増感剤を得ることが期待される。太陽光スペクトルの高エネルギー領域からのより高い電流密度を補うためにワイドバンドギャップ共増感剤を用いることにより、AM 1.5において8.6%の最終PCEが得られた。
実施例2
DPP13と称される式(77)、DPP14と称される式(75)、DPP15と称される式(88)、およびDPP17と称される式(74)の化合物の合成
3−(4−ブロモフェニル)−2,5−ビス(2−エチルヘキシル)−6−(チオフェン−2−イル)ピロロ[3,4−c]ピロール−1,4(2H,5H)−ジオン(Th−DPP EtHex−Ph−Br)を、上述のようにして合成した。
Th−DPP EtHex−Ph−フルアルデヒド
50mLの1つ口丸底フラスコ中にて、1.00グラムのTh−DPP EtHex−Ph−Br(1.67mmol)、0.28グラムの5−ホルミルフラン−2−ボロン酸(2.00mmol)、および1.15グラムの炭酸カリウム(8.35mmol)を、4mLのトルエンおよび2mL MeOHに溶解した。この溶液を、N2気流により20分間脱気し、その後、10mgのPd(dppf)Cl2を添加した。次に、この反応液を1時間、70℃とし、続いて、DCMで希釈し、DCMを用いてMgSO4の薄パッドを透過させた。揮発性有機物を除去し、粗化合物を、200mLのシリカを充填したミディアムカラムへローディングした。ヘキサン中1% EtOAcから3% EtOAcまでの勾配溶出液を用いて化合物を精製した。0.87グラム(収率85%)の純粋深赤色固体を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ9.70(s,1H),8.93(dd,J=3.9,1.2Hz,1H),7.99(d,J=8.5Hz,2H),7.92(d,J=8.5Hz,2H),7.74(dd,J=5.1,1.1Hz,1H),7.39(d,J=3.8Hz,1H),7.35−7.30(m,1H),7.03(d,J=3.7Hz,1H),4.04−3.94(m,2H),3.94−3.80(m,2H),1.84(p,J=6.4Hz,1H),1.51(p,J=6.5Hz,1H),1.45−1.03(m,16H),0.93−0.84(m,6H),0.84−0.70(m,6H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ177.80,162.68,162.49,158.58,153.13,145.81,142.84,136.13,131.87,131.28,130.37,130.18,129.87,128.88,125.85,110.85,109.67,108.54,46.08,45.61,39.69,39.68,39.30,39.28,30.84,30.83,30.75,30.73,30.26,28.95,28.83,24.25,24.08,23.61,23.39,14.35,14.26,10.77,10.75
Br−Th−DPP EthHex−Ph−フルアルデヒド
50mLの1つ口丸底フラスコ中にて、800mgのTh−DPP EtHex−Ph−フルアルデヒド(1.31mmol)を20mLのクロロホルムに溶解し、243mg NBS(1.37mmol)を、室温にてワンバッチで添加した。この反応液を2時間撹拌し、この時点で、溶液をショートシリカカラムに直接ローディングし、ヘキサン中1% EtOAcから3% EtOAcまでの勾配溶出液を用いて化合物を精製した。496mg(収率55%)の紫色固体を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ9.70(s,1H),8.69(d,J=4.2Hz,1H),8.04−7.96(m,2H),7.96−7.89(m,2H),7.39(d,J=3.8Hz,1H),7.31(d,J=4.2Hz,1H),7.03(d,J=3.8Hz,1H),4.00−3.82(m,4H),1.89−1.78(m,1H),1.53−1.47(m,1H),1.43−1.03(m,16H),0.94−0.83(m,6H),0.83−0.67(m,6H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ177.78,162.40,158.48,153.14,146.34,141.37,135.98,131.97,131.84,131.37,130.03,129.86,125.81,119.71,110.71,109.68,108.80,46.08,45.61,39.69,39.68,39.30,39.28,30.84,30.83,30.75,30.73,30.26,28.95,28.83,24.25,24.08,23.61,23.39,14.35,14.26,10.77,10.75
HexOTPA−Th−DPP EthHex−Ph−フルアルデヒド
25mLの1つ口丸底フラスコ中にて、400mgのBr−Th−DPP EthHex−Ph−フルアルデヒド(0.58mmol)、375mgのN,N−ビス[4−(ヘキシルオキシ)フェニル]−4−(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン−2−イル)−ベンズアミン(0.66mmol)、および368mgの三塩基性リン酸カリウム(1.73mmol)を、12mLのトルエン、1mLのtアミルOH、および0.5mLの水に溶解した。この溶液を、N2気流によって20分間脱気し、その後、10mgのPd2dba3および20mgのX−Phosを同時にワンバッチで添加した。次に、この反応液を6時間、80℃とし、続いて、DCMで希釈し、DCMを用いてMgSO4の薄パッドを透過させた。揮発性有機物を除去し、粗化合物を、およそ200mLのシリカのミディアムカラムへローディングした。100% DCMからDCM中3% EtOAcまでの勾配溶出液を用いて化合物を精製した。495mg(収率81%)の純粋紫/青色固体を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ9.69(s,1H),9.09(d,J=4.2Hz,1H),8.03−7.87(m,4H),7.70−7.66(m,1H),7.51(d,J=8.8Hz,2H),7.45(dd,J=5.0,2.0Hz,1H),7.11(d,J=8.8Hz,4H),7.01(d,J=3.7Hz,1H),6.96−6.84(m,6H),4.08−3.92(m,6H),3.92−3.81(m,2H),2.01−1.85(m,1H),1.85−1.72(m,4H),1.72−1.64(m,1H),1.55−1.44(m,4H),1.44−1.03(m,24H),1.02−0.84(m,12H),0.84−0.71(m,6H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ177.18,162.28,161.69,158.09,156.25,152.48,151.57,149.81,147.72,146.31,143.70,142.83,142.55,139.63,138.03,132.59,132.56,131.53,131.47,130.41,130.37,129.80,129.24,128.91,128.31,127.65,127.24,126.85,126.76,126.15,125.45,125.21,124.04,122.69,120.25,119.05,115.32,110.47,108.97,107.33,68.29,45.55,45.03,39.20,38.70,34.88,34.73,34.12,31.59,31.02,30.87,30.50,30.49,30.24,29.62,29.50,29.27,28.49,28.24,27.62,27.51,27.35,27.26,26.44,26.43,25.70,25.47,23.80,23.66,23.59,23.08,22.81,22.61,22.60,13.83,13.81,13.69,10.28,10.18
DPP13、HexOTPA−Th−DPP EthHex−Ph−フラニルCAA
25mLの1つ口丸底フラスコ中にて、200mgのHexOTPA−Th−DPP EthHex−Ph−フルアルデヒド(0.18mmol)および200mg シアノ酢酸(2.35mmol)を、10mL DCM、5mL トリエチルアミン、および0.2mL ピペリジン中に溶解した。スパチュラ1杯分のMgSO4をこの反応液へ添加し、次に一晩40℃へ加熱した。翌朝、この反応液をDCMで希釈し、水および酢酸の溶液で、次に純水で抽出した。粗生成物をロータリーエバポレーターで蒸発させ、次にシリカカラムにローディングし、2:3:95 酢酸:メタノール:DCMの溶出液で溶出した。119mg(収率56%)の青色固体を得た。
1H NMR(600MHz,塩化メチレン−d2)δ8.11−8.05(m,5H),8.03(s,1H),7.56−7.52(m,2H),7.49(dd,J=4.3,1.5Hz,1H),7.44(d,J=3.8Hz,1H),7.27(d,J=3.7Hz,1H),7.09−7.03(m,4H),6.92−6.84(m,6H),4.08−3.92(m,8H),1.96(p,J=6.5Hz,1H),1.80−1.75(m,4H),1.55(q,J=6.2Hz,1H),1.53−1.46(m,4H),1.44−1.33(m,14H),1.33−1.24(m,4H),1.15(t,J=3.2Hz,6H),0.96−0.88(m,8H),0.87(t,J=6.8Hz,4H),0.83−0.77(m,3H),0.74(t,J=7.4Hz,3H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ177.18,162.28,161.69,158.09,156.25,152.48,151.57,149.81,147.72,146.31,143.70,142.83,142.55,139.63,138.03,132.59,132.56,131.53,131.47,130.41,130.37,129.80,129.24,128.91,128.31,127.65,127.24,126.85,126.76,126.15,125.45,125.21,124.04,122.69,120.25,119.05,115.32,110.47,108.97,107.33,68.29,45.55,45.03,39.20,38.70,34.88,34.73,34.12,31.59,31.02,30.87,30.50,30.49,30.24,29.62,29.50,29.27,28.49,28.24,27.62,27.51,27.35,27.26,26.44,26.43,25.70,25.47,23.80,23.66,23.59,23.08,22.81,22.61,22.60,13.83,13.81,13.69,10.28,10.18.C708247S[M+]精密質量=1122.5904,MS(MALDI)=1122.5890
7−ブロモ−4−(p−トリル)−1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(TolIndoline−Br)を、J.Mater.Chem.,2012,22,10771−10778で過去に報告されたようにして合成した。
7−(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン−2−イル)−4−(p−トリル)−1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(TolIndoline−BPin)
25mLの1つ口丸底フラスコ中にて、1.20グラムのTolIndoline−Br(3.66mmol)、1.39グラムのB2Pin2(5.59mmol)、および1.09グラムの酢酸カリウム(11.1mmol)を、10mLのジオキサンに溶解した。この溶液を、N2気流によって20分間脱気し、その後、25mgのPd2dba3および50mgのX−Phosを同時にワンバッチで添加した。次に、この反応液を一晩、80℃とし、続いて、DCMで希釈し、DCMを用いてMgSO4の薄パッドを通して詰めた。揮発性有機物を除去し、粗化合物を、シリカゲルカラムへローディングした。50/50 DCM/ヘキサン溶出液を用いて精製を行った。1.15グラム(収率83%)の淡黄色オイル(冷凍庫で保存)を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.50(s,1H),7.44(dd,J=8.0,1.2Hz,1H),7.24−7.16(m,4H),6.83(d,J=8.0Hz,1H),4.82(ddd,J=8.7,6.2,2.2Hz,1H),3.83(td,J=8.8,2.7Hz,1H),2.35(s,3H),2.13−1.62(m,6H),1.33(s,12H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ150.71,139.91,134.82,134.18,131.86,130.82,129.64,120.50,106.37,83.10,68.97,45.13,35.14,33.57,26.90,24.70,24.57,24.30,22.64,20.47,13.87
TolIndoline−Th−DPP EthHex−Ph−フルアルデヒド
カップリングパートナーとしてTolIndoline−BPinを用い、HexOTPA−Th−DPP EthHex−Ph−フルアルデヒドの合成の場合と同じ方法で反応および精製を行った。196mg(収率79%)の青色固体。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ9.69(s,1H),9.10(dd,J=4.2,1.6Hz,1H),7.97(d,J=8.6Hz,2H),7.94−7.89(d,J=8.5Hz,2H),7.47(s,1H),7.42(d,J=8.3,1H),7.38(dd,J=4.0,2.7Hz,2H),7.25−7.19(m,4H),7.01(d,J=3.7Hz,1H),6.88(d,J=8.4Hz,1H),4.95−4.84(m,1H),4.13−3.95(m,2H),3.94−3.81(m,5H),2.36(s,3H),2.18−1.48(m,6H),1.43−1.05(m,18H),0.97−0.69(m,12H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ177.16,162.35,161.63,158.13,152.78,152.45,149.27,143.18,142.74,139.46,138.26,136.12,132.34,130.25,129.89,129.78,129.22,125.98,125.96,125.19,122.90,122.50,121.89,120.59,120.58,110.49,108.92,107.16,107.01,69.38,45.53,45.14,45.00,39.24,39.22,38.69,35.20,33.47,33.46,30.25,28.64,28.25,26.89,24.31,23.65,23.58,23.14,23.12,22.82,20.52,13.90,13.88,13.70,10.28,10.24,10.19
DPP14、TolIndoline−Th−DPP EthHex−Ph−フラニルCAA
DPP13の合成の場合と同じ方法で反応および精製を行った。50mg(収率65%)の青/緑色固体。
1H NMR(600MHz,塩化メチレン−d2)δ9.14(dd,J=4.2,1.6Hz,1H),8.07(s,1H),8.04(d,J=8.5Hz,2H),7.96(d,J=8.5Hz,2H),7.50(s,1H),7.45(dd,J=8.3,2.0Hz,1H),7.41(d,J=4.1Hz,1H),7.33(d,J=3.8Hz,1H),7.28−7.20(m,4H),7.09(d,J=3.7Hz,1H),6.91(d,J=8.3Hz,1H),4.91(tt,J=6.3,1.9Hz,1H),4.05(qd,J=15.1,7.6Hz,2H),3.92(td,J=11.1,10.3,6.7Hz,4H),3.10(q,J=7.3Hz,1H),2.38(s,3H),2.14(dtd,J=12.8,9.7,6.4Hz,1H),2.03−1.88(m,2H),1.84(ddd,J=16.9,12.7,6.3Hz,1H),1.72(ddq,J=13.1,6.7,3.4Hz,1H),1.58(tq,J=10.9,5.9,5.5Hz,1H),1.50−1.29(m,10H),1.29−1.08(m,8H),0.94(dqd,J=15.7,7.6,3.5Hz,6H),0.83(t,J=6.6Hz,3H),0.77(t,J=7.4Hz,3H)。13C NMR(150MHz,塩化メチレン−d2)δ165.36,162.37,161.72,157.74,152.71,149.29,148.91,143.50,142.64,139.51,138.20,136.90,136.15,132.35,130.34,129.81,129.60,129.34,126.05,126.00,125.04,122.54,121.93,120.62,117.12,110.49,109.98,107.20,107.14,69.40,45.57,45.52,45.17,45.10,39.28,38.67,35.21,33.49,30.26,29.70,28.69,28.29,24.33,23.67,23.16,23.14,22.87,20.54,13.92,13.74,10.20,8.37。C586245S[M+]精密質量=926.4441,MS(MALDI)=926.4418
4′−ブロモ−2,4−ビス(ヘキシルオキシ)−1,1′−ビフェニル(BP)
50mLの1つ口丸底フラスコ中にて、5.18グラムの4′−ブロモ−[1,1′−ビフェニル]−2,4−ジオール(パイファーム(Pi Pharm)より入手)(19.53mmol)を30mL DMSOに溶解し、これに、撹拌しながら2.74グラムの粉末状水酸化カリウム(48.85mmol)を添加した。このジオールおよび塩基を、5〜10分間反応させ、懸濁液が緑掛かった色に変化した。この懸濁液を、氷浴中にて2〜3分間冷却し、その後、9.67グラム(58.59mmol)の臭化n−ヘキシルをシリンジでゆっくり添加した。添加が終了し、氷浴中にて5〜10分間撹拌した後、この反応液を氷浴から取り出し、数時間掛けて室温まで加温した。TLCによって反応の完了を確認し、次に塩化メチレンで抽出し、数回水洗してDMSOを除去した。粗生成物をロータリーエバポレーターにより減圧濃縮し、次に、シリカゲルカラムクロマトグラフィ:純ヘキサンから50/50 DCM/ヘキサンによって精製した。8.05グラム(収率95%)の純粋透明オイルを得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.52(d,J=8.5Hz,2H),7.44(d,J=8.6Hz,2H),7.22(d,J=8.8Hz,1H),6.59−6.54(m,2H),3.99(dt,J=13.4,6.5Hz,4H),1.88−1.68(m,4H),1.58−1.25(m,12H),1.01−0.87(m,6H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ160.18,156.87,137.63,131.12,130.80,130.79,121.78,120.00,105.40,100.07,68.36,68.13,31.62,31.45,29.27,29.05,25.77,25.72,22.65,22.59,13.85,13.79
4−(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)−7−ブロモ−1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(BPIndoline)
25mLの1つ口丸底フラスコ中にて、1.31グラムの4′−ブロモ−2,4−ビス(ヘキシルオキシ)−1,1′−ビフェニル(3.02mmol)、0.450グラムの1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(2.83mmol)、および0.375グラムのナトリウムt−ブトキシド(3.90mmol)を、15mLのトルエンに溶解した。この溶液を、N2気流によって20分間脱気し、その後、30mgのビス(トリ−tert−ブチルホスフィン)パラジウム(0)をワンバッチで添加した。次に、この反応液を一晩、80℃とし、続いて、DCMで希釈し、DCMを用いてMgSO4の薄パッドを透過させた。揮発性有機物を除去し、粗化合物を、シリカゲルカラムへローディングした。ヘキサン中2% EtOAcの溶出液を用いて精製を行った。1.41グラム(収率91%)の淡黄色粘稠オイル(冷凍庫で保存)を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.53(d,J=8.1Hz,2H),7.33(d,J=8.3Hz,2H),7.27(d,J=8.0Hz,1H),7.16(d,J=7.1Hz,1H),7.08(q,J=3.9,2.6Hz,2H),6.80−6.71(m,1H),6.57(d,J=8.4Hz,2H),4.88−4.77(m,1H),4.01(q,J=6.5Hz,4H),3.84(td,J=8.8,2.8Hz,1H),2.09(td,J=12.6,7.8Hz,2H),2.04−1.64(m,6H),1.53(ddd,J=27.1,11.4,5.0Hz,6H),1.46−1.26(m,8H),1.06−0.83(m,6H).13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ159.50,156.94,147.21,141.60,135.17,131.17,130.61,129.96,126.97,124.61,122.92,118.56,118.08,108.12,105.34,100.14,68.66,68.34,68.11,45.52,34.85,34.07,31.63,31.59,31.51,29.31,29.15,25.81,25.74,24.44,22.65,22.61,13.89,13.83,13.80
4−(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)−7−ブロモ−1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(BPIndoline−Br)
50mLの1つ口丸底フラスコ中にて、1.4グラムのBPIndoline(2.7mmol)を、22mL アセトンに溶解し、0℃に冷却した。次に、0.492グラムのNBS(2.8mmol)を一度に添加し、この反応液を、1時間掛けて室温まで加温した。この時点で、反応液をヘキサン中へ注ぎ入れ、10% NaOH水溶液で洗浄した。揮発性有機物を除去した後、粗生成物を、ヘキサン中10% DCMの溶出液を用いたシリカゲルクロマトグラフィで精製した。1.60グラムの純粋淡黄色粘稠オイルを得た(収率98%)。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.52(d,J=8.7Hz,2H),7.33(d,J=8.3Hz,2H),7.25−7.21(m,2H),7.14(dd,J=8.5,2.2Hz,1H),6.91(d,J=8.5Hz,1H),6.56(d,J=7.2Hz,2H),4.84(ddd,J=8.9,6.3,2.5Hz,1H),4.00(q,J=6.7Hz,4H),3.89(td,J=8.8,2.8Hz,1H),2.08(td,J=12.6,7.8Hz,2H),2.01−1.61(m,6H),1.59−1.43(m,6H),1.43−1.25(m,8H),1.02−0.82(m,6H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ159.58,156.93,146.62,140.96,137.68,131.89,130.62,130.04,129.54,127.49,122.73,118.52,109.27,109.13,105.36,100.13,69.06,68.34,68.12,45.31,34.83,33.88,31.60,31.57,31.47,29.28,29.11,26.90,25.78,25.71,24.37,22.64,22.62,22.58,13.86,13.80,13.78
4−(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)−7−(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン−2−イル)−1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(BPIndoline−BPin)
TolIndoline−BPinの合成の場合と同じ方法で、この生成物を合成した。50:50 ヘキサン:DCMから30:70 ヘキサン:DCMの勾配溶出液を用いたシリカゲルクロマトグラフィによる精製。1.46グラム(収率83%)の純粋淡黄色粘稠オイル(冷凍庫で保存)を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.58(s,1H),7.56(d,J=8.0Hz,1H),7.52(d,J=8.6Hz,2H),7.30(d,J=8.6Hz,2H),7.28−7.25(m,1H),7.01(d,J=8.0Hz,1H),6.55(dd,J=5.9,2.5Hz,2H),4.84(ddd,J=8.8,6.3,2.2Hz,1H),3.98(dt,J=12.5,6.5Hz,2H),3.84(td,J=8.8,2.8Hz,1H),2.10−1.91(m,6H),1.89−1.71(m,10H),1.70−1.57(m,2H),1.56−1.23(m,16H),1.02−0.82(m,6H)。13C NMR(100MHz,CDCl3)δ159.45,156.94,150.29,140.75,135.04,134.28,131.01,130.79,130.08,123.08,119.26,118.31,107.28,105.25,100.39,83.22,68.93,68.37,68.10,45.16,34.92,33.81,31.62,31.43,29.32,29.07,26.91,25.77,25.76,24.94,24.76,24.57,24.41,22.63,22.57,14.06,14.01
BPIndoline−Th−DPP EthHex−Ph−フルアルデヒド
カップリングパートナーとしてBPIndoline−BPinを用い、HexOTPA−Th−DPP EthHex−Ph−フルアルデヒドの合成の場合と同じ方法で反応および精製を行った。200mg(収率62%)の青色固体。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ9.69(s,1H),9.12(dd,J=4.1,0.9Hz,1H),8.01−7.96(m,2H),7.93(d,J=8.6Hz,2H),7.59−7.54(m,2H),7.51(t,J=1.4Hz,1H),7.47(dd,J=8.3,2.0Hz,1H),7.41(d,J=4.2Hz,1H),7.39(d,J=3.7Hz,1H),7.37−7.32(m,2H),7.29−7.25(m,1H),7.05(d,J=8.1Hz,1H),7.02(d,J=3.7Hz,1H),6.60−6.55(m,2H),4.95(t,J=7.4Hz,1H),4.10(q,J=7.2Hz,2H),4.01(td,J=6.5,4.7Hz,6H),3.97−3.83(m,3H),2.22−2.06(m,2H),2.00−1.87(m,2H),1.85−1.70(m,6H),1.55−1.50(m,6H),1.50−1.31(m,14H),1.31−1.05(m,8H),0.93(tdd,J=7.2,6.0,2.9Hz,12H),0.78(dt,J=20.7,6.7Hz,6H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ177.19,162.37,161.67,159.67,158.13,156.95,152.67,152.47,148.74,143.27,142.74,140.28,140.26,138.24,136.39,132.55,130.66,130.30,130.12,129.90,129.22,128.11,126.09,125.95,125.22,125.19,123.27,122.60,122.53,122.02,119.29,119.28,110.52,108.95,107.76,107.07,105.38,100.11,69.23,68.35,68.12,60.21,45.56,45.18,45.04,38.71,35.08,33.65,31.60,31.48,30.24,29.28,29.11,28.63,28.25,25.79,25.71,25.45,24.37,23.66,23.61,23.58,23.13,23.11,22.82,22.62,22.60,20.76,13.97,13.89,13.87,13.81,13.80,13.69,10.28,10.24,10.19
DPP15、BPIndoline−Th−DPP EthHex−Ph−フラニルCAA
DPP13の合成の場合と同じ方法で反応および精製を行った。161mg(収率76%)の青/緑色固体。
1H NMR(600MHz,塩化メチレン−d2)δ9.14(d,J=4.1Hz,1H),8.08(s,1H),8.05(d,J=8.3Hz,2H),7.96(d,J=8.2Hz,2H),7.58(d,J=8.5Hz,2H),7.53(s,1H),7.49(dd,J=8.4,2.0Hz,1H),7.43(d,J=4.2Hz,1H),7.40−7.34(m,3H),7.29(d,J=8.3Hz,1H),7.10(d,J=3.7Hz,1H),7.07(d,J=8.3Hz,1H),6.59(d,J=9.7Hz,2H),5.00−4.94(m,1H),4.10−4.00(m,8H),3.94(dq,J=13.0,7.1,6.0Hz,3H),2.17(tdd,J=12.0,9.7,6.5Hz,1H),2.05−1.95(m,3H),1.93(ddd,J=13.3,8.6,5.5Hz,1H),1.82(ddt,J=19.6,14.9,6.6Hz,4H),1.75(ddd,J=8.9,6.0,2.8Hz,1H),1.59(dq,J=11.5,5.5Hz,2H),1.55−1.46(m,4H),1.46−1.30(m,12H),1.24(dt,J=13.5,7.6Hz,2H),1.18(h,J=6.5,5.9Hz,8H),0.99−0.91(m,12H),0.83(t,J=6.3Hz,3H),0.78(t,J=7.4Hz,3H)。13C NMR(150MHz,塩化メチレン−d2)δ163.50,161.48,159.69,156.97,152.92,148.84,148.34,146.21,141.94,140.26,138.24,136.44,132.61,130.68,130.25,130.15,129.85,129.63,126.03,125.95,125.44,123.23,122.62,122.58,122.13,119.35,119.34,115.74,110.44,109.95,107.79,107.17,105.39,100.13,97.83,69.26,68.37,68.15,45.88,45.20,44.92,39.21,38.72,35.12,33.66,31.63,31.50,30.27,29.30,29.14,28.59,28.28,25.81,25.73,24.40,23.65,23.16,23.14,22.84,22.65,22.64,22.62,13.92,13.91,13.83,13.72,10.26,10.23,10.16。C758847S[M+]精密質量=1188.6374,MS(MALDI)=1188.6367
ビス(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)メタノン
2−(2,4−ビス(ヘキシルオキシ)フェニル)−4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロランとビス(4−クロロフェニル)メタノンとの鈴木カップリングを、HexOTPA−Th−DPP EthHex−Ph−フルアルデヒドの場合と類似の方法で行った。1.22グラム(収率94%)の純粋透明オイル。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.88(d,J=8.3Hz,4H),7.71(d,J=8.3Hz,4H),7.34(d,J=9.0Hz,2H),6.61(dq,J=4.7,2.4Hz,4H),4.03(q,J=6.4Hz,8H),1.87−1.71(m,8H),1.58−1.44(m,4H),1.44−1.18(m,16H),1.04−0.85(m,12H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ195.71,160.52,157.17,142.86,135.47,131.14,129.61,129.11,121.94,105.54,100.08,68.43,68.17,31.59,31.42,29.24,29.03,25.76,25.70,25.68,24.63,22.62,22.56,13.81,13.78
4′,4′′′−(2−(4−クロロフェニル)エテン−1,1−ジイル)ビス(2,4−ビス(ヘキシルオキシ)−1,1′−ビフェニル)
50mLの1つ口丸底フラスコ中にて、1.9グラムのビス(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)メタノン(2.58mmol)および0.465グラムのターシャリーブトキシド(3.87mmol)を、N2雰囲気下、45mLの乾燥THFに溶解した。この反応混合物へ、1.02グラムのジエチル4−クロロベンジルホスホネート(3.87mmol)を滴下し、45℃に加熱し、TLCによるモニタリングによって生成物の形成が完了するまで撹拌した(およそ12時間)。反応の完了後、この反応混合物を、ジクロロメタンで希釈し、水で洗浄した。有機層を、MgSO4上で乾燥し、濃縮した。粗生成物を、1:4 DCM:ヘキサン溶出液によるシリカゲルクロマトグラフィで精製した。1.70グラム(収率78%)の純粋透明オイルを得た。
1H NMR(400MHz,クロロホルム−d)δ7.55−7.48(m,4H),7.43−7.37(m,2H),7.32(dd,J=8.9,2.2Hz,1H),7.29−7.25(m,1H),7.25−7.20(m,2H),7.14−7.08(m,2H),7.06−6.99(m,2H),6.96(s,1H),6.60−6.53(m,4H),4.04−3.93(m,8H),1.87−1.70(m,8H),1.49(tdd,J=10.9,6.3,3.0Hz,4H),1.45−1.33(m,10H),1.33−1.22(m,6H),0.97−0.82(m,12H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)160.08,160.07,157.18,157.15,143.36,141.01,138.22,138.06,137.88,136.42,132.08,131.03,130.93,129.83,129.81,129.30,128.09,127.16,126.16,122.83,122.71,105.48,105.44,100.30,100.23,68.43,68.37,68.15,31.77,31.60,31.55,29.44,29.43,29.27,29.22,25.88,22.78,22.71,14.01,13.97,13.95
4−(4−(2,2−ビス(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)ビニル)フェニル)−1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(BigIndoline)
1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドールと4′,4′′′−(2−(4−クロロフェニル)エテン−1,1−ジイル)ビス(2,4−ビス(ヘキシルオキシ)−1,1′−ビフェニル)とのアミノ化反応を、4−(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)−7−ブロモ−1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(BPIndoline)の合成について上記で報告した方法に類似の方法で行った。0.54グラム(収率90%)の淡黄色粘稠オイル(冷凍庫で保存)を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.63−7.59(m,2H),7.53−7.48(m,2H),7.41−7.38(m,2H),7.38−7.34(m,1H),7.33−7.29(m,2H),7.29−7.25(m,1H),7.10(s,5H),7.03(t,J=2.1Hz,3H),6.74(dt,J=7.3,4.1Hz,1H),6.65−6.51(m,4H),4.75(ddd,J=8.8,5.6,3.3Hz,1H),4.07−3.96(m,8H),3.84(td,J=8.8,2.8Hz,1H),2.05(dddd,J=12.5,10.2,8.4,6.4Hz,1H),1.88(dt,J=9.3,5.5Hz,2H),1.79(ttd,J=14.5,6.9,3.0Hz,8H),1.66(ddd,J=16.0,7.8,4.6Hz,1H),1.54−1.23(m,16H),0.99−0.87(m,9H),0.88−0.81(m,3H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ159.90,159.87,157.07,157.04,146.43,141.96,141.60,139.84,138.69,137.52,137.40,135.31,130.96,130.87,130.31,129.90,129.74,129.72,129.09,127.24,126.92,126.72,124.59,122.85,122.73,119.00,117.18,108.73,105.44,105.37,100.20,100.09,68.43,68.38,68.34,68.12,45.42,34.61,34.12,31.61,31.60,31.45,31.36,29.28,29.26,29.07,25.72,25.70,24.35,22.62,22.56,22.54,13.80,13.78,13.74
4−(4−(2,2−ビス(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)ビニル)フェニル)−7−ブロモ−1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(Br−BigIndoline)
臭素化を、4−(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)−7−ブロモ−1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(BPIndoline−Br)の合成について上記で報告した方法に類似の方法で行った。200mg(収率93%)の淡黄色粘稠オイル(冷凍庫で保存)を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.63−7.57(m,2H),7.52−7.48(m,2H),7.41−7.37(m,2H),7.36−7.34(m,1H),7.32−7.28(m,2H),7.28−7.25(m,1H),7.19(dd,J=2.2,1.1Hz,1H),7.13−7.01(m,6H),6.88(d,J=8.5Hz,1H),6.62−6.53(m,4H),4.76−4.68(m,1H),4.06−3.95(m,8H),3.81(td,J=8.8,2.7Hz,1H),2.04(dddd,J=12.6,10.1,8.5,6.4Hz,1H),1.82(dtdd,J=24.0,14.7,7.1,5.4Hz,10H),1.65(ddd,J=11.9,9.8,6.2Hz,1H),1.54−1.24(m,16H),0.97−0.87(m,9H),0.87−0.80(m,3H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ159.92,159.89,157.07,157.04,145.86,141.49,141.31,140.29,138.57,137.82,137.58,137.50,130.94,130.87,130.62,130.36,129.71,129.52,129.10,127.50,127.06,126.74,122.81,122.70,117.62,109.79,109.73,105.46,105.38,100.21,100.09,68.81,68.38,68.33,68.13,45.24,34.60,33.94,31.60,31.59,31.44,31.36,29.27,29.26,29.07,25.72,25.71,25.69,24.31,22.61,22.55,22.53,13.79,13.77,13.77,13.73
4−(4−(2,2−ビス(2′,4′−ビス(ヘキシルオキシ)−[1,1′−ビフェニル]−4−イル)ビニル)フェニル)−7−(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン−2−イル)−1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(BPin−BigIndoline)
臭化物からBPinへのイプソ置換を、7−(4,4,5,5−テトラメチル−1,3,2−ジオキサボロラン−2−イル)−4−(p−トリル)−1,2,3,3a,4,8b−ヘキサヒドロシクロペンタ[b]インドール(TolIndoline−BPin)の合成について上記で報告した方法に類似の方法で行った。180mg(収率90%)の淡黄色粘稠オイル(冷凍庫で保存)を得た。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ7.61(d,J=8.2Hz,2H),7.53−7.48(m,3H),7.45(d,J=7.8Hz,1H),7.39(d,J=8.4Hz,2H),7.35(d,J=9.1Hz,1H),7.31(d,J=8.2Hz,2H),7.27(d,J=9.0Hz,1H),7.11(s,4H),7.03(s,1H),6.97(d,J=8.0Hz,1H),6.63−6.54(m,4H),4.75(ddd,J=8.8,5.6,3.3Hz,1H),4.05−3.96(m,8H),3.82(td,J=8.7,2.6Hz,1H),2.05(dddd,J=12.6,10.4,8.5,6.3Hz,1H),1.93−1.71(m,10H),1.71−1.59(m,1H),1.48−1.23(m,28H),0.98−0.88(m,9H),0.88−0.80(m,3H)。13C NMR(100MHz,塩化メチレン−d2)δ159.89,157.07,141.53,141.14,140.31,138.58,137.59,137.49,134.67,130.96,130.87,130.79,130.31,129.72,129.10,127.12,126.76,122.84,122.72,118.25,107.56,105.46,105.38,100.22,100.10,83.18,68.58,68.38,68.12,45.09,34.79,33.84,31.60,31.45,31.36,29.67,29.27,29.07,25.70,24.69,24.56,24.30,22.62,22.56,22.53,13.79,13.74
BigIndoline−Th−DPP EthHex−Ph−フルアルデヒド
カップリングパートナーとしてBPin−BigIndolineを用い、HexOTPA−Th−DPP EthHex−Ph−フルアルデヒドの合成の場合と同じ方法で反応および精製を行った。220mg(収率68%)の青/緑色固体。
1H NMR(400MHz,塩化メチレン−d2)δ9.69(s,1H),9.10(d,J=4.1Hz,1H),7.99(d,J=8.5Hz,2H),7.92(d,J=8.5Hz,2H),7.62(d,J=8.2Hz,2H),7.52(d,J=8.4Hz,2H),7.48(s,1H),7.46−7.38(m,5H),7.36(d,J=9.1Hz,1H),7.32(d,J=8.2Hz,2H),7.27(d,J=9.0Hz,2H),7.14(s,4H),7.07−7.01(m,3H),6.63−6.55(m,4H),4.83(ddd,J=8.8,5.6,3.3Hz,1H),4.06−3.96(m,12H),3.95−3.84(m,3H),2.18−2.05(m,1H),2.00−1.79(m,4H),1.79−1.73(m,8H),1.73−1.65(m,1H),1.57−1.06(m,16H),1.01−0.71(m,24H)。13C NMR(101MHz,CD2Cl2)δ177.19,162.36,161.68,159.93,159.90,158.12,157.07,157.04,152.46,147.95,143.36,142.69,141.43,140.66,138.51,138.17,137.64,137.59,136.53,131.28,130.95,130.88,130.41,130.33,129.88,129.74,129.71,129.22,129.12,126.97,126.78,126.22,125.86,125.22,123.68,122.79,122.68,122.49,122.15,118.43,110.51,108.96,108.37,107.13,105.46,105.38,100.20,100.09,68.99,68.38,68.33,68.13,45.55,45.13,39.23,38.71,34.86,33.75,31.60,31.45,31.37,30.26,29.67,29.27,29.08,28.61,28.25,25.72,25.70,24.33,23.66,23.59,23.10,22.81,22.62,22.56,22.54,13.87,13.80,13.74,13.69,10.28,10.24,10.18
DPP17、BigIndoline−Th−DPP EthHex−Ph−フラニルCAA
DPP13の合成の場合と同じ方法で反応および精製を行った。150mg(収率83%)の青/緑色固体。
1H NMR(600MHz,塩化メチレン−d2)δ9.12(d,J=4.2Hz,1H),8.08(s,1H),8.06(d,J=8.2Hz,2H),7.96(d,J=8.2Hz,2H),7.63(d,J=7.9Hz,2H),7.53(d,J=8.1Hz,2H),7.50(s,1H),7.46(d,J=8.4Hz,1H),7.45−7.40(m,3H),7.38(d,J=9.1Hz,1H),7.36(d,J=3.1Hz,1H),7.33(d,J=8.0Hz,2H),7.29(d,J=8.4Hz,1H),7.20−7.11(m,4H),7.11(d,J=3.7Hz,1H),7.07(s,1H),7.05(d,J=8.4Hz,1H),6.66−6.50(m,4H),4.85(t,J=7.6Hz,1H),4.10−4.00(m,12H),3.98−3.89(m,3H),2.13(p,J=9.0,7.9Hz,1H),2.02−1.87(m,4H),1.89−1.78(m,8H),1.76−1.66(m,1H),1.63−1.09(m,16H),1.00−0.88(m,15H),0.84(dt,J=17.5,6.7Hz,6H),0.77(t,J=7.4Hz,3H)。13C NMR(150MHz,塩化メチレン−d2)δ163.26,161.52,159.96,159.92,158.39,157.09,157.06,152.64,148.34,148.03,142.04,141.46,140.68,138.53,138.17,137.66,137.60,136.58,131.32,130.97,130.90,130.43,130.19,129.90,129.76,129.73,129.57,129.14,126.99,126.81,126.13,125.92,125.43,123.66,122.79,122.68,122.53,122.24,118.48,115.75,110.45,110.08,108.39,107.22,105.46,105.38,100.20,100.09,97.55,69.02,68.39,68.34,68.14,45.81,45.14,44.95,39.21,38.71,34.88,33.75,31.62,31.47,31.39,30.25,29.28,29.09,28.58,28.27,25.74,25.72,24.35,23.65,23.53,23.12,22.83,22.64,22.58,22.56,13.89,13.82,13.80,13.77,13.71,10.23,10.15。C10712649S[M+]精密質量=1642.9246,MS(MALDI)=1643.9327
特に断りのない限り、市販業者からの試薬はすべてさらなる精製を行わずに用いた。特に断りのない限り、反応はすべて乾燥N2下で行った。乾燥下での反応はすべて、高真空下で火炎処理し、N2を再充填したガラス器具を用いて行った。抽出物はすべて、粉末状MgSO4上で乾燥し、溶媒は、ロータリーエバポレーターによって減圧除去した。フラッシュクロマトグラフィは、Silicycle UltraPure SilicaFlash P60、40〜63μm(230〜400メッシュ)を用いて行った。1Hおよび13C NMRスペクトルは、Bruker Avance−400(400MHz)、Bruker AvanceIII−400(400MHz)、Bruker DPX−400(400MHz)、またはBruker DRX−600分光計で記録し、溶媒を内標準として用いたppmで報告する。塩化メチレン−d2 それぞれ1Hおよび13Cに対して5.32ppmおよび54.00ppm、THF−d8 それぞれ1Hおよび13Cに対して3.58ppmおよび67.57ppm。
DPP07と称する式(72)の化合物、DPP13と称する式(77)の化合物、DPP14と称する式(75)の化合物、DPP15と称する式(88)の化合物、およびDPP17と称する式(74)の化合物から選択される本発明の化合物を含む色素太陽電池(DSC)の作製
DSCを、これまでに記載したように作製した。簡潔に述べると、フッ素ドープ酸化スズ(FTO、4mm厚、10オーム/sq、日本板硝子,日本)導電性ガラス上の約30nm細孔をもたらす約20nmのアナターゼから構成されるTiO2透明電極を制御して、所望される厚さ、例えば約3.5μmを得た。4〜5μmの散乱層(400nm、CCIC、HPW−400)を透明層の上に印刷することで、散乱によって光パス長を増加させた。このTiO2電極を、4−tert−ブタノール/アセトニトリル混合物(1:1 体積/体積)中に1.25mM(DPP07、DPP13)または2.5mM(DPP14、DPP15、DPP17)の3α,7α−ジヒドロキシ−5β−コール酸(ケノデオキシコール酸)を含む本発明の色素の0.025mM溶液中に浸漬し、室温で15時間保持した。2つの電解質を適用した:EL I(15/85(体積/体積)バレロニトリルおよびアセトニトリル混合物中に0.6M ヨウ化1,3−ジメチルイミダゾリウム、0.03M I2、0.05M LiI、0.05M グアニジニウムチオシアネート、および0.25M 4−tert−ブチルピリジンを含有するヨウ素系電解質)およびEL Co(アセトニトリル中に0.22M Co(II)、0.05M Co(III)、0.1M LiClO4、および0.2M 4−tert−ブチルピリジンを含有するコバルト トリス−bpy系電解質)。対電極としては、白金化対電極および炭素質触媒FTO(TEC 15オーム/sq、ピルキントン(Pilkington))を、それぞれEL IおよびEL Co電解質系に対して用いた。Kavan,L.,Yum,J.−H.およびGratzel,M.,Nano Letters,2011,11,5501に開示されるように、炭素質タイプの触媒は、電荷移動抵抗が低いことにより、特にコバルトレドックス系において、Ptよりも良好な性能であることが一般的に知られている。色素吸着TiO2電極および対電極は、ホットメルトアイオノマー膜、Surlyn(25μm、デュポン)をギャップとする密封サンドイッチ型電池に組み立てた。
DSC特性決定
450W キセノン光源(オリエール(Oriel),米国)を用いて太陽電池の特性決定を行った。ランプのスペクトル出力は、Schott K113 Tempax 太陽光フィルター(プレツィショングラス&オプティク社(Prazisions Glas & Optik GmbH),ドイツ)の補助により、350〜750nmの範囲にマッチさせ、模擬スペクトルと実際の太陽光スペクトルとの間のミスマッチを4%未満に抑えた。これらの条件下での電池の電流−電圧特性を、電池に外部電位バイアスを印加し、発生した光電流をKeithleyモデル2400デジタルソースメーター(ケースレー(Keithley),米国)で測定することによって得た。IPCE測定については、変調光強度データ取得システム(modulated light intensity data acquisition system)を用いて、光電変換効率(IPCE)測定を制御した。変調周波数は約1Hzであった。300Wキセノンランプ(ILCテクノロジー,米国)からの光を、コンピュータで制御したGemini−180ダブルモノクロメーター(ジョバンイボン社,英国)を通して、試験下の光起電力セル上へ集光した。白色光バイアスを用いて、試験下のデバイス上の総光強度を、運転条件に近づけた。デバイスを黒色金属開口絞りでマスクして、照射活性面積を0.2cm2とした。
DPP13と称される式(77)、DPP14と称される式(75)、DPP15と称される式(88)、およびDPP17と称される式(74)の本発明の化合物の光学的および電気化学的特性を、以下の表2にまとめる。
aTHF溶液中約2×10-5M濃度での色素の吸収。b色素の基底状態酸化電位は、以下の条件下で測定した:電解質 ジメチルホルムアミド中の0.1M テトラ−n−ブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート;電極 白金対電極および参照電極を、ガラス状炭素作用電極と共に用いた。Fc+/Fcに対して測定した電位は、+0.69Vを加えることでNHEに換算した。c光学遷移エネルギー 吸収の開始から算出した。dNHEに対する励起状態酸化電位エネルギー 基底状態酸化電位(EOx)から、バンドギャップ(Eg opt)を差し引くことによって算出した。
DPP07のアンカーフェニル環を、DPP13のフラン環で置き換えることにより、電荷移動(CT)光吸収バンドの約20nmの赤色側シフトが、より高いエネルギーバンドと比較したCTバンドの強度の増加と共に得られる。加えて、図14に示されるように、より高いエネルギーバンドの深色シフトも見られる。DPP14、DPP15、およびDPP17において、強い電子供与インドリン基を用いることにより、DPP13と比較して、低エネルギー励起におけるさらなる約10nmの赤色シフトが見られた。DPP17のインドリンドナーの僅かに拡張された共役により、DPP14およびDPP15と比較して、高エネルギー吸収が可視領域へ、約15nm赤色側シフトされ、およびこの領域におけるモル吸光係数が、約65000M-1cm-1まで劇的に増加されることは言及に値する。この赤色側シフト高エネルギー吸収ピークは、全体としての集光効率を高め、光電流の増加をもたらす。重要なことには、これらのDPP増感剤はすべて、400nm光を吸収するが、450〜500nmの範囲では、比較的少ない吸収を示しており、それが観察された青色として現れている。
本発明の化合物、DPP07、DPP13、DPP14、DPP15、およびDPP17を、I3 -/-系電解質(コード EL I)およびコバルト トリス−ビピリジル複合体[Co(bpy)33+/2+系電解質(コード EL Co)の両方を用いたDSCで試験した。
[Co(bpy)33+/2+電解質を用いたデバイスは、より高い開回路電圧(Voc)および曲線因子(FF)によって著しく性能が向上されたことから、I3 -/-系電解質のデバイスの性能を上回った(表3および4)。EL Iを用いたデバイスからは、16〜17mAcm-1の短絡回路電流密度および7%を超える全体PCEが得られた(表3および4の出力特性を参照)。基準増感剤DPP07と比較したDPP13の向上された吸収特性は、光電変換効率(IPCE)に反映され、それはより高い電流に繋がり、フラニルシアノアクリル酸アンカーの有用性が確認された(図15を参照)。DPP14および15のIPCEは、400から700nmの可視光領域のほとんどにわたって60%を超え、最高値は、570nm近辺での約80%であり、最低値は、400〜500nmに存在した。DPP17は、鮮やかな青色を維持した状態で、この領域においてより良好な性能を示した。全体として、EL Iの場合の最高のPCEは、DPP14で得られた7.73%であった。DPP17は、10%を超えるPCEを達成し、続いて、DPP15(9.81%)、DPP13(8.97%)、DPP07(8.69%)、およびDPP14(8.23%)であった。光電流の向上により、Vocのロスが小さいにも関わらず、DPP07と比較して、DPP13においてより高いPCEが得られた。DPP14に最も小さいインドリン系ドナーを組み込むことにより、8.23%のPCEが得られ、これは、主として、DPP07およびDPP13と比較したVocのロスによるものであった。
DPP色素のIPCEはすべて、400から700nmの可視光領域のほとんどにわたって60%を超え、最高値は、570nm近辺での70%超であり、DPP17が、全可視光領域にわたって最良の性能を示し、最高値は、やはり570nmでの86%であった。DPP17は、発明者らの知り得る限りにおいて、最高性能の青色色素であり、青色増感剤の美的利点は、そのような強力な性能を有することで、非常により魅力的である。特に、DPP17は、僅かに約3.2μm厚の透明TiO2膜上で、9%を超えるPCEを達成しており、建材一体型光起電力用途のための青色半透明太陽電池の開発を可能とするものである。

Claims (15)

  1. 式(I)
    (式中、
    m、n、p、およびqは、独立して、0〜3の整数から選択され、
    1およびR2は、独立して、H、C1−C35アルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、C4−C35ヘテロアリールから選択される置換基であり、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択され、
    1およびR2は、独立して、H、OH、S、=O(ケト基)、C1−C35アルキル、C1−C35チオアルキル、C1−C35アルコキシ、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、C4−C35ヘテロアリールから選択される置換基であり、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択され、
    Ar1およびAr2は、互いに異なっており、ならびにAr1およびAr2は、独立して、式(1)〜(18)
    (式中、R3は、H、C1−C35アルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。)
    のいずれか1つの部分から選択される芳香族アリール基であり、
    π−スペーサー1およびπ−スペーサー2は、独立して、式(19)〜(33)
    (式中、R4は、H、C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。)
    のいずれか1つの部分から選択され、
    Aは、アンカー基「Anch」およびアクセプター基を含む置換基であり、式(78)〜(87)
    (式中、R5は、H、C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択され、Anchは、独立して、−COOH、PO32、−PO42、−P(R8)O2H、−SO32、−SO42、−CONHOH-、1,2−ヒドロキシベンゼン、1−ヒドロキシ−2−カルボキシベンゼン、アセチルアセトネート、上述の基の脱プロトン化形態、前記脱プロトン化形態の有機および/または無機塩から選択されるアンカー基であり、ここで、R8は、1〜50個の炭素およびO、N、またはSから選択される0〜25個のヘテロ原子を含む炭化水素であり、前記炭化水素は、炭素原子によってホスフィン酸基のP原子と共有結合している。)
    のいずれか1つの部分から選択され、
    Dは、式(44)〜(55)
    (式中、R6は、H、C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C60アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択され、そして、アリールは、C4−C35アリールアルキルC4−C35アリールアルコキシ、C4−C35アルケニルアリールまたはC4−C35アルケニルアリールアルコキシ基によって置換されていてもよい。)
    のいずれか1つの部分から選択されるドナー基であり、
    Ar3およびAr4は、独立して、式(56)〜(70)
    (式中、R7は、H、C1−C35アルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールから選択され、ここで、ヘテロ原子は、O、S、またはNから選択される。)
    のいずれか1つの部分から選択される芳香族アリール基であり、
    ならびに、ここで、前記C1−C35アルキル、C1−C35アルコキシ、C1−C35チオアルキル、C4−C35アリール、C1−C35アリールアルキル、またはC4−C35ヘテロアリールは、O、N、S、またはハロゲンから選択される0〜15個のヘテロ原子を含むC1−C11炭化水素によってさらに置換されていてもよいし、置換されていなくてもよい。)
    の化合物。
  2. mおよびnが0である、請求項1に記載の化合物。
  3. pおよびqが0または1である、請求項1または2に記載の化合物。
  4. pが0であり、そしてqが1である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の化合物。
  5. pが1であり、そしてqが0である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の化合物。
  6. C1−C35アルキルおよびC1−C35アリールアルキルの基のアルキル鎖が、分岐鎖状C1−C35アルキル鎖である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の化合物。
  7. Aが、式(78)、(80)、(82)、(83)、または(84)のいずれか1つの部分から選択される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の化合物。
  8. Dが、式(45)、(46)、(48)、および(54)のいずれか1つの部分から選択される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の化合物。
  9. 1およびR2が、=O(ケト基)、S、C1−C35アルコキシ、またはC1−C35チオアルキルから選択される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の化合物。
  10. Ar1およびAr2が、独立して、式(1)、(2)、(3)、(7)、および(13)のいずれか1つの部分から選択される、請求項1〜9のいずれか1項に記載の化合物。
  11. Ar1が、式(1)、(7)、または(13)の部分であり、Ar2が、式(2)または(3)の部分である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の化合物。
  12. 電気化学または光電子デバイスにおける色素またはD−π−A型増感剤としての請求項1〜11のいずれか1項に記載の化合物の使用。
  13. 色素が請求項1〜11のいずれか1項に記載の式(I)の化合物である、前記色素を含む電気化学または光電子デバイス。
  14. 前記デバイスが、電気化学デバイス、光電気化学デバイス、光電子デバイス、発光デバイス、エレクトロクロミックもしくはフォトエレクトロクロミックデバイス、電気化学センサー、バイオセンサー、電気化学ディスプレイおよび電気化学コンデンサー、または色素増感太陽電池から選択される、請求項13に記載のデバイス。
  15. 請求項14に記載のデバイスであって、前記デバイスは色素増感太陽電池であり、前記色素が、ケノデオキシコール酸(CDCA)と共吸着されている、デバイス。
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