JP6431985B2 - 新規のフォトクロミック化合物およびこれらの調製のための中間体化合物 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、向上したフォトクロミック特性を有し、分子光スイッチとして使用することができる、新規の二環式架橋［１，３］オキサゼピン誘導体に関する。

本発明は、上記新規のフォトクロミック化合物およびこれらの調製のための中間体の製造方法も開示する。

〔背景技術〕
種々の種類のフォトクロミック化合物が知られている：インドリンスピロピラン、インドリンスピロオキサジン、ベンゾ−およびナフトピラン、フルギド、ジアリールエテン、キノン、ペリミジンスピロシクロヘキサジエノン[V. Malatesta, Photodegradation of Organic Photochromes In Organic Photochromic and Thermochromic Compounds. Vol.2 Eds. J. C. Crano and R. J. Guglielmetti. Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 1991, 473 pp.]、インドロ［２，１−ｂ］［１，３］ベンゾオキサジン。スピロピランおよびスピロオキサジンの溶液をＵＶ照射に曝すことによって、Ｃ−Ｏ結合が抑制され(brakes)、着色したメロシアニンが形成されるが、これは、分子の熱運動により、または、マイクロ秒間およびミリ秒間の可視光の照射後、初期状態に戻る。公知のフォトクロミック化合物、例えば、インドリノスピロピランは、特許EP 0411884 A1, GB 1270928 A, JP 2006-249622 A, US 5155230, US 5241075等に記載されている。インドリノスピロピランと同様に、ジヒドロインドリンは、ＵＶの照射後に着色体に変換され、熱的に初期状態に戻るが、着色体の持続時間は、インドリンスピロピランと比較して長く、数百ミリ秒間、数分間、また、さらに数時間である[WO 2012/172093; R. Zemribo, J. Fotins, U. A. Holger Kubas et al., Photochromism of dihydroindolizines: part XIV. Synthesis and photophysical behavior of photochromic dihydroindolizine tripodal linkers toward anchoring sensitizers to semiconductor nanoparticles. J. Phys. Org. Chem. 2011, 24 173-184; T. B. Shrestha, J. Melin. Y. Liu, et al., New insights in the photochromic spiro-dihydroindolizine/betaine-system. Photochem. Photobiol. Sci., 2008, 7, 1449-1456]。他の公知の種類のフォトクロミック化合物であるキノンも、非常に速い消色体−着色体の変換を実証しており、これには数百マイクロ秒以内(few till hundreds of microseconds)である[N. P. Gritsan, L. S. Klimenko. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 1993, 70, 103-117]。

ペリミジンシクロヘキサジエノンは、極端に長い着色体の持続時間によって特徴づけられ、これは、メロシアニンにおける、Ｅ−Ｚと同様、Ｚ−Ｅ立体配座変化の結果、数日間に達する。比較的最近に発見されたフォトクロミック化合物である、ベンゾ−およびナフトピランは、十分な光安定性を有さない。ＵＶ照射の作用によって、ピラン環はフラン環へと変換され、最初の化合物はフォトクロミック特性を失う[C. D. Gabbutt, B. M. Heron, S. B. Kolla, et al. Ring contraction during the 6p-electrocyclisation of naphthopyran valence tautomers. Org Biomol Chem 2008;6:3096-3104; US 6410754 B1]。着色した１，３−シクロヘキサジエンフラグメントを有している化合物が形成されるとき、フルギドおよびフルギミドは、ＵＶ照射に曝されたときに起こる電子環化反応により特徴づけられる。後者は熱的に安定であり、可視光の照射後にのみ、初期状態に変換され得る。ジアリールエテンも、熱的に安定であり、同様に作用する。

いくつかの最も新規な種類のフォトクロミック化合物である、インドール［２，１−ｂ］［１，３］ベンズオキサジンは、熱的に不安定な着色体を有するが、これらは、インドリンスピロピランよりも非常に速く、これらの持続時間は、インドリンスピロピランよりも短い[US 8252209]。新規の種類のフォトクロミック化合物である、６−ニトロ−１，３，３’，４−テトラヒドロスピロ［クロメン−２，２’−インドール］は、リトアニア特許LT 6024 (WO 2014/035244)に記載され、これらは着色体の持続時間がたったの２２〜４１ｎｓである。

インドリンスピロピランが紫外線照射に曝されるとき、ピラン環の崩壊が起き、着色したメロシアニン体が生じる[V. I. Minkin, Photoswitchable molecular systems based on spiropyrans and spirooxazines, 37-80 pp. In Molecular switches / edited by B. L. Feringa and W. R. Browne. Weinheim, Wiley-VCH, 2011, Vol. 1-2; Spiropyrans. R. C. Bertelson, 11-84 pp. In Organic Photochromic and Thermochromic Compounds, Vol. 1-2, Eds. J. C. Crano, R. J. Guglielmetti, Plenum Press. New York and London, 1999, Vol.1-2.]。形成されたメロシアニンのスピロピランへの熱的変換は、ｔｒａｎｓ−ｃｉｓ再異性化段階に起因して著しく遅れ、当該段階は、着色体が初期スピロピラン体へと戻るときに起こり、これは、ミリ秒間を要する。

インドリノスピロピランからの着色体生成は比較的速いが、温度−および光化学的分解に起因して、これらは少ないサイクルしか耐えられず、空気中の酸素に対して耐性がない[V. Malatesta, Photodegradation of Organic Photochromes In Organic Photochromic and Thermochromic Compounds. Vol.2 Eds. J. C. Crano and R. J. Guglielmetti. Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 1991, 473 pp.]。それに加えて、メロシアニン体におけるスピロピランは、容易に加水分解できる[Stafforst, T., and Hilvert, D. Kinetic characterization of spiropyrans in aqueous media. Chem. Commun. 2009, 287-288]。

インドリンスピロピランの炭素骨格を有し、ピラン環の二重結合が水素化されている、新規の種類のフォトクロミック化合物、すなわち、６−ニトロ−１，３，３’，４−テトラヒドロスピロ［クロメン−２，２’−インドール］は、上述のリトアニア特許LT 6024 (WO 2014/035244)に記載されている。

このような１’，３，３’，４−テトラヒドロスピロ［クロメン−２，２’−インドール］（Ａ）に対するＵＶ放射の照射後、着色した４−ニトロフェノレートフラグメント（Ｂ）が形成されるが、これは、分子熱運動により、数十ナノ秒の間に初期状態に戻る。これは、二重結合を有さない場合、ｔｒａｎｓ−異性体からｃｉｓ−異性体への異性化が必然ではないためである。しかし、化合物Ａは、アルカリ溶媒に対して非常に反応性が高い。不斉炭素原子においてフェノレートの直接(Immediate)の置換基が生じ、４−ニトロフェノールフラグメントを有している着色化合物Ｃが形成され、水酸化物イオンが溶液中にいくらか存在する場合は、フォトクロミック効果が消える。

従って、より速く反応し、アルカリ溶液中でフォトクロミック特性を失わないフォトクロミック化合物を手に入れることが重要である。

〔図面の簡単な説明〕
本発明は、図面によって説明される：
図１は、ＮａＯＨ（１ｍｍｏｌ ＮａＯＨ）添加後の、アセトニトリル中の化合物６ａの動的スペクトルを示す。

図２は、ＮａＯＨ（１ｍｍｏｌ ＮａＯＨ）添加後の、アセトニトリル中の化合物６ｂの動的スペクトルを示す。

〔本発明の開示〕
本発明の目的は、メタノベンズ［ｆ］［１，３］オキサゼピノ［３，２−ａ］インドールにおいて、３，４−ジヒドロピラン環の開環および閉環によって作用し、公知のフォトクロムよりも開環／閉環の速度が速く、中性およびアルカリ性の両方の溶媒中で活性である新規のフォトクロミック化合物を得ることである。

この目的を達成するため、一般式（Ｉ）および（ＩＩ）の化合物が提示され、

式中、
Ｒ^１およびＲ^２は、各々独立にメチル、エチルであるか、または、スピロ環〔−（ＣＨ_２）_４−；−（ＣＨ_２）_５−〕の一部であり；
Ｒ^３は、Ｃ_１〜Ｃ_６アルキル、ω−官能化(functionalized)アルキル、ベンジル、フェニル、アリルである。

ここで、ω−官能化アルキルは、重合可能な基（ビニル、アクリレート、エポキシ）またはチオール基を有しており、種々の基質に結合することができる。

さらに具体的には、本発明は、式中、Ｒ^１およびＲ^２がメチルであり、Ｒ^３がエチルまたはベンジルである、一般式（Ｉ）または（ＩＩ）の化合物を対象とする。

本発明の好ましい目的化合物は：
（５ａＲ^＊，１２Ｒ^＊，１３Ｓ^＊）−Ｎ−エチル−６，６，８−トリメチル−２−ニトロ−１２，１３−ジヒドロ−６Ｈ−５ａ，１３−メタノインドロ［２，１−ｂ］［１，３］ベンゾオキサゼピン−１２−カルボキサミド（６ａ）；
（５ａＲ^＊，１２Ｓ^＊，１３Ｓ^＊）−Ｎ−エチル−６，６，８−トリメチル−２−ニトロ−１２，１３−ジヒドロ−６Ｈ−５ａ，１３−メタノインドロ［２，１−ｂ］［１，３］ベンゾオキサゼピン−１２−カルボキサミド（７）；
（５ａＲ^＊，１２Ｒ^＊，１３Ｓ^＊）−Ｎ−ベンジル−６，６，８−トリメチル−２−ニトロ−１２，１３−ジヒドロ−６Ｈ−５ａ，１３−メタノインドロ［２，１−ｂ］［１，３］ベンゾオキサゼピン−１２−カルボキサミド（６ｂ）である。

本発明の目的化合物は、フォトクロミック特性により特徴づけられる。これらは、フォトクロミックスイッチとして使用され得る。

本発明の他の目的は、一般式（５）の化合物であり、

式中、Ｒ^３は、エチルまたはベンジルであり、これらの化合物は、本発明のフォトクロミック化合物を得るための中間体である。

また、本発明の他の目的は、化合物（５）の合成において使用される、一般式（４）の化合物であり、

式中、Ｒ^３は、エチルまたはベンジルである。

本発明の他の目的は、化合物（４）の合成に使用される、式（３）の化合物である。

本発明の更なる目的は、式（３）の化合物の合成に使用される、式（２）の３Ｈ−インドリウム塩である。

〔本発明の詳細な説明〕
一般式（Ｉ）および（ＩＩ）の誘導体であるｃｉｓ−およびｔｒａｎｓ−メタノベンズ［ｆ］［１，３］オキサゼピノ［３，２−ａ］インドール誘導体を含む、新規の種類のフォトクロミック化合物が開発される。

これらの誘導体は、最近発表されたフォトクロミック化合物である、１’，３’，３’−トリメチル−６−ニトロ−１’，３，３’，４−テトラヒドロスピロ［クロメン−２，２’−インドール］（ＩＩＩ）および（ＩＶ）と同様に、インドール（Ａ）およびクロマン（Ｂ）複素環系から形成される、１’，３，３’，４−テトラヒドロスピロ［クロメン−２，２’−インドール］の骨格を有する。

しかし、本発明の化合物は、付加的なＣ−Ｃ結合（太線で上記に示される）を有しており、これは、ピラン環の立体配座の不安定性を抑える。

タイプＩの化合物に対する紫外線照射の作用下で、３，４−ジヒドロ［２Ｈ］ピラン環のＣ−Ｏ結合の切断が起こり、着色した４−ニトロフェノレートフラグメントを有する、着色した両性イオンＶを生じる点で、本発明の化合物の構造は特徴的であることが分かった。この部分は、たった１つの結合によって連結しており、この周りを回転することができる。一方で、公知の高速フォトクロムＡがＵＶ照射されると、両性化合物Ｂが生じるが、当該化合物において、４−ニトロフェノレート部分は、回転が可能である３つの単結合を介してインドリウム部分と連結している。構造Ｖ（１つの結合）における、１つのＣ−Ｃ結合の周囲を回転可能であることに起因する、自由度の減少は、構造Ｂ（３つの結合）と比較して、５ｎｓより速くジヒドロピラン環に戻り、化合物Ｖが初期構造Ｉに戻るという点で有利である。

上述のように、本発明は、目的化合物を得るために必要な新規の中間体を含む。

著者らの知識に基づくと、中間体（２）（３）（４）（５）は公知の合成方法によって調製されてもよいが、これらは記載しない。一般式（５）の中間体は、例えば、２−ヒドロキシ−５−ニトロベンズアルデヒドを用いて、一般式（４）の化合物を濃縮することによって得られた。一般式（４）の化合物は、ヨードエタンまたはベンジルクロリドを用いた、７−メトキシ−９，９，９ａ−トリメチル−９Ｈ−イミダゾ［１，２−ａ］インドール−２−オンのアルキル化によって調製された。式（３）の化合物は、３Ｈ−インドリウム塩の環化によって得られ、式（２）の後者の塩は、２−クロロアセトアミドによる２，３，３ａ−トリメチル−５−メトキシ−３Ｈ−インドールのアルキル化によって得られた。有機合成における当業者であれば、本発明の他の化合物の調製方法を理解できる。

本発明に提示されている化合物の溶液は、単色紫外光（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（ＥＫＳＰＬＡ ＮＬ３０）；３倍調和振動；波長３５５ｎｍ；パルス持続時間−５ｎｓ；パルスエネルギー３ｍＪ）を照射されたとき、酸素原子とキラル中心（アスタリスクで示される）とを連結している結合の異方性切断が起こり、３Ｈ−インドリウムカチオンのフラグメントと着色した４−ニトロフェノレートアニオンのフラグメントとを結合している２つの炭素原子の立体配座的に制約がある鎖を含んでいる両性化合物の形成を引き起こすことが処理によってわかった。照射のスイッチを切ると、インドール環系のα−炭素原子に対するフェノレートアニオンの酸素原子の結合の後、化合物の着色体は、初期の消色状態へと熱的に戻る。本発明の化合物である、メタノベンズ［ｆ］［１，３］オキサゼピノ［３，２−ａ］インドールは、より速い閉環／開環の合計速度によって特徴づけられ、加えて、これらは酸素環境下においても同様に作用する。ｃｉｓ−メタノベンズ［ｆ］［１，３］オキサゼピノ［３，２−ａ］インドールは、ｐＨの環境に対して、特にアルカリ溶媒に対して反応性が低く、一方で、６−ニトロ−１’，３，３’，４−テトラヒドロスピロ［クロメン−２，２’−インドール］は、塩基に対して非常に反応性が高い。本明細書に記載された化合物は、還流下でエタノール中の水酸化カリウムで処理したとき、対応するインドリノスピロピランの環化反応によって合成された。

上記メタノベンズ［ｆ］［１，３］オキサゼピノ［３，２−ａ］インドールは、以下の一般スキームによって得られる。

〔本発明を実施するための形態〕
実際の実施形態の例に関する情報を以下に提示し、本発明の化合物の調製の形態およびこれらの特性を開示する。この情報は、例示の目的のために提示され、本発明の範囲を制限しない。

＜実施例１＞
５−メトキシ−２，３，３−トリメチル−３Ｈ−インドリウムクロリド（最初の化合物）
５−メトキシ−２，３，３−トリメチル−３Ｈ−インドール１２ｇ（０．０６３ｍｏｌ）をトルエン（２０ｍｌ）に溶解し、コンデンサーをフラスコに取り付け、アセチルクロリド９ｍｌ（ρ＝１．１０４ｇ／ｍｌ、９．９４ｇ）を滴下して加えた。混合物を大気温度に冷却した後、当該混合物を５℃で１２時間保存した。形成された結晶をろ過し、アセトンおよび冷エーテルで洗浄した。６．６ｇの黄色み掛かった色の結晶のインドリウムクロリド（４６．１２％）を得た。融点２０１〜２０３℃。¹H NMR (400 MHz, DMSO-D₆): δ 1.45 (s, 6H, 2×CH₃), 2.62 (s, 3H, 2-CH₃), 3.82 (s, 3H, 5-OCH₃), 7.02 (dd, J = 8.8 Hz, J = 2.4 Hz, 1H, 6-H), 7.37 (d, J = 2.4 Hz, 1H, 4-H), 7.54 (d, J = 8.4 Hz, 1H, 7-H). ¹³C BMR (100 MHz, DMSO-D₆): δ 14.3, 22.0 (2×C), 53.8, 55.9, 109.4, 113.9, 117.2, 134.9, 145.3, 159.7, 193.0. IR (KBr), ν (cm^-1): 3134 (N-H), 3021, 2973, 1623, 1479, 1404, 1289, 1022, 797。

＜実施例２＞
１−カルバモイルメチル−５−メトキシ−２，３，３−トリメチル［３Ｈ］インドリウムクロリド（中間体化合物２）
実施例１によって得られた５−メトキシ−２，３，３−トリメチル−３Ｈ−インドリウムクロリド（６ｇ、０．０２６ｍｏｌ）を最少量の水に溶解し、炭酸ナトリウムで中和し、ジエチルエーテル（２×３０ｍｌ）で抽出した。混合した抽出物を無水硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒を回転蒸発器で除去した。得られた残渣（４．８ｇ、０．０２５ｍｏｌ）にα−クロロアセトアミド（２．６ｇ、０．０２７ｍｏｌ）を加え、コンデンサーを用いて、ｏ−キシレン（７ｍｌ）中にて混合物を１４０℃で２時間加熱した。冷却後、形成した結晶をろ過し、冷エーテルで洗浄した。エタノールからの再結晶後、５ｇの生成物を得て、６９．７％のこげ茶色の結晶を得た。融点２４０〜２４２℃であった。¹H NMR (400 MHz, DMSO-d₆): δ 1.54 (s, 6H, 2 × CH₃), 2.73 (s, 3H, CH₃), 3.85 (s, 3H, O-CH₃), 5.36 (s, 2H, CH₂CO), 7.14 (dd, J = 8.8 Hz, J = 2.4 Hz, 1H, 6-H), 7.51 (d, J = 2.4 Hz, 1H, 4-H), 7.79-7.81 (m, 2H, 7-H, 1/2 NH₂), 8.51 (pl.s, 1H, 1/2 NH₂). ¹³C BMR (100 MMHz, DMSO-D₆): δ 14.4, 22.6 (2×C), 50.1, 54.5, 56.6, 109.9, 114.9, 116.3, 135.2, 143.9, 161.1, 165.1, 196.4. IR (KBr), ν (cm^-1): 3290 (N-H), 3097, 2977, 1689 (C=O), 1298, 1030, 833。

＜実施例３＞
７−メトキシ−９，９，９ａ−トリメチル−９，９ａ−ジヒドロ−１Ｈ−イミダゾ［１，２−ａ］インドール−２（３Ｈ）−オン（中間体化合物３）
実施例２の方法によって合成された１−カルバモイルメチル−５−メトキシ−２，３，３−トリメチル−３Ｈ−インドリウムクロリド（５ｇ、０．０１８ｍｏｌ）を最少量の水に溶解し、炭酸ナトリウムで中和し、ジエチルエーテル（２×２５ｍｌ）で抽出した。エーテル抽出物を混合し、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒を回転蒸発器で除去した。得られた中和された混合物（５ｇ、０．０２ｍｍｏｌ）に、エタノール（２０ｍｌ）および氷酢酸（９．２ｍｌ）を加え、混合物を１００℃で１時間加熱した。当該混合物を冷却した後、それに水（５０ｍｌ）を注ぎ、白色結晶を形成し始めるまでＮａ_２ＣＯ_３で中和した。物質をろ過し、水で洗浄し、エタノールから再結晶させた。生成物の収量は２．５ｇ（５０％）であり、オフホワイトの結晶であった。融点２０９〜２１１℃であった。¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ1.17 (s, 3H, CH₃), 1.36 (s, 3H, CH₃), 1.50 (s, 3H, CH₃), 3.76 (s, 3H, O-CH₃), 3.77 (AB-q, J = 16.4 Hz, 2H, CH₂), 6.62 (d, J = 2.8 Hz, 1H, 4-H), 6.64 (d, J = 8.8 Hz, 1H, 7-H), 6.70 (dd, J = 8.8 Hz, J = 2.4 Hz, 1H, 6-H), 7.86 (pl. s, 1H, NH). ¹³C BMR (100 MHz, CDCl₃): δ 21.2, 22.3, 27.5, 47.0, 55.8, 55.9, 92.0, 109.1, 112.8, 113.3, 140.2, 144.3, 155.9, 174.9 (C=O). IR (KBr, cm^-1): 3333 (N-H), 3056, 2975, 1700 (C=O). MS m/z(%): 247 (M + H⁺, 100)。

＜実施例４＞
１−エチル−７−メトキシ−９，９，９ａ−トリメチル−９，９ａ−ジヒドロ−１Ｈ−イミダゾ［１，２−ａ］インドール−２（３Ｈ）−オン（中間体化合物４ａ）
実施例３に記載された方法によって合成された７−メトキシ−９，９，９ａ−トリメチル−９，９ａ−ジヒドロ−１Ｈ−イミダゾ［１，２−ａ］インドール−２（３Ｈ）−オン２．５ｇ（０．０１ｍｏｌ）をジメチルホルムアミド（２５ｍｌ）に溶解し、新たに粉末化されたＫＯＨ（０．８５ｇ）を溶液に加えた。アルカリの溶解の後、ヨードエタン（２．４５ｍｌ）を滴下して加え、３時間撹拌を続けた。混合物を水に注ぎ、エーテル（３×２０ｍｌ）で抽出した。エーテル抽出物を混合し、ＨＣｌの５％溶液で洗浄した。Ｎａ_２ＣＯ_３溶液で中和し、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒を回転蒸発器で蒸発させた。生成物の収量は２．３ｇ（８２．７％）であり、黄色み掛かった色の樹脂を含む物質であった。¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 1.04 (s, 3H, CH₃), 1.29 (t, J= 7.2 Hz, 3H, CH₂ ^"CH₃ ^"), 1.40 (s, 3H, CH₃), 1.47 (s, 3H, CH₃), 2.98-3.07 (m, 1H, 1/2 ^"CH₂ ^"CH₃), 3.63-3.72 (m, 1H, 1/2 ^"CH₂ ^"CH₃), 3.76 (s, 3H, OCH₃), 3.83 (AB-q, J = 15.2 Hz, 2H, CO-^"CH₂ ^"), 6.59 (d, J = 2.8 Hz, 1H, 4-H), 6.70-6.71 (m, 2H, Ar-H). ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): δ 14.33, 23.07, 24.11, 27.02, 29.19, 37.23, 50.06, 55.84, 92.69, 108.99, 113.01, 115.36, 142.23, 142.99, 156.05, 171.22 (C=O). IR (KBr), ν (cm^-1): 3029, 2984, 1703 (C=O), 1491, 1273, 1014, 816。

＜実施例５＞
１−ベンジル−７−メトキシ−９，９，９ａ−トリメチル−９，９ａ−ジヒドロ−１Ｈ−イミダゾ［１，２−ａ］インドール−２（３Ｈ）−オン（中間体化合物４ｂ）
実施例３に記載された方法によって合成された７−メトキシ−９，９，９ａ−トリメチル−９，９ａ−ジヒドロ−１Ｈ−イミダゾ［１，２−ａ］インドール−２（３Ｈ）−オン２．０ｇ（０．００８ｍｏｌ）をジメチルホルムアミド（１８ｍｌ）に溶解し、新たに粉末化されたＫＯＨ０．７ｇ（０．１２ｍｏｌ）を溶液に加えた。アルカリの溶解の後、ベンジルクロリドを２．８ｍｌ（０．０２４ｍｏｌ、ρ＝１．１００ｇ／ｍｌ、３．０８ｇ）滴下して加え、室温で３時間撹拌を続けた。混合物を水に注ぎ、エーテル（３×２０ｍｌ）で抽出した。混合した抽出物を５％ＨＣｌ溶液で洗浄し、Ｎａ_２ＣＯ_３溶液で中和した。溶媒を無水硫酸ナトリウムで乾燥し、回転蒸発器で蒸発させた。得られた樹脂をカラムクロマトグラフィー（溶離液：ヘキサン／アセトン ３：１）で精製した。わずかにオレンジ色の結晶としての生成物の収量は１．４ｇ（５１．８％）であり、融点１２２〜１２３℃であった。¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 1.01 (s, 3H, 9a-CH₃, 1.25 (s, 3H, 9-CH₃), 1.37 (s, 3H, 9-CH₃), 3.73 (AB-d, J = 15.2 Hz, 1H, 1/2 CH₂CO), 3.73 (s, 3H, 7-OCH₃), 4.14 (dd, J = 15.5 Hz, J = 5.8 Hz, 2H, CH₂-Ph), 4.95 (AB-d, J = 15.6 Hz, 1H, 1/2 CH₂CO), 6.55 (d, J = 2.5 Hz, 1H, 8-H), 6.69 (dd, J = 8.4 Hz, J = 2.5 Hz, 1H, 6-H), 6.74 (d, J = 8.4 Hz, 1H, 5-H), 7.21-7.28 (m, 5H, Ar-H). ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): δ 23.3, 23.9, 28.7, 45.4, 50.1, 55.7, 55.8, 93.1, 108.9, 113.0, 115.6, 127.5, 127.6 (2×C), 128.7 (2×C), 137.7, 142.1, 143.2, 156.2, 172.1 (C=O). IR(KBr), ν (cm^-1): 3023, 2969, 1706 (C=O), 1493, 1278, 1027, 730。

＜実施例６＞
Ｎ−エチル−２−（５’−メトキシ−３’，３’−ジメチル−６−ニトロスピロ［クロメン−２，２’−インドロ］−１’（３’Ｈ）−イル）アセトアミド（中間体化合物５ａ）
実施例４に記載された方法によって合成された１−エチル−７−メトキシ−９，９，９ａ−トリメチル−９，９ａ−ジヒドロ−１Ｈ−イミダゾ［１，２−ａ］インドール−２（３Ｈ）−オン２．５ｇ（０．００９ｍｏｌ）および２−ヒドロキシ−５−ニトロベンズアルデヒド１．５２ｇ（０．００９ｍｏｌ）を氷酢酸（２０ｍｌ）に加え、１００℃で３時間加熱した。反応終了後、混合物を５％酢酸ナトリウム溶液（２５０ｍｌ）に注ぎ、酢酸エチル（２×３０ｍｌ）で抽出した。混合した抽出物を無水硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒を回転蒸発器で除去した。得られた樹脂をカラムクロマトグラフィー（溶離液：ヘキサン／アセトン ３：１）で精製した。紫色アモルファス物質としての生成物の収量は１．３ｇ（３３．８％）であり、融点９５〜９６℃であった。¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 1.09 (t, J = 7.2 Hz, 3H, CH₂ ^"CH₃ ^"), 1.26 (s, 3H, 3'-CH₃), 1.3 (s, 3H, 3'-CH₃), 3.25-3.34 (m, 2H, ^"CH₂ ^"CH₃), 3.59 (AB-d, J = 17.6 Hz, 1H, 1/2 ^"CH₂ ^"CO), 3.80 (s, 3H, 5'-OCH₃), 3.87 (AB-d, J = 17.6 Hz, 1H, 1/2 ^"CH₂ ^"CO), 5.83 (d, J = 10.4 Hz, 1H, ^"CH^"=CH), 6.43 (d, J = 8.4 Hz, 1H, 7'-H), 6.49 (t, J = 5.2 Hz, 1H, NH), 6.72 (dd, J = 8.4 Hz, J = 2.8 Hz, 1H, 6'-H), 6.75-6.78 (m, 2H, 4-H, 4'-H), 6.94 (d, J = 10.4 Hz, 1H, CH=^"CH^"), 8.00 (d, J = 2.8 Hz, 1H, 7-H), 8.03 (dd, J = 8.8 Hz, J = 2.8 Hz, 1H, 5-H). ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): δ 15.0, 20.1, 26.1, 27.0, 34.3, 48.8, 52.9, 56.0, 106.6 (スピロ-C), 108.3, 110.0, 111.7, 115.6, 118.3, 120.4, 123.1, 126.3, 129.4, 137.8, 140.0, 141.5, 155.4, 158.8, 169.3 (C=O). IR (KBr), ν (cm^-1): 3403 (N-H), 3065, 2966, 1666 (C=O), 1520, 1481, 1337, 1273, 1089, 951。

＜実施例７＞
Ｎ−ベンジル−２−（５’−メトキシ−３’，３’−ジメチル−６−ニトロスピロ［クロメン−２，２’−インドロ］−１’（３’Ｈ）−イル）アセトアミド（中間体化合物５ｂ）
実施例５に記載された方法によって合成された１−ベンジル−７−メトキシ−９，９，９ａ−トリメチル−９，９ａ−ジヒドロ−１Ｈ−イミダゾ［１，２−ａ］インドール−２（３Ｈ）−オン１．０ｇ（０．００３ｍｏｌ）および２−ヒドロキシ−５−ニトロベンズアルデヒド（０．５ｇ、０．００３ｍｏｌ）を氷酢酸（１０ｍｌ）に加え、１００℃で３時間加熱した。反応終了後、混合物を５％酢酸ナトリウム溶液（１００ｍｌ）に注ぎ、酢酸エチル（２×３０ｍｌ）で抽出した。混合した抽出物を無水硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒を回転蒸発器で除去した。得られた樹脂をカラムクロマトグラフィー（溶離液：ヘキサン／アセトン ３：１）で精製した。紫色アモルファス物質としての生成物の収量は０．４１ｇ（２８．７％）であり、融点８４〜８５℃であった。¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 1.18 (s, 3H, 3'-CH₃), 1.27 (s, 3H, 3'-CH₃), 3.71 (AB-d, J = 17.6 Hz, 1H, 1/2 ^"CH₂ ^"CO), 3.80 (s, 3H, 5'-OCH₃), 3.91 (AB-d, J = 17.6 Hz, 1H, 1/2 ^"CH₂ ^"CO), 4.45 (d, J = 5.6 Hz, 2H, CH₂-Ph), 5.76 (d, J = 10.2 Hz, 1H, ^"CH^"=CH), 6.45 (d, J = 8.0 Hz, 1H, 4-H), 6.60 (d, J = 8.4 Hz, 1H, 6'-H), 6.71 (dd, J = 8.4 Hz, J = 2.4 Hz, 1H, 7'-H), 6.74 (d, J = 2.4 Hz, 1H, 4'-H), 6.83 (t, J = 5.8 Hz, 1H, NH), 6.92 (d, J = 10.2 Hz, 1H, CH=^"CH^"), 7.14-7.17 (m, 2H, Ar-H), 7.27-7.29 (m, 3H, Ar-H), 7.96-7.80 (m, 2H, 5-H, 7-H). ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): δ 20.14, 26.10, 43.43, 48.75, 52.97, 56.06, 106.65 (スピロ-C), 108.23, 110.06, 111.79, 115.61, 118.29, 120.51, 123.03, 126.31, 127.57 (2×C), 127.72, 128.87 (2×C), 129.41, 137.66, 138.0, 139.84, 141.58, 155.38, 158.66, 169.49 (C=O). IR(KBr), ν (cm^-1): 3395 (N-H), 3030, 2930, 1671 (C=O), 1519, 1494, 1481, 1337, 1272, 1089, 951。

＜実施例８＞
（５ａＲ^＊，１２Ｓ^＊，１３Ｓ^＊）−および（５ａＲ^＊，１２Ｒ^＊，１３Ｓ^＊）−Ｎ−エチル−８−メトキシ−６，６−ジメチル−２−ニトロ−１２，１３−ジヒドロ−６Ｈ−５ａ，１３−メタノインドロ［２，１−ｂ］［１，３］ベンゾオキサゼピノ−１２−カルボキサミド（目的化合物６ａ，７）
実施例６に記載された方法によって合成されたスピロ化合物５ａ（１ｇ、０．００２ｍｏｌ）をエタノール（３０ｍｌ）に溶解し、細かく粉末化された水酸化カリウム（０．３４ｇ、０．００６ｍｏｌ）を加え、混合物を２時間還流した。反応終了後、溶媒のほとんどを回転蒸発器で除去し、溶液が濁るまで、残渣に水を滴下して加えた。混合物を５℃で１０時間静置した。形成された結晶をろ過し、少量の冷エーテルで洗浄し、エタノールから再結晶させた。酢酸エチル（２×３０ｍｌ）でろ過物を抽出し、混合した抽出物を無水硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒を回転蒸発器で除去した。残渣をカラムクロマトグラフィー（溶離液：ヘキサン／アセトン ５：１）で精製した。得られた生成物をエタノールから再結晶した。

ｃｉｓ−異性体（６ａ）
収量１０．４％、黄色結晶、融点２４１〜２４２℃。¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ0.61 (t, J = 7.2 Hz, 3H, CH₂ ^"CH₃ ^"), 1.48 (s, 3H, 6-CH₃), 1.50 (s, 3H, 6-CH₃), 2.16 (d, J = 11.6 Hz, 1H, 14-H_a), 2.20 (dd, J = 11.6 Hz, J = 3.6 Hz, 1H, 14-H_b), 2.81-2.91 (m, 1H, 1/2 ^"CH₂ ^"CH₃), 3.12-3.23 (m, 1H, 1/2 ^"CH₂ ^"CH₃), 3.78 (s, 3H, 8-OCH₃), 3.80 (t, J = 3.6 Hz, 13-H), 3.88 (d, J = 4.8 Hz, 1H, 12-H), 6.43 (d, J = 9.2 Hz, 1H, Ar-H), 6.66-6.69 (m, 2H, Ar-H), 6.89-6.92 (m, 2H, Ar-H, NH), 7.98 (d, J = 2.8 Hz, 1H, 1-H), 8.07 (dd, J = 9.2 Hz, J = 2.8 Hz, 1H, 3-H). ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): δ 14.7, 23.11, 26.6, 32.9, 33.7, 42.4, 45.5, 56.0, 78.2, 109.6, 111.1, 111.5, 113.1, 116.3, 124.7, 125.1, 125.9, 139.8, 141.4, 142.4, 156.0, 158.4, 169.5 (C=O). IR (KBr), ν (cm^-1): 3288 (N-H), 3071, 2982, 1652 (C=O), 1513, 1344, 1269, 1090, 816。

ｔｒａｎｓ−異性体（７）
収量２．５％、黄色み掛かった色の結晶、融点１８４〜１８５℃。¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 1.09 (t, J = 7.2 Hz, 3H, CH₂ ^"CH₃ ^"), 1.37 (s, 3H, 6-CH₃), 1.60 (s, 3H, 6-CH₃), 2.05 (d, J = 11.6 Hz, 1H, 14-H_a), 2.69 (dd, J = 11.6 Hz, J = 4.0 Hz, 1H, 14-H_b), 3.24-3.35 (m, 2H, ^"CH₂ ^"CH₃), 3.75 (s, 3H, 8-OCH₃), 3.77 (d, J = 4.0 Hz, 1H, 13-H), 4.31 (s, 1H, 12-H), 5.97 (t, J = 5.2 Hz, 1H, NH), 6.25 (d, J = 8.4 Hz, 1H, 10-H), 6.59 (dd, J = 8.4 Hz, J = 2.4 Hz, 1H, 9-H), 6.75 (d, J = 2.4 Hz, 1H, 7-H), 6.79 (d, J = 9.2 Hz, 1H, 4-H), 8.03 (dd, J = 8.8 Hz, J = 2.8 Hz, 1H, 3-H), 8.16 (d, J = 2.8 Hz, 1H, 1-H). IR (KBr), ν (cm^-1): 3298 (N-H), 3082, 2970, 1650 (C=O), 1510, 1496, 1338, 1268, 1086, 917。

＜実施例９＞
（５ａＲ^＊，１２Ｓ^＊，１３Ｓ^＊）−Ｎ−ベンジル−８−メトキシ−６，６−ジメチル−２−ニトロ−１２，１３−ジヒドロ−６Ｈ−５ａ，１３−メタノインドロ［２，１−ｂ］［１，３］ベンゾオキサゼピノ−１２−カルボキサミド（目的化合物６ｂ）
実施例７に記載された方法によって合成されたスピロ化合物５ｂ ０．３８５ｇ（０．８ｍｍｏｌ）をエタノール（１０ｍｌ）に溶解し、細かく粉末化された水酸化カリウム（０．１３ｇ、２．４ｍｍｏｌ）を加え、混合物を２時間還流した。反応終了後、溶媒のほとんどを回転蒸発器で除去し、溶液が濁るまで、残渣に水を滴下して加えた。混合物を５℃で１０時間静置した。形成された結晶をろ過し、少量の冷エーテルで洗浄し、エタノールから再結晶させた。黄色結晶の収量は２３．４％であり、融点２１８〜２１９℃であった。¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 1.46 (s, 6H, 2×6-CH₃), 2.13 (d, J = 11.6 Hz, 1H, 14-H_a), 2.21 (dd, J = 11.6 Hz, J = 4.0 Hz, 1H, 14-H_b), 3.78 (s, 3H, 8-OCH₃), 3.82 (t, J = 4.0 Hz, 1H, 13-H), 3.93-3.97 (m, 2H, 1/2 CH₂-Ph, 12-H), 4.51 (dd, J = 14.8 Hz, J= 8.0 Hz, 1H, 1/2 CH₂-Ph), 6.46 (d, J = 9.2 Hz, 1H, 4-H), 6.68-6.70 (m, 2H, Ar-H), 6.73-6.75 (m, 2H, Ar-H), 6.79 (d, J = 8.8 Hz, 1H, Ar-H), 7.10-7.16 (m, 3H, Ar-H), 7.28-7.31 (m, 1H, NH), 7.93 (d, J = 2.8 Hz, 1H, 1-H), 7.97 (dd, J = 9.2 Hz, J = 2.8 Hz, 1H, 3-H). ¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): δ 23.0, 26.6, 33.0, 42.1, 42.8, 45.4, 55.9, 78.3, 109.6, 111.1, 111.3, 113.0, 116.3, 124.6, 125.3, 125.5, 127.4 (2×C), 127.5, 128.5 (2×C), 137.7, 139.8, 141.3, 142.4, 156.0, 158.2, 169.5 (C=O). IR (KBr), ν (cm^-1): 3377 (N-H), 3029, 2975, 1676 (C=O), 1517, 1496, 1340, 1262, 1086, 909。

アセトニトリル（１０^−５Ｍ／Ｌ）中の溶液から目的化合物６ａ，６ｂおよび７のフォトクロミック特性を決定した。定常状態ＵＶ−Ｖｉｓ吸収スペクトルを走査型分光計（Shimadzu UV-3101PC）で記録した。Ｎｄ：ＹＡＧレーザー ３倍調和振動照射（ＥＫＳＰＬＡ ＮＬ３０、１インパルスあたりパルスエネルギー３ｍＪ、λ＝３５５ｎｍ、パルス持続時間５ｎｓ）を用いて、フラッシュ光分解実験を実施した。パルスの数は、パルスを数えることで決定し、開環型の最大光吸収スペクトルは、初期吸収極大の０．８に達した。励起の波長を光学的に調整したベンゾフェノン（３５５ｎｍにおいて０．５ＯＤ）のＭｅＣＮ溶液を、量子収量を測定するために使用した。開環体へのフォトクロミック遷移の量子収量を、エネルギー特性（吸光度シグナル対励起パルスエネルギーの差の増加）およびモル減衰係数によって、コントロール溶液と比較して評価した。

測定の結果を表に示す。

表に提示されたフォトクロミック特性に関するデータは、本発明の化合物が分子光スイッチとして使用でき、ここで、ＵＶ照射下において３，４−ジヒドロ−２Ｈ−ピラン環の開環が起きるとともに着色体の化合物が生じ、続いて最初の消色体への熱的リターンが生じる。着色体の形成および消色体へのリターンの総所要時間は、５ｎｓ未満である。プロセスは複数回繰り返すことができる。本発明の化合物は、５０００サイクル以上作用している間、著しく分解することがない、高い光安定性により特徴づけられる。

本発明の化合物は、上述の化合物Ａよりも、アルカリ溶媒に対して反応性が低い。類似物質Ａのアセトニトリル溶液に、水酸化ナトリウム溶液を滴下する場合、水酸化物イオンはα−Ｃ炭素原子を即座に攻撃し、３，４−ジヒドロピラン環は開環し、着色したニトロフェノレートを形成するであろう。

一方、図１に提示されたスペクトルは、水酸化ナトリウムによる化合物６ａの処理後、３，４−ジヒドロピランサイクルが安定したままであり、着色した４−ニトロフェノレートアニオンが形成しないことを示す。化合物６ｂ（図２）は、アルカリ溶媒に対して反応性がより高いが、化合物Ａほどは反応性が高くない。化合物６ｂの動的ＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを図２に提示する。

まとめると、本発明は、公知の技術分野と比較して、以下の主要な利点を有している。

１．本発明のｃｉｓ−およびｔｒａｎｓ−メタノベンズ［ｆ］［１，３］オキサゼピノ［３，２−ａ］インドールの、着色体形成ならびに初期の消色状態へのリターンの総所要時間は、インドリノスピロピランまたは１’，３，３’，４−テトラヒドロスピロ［クロメン−２，２’−インドール］よりも著しく短い。

２．ｃｉｓ−メタノベンズ［ｆ］［１，３］オキサゼピノ［３，２−ａ］インドールは、溶媒の変化に対する特有の耐性により特徴づけられ、ＵＶ照射の作用によってのみ、着色体が生じる。アルカリは、［１，３］ベンズオキサジン環を容易には開環せず、着色した４−ニトロフェノールフラグメントを生成しない。

３．本発明の化合物は、１’，３，３’，４−テトラヒドロスピロ［クロメン−２，２’−インドール］よりも光崩壊に対する高い耐性により特徴づけられ、５０００以上の開環−閉環サイクルに耐える。

４．これらの化合物は空気中の酸素に対して反応性が低く、酸素が除去されていない環境でも使用され得る。

ＮａＯＨ（１ｍｍｏｌ ＮａＯＨ）添加後の、アセトニトリル中の化合物６ａの動的スペクトルを示す。 ＮａＯＨ（１ｍｍｏｌ ＮａＯＨ）添加後の、アセトニトリル中の化合物６ｂの動的スペクトルを示す。

Claims (11)

1. 一般式（Ｉ）または（ＩＩ）の化合物。
   

   

   （式中、
   Ｒ^１およびＲ^２は、各々独立にＣ_１〜Ｃ_３アルキルであり；
   Ｒ^３は、Ｃ_１〜Ｃ_６アルキル、ベンジル、フェニル、アリルである。）
2. Ｒ^１がメチルであり、Ｒ^２がメチルであり、Ｒ^３がエチルまたはベンジルである、請求項１に記載の一般式（Ｉ）または（ＩＩ）の化合物。
3. （５ａＲ^＊，１２Ｒ^＊，１３Ｓ^＊）−Ｎ−エチル−８−メトキシ−６，６−ジメチル−２−ニトロ−１２，１３−ジヒドロ−６Ｈ−５ａ，１３−メタノインドロ［２，１−ｂ］［１，３］ベンゾオキサゼピノ−１２−カルボキサミド（６ａ）である、請求項１または２に記載の化合物。
4. （５ａＲ^＊，１２Ｓ^＊，１３Ｓ^＊）−Ｎ−エチル−８−メトキシ−６，６−ジメチル−２−ニトロ−１２，１３−ジヒドロ−６Ｈ−５ａ，１３−メタノインドロ［２，１−ｂ］［１，３］ベンゾオキサゼピノ−１２−カルボキサミド（７）である、請求項１または２に記載の化合物。
5. （５ａＲ^＊，１２Ｓ^＊，１３Ｓ^＊）−（Ｎ−ベンジル−８−メトキシ−６，６−ジメチル−２−ニトロ−１２，１３−ジヒドロ−６Ｈ−５ａ，１３−メタノインドロ［２，１−ｂ］［１，３］ベンゾオキサゼピノ−１２−カルボキサミド（６ｂ）である、請求項１または２に記載の化合物。
6. ５ｎｓ未満の特性緩和時間のフォトクロミック特性を示す、請求項１〜５のいずれか１項に記載の化合物。
7. 分子光スイッチとしての、請求項１〜６のいずれか１項に記載の化合物の使用。
8. 一般式（５）の化合物。
   

   

   （式中、Ｒ^３は、エチルまたはベンジルである。）
9. 一般式（４）の化合物。
   

   

   （式中、Ｒ^３はエチルまたはベンジルである。）
10. 式（３）の７−メトキシ−９，９，９ａ−トリメチル−９，９ａ−ジヒドロ−１Ｈ−イミダゾ［１，２−ａ］インドール−２（３Ｈ）−オン。
    

    
11. 式（２）の１−カルバモイルメチル−５−メトキシ−２，３，３−トリメチル［３Ｈ］インドリウムクロリド。
    

    

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