JP7136466B2 - ジアリールエテン化合物、フォトクロミック材料、及び紫外線センサー - Google Patents
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Description
項1. 下記一般式(1)で表される、ジアリールエテン化合物。
環Aは、複素環式構造を示しており、
X1及びX2は、それぞれ独立に、SまたはSO2であり、かつ、X1及びX2のうち少なくとも一方がSO2であり、
Y1及びY2は、それぞれ独立に、CまたはNであり、
R1及びR2は、それぞれ独立に、アルキル基またはアリール基であり、
R3は、Y1がCである場合には、水素原子、アリール基、アルキル基、アルコキシ基、またはシアノ基、あるいはR4と互いに結合して環構造を形成しており、Y1がNである場合には、電子対であり、
R5は、Y2がCである場合には、水素原子、アリール基、アルキル基、アルコキシ基、またはシアノ基、あるいはR6と互いに結合して環構造を形成しており、Y2がNである場合には、電子対であり、
R4は、水素原子、アリール基、アルキル基、アルコキシ基、またはシアノ基、あるいはR3と互いに結合して環構造を形成しており、
R6は、水素原子、アリール基、アルキル基、アルコキシ基、またはシアノ基、あるいはR5と互いに結合して環構造を形成している。]
項2. 前記環Aが、酸素原子、硫黄原子、または窒素原子を含む、項1に記載のジアリールエテン化合物。
項3. 前記環Aが、ベンゾフラン骨格、インドール骨格、ベンゾチオフェン骨格、またはジオキシドベンゾチオフェン骨格である、項1または2に記載のジアリールエテン化合物。
項4. 下記一般式(1A)で表される、項1~3のいずれかに記載のジアリールエテン化合物。
Zは、O、S、SO2、またはNRであり、Rは、水素原子、アルキル基、またはアリール基であり、
R1A、R2A、R3A、及びR4Aは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシ基、スルホ基、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基、またはアリール基であり、
X1、X2、Y1、Y2、R1、R2、R3、R4、R5、及びR6は、それぞれ、一般式(1)と同じである。]
項5. 下記一般式(1B)で表される、項1~4のいずれかに記載のジアリールエテン化合物。
項6. 下記一般式(1C)で表される、項1~4のいずれかに記載のジアリールエテン化合物。
[式(1C)中、X1、X2、R1、R2、及びR3は、それぞれ、一般式(1)と同じであり、Rn4aは、ベンゼン環に結合したn個の置換基であり、nは、1~5の整数である。]
項7. 下記式(11)~(20)で表される、ジアリールエテン化合物。
項9. 項8に記載のフォトクロミック材料を含む、紫外線センサー。
項10. 紫外線による物品の殺菌効果を把握するために用いられる、項9に記載の紫外線センサー。
核磁気共鳴スペクトル装置(ブルカーバイオスピン株式会社(Bruker BioSpin K.K.)製、型式:AV-300N)を用いて、中間化合物及びジアリールエテン化合物を同定した。溶媒として重クロロホルム(CDCl3)、基準物質としてテトラメチルシラン(TMS)を用いた。
質量分析装置(Bruker社製、型式:FT-ICR/solariX)を用いて、中間化合物及びジアリールエテン化合物を同定した。マトリックス支援レーザー脱離イオン化法(MALDI)によりイオン化させて高分解能で測定した。
下記の方法により、式(11)及び(12)で表される化合物を合成した。まず、ベンゾフラン 1.1 g (9.5 mmol)をクロロホルム 8 mLに溶解させ、酢酸ナトリウム 0.20 g (2.4 mmol)を加えた。臭素 1.0 mL (20 mmol)をクロロホルム 2 mLに溶解させ、ゆっくりと滴下した。その後、50℃で6時間撹拌した。飽和炭酸水素ナトリウム水溶液で中和し、ジクロロメタンで抽出した。チオ硫酸ナトリウム水溶液で処理し、飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させた。溶媒を留去し、ヘキサンを展開溶媒としたカラムクロマトグラフィーで精製し、2,3-ジブロモベンゾフランを得た。収量 0.73 g、収率 28%。1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 7.3-7.4 (m, 2H), 7.4-7.5 (m, 2H).
式(11): 1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 2.03 (s, 3H), 2.55 (s, 3H), 6.99 (s, 1H), 7.2-7.7 (m, 15H).
式(12): 1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 2.32 (s, 3H), 2.43 (s, 3H), 6.96 (s, 1H), 7.2-7.8 (m, 15H).
下記の方法により、式(13)及び(14)で表される化合物を合成した。まず、アルゴン雰囲気下にした四つ口フラスコに、3-ブロモ-2-エチル-5-フェニルチオフェン 1.0 g(3.6 mmol)を入れ、無水テトラヒドロフラン 20 mLに溶解させた。-78℃に冷却し、1.6 M n-BuLiヘキサン溶液 3.0 mL (4.8 mmol)をゆっくりと滴下した。2時間撹拌した後、ホウ酸トリブチル 1.6 mL (5.9 mmol)をゆっくりと滴下し2時間撹拌した。室温に戻し、水でクエンチし、2,3-ジブロモベンゾフラン 420 mg (1.5 mmol)、20 wt% Na2CO3水溶液 4 mL、Pd(PPh3)4 90 mgを加え10時間還流した。希塩酸で中和し、ジエチルエーテルで抽出し、飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させた。溶媒を留去し、カラムクロマトグラフィー(ヘキサン:ジクロロメタン=9:1)で精製し、さらにHPLC(ヘキサン:酢酸エチル=99:1)で精製し、2,3-ビス(2-エチル-5-フェニル-3-チエニル)ベンゾフランを得た。収量 293 mg、収率 32%。1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 1.10 (t, J = 7.5 Hz, 3H), 1.26 (t, J = 7.5 Hz, 3H), 2.58 (q, J = 7.5 Hz, 2H), 2.94 (q, J = 7.5 Hz, 2H),
7.20 (s, 1H), 7.2-7.7 (m, 15H). HRMS (MALDI) m/z = 490.1419 (M+), Calcd. for C32H26OS2 + = 490.1420.
式(13): 1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 1.16 (t, J = 7.6 Hz, 3H), 1.36 (t, J = 7.5 Hz, 3H), 2.57 (q, J = 7.6 Hz, 2H), 3.03 (q, J = 7.5 Hz, 2H), 6.90 (s, 1H), 7.2-7.8 (m, 15H). HRMS (MALDI) m/z = 522.1317 (M+), Calcd. for C32H26O3S2 + = 522.1318.
式(14)1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 1.22 (t, J = 7.5 Hz, 3H), 1.45 (t, J= 7.5 Hz, 3H), 2.69 (q, J = 7.5 Hz, 2H), 3.04 (q, J = 7.5 Hz, 2H), 6.83 (s, 1H), 7.2-7.7 (m, 15H). HRMS (MALDI) m/z = 522.1317 (M+), Calcd. for C32H26O3S2 + = 522.1318.
下記の方法により、式(15)及び(16)で表される化合物を合成した。まず、アルゴン雰囲気下にした四つ口フラスコに、3-ブロモ-2-イソプロピル-5-フェニルチオフェン 900 mg (3.2 mmol)を入れ、無水テトラヒドロフラン 20 mLに溶解させた。-78℃に冷却し、1.6 M n-BuLiヘキサン溶液 2.8 mL (4.5 mmol)をゆっくりと滴下した。2時間撹拌した後、ホウ酸トリブチル 1.5 mL (5.6 mmol)をゆっくりと滴下し2時間撹拌した。室温に戻し、水でクエンチし、2,3-ジブロモベンゾフラン 390 mg (1.4 mmol)、20 wt% Na2CO3水溶液 4 mL、Pd(PPh3)4 80 mgを加え10時間還流した。希塩酸で中和し、ジエチルエーテルで抽出し、飽和食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥させた。溶媒を留去し、カラムクロマトグラフィー(ヘキサン:ジクロロメタン=8:2)で精製し(Rf = 0.55)、さらにHPLC(ヘキサン:酢酸エチル=98:2)で精製し、2,3-ビス(2-イソプロピル-5-フェニル-3-チエニル)ベンゾフランを得た。収量 125 mg、収率 17%。1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 1.1 (br, 6H), 1.26 (d, J = 6.8 Hz, 6H), 3.06 (sep, J = 6.8 Hz, 1H), 3.67 (sep,J = 6.8 Hz, 1H), 7.10 (s, 1H), 7.21 (s, 1H), 7.2-7.7 (m, 14H). HRMS (MALDI) m/z = 518.1732 (M+), Calcd. for C34H30OS2 + = 518.1733.
式(15): 1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 1.30 (d, J = 7.0 Hz, 6H), 1.38 (d, J = 6.8 Hz, 6H), 3.09 (sep, J = 7.0 Hz, 1H), 3.74 (sep, J = 6.8 Hz, 1H), 6.79 (s, 1H), 7.2-7.8 (m, 15H). HRMS (MALDI) m/z = 550.1630 (M+), Calcd. for C34H30O3S2 + = 550.1631.
式(16):1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 1.23 (d, J = 6.8 Hz, 6H), 1.55 (d,J = 7.0 Hz, 6H), 3.09 (sep, J = 6.8 Hz, 1H), 3.85 (sep, J = 7.0 Hz, 1H), 6.74 (s, 1H), 7.2-7.7 (m, 15H). HRMS (MALDI) m/z = 550.1630 (M+), Calcd. for C34H30O3S2 + = 550.1631.
化合物(11)~(16)及び比較例1の化合物について、それぞれ、ヘキサン中に溶解させ(濃度: 10-5 mol/L程度)、ヘキサン中での紫外可視吸収スペクトルを測定し、開環体の最大吸収波長およびモル吸光係数を決定した。なお、式(11)の化合物及び式(12)の化合物については、58:42の混合物のままで紫外可視吸収スペクトルを測定した。
化合物(11)~(16)及び比較例1の化合物のヘキサン溶液(1.2×10-5 mol/L)の入った石英セルに、200 W水銀キセノン光源からカットフィルターおよびモノクロメーターで取り出した365 nmの光を照射し、紫外可視吸収スペクトルの可視域の吸収極大波長の吸光度を色強度として求めた。紫外線照射時間と吸光度との関係を図1のグラフに示す。図1に示されるグラフから明らかなとおり、比較例1の化合物は、紫外線照射によって素早く着色することが分かる。一方、化合物(11)、(12)の混合物、化合物(13)、化合物(14)、化合物(15)、化合物(16)は、それぞれ、紫外線照射時間の経過と共に徐々に着色していることが分かる。紫外線照射時間は、紫外線強度の積算と考えることができるため、化合物(11)~(16)は、紫外線照射量に応じてゆっくりと着色することが分かる。例えば、化合物(16)では、比較例1の化合物に比して、約50倍強い紫外線が照射された場合にも、色強度が飽和せずに、紫外線の照射を感知できることが分かる。
下記の方法により、式(17)で表される化合物を合成した。まず、3-ブロモ-2-メチル-5-フェニルチオフェン 0.40 g (1.6 mmol)と無水テトラヒドロフラン 30 mLを四つ口フラスコに入れ、-78℃に冷却した。1.6 M n-BuLiヘキサン溶液 1.2 mL (1.9 mmol) をゆっくりと滴下し、1時間攪拌した。ホウ酸トリブチル 0.70 mL (2.6 mmol) を加えて、2時間攪拌した後、室温まで昇温し、水でクエンチした。20 wt% 炭酸ナトリウム水溶液 2 mL、2,3-ジブロモベンゾチオフェン 0.46 g (1.6 mmol)、Pd(PPh3)4 100 mgを加えて5時間還流した。希塩酸で中和し、ジエチルエーテルで抽出した。有機層は硫酸マグネシウムで乾燥させた。溶媒を留去し、カラムクロマトグラフィー(ヘキサン100%)で精製し、 3-ブロモ-2-(2-メチル-5-フェニル-3-チエニル)ベンゾチオフェンを得た。収量 412 mg, 収率 68%。1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 2.52 (s, 3H), 7.2-7.5 (m, 6H), 7.5-7.6 (m, 2H), 7.8-7.9 (m, 2H).
下記の方法により、式(18)で表される化合物を合成した。まず、3-ブロモ-2-エチル-5-フェニルチオフェン 0.60 g (2.2 mmol)と無水テトラヒドロフラン 30 mLを四つ口フラスコに入れ、-78℃に冷却した。1.6 M n-BuLiヘキサン溶液 1.7 mL (2.7 mmol)をゆっくりと滴下し、1時間攪拌した。ホウ酸トリブチル 0.80 mL (3.0 mmol)を加えて、1.5時間攪拌した後、室温まで昇温し、水でクエンチした。20 wt% 炭酸ナトリウム水溶液 3 mL、2,3-ジブロモベンゾチオフェン 647 mg (2.2 mmol)、Pd(PPh3)4 100 mgを加えて5.5時間還流した。希塩酸で中和し、ジエチルエーテルで抽出した。硫酸マグネシウムで乾燥させ、溶媒を留去し、カラムクロマトグラフィー(ヘキサン100%)で精製し、3-ブロモ-2-(2-エチル-5-フェニル-3-チエニル)ベンゾチオフェンを得た。収量 654 mg、収率 74%。 1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 1.31 (t, J = 7.5 Hz, 3H), 2.90 (q, J = 7.5 Hz, 2H), 7.2-7.5 (m, 6H), 7.5-7.6 (m, 2H), 7.8-7.9 (m, 2H).
下記の方法により、式(19)で表される化合物を合成した。まず、3-ブロモ-5-(4-メトキシフェニル)-2-メチルチオフェン 850 mg (3.0 mmol)と無水テトラヒドロフラン (THF) 40 mLを三つ口フラスコに入れ、-78℃に冷却した。1.6 M n-BuLiヘキサン溶液 2.4 mL (3.8 mmol)をゆっくりと滴下し、1時間攪拌した。ホウ酸トリブチル 1.3 mL (4.8 mmol)を加えて1時間攪拌した後、室温まで昇温し、水でクエンチした。THFを留去し、希塩酸で酸性にしてジエチルエーテルで抽出した。有機層を水酸化ナトリウム水溶液で塩基性にした後、再度水で抽出した。そして、水層に濃塩酸を加えると沈殿が得られた。沈殿物をろ過して集め、5-(4-メトキシフェニル)-2-メチル-3-チエニルボロン酸を得た。収量 720 mg、収率 96%。そのまま、次の反応に使用した。
下記の方法により、式(20)で表される化合物を合成した。まず、3,5-ジブロモ-2-エチルチオフェン 1.55 g (5.7 mmol)と無水テトラヒドロフラン 40 mLを四つ口フラスコに入れ、-78℃に冷却した。1.6 M n-BuLiヘキサン溶液 4.0 mL (6.4 mmol) をゆっくりと滴下し、1時間攪拌した。ホウ酸トリブチル 1.8 mL (6.7 mmol)を加えて、1時間攪拌した後、室温まで昇温し、水でクエンチした。20 wt% 炭酸ナトリウム水溶液 7 mL、p-ヨードアニソール 1.22 g (5.2 mmol)、Pd(PPh3)4 128 mgを加えて5.5時間還流した。希塩酸で中和し、ジエチルエーテルで抽出した。有機層を硫酸マグネシウムで乾燥させ、溶媒を留去した。その後、ショートカラムと再結晶で精製し、3-ブロモ-5-(4-メトキシフェニル)-2-エチルチオフェンを得た。収量 1.2 g、収率 78%。1H-NMR (300 MHz, CDCl3, TMS) δ = 1.30 (t, J = 7.5 Hz, 3H), 2.80 (q, J = 7.5 Hz, 2H), 3.83 (s, 3H), 6.87-6.93 (m, 2H), 6.99 (s, 1H), 7.41-7.47 (m, 2H).
化合物(17)~(20)について、それぞれ、ジクロロメタン中に溶解させ(濃度: 10-5 mol/L程度)、ジクロロメタン中での紫外可視吸収スペクトルを測定し、開環体の最大吸収波長およびモル吸光係数を決定した。各化合物の閉環体については、紫外光照射により着色させた後、その溶液をHPLCにより閉環体のみ分取し、そのジクロロメタン中での紫外可視吸収スペクトルを測定し、最大吸収波長およびモル吸光係数を決定した。閉環反応量子収率は、200 W水銀キセノン光源からカットフィルターおよびモノクロメーターで313 nmの光を取り出し、それを石英セルに入ったそれぞれの化合物のジクロロメタン溶液に照射し、反応した閉環体をモニターすることにより相対的な反応速度を決定し、既存の化合物の量子収率と比較することにより求めた。開環反応量子収率は、300 Wキセノン光源からカットフィルターおよびモノクロメーターを用いて、閉環体の吸収極大波長λmaxに相当する光を取り出し、それを石英セルに入ったそれぞれの化合物のジクロロメタン溶液に照射し、閉環体の減少速度を決定し、既存の化合物の量子収率と比較することにより求めた。結果を表2に示す。また、化合物(17)~(20)のジクロロメタン中での吸収スペクトルの変化をそれぞれ図2~5に示す。
さらに、紫外線センサーにおいては、着色した状態が熱および可視光線に安定である必要がある。化合物(17)~(20)の閉環体の開環反応量子収率は、2×10-4以下であり、十分な光安定性を有していることが分かる。さらに、化合物(17)~(20)は室温で安定である。例えば、化合物(17)の閉環体はジクロロメタン中で室温で1日放置しても全く変化はなく、熱安定であることが分かる。
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