JPWO2014157207A1 - Luminescent metal complexes that respond to external stimuli - Google Patents
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Abstract
外部刺激に応答する室温リン光材料を提供する。本発明の外部刺激に応答する発光性金属錯体は、一般式(I)【化1】(式中、Mは3価の金属原子であり、Arは置換されていてもよいアリーレン基又はヘテロアリーレン基であり、Bは溶媒由来の配位子である)で表される。A room temperature phosphorescent material responsive to an external stimulus is provided. The luminescent metal complex responsive to an external stimulus of the present invention has the general formula (I): wherein M is a trivalent metal atom and Ar is an optionally substituted arylene group or heteroarylene. And B is a ligand derived from a solvent.
Description
本発明は、外部刺激に応答する発光性金属錯体に関するものである。より詳細には、本発明は、外部刺激に応答する室温リン光材料に関するものである。 The present invention relates to a luminescent metal complex that responds to external stimuli. More particularly, the present invention relates to room temperature phosphorescent materials that respond to external stimuli.
室温リン光材料は、励起三重項状態からの室温での発光を利用した材料であり、長い発光寿命を有する等、励起一重項状態からの発光を利用した蛍光材料とは異なる特性を有することから注目されている。 A room temperature phosphorescent material is a material that utilizes light emission at room temperature from an excited triplet state, and has characteristics that are different from a fluorescent material that utilizes light emission from an excited singlet state, such as a long emission lifetime. Attention has been paid.
例えば、特許文献1には、様々な波長域で発光する室温リン光材料が開示されており、これらの室温リン光材料が有機エレクトロルミネッセンス(有機EL)素子として有用である旨が記載されている。また、非特許文献1には、リン光材料が酸素センサーとして有用である旨が開示されている。
For example,
一方、発光色等を外部刺激によって可逆に変化させることができる化合物は、発光材料にスイッチング機能やセンシング機能を付与することができる新素材として注目されており、発光材料の応用範囲を大きく広げることができる。 On the other hand, compounds that can reversibly change the color of light emitted by external stimuli are attracting attention as new materials that can give switching and sensing functions to luminescent materials, greatly expanding the range of applications for luminescent materials. Can do.
例えば、非特許文献2には、ジアリールエテンと呼ばれるよく知られた光応答部位を導入した発光性有機分子が開示されており、有機化合物由来の蛍光を光スイッチできる旨が記載されている。このように、通常、発光材料に刺激応答機能を付与するには、発光分子に既存の刺激応答部位を導入する必要がある。
For example, Non-Patent
ところで、金属錯体は、配位子および金属原子等をうまく設計すれば室温リン光を示す可能性を秘めた化合物群である(特許文献1)。本発明者らは、配位子として1,4,7−トリアザシクロノナン系配位子に注目し、縮合多環式化合物であるナフトールやピレノールによって光機能化したトリアザシクロノナン誘導体を用いて3価のガドリニウム錯体を合成し、その発光特性について調べた(非特許文献3、非特許文献4)。具体的には、下記構造を有するガドリニウム錯体を合成し、その発光挙動を調べた。
By the way, the metal complex is a group of compounds having a possibility of exhibiting room temperature phosphorescence if a ligand, a metal atom, and the like are well designed (Patent Document 1). The present inventors focused on 1,4,7-triazacyclononane-based ligands as ligands, and used triazacyclononane derivatives photofunctionalized with condensed polycyclic compounds such as naphthol and pyrenol. Then, trivalent gadolinium complexes were synthesized and their light emission characteristics were examined (Non-patent
上記錯体は、発光スペクトルの測定の結果、室温でリン光を示す珍しい錯体であることが分かった。 As a result of measuring the emission spectrum, the complex was found to be an unusual complex that exhibits phosphorescence at room temperature.
しかしながら、非特許文献3および非特許文献4に記載されているような錯体には既存の刺激応答部位は導入されておらず、通常の刺激応答機能を期待することはできない。つまり、上記錯体が光等の外部刺激応答機能を有することを予測することはできなかった。そのため、誰も上記錯体が可逆的なスイッチング機能およびセンシング機能を有する発光材料として応用できるとは思わなかった。
However, the existing stimulation response sites are not introduced into the complexes as described in
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、外部刺激に応答する室温リン光材料を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a room temperature phosphorescent material that responds to an external stimulus.
上記課題に対して、本発明者が鋭意研究を行った結果、一般式(I)に示す構造を有する金属錯体が、既存の刺激応答部位を導入しなくても、外部刺激によって発光色および/または発光強度を可逆に変化できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies by the inventor on the above-mentioned problems, the metal complex having the structure represented by the general formula (I) is capable of emitting light and / or color by external stimulation without introducing an existing stimulation response site. Alternatively, the present inventors have found that the emission intensity can be reversibly changed and have completed the present invention.
すなわち、本発明の要旨は次の通りである。 That is, the gist of the present invention is as follows.
(1)下記の一般式(I) (1) The following general formula (I)
(式中、Mは3価の金属原子であり、Arは置換されていてもよいアリーレン基又はヘテロアリーレン基であり、Bは溶媒由来の配位子である)で表される外部刺激に応答する発光性金属錯体。 (Wherein, M is a trivalent metal atom, Ar is an optionally substituted arylene group or heteroarylene group, and B is a solvent-derived ligand). Luminescent metal complex.
本発明に係る外部刺激に応答する金属錯体は、配位子または金属原子の蛍光およびリン光に基づく発光により、既存の刺激応答部位を導入しなくても、外部刺激によって発光色および/または発光強度を可逆に変化させることができるという効果を奏する。 The metal complex that responds to an external stimulus according to the present invention emits light and / or luminescence by an external stimulus without introducing an existing stimulus responsive site by light emission based on fluorescence and phosphorescence of a ligand or metal atom. There is an effect that the intensity can be reversibly changed.
また、本発明の金属錯体によれば、Ar基または金属原子の選択によって、励起波長や発光波長、発光強度を容易に制御できる。 Further, according to the metal complex of the present invention, the excitation wavelength, emission wavelength, and emission intensity can be easily controlled by selecting an Ar group or a metal atom.
また、本発明の金属錯体における、光と酸素分子との組み合わせ等による発光色および/または発光強度の可逆な変化は、再生可能な光センサーや酸素センサー等として好適に利用することができる。 In addition, the reversible change in emission color and / or emission intensity due to the combination of light and oxygen molecules in the metal complex of the present invention can be suitably used as a reproducible optical sensor or oxygen sensor.
以下、本発明の実施の形態の一例について詳細に説明するが、本発明は、これらに限定されない。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「A〜B」は、「A以上、B以下」を意味する。 Hereinafter, although an example of an embodiment of the invention is explained in detail, the present invention is not limited to these. Unless otherwise specified in this specification, “A to B” indicating a numerical range means “A or more and B or less”.
本明細書において「蛍光」とは、励起一重項状態からの発光を意味する。また、本明細書において「リン光」とは、励起三重項状態からの発光を意味する。なお、リン光には狭義のリン光に加え、f−f発光が包含される。 In this specification, “fluorescence” means light emission from an excited singlet state. In this specification, “phosphorescence” means light emission from an excited triplet state. Note that phosphorescence includes ff emission in addition to narrow phosphorescence.
図20(a)は蛍光について説明した模式図であり、図20(b)はリン光について説明した模式図である。図20(a)に示すように、物質が光等により励起された場合、励起一重項状態S1となる。なお、この場合、まず過剰なエネルギーが放出される(図20(a)の点線矢印参照)。そして、励起一重項状態S1から基底状態S0へ戻るのに伴い、蛍光が生じる。また、図20(b)に示すように、励起一重項状態S1から励起三重項状態T1へと項間交差した後に、励起三重項状態T1から基底状態S0へ戻る場合、リン光が生じる。そして、本明細書においては、上述のようにf−f発光もリン光に包含される。図20(c)に示すように、配位子において励起され、配位子の励起一重項状態S1から励起三重項状態T1へと項間交差、さらにランタニド中心へとエネルギー移動した後に、ランタニド中心の励起状態から基底状態S0へと戻る場合にf−f発光が生じる。FIG. 20A is a schematic diagram illustrating fluorescence, and FIG. 20B is a schematic diagram illustrating phosphorescence. As shown in FIG. 20 (a), if the material is excited by light or the like, the excited singlet state S 1. In this case, excessive energy is first released (see the dotted arrow in FIG. 20A). As the singlet state S 1 returns to the ground state S 0 , fluorescence is generated. In addition, as shown in FIG. 20B, phosphorescence is obtained when the excited singlet state S 1 returns from the excited triplet state T 1 to the ground state S 0 after intersystem crossing from the excited singlet state S 1 to the excited triplet state T 1 . Occurs. In the present specification, as described above, ff emission is also included in phosphorescence. As shown in FIG. 20 (c), after being excited in the ligand and undergoing energy transfer from the excited singlet state S 1 of the ligand to the excited triplet state T 1 and further to the lanthanide center, f-f emission occurs when returning from the excited state of the lanthanide center to the ground state S 0.
また、本明細書において発光色が「赤色」である場合、620〜750nmの領域に発光スペクトルを与えることが好ましい。発光色が「緑色」である場合、495〜570nmの領域に発光スペクトルを与えることが好ましい。発光色が「青色」である場合、455〜495nmの領域に発光スペクトルを与えることが好ましい。発光色が「白色」、「黄色」である場合、上記赤色、緑色および青色の光が足し合わされた発光スペクトルとなるため、発光スペクトルを一概に定義することは難しい。例えば、発光色が「白色」である場合、400〜760nmの可視域全般に発光スペクトルを与えることが好ましい。なお、発光色が「無」であるとは、400〜760nmの可視域全般に発光スペクトルをほとんど与えないことを意味する。 Further, in the present specification, when the emission color is “red”, it is preferable to give an emission spectrum in a region of 620 to 750 nm. When the emission color is “green”, it is preferable to give an emission spectrum in the region of 495 to 570 nm. When the emission color is “blue”, it is preferable to give an emission spectrum in the region of 455 to 495 nm. When the emission color is “white” or “yellow”, the emission spectrum is a combination of the red, green, and blue light, so it is difficult to define the emission spectrum in a unified manner. For example, when the emission color is “white”, it is preferable to give an emission spectrum over the entire visible range of 400 to 760 nm. In addition, that the emission color is “no” means that the emission spectrum is hardly given in the entire visible range of 400 to 760 nm.
本発明の外部刺激応答機能を有する室温リン光材料(金属錯体)は、下記の一般式(I) The room temperature phosphorescent material (metal complex) having an external stimulus response function of the present invention is represented by the following general formula (I):
(式中、Mは3価の金属原子であり、Arは置換されていてもよいアリーレン基又はヘテロアリーレン基であり、Bは溶媒由来の配位子である)で表される。 (Wherein M is a trivalent metal atom, Ar is an optionally substituted arylene group or heteroarylene group, and B is a solvent-derived ligand).
3価の金属原子(M)としては、例えば、アルミニウム(Al3+)、ガリウム(Ga3+)、インジウム(In3+)、イリジウム(Ir3+)、ビスマス(Bi3+)、セリウム(Ce3+)、プラセオジウム(Pr3+)、ネオジウム(Nd3+)、サマリウム(Sm3+)、ユウロピウム(Eu3+)、ガドリニウム(Gd3+)、テルビウム(Tb3+)、ジスプロシウム(Dy3+)、ホルミウム(Ho3+)、エルビウム(Er3+)、ツリウム(Tm3+)、イッテルビウム(Yb3+)が挙げられる。その中でも、ガドリニウムは、励起エネルギーの観点から好ましい。Examples of the trivalent metal atom (M) include aluminum (Al 3+ ), gallium (Ga 3+ ), indium (In 3+ ), iridium (Ir 3+ ), bismuth (Bi 3+ ), cerium (Ce 3+ ), praseodymium. (Pr3 + ), neodymium (Nd3 + ), samarium (Sm3 + ), europium (Eu3 + ), gadolinium (Gd3 + ), terbium (Tb3 + ), dysprosium (Dy3 + ), holmium (Ho3 + E), el 3+ ), thulium (Tm 3+ ), ytterbium (Yb 3+ ). Among these, gadolinium is preferable from the viewpoint of excitation energy.
また、上記金属錯体の有機配位子は1,4,7−トリアザシクロノナンを基本骨格としたものであり、窒素原子からメチレン基を介してAr基と結合している。また、Ar基は酸素原子と結合しており、酸素原子は、1,4,7−トリアザシクロノナンの窒素原子とともに中心金属に配位している。 The organic ligand of the metal complex has 1,4,7-triazacyclononane as a basic skeleton and is bonded to an Ar group from a nitrogen atom through a methylene group. The Ar group is bonded to an oxygen atom, and the oxygen atom is coordinated to the central metal together with the nitrogen atom of 1,4,7-triazacyclononane.
アリーレン基とは、単環式又は多環式の芳香族炭化水素から二個の環炭素原子の二個の水素原子を除去する(換言すれば、二個の環炭素原子からそれぞれ一個の水素原子を除去する)ことにより生成される基であり、例えば、フェニレン基(−C6H4−)、ナフチレン基(−C10H6−)等を挙げることができる。これらのアリーレン基は、無置換であっても良いし、あるいは芳香環が炭素数1〜5のアルキル基やアルコキシ基、フェニル基、ハロゲン原子等で置換されていても良い。An arylene group removes two hydrogen atoms of two ring carbon atoms from a monocyclic or polycyclic aromatic hydrocarbon (in other words, one hydrogen atom from each of two ring carbon atoms. For example, a phenylene group (—C 6 H 4 —), a naphthylene group (—C 10 H 6 —), and the like. These arylene groups may be unsubstituted or the aromatic ring may be substituted with an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, an alkoxy group, a phenyl group, a halogen atom, or the like.
縮合多環アリーレン基とは、上記アリーレン基の中でも特に2つ以上の芳香環が縮合したものを指す。本発明においては2〜5個の芳香環が縮合した縮合多環アリーレン基が好ましく用いられ、例えば、ナフチレン基(−C10H6−)、2置換ピレン基等を挙げることができる。The condensed polycyclic arylene group refers to a group in which two or more aromatic rings are condensed among the above arylene groups. In the present invention, a condensed polycyclic arylene group in which 2 to 5 aromatic rings are condensed is preferably used, and examples thereof include a naphthylene group (—C 10 H 6 —), a disubstituted pyrene group and the like.
ヘテロアリーレン基とは、単環式又は多環式のヘテロ芳香族炭化水素から二個の環炭素原子の二個の水素原子を除去する(換言すれば、二個の環炭素原子からそれぞれ一個の水素原子を除去する)ことにより生成される基であり、例えば、2,3−置換ピリジン基(−C5H3N−)等をあげることができる。これらのヘテロアリーレン基は、無置換であっても良いし、あるいは芳香環が炭素数1〜5のアルキル基やアルコキシ基、フェニル基、ハロゲン原子等で置換されていても良い。A heteroarylene group is a monocyclic or polycyclic heteroaromatic hydrocarbon that removes two hydrogen atoms of two ring carbon atoms (in other words, one each from two ring carbon atoms. A group formed by removing a hydrogen atom), and examples thereof include a 2,3-substituted pyridine group (—C 5 H 3 N—). These heteroarylene groups may be unsubstituted, or the aromatic ring may be substituted with an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, an alkoxy group, a phenyl group, a halogen atom, or the like.
縮合多環ヘテロアリーレン基とは、上記ヘテロアリーレン基の中でも特に2つ以上の芳香環が縮合したものを指す。本発明においては2〜5個の芳香環が縮合した縮合多環ヘテロアリーレン基が好ましく用いられ、例えば、2,3−置換キノリン(−C9H5N−)等を挙げることができる。The condensed polycyclic heteroarylene group refers to a group in which two or more aromatic rings are condensed among the above heteroarylene groups. In the present invention, a condensed polycyclic heteroarylene group in which 2 to 5 aromatic rings are condensed is preferably used, and examples thereof include 2,3-substituted quinoline (—C 9 H 5 N—).
一般式(I)中、溶媒由来の配位子Bは、非共有電子対を有し、中心金属原子の持つ電荷に影響を与えずに配位する溶媒分子である。具体例として、テトラヒドロフラン(THF)、メタノール(MeOH)、水(H2O)等を挙げることができる。In the general formula (I), the solvent-derived ligand B is a solvent molecule that has an unshared electron pair and coordinates without affecting the charge of the central metal atom. Specific examples include tetrahydrofuran (THF), methanol (MeOH), water (H 2 O), and the like.
本発明において好ましく採用される錯体として、下記式1a〜1fで表される錯体が挙げられるが、ほんの一例であってこれらに限定されるものではない。 Complexes preferably employed in the present invention include complexes represented by the following formulas 1a to 1f, but are merely examples and are not limited thereto.
一般式(I)の錯体は、M、ArおよびBの種類に応じて、非特許文献3および4に記載の方法に基づき適宜合成することができ、具体的には、例えば1,4,7−トリス[2−(1−ヒドロキシナフチル)メチル]−1,4,7−トリアザシクロノナンとトリフルオロメタンスルフォン酸ガドリニウムとの反応等により得ることができる。
The complex of the general formula (I) can be appropriately synthesized based on the methods described in
本発明者らは、上記方法によって得られる一般式(I)に示す構造を有する金属錯体が、既存の刺激応答部位を導入しなくても、外部刺激によって発光色および/または発光強度を可逆に変化できることを見出した。 The inventors of the present invention can reversibly emit light and / or light intensity by an external stimulus even if a metal complex having a structure represented by the general formula (I) obtained by the above method does not introduce an existing stimulus response site. I found out that it can change.
本発明の金属錯体による外部刺激応答現象は、例えば、刺激1によって室温リン光が誘起され、刺激2によって室温リン光がクエンチされ、蛍光発光のみが見られるというものである(図1)。また、金属錯体によっては、刺激1および刺激2によってリン光の発光強度が変化する場合もある。刺激1及び2としては、光、熱、溶媒、圧力、酸素等の気体分子等が挙げられる。その中でも、例えば金属原子がガドリニウムである場合は、刺激1としては光、刺激2としては酸素分子が好ましい。また、金属原子がテルビウムである場合は、刺激1として窒素またはアルゴンによる脱気、刺激2としては酸素分子が好ましい。なお、図1に記載の「一般式(I)の金属錯体のB溶液」とは、一般式(I)における配位子Bを提供する溶媒に、一般式(I)の金属錯体が溶解した溶液である。
The external stimulus response phenomenon by the metal complex of the present invention is, for example, that room temperature phosphorescence is induced by
本発明に係る外部刺激に応答する錯体の発光は、配位子または金属原子の蛍光およびリン光に基づくものである。Ar基または金属原子の選択によって、励起波長や発光波長、または発光強度を容易に制御できる。 The emission of the complex in response to the external stimulus according to the present invention is based on the fluorescence and phosphorescence of the ligand or metal atom. By selecting an Ar group or a metal atom, the excitation wavelength, emission wavelength, or emission intensity can be easily controlled.
励起波長(λex)は、配位子の構造等に応じて適宜決定され得るが、例えば、250〜760nmであることが好ましく、250〜450nmであることがより好ましい。 The excitation wavelength (λex) can be appropriately determined according to the structure of the ligand and the like, but is preferably, for example, 250 to 760 nm, and more preferably 250 to 450 nm.
同様に、刺激1として光を使用する場合、当該光の波長(λirr)は、配位子の構造等に応じて適宜決定され得るが、例えば、250〜760nmであることが好ましく、250〜450nmであることがより好ましい。
Similarly, when light is used as the
なお、励起波長および刺激1の光の波長は、金属錯体の吸収スペクトルにピークが見られる波長とすることができる。つまり、同一の金属錯体であれば、励起光および刺激1の光として同じ波長の光を使用することができる。
In addition, the wavelength of the excitation wavelength and the light of the
例えば、本発明の金属錯体が上記式1aで表される場合、赤色のリン光を示し得る。本発明の金属錯体が上記式1bで表される場合、緑色のリン光を示し得る。本発明の金属錯体が上記式1cで表される場合、青色のリン光を示し得る。 For example, when the metal complex of the present invention is represented by the above formula 1a, it can exhibit red phosphorescence. When the metal complex of the present invention is represented by the above formula 1b, it may exhibit green phosphorescence. When the metal complex of the present invention is represented by the above formula 1c, it can exhibit blue phosphorescence.
上記金属原子としてテルビウムを用いた場合は、刺激1は窒素またはアルゴンによる脱気であることが好ましく、刺激2は酸素であることが好ましい。また、テルビウム錯体によるリン光は、中心に存在するテルビウムイオンからのf−f発光である。なお、テルビウム錯体からは、配位子由来の蛍光はほとんど観測されない。例えば、本発明の金属錯体が上記式1dで表される場合、緑色のリン光を示し得る。そして、テルビウム錯体の場合は、刺激1および2によって発光強度を変化させることができる。
When terbium is used as the metal atom, the
本発明に係る組成物は、本発明に係る金属錯体を含んでいる。本発明の組成物は、必要に応じて、本発明に係る金属錯体以外の物質を含んでいてもよい。このような物質としては、当該金属錯体による外部刺激応答現象を阻害しないものであれば特に限定されない。 The composition according to the present invention contains the metal complex according to the present invention. The composition of the present invention may contain a substance other than the metal complex according to the present invention, if necessary. Such a substance is not particularly limited as long as it does not inhibit the external stimulus response phenomenon caused by the metal complex.
本発明に係る組成物は、本発明に係る金属錯体であって、互いに異なるArを有する金属錯体を2つ以上含んでいてもよく、3つ以上含んでいてもよい。また、本発明に係る組成物は、本発明に係る金属錯体であって、互いに異なる範囲の波長の領域に発光スペクトルを与えるリン光を示す金属錯体を2つ以上含んでいてもよく、3つ以上含んでいてもよい。 The composition according to the present invention is a metal complex according to the present invention, and may include two or more metal complexes having different Ar, and may include three or more. In addition, the composition according to the present invention may include two or more metal complexes according to the present invention that exhibit phosphorescence that gives an emission spectrum in a wavelength range different from each other. The above may be included.
本発明に係る組成物は上記式1a〜1fで表される錯体のうち少なくとも2つ以上を含んでいてもよい。例えば、上記式1aで表される金属錯体と、上記式1bで表される金属錯体と、上記式1cで表される金属錯体とを含んでいる組成物は、励起波長が303nmである場合、白色のリン光を示し、励起波長が336nmである場合、黄色のリン光を示し、励起波長が360nmである場合、赤色のリン光を示す。なお、上述のように上記式1a、1b及び1cで表される金属錯体のそれぞれが示すリン光は光の三原色に対応している。しかしながら、当該組成物が発する白色リン光は、単に上記金属錯体のそれぞれから別々に得られたリン光を重ね合わせたわけではなく、上記金属錯体を混合した組成物から得られたものである。 The composition according to the present invention may contain at least two of the complexes represented by the above formulas 1a to 1f. For example, the composition containing the metal complex represented by the formula 1a, the metal complex represented by the formula 1b, and the metal complex represented by the formula 1c has an excitation wavelength of 303 nm. White phosphorescence is shown. When the excitation wavelength is 336 nm, yellow phosphorescence is shown. When the excitation wavelength is 360 nm, red phosphorescence is shown. In addition, as mentioned above, the phosphorescence which each of the metal complex represented by said Formula 1a, 1b, and 1c respond | corresponds to the three primary colors of light. However, the white phosphorescence emitted from the composition is not simply obtained by superimposing the phosphorescence obtained separately from each of the metal complexes, but is obtained from a composition in which the metal complexes are mixed.
互いに異なるArを有する金属錯体または互いに異なる範囲の波長の領域に発光スペクトルを与えるリン光を示す金属錯体を2つ以上使用する場合、これらの金属錯体を混合する割合は、求められる発光色等に応じて適宜決定すればよい。例えば、本発明に係る組成物は、上記式1aで表される金属錯体0〜100モル%と、上記式1bで表される金属錯体0〜100モル%と、上記式1cで表される金属錯体0〜100モル%とを含んでいてもよい。
When using two or more metal complexes having Ar different from each other or phosphorescence that gives phosphorescence spectra in different wavelength ranges, the ratio of mixing these metal complexes depends on the required emission color, etc. What is necessary is just to determine suitably according to. For example, the composition according to the present invention includes 0 to 100 mol% of the metal complex represented by the
また、本発明における光と酸素分子との組み合わせ等の外部刺激による発光色および/または発光強度の可逆な変化は、再生可能な光センサーや酸素センサー等として好適に利用することができる。また、本発明に係る金属錯体および組成物は、上記のような発光色および/または発光強度の可逆な変化を示すため、光スイッチ、および、当該光スイッチを含む光スイッチングシステム等に好適に利用することができる。 In addition, the reversible change in emission color and / or emission intensity caused by an external stimulus such as a combination of light and oxygen molecules in the present invention can be suitably used as a reproducible optical sensor or oxygen sensor. In addition, the metal complex and the composition according to the present invention exhibit a reversible change in emission color and / or emission intensity as described above, and therefore are suitably used for an optical switch and an optical switching system including the optical switch. can do.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
本発明は以下のように構成することも可能である。 The present invention can also be configured as follows.
(1)下記の一般式(I) (1) The following general formula (I)
(式中、Mは3価の金属原子であり、Arは置換されていてもよいアリーレン基又はヘテロアリーレン基であり、Bは溶媒由来の配位子である)で表される外部刺激に応答する発光性金属錯体。 (Wherein, M is a trivalent metal atom, Ar is an optionally substituted arylene group or heteroarylene group, and B is a solvent-derived ligand). Luminescent metal complex.
(2)3価の金属原子が、ガドリニウムである(1)に記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体。 (2) The luminescent metal complex which responds to the external stimulus as described in (1) whose trivalent metal atom is gadolinium.
(3)Arが、2〜5個の芳香環が縮合した縮合多環アリーレン基又は縮合多環ヘテロアリーレン基である(1)又は(2)に記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体。 (3) The luminescent metal complex which responds to the external stimulus as described in (1) or (2), wherein Ar is a condensed polycyclic arylene group or a condensed polycyclic heteroarylene group in which 2 to 5 aromatic rings are condensed.
(4)Arが、2置換ピレン基である(3)に記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体。 (4) The luminescent metal complex which responds to the external stimulus as described in (3) whose Ar is a disubstituted pyrene group.
(5)外部刺激が、光と酸素分子であり、光刺激によって室温リン光が発現する(1)〜(4)に記載の発光性金属錯体。 (5) The luminescent metal complex according to any one of (1) to (4), wherein the external stimulus is light and oxygen molecules, and phosphorescence at room temperature is expressed by the light stimulus.
(6)(1)〜(5)のいずれかに記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体を備えていることを特徴とする再生可能な光センサー。 (6) A reproducible optical sensor comprising a luminescent metal complex that responds to an external stimulus according to any one of (1) to (5).
(7)(1)〜(5)のいずれかに記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体を備えていることを特徴とする再生可能な酸素センサー。 (7) A reproducible oxygen sensor comprising a luminescent metal complex that responds to an external stimulus according to any one of (1) to (5).
(8)(1)〜(5)のいずれかに記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体を備えていることを特徴とする光スイッチ。 (8) An optical switch comprising a luminescent metal complex that responds to an external stimulus according to any one of (1) to (5).
(9)(8)に記載の光スイッチを含む光スイッチングシステム。 (9) An optical switching system including the optical switch according to (8).
また、本発明は以下のように構成することも可能である。 The present invention can also be configured as follows.
<1>上記一般式(I)で表される外部刺激に応答する発光性金属錯体。 <1> A luminescent metal complex that responds to an external stimulus represented by the general formula (I).
<2>3価の金属原子が、ガドリニウムである<1>に記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体。 <2> The luminescent metal complex which responds to the external stimulus according to <1>, wherein the trivalent metal atom is gadolinium.
<3>3価の金属原子が、テルビウムである<1>に記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体。 <3> The luminescent metal complex which responds to the external stimulus according to <1>, wherein the trivalent metal atom is terbium.
<4>Arが、2〜5個の芳香環が縮合した縮合多環アリーレン基又は縮合多環ヘテロアリーレン基である<1>〜<3>のいずれかに記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体。 <4> Luminescence in response to an external stimulus according to any one of <1> to <3>, wherein Ar is a condensed polycyclic arylene group or a condensed polycyclic heteroarylene group in which 2 to 5 aromatic rings are condensed. Metal complex.
<5>Arが、2置換ピレン基である<4>に記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体。 <5> The luminescent metal complex responding to an external stimulus according to <4>, wherein Ar is a disubstituted pyrene group.
<6>外部刺激が、光と酸素分子であり、光刺激によって室温リン光が発現する<1>〜<5>に記載の発光性金属錯体。 <6> The luminescent metal complex according to <1> to <5>, wherein the external stimulus is light and oxygen molecules, and phosphorescence at room temperature is exhibited by the light stimulus.
<7><1>〜<6>のいずれかに記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体を含んでいる組成物であって、上記組成物は、互いに異なるArを有する発光性金属錯体を2つ以上含んでいることを特徴とする組成物。 <7> A composition containing a luminescent metal complex that responds to an external stimulus according to any one of <1> to <6>, wherein the composition comprises a luminescent metal complex having different Ar. A composition comprising two or more.
<8><1>〜<6>のいずれかに記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体、または<7>に記載の組成物を備えていることを特徴とする再生可能な光センサー。 <8> A reproducible optical sensor comprising the luminescent metal complex that responds to an external stimulus according to any one of <1> to <6>, or the composition according to <7>.
<9><1>〜<6>のいずれかに記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体、または<7>に記載の組成物を備えていることを特徴とする再生可能な酸素センサー。 <9> A reproducible oxygen sensor comprising the luminescent metal complex that responds to an external stimulus according to any one of <1> to <6>, or the composition according to <7>.
<10><1>〜<6>のいずれかに記載の外部刺激に応答する発光性金属錯体、または<7>に記載の組成物を備えていることを特徴とする光スイッチ。 <10> A light-emitting metal complex that responds to an external stimulus according to any one of <1> to <6>, or a composition according to <7>.
<11><10>に記載の光スイッチを含む光スイッチングシステム。 <11> An optical switching system including the optical switch according to <10>.
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
なお、本明細書において「光照射前」とは、刺激1としての光照射が行われていないことを意味する。
In the present specification, “before light irradiation” means that light irradiation as the
〔実施例1〕
以下に示すような構造をもつ3価のガドリニウム錯体1を、非特許文献3および4に記載される方法に準じて合成した。なお、ガドリニウム錯体1は上述の式1aで表される金属錯体に対応している。[Example 1]
A
具体的には、まず、1,4,7−トリアザシクロノナン(100mg,0.77mmol)とパラホルムアルデヒド(72mg,2.4mmol)とをトルエンに溶解し、80℃で40分撹拌した。その後、1−ピレノール(600mg,2.8mmol)を加え、80℃で4時間撹拌した。得られた黄色の粉末をろ別し、メタノールで洗浄することで、1,4,7−トリス[2−(1−ヒドロキシピレニル)メチル]−1,4,7−トリアザシクロノナン)を得た(収量:516mg、収率:81%)。 Specifically, first, 1,4,7-triazacyclononane (100 mg, 0.77 mmol) and paraformaldehyde (72 mg, 2.4 mmol) were dissolved in toluene and stirred at 80 ° C. for 40 minutes. Then, 1-pyrenol (600 mg, 2.8 mmol) was added and stirred at 80 ° C. for 4 hours. The resulting yellow powder was filtered off and washed with methanol to obtain 1,4,7-tris [2- (1-hydroxypyrenyl) methyl] -1,4,7-triazacyclononane). Obtained (yield: 516 mg, yield: 81%).
得られた1,4,7−トリス[2−(1−ヒドロキシピレニル)メチル]−1,4,7−トリアザシクロノナン(82mg,0.10mmol)とトリフルオロメタンスルフォン酸ガドリニウム(Gd(OTf)3,60mg,0.10mmol)とをアセトン/THF(100/1)の混合溶媒中、30℃で5分間撹拌した。この溶液に、トリエチルアミン(0.3M,1mL,0.30mmol)を加え、30℃で3時間撹拌した。得られた黄色の粉末をろ別し、アセトンで洗浄することで、ガドリニウム錯体1を得た(収量:80mg、収率:76%)。ガドリニウム錯体1を酢酸エチル/THF混合溶媒を用いて再結晶することで、X線構造解析に適した結晶を得た。The obtained 1,4,7-tris [2- (1-hydroxypyrenyl) methyl] -1,4,7-triazacyclononane (82 mg, 0.10 mmol) and gadolinium trifluoromethanesulfonate (Gd (OTf 3 , 60 mg, 0.10 mmol) was stirred in a mixed solvent of acetone / THF (100/1) at 30 ° C. for 5 minutes. To this solution was added triethylamine (0.3M, 1 mL, 0.30 mmol), and the mixture was stirred at 30 ° C. for 3 hours. The resulting yellow powder was filtered off and washed with acetone to obtain gadolinium complex 1 (yield: 80 mg, yield: 76%). By recrystallizing the
なお、元素分析の結果を以下に示す。
Anal.Calcd for C61H50GdN3O4:C,70.02;H,4.82;N,4.02%.Found:C,69.76;H,4.66;N,4.12%。The results of elemental analysis are shown below.
Anal. Calcd for C 61 H 50 GdN 3 O 4: C, 70.02; H, 4.82; N, 4.02%. Found: C, 69.76; H, 4.66; N, 4.12%.
得られたガドリニウム錯体1の結晶について、X線回折により構造解析を行った。図2に構造解析によって得られたORTEP図を示す。この結果、得られたガドリニウム錯体1は、配位子の三つの窒素原子と三つの酸素原子とで形成される歪んだ八面体の一面にTHFの酸素原子が配位した7配位構造をとる錯体分子であることが明らかとなった。
The crystal of the obtained
次に、THF中において、このガドリニウム錯体1の吸収スペクトルを測定した。測定結果を図3に示す。図3から明らかなように、ピレン環由来の吸収が400nm付近に見られた。
Next, the absorption spectrum of this
脱気していないTHFを用いて、キャップ付きの石英4面セルにガドリニウム錯体1のサンプルを調製した。ガドリニウム錯体1の吸収帯(410nm以下)で光励起したところ、図4に示すような配位子の蛍光由来の青色の発光スペクトルが得られた。実際には、ガドリニウム錯体1を285nmの光で励起した(λex)。
A sample of
上記セルに室温で285nmの光(λirr)を照射し続けたところ、発光色が赤色に変化し、発光スペクトルは図5に示すように変化した。すなわち、410nm以下の光照射によってガドリニウム錯体1の室温リン光が誘起された。
When the cell was continuously irradiated with 285 nm light (λirr) at room temperature, the emission color changed to red, and the emission spectrum changed as shown in FIG. That is, room temperature phosphorescence of
なお、光照射によって得られた上記発光スペクトルは、別途測定した脱気THFにおけるガドリニウム錯体1の発光スペクトルと一致した。このことは、ガドリニウム錯体1における刺激1としては、光照射、および、窒素またはアルゴンによる脱気のいずれも使用できることを意味している。
In addition, the said emission spectrum obtained by light irradiation corresponded with the emission spectrum of the
上記セルのキャップを空け、ガドリニウム錯体1のサンプルを空気下に暴露すると、発光色は元の青色へと変化した。これは、室温リン光錯体で通常みられる、酸素による発光のクエンチである。キャップを締め、再び410nm以下の光を照射し続けると発光色は赤色へと変化する。
When the cell cap was opened and the
発光色のスイッチングを繰返し行った結果を図6に示す。光刺激(λirr)には365nmの波長の光を用い、リン光における625nmの発光強度をモニターした(λex=365nm)。なお、図6の縦軸は、625nmにおける1回目の発光強度を1.0とした相対的な発光強度であり、横軸は光刺激の繰返し回数である。 FIG. 6 shows the result of repeated emission color switching. Light having a wavelength of 365 nm was used for light stimulation (λirr), and the emission intensity at 625 nm in phosphorescence was monitored (λex = 365 nm). In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 6 is a relative light emission intensity which set the light emission intensity of the 1st time in 625 nm to 1.0, and a horizontal axis is the frequency | count of repetition of light stimulation.
〔実施例2〕
1−ピレノールの代わりに1−ナフトールを使用すること以外は実施例1と同様の方法によって、下記ガドリニウム錯体2を得た。なお、ガドリニウム錯体2は上述の式1bで表される金属錯体に対応している。[Example 2]
The following
THF中において、このガドリニウム錯体2の吸収スペクトルを測定した。測定結果を図7に示す。図7から明らかなように、ナフタレン環由来の吸収が335nm付近に見られた。
The absorption spectrum of this
脱気していないTHFを用いて、キャップ付きの石英4面セルにガドリニウム錯体2のサンプルを調製した。ガドリニウム錯体2の吸収帯(350nm以下)で光励起したところ、図8に示すような配位子の蛍光由来の青色の発光スペクトルが得られた。実際には、ガドリニウム錯体2を285nmの光で励起した(λex)。
A sample of
上記セルに室温で285nmの光(λirr)を照射し続けたところ、発光色が緑色に変化した。また、上記蛍光由来の青色の発光スペクトルが得られたセルにおいて、光照射の代わりに、窒素を用いてTHFの脱気を行ったところ、同様に発光色が緑色に変化した。図9は、THFの脱気によって得られた発光スペクトルを示している。なお、図9に示す発光スペクトルは、光照射によって得られる発光スペクトルと一致していた。すなわち、光照射および脱気のいずれによってもガドリニウム錯体2の室温リン光が誘起された。
When the cell was continuously irradiated with 285 nm light (λirr) at room temperature, the emission color changed to green. Moreover, in the cell from which the blue emission spectrum derived from the fluorescence was obtained, when the THF was degassed using nitrogen instead of light irradiation, the emission color similarly changed to green. FIG. 9 shows an emission spectrum obtained by degassing THF. Note that the emission spectrum shown in FIG. 9 coincided with the emission spectrum obtained by light irradiation. That is, room temperature phosphorescence of
〔実施例3〕
1−ピレノールの代わりに2,4−ジメチルフェノールを使用すること以外は実施例1と同様の方法によって、下記ガドリニウム錯体3を得た。なお、ガドリニウム錯体3は上述の式1cで表される金属錯体に対応している。Example 3
The following
THF中において、このガドリニウム錯体3の吸収スペクトルを測定した。測定結果を図10に示す。図10から明らかなように、ベンゼン環由来の吸収が300nm付近に見られた。
The absorption spectrum of this
脱気していないTHFを用いて、キャップ付きの石英4面セルにガドリニウム錯体3のサンプルを調製した。ガドリニウム錯体3の吸収帯(310nm以下)で光励起したところ、図11に示すような配位子の蛍光由来の発光スペクトル(発光色:無)が得られた。実際には、ガドリニウム錯体3を285nmの光で励起した(λex)。
A sample of
上記セルに室温で285nmの光(λirr)を照射し続けたところ、発光色が青色に変化した。また、上記蛍光由来の発光スペクトル(発光色:無)が得られたセルにおいて、光照射の代わりに、窒素を用いてTHFの脱気を行ったところ、同様に発光色が青色に変化した。図12は、THFの脱気によって得られた発光スペクトルを示している。なお、図12に示す発光スペクトルは、光照射によって得られる発光スペクトルと一致していた。すなわち、光照射および脱気のいずれによってもガドリニウム錯体3の室温リン光が誘起された。
When the cell was continuously irradiated with 285 nm light (λirr) at room temperature, the emission color changed to blue. Moreover, in the cell from which the emission spectrum derived from the fluorescence (emission color: none) was obtained, when THF was degassed using nitrogen instead of light irradiation, the emission color similarly changed to blue. FIG. 12 shows an emission spectrum obtained by degassing THF. In addition, the emission spectrum shown in FIG. 12 was in agreement with the emission spectrum obtained by light irradiation. That is, room temperature phosphorescence of
〔実施例4〕
実施例1〜3によって得られたガドリニウム錯体1、2および3の混合溶液を調製した。ガドリニウム錯体1、2および3は、上述のように一般式(I)におけるArが互いに異なり、また、リン光の発光色も互いに異なる。当該混合溶液は、ガドリニウム錯体1を1.51×10−7M、ガドリニウム錯体2を5.79×10−7M、ガドリニウム錯体3を3.42×10−6Mを溶媒に溶解して調製した。溶媒としてはTHFを用いた。Example 4
A mixed solution of
当該混合溶液の吸収スペクトルの測定結果を図13に示す。図13から明らかなように、ガドリニウム錯体1、2および3由来の吸収が410nm以下に見られた。
The measurement result of the absorption spectrum of the mixed solution is shown in FIG. As is clear from FIG. 13, absorptions derived from
脱気していないTHFを用いて、キャップ付きの石英4面セルに混合溶液のサンプルを調製した。混合溶液の吸収帯(410nm以下)で光励起したところ、混合溶液に含まれる錯体の配位子からの蛍光に由来する青色の発光スペクトルが得られた(図示せず)。 A sample of the mixed solution was prepared in a capped quartz four-sided cell using undegassed THF. When photoexcitation was performed in the absorption band (410 nm or less) of the mixed solution, a blue emission spectrum derived from fluorescence from the ligand of the complex contained in the mixed solution was obtained (not shown).
上記セルに室温で285nmの光(λirr)を照射し続けたところ、発光色が白色(λex=303nmの場合)、黄色(λex=336nmの場合)、または赤色(λex=360nmの場合)に変化した。また、上記蛍光由来の発光スペクトルが得られるセルにおいて、光照射の代わりに、窒素を用いてTHFの脱気を行ったところ、同様に励起波長に応じて発光色が白色、黄色、または赤色に変化した。図14(白色、λex=303nm)、図15(黄色、λex=336nm)、および図16(赤色、λex=360nm)は、THFの脱気によって得られた発光スペクトルを示している。なお、図14、15および16に示す発光スペクトルは、光照射によって得られる発光スペクトルと一致していた。すなわち、光照射および脱気のいずれによっても混合溶液に含まれる錯体の室温リン光が誘起された。さらに、混合溶液においてはそれぞれのガドリニウム錯体を単独で用いた場合とは異なる発光色を示した。また、励起波長を変化させることによって、発光色が変化した。 When the cell was continuously irradiated with 285 nm light (λirr) at room temperature, the emission color changed to white (λex = 303 nm), yellow (λex = 336 nm), or red (λex = 360 nm). did. In addition, in the cell where the emission spectrum derived from the fluorescence was obtained, when THF was degassed using nitrogen instead of light irradiation, the emission color similarly changed to white, yellow, or red depending on the excitation wavelength. changed. FIG. 14 (white, λex = 303 nm), FIG. 15 (yellow, λex = 336 nm), and FIG. 16 (red, λex = 360 nm) show the emission spectra obtained by degassing THF. The emission spectra shown in FIGS. 14, 15 and 16 coincided with the emission spectrum obtained by light irradiation. That is, room temperature phosphorescence of the complex contained in the mixed solution was induced by both light irradiation and degassing. Furthermore, in the mixed solution, the emission color was different from the case where each gadolinium complex was used alone. In addition, the emission color was changed by changing the excitation wavelength.
〔実施例5〕
Gd(OTf)3の代わりにトリフルオロメタンスルフォン酸テルビウム(Tb(OTf)3)を使用すること以外は実施例3と同様の方法によって、下記テルビウム錯体4を得た。なお、テルビウム錯体4は上述の式1dで表される金属錯体に対応している。Example 5
The following
なお、元素分析の結果を以下に示す。
Anal.Calcd for C37H50N3O4Tb:C,58.49;H,6.63;N,5.53%.Found:C,58.40;H,6.60;N,5.50%。The results of elemental analysis are shown below.
Anal. Calcd for C 37 H 50 N 3
得られたテルビウム錯体4の結晶について、X線回折により構造解析を行った。図17に構造解析によって得られたORTEP図を示す。
The crystal of the obtained
THF中において、このテルビウム錯体4の吸収スペクトルを測定した。測定結果を図18に示す。図18から明らかなように、ベンゼン環由来の吸収が300nm付近に見られた。
The absorption spectrum of this
脱気していないTHFを用いて、キャップ付きの石英4面セルにテルビウム錯体4のサンプルを調製した。テルビウム錯体4の吸収帯(310nm以下)で光励起したところ、図19の実線に示すような緑色の発光スペクトルが得られた。実際には、テルビウム錯体4を300nmの光で励起した(λex)。
A sample of
上記セルを刺激1として窒素を用いて脱気をおこなったところ、図19の点線に示すように、発光強度が15倍程度増加した(λex=300nm)。すなわち、脱気によってテルビウム錯体4の室温リン光が誘起された。
When the cell was stimulated with nitrogen as a
上記セルに室温で刺激2として酸素を添加したところ、発光スペクトルは図19の実線に示すように変化した。
When oxygen was added to the cell as
本発明は、例えば、再生可能な光センサーや酸素センサー等として好適に利用することができる。 The present invention can be suitably used, for example, as a reproducible optical sensor or oxygen sensor.
Claims (11)
上記組成物は、互いに異なるArを有する発光性金属錯体を2つ以上含んでいることを特徴とする組成物。A composition comprising a luminescent metal complex responsive to an external stimulus according to any one of claims 1-6,
The said composition contains two or more luminescent metal complexes which have mutually different Ar, The composition characterized by the above-mentioned.
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NONAT, A. ET AL.: "Structural and Photophysical Studies of Highly Stable Lanthanide Complexes of Tripodal 8-Hydroxyquin", INORG. CHEM., vol. 48(9), JPN7014001542, 2009, pages 4207 - 4218 * |
XIE, Z. ET AL.: "Porous Phosphorescent Coordination Polymers for Oxygen for Oxygen Sensing", J. AM. CHEM. SOC., vol. 132(3), JPN7014001543, 2010, pages 922 - 923 * |
中森春崇 他: "ナフチル基を有する1,4,7−トリアザシクロノナン配位子を用いた新規ランタニド錯体の合成とその発光挙", 第22回配位化合物の光化学討論会講演要旨集, JPN6014021296, 3 August 2010 (2010-08-03), pages 第47−48頁 * |
中森春崇 他: "ピレニル基を有する1,4,7−トリアザシクロノナン配位子を用いた新規ランタニド錯体の合成とその発光挙", 第60回錯体化学討論会・第60回記念錯体化学OSAKA国際会議講演要旨集, JPN6014021298, 16 September 2010 (2010-09-16), pages 第327頁 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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WO2014157207A1 (en) | 2014-10-02 |
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