JPWO2015151914A1 - 有機金属錯体の合成方法及び当該合成方法により合成された化合物を用いた有機エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

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Abstract

本発明の課題は、中心金属イオンに対し、配位性を持った置換基を有する有機金属錯体の合成方法を提供することである。本発明の有機金属錯体の合成方法は、一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体における置換基RX及びRX′を、一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体における置換基RB及びRB′に、それぞれ変換することを特徴とする。【化1】【化2】

Description

本発明は、有機金属錯体の合成方法及び当該合成方法により合成された化合物を用いた有機エレクトロルミネッセンス素子に関する。より詳しくは、中心金属イオンに対し、配位性を持った置換基を有する有機金属錯体の合成方法、及び当該合成方法により合成された化合物を用いた有機エレクトロルミネッセンス素子に関する。
有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、「有機EL素子」ともいう。)は、発光する化合物を含有する発光層を、陽極と陰極とで挟んだ構成を有し、電界を印加することにより、陽極から注入された正孔と陰極から注入された電子を発光層内で再結合させることで励起子(エキシトン)を生成させ、このエキシトンが失活する際の光の放出(蛍光・リン光)を利用した発光素子である。また、有機EL素子は、電極と電極との間を厚さわずか100〜300nm程度の有機材料の膜で構成する全固体素子であり、数V〜数十V程度の電圧で発光が可能であることから、次世代の平面ディスプレイや照明への利用が期待されている。
実用化に向けた有機EL素子の開発としては、プリンストン大より、励起三重項からのリン光発光を用いる有機EL素子の報告がされて(例えば、非特許文献1参照。)以来、室温でリン光を示す材料の研究が活発になってきている(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照。)。
このようなリン光発光性の化合物は、その構造を変化させることにより用途に応じた発光色を表現することが可能であり、J.Am.Chem.Soc.,107巻,1431ページ(1985年)に記載のトリスフェニルピリジンイリジウム錯体、J.Am.Chem.Soc.,125巻,12971ページ(2003年)に記載のトリスフェニルイソキノリンイリジウム錯体、Chem.Mater.,18巻,5119(2006年)に記載のトリスフェニルトリアゾール錯体のように、B(青色)、G(緑色)及びR(赤色)の各色に発光するリン光発光性錯体が既に見出されている。中でも、高い発光効率や長い発光寿命の観点から、イリジウムをはじめとする重金属を用いた有機金属錯体が数多く検討されているが、発光量子効率、発光スペクトル形状、錯体の熱安定性など、未だ改良の余地が多数残存し、その改良が要望されている。
有機金属錯体の発光波長をコントロールする技術としては、金属種、配位子骨格、配位子の置換基を変化させることなどが一般的である。このほかに錯体を恣意的に凝集させたり、ホストと会合体を形成させるという技術も存在はするが、これらは基本的にリン光発光の最大の利点である発光効率を著しく低下させる方法であり、実用にはなり得ない。
リン光錯体の中でも、特に、発光波長を短波化させる技術は青色リン光発光化合物(以後、青色リン光ドーパントと称す。)の開発において重要であり、発光波長を短波にするには適切な配位子骨格の選択や、置換基種類及び置換位置などの複数の技術を組合せて最適化する必要がある。
青色リン光ドーパントに用いられる配位子骨格としては、中心金属と共有結合を生じる6員の芳香族環と、中心金属と配位結合を生じる5員の窒素原子を含有した芳香族複素環とを有する多座配位子(多くは二座である。)が好適であることが見出されており、これらの骨格を中心に検討がなされている。
一方で、適切な配位子を設計できたとしても、合成反応上の問題から所望の錯体が得られない場合がある。
短波化が期待できる置換基は、一般的に、イリジウムや白金などの中心金属イオンに対して高い配位能力を有することが多く、これらの置換基を錯体形成前の配位子にあらかじめ導入してしまうと、複数の金属配位性部位を持ってしまう。そのため、配位子と金属イオンとを反応させたときに、所望の錯構造が得られない場合や、得られた場合でもさまざまな錯体の混合物となって精製が困難あるいは所望の量が得られないという問題があった。また、紙上では設計できても、実質上合成できない錯体が相当な数で存在してしまい、産業発展のための大きな足かせとなっていた。
この問題を解決するために、ベースとなる錯体を合成した上で、その錯体に対して新たな置換基を置換反応又は付加反応で導入する合成方法が試みられており、例えば、特許文献1、非特許文献1及び2には、リン光発光性有機金属錯体を形成後に各種反応により、置換基を導入する一例が開示されている。
しかしながら、これら文献には、前述した青色リン光ドーパントに適した窒素原子を含む5員の芳香族複素環を有する配位子において、置換基の変換を行った例は開示されていない。つまり、いずれの特許文献においても、発光波長が短波長の青色リン光ドーパントを得るための試みは成されていないのが実情である。
特表2006−501144号公報
Adv.Funct.Mater.,2012,22,3406−3413 Eur.J.Inorg.Chem.,2011,5360−5369
本発明は、上記問題・状況に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、中心金属イオンに対し、配位性を持った置換基を有する有機金属錯体の合成方法、及び当該合成方法により合成された化合物を用いた有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することである。
特には、短波長の発光を有する青色リン光ドーパントとしての有機金属錯体の合成方法を提供することである。
本発明者は、上記課題を解決すべく、上記問題の原因等について検討する過程において、後述する一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体における置換基RX及びRX′を、後述する一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体における置換基RB及びRB′に、それぞれ変換することにより、中心金属イオンに対し、配位性を持った置換基を有する有機金属錯体の合成方法を提供できることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明に係る上記課題は、以下の手段により解決される。
1.下記一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体の合成方法であって、
下記一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体における置換基RX及びRX′を、前記一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体における置換基RB及びRB′に、それぞれ変換することを特徴とする有機金属錯体の合成方法。
Figure 2015151914
(一般式(1)中、A11〜A16で構成される環は、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環を表す。A11〜A16は、それぞれ独立に、炭素原子又は窒素原子を表す。A11は、中心金属Mと共有結合を形成する。B11〜B15で構成される環は、芳香族複素環を表す。B11及びB12は、それぞれ独立に、炭素原子又は窒素原子を表し、B13〜B15は、それぞれ独立に、炭素原子、窒素原子又は酸素原子を表すが、B11〜B15のうち少なくとも二つは窒素原子を表す。B11は、中心金属Mと配位結合を形成する。Raは置換基を表し、pは0〜4の整数を表す。Rbは置換基を表し、qは0〜3の整数を表す。Ra及びRbがそれぞれ複数存在する場合、Ra及びRbはそれぞれ同じであっても異なっていてもよい。また、Ra及びRbは、それぞれ自体が結合して環構造を形成してもよいし、RaとRbとが互いに結合して環構造を形成してもよい。RB及びRB′は、それぞれ独立に、非共有電子対を持つ窒素原子、硫黄原子及びリン原子のいずれかを構成元素として有する置換基、又はヒドロキシ基を表す。r及びr′は、それぞれ独立に、0以上の整数を表すが、r+r′≧1である。また、0≦p+r′≦4及び0≦q+r≦3である。Mは、イリジウム又は白金を表す。Lは、モノアニオン性の二座配位子を表す。nは1〜3の整数を表し、mは0〜2の整数を表すが、m+nは2又は3である。)
Figure 2015151914
(一般式(2)中、RX及びRX′は、それぞれRB及びRB′に変換可能な基を表す。A11〜A16、B11〜B15、Ra、p、Rb、q、r、r′、M、L、n及びmは、それぞれ一般式(1)におけるA11〜A16、B11〜B15、Ra、p、Rb、q、r、r′、M、L、n及びmと同義である。なお、一般式(1)におけるRa、Rb、RB及びRB′が結合している位置と、一般式(2)におけるRa、Rb、RX及びRX′が結合している位置とは、それぞれ同一である。)
2.前記一般式(1)におけるRB及びRB′で表される基が、炭素−窒素二重結合を有する基、シアノ基及びチオール基のいずれかを含む基であることを特徴とする第1項に記載の有機金属錯体の合成方法。
3.前記一般式(1)におけるRB又はRB′が、シアノ基であることを特徴とする第2項に記載の有機金属錯体の合成方法。
4.前記一般式(2)におけるRX及びRX′で表される基が、ハロゲン原子、スルホニルオキシ基、カルボキシ基、ホルミル基又はカルバモイル基であることを特徴とする第1項から第3項までのいずれか一項に記載の有機金属錯体の合成方法。
5.前記一般式(1)及び(2)におけるB11〜B15で構成される環が、イミダゾール環であることを特徴とする第1項から第4項までのいずれか一項に記載の有機金属錯体の合成方法。
6.前記一般式(1)及び(2)におけるB11〜B15で構成される環が、ピラゾール環であることを特徴とする第1項から第4項までのいずれか一項に記載の有機金属錯体の合成方法。
7.前記一般式(1)及び(2)におけるB11〜B15で構成される環が、トリアゾール環であることを特徴とする第1項から第4項までのいずれか一項に記載の有機金属錯体の合成方法。
8.第1項から第7項までのいずれか一項に記載の有機金属錯体の合成方法により合成された化合物が用いられていることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
本発明の上記手段により、中心金属イオンに対し、配位性をもった置換基を有する有機金属錯体の合成方法、及び当該合成方法により合成された化合物を用いた有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することができる。
本発明の効果の発現機構・作用機構については明確になっていないが、以下のように推察している。
我々は、長期にわたり、青色リン光ドーパントの研究開発を行ってきた。その中で青色リン光ドーパント固有の課題も理解している。例えば、バンドギャップの問題では、一重項励起状態よりもエネルギー的に低い準位にある三重項励起状態から青色発光を得るためには、ドーパント自体のバンドギャップを大きくしておかなければならない。通常、分子の安定化をはかるためにはπ共役を拡張することが常套手段であり、例えば、安定性の点で実用化されている緑色リン光ドーパント(例えば、Ir(ppy))をベースにπ系を拡張すると赤色リン光ドーパント(例えば、Ir(piq))が構築できるが、この手法を青色リン光ドーパントに適用することはできない。
Figure 2015151914
もう一つの手段として、置換基の電子的効果による短波長化がある。当該手法は、所望の発光波長を得るのに有効であり、緑色リン光ドーパントをベースに青色リン光ドーパントに導くことも可能である。しかしながら、例えば、最も代表的なフェニルピリジンを配位子として有するIr錯体に各種置換基を導入することにより発光波長を短波長化できるものの、図1に示されるように、フェニルピリジンを配位子として有するIr錯体では発光波長の短波長化にともなって有機EL素子の発光寿命が低下するといった好ましくない相関があり、置換基だけでは不可能であることを我々は見出している。
青色に発光する錯体については、世界中の研究機関や企業においてその開発がなされており、良好な発光性能を示すものには化学構造上の共通性がある。例えば、応用物理学会誌、第80巻、第4号(2011)のp.292、図4に掲載されている代表的な青色リン光ドーパントがその端的な例であるが、全ての錯体において金属種によらず、配位子には含窒素5員環の部分構造を含有することがその共通点である。
この理由として、青色リン光発光させるためには、励起三重項状態のエネルギー準位が極めて高い不安定状態における錯体の安定性が重要であるため、と推察される。青色リン光発光を生じる非常に高い励起三重項状態(以下、T状態ともいう。)においては、発光する物質の錯安定性が重要で、そのためにはイリジウムや白金などの原子半径の大きな金属元素を歪みなく内部に包含させて錯体を組む必要がある。このような安定な錯体を組むにはIr(ppy)のような6員−6員のフェニルピリジンよりも、下記に示す代表的な青色リン光ドーパントに示されるように、フェニルピラゾール、フェニルイミダゾール、ピリジルトリアゾールなどの6員−5員で形成される配位子を用いるほうが、形状合致性の点で錯安定性が高くなり、ドーパントとして好ましくなるためであると考えられる。
Figure 2015151914
一方で、このような5員環部分に配位子構造を持たせるには大きな問題がある。上記に示される青色リン光ドーパントからもわかるように、5員環部分は窒素原子を2個以上有するアゾール類であることがほとんどであり、この場合、金属イオンと配位結合を形成しない窒素原子が存在してしまう。さらに、この配位子の6員環部分及び/又は5員環部分に金属イオンと配位可能な置換基を入れてしまうと、そのような複数の金属配位性部位を持つ配位子と金属イオンとを反応させたときに所望の錯構造が得られることはごくまれとなり、ほとんどの場合様々な錯体の混合物となってしまい、取り出せなかったり、仮に分取ゲル浸透クロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography:GPC)や分取高速液体クロマトグラフィー(High Performance Liquid Chromatography:HPLC)などの高度分離技術を駆使して目的物を取り出せたとしても、ごく微量のため、その後の昇華精製ができない、再結晶等の精製技術を組み合わせられない等、いずれにしても産業に適用できるほどの量を安価に製造することは不可能であった。
このような錯形成反応に悪影響を与える置換基としては、基本的にイリジウムや白金などの遷移金属イオンと高い配位能力を持った化合物又は置換基であるといえ、例えば、シアノ基、イソシアノ基、イミノ基、ホスフィンオキシド基、スルフィンオキシド基、チオール基、チオ酢酸基などの極性の高い含窒素、含硫黄又は含リンの置換基、更に、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン等の含窒素6員芳香族複素環から導出される基、ピロール、ピラゾール、イミダゾール、トリアゾール、テトラゾール、オキサゾール、チアゾール、オキサジアゾール、チアジアゾール等の含窒素5員芳香族複素環から導出される基、これら含窒素芳香族複素環のN位酸化物(例えば、ピリジンオキシド、イミダゾールオキシドなどのN→Oで表現されるオキシド部分)などが挙げられ、これらのような置換基は、配位子にあらかじめ導入しておいても、それを含有した所望の錯体はほとんど形成されない。
しかしながら、上記のように、青色リン光ドーパントに代表される遷移金属錯体を発光物質とする有機EL素子においては、発光波長と発光波形とを適性化するためには、配位子骨格の選択、置換基の選択及び置換位置などを全て駆使しなければならず、紙上では描けても実質上合成できない錯体が相当な数で存在してしまうことは、産業発展のための大きな足かせであった。
この問題点を克服するために、ベースとなる錯体を合成した上で、その錯体に対して新たな置換基を置換反応又は付加反応で導入する合成方法が試みられており、例えば、特許文献1、非特許文献1及び2には、リン光発光性有機金属錯体を形成後に、各種反応により置換基を導入する一例が開示されている。
しかし、これらの文献には、前述の青色リン光ドーパントに適した窒素原子を含む5員芳香族複素環を有する配位子に対して、置換基の変換を行った例は開示されていない。また、開示されている合成方法は、金属と共有結合を形成している環に対して置換基の変換を行っており、金属と配位結合している環上の置換基の変換は、上記文献を含め、これまでの刊行物には開示されてないのが実情である。
もう一度整理してみると、上記のような金属イオンに対して、高い配位性を持つ置換基が導入されていて最も困る(錯反応が所望のとおり進まない)部位は、5員環部分、次に6員環部分となる。これは、5員環部分に既に一つ以上(多くの場合、二つ以上)の配位性窒素があることに由来すると考えられる。
我々はこの問題点を克服するために、上記のような導入が困難な、金属イオンに対し高い配位性を持つ置換基をベースとなる錯体に付与することで、所望の分子構造を持つ新たなリン光発光性の遷移金属錯体を得る手法を見出し、本発明を完成するに至った。
本来、錯体の合成しやすさと錯体の性能とは一致しないものである。本発明により新たに実用レベルで合成可能になってくる錯体は数多く存在するはずであるが、一部の特許文献にはごく微量しか合成できない場合においても化学構造の記載がなされており、産業上の利点という意味では、本願発明は画期的なものであり、そのようなたまたま記載されていてその性能もよくわかっていないような発光性遷移金属錯体とは区別されるべきものであると考えられる。
本発明に適用する素反応自体は従来知られたものばかりであるが、それらを巧みに組合せ、更にベースとなる錯体の錯形成が可能で、かつ、続いて行う置換又は付加反応に好適な離脱基や変換可能基をあらかじめ導入しておく本手法は、有機合成化学の観点だけでは当たり前に見えるかも知れないが、産業上の利点の観点から見れば、リン光ドーパント開発、とりわけ青色リン光ドーパント開発においては、この手法を用いることにより合成上の問題点から脱却し、本来あるべき置換基をあるべき位置に導入し、あるべき配位子構造を持つ、あるべき遷移金属錯体がはじめて合成できるようになる類いまれな手法であるといえ、この発明の意義が大きいものと考えている。
フェニルピリジンを配位子として有するIr錯体の発光波長に対する相対的な発光寿命を示すグラフ
本発明の有機金属錯体の合成方法は、後述する一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体における置換基RX及びRX′を、後述する一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体における置換基RB及びRB′に、それぞれ変換することを特徴とする。この特徴は、請求項1から請求項8までの請求項に係る発明に共通する技術的特徴である。
本発明の実施態様としては、色度の調整、すなわち置換基の電子的効果による短波長化の観点から、好ましくは一般式(1)におけるRB及びRB′で表される基が、炭素−窒素(−C=N−)二重結合を有する基、シアノ基及びチオール基のいずれかを含有する基であること、より好ましくはシアノ基であること、また、一般式(1)(及び(2))におけるB11〜B15で構成される環が、イミダゾール環、ピラゾール環又はトリアゾール環であることが好ましい。
また、一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体の合成が容易であることから、一般式(2)におけるRX及びRX′で表される基が、ハロゲン原子、スルホニルオキシ基、カルボキシ基、ホルミル基又はカルバモイル基であることが好ましい。
本発明の有機金属錯体の合成方法により合成された化合物は、有機エレクトロルミネッセンス素子に好適に用いられる。
以下、本発明とその構成要素、及び本発明を実施するための形態・態様について詳細な説明をする。なお、本願において、数値範囲を表す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用している。
≪一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体≫
本発明に係る有機金属錯体は、下記一般式(1)で表される構造を有している。
Figure 2015151914
一般式(1)中、A11〜A16で構成される環は、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環を表す。A11〜A16は、それぞれ独立に、炭素原子又は窒素原子を表す。A11は、中心金属Mと共有結合を形成する。B11〜B15で構成される環は、芳香族複素環を表す。B11及びB12は、それぞれ独立に、炭素原子又は窒素原子を表し、B13〜B15は、それぞれ独立に、炭素原子、窒素原子又は酸素原子を表すが、B11〜B15のうち少なくとも二つは窒素原子を表す。B11は、中心金属Mと配位結合を形成する。Raは置換基を表し、pは0〜4の整数を表す。Rbは置換基を表し、qは0〜3の整数を表す。Ra及びRbがそれぞれ複数存在する場合、Ra及びRbはそれぞれ同じであっても異なっていてもよい。また、Ra及びRbは、それぞれ自体が結合して環構造を形成してもよいし、RaとRbとが互いに結合して環構造を形成してもよい。RB及びRB′は、それぞれ独立に、非共有電子対を持つ窒素原子、硫黄原子及びリン原子のいずれかを構成元素として有する置換基、又はヒドロキシ基を表す。r及びr′は、それぞれ独立に、0以上の整数を表すが、r+r′≧1である。また、0≦p+r′≦4及び0≦q+r≦3である。Mは、イリジウム又は白金を表す。Lは、モノアニオン性の二座配位子を表す。nは1〜3の整数を表し、mは0〜2の整数を表すが、m+nは2又は3である。
11〜A16で構成される芳香族炭化水素環又は芳香族複素環としては、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、ベンゾフラン環、ベンゾチオフェン環、インドール環、カルバゾール環、ジベンゾフラン環、ジベンゾチオフェン環、ピリジン環、ピリミジン環、ピラジン環、ピリダジン環等が挙げられる。
11〜B15で構成される芳香族複素環としては、イミダゾール環、ピラゾール環、トリアゾール環、オキサゾール環、チアゾール環、ベンイミダゾール環、ベンズチアゾール環等が挙げられ、好ましいのはイミダゾール環、ピラゾール環又はトリアゾール環である。
Ra及びRbで表される置換基としては、本発明に係る化合物の機能を阻害しない範囲であれば特に制限されず、例えば、重水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、カルボニル基、アミノ基、シリル基、ヒドロキシ基、チオール基、ホスフィンオキシド基、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基、非芳香族炭化水素環基、非芳香族複素環基、ホスフィノ基、スルホニル基、ニトロ基等が挙げられる。これらの置換基は、更に置換基を有していてもよく、例えば、ヒドロキシ基が更にアルキル基で置換されアルコキシ基を形成していてもよい。
また、Ra、Rbが複数存在する場合、RaとRbとが互いに結合して環構造を形成してもよく、そのような環構造としては、具体的にはイミダゾフェナンスリジンが挙げられる。
RB及びRB′は、それぞれ独立に、非共有電子対を持つ窒素原子、硫黄原子、リン原子のいずれかを構成元素として有する置換基、又はヒドロキシ基を表す。
非共有電子対を持つ窒素原子を構成原子として有する置換基としては、アミノ基、シアノ基、−C=N−二重結合を有する基が挙げられる。アミノ基は、アルキル基、アリール基で置換されていてもよい。−C=N−二重結合を有する基としては、芳香族複素環基(具体的には、ピリジル基、ピリミジル基、ピラジル基、ピラゾリル基、イミダゾリル基、トリアゾリル基)が挙げられる。
非共有電子対を持つ硫黄原子を構成原子として有する置換基としては、チオール基(メルカプト基ともいう。)、スルフィド基等が挙げられる。
非共有電子対を持つリン原子を構成原子として有する置換基としては、ホスフィノ基が挙げられる。ホスフィノ基は、アルキル基、アリール基で置換されていてもよい。
これらの中でも、−C=N−二重結合を有する基、シアノ基及びチオール基のいずれかを含む基であることが好ましく、シアノ基であることがより好ましい。
以下に、一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体として具体的なものを挙げるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
≪一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体≫
上記一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体は、下記一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体における置換基RX及びRX′を、それぞれ変換することにより合成される。
Figure 2015151914
一般式(2)中、RX及びRX′は、それぞれRB及びRB′に変換可能な基を表す。A11〜A16、B11〜B15、Ra、p、Rb、q、r、r′、M、L、n及びmは、それぞれ一般式(1)におけるA11〜A16、B11〜B15、Ra、p、Rb、q、r、r′、M、L、n及びmと同義である。なお、一般式(1)におけるRa、Rb、RB及びRB′が結合している位置と、一般式(2)におけるRa、Rb、RX及びRX′が結合している位置とは、それぞれ同一である。
一般式(2)におけるRX及びRX′は、それぞれRB又はRB′に変換可能な基を表す。RB又はRB′に変換可能な基としては、置換反応、付加反応等の公知の合成方法により、RX又はRX′部位にてそれぞれ置換可能な基であれば特に制限されない。例えば、RB又はRB′に変換可能な基として、水中でのpKaが15以下の酸の共役塩基に相当する基が挙げられる。
RB又はRB′に変換可能な基としては、ハロゲン原子(例えば、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)、スルホニルオキシ基(例えば、トリフルオロメタンスルホニル基、メタンスルホニル基、p−トルエンスルホニル基、p−クロロベンゼンスルホニル基等)、アリールオキシ基(例えば、フェノキシ基、p−ニトロフェノキシ基等)、アシルオキシ基(例えば、アセチル基、トリフルオロアセチル基、m−クロロベンゾイルオキシ基等)が好ましい。
また、RX及びRX′で表されるRB又はRB′に変換可能な基として、−COA(Aは水素原子、ヒドロキシ基、アルコキシ基、アミノ基を表す。)で表される基、アルデヒドとヒドロキシルアミンとの反応で得られるヒドロキシルイミノメチル基も好ましい。
これらの中でも、ハロゲン原子、スルホニルオキシ基、カルボキシ基、ホルミル基又はカルバモイル基がより好ましい。
一般式(1)及び(2)において、RB及びRXが置換している位置はB14又はB15であることが好ましい。
以下に、一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体の具体的なものを挙げるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
Figure 2015151914
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一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体は、国際公開第07/097149号等に記載の公知の合成法を用いて合成することが可能である。
≪有機金属錯体の合成方法≫
一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体から、一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体を合成する反応としては、特に限定されるものではないが、例えば、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)触媒の存在下で有機ハロゲン化物(R−X)と、有機金属化合物(R′−M)を反応させ、炭素−炭素(又は窒素)結合を形成するクロスカップリングを用いて行うことができる。具体的には、J.Am.Chem.Soc.,94,4374(1972)、Bull.Chem.Soc.Jpn.,49,1958(1976)等に記載のTamao−Kumada−Corriu反応、J.Org.Chem.,42,1821(1977)に等に記載のNegishi反応、J.Organomet.Chem.,653,50(2002)に記載のKosugi−Migita−Stille反応、Chem.Rev.,95,2457(1995)に記載のSuzuki−Miyaura反応、J.Org.Chem.,53,918(1988)に記載のHiyama反応、Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,34,1348(1995)、Acc.Chem.Res.,31,805(1998)、Acc.Chem.Res.,31,851(1998)等に記載のBuchwald−Hartwig反応が挙げられる。
これらの反応において、一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体を一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体へ変換するのに使用する反応試薬は、上記文献を参考にして、一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体(モル数n)に対して、モル数でn×100%〜n×3000%の範囲内で用いることができる。
上記合成方法に用いる溶媒は、上記文献を参考にして、使用する反応の種類に応じて適切に選択することができる。
本発明の合成方法にパラジウム、ニッケル等の触媒を用いる場合は、上記文献を参考にして、一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体に対して、モル数でn×0.1%〜n×100%の範囲内で用いることができる。
また、Ullmann,F.,Bielecki,J.Ber.Dtsch.Chem.Ges.1901,34,2174、J.Org.Chem.69,5578(2004)に記載の金属銅又は一価の銅イオンと適切な配位子を用いたカップリング反応を用いることもできる。
このカップリング反応において、一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体を一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体へ変換するのに使用する反応試薬は、上記文献を参考にして、一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体(モル数n)に対して、モル数でn×100%〜n×3000%の範囲内で用いることができる。
また、用いる溶媒は、上記文献を参考にして、使用する反応の種類に応じて適切に選択することができる。
また、用いる銅化合物は、上記文献を参考にして、一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体に対して、モル数でn×0.1%〜n×1000%の範囲内で用いることができる。
一般式(1)中におけるRB、RB′がシアノ基である場合は、従来用いられているアルデヒドオキシム又はカルバモイル基の分子内脱水によるシアノ基への変換のほか、特表2006−513278号公報に記載の有機ハロゲン化物と金属シアン化物の反応を参考にして行うことができる。
本発明の合成法において、使用する反応試薬は、上記文献を参考にして、一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体(モル数n)に対して、モル数でn×100%〜n×3000%の範囲内で用いることができる。
上記合成方法に使用する溶媒は非プロトン溶媒であり、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリルのようなニトリル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリジノンのようなN,N−ジアルキルアミド類、ジメチルスルホキシドのようなスルホキシド類、スルホンジメチルスルホン、スルホランのようなスルホン類、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、オルトジクロロベンゼン、アニソールのような置換又は無置換の芳香族炭化水素類が挙げられる。
本発明の合成方法における反応温度としては、60〜200℃の範囲内、好ましくは80〜180℃の範囲内、特に好ましくは90〜170℃の範囲内である。
本発明の合成方法により合成した化合物は、再結晶、クロマトグラフィー、昇華精製等の精製法を用いて、有機EL素子に使用可能な純度まで精製することが可能である。
≪有機EL素子の層構成≫
本発明に係る一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体は、有機EL素子に好適に用いることができる。
有機EL素子における代表的な素子構成としては、以下の構成を上げることができるが、これらに限定されるものではない。
(i)陽極/発光層/陰極
(ii)陽極/発光層/電子輸送層/陰極
(iii)陽極/正孔輸送層/発光層/陰極
(iv)陽極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/陰極
(v)陽極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/電子注入層/陰極
(vi)陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/陰極
(vii)陽極/正孔注入層/正孔輸送層/(電子阻止層/)発光層/(正孔阻止層/)電子輸送層/電子注入層/陰極
上記の中でも(vii)の構成が好ましく用いられるが、これに限定されるものではない。
発光層は、単層又は複数層で構成されており、発光層が複数の場合は各発光層の間に非発光性の中間層を設けてもよい。
必要に応じて、発光層と陰極との間に正孔阻止層(正孔障壁層ともいう。)や電子注入層(陰極バッファー層ともいう。)を設けてもよく、また、発光層と陽極との間に電子阻止層(電子障壁層ともいう。)や正孔注入層(陽極バッファー層ともいう。)を設けてもよい。
電子輸送層とは、電子を輸送する機能を有する層であり、広い意味で電子注入層、正孔阻止層も電子輸送層に含まれる。また、複数層で構成されていてもよい。
正孔輸送層とは、正孔を輸送する機能を有する層であり、広い意味で正孔注入層、電子阻止層も正孔輸送層に含まれる。また、複数層で構成されていてもよい。
上記の代表的な素子構成において、陽極と陰極とを除いた層を「有機層」ともいう。
また、有機EL素子は、少なくとも1層の発光層を含む発光ユニットを複数積層した、いわゆるタンデム構造の素子であってもよい。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[実施例1]
≪有機金属錯体の合成≫
(1)例示化合物1−10の合成
以下の手順に従って、例示化合物2−7から例示化合物1−10を合成した。
Figure 2015151914
1.21g(1.0mmol)の例示化合物2−7、シアン化亜鉛0.47g(4.0mmol)、ビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウム(Pd(dba))29mg(0.048mmol)、トリ−t−ブチルホスフィン30mg(0.15mmol)をN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)30ml中で、90℃で加熱しながら4時間撹拌した。反応液を放冷後、不溶物をろ別し、ろ液成分に水を加え酢酸エチルで抽出した。有機相は水洗を繰り返し、無水硫酸マグネシウムで乾燥させ、減圧下で溶媒を留去して得られる濃縮物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した。目的物を含有する溶離液を減圧下で濃縮し、メタノール中に縣濁し、ろ過、乾燥することにより、例示化合物1−10を0.75g(収率71%)得た。
得られた化合物について、質量分析(MS)スペクトル及び核磁気共鳴(H−NMR)スペクトル解析を行い、例示化合物1−10であることを同定した。
H−NMRスペクトルの結果を以下に示す。
H−NMR(CDCl、400MHz):δ(ppm vs.TMS)=7.32(s、3H)、7.13(s、3H)、7.05(s、3H)、7.32(s、3H)、6.63〜6.59(m、3H)、6.54〜6.48(m、2H)、6.33〜6.31(m、3H)、2.41(s、9H)、2.24(s、9H)、1.76(s、9H)
(2)例示化合物1−10の合成
以下の手順に従って、例示化合物2−13から例示化合物1−10を合成した。
Figure 2015151914
窒素雰囲気下、0.50g(0.47mmol)の例示化合物2−13をメタノール100mlに縣濁し、0.20gのヒドロキシルアミン塩酸塩、0.3g(2.9mmol)のトリエチルアミンを加え、50℃で加熱しながら、2時間撹拌した。反応液を減圧下で濃縮し、得られる固体を水で洗浄し、更にメタノールで洗浄した後、乾燥した。この固体に無水酢酸5ml、テトラヒドロフラン(THF)10mlを加え、加熱還流下で10時間反応させた。反応液を減圧下で濃縮し、得られた固体を水、次いでメタノールで洗浄した後、シリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製することにより、例示化合物1−10を0.29g(収率58%)得た。
得られた化合物について、上記(1)と同様にして、MSスペクトル及びH−NMRスペクトル解析を行い、例示化合物1−10であることを同定した。
(3)従来の合成方法による例示化合物1−10の合成検討
以下の手順に従って、比較化合物1から例示化合物1−10の合成を試みた。
Figure 2015151914
窒素雰囲気下、1.0g(3.48mmol)の比較化合物1、酢酸イリジウム0.13g(0.35mmol)をエチレングリコール20ml中に縣濁し、160℃で加熱しながら8時間反応させた。反応液は、褐色の溶液となった。
高速液体クロマトグラフィーで反応液を分析したが、例示化合物1−10に相当する生成物は全く検出されなかった。
(4)例示化合物1−37の合成
以下の手順に従って、例示化合物2−10から例示化合物1−37を合成した。
Figure 2015151914
窒雰囲気下、268mg(0.2mmol)の例示化合物2−10、100mg(0.8mmol)の3−ピリジルボロン酸をジオキサン20mlに溶解し、炭酸ナトリウム200mg、水5ml、テトラキストリフェニルホスフィンパラジウム50mgを加え、加熱還流下6時間反応させた。反応液を放冷した後、酢酸エチルで抽出した。有機相は水洗を繰り返し、溶媒を減圧下で留去して得られた濃縮物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製することにより、例示化合物1−37を179mg(収率67%)得た。
得られた化合物について、上記(1)と同様にして、MSスペクトル及びH−NMRスペクトル解析を行い、例示化合物1−37であることを同定した。
(5)例示化合物1−58の合成
以下の手順に従って、例示化合物2−43から例示化合物1−58を合成した。
Figure 2015151914
窒雰囲気下、4.56g(5.0mmol)の例示化合物2−43、2.69g(30.0mmol)のシアン化銅(I)をN,N−ジメチルアセトアミド(DMA)90ml中、150℃で45時間反応させた。反応液を放冷した後、不溶物をろ別し、ろ液成分に水を加え、酢酸エチルで抽出した。有機相は水洗を繰り返し、溶媒を減圧下で留去して得られた濃縮物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製することにより、例示化合物1−58を2.14g(収率57%)得た。
得られた化合物について、上記(1)と同様にして、MSスペクトル及びH−NMRスペクトル解析を行い、例示化合物1−58であることを同定した。
(6)例示化合物1−85の合成
以下の手順に従って、例示化合物2−72から例示化合物1−85を合成した。
Figure 2015151914
窒素雰囲気下、1.66g(1.0mmol)の例示化合物2−72、シアン化亜鉛1.06g(9.0mmol)、ビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウム60mg(0.1mmol)、トリ−t−ブチルホスフィン61mg(0.3mmol)、亜鉛末40mg(0.6mmol)をN−メチルピロリドン(NMP)50ml中で、160℃で加熱しながら4時間撹拌した。反応液を放冷後、不溶物をろ別し、ろ液成分に水を加え、酢酸エチルで抽出した。有機相は水洗を繰り返し、無水硫酸マグネシウムで乾燥させ、減圧下で溶媒を留去して得られる濃縮物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した。目的物を含有する溶離液を減圧下で濃縮し、メタノール中に縣濁し、ろ過、乾燥することにより、例示化合物1−85を0.51g(収率45%)得た。
得られた化合物について、上記(1)と同様にして、MSスペクトル及びH−NMRスペクトル解析を行い、例示化合物1−85であることを同定した。
(7)例示化合物1−97の合成
以下の手順に従って、例示化合物2−7から例示化合物1−97を合成した。
Figure 2015151914
(7.1)中間体Aの合成
ブロモジメチルスルホニウムブロマイド100mg(0.45mmol)、チオシアン酸アンモニウム114mg(1.5mmol)をアセトニトリル50ml中に縣濁し、例示化合物2−7を122mg(0.10mmol)加え、室温(25℃)で3時間撹拌し反応させた。反応液を飽和炭酸水素ナトリウム水溶液100mlに加え、析出する固体をろ取し、塩化メチレンで洗浄した。塩化メチレン相を水洗し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下で溶媒を留去した。得られる固体をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製することにより、中間体Aを104mg(収率91%)得た。
(7.2)例示化合物1−97の合成
100mg(0.0871mmol)の中間体AをTHF15mlに溶解し、水素化リチウムアルミニウム50mg(1.32mmol)を加え、5℃以下を保ちながら2時間反応させた。反応液に塩化アンモニウム水溶液を加え、塩化メチレンで抽出した。有機相は、水洗し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下で溶媒を留去して得られる残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製することにより、例示化合物1−97を72mg(収率72%)得た。
得られた化合物について、上記(1)と同様にして、MSスペクトル及びH−NMRスペクトル解析を行い、例示化合物1−97であることを同定した。
(8)例示化合物1−30の合成
以下の手順に従って、例示化合物2−23から例示化合物1−30を合成した。
Figure 2015151914
268mg(0.2mmol)の例示化合物2−23、143mg(1.6mmol)のシアン化銅(I)をNMP5ml中、150℃で60時間反応させた。反応液を放冷した後、不溶物をろ別し、ろ液成分に水を加え、酢酸エチルで抽出した。有機相は水洗を繰り返し、溶媒を減圧下で留去して得られた濃縮物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製することにより、例示化合物1−30を158mg(収率67%)得た。
得られた化合物について、上記(1)と同様にして、MSスペクトル及びH−NMRスペクトル解析を行い、例示化合物1−30であることを同定した。
(9)例示化合物1−29の合成
以下の手順に従って、例示化合物2−12から例示化合物1−29を合成した。
Figure 2015151914
(9.1)中間体Bの合成
301mg(0.2mmol)の例示化合物2−12をアンモニアのメタノール溶液(7mol/L)10ml中に縣濁し、12時間室温(25℃)で撹拌した。反応液をろ過して、中間体Bを277mg(収率95%)得た。
(9.2)例示化合物1−29の合成
270mg(0.185mmol)の中間体Bをトルエン5ml中に縣濁し、五酸化二リン270mg(1.9mmol)を加え、加熱還流を4時間行った。反応液に水を加え、激しく撹拌した後、反応混合物中の固体をろ取し、メタノールで洗浄することにより、例示化合物1−29を208mg(収率80%)得た。
得られた化合物について、上記(1)と同様にして、MSスペクトル及びH−NMRスペクトル解析を行い、例示化合物1−29であることを同定した。
上記から明らかなように、本発明の合成方法を用いることにより、従来の合成方法では合成できなかった有機金属錯体を収率よく合成することが可能となる。
[実施例2]
50mm×50mm、厚さ0.7mmのガラス基板上に、陽極としてITO(インジウムチンオキシド)を150nmの厚さで成膜し、パターニングを行った後、このITO透明電極を付けた透明基板をイソプロピルアルコールで超音波洗浄し、乾燥窒素ガスで乾燥し、UVオゾン洗浄を5分間行った後、この透明基板を市販の真空蒸着装置の基板ホルダーに固定した。
この透明基板上に、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリスチレンスルホネート(PEDOT/PSS、Bayer製、Baytron P Al 4083)を純水で希釈した溶液をスリットコート法により成膜した後、140℃にて1時間乾燥し、層厚50nmの正孔注入層を設けた。
真空蒸着装置内の蒸着用るつぼの各々に、各層の構成材料を、各々素子作製に最適の量を充填した。蒸着用るつぼは、モリブデン製又はタングステン製の抵抗加熱用材料で作製されたものを用いた。
続いて、基板を大気に曝露することなく真空蒸着装置へ取り付けて、真空槽を真空度1×10−4Paまで減圧した後、下記α−NPDを蒸着速度0.1nm/秒で蒸着し、層厚70nmの正孔輸送層を形成した。
次いで、下記化合物H−1、例示化合物1−10が、それぞれ90%、10%の体積%になるように蒸着速度0.1nm/秒で共蒸着し、層厚15nmの発光層を形成した。
次いで、下記化合物HB−1を蒸着速度0.1nm/秒で蒸着し、層厚4.0nmの正孔阻止層を形成した。
その後、下記化合物E−1を蒸着速度0.1nm/秒で蒸着し、層厚45nmの電子輸送層を形成した。
さらに、フッ化カリウムを膜厚2.0nmで形成した後に、アルミニウム100nmを蒸着して、陰極を形成した。
Figure 2015151914
上記素子の非発光面側を、純度99.999%以上の高純度窒素ガスの雰囲気下、缶状ガラスケースで覆い、電極取り出し配線を設置して、有機EL素子を作製した。
作製した有機EL素子を、室温(約23〜25℃)、2.5mA/cmの定電流条件下で点灯させたところ、青色の発光が得られた。
本発明は、中心金属イオンに対し、配位性を持った置換基を有する有機金属錯体の合成方法、及び当該合成方法により合成された化合物を用いた有機EL素子を提供することに、特に好適に利用することができる。

Claims (8)

  1. 下記一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体の合成方法であって、
    下記一般式(2)で表される構造を有する有機金属錯体における置換基RX及びRX′を、前記一般式(1)で表される構造を有する有機金属錯体における置換基RB及びRB′に、それぞれ変換することを特徴とする有機金属錯体の合成方法。
    Figure 2015151914
    (一般式(1)中、A11〜A16で構成される環は、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環を表す。A11〜A16は、それぞれ独立に、炭素原子又は窒素原子を表す。A11は、中心金属Mと共有結合を形成する。B11〜B15で構成される環は、芳香族複素環を表す。B11及びB12は、それぞれ独立に、炭素原子又は窒素原子を表し、B13〜B15は、それぞれ独立に、炭素原子、窒素原子又は酸素原子を表すが、B11〜B15のうち少なくとも二つは窒素原子を表す。B11は、中心金属Mと配位結合を形成する。Raは置換基を表し、pは0〜4の整数を表す。Rbは置換基を表し、qは0〜3の整数を表す。Ra及びRbがそれぞれ複数存在する場合、Ra及びRbはそれぞれ同じであっても異なっていてもよい。また、Ra及びRbは、それぞれ自体が結合して環構造を形成してもよいし、RaとRbとが互いに結合して環構造を形成してもよい。RB及びRB′は、それぞれ独立に、非共有電子対を持つ窒素原子、硫黄原子及びリン原子のいずれかを構成元素として有する置換基、又はヒドロキシ基を表す。r及びr′は、それぞれ独立に、0以上の整数を表すが、r+r′≧1である。また、0≦p+r′≦4及び0≦q+r≦3である。Mは、イリジウム又は白金を表す。Lは、モノアニオン性の二座配位子を表す。nは1〜3の整数を表し、mは0〜2の整数を表すが、m+nは2又は3である。)
    Figure 2015151914
    (一般式(2)中、RX及びRX′は、それぞれRB及びRB′に変換可能な基を表す。A11〜A16、B11〜B15、Ra、p、Rb、q、r、r′、M、L、n及びmは、それぞれ一般式(1)におけるA11〜A16、B11〜B15、Ra、p、Rb、q、r、r′、M、L、n及びmと同義である。なお、一般式(1)におけるRa、Rb、RB及びRB′が結合している位置と、一般式(2)におけるRa、Rb、RX及びRX′が結合している位置とは、それぞれ同一である。)
  2. 前記一般式(1)におけるRB及びRB′で表される基が、炭素−窒素二重結合を有する基、シアノ基及びチオール基のいずれかを含む基であることを特徴とする請求項1に記載の有機金属錯体の合成方法。
  3. 前記一般式(1)におけるRB又はRB′が、シアノ基であることを特徴とする請求項2に記載の有機金属錯体の合成方法。
  4. 前記一般式(2)におけるRX及びRX′で表される基が、ハロゲン原子、スルホニルオキシ基、カルボキシ基、ホルミル基又はカルバモイル基であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の有機金属錯体の合成方法。
  5. 前記一般式(1)及び(2)におけるB11〜B15で構成される環が、イミダゾール環であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の有機金属錯体の合成方法。
  6. 前記一般式(1)及び(2)におけるB11〜B15で構成される環が、ピラゾール環であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の有機金属錯体の合成方法。
  7. 前記一般式(1)及び(2)におけるB11〜B15で構成される環が、トリアゾール環であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の有機金属錯体の合成方法。
  8. 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の有機金属錯体の合成方法により合成された化合物が用いられていることを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
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