JPWO2019093395A1 - Molecular design methods, programs, host materials, luminescent molecules and organic luminescent devices - Google Patents
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Abstract
分子における第1の電子状態nと該第1の電子状態nよりもエネルギーが低い第2の電子状態mとの間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数をVmn,αとしたとき、下記式(1)で表されるVmn,αの二乗和V2と、第1の電子状態nから第2の電子状態mへの内部転換の無輻射遷移速度定数knrが相関することに基づいて分子設計を行うことにより、計算コストを抑えながら、分子の無輻射遷移を的確に制御した分子設計を行うことができる。Ψnは第1の電子状態nの電子波動関数、Ψmは第2の電子状態mの電子波動関数、xは分子に含まれるN個の電子の空間座標およびスピン座標、rは分子に含まれるN個の電子の空間座標、Rは分子に含まれるM個の核の空間座標、H(r,R)は分子ハミルトニアン、R0は参照核配置、Qαは基準振動モードαの質量加重基準振動座標を表す。The off-diagonal electrokinetic interaction constants for the reference vibration mode α between the first electronic state n in the molecule and the second electronic state m whose energy is lower than that of the first electronic state n are Vmn, α. Then, based on the correlation between the sum of squares V2 of Vmn and α represented by the following equation (1) and the non-radiation transition rate constant knr of internal conversion from the first electronic state n to the second electronic state m. By performing the molecular design, it is possible to perform the molecular design in which the non-radiation transition of the molecule is accurately controlled while suppressing the calculation cost. Ψn is the electron wave function of the first electronic state n, Ψm is the electron wave function of the second electronic state m, x is the spatial and spin coordinates of N electrons contained in the molecule, and r is the N contained in the molecule. Spatial coordinates of one electron, R is the spatial coordinate of M nuclei contained in the molecule, H (r, R) is the molecular Hamiltonian, R0 is the reference nucleus arrangement, Qα is the mass-weighted reference vibration coordinate of the reference vibration mode α. Represent.
Description
本発明は、分子の無輻射遷移を制御した分子設計を行うことができる分子設計方法およびプログラム、無輻射遷移が制御されたホスト材料ならびに発光分子およびそれらのいずれかを用いた有機発光素子に関する。 The present invention relates to a molecular design method and program capable of performing molecular design in which a non-radiative transition of a molecule is controlled, a host material in which a non-radiative transition is controlled, a luminescent molecule, and an organic light emitting device using any of them.
分子における基本的な相互作用の一つとして、原子核の振動と電子状態の相互作用である非対角振電相互作用が知られており、2つの電子状態間の内部転換を引き起こし、励起状態の寿命や量子収率に関わることから重要視されている。
例えば、蛍光材料・ホスト材料やその他の有機エレクトロルミネッセンス素子材料、太陽電池材料、光触媒などの光機能材料において、その励起状態の電子エネルギーを発光・電荷分離・反応に効率的に利用するためには、励起状態の寿命に関わる励起状態間の非対角振電相互作用を抑制することが必要である。一方、紫外線吸収材料などの励起状態の寿命が短いことが望ましい材料もあり、この場合には非対角振電相互作用が大きいことが望ましい。いずれにせよ、非対角振電相互作用を制御することは光機能材料の開発において重要な課題である。
具体例として蛍光材料を挙げると、その蛍光量子収率ΦPLは、下記式(4)で与えられる。As one of the fundamental interactions in a molecule, an off-diagonal electrokinetic interaction, which is an interaction between the vibration of an atomic nucleus and an electronic state, is known, which causes an internal conversion between two electronic states and the lifetime of the excited state. It is regarded as important because it is related to the quantum yield.
For example, in order to efficiently utilize the electron energy in the excited state for light emission, charge separation, and reaction in optical functional materials such as fluorescent materials, host materials, other organic electroluminescence element materials, solar cell materials, and photocatalysts. It is necessary to suppress the off-diagonal fluorescence interaction between the excited states, which is related to the lifetime of the excited states. On the other hand, there are some materials such as an ultraviolet absorbing material in which the lifetime of the excited state is desirable, and in this case, it is desirable that the off-diagonal electrokinetic interaction is large. In any case, controlling off-diagonal oscillating interactions is an important issue in the development of optical functional materials.
Taking a fluorescent material as a specific example, the fluorescence quantum yield Φ PL is given by the following formula (4).
式(4)において、krは輻射遷移速度定数を表し、knrは無輻射遷移速度定数を表す。
式(4)から、蛍光量子収率ΦPLを向上させるためには、輻射遷移速度定数krに対して無輻射遷移速度定数knrが小さいことが必要であることが示される。なお、無輻射遷移は、非対角振電相互作用による内部転換とスピン軌道相互作用による系間交差に分けられるが、以下では、内部転換としての無輻射遷移を特に「無輻射遷移(内部転換)」といい、その内部転換過程での無輻射遷移速度定数を「無輻射遷移(内部転換)速度定数knr」という。
ここで、温度Tにおいて、電子状態nから電子状態mへ内部転換する過程での無輻射遷移(内部転換)速度定数knr n→m(T)は下記式(5)で表される(非特許文献1参照)。In the formula (4), k r denotes the radiative transition rate constant, k nr represents a non-radiative transition rate constant.
From the equation (4), it is shown that in order to improve the fluorescence quantum yield Φ PL , it is necessary that the non-radiation transition rate constant k nr is smaller than the radiation transition rate constant k r . The non-radiative transition is divided into internal conversion due to off-diagonal electrokinetic interaction and intersystem intersection due to spin orbital interaction. In the following, non-radiative transition as internal conversion is particularly referred to as "non-radiative transition (internal conversion)". The non-radiation transition rate constant in the internal conversion process is called "non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nr ".
Here, at the temperature T, the non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nrn → m (T) in the process of internal conversion from the electronic state n to the electronic state m is expressed by the following equation (5) (non-radiation transition). See Patent Document 1).
ここで、無輻射遷移(内部転換)速度定数knr n→mを決める非対角振電相互作用定数Vmn,αは下記式(2)で定義される。Here, the off-diagonal oscillating interaction constants V mn and α that determine the non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nrn → m are defined by the following equation (2).
式(2)において、Ψnは電子状態nの電子波動関数を表し、Ψmは電子状態mの電子波動関数を表し、xは分子に含まれるN個の電子の空間座標およびスピン座標を表し、rは分子に含まれるN個の電子の空間座標を表し、Rは分子に含まれるM個の核の空間座標を表し、H(r,R)は分子ハミルトニアンを表す。R0は参照核配置を表し、励起状態としての電子状態nの最適化構造に相当する。Qαは基準振動モードαの質量加重基準振動座標を表す。In equation (2), Ψ n represents the electron wave function of the electronic state n, Ψ m represents the electron wave function of the electronic state m, and x represents the spatial coordinates and spin coordinates of N electrons contained in the molecule. , R represent the spatial coordinates of N electrons contained in the molecule, R represents the spatial coordinates of the M nuclei contained in the molecule, and H (r, R) represents the molecular Hamiltonian. R 0 represents the reference nucleus arrangement and corresponds to the optimized structure of the electronic state n as the excited state. Q α represents the mass-weighted reference vibration coordinates of the reference vibration mode α.
一方、電子状態nと電子状態mの間の重なり密度(遷移密度)ρ(ri)は下記式(6)で定義される。On the other hand, the overlapping density (transition density) [rho (r i) between the electron state n and electronic m is defined by the following formula (6).
式(6)において、Ψnは電子状態nの電子波動関数を表し、Ψmは電子状態mの電子波動関数を表し、xは分子に含まれるN個の電子の空間座標およびスピン座標を表し、rは分子に含まれるN個の電子の空間座標を表し、Rは分子に含まれるM個の核の空間座標を表し、R0は参照核配置を表す。
ここで、重なり密度(遷移密度)ρ(ri)と非対角振電相互作用定数Vmn,αの間には下記式(7)の関係が成り立つ。In equation (6), Ψ n represents the electron wave function of the electronic state n, Ψ m represents the electron wave function of the electronic state m, and x represents the spatial coordinates and spin coordinates of N electrons contained in the molecule. , R represent the spatial coordinates of N electrons contained in the molecule, R represents the spatial coordinates of the M nuclei contained in the molecule, and R 0 represents the reference nucleus arrangement.
Here, the overlapping density (transition density) [rho (r i) and unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constants V mn, relationship of the following equation (7) between the α holds.
式(7)において、να(ri)は基準振動モードαのポテンシャル導関数を表す。
このように、非対角振電相互作用定数Vmn,αと非対角振電相互作用密度(式(7)における右辺の被積分関数)は、電子状態と振動状態の両方に依存するため、分子の無輻射遷移(内部転換)を制御した分子設計を行うには、電子状態と振動状態の両者を考慮した計算や設計が必要となる。In the formula (7), ν α (r i) represents a potential derivative of the reference oscillation mode alpha.
Thus, the off-diagonal oscillating interaction constants V mn, α and the off-diagonal oscillating interaction density (the integrand on the right side in equation (7)) depend on both the electronic state and the oscillating state. In order to perform molecular design that controls the non-radiation transition (internal conversion) of, it is necessary to calculate and design considering both the electronic state and the vibration state.
上記のように、分子の無輻射遷移(内部転換)速度定数knr n→mは非対角振電相互作用定数Vmn,αを用いて求められる。ここで、非対角振電相互作用定数Vmn,αは、本来的には、励起状態である電子状態mの振動解析を行って計算すべきであるが、励起状態の振動解析には多大な計算資源が必要である。こうした理由から、励起状態nの最適化構造R0で基底電子状態に対する振動解析を行うことにより代用することが通常である。しかしながら、基底状態振動解析で得られる非対角振電相互作用定数Vmn,αは、励起状態振動解析で得られる非対角振電相互作用定数Vmn,αと値がずれる場合があり、これにより求められる無輻射遷移(内部転換)速度定数knr n→mには信頼性に問題があった。
また、これまでは、基準振動モード毎に非対角振電相互作用定数を求め、そのうちで、絶対値が最大である非対角振電相互作用定数|V|maxに基づいて、分子全体の非対角振電相互作用の大小を議論している。しかし、|V|maxは、分子サイズが大きくなって電子状態の重なりが非局在化すると、より小さい値になる傾向があるため、分子サイズが異なる分子同士の非対角振電相互作用を比較する指標として不適当であった。As described above, the non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nr n → m of the molecule is obtained by using the off-diagonal oscillating interaction constants V mn, α . Here, the off-diagonal oscillating interaction constants V mn and α should be calculated by performing vibration analysis of the electronic state m which is the excited state, but it is very large for the vibration analysis of the excited state. Computational resources are needed. For this reason, it is usual to substitute the optimized structure R 0 of the excited state n by performing vibration analysis for the basal electronic state. However, unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constants V mn obtained in the ground state vibration analysis, alpha is unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constants V mn obtained in the excited state vibration analysis, might alpha value is shifted, thereby There was a problem in reliability of the required non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nrn → m .
In addition, so far, the off-diagonal oscillating interaction constant has been obtained for each reference vibration mode, and the unpaired whole molecule is based on the off-diagonal oscillating interaction constant | V | max , which has the maximum absolute value. We are discussing the magnitude of the angular vibration-electric interaction. However, | V | max tends to be smaller when the molecular size becomes large and the overlap of electronic states is delocalized, so the off-diagonal electrokinetic interaction between molecules with different molecular sizes is compared. It was inappropriate as an index to do.
そこで本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、計算コストを抑えながら、分子の無輻射遷移を的確に制御した分子設計を行うことができる分子設計方法およびプログラムを提供することを目的として検討を進めた。さらに、無輻射遷移が制御された発光分子・ホスト材料および発光効率が高い有機発光素子を提供することを目的として検討を進めた。 Therefore, in order to solve the problems of the prior art, the present inventors provide a molecular design method and a program capable of performing a molecular design in which the non-radiation transition of the molecule is accurately controlled while suppressing the calculation cost. We proceeded with the study for the purpose of doing so. Furthermore, we proceeded with studies for the purpose of providing luminescent molecules / host materials with controlled non-radiation transitions and organic luminescent devices with high luminous efficiency.
上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者らは、非対角振電相互作用定数Vmn,αの二乗和V2が無輻射遷移(内部転換)速度定数knr n→mと高い相関性を有すること、さらに、電子状態計算のみから求められる重なり指標η0、ηN、ηMが二乗和V2と相関関係を有することを見出した。そして、これらの指標を用いることにより、簡単な計算で無輻射遷移(内部転換)速度定数knr n→mの大きさを把握でき、分子の無輻射遷移を的確に制御した分子設計を行えるとの結論を得るに至った。本発明は、これらの知見に基づいて提案されたものであり、具体的に以下の構成を有する。Result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constants V mn, non-radiative transitions square sum V 2 of alpha (internal conversion) rate constant k nr n → It was found that it has a high correlation with m, and that the overlap indexes η 0 , η N , and η M obtained only from the electronic state calculation have a correlation with the sum of squares V 2 . Then, by using these indexes, the magnitude of the non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nrn → m can be grasped by a simple calculation, and the molecular design can be performed by accurately controlling the non-radiation transition of the molecule. I came to the conclusion of. The present invention has been proposed based on these findings, and specifically has the following configuration.
[1] 分子における第1の電子状態nと該第1の電子状態nよりもエネルギーが低い第2の電子状態mとの間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数をVmn,αとしたとき、下記式(2)で表されるVmn,αを成分とするベクトルVmn=(Vmn,α)のノルム||Vmn||と、前記第1の電子状態nから前記第2の電子状態mへの内部転換の無輻射遷移速度定数knrが相関することに基づいて分子設計を行う分子設計方法。
[式において、pは1≦p≦∞の実数を表す。]
[3] 前記p−ノルム||Vmn||pにおいてp=2としたもの||Vmn||2の2乗である下記式(1)で表されるVmn,αの二乗和V2を用い、前記二乗和V2と、前記第1の電子状態nから前記第2の電子状態mへの内部転換の無輻射遷移速度定数knrが相関することに基づいて分子設計を行う、[1]に記載の分子設計方法。
[式(1)において、Vmn,αは前記式(2)で表される非対角振電相互作用定数である。]
[4]
[5]
[6]
[7] 下記式で定義される重なり指標η0、ηNおよびηMの少なくとも1つを分子の無輻射遷移の制御に用いて分子設計を行う分子設計方法。
[8] 分子の電子状態が縮退している場合に発現する静的ヤーン・テラー効果による分子軌道の局在に由来する電子状態間の重なり密度の減少を、分子の無輻射遷移の制御に用いて分子設計を行う分子設計方法。
[9] 分子における第1の電子状態nと該第1の電子状態nよりもエネルギーが低い第2の電子状態mとの間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数をVmn,αとしたとき、前記式(1)で表されるVmn,αの二乗和V2を、前記重なり指標η0、ηNおよびηMの少なくとも1つを用いて制御することにより、分子の無輻射遷移を制御する[7]に記載の分子設計方法。
[10] 分子の電子状態が縮退している場合に発現する静的ヤーン・テラー効果による分子軌道の局在に由来する電子状態間の重なり密度の減少を、前記重なり指標η0、ηN、ηMの制御に用いる、[7]または[9]に記載の分子設計方法。
[11] 前記重なり指標η0、ηN、ηMにおけるIが下記式(3)で表されるIpである、[7]、[9]、[10]のいずれか1項に記載の分子設計方法。
[式(3)において、ρは第1の電子状態nと該第1の電子状態nよりもエネルギーが低い第2の電子状態mとの間の重なり密度を表し、pは1≦p≦∞の実数を表す。]
[12] 分子設計を行う分子が、高次三重項状態Tnからの逆系間交差により生じた一重項状態の輻射遷移により発光する発光分子であり、前記高次三重項状態Tnと前記高次三重項状態Tnよりもエネルギーが低い低次三重項状態Tp(n>p)との間の重なり指標η0、ηNおよびηMの少なくとも1つを、これらの三重項状態同士の間の非対角振電相互作用定数の二乗和V2の制御に用いて、無輻射遷移が抑制されるように分子設計を行う、[9]に記載の分子設計方法。
[13] 分子の電子状態が縮退している場合に発現する静的ヤーン・テラー効果による分子軌道の局在に由来する電子状態間の重なり密度の減少を、前記重なり指標η0、ηN、ηMの制御に用いる、[12]に記載の分子設計方法。
[14] [3]、[6]、[9]、[12]、[13]のいずれか1項に記載の分子設計方法に用いられ、前記二乗和V2を計算する工程を有するプログラム。
[15] [7]、[9]〜[13]のいずれか1項に記載の分子設計方法に用いられ、前記重なり指標η0、ηN、ηMの少なくとも1つを計算する工程を有するプログラム。
[16] 分子における第1の電子状態nと該第1の電子状態nよりもエネルギーが低い第2の電子状態mとの間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数をVmn,αとしたとき、前記式(1)で表されるVmn,αの二乗和V2を計算する工程を有するプログラム。
[17] 分子における高次励起状態Enを第1の電子状態nとし、前記高次励起状態Enよりもエネルギーが低い低次励起状態Epを第2の電子状態mとし、これら電子状態同士の間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数をVmn,αとしたとき、前記式(1)で表されるVmn,αの二乗和V2が、前記高次励起状態Enと前記高次励起状態Enよりもエネルギーが低いすべての低次励起状態Epとの間で5.0×10−6a.u.以下である無輻射遷移過程の抑制された分子。
[18] 分子における高次三重項状態Tnを第1の電子状態nとし、前記高次三重項状態Tnよりもエネルギーが低い低次三重項状態Tpを第2の電子状態mとし、これら電子状態同士の間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数をVmn,αとしたとき、前記式(1)で表されるVmn,αの二乗和V2が、前記高次三重項状態Tnと前記高次三重項状態Tnよりもエネルギーが低いすべての低次三重項状態Tpとの間で5.0×10−6a.u.以下である、[17]に記載の無輻射遷移過程の抑制された分子。
[19] 高次三重項状態Tnからの逆系間交差により生じた一重項状態の輻射遷移により発光する発光分子であって、前記高次三重項状態Tnを第1の電子状態nとし、前記高次三重項状態Tnよりもエネルギーが低い低次三重項状態Tpを第2の電子状態mとし、これら電子状態同士の間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数をVmn,αとしたとき、前記式(1)で表されるVmn,αの二乗和V2が、前記高次三重項状態Tnと前記高次三重項状態Tnよりもエネルギーが低いすべての低次三重項電子状態Tpとの間で5.0×10−6a.u.以下である発光分子。
[20] 3回以上の対称軸(回転軸または回映軸)を有する対称な分子構造を有する、[17]または[18]に記載の無輻射遷移過程の抑制された分子。
[21] 3回以上の対称軸(回転軸または回映軸)を有する対称な分子構造を有する、[19]に記載の発光分子。
[22] 3回回転軸を有する回転対称構造を有する、[20]に記載の無輻射遷移過程の抑制された分子。
[23] 3回回転軸を有する回転対称構造を有する、[21]に記載の発光分子。
[24] 対称の中心を含む構造がトリフェニルアミン構造である、[20]または[22]に記載の無輻射遷移過程の抑制された分子。
[25] 対称の中心を含む構造がトリフェニルアミン構造である、[21]または[23]に記載の発光分子。
[26] トリフェニルアミン構造の各フェニル基にインドール環またはピロール環が結合した構造を有する、[24]に記載の無輻射遷移過程の抑制された分子。
[27] トリフェニルアミン構造の各フェニル基にインドール環またはピロール環が結合した構造を有する、[25]に記載の発光分子。
[28] 下記一般式(1)で表される化合物からなる、[17]に記載の無輻射遷移過程の抑制された分子。
[一般式(1)において、R1は水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、または置換もしくは無置換のアリール基を表し、R2〜R8は各々独立に水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、またはハロゲン原子を表す。]
[29] 前記一般式(1)で表される化合物からなる、[19]に記載の発光分子。
[30] [17]、[18]、[20]、[22]、[24]、[26]、[28]のいずれか1項に記載の無輻射遷移過程の抑制された分子を含む、ホスト材料。
[31][17]〜[29]のいずれか1項に記載の分子を発光層に含む有機発光素子。
[32] 有機エレクトロルミネッセンス素子である、[31]に記載の有機発光素子。[1] The off-diagonal oscillating interaction constant for the reference vibration mode α between the first electronic state n in the molecule and the second electronic state m whose energy is lower than that of the first electronic state n is V mn. , Α , the norm || V mn || of the vector V mn = (V mn, α ) whose components are V mn, α represented by the following equation (2), and the first electronic state n A molecular design method for performing molecular design based on the correlation of the non-radiation transition rate constant k nr of internal conversion from the second electronic state to the second electronic state m.
[In the equation, p represents a real number of 1 ≦ p ≦ ∞. ]
[3] P-norm || V mn || p with p = 2 || V mn || 2 squared V mn, α sum of squares V represented by the following equation (1) Using 2 , the molecular design is performed based on the correlation between the sum of squares V 2 and the non-radiation transition rate constant k nr of the internal conversion from the first electronic state n to the second electronic state m. The molecular design method according to [1].
[In the equation (1), V mn and α are the off-diagonal oscillating interaction constants represented by the equation (2). ]
[4]
[5]
[6]
[7] A molecular design method for designing a molecule by using at least one of the overlap indexes η 0 , η N, and η M defined by the following equation for controlling the non-radiation transition of the molecule.
[8] The decrease in the overlap density between the electronic states due to the localization of the molecular orbital due to the static Jahn-Teller effect that occurs when the electronic state of the molecule is degenerate is used to control the non-radiation transition of the molecule. Molecular design method for molecular design.
[9] The off-diagonal oscillating interaction constant for the reference vibration mode α between the first electronic state n in the molecule and the second electronic state m whose energy is lower than that of the first electronic state n is V mn. , Α , the numerator by controlling the sum of squares V 2 of V mn and α represented by the above formula (1) using at least one of the overlap indexes η 0 , η N and η M. The molecular design method according to [7], which controls the non-radiation transition of.
[10] The decrease in the overlap density between the electronic states due to the localization of the molecular orbital due to the static Jahn-Teller effect that occurs when the electronic state of the molecule is degenerate is described by the overlap indexes η 0 , η N , and so on. The molecular design method according to [7] or [9], which is used for controlling η M.
[11] The item according to any one of [7], [9], and [10], wherein I in the overlap indexes η 0 , η N , and η M is I p represented by the following formula (3). Molecular design method.
[In equation (3), ρ represents the overlap density between the first electronic state n and the second electronic state m whose energy is lower than that of the first electronic state n, and p is 1 ≦ p ≦ ∞. Represents a real number of. ]
[12] The molecule for which the molecular design is performed is a luminescent molecule that emits light due to the radiation transition of the singlet state generated by the crossover between the inverse triplet states T n from the higher triplet state T n, and the higher triplet state T n and the above. At least one of the overlap indices η 0 , η N and η M with the lower triplet state T p (n> p), which has a lower energy than the higher triplet state T n , is set between these triplet states. The molecular design method according to [9], wherein the molecular design is performed so that the non-radiation transition is suppressed by using the control of the sum of squares V2 of the off-diagonal oscillating interaction constants between the two .
[13] The decrease in the overlap density between the electronic states due to the localization of the molecular orbital due to the static Jahn-Teller effect that occurs when the electronic state of the molecule is degenerate is described by the overlap indexes η 0 , η N , and so on. The molecular design method according to [12], which is used for controlling η M.
[14] [3], [6], [9], [12], used in the molecular design method according to any one of [13], the program having the step of calculating the square sum V 2.
[15] It is used in the molecular design method according to any one of [7] and [9] to [13], and has a step of calculating at least one of the overlap indexes η 0 , η N , and η M. program.
[16] The off-diagonal oscillating interaction constant for the reference vibration mode α between the first electronic state n in the molecule and the second electronic state m whose energy is lower than that of the first electronic state n is V mn. , Α , a program having a step of calculating the sum of squares V 2 of V mn and α represented by the above equation (1).
[17] The higher excited states E n in the numerator and the first electronic state n, the low-order excited state E p energy is lower than the higher excited states E n the second electronic state m, these electronic states when the unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constants for normal modes alpha between each other and with the V mn, alpha, V mn represented by the formula (1), the square sum V 2 of alpha, the higher-order excitation inhibiting molecules of the non-radiation transition process which is less 5.0 × 10 -6 au between state E n and the higher excited states E n all lower order excited state E p is less energy than.
[18] The higher triplet state T n in the molecule is defined as the first electronic state n, and the lower triplet state T p whose energy is lower than that of the higher triplet state T n is defined as the second electronic state m. the unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constants for normal modes alpha V mn between these electronic states each other when the alpha, V mn represented by the formula (1), the square sum V 2 of alpha, the Between the higher triplet state T n and all lower triplet states T p whose energy is lower than the higher triplet state T n, it is 5.0 × 10 -6 au or less, in [17]. The molecule in which the non-radiation transition process described is suppressed.
[19] A light-emitting molecule emits light by radiative transition of singlet state produced by reverse inter-system crossing from higher triplet state T n, the higher triplet state T n is set as a first electronic state n The lower triplet state T p, which has a lower energy than the higher triplet state T n , is set as the second electronic state m, and the off-diagonal triplet interaction constant for the reference vibration mode α between these electronic states. when was the V mn, alpha, V mn represented by the formula (1), square sum V 2 of alpha is, the higher triplet state T n and energy than the higher-order triplet state T n is A luminescent molecule that is 5.0 × 10-6 au or less with all lower triplet electronic states T p .
[20] The molecule in which the non-radiation transition process is suppressed according to [17] or [18], which has a symmetric molecular structure having three or more axes of symmetry (rotation axis or reflection axis).
[21] The luminescent molecule according to [19], which has a symmetric molecular structure having three or more axes of symmetry (rotation axis or reflection axis).
[22] The molecule in which the non-radiation transition process is suppressed according to [20], which has a rotationally symmetric structure having a three-fold rotation axis.
[23] The luminescent molecule according to [21], which has a rotationally symmetric structure having a rotation axis three times.
[24] The molecule in which the non-radiation transition process is suppressed according to [20] or [22], wherein the structure containing the center of symmetry is a triphenylamine structure.
[25] The luminescent molecule according to [21] or [23], wherein the structure including the center of symmetry is a triphenylamine structure.
[26] The molecule in which the non-radiation transition process is suppressed according to [24], which has a structure in which an indole ring or a pyrrole ring is bonded to each phenyl group having a triphenylamine structure.
[27] The luminescent molecule according to [25], which has a structure in which an indole ring or a pyrrole ring is bonded to each phenyl group having a triphenylamine structure.
[28] The molecule in which the non-radiation transition process according to [17] is suppressed, which comprises a compound represented by the following general formula (1).
[In the general formula (1), R 1 represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, or a substituted or unsubstituted aryl group, and R 2 to R 8 are independently hydrogen atoms, substituted or unsubstituted, respectively. Represents an alkyl group or a halogen atom. ]
[29] The luminescent molecule according to [19], which comprises the compound represented by the general formula (1).
[30] The molecule containing the suppressed molecule of the non-radiation transition process according to any one of [17], [18], [20], [22], [24], [26], and [28]. Host material.
[31] An organic light emitting device containing the molecule according to any one of [17] to [29] in the light emitting layer.
[32] The organic light emitting device according to [31], which is an organic electroluminescence device.
本発明によれば、計算コストを抑えながら、分子の無輻射遷移を的確に制御した分子設計を行うことができる。 According to the present invention, it is possible to design a molecule in which the non-radiation transition of the molecule is accurately controlled while suppressing the calculation cost.
以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は「〜」前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
また、以下の説明における「第1の電子状態n」と「第2の電子状態m」は、特定の電子状態を意味するものではなく、第1の電子状態nのエネルギーが第2の電子状態mのエネルギーよりも高い関係にある全ての電子状態の組み合わせを包含することとする。
また、無輻射遷移は、内部転換としての無輻射遷移と系間交差としての無輻射遷移に分けられるが、本明細書中では、これらのうち内部転換としての無輻射遷移を「無輻射遷移(内部転換)」といい、内部転換過程の無輻射遷移速度定数を「無輻射遷移(内部転換)速度定数knr」という。Hereinafter, the present invention will be described in detail. The description of the constituent elements described below may be based on typical embodiments or specific examples, but the present invention is not limited to such embodiments. In this specification, the numerical range represented by using "~" means a range including the numerical values before and after "~" as the lower limit value and the upper limit value.
Further, the "first electronic state n" and the "second electronic state m" in the following description do not mean a specific electronic state, and the energy of the first electronic state n is the second electronic state. It is intended to include all combinations of electronic states that have a relationship higher than the energy of m.
Further, the non-radiant transition is divided into a non-radiant transition as an internal conversion and a non-radiated transition as an intersystem intersection. In the present specification, the non-radiated transition as an internal conversion is referred to as a “non-radiated transition”. "Internal conversion)", and the non-radiation transition rate constant in the internal conversion process is called "non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nr ".
<第1の分子設計方法>
本発明の第1の分子設計方法は、分子における第1の電子状態nと該第1の電子状態nよりもエネルギーが低い第2の電子状態mとの間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数をVmn,αとしたとき、下記式(2)で表されるVmn,αを成分とするベクトルVmn=(Vmn,α)のノルム||Vmn||と、第1の電子状態nから第2の電子状態mへの内部転換の無輻射遷移速度定数knrが相関することに基づいて分子設計を行う方法である。<First molecular design method>
The first molecular design method of the present invention is unpaired for a reference vibration mode α between a first electronic state n in a molecule and a second electronic state m whose energy is lower than that of the first electronic state n. When the angular vibration electric interaction constants are V mn, α , the norm of the vector V mn = (V mn, α ) whose component is V mn, α represented by the following equation (2) || V mn || This is a method of molecular design based on the correlation of the non-radiation transition rate constant k nr of internal conversion from the first electronic state n to the second electronic state m.
式(2)において、Ψnは第1の電子状態nの電子波動関数を表し、Ψmは第2の電子状態mの電子波動関数を表し、xは分子に含まれるN個の電子の空間座標およびスピン座標を表し、rは分子に含まれるN個の電子の空間座標を表し、Rは分子に含まれるM個の核の空間座標を表し、H(r,R)は分子ハミルトニアンを表し、R0は参照核配置を表し、Qαは基準振動モードαの質量加重基準振動座標を表す。
xは、具体的には座標(r1,s1,・・・,ri,si,・・・rN,sN)であり、ここでriは電子iの空間座標であり、siは電子iのスピン座標である。
式(2)におけるΨn、Ψm、R0、Qαは、分子ハミルトニアンH(r,R)が与えられたとき、次のようにして求めることができる。参照核配置R0は、分子ハミルトニアンH(r,R)の電子状態nの構造最適化により求められる。基準振動モードαの質量加重基準振動座標Qαは、参照核配置R0での振動解析により定められる。ΨnとΨmは、それぞれ参照核配置R0における電子状態nとmの電子状態計算により求められる。
具体的な解析方法については、実施例の項の記載を参照することができる。In equation (2), Ψ n represents the electron wave function of the first electronic state n, Ψ m represents the electron wave function of the second electronic state m, and x is the space of N electrons contained in the molecule. Represents coordinates and spin coordinates, r represents the spatial coordinates of N electrons contained in the molecule, R represents the spatial coordinates of M nuclei contained in the molecule, and H (r, R) represents the molecular Hamiltonian. , R 0 represents the reference nucleus arrangement, and Q α represents the mass-weighted reference vibration coordinates of the reference vibration mode α.
x is specifically coordinates (r 1, s 1, ··· , r i, s i, ··· r N, s N) is, where r i is the spatial coordinates of the electron i, s i is the spin coordinate of the electron i.
Ψ n , Ψ m , R 0 , and Q α in the equation (2) can be obtained as follows when the molecular Hamiltonian H (r, R) is given. The reference nucleus arrangement R 0 is obtained by structural optimization of the electronic state n of the molecular Hamiltonian H (r, R). The mass-weighted reference vibration coordinate Q α of the reference vibration mode α is determined by the vibration analysis at the reference nucleus arrangement R 0 . Ψ n and Ψ m are obtained by calculating the electronic states of the electronic states n and m at the reference nucleus arrangement R 0 , respectively.
For a specific analysis method, the description in the section of Examples can be referred to.
ノルム||Vmn||としては、下記式で表されるp−ノルム||Vmn||pを用いることが好ましい。As the norm || V mn ||, it is preferable to use the p -norm || V mn || p represented by the following formula.
[式において、pは1≦p≦∞の実数を表す。]
[In the equation, p represents a real number of 1 ≦ p ≦ ∞. ]
さらに、p−ノルム||Vmn||pにおいてp=2としたもの||Vmn||2の2乗である下記式(1)で表されるVmn,αの二乗和V2を用いることがより好ましい。Further, p-norm || V mn || p with p = 2 || V mn || 2 squared V mn, α squared sum V 2 represented by the following equation (1) It is more preferable to use it.
[式(1)において、Vmn,αは上記の式(2)で表される非対角振電相互作用定数である。]
[In the equation (1), V mn and α are the off-diagonal oscillating interaction constants represented by the above equation (2). ]
非対角振電相互作用定数Vmn,αの二乗和V2が無輻射遷移(内部転換)速度定数knrと相関することは、下記式(5)から導かれる。下記式(5)は、温度Tにおいて、第1の電子状態nから第2の電子状態mへ内部転換する過程での無輻射遷移(内部転換)速度定数knr n→m(T)を表す式であり、その内部転換過程に複数の基準振動モードα、βが関与する場合を表す。It is derived from the following equation (5) that the sum of squares V 2 of the off -diagonal oscillating interaction constants V mn and α correlates with the non-radiative transition (internal conversion) rate constant k nr . The following equation (5) represents a non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nrn → m (T) in the process of internal conversion from the first electronic state n to the second electronic state m at the temperature T. It is an equation and represents a case where a plurality of reference vibration modes α and β are involved in the internal conversion process.
ここで、異なる基準振動モードα、βについての非対角振電相互作用定数Vmn,α、Vmn,βの積とFranck-Condon因子を含む部分(振動波動関数の重なり積分を含む部分)の振動モードによる差異を無視できるとすると、式(5)は下記式(8)に示す近似式で表され、式(8)から無輻射遷移(内部転換)速度定数knr n→mと非対角振電相互作用定数Vmn,αの二乗和V2が比例関係にあることが示される。Here, the part containing the product of the off-diagonal oscillating interaction constants V mn, α , V mn, β for different reference vibration modes α, β and the Franck-Condon factor (the part including the overlapping integral of the vibration wave function). Assuming that the difference due to the vibration mode can be ignored, the equation (5) is expressed by the approximate equation shown in the following equation (8), and is unpaired from the equation (8) with the non-radiation transition (internal conversion) velocity constant k nr n → m . It is shown that the sum of squares V 2 of the angular vibration electric interaction constants V mn and α are in a proportional relationship.
そして、V=(Vmn,α)α=1、・・・、3N−6、または、3N−5としてベクトルとみなすと、V2=|V|2であり、これはユニタリ変換に対して不変な量である。また、励起状態最適化構造において励起電子状態について振動解析を行った振動モードと、計算コストを節約するために基底電子状態に対して振動解析を行った振動モードは、互いにユニタリ変換で結ばれる。従って、どちらの方法により計算してもV2は不変である。Then, when V = (V mn, α ) α = 1, ..., 3N-6, or 3N-5 is regarded as a vector, V 2 = | V | 2 , which is for unitary transformation. It is an invariant amount. Further, the vibration mode in which the vibration analysis is performed on the excited electronic state in the excited state optimized structure and the vibration mode in which the vibration analysis is performed on the ground electronic state in order to save the calculation cost are connected to each other by unitary transformation. Therefore, V 2 is invariant regardless of which method is used.
以上のように、無輻射遷移(内部転換)速度定数knr n→mと非対角振電相互作用定数Vmn,αの二乗和V2は比例関係を有している。したがって、二乗和V2の大小関係を指標として、knr n→mの大小関係を把握することができる。また、励起状態振動解析と基底状態振動解析で二乗和V2は同じ値になり、二乗和V2を指標に用いることにより、計算コストのかからない基底状態振動解析を用いた場合でも、励起状態振動解析を用いる場合と同様の精度で、無輻射遷移(内部転換)速度定数knr n→mの大小関係を把握することができる。また、従来の、非対角振電相互作用定数の絶対値が最大となる基準振動モードに着目した分子設計では、分子サイズが異なる分子同士で、分子全体の非対角振電相互作用の大きさを比較できないという問題があった。しかし、この二乗和V2を指標とする方法によれば、異なる分子サイズの分子間で非対角振電相互作用の大きさを比較することができる。よって、本発明の第1の分子設計方法によれば、計算コストを抑えながら、無輻射遷移を的確に制御して分子設計を行うことが可能になる。
無輻射遷移の制御は、具体的には、例えば無輻射遷移(内部転換)速度定数knr n→mが小さい分子、すなわち輻射遷移が優先的に生じる分子を得ようとした場合には、二乗和V2が小さくなるように分子の構造を設計し、無輻射遷移が優先的に生じる分子を得ようとした場合には、二乗和V2が大きくなるように分子の構造を設計することで行うことができる。分子の二乗和V2を決める因子は、非対角振電相互作用定数Vmn,αを定義する式(2)の電子状態や振動状態、後述の<第3の分子設計方法>で用いる重なり指標η0、ηN、ηMで表される電子状態であり、これらを適切に選択して組み合わせることにより、二乗和V2を精度よく制御することができる。As described above, the non-radiation transition (internal conversion) velocity constant k nrn → m and the sum of squares V 2 of the off-diagonal oscillating interaction constants V mn and α have a proportional relationship. Therefore, it is possible to grasp the magnitude relationship of k nrn → m using the magnitude relationship of the sum of squares V 2 as an index. In addition, the sum of squares V 2 is the same value in the excited state vibration analysis and the ground state vibration analysis, and by using the sum of squares V 2 as an index, even when the ground state vibration analysis that does not require a calculation cost is used, the excited state vibration It is possible to grasp the magnitude relationship of the non-radiation transition (internal conversion) velocity constant k nrn → m with the same accuracy as when using the analysis. In addition, in the conventional molecular design focusing on the reference vibration mode in which the absolute value of the off-diagonal oscillating interaction constant is maximized, the magnitude of the off-diagonal oscillating interaction of the entire molecule is determined between molecules having different molecular sizes. There was a problem that it could not be compared. However, according to the method using the sum of squares V 2 as an index, it is possible to compare the magnitude of the off-diagonal electrokinetic interaction between molecules of different molecular sizes. Therefore, according to the first molecular design method of the present invention, it is possible to perform molecular design by accurately controlling the non-radiation transition while suppressing the calculation cost.
Specifically, the control of non-radiation transition is, for example, squared when trying to obtain a molecule having a small non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nrn → m , that is, a molecule in which radiation transition occurs preferentially. By designing the structure of the molecule so that the sum V 2 becomes small, and designing the structure of the molecule so that the sum of squares V 2 becomes large when trying to obtain a molecule in which the non-radiation transition occurs preferentially. It can be carried out. The factors that determine the sum of squares V 2 of the molecule are the electronic state and vibration state of equation (2) that defines the off-diagonal electrokinetic interaction constants V mn and α , and the overlap index used in the <third molecular design method> described later. It is an electronic state represented by η 0 , η N , and η M , and the sum of squares V 2 can be controlled accurately by appropriately selecting and combining these.
<第2の分子設計方法>
次に、本発明の第2の分子設計方法について説明する。
本発明の第2の分子設計方法は、振動解析を一切行わずに求めた二乗和を分子の無輻射遷移の制御に用いて分子設計を行う方法である。ここでは、直交座標方向への変位に対するVCCを計算し、その二乗和をとり、さらに並進モードと回転モードの補正を行う。
振動解析が一切不要であることから、計算コストを大幅に節約することができる。
Next, the second molecular design method of the present invention will be described.
The second molecular design method of the present invention is a method of designing a molecule by using the sum of squares obtained without performing any vibration analysis for controlling the non-radiation transition of the molecule. Here, VCC is calculated for the displacement in the Cartesian coordinate direction, the sum of squares is calculated, and the translation mode and the rotation mode are corrected.
Since no vibration analysis is required, the calculation cost can be significantly saved.
<第3の分子設計方法>
次に、本発明の第3の分子設計方法について説明する。
本発明の第3の分子設計方法は、下記式で定義される重なり指標η0、ηNおよびηMの少なくとも1つを分子の無輻射遷移の制御に用いて分子設計を行う方法である。<Third molecular design method>
Next, the third molecular design method of the present invention will be described.
The third molecular design method of the present invention is a method of designing a molecule by using at least one of the overlap indexes η 0 , η N and η M defined by the following formulas for controlling the non-radiation transition of the molecule.
各式において、Nは分子に含まれる電子の数を表し、Mは分子のもつ基準振動モードの数または分子に含まれる原子数を表す。Iは第1の電子状態nと第2の電子状態mとの間の重なり密度をρとしたときの関数のノルム||ρ||を表す。 In each equation, N represents the number of electrons contained in the molecule, and M represents the number of reference vibration modes of the molecule or the number of atoms contained in the molecule. I represents the norm || ρ || of the function when the overlap density between the first electronic state n and the second electronic state m is ρ.
式(6)において、Ψnは第1の電子状態nの電子波動関数を表し、Ψmは第2の電子状態mの電子波動関数を表し、xは分子に含まれるN個の電子の空間座標およびスピン座標を表し、rは分子に含まれるN個の電子の空間座標を表し、Rは分子に含まれるM個の核の空間座標を表し、R0は参照核配置を表す。
In equation (6), Ψ n represents the electron wave function of the first electronic state n, Ψ m represents the electron wave function of the second electronic state m, and x is the space of N electrons contained in the molecule. Represents coordinates and spin coordinates, r represents the spatial coordinates of N electrons contained in the molecule, R represents the spatial coordinates of M nuclei contained in the molecule, and R 0 represents the reference nucleus arrangement.
ηMにおけるMは、対称性の高い分子で選択則が存在する場合には、振電相互作用活性な振動モードの数であってもよい。ここで、振電相互作用活性な振動モードとは
対称性により必ずしも式(2)の振電相互作用定数がゼロとならない振動モードのことをいう。
また、重なり指標η0、ηNおよびηMを表す各式のIは、下記式(3)で表されるIpであることが好ましい。 M in η M may be the number of vibrational modes in which the vibronic interaction is active, where a selection rule exists for highly symmetric molecules. Here, the vibronic interaction active vibration mode refers to a vibration mode in which the vibronic interaction constant of Eq. (2) does not necessarily become zero due to symmetry.
Further, it is preferable that I of each equation representing the overlap index η 0 , η N and η M is I p represented by the following equation (3).
[式(3)において、ρは式(6)で表される関数ρ(ri)であり、pは1≦p≦∞の実数を表す。]
[In the formula (3), [rho is an expression function represented by (6) ρ (r i) , p represents a real number of 1 ≦ p ≦ ∞. ]
すなわち、重なり指標η0、ηNおよびηMは、それぞれ、下記のηp 0、ηp Nおよびηp Mであることが好ましい。That is, it is preferable that the overlap indexes η 0 , η N and η M are the following η p 0 , η p N and η p M , respectively.
これらの重なり指標η0、ηN、ηMを導いた理論を以下において説明する。
まず、基準振動モードαによる第1の電子状態nと第2の電子状態mの間の無輻射遷移(内部転換)の駆動力は非対角振電動相互作用であり、その非対角振電相互作用定数Vmn,αは下記式(10)で与えられる。The theory that led to these overlap indices η 0 , η N , and η M will be described below.
First, the driving force of the non-radiative transition (internal conversion) between the first electronic state n and the second electronic state m by the reference vibration mode α is the off-diagonal electric interaction, and the off-diagonal electric interaction. The constants V mn and α are given by the following equation (10).
式(10)において、ρ(ri)は第1の電子状態nと第2の電子状態mの重なり密度(遷移密度)を表し、να(ri)は基準振動モードαのポテンシャル導関数を表す。
一般に2乗可積分な関数fとgに対しては、下記式(11)のコーシー・シュワルツの不等式という数学的関係式が成立する。In the formula (10), [rho (r i) represents the overlap Density (transition density) of the first electronic state n and a second electronic state m, ν α (r i) the potential derivative of the normal modes alpha Represents.
In general, for the square integrable functions f and g, the mathematical relational expression of Cauchy-Schwartz's inequality in the following equation (11) holds.
ここで、仮に、上記の式(10)に式(11)を適用できるとすれば、下記式(12)で表されるIの値が十分に小さいとき、Vmn,αが小さいと数学的に導くことができる。Here, assuming that the equation (11) can be applied to the above equation (10), when the value of I represented by the following equation (12) is sufficiently small, it is mathematical that V mn and α are small. Can lead to.
しかし、式(10)のναは2乗可積分ではないので、コーシー・シュワルツの不等式を適用することはできない。したがって、下記式(13)で表される命題が成立するかどうかは自明ではない。However, since ν α in equation (10) is not square-integrable, Cauchy-Schwartz's inequality cannot be applied. Therefore, it is not obvious whether the proposition expressed by the following equation (13) holds.
そこで、本発明者らは、上記の電子状態のみから計算できる重なり指標ηp 0、ηp N、ηp Mを以下のように導いた。そして、後掲の実施例で示すように、これらの重なり指標を蛍光量子収率測定の標準物質として知られている分子について網羅的に計算し、これらの重なり指標と非対角振電相互作用が相関すること、さらに、これらの重なり指標が無輻射遷移(内部転換)の制御に利用できることを見出した。Therefore, the present inventors have derived the overlap indexes η p 0 , η p N , and η p M that can be calculated only from the above electronic states as follows. Then, as shown in the examples below, these overlap indexes are comprehensively calculated for molecules known as reference materials for fluorescence quantum yield measurement, and these overlap indexes and off-diagonal electrokinetic interactions are generated. We found that they correlate and that these overlapping indicators can be used to control non-radiative transitions (internal conversion).
ノルムにはいろいろなものがとれる。例えば、下記式で表される||ρ||1は公理1〜3を満たすのでノルムである。There are many things that can be taken in the norm. For example, || ρ || 1 expressed by the following equation is a norm because it satisfies axioms 1-3.
この式を一般化すると、下記式で表されるp−ノルム||ρ||pが定義できる。By generalizing this equation, the p-norm || ρ || p expressed by the following equation can be defined.
また、∞−ノルム||ρ||∞は次のように定義される。The ∞-norm || ρ || ∞ is defined as follows.
これらのノルムを採用した指標を、下記式のように定義する。 An index that adopts these norms is defined as the following formula.
重なり密度は、第1の電子状態n=第2の電子状態mとしたときには電子密度となるため、その積分が電子数Nを与える。従って電子数Nの異なる系を比較するためには、Nで規格化することが必要である。Nで規格化した指標を、下記式のように定義する。 Since the overlap density is the electron density when the first electronic state n = the second electronic state m, the integral gives the number of electrons N. Therefore, in order to compare systems with different electron numbers N, it is necessary to normalize with N. The index standardized by N is defined by the following formula.
ここで、求める指標は無輻射遷移(内部転換)速度定数knrを予測するものである。knrは非対角振電相互作用定数Vmn,αの二乗和V2に概ね比例するため、Nで規格化した指標を2乗すべきである。さらに振動モードについて和をとるので、指標は振動モードの数Mに依存するべきである。2乗しモード数Mをかけた指標を下記式のように定義する。Here, the index to be obtained predicts the non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nr . Since k nr is roughly proportional to the sum of squares V 2 of the off-diagonal oscillating interaction constants V mn and α , the index standardized by N should be squared. Furthermore, since the sum is taken for the vibration mode, the index should depend on the number M of the vibration mode. The index multiplied by the squared mode number M is defined as the following equation.
本発明の第3の分子設計方法における重なり指標η0、ηN、ηMは、以上の重なり指標η1 0、η1 N、η1 M、ηp 0、ηp N、ηp M、η∞ 0、η∞ N、η∞ Mを全て包含することとする。なお、η1 M、ηp M、η∞ MにおけるMは、対称性の高い分子については、振電相互作用の選択則を考慮して振電活性モードの数をとることが好ましい。The overlap indexes η 0 , η N , and η M in the third molecular design method of the present invention are the above overlap indexes η 10 0 , η 1 N , η 1 M , η p 0 , η p N , η p M , It is assumed that η ∞ 0 , η ∞ N , and η ∞ M are all included. For M in η 1 M , η p M , and η ∞ M, it is preferable to take the number of vibronic active modes in consideration of the selection rule of vibronic interaction for highly symmetric molecules.
以上のような重なり指標η0、ηN、ηMは、上記の第1の分子設計方法の項で説明した無輻射遷移(内部転換)速度定数knrと比例関係にある二乗和V2と、高い相関性を有する。そのため、本発明の第3の分子設計方法によれば、電子状態計算の結果のみから計算できる重なり指標η0、ηN、ηMの値から、二乗和V2を介して、無輻射速度定数(内部転換)knrや量子収率ΦPLを決める振電相互作用の大きさを把握することができる。これにより、より低い計算コストで、分子の無輻射遷移を的確に制御した分子設計を行うことが可能になる。具体的には、有機エレクトロルミネッセンス素子や有機薄膜太陽電池など、内部転換を抑制し励起状態エネルギーを効率的に利用することなどが必要な機能性材料の効率向上を目指した分子設計を、振動状態に関する計算や振電相互作用計算を行わず可能となる。非対角振電相互作用を抑制するための分子設計の際に本指標を用いれば、考慮しなければならない因子が減るため、設計が容易になる。The overlap indexes η 0 , η N , and η M as described above are the sum of squares V 2 which is proportional to the non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nr described in the section of the first molecular design method described above. , Has a high correlation. Therefore, according to the third molecular design method of the present invention, the non-radiation rate constant from the values of the overlap indexes η 0 , η N , and η M , which can be calculated only from the result of the electronic state calculation, via the sum of squares V 2. (Internal conversion) It is possible to grasp the magnitude of the vibronic interaction that determines the k nr and the quantum yield Φ PL . This makes it possible to perform molecular design in which the non-radiation transition of the molecule is accurately controlled at a lower calculation cost. Specifically, molecular design aimed at improving the efficiency of functional materials that need to suppress internal conversion and efficiently use excited state energy, such as organic electroluminescence devices and organic thin-film solar cells, is designed in a vibronic state. It is possible without performing the calculation related to and the vibrational interaction calculation. If this index is used in molecular design for suppressing off-diagonal oscillating interactions, the factors that must be considered are reduced, and the design becomes easier.
<第4の分子設計方法>
本発明の第4の分子設計方法は、分子の基底電子状態あるいは励起電子状態が縮退している場合に発現する、静的ヤーン・テラー効果による分子軌道の局在に由来する電子状態間の重なり密度の減少を無輻射遷移の制御に用いて分子設計を行う方法である。
縮退した電子状態をもつ非線形分子は構造変形に対して不安定であり、分子構造の対称性を低下させ縮退を解くように安定化する。こうした現象を「静的ヤーン・テラー(Jahn-Teller)効果」という。
図1(a)に、3回対称軸を有する縮退電子状態をもつヤーン・テラー分子における振動を、基準座標に対してプロットしたポテンシャル曲面を示す。図1(b)は、このヤーン・テラー分子の静的ヤーン・テラー効果が発現する前の分子軌道を示し、図1(c)は、静的ヤーン・テラー効果により縮退が解けて軌道が局在化したヤーン・テラー分子の分子軌道を示す。
図1(a)に示されているように、このポテンシャル曲面には、3回対称軸に由来する3つの極小点と3つの遷移状態が円錐交差点のまわりに存在する。対称性の高い円錐交差点では電子状態の縮退が認められるが、それ以外の点(極小点を含む)では対称性が低下しており縮退が解けていることがわかる。<Fourth molecular design method>
The fourth molecular design method of the present invention is an overlap between electronic states derived from the localization of molecular orbitals due to the static Jahn-Teller effect, which is expressed when the basal electronic state or excited electronic state of a molecule is degenerated. This is a method of molecular design using degeneracy control of non-radiation transition.
Non-linear molecules with degenerate electronic states are unstable to structural deformation, reduce the symmetry of the molecular structure, and stabilize to solve the degeneracy. This phenomenon is called the "static yarn teller effect".
FIG. 1A shows a potential energy surface in which vibrations in a Jahn-Teller molecule having a degenerate electronic state having a three-fold axis of symmetry are plotted against reference coordinates. FIG. 1 (b) shows the molecular orbital of this Jahn-Teller molecule before the static Jahn-Teller effect is exhibited, and FIG. 1 (c) shows the orbital of the yarn-teller molecule due to the degeneracy caused by the static Jahn-Teller effect. The molecular orbital of the Jahn-Teller molecule is shown.
As shown in FIG. 1 (a), on this potential surface, there are three minimum points and three transition states derived from the three-fold axis of symmetry around the conical intersection. It can be seen that the degeneracy of the electronic state is observed at the conical intersection with high symmetry, but the symmetry is reduced at other points (including the minimum point) and the degeneracy is solved.
以上のような縮退した電子状態を有する分子の静的ヤーン・テラー効果による電子状態間の重なり密度の減少は、無輻射遷移を抑制する方向に働く。そのため、静的ヤーン・テラー効果が働くように分子設計を行うことにより、無輻射遷移(内部転換)速度定数knrが小さく、量子収率ΦPLが大きな分子を得ることができる。分子における静的ヤーン・テラー効果の発現は、紫外可視吸収スペクトルのピークの分裂や光電子分光法により確認することができる。また、静的ヤーン・テラー効果による電子状態間の重なり密度の減少の指標として、第4の分子設計方法における重なり指標η0、ηNおよびηMを用いることにより、分子の無輻射遷移をより確実に制御することが可能になる。The decrease in the overlap density between the electronic states due to the static Jahn-Teller effect of the molecule having the degenerate electronic state as described above works in the direction of suppressing the non-radiative transition. Therefore, by designing the molecule so that the static Jahn-Teller effect works, it is possible to obtain a molecule having a small non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nr and a large quantum yield Φ PL . The expression of the static Jahn-Teller effect in the molecule can be confirmed by splitting the peak of the ultraviolet-visible absorption spectrum and photoelectron spectroscopy. In addition, by using the overlap indexes η 0 , η N and η M in the fourth molecular design method as indicators of the decrease in the overlap density between electronic states due to the static Jahn-Teller effect, the non-radiation transition of the molecule can be further improved. It becomes possible to control reliably.
<第5の分子設計方法>
本発明の第5の分子設計方法は、分子設計を行う分子が、高次三重項状態Tnからの逆系間交差により生じた一重項状態の輻射遷移により発光する発光分子であり、高次三重項状態Tnと該高次三重項状態Tnよりもエネルギーが低い低次三重項状態Tp(n>p)との間の重なり指標η0、ηNおよびηMの少なくとも1つを、これらの三重項状態同士の間の非対角振電相互作用定数の二乗和V2の制御に用いて、無輻射遷移が抑制されるように分子設計を行う方法である。
非対角振電相互作用定数の二乗和V2の説明については、<第1の分子設計方法>の項を参照することができ、重なり指標η0、ηNおよびηMの説明については、<第3の分子設計方法>の項を参照することができる。後掲の実施例の項で示されているように、重なり指標η0、ηNおよびηMは、二乗和V2と正の相関関係を有する。そのため、高次三重項状態Tnと低次三重項状態Tpの間の重なり指標η0、ηN、ηMがより小さくなるように(二乗和V2がより小さくなるように)電子状態を制御して分子設計を行うことにより、無輻射遷移が抑制された発光分子を得ることができる。具体的には、高次三重項状態Tnと、それよりもエネルギーの低いすべての三重項電子状態Tp(n>p)との間の振電相互作用定数の2乗和V2が5.0×10−6a.u.以下になるように分子設計を行うことが好ましく、3.3×10−6a.u.以下になるように分子設計を行うことがより好ましい。これにより、無輻射遷移(内部転換)速度定数knrが十分に低く、蛍光量子収率ΦPLが高い発光分子を得ることができる。<Fifth molecular design method>
Fifth molecular design method of the present invention, molecules that performs molecular design is a light-emitting molecule emits light by radiative transition of singlet state produced by reverse inter-system crossing from higher triplet state T n, higher At least one of the overlap indices η 0 , η N and η M between the triplet state T n and the lower triplet state T p (n> p) having a lower energy than the higher triplet state T n. using the control of the square sum V 2 unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constant between between these triplet state, a method for performing molecular design as non-radiative transition is suppressed.
For the explanation of the sum of squares V 2 of the off-diagonal oscillating interaction constants, the section <First molecular design method> can be referred to, and for the explanation of the overlap indexes η 0 , η N and η M , < The section of the third molecular design method> can be referred to. As shown in the Examples section below, the overlap indices η 0 , η N and η M have a positive correlation with the sum of squares V 2 . Therefore, the electronic states so that the overlap indices η 0 , η N , and η M between the higher triplet state T n and the lower triplet state T p become smaller (so that the sum of squares V 2 becomes smaller). By controlling the molecular design, it is possible to obtain a luminescent molecule in which the non-radiation transition is suppressed. Specifically, the sum of squares V 2 of the vibronic interaction constants between the higher-order triplet state T n and all triplet electronic states T p (n> p) with lower energies is 5. it is preferable to perform .0 × 10 -6 au molecules designed to be less, and more preferable to carry out molecular design to be less than 3.3 × 10 -6 au. As a result, it is possible to obtain a luminescent molecule having a sufficiently low radiation-free transition (internal conversion) rate constant k nr and a high fluorescence quantum yield Φ PL .
第5の分子設計方法で分子設計を行う発光分子の具体例を図2に示す。図2に示す発光分子(a)、(b)は、エネルギー準位が低い側から順に、基底一重項状態S0と、第1の一重項状態Sqと、第2の一重項状態Smの3つの一重項状態をとりうるとともに、エネルギー準位が低い側から順に、第1の三重項状態T1と、第2の三重項状態Tpと、第3の三重項状態Tnの3つの三重項状態をとりうるものである。ここでは、第3の三重項状態Tnが高次三重項状態Tnに対応する。また、発光分子(a)は、第2の一重項状態Smのエネルギー準位ESmが高次三重項状態Tnのエネルギー準位ETnよりも高い発光分子、すなわちESmとETnの差ΔESTが0よりも大きい発光分子であり、発光分子(b)は、第2の一重項状態Smのエネルギー準位ESmが高次三重項状態Tnのエネルギー準位ETnよりも低い発光分子、すなわちESmとETnの差ΔESTが0よりも小さい発光分子である。いずれの発光分子もΔESTの絶対値が十分に小さいことが好ましく、500 meV以下であることが好ましい。
これらの発光分子では、注入されたキャリアの再結合により、上記の第2の一重項状態Smと高次三重項状態Tnが25%:75%の確率で生成されるが、ここで生成された高次三重項状態Tnの少なくとも一部は第2の一重項状態Smへ逆系間交差するため、結果として25%よりも大きい割合で第2の一重項状態Smが生成する。そして、この第2の一重項状態Smが第1の一重項状態Sqへ無輻射遷移し、さらに第1の一重項状態Sqが基底一重項状態S0へ輻射遷移することにより蛍光発光が生じる。ここで、これらの発光分子で高い蛍光量子収率ΦPLを得るには、第1の一重項状態Sqから基底一重項状態S0への輻射遷移が優先的に生じることが好ましく、これらの輻射遷移と並列関係にある無輻射遷移、すなわち、縦波線で表したSq→S0、Sm→S0、Tn→Tp、Tp→T1、Tn→T1の無輻射遷移は抑制されることが好ましい。この場合、→の左側の電子状態を第1の電子状態n、→の右側の電子状態を第2の電子状態mとして重なり指標η0、ηN、ηMを定義し、これらの重なり指標がより小さくなるように(二乗和V2がより小さくなるように)分子設計を行うことにより、無輻射遷移が抑制され、蛍光量子収率ΦPLが高い発光分子を実現することができる。
第5の分子設計方法では、例えば、静的ヤーン・テラー効果が発現するように発光分子を設計することが好ましい。これにより、高次三重項状態Tnと低次三重項状態Tpの間の重なり指標η0、ηN、ηMが小さくなる方向へ制御し易くなり、無輻射遷移が抑制された発光分子を容易に得ることができる。静的ヤーン・テラー効果の発現が期待できる分子構造として、3回以上の対称軸(回転軸または回映軸) を有する対称な分子構造を挙げることができる。この分子構造の対称軸は、3〜8回の回転軸または回映軸であることが好ましく、3〜8回の回転軸であることがより好ましく、3回回転軸であることがさらに好ましい。3回対称性を有する分子構造としてXY3型構造を挙げることができる。XY3型構造とは、対称の中心を含むX部分に、共通の構造を有する3つのY部分が3回対称性を満たすように結合した構造である。X部分としては、例えばトリフェニルアミン構造を挙げることができ、Y部分としてはヘテロアリール環を挙げることができる。ヘテロアリール環は、ピロール環構造を含むヘテロアリール環であることが好ましく、ピロール環、または、ピロール環に芳香族炭化水素環が縮合した構造を有する縮合環であることがより好ましく、ピロール環、インドール環であることが特に好ましい。具体的には、XY3型構造を有する分子は、下記式(a)で表されるトリフェニルアミン構造の3つのフェニル基が、それぞれ、少なくとも1つの下記一般式(b)で表される基で置換された構造を有する化合物であることが好ましい。また、一般式(b)で表される基のフェニル基における結合位置は、窒素原子との結合位置に対するパラ位であることが好ましく、パラ位のみであることがより好ましい。FIG. 2 shows a specific example of a luminescent molecule whose molecule is designed by the fifth molecular design method. The luminescent molecules (a) and (b) shown in FIG. 2 have a basal triplet state S 0 , a first triplet state S q, and a second triplet state S m in order from the side with the lowest energy level. 3 of the first triplet state T 1 , the second triplet state T p , and the third triplet state T n , in order from the side with the lowest energy level. It can take two triplet states. Here, the third triplet state T n correspond to higher triplet state T n. Further, luminescent molecule (a), the energy level E Sm of the second singlet state S m is high luminescent molecules than the energy level E Tn of higher triplet state T n, i.e. the E Sm and E Tn the difference Delta] E ST is greater luminescent molecules than 0, luminescent molecule (b), rather than the energy level E Tn energy level E Sm is higher triplet state T n of the second singlet state S m low luminous molecules, i.e. less luminous molecules than the difference Delta] E ST are 0 E Sm and E Tn. Preferably the absolute value is sufficiently small in any of the luminescent molecules also Delta] E ST, is preferably 500 meV or less.
In these luminescent molecules, the above-mentioned second singlet state Sm and higher triplet state Tn are generated with a probability of 25%: 75% by the recombination of the injected carriers. since at least some of the high-order triplet state T n crossing between opposite system to the second singlet state S m, the second singlet state S m at a greater rate than the results of 25 percent to produce .. Then, the fluorescence emission by the second singlet state S m is non-radiative transition to the first singlet state S q, further first singlet state S q is radiative transition to the ground singlet state S 0 Occurs. Here, in order to obtain a high fluorescence quantum yield Φ PL with these luminescent molecules, it is preferable that the radiation transition from the first singlet state S q to the base singlet state S 0 occurs preferentially, and these Non-radiative transition that is in parallel with the radiation transition, that is, non-radiation of S q → S 0 , S m → S 0 , T n → T p , T p → T 1 , T n → T 1 represented by vertical wavy lines. The transition is preferably suppressed. In this case, the overlapping index η 0 , η N , η M is defined with the electronic state on the left side of → as the first electronic state n and the electronic state on the right side of → as the second electronic state m, and these overlapping indexes are By designing the molecule so that it becomes smaller (so that the sum of squares V 2 becomes smaller), the non-radiative transition is suppressed, and a luminescent molecule having a high fluorescence quantum yield Φ PL can be realized.
In the fifth molecular design method, for example, it is preferable to design the luminescent molecule so that the static yarn teller effect is exhibited. This facilitates control in the direction in which the overlap indices η 0 , η N , and η M between the higher triplet state T n and the lower triplet state T p become smaller, and the luminescent molecule in which the non-radiation transition is suppressed is suppressed. Can be easily obtained. As a molecular structure that can be expected to exhibit the static Jahn-Teller effect, a symmetric molecular structure having three or more axes of symmetry (rotation axis or reflection axis) can be mentioned. The axis of symmetry of this molecular structure is preferably a rotation axis of 3 to 8 times or a rotation axis, more preferably a rotation axis of 3 to 8 times, and further preferably a rotation axis of 3 times. An XY type 3 structure can be mentioned as a molecular structure having three-fold symmetry. The XY 3 type structure, the X portion including the center of symmetry, is a structure bonded to three Y portion satisfies the 3-fold symmetry having the common structure. Examples of the X moiety include a triphenylamine structure, and examples of the Y moiety include a heteroaryl ring. The heteroaryl ring is preferably a heteroaryl ring containing a pyrrole ring structure, and more preferably a pyrrole ring or a fused ring having a structure in which an aromatic hydrocarbon ring is condensed with a pyrrole ring. An indole ring is particularly preferred. Groups Specifically, molecules with XY 3 type structure, three of the phenyl groups of triphenylamine structure represented by the following formula (a), respectively, represented by at least one of the following formulas (b) It is preferably a compound having a structure substituted with. Further, the bond position of the group represented by the general formula (b) in the phenyl group is preferably the para position with respect to the bond position with the nitrogen atom, and more preferably only the para position.
式(a)において、フェニル基における水素原子は置換基で置換されていてもよい。ただし、フェニル基の置換可能な位置の少なくとも1つは、下記一般式(b)で表される基で置換されている。また、置換基の置換位置、および、対応する位置における置換基の化学構造は、3つのフェニル基で同じである。
式(a)で表されるトリフェニルアミン構造が一般式(b)で表される基以外の置換基を有する場合、その置換基は、置換もしくは無置換のアルキル基、またはハロゲン原子であることが好ましい。それらの説明と好ましい範囲、具体例については、下記一般式(1)のR2〜R8における、置換もしくは無置換のアルキル基、またはハロゲン原子についての説明と好ましい範囲、具体例を参照することができる。In formula (a), the hydrogen atom in the phenyl group may be substituted with a substituent. However, at least one of the substitutable positions of the phenyl group is substituted with the group represented by the following general formula (b). Further, the substitution position of the substituent and the chemical structure of the substituent at the corresponding position are the same for the three phenyl groups.
When the triphenylamine structure represented by the formula (a) has a substituent other than the group represented by the general formula (b), the substituent shall be a substituted or unsubstituted alkyl group or a halogen atom. Is preferable. Preferred ranges and their description, specific examples, in R 2 to R 8 of the general formula (1), a substituted or unsubstituted alkyl group or description and preferred ranges for a halogen atom, referring to the specific example Can be done.
一般式(b)において、R1b、R6b〜R8bは、各々独立に水素原子または置換基を表し、R6bとR7b、R7bとR8bは互いに結合して環状構造を形成していてもよい。*は式(a)におけるフェニル基への結合位置を表す。
R1bにおける置換基は、置換もしくは無置換のアルキル基、または置換もしくは無置換のアリール基であることが好ましい。それらの説明と好ましい範囲、具体例については、下記一般式(1)のR1における、置換もしくは無置換のアルキル基、または置換もしくは無置換のアリール基についての説明と好ましい範囲、具体例を参照することができる。また、R6b〜R8bにおける置換基は、置換もしくは無置換のアルキル基、またはハロゲン原子であることが好ましい。それらの説明と好ましい範囲、具体例については、下記一般式(1)のR2〜R8における、置換もしくは無置換のアルキル基、またはハロゲン原子についての説明と好ましい範囲、具体例を参照することができる。R6bとR7b、R7bとR8bが互いに結合して形成する環状構造は、ピロール環と一辺を共有する芳香族炭化水素環であることが好ましく、ベンゼン環であることが最も好ましい。ここで、芳香族炭化水素環は置換基で置換されていてもよい。 一般式(b)で表される基は、R7bとR8bが互いに結合して、ピロール環と一辺を共有するベンゼン環を形成しているか、R6bとR7b、R7bとR8bがいずれも結合して環状構造を形成していないものであることが好ましい。すなわち、一般式(b)で表される基は、置換もしくは無置換の1H−インドール−2−イル基、置換もしくは無置換の1H−ピロール−2−イル基であることが好ましい。In the general formula (b), R 1b and R 6b to R 8b each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and R 6b and R 7b and R 7b and R 8b are bonded to each other to form a cyclic structure. You may. * Represents the bond position to the phenyl group in the formula (a).
The substituent in R 1b is preferably a substituted or unsubstituted alkyl group or a substituted or unsubstituted aryl group. Preferred ranges and their description, specific examples, see the R 1 of the following general formula (1), a substituted or unsubstituted alkyl group or description and preferred ranges for the substituted or unsubstituted aryl group, and specific examples can do. Further, the substituents in R 6b to R 8b are preferably substituted or unsubstituted alkyl groups or halogen atoms. Preferred ranges and their description, specific examples, in R 2 to R 8 of the general formula (1), a substituted or unsubstituted alkyl group or description and preferred ranges for a halogen atom, referring to the specific example Can be done. The cyclic structure formed by bonding R 6b and R 7b and R 7b and R 8b to each other is preferably an aromatic hydrocarbon ring that shares one side with the pyrrole ring, and most preferably a benzene ring. Here, the aromatic hydrocarbon ring may be substituted with a substituent. In the group represented by the general formula (b), R 7b and R 8b are bonded to each other to form a benzene ring that shares one side with the pyrrole ring, or R 6b and R 7b , R 7b and R 8b are It is preferable that none of them is bonded to form a cyclic structure. That is, the group represented by the general formula (b) is preferably a substituted or unsubstituted 1H-indole-2-yl group and a substituted or unsubstituted 1H-pyrrole-2-yl group.
XY3型構造を有する分子の例として、下記の<無輻射遷移過程の抑制された分子>の項で示した一般式(1)で表される化合物が挙げられ、その具体例として化合物1〜22を挙げることができる。一般式(1)で表される化合物は、トリフェニルアミン構造がXに対応し、置換もしくは無置換のインドール環がYに対応するXY3型分子である。例えば化合物1は発光性であり、化合物12はより高効率な発光が期待できるが、トリフェニルアミン、メチルインドールおよびメチルピロールは、いずれも非発光性である。なお、本発明において分子設計に採用できる構造は、一般式(1)で表される化合物によって限定的に解釈されるべきものではない。Examples of molecules with XY 3 type structure, the compound represented by the general formula (1) shown in the section <molecules with suppressed non-radiative transition process> The following may be mentioned, compound 1 as a specific example 22 can be mentioned. The compound represented by the general formula (1) is an XY type 3 molecule in which the triphenylamine structure corresponds to X and the substituted or unsubstituted indole ring corresponds to Y. For example, compound 1 is luminescent and compound 12 can be expected to emit light with higher efficiency, but triphenylamine, methylindole and methylpyrrole are all non-luminescent. The structure that can be adopted for molecular design in the present invention should not be construed as being limited by the compound represented by the general formula (1).
<プログラム>
次に、本発明のプログラムについて説明する。
本発明のプログラムは、非対角振電相互作用定数の二乗和V2を計算する工程を有するものである。
また、本発明の他のプログラムは、本発明の分子設計方法に用いられるプログラムであって、非対角振電相互作用定数の二乗和V2および重なり指標η0、ηN、ηMの少なくとも1つを計算する工程を有するものである。
非対角振電相互作用定数の二乗和V2の説明については、<第1の分子設計方法>の項を参照することができ、重なり指標η0、ηNおよびηMの説明については、<第3の分子設計方法>の項を参照することができる。
上記のように、非対角振電相互作用定数の二乗和V2および重なり指標η0、ηN、ηMの計算工程は簡単であるため、本発明のプログラムを用いれば、計算コストを抑えながら、分子の無輻射遷移を的確に制御した分子設計を行うことが可能になる。<Program>
Next, the program of the present invention will be described.
Program of the present invention has a step of calculating the square sum V 2 unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constant.
Further, another program of the present invention is a program used in the molecular design method of the present invention, in which the sum of squares V 2 of the off-diagonal oscillating interaction constant and the overlap index η 0 , η N , η M are at least one. It has a step of calculating one.
For the explanation of the sum of squares V 2 of the off-diagonal oscillating interaction constants, the section <First molecular design method> can be referred to, and for the explanation of the overlap indexes η 0 , η N and η M , < The section of the third molecular design method> can be referred to.
As described above, the calculation process of the sum of squares V 2 of the off-diagonal radiant interaction constants and the overlap indices η 0 , η N , and η M is simple. Therefore, by using the program of the present invention, the calculation cost can be suppressed. , It becomes possible to perform molecular design in which the non-radiation transition of the molecule is accurately controlled.
<無輻射遷移過程の抑制された分子>
次に、本発明の無輻射遷移過程の抑制された分子について説明する。
本発明の無輻射遷移過程の抑制された分子は、高次励起状態Enと高次励起状態Enよりもエネルギーが低い低次励起状態Epとの間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数の二乗和V2が、高次励起状態Enと、高次励起状態Enよりもエネルギーが低いすべての低次励起状態Epとの間で5.0×10−6a.u.以下であるものであり、3.3×10−6a.u.以下であることが好ましい。ここでの二乗和V2は、高次励起状態Enを第1の電子状態nとし、高次励起状態Enよりもエネルギーが低い低次励起状態Epを第2の電子状態mとし、これら電子状態同士の間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数をVmn,αとして、第1の分子設計方法で用いる式(1)により求められる。高次励起状態Enと低次励起状態Epとの間の二乗和V2が上記のように規定された分子では、高次励起状態Enから低次励起状態Epへの無輻射遷移過程が抑制されており、これによりエネルギーが高い高次励起状態Enで、他の系への系間交差や逆系間交差、他の分子への励起エネルギーの移動が起こりうる。そのため、例えば、この無輻射遷移過程の抑制された分子を発光層のホスト材料として用いた場合には、ホスト材料から発光分子へ、その高い励起エネルギーを供給することができるため、深青色などの短波長光を発光する発光層のホスト材料として効果的に機能させることができる。ここで、本発明の分子をホスト材料として用いる場合、それと組み合わせる発光分子は特に制限されず、通常の蛍光発光分子や通常のリン光発光分子の他、熱活性型遅延蛍光発光分子、高次三重項経由蛍光(FvHT)機構による発光分子などであってもよい。ここで、高次三重項経由蛍光(FvHT)機構による発光分子の説明と化合物例については、J. Comput. Chem. Jpn. 14, 189-192(2015)、Sci.Rep.7, 4820 1-9(2017)を参照することができる。
本発明の無輻射遷移過程の抑制された分子は、いずれの無輻射遷移過程が抑制されたものであってもよい。例えば、高次励起三重項状態Tnから低次励起三重項状態Tpへの無輻射遷移過程が抑制された分子であってもよいし、高次励起一重項状態Snから低次励起一重項状態Spへの無輻射遷移過程が抑制された分子であってもよく、その両方の無輻射遷移過程が抑制された分子であってもよい。また、本発明の無輻射遷移過程の抑制された分子において、低次励起状態Epへの無輻射遷移が抑制される高次励起状態Enの次数は、特に制限されないが、1〜20であることが好ましく、1〜10であることがより好ましく、1〜5であることがさらに好ましい。
以上のように、本発明の分子は、高次励起状態Enから低次励起状態Epへの無輻射遷移が抑制されることから、ホスト材料の他にも、様々な用途に用いることができ、特に発光分子としても効果的に用いることができる。本発明の無輻射遷移過程の抑制された分子が発光分子である場合の説明については、下記の<発光分子>の項の記載を参照することができる。
本発明の無輻射遷移過程の抑制された分子としては、3回以上の対称軸(回転軸または回映軸)を有する対称な分子構造を有する化合物を挙げることができ、3回回転軸を有する回転対称構造を有するXY3型分子であることが好ましい。ここで、分子の対称軸の好ましい範囲、XY3型分子の説明については、<第5の分子設計方法>の項における発光分子についての記載を参照することができる。
また、本発明の無輻射遷移過程の抑制された分子は、下記一般式(1)で表される化合物であることが好ましい。<Molecules with suppressed non-radiation transition process>
Next, the molecule in which the non-radiation transition process of the present invention is suppressed will be described.
Molecules with suppressed nonradiative transition process of the present invention, unpaired for normal modes α between the low-order excited state E p energy is lower than the higher excited states E n and higher excited states E n square sum V 2 of Tsunofuri electrostatic interaction constant, higher excited state and E n, 5.0 × 10 -6 between all lower order excited state E p is lower energy than higher excited state E n It is au or less, and preferably 3.3 × 10-6 au or less. Here square sum V 2 of the higher excited states E n the first electronic state n, the low-order excited state E p energy is lower than the higher excited states E n the second electronic state m, The off-diagonal oscillating interaction constants for the reference vibration mode α between these electronic states are set to V mn and α , and are obtained by the equation (1) used in the first molecular design method. The molecules square sum V 2 is defined as above between the high-order excited state E n and Low-Order excited state E p, non-radiative transition from the higher excited states E n to the low-order excited state E p process is suppressed, thereby energy is high-order excited state E n, intersystem crossing and inverse inter-system crossing to the other systems, possible movement of the excitation energy to other molecules. Therefore, for example, when a molecule in which the non-radiation transition process is suppressed is used as the host material of the light emitting layer, the high excitation energy can be supplied from the host material to the light emitting molecule, so that deep blue or the like can be obtained. It can effectively function as a host material for a light emitting layer that emits short wavelength light. Here, when the molecule of the present invention is used as a host material, the luminescent molecule to be combined with the molecule is not particularly limited, and in addition to a normal fluorescent luminescent molecule and a normal phosphorescent luminescent molecule, a thermoactive delayed fluorescent luminescent molecule and a higher-order triplet. It may be a luminescent molecule by a fluorescence (FvHT) mechanism via a term. Here, J. Comput. Chem. Jpn. 14, 189-192 (2015), Sci.Rep.7, 4820 1- for explanation of luminescent molecules by the higher-order triplet fluorescence (FvHT) mechanism and examples of compounds. 9 (2017) can be referred to.
The molecule in which the non-radiation transition process of the present invention is suppressed may be one in which any non-radiation transition process is suppressed. For example, it may be a molecule that non-radiative decay process is suppressed from the higher excited triplet state T n to the lower order excited triplet state T p, lower order excited singlet from higher excited singlet state S n may be a molecule that non-radiative decay process is suppressed to the excited state S p, it may be a molecule that non-radiative transition process of both is suppressed. Further, in inhibiting molecules of the non-radiation transition process of the present invention, the order of higher excited states E n where radiationless transition to the low-order excited state E p is suppressed are not particularly limited, 1 to 20 It is preferably 1 to 10, more preferably 1 to 5, and even more preferably 1 to 5.
Thus, molecules of the present invention, since the non-radiative transition from the higher excited states E n to the low-order excited state E p is suppressed, in addition to the host material be used for a variety of applications It can be used effectively, especially as a luminescent molecule. For a description of the case where the molecule in which the non-radiation transition process of the present invention is suppressed is a luminescent molecule, the description in the <luminescent molecule> section below can be referred to.
Examples of the molecule in which the non-radiation transition process of the present invention is suppressed include a compound having a symmetric molecular structure having three or more axes of symmetry (rotation axis or reflection axis), and having three rotation axes. is preferably XY 3 type molecules having a rotation symmetry structure. Here, the preferred range of the axis of symmetry of the molecule, for a description of XY 3 type molecule, can be referred to the light-emitting molecules in the section <Fifth molecular design method>.
Further, the molecule in which the non-radiation transition process of the present invention is suppressed is preferably a compound represented by the following general formula (1).
一般式(1)において、R1は水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、または置換もしくは無置換のアリール基を表す。
R1におけるアルキル基は、直鎖状、分枝状、環状のいずれであってもよい。好ましい炭素数は1〜20であり、より好ましくは1〜10であり、さらに好ましくは1〜6である。例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、ヘキシル基などを例示することができ、メチル基であることが好ましい。
R1におけるアリール基を構成する芳香環は、単環であっても、2以上の芳香環が縮合した縮合環であってもよく、2以上の芳香環が単結合で連結した連結環構造を有していてもよい。アリール基を構成する芳香環の炭素数は、6〜18であることが好ましく、6〜14であることがさらにより好ましく、6〜10であることが特に好ましい。アリール基の具体例として、フェニル基、ナフタレニル基、ビフェニル基、トリル基、ベンジル基、キシリル基などを例示することができ、フェニル基であることが好ましい。
R2〜R8は各々独立に水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、またはハロゲン原子を表す。
R2〜R8におけるアルキル基の説明と好ましい範囲、具体例については、R1におけるアルキル基についての説明と好ましい範囲、具体例を参照することができる。
R2〜R8におけるハロゲン原子として、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子を挙げることができる。
R2〜R8のうち、水素原子であるものの数は、2以上であることが好ましく、全てが水素原子であることがより好ましい。
R1〜R8におけるアルキル基、R1におけるアリール基は置換基で置換されていてもよい。アルキル基の置換基として、アリール基、ハロゲン原子を挙げることができ、アリール基の置換基として、アルキル基、ハロゲン原子を挙げることができる。置換基としてのアルキル基およびアリール基は、さらに、アルキル基またはアリール基、ハロゲン原子で置換されていてもよい。
R6とR7は互いに結合して環状構造を形成していてもよく、また、R7とR8は互いに結合して環状構造を形成していてもよい。ここでいう環状構造は芳香環であることが好ましく、ベンゼン環であることがより好ましい。また、芳香環やベンゼン環は置換されていてもよく、また、縮環構造を有するものであってもよい。一般式(1)で表される化合物の好ましい一群として、R7とR8が互いに結合して、置換もしくは無置換のベンゼン環を形成している化合物群を挙げることができる。
一般式(1)で表される化合物において、R1〜R8は同一であっても異なっていてもよい。また、3つのR1、3つのR2、3つのR3、3つのR4、3つのR5、3つのR6、3つのR7、3つのR8は、それぞれ互いに同一である。
一般式(1)で表される化合物は、3回対称構造を有するため、静的ヤーン・テラー効果が発現し易く、その発現により無輻射遷移過程が効果的に抑制される。
一般式(1)で表される化合物の具体例として、下記の化合物1〜22を挙げることができる。下記式において、t-Buはtert-ブチル基を表す。ただし、本発明の無輻射遷移過程の抑制された分子はこの具体例によって限定的に解釈されるべきものではない。In the general formula (1), R 1 represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, or a substituted or unsubstituted aryl group.
The alkyl group in R 1 may be linear, branched or cyclic. The number of carbon atoms is preferably 1 to 20, more preferably 1 to 10, and even more preferably 1 to 6. For example, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, a tert-butyl group, a hexyl group and the like can be exemplified and may be a methyl group. preferable.
Aromatic ring constituting the aryl group in R 1 can be a single ring may be a condensed ring in which two or more aromatic rings are condensed, the linking ring structures in which two or more aromatic rings are linked by a single bond You may have. The aromatic ring constituting the aryl group preferably has 6 to 18 carbon atoms, more preferably 6 to 14 carbon atoms, and particularly preferably 6 to 10 carbon atoms. Specific examples of the aryl group include a phenyl group, a naphthalenyl group, a biphenyl group, a tolyl group, a benzyl group, a xsilyl group and the like, and a phenyl group is preferable.
R 2 to R 8 independently represent a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, or a halogen atom.
For the description and preferred range of the alkyl group in R 2 to R 8 and specific examples, the description and preferred range of the alkyl group in R 1 and specific examples can be referred to.
As the halogen atom in R 2 to R 8, fluorine atom, chlorine atom, bromine atom, and an iodine atom.
Among R 2 to R 8, the number of those which are hydrogen atoms is preferably 2 or more, more preferably all are hydrogen atoms.
The alkyl group in R 1 to R 8 and the aryl group in R 1 may be substituted with a substituent. Examples of the substituent of the alkyl group include an aryl group and a halogen atom, and examples of the substituent of the aryl group include an alkyl group and a halogen atom. The alkyl group and aryl group as substituents may be further substituted with an alkyl group, an aryl group, or a halogen atom.
R 6 and R 7 may be coupled to each other to form an annular structure, and R 7 and R 8 may be coupled to each other to form an annular structure. The cyclic structure referred to here is preferably an aromatic ring, and more preferably a benzene ring. Further, the aromatic ring and the benzene ring may be substituted, or may have a condensed ring structure. As a preferable group of compounds represented by the general formula (1), a group of compounds in which R 7 and R 8 are bonded to each other to form a substituted or unsubstituted benzene ring can be mentioned.
In the compound represented by the general formula (1), R 1 to R 8 may be the same or different. Further, the three R 1, three R 2, three R 3, three R 4, three R 5, three R 6, three R 7, three R 8 are each identical to one another.
Since the compound represented by the general formula (1) has a three-fold symmetric structure, the static Jahn-Teller effect is likely to be exhibited, and the non-radiation transition process is effectively suppressed by the expression.
Specific examples of the compound represented by the general formula (1) include the following compounds 1 to 22. In the following formula, t-Bu represents a tert-butyl group. However, the molecule in which the non-radiation transition process of the present invention is suppressed should not be construed in a limited manner by this specific example.
一般式(1)で表される化合物は、公知の合成反応を組み合わせて合成することができ、詳細な合成条件については、実施例の項の合成例を参考にすることができる。 The compound represented by the general formula (1) can be synthesized by combining known synthetic reactions, and for detailed synthetic conditions, the synthetic example in the section of Examples can be referred to.
<発光分子>
次に、本発明の発光分子について説明する。
本発明の発光分子は、高次三重項状態Tnからの逆系間交差により生じた一重項状態の輻射遷移により発光する発光分子であって、高次三重項状態Tnと高次三重項状態Tnよりもエネルギーが低い低次三重項状態Tpとの間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数の二乗和V2が、高次三重項状態Tnと高次三重項状態Tnよりもエネルギーが低いすべての低次三重項電子状態Tpとの間で5.0×10−6a.u.以下であるものであり、3.3×10−6a.u.以下であることが好ましい。ここでの二乗和V2は、高次三重項状態Tnを第1の電子状態nとし、低次三重項電子状態Tpを第2の電子状態mとし、これら電子状態同士の間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数をVmn,αとして、第1の分子設計方法で用いる式(1)により求められる。高次三重項状態Tnと低次三重項状態Tpとの間の二乗和V2が上記のように規定された発光分子は、無輻射遷移(内部転換)速度定数knrが十分に低く、高い蛍光量子収率ΦPLを得ることができる。本発明の発光分子の具体的な発光メカニズムについては、<第5の分子設計方法>の項の記載を参照することができる。ここで、本発明の発光分子における輻射遷移は、高次三重項状態Tnからの逆系間交差により直接生じた一重項状態からの輻射遷移であってもよいし、その一重項状態から無輻射遷移した低次一重項状態からの輻射遷移であってもよい。
こうした発光分子として、3回以上の対称軸(回転軸または回映軸)を有する対称な分子構造を有する化合物を挙げることができ、3回回転軸を有する回転対称構造を有するXY3型分子であることが好ましい。ここで、発光分子の対称軸の好ましい範囲、XY3型分子の説明については、<第5の分子設計方法>の項の記載を参照することができる。
また、本発明の発光分子は、上記の一般式(1)で表される化合物であることが好ましい。一般式(1)で表される化合物についての説明と好ましい範囲、具体例については、上記の<無輻射遷移過程の抑制された分子>の項を参照することができる。一般式(1)で表される化合物は、3回対称構造を有するため、静的ヤーン・テラー効果が発現し易く、無輻射遷移が抑制され、高い蛍光量子収率ΦPLを得ることができる。<Luminous molecule>
Next, the luminescent molecule of the present invention will be described.
Luminescent molecules of the present invention is a light-emitting molecule emits light by radiative transition of singlet state produced by reverse inter-system crossing from higher triplet state T n, higher triplet state T n and higher triplet The sum of squares V 2 of the off-diagonal oscillating interaction constants for the reference vibration mode α between the lower triplet state T p, which has a lower energy than the state T n, is the higher triplet state T n and the higher triplet. It must be 5.0 × 10-6 au or less and 3.3 × 10-6 au or less with all lower triplet electronic states T p whose energy is lower than the term state T n. Is preferable. Here, the sum of squares V 2 has a higher-order triplet state T n as the first electronic state n and a lower-order triplet electronic state T p as the second electronic state m, and is a reference between these electronic states. The off-diagonal oscillating interaction constants for the vibration mode α are set to V mn and α , and are obtained by the equation (1) used in the first molecular design method. The luminescent molecule in which the sum of squares V 2 between the higher-order triple-term state T n and the lower-order triple-term state T p is defined as described above has a sufficiently low non-radiation transition (internal conversion) rate constant k nr. , High fluorescence quantum yield Φ PL can be obtained. For the specific luminescence mechanism of the luminescent molecule of the present invention, the description in the section <Fifth Molecular Design Method> can be referred to. Here, radiative transition in the light-emitting molecules of the present invention may be a radiative transition from the singlet state caused directly by reverse inter-system crossing from higher triplet state T n, free from the singlet state It may be a radiation transition from a low-order single term state that has undergone a radiation transition.
As such light-emitting molecules, there may be mentioned a compound having a symmetric molecular structure having three or more symmetry axis (rotation axis or times Utsujiku) in XY 3 type molecules having a rotationally symmetrical structure with a 3-fold axis It is preferable to have. Here, the preferred range of the axis of symmetry of the light emitting molecule, for a description of XY 3 type molecule, can be referred to the section <Fifth molecular design method>.
Further, the luminescent molecule of the present invention is preferably a compound represented by the above general formula (1). For a description of the compound represented by the general formula (1), a preferable range, and specific examples, the above section <Molecules in which the non-radiation transition process is suppressed> can be referred to. Since the compound represented by the general formula (1) has a three-fold symmetric structure, the static Jahn-Teller effect is likely to be exhibited, non-radiation transition is suppressed, and a high fluorescence quantum yield Φ PL can be obtained. ..
<有機発光素子>
次に、本発明の有機発光素子について説明する。
本発明の有機発光素子は、本発明の分子を発光分子またはホスト材料として発光層に含むことを特徴とする。本発明の分子は、無輻射遷移(内部転換)速度定数knrが十分に低く、発光分子としては高い蛍光量子収率ΦPLを有するため、発光効率が高い有機発光素子を実現することができる。特に、化合物1を発光層に含む有機発光素子は、化合物1に由来する深青色発光が得られるとともに、高い励起子利用効率を実現することができる。
本発明の有機発光素子は、有機フォトルミネッセンス素子であってもよいし、有機エレクトロルミネッセンス素子であってもよいが、有機エレクトロルミネッセンス素子であることが好ましい。有機発光素子のその他の構成は特に制限されず、公知の構成を採用することができる。例えば、発光層は発光分子のみで構成してもよいし、発光分子とホスト材料を組み合わせて構成してもよい。また、有機エレクトロルミネッセンス素子には、発光層の他に、正孔輸送層、正孔注入層、電子阻止層、正孔阻止層、電子注入層、電子輸送層、励起子阻止層などを設けてもよい。これらの層の材料には、公知の材料から選択して用いることができる。<Organic light emitting element>
Next, the organic light emitting device of the present invention will be described.
The organic light emitting device of the present invention is characterized by containing the molecule of the present invention as a light emitting molecule or a host material in the light emitting layer. Since the molecule of the present invention has a sufficiently low radiation-free transition (internal conversion) rate constant k nr and has a high fluorescence quantum yield Φ PL as a light emitting molecule, it is possible to realize an organic light emitting element having high luminous efficiency. .. In particular, an organic light emitting device containing compound 1 in the light emitting layer can obtain deep blue light emission derived from compound 1 and can realize high exciton utilization efficiency.
The organic light emitting device of the present invention may be an organic photoluminescence device or an organic electroluminescence device, but is preferably an organic electroluminescence device. Other configurations of the organic light emitting device are not particularly limited, and known configurations can be adopted. For example, the light emitting layer may be composed of only light emitting molecules, or may be composed of a combination of light emitting molecules and a host material. In addition to the light emitting layer, the organic electroluminescence element is provided with a hole transport layer, a hole injection layer, an electron blocking layer, a hole blocking layer, an electron injection layer, an electron transport layer, an exciton blocking layer, and the like. May be good. As the material for these layers, a known material can be selected and used.
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。また、以下に示す実施例において、基底状態の構造最適化と振動解析は、汎関数mPW1PW91を用いた密度汎関数(DFT)法により行い、励起状態の構造最適化と振動解析は、mPW1PW91/6-31G(d,p)レベルで時間依存密度汎関数(TD-DFT)法により行った。遷移の始状態には、すべてその励起状態で構造最適化した構造での電子状態を用いた。電子状態の計算は、Gaussian09 Rev.D01パッケージを用いて行い、重なり密度の計算、cubeファイルを用いた数値積分およびcubeファイルのI∞の計算は、その計算のために自作したプログラムを用いて行った。The features of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. The materials, amounts used, ratios, treatment contents, treatment procedures, etc. shown in the following examples can be appropriately changed as long as they do not deviate from the gist of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as limiting by the specific examples shown below. Further, in the examples shown below, the structural optimization and vibration analysis of the ground state are performed by the density functional theory (DFT) method using the functional mPW1PW91, and the structural optimization and vibration analysis of the excited state are performed by mPW1PW91 / 6. It was performed by the time-dependent density functional theory (TD-DFT) method at the -31G (d, p) level. For the initial state of the transition, the electronic state in the structure optimized for the excited state was used. The electronic state is calculated using the Gaussian09 Rev.D01 package, and the overlap density is calculated, the numerical integration using the cube file, and the I ∞ calculation of the cube file are performed using the program created for the calculation. It was.
[1]無輻射遷移(内部交換)速度定数knrの制御の検討
(実験例1) D2h構造を有するエチレン(D2h−エチレン)およびC2h構造を有するブタジエン(C2h−ブタジエン)の解析
D2h−エチレンについて、基底状態振動解析および励起状態振動解析をそれぞれ行い、励起一重項状態と基底一重項状態の間(以下、「S1−S0間」という)で振電相互作用が活性な振動モードを調べ、二乗和V2を求めた。その結果と各解析に要した計算時間を表1に示す。[1] Examination of control of non-radiation transition (internal exchange) rate constant k nr (Experimental example 1) Analysis of ethylene (D 2h -ethylene) having a D 2h structure and butadiene (C 2h -butadiene) having a C 2h structure D 2h - for ethylene, performed ground state vibration analysis and excited state vibration analysis, respectively, excited singlet state and between the ground singlet state (hereinafter, referred to as "S between 1 -S 0") vibronic interaction activity examine the Do vibration mode, and calculates the square sum V 2. Table 1 shows the results and the calculation time required for each analysis.
表1に示すように、D2h−エチレンについて基底状態振動解析と励起状態振動解析を行った結果、それぞれ2つの振動モード(mode 7、mode 9)が検出された。そして、各解析法で、非対角振電相互作用定数Vには差が認められたが、ニ乗和V2の値は一致していた。一方、計算時間は、励起状態振動解析で基底状態振動解析の7.6倍の時間を要した。本発明の第2の分子設計方法によれば、これらの振動解析を行わないため、計算時間はゼロである。第2の分子設計方法にしたがって計算した二乗和V2の値は表1の値と一致していた。
次に、D2h−エチレンおよびC2h−ブタジエンについて、基底状態振動解析を行い、S1−S0間で非対角振電相互作用定数の絶対値が最大|V|maxになる振動モード(最大相互作用モード)を調べた。その最大非対角振電相互作用定数|V|maxを表2に示す。また、D2h−エチレンおよびC2h−ブタジエンについて、S1−S0間の非対角振電相互作用密度解析を行った結果を図3に示す。As shown in Table 1, as a result of performing ground state vibration analysis and excited state vibration analysis for D 2h -ethylene, two vibration modes (mode 7 and mode 9) were detected, respectively. Then, in each analysis method, a difference was observed in the off-diagonal oscillating interaction constant V, but the values of the sum of squares V 2 were the same. On the other hand, the calculation time required for the excited state vibration analysis to be 7.6 times that for the ground state vibration analysis. According to the second molecular design method of the present invention, the calculation time is zero because these vibration analyzes are not performed. The value of the square sum V 2 calculated in accordance with the second molecular design method were consistent with the values in Table 1.
Next, for D 2h -ethylene and C 2h -butadiene, ground state vibration analysis is performed, and the absolute value of the off-diagonal oscillating interaction constant between S 1 and S 0 becomes the maximum | V | max. The interaction mode) was investigated. The maximum off-diagonal oscillating interaction constant | V | max is shown in Table 2. Further, D 2h - ethylene and C 2h - for butadiene, shows the results of unpaired Tsunofuri electrostatic interaction Density Analysis between S 1 -S 0 in FIG.
D2h−エチレンの最大相互作用モードはC=C伸縮モード(mode 7)であり、C2h−ブタジエンの最大相互作用モードはC-H伸縮モード(mode 22)であり、C2h−ブタジエンの|V|maxの方がD2h−エチレンの|V|maxよりも明らかに小さい値であった。また、D2h−エチレンの最大相互作用モードに対応するブタジエンの振動モード(mode 13)の非対角相互作用定数は0.00153564267 a.u.でさらに小さい値であった。このことから、分子サイズが大きくなると、|V|maxが小さくなる傾向があることがわかった。これは、分子サイズが大きくなって電子状態間の重なりが非局在化すると、振動モードごとの振電相互作用密度ηmn,αの絶対値が小さくなり、その積分値である振電相互作用定数も小さくなるためであると考えられる。The maximum interaction mode of D 2h -ethylene is C = C expansion and contraction mode (mode 7), the maximum interaction mode of C 2h -butadiene is CH expansion and contraction mode (mode 22), and | V | of C 2h -butadiene. The value of max was clearly smaller than that of | V | max of D 2h -ethylene. The off-diagonal interaction constant of butadiene vibration mode (mode 13) corresponding to the maximum interaction mode of D 2h -ethylene was 0.00153564267 au, which was even smaller. From this, it was found that as the molecular size increases, | V | max tends to decrease. This is because when the molecular size increases and the overlap between electronic states is delocalized, the absolute values of the vibronic interaction densities η mn and α for each vibration mode decrease, and the integral value of the vibronic interaction This is thought to be because the constant becomes smaller.
(実験例2) 非対角振電相互作用定数の二乗和V2と無輻射遷移(内部転換)速度定数knrの相関関係の検討
化合物1(TPA-MeIndole)、化合物12(TPA-MePyrrole)および種々の化合物の物性値を用いて、S1→S0間における非対角振電相互作用定数の二乗和V2と無輻射遷移(内部転換)速度定数knrの相関関係を調べた。
下記の各化合物の77Kでの極大発光波長λem、蛍光量子収率ΦF、一重項状態S1の自然輻射速度定数kF、S1→S0間の無輻射遷移速度定数kNRを表3に示す。下記の各構造式の下方に記載した「N」は各化合物の電子数を表し、「M」は各化合物の基準振動モードの数を表す。なお、無輻射遷移速度定数kNRは、分子全体での無輻射遷移速度定数である。また、上記の各化合物の電子数N、基準振動モードの数M、および、表3に示した数値は、J. Photochem.Photobio. A Chem. 194,67 (2008)に記載された値を引用したものである。(Experimental Example 2) unpaired Tsunofuri conductive non-radiative transitions square sum V 2 interaction constant (internal conversion) Study compound of correlation between the rate constant k nr 1 (TPA-MeIndole) , compound 12 (TPA-MePyrrole) and using physical values of various compounds was investigated the correlation between the S 1 → S 0 nonradiative decay and square sum V 2 unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constants between (internal conversion) rate constant k nr.
The table below shows the maximum emission wavelength λ em at 77K, the fluorescence quantum yield Φ F , the natural radiation rate constant k F in the singlet state S 1 , and the non-radiation transition rate constant k NR between S 1 → S 0 of each of the following compounds. Shown in 3. "N" described below each structural formula below represents the number of electrons of each compound, and "M" represents the number of reference vibration modes of each compound. The non-radiation transition rate constant k NR is a non-radiation transition rate constant for the entire molecule. The number of electrons N of each of the above compounds, the number M of the reference vibration mode, and the numerical values shown in Table 3 are quoted from the values described in J. Photochem. Photobio. A Chem. 194,67 (2008). It was done.
上記化合物に加えて、さらに下記の各化合物についても、J.Luminescence 195,252(2018); J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 83, 7 (1994); J.Photochem. Photobiol.A: Chem. 110, 123 (1997); Cryst. Growth Des.DOI: 10.1021/acs.cgd.8b00509を参照して検討を行った。これらの化合物と化合物1(TPA-MeIndole)、化合物12(TPA-MePyrrole)の非対角振電相互作用と重なり指標の計算結果を表4と表5にそれぞれ示す。I1の計算にはcubeint Rev.7を使用し、I∞の計算にはcubemaxRev.4を使用した。In addition to the above compounds, J. Luminescence 195,252 (2018); J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 83, 7 (1994); J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 110 , 123 (1997); Cryst. Growth Des.DOI: 10.1021 / acs.cgd.8b00509. Tables 4 and 5 show the off-diagonal oscillating interactions of these compounds, compound 1 (TPA-MeIndole), and compound 12 (TPA-MePyrrole), and the calculation results of the overlap index, respectively. Cubeint Rev.7 was used for the calculation of I 1 , and cubemax Rev.4 was used for the calculation of I ∞ .
これらの各化合物のS1→S0間における非対角振電相互作用定数の二乗和V2と無輻射遷移(内部転換)速度定数knrの関係を図4に示す。図4からも示されているように、振電相互作用定数のニ乗和V2と無輻射遷移速度定数knrは正の相関を有していた。このことから、二乗和V2の大小関係により、無輻射遷移速度定数knrの大小関係を把握できることがわかった。FIG. 4 shows the relationship between the sum of squares V 2 of the off-diagonal oscillating interaction constants between S 1 and S 0 of each of these compounds and the non-radiative transition (internal conversion) rate constant k nr . As shown from FIG. 4, two square sum V 2 and nonradiative decay rate constant k nr of vibronic interaction constants had a positive correlation. Therefore, the magnitude relationship between the square sum V 2, it was found that can grasp the magnitude of nonradiative decay rate constant k nr.
(実験例3) 重なり指標η0、ηN、ηMと非対角振電相互作用定数の二乗和V2の相関関係の検討
下記の化合物S1〜S15の物性値を用いて、S1→S0間における重なり指標η∞ 0、η∞ N、η∞ M、η1 N、η1 Mと振電相互作用定数の二乗和V2の相関関係を調べた。その結果を図5〜9に示す。なお、化合物S1〜S15は、蛍光量子収率測定の標準物質とされているものであり、各構造式の下方に記載した電子数Nおよび基準振動モードの数Mは、Pure Appl. Chem. 83, 2213 (2011)から引用したものである。(Experimental Example 3) Examination of the correlation between the overlap indexes η 0 , η N , η M and the sum of squares V 2 of the off-diagonal oscillating interaction constants S 1 → S using the physical property values of the following compounds S1 to S15. index eta ∞ 0 overlap between 0, η ∞ N, η ∞ M, η 1 N, was examined the correlation between the square sum V 2 of eta 1 M and vibronic interaction constants. The results are shown in FIGS. 5-9. The compounds S1 to S15 are used as standard substances for measuring the fluorescence quantum yield, and the number of electrons N and the number M of the reference vibration mode described below each structural formula are Pure Appl. Chem. 83. , 2213 (2011).
また、各化合物の最大非対角振電相互作用定数|V|maxと非対角振電相互作用定数の二乗和V2を表6に示す。The maximum unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constants of each compound | shows a square sum V 2 of max and unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constants in Table 6 | V.
図5〜9で示されているように、重なり指標η∞ 0、η∞ N、η∞ M、η1 N、η1 Mは、非対角振電相互作用定数のニ乗和V2と正の相関関係を有していた。このことから、これらの重なり指標によりニ乗和V2を制御することができ、二乗和V2と比例関係を有する無輻射遷移(内部転換)速度定数knrも同時に制御できることがわかった。As shown in FIGS. 5 to 9, the overlap indexes η ∞ 0 , η ∞ N , η ∞ M , η 1 N , and η 1 M are positive with the sum of squares V 2 of the off-diagonal oscillating interaction constants. Had a correlation of. Therefore, these overlapping indicators can control two multiplication sum V 2, nonradiative decay (internal conversion) rate constant k nr having a proportional relationship with the square sum V 2 also was able to be controlled simultaneously.
(実験例4) 静的ヤーン・テラー効果を発現する化合物の重なり指標η0、ηN、ηMと二乗和V2の相関関係の検討例1
本実験例では、静的ヤーン・テラー効果が期待される発光性分子として、下記の化合物1を使用して検討を行った。
In this experimental example, the following compound 1 was used as a luminescent molecule expected to have a static Jahn-Teller effect.
また、比較として、下記の比較化合物1を使用した。下記構造式において、Meはメチル基を表す。比較化合物1は非発光性の分子である。
化合物1がとりうる励起電子状態、その励起電子状態を生じさせるために要する励起エネルギー、振動子強度fおよび励起電子状態を構成する主な電子配置とCI(配置間相互作用)係数を計算した。計算の結果、三重項状態T8およびT9が一重項状態S3とエネルギー的に接近していることがわかった。ここで、一重項状態S3と三重項状態T8の間のエネルギー差ΔESTは94meVであり、一重項状態S3と三重項状態T9の間のエネルギー差ΔESTは−154meVであった。したがって、化合物1は、三重項状態T8およびT9から一重項状態S3への逆系間交差を生じる可能性が高く、その一重項状態S3からの無輻射遷移により生じるS1の基底一重項状態S0への輻射遷移により発光し得るものであることがわかった。The excited electronic states that Compound 1 can take, the excitation energy required to generate the excited electronic states, the oscillator strength f, the main electronic configurations that make up the excited electronic states, and the CI (configuration interaction) coefficient were calculated. As a result of the calculation, it was found that the triplet states T 8 and T 9 are energetically close to the singlet state S 3 . Here, the energy difference Delta] E ST between singlet state S 3 and a triplet state T 8 is 94MeV, energy difference Delta] E ST between singlet state S 3 and a triplet state T 9 was -154meV .. Therefore, compound 1 is likely to cause an inverse intersystem crossover from the triplet states T 8 and T 9 to the single term state S 3, and the basis of S 1 caused by the non-radiative transition from its single term state S 3. it was found that it is capable of emitting light by radiative transition to the singlet state S 0.
化合物1の三重項状態T9と他の三重項状態の分子軌道の重なり密度を計算したところ、化合物1の三重項状態T9、T8は、他の三重項状態との重なり密度が小さく、局在していることがわかった。このことは、T9およびT8と他の三重項状態の重なり指標η0、ηN、ηMおよび二乗和V2が小さい値になることを示唆するものである。
化合物1および比較化合物1の各電子状態間での|V|max、非対角振電相互作用定数の二乗和V2、重なり指標η∞ 0、η1 0、η∞ N、η1 N、η∞ M、η1 Mを表7に示す。ここで、化合物1についての計算は、電子数Nを334、原子数Mを85として行い、比較化合物1についての計算は、電子数Nを178、原子数Mを46として行った。
化合物1の重なり指標η1 0と二乗和V2の散布図を図10に示し、重なり指標η∞ 0と二乗和V2の散布図を図11に示し、重なり指標η1 0と|V|maxの散布図を図12に示し、重なり指標η∞ 0と|V|maxの散布図を図13に示し、重なり指標η1 Nと二乗和V2の散布図を図14に示し、重なり指標η∞ Nと二乗和V2の散布図を図15に示し、重なり指標η1 Nと|V|maxの散布図を図16に示し、重なり指標η∞ Nと|V|maxの散布図を図17に示し、重なり指標η1 Mと二乗和V2の散布図を図18に示し、重なり指標η∞ Mと二乗和V2の散布図を図19に示し、重なり指標η1 Mと|V|maxの散布図を図20に示し、重なり指標η∞ Mと|V|maxの散布図を図21に示す。When the overlap density of the molecular orbitals of the triplet state T 9 of compound 1 and the other triplet states was calculated, the overlap density of the triplet states T 9 and T 8 of compound 1 with the other triplet states was small. It turned out to be localized. This suggests that the overlap indices η 0 , η N , η M and the sum of squares V 2 of T 9 and T 8 and other triplet states are small values.
| V | max between each electronic state of compound 1 and comparative compound 1, sum of squares of off-diagonal electrokinetic interaction constant V 2 , overlap index η ∞ 0 , η 10 0 , η ∞ N , η 1 N , η Table 7 shows ∞ M and η 1 M. Here, the calculation for the compound 1 was performed with the number of electrons N as 334 and the number of atoms M as 85, and the calculation for the comparative compound 1 was performed with the number of electrons N as 178 and the number of atoms M as 46.
Overlap index eta 1 0 Compound 1 and a scatter plot of the square sum V 2 shown in FIG. 10, the overlap index eta ∞ 0 a scatter plot of the square sum V 2 shown in FIG. 11, the overlap index eta 1 0 and | V | A scatter plot of max is shown in FIG. 12, a scatter plot of the overlap index η ∞ 0 and | V | max is shown in FIG. 13, and a scatter plot of the overlap index η 1 N and the sum of squares V 2 is shown in FIG. A scatter plot of η ∞ N and the sum of squares V 2 is shown in FIG. 15, a scatter plot of the overlap index η 1 N and | V | max is shown in FIG. 16, and a scatter plot of the overlap index η ∞ N and | V | max is shown. FIG. 17 shows a scatter plot of the overlap index η 1 M and the sum of squares V 2, a scatter plot of the overlap index η ∞ M and the sum of squares V 2 is shown in FIG. 19, and the overlap index η 1 M and | A scatter plot of V | max is shown in FIG. 20, and a scatter plot of the overlap index η ∞ M and | V | max is shown in FIG.
表7に示すように、化合物1の三重項状態T7〜T1は、いずれも高次三重項状態T59およびT8との間の二乗和V2が5.0×10−6以下であった。
また、図10〜21から、重なり指標η∞ 0、η1 0、η∞ N、η1 N、η∞ M、η1 Mは、|V|maxよりもニ乗和V2とよく相関しており、特に、ニ乗和V2と、η∞ Mおよびη1 Mの間に高い相関性が認められた。As shown in Table 7, in each of the triplet states T 7 to T 1 of the compound 1, the sum of squares V 2 between the higher order triple term states T 59 and T 8 is 5.0 × 10-6 or less. there were.
Further, from FIGS. 10 to 21, the overlap indexes η ∞ 0 , η 10 0 , η ∞ N , η 1 N , η ∞ M , and η 1 M correlate better with the sum of squares V 2 than | V | max. In particular, a high correlation was observed between the sum of squares V 2 and η ∞ M and η 1 M.
(実験例5) 静的ヤーン・テラー効果を発現する化合物の重なり指標η0、ηN、ηMと二乗和V2の相関関係の検討例2
本実験例では、静的ヤーン・テラー効果が期待される発光性分子として、下記の化合物12を使用して検討を行った。また、比較として、上記の比較化合物1を使用した。
In this experimental example, the following compound 12 was used as a luminescent molecule expected to have a static Jahn-Teller effect. Moreover, as a comparison, the above-mentioned comparative compound 1 was used.
化合物12がとりうる励起電子状態、その励起電子状態を生じさせるために要する励起エネルギー、振動子強度fおよび励起電子状態を構成する主な電子配置とCI(配置間相互作用)係数(カッコ内)を表8に示す。 Excited electronic states that compound 12 can take, the excited energy required to generate the excited electronic states, the oscillator strength f, the main electron configurations that make up the excited electronic states, and the CI (configuration interaction) coefficient (in parentheses). Is shown in Table 8.
表8に示した電子状態のうち、一重項状態S1が発光状態である。このS1には、三重項状態T5が最も接近しており、一重項状態S1と三重項状態T5の間のエネルギー差ΔESTは30meVであった。したがって、化合物12は、三重項状態T5から一重項状態S1への逆系間交差を生じる可能性が高く、これにより生じた一重項状態S1から基底一重項状態S0への輻射遷移により発光し得るものであることがわかった。また、化合物12は、S1→S0の内部転換が抑制されていると予想され、ΔESTも30meVとより小さいため、高効率な発光が期待できる。
化合物12の三重項状態T5の最適化構造でのフロンティア軌道を図22に示す。
図22から、分子軌道のMO126、MO127、MO129、MO130、MO132、MO133に、静的ヤーン・テラー効果による分子軌道の局在が認められた。Of the electronic state shown in Table 8, singlet state S 1 is a light emitting state. This is S 1, are close triplet state T 5 is the most energy difference Delta] E ST between singlet state S 1 and a triplet state T 5 was 30 meV. Therefore, compound 12 is likely to cause an intersystem crossing from the triplet state T 5 to the singlet state S 1 , and the resulting radiative transition from the singlet state S 1 to the base singlet state S 0 . It was found that it can emit light. Moreover, compound 12 is expected to internal conversion of S 1 → S 0 is suppressed, since a smaller and Delta] E ST also 30 meV, highly efficient light emission can be expected.
The frontier orbital in the optimized structure of the triplet state T 5 of the compound 12 shown in FIG. 22.
From FIG. 22, the localization of molecular orbitals due to the static Jahn-Teller effect was observed in MO126, MO127, MO129, MO130, MO132, and MO133 of the molecular orbitals.
次に、化合物12の励起状態間での重なり密度を調べた。
2つの波動関数Ψ1とΨ2の間の重なり密度をρ(Ψ1,Ψ2)と表し、占有軌道ψiから空軌道文字ψrへの1電子励起配置をΦi rと表すことにする。T5以下の三重項状態の電子励起配置は下記のように表される。Next, the overlap density between the excited states of compound 12 was examined.
Overlap density ρ (Ψ 1, Ψ 2) between the two wave functions [psi 1 and [psi 2 and represents the one-electron excitation arrangement from occupied orbitals [psi i to an empty orbital character [psi r to be expressed as [Phi i r To do. T 5 following electron excitation arrangement of triplet state is represented as follows.
そして、三重項状態T5と他の三重項状態の重なり密度は下記のように表される。The overlap density of the triplet state T 5 and another triplet state is represented as follows.
化合物12の三重項状態T5と他の三重項状態の分子軌道の重なり密度を図23(a)〜(d)に示し、化合物12の一重項状態S1と基底一重項状態S0の分子軌道の重なり密度を図23(e)に示し、比較化合物1の一重項状態S1と基底一重項状態S0の分子軌道の重なり密度を図23(f)に示す。
図23から、化合物12では、各三重項状態で分子軌道が局在化しており、三重項状態T5と他の三重項状態の重なり密度が小さいことがわかった。このことは、重なり指標η0、ηN、ηMおよび二乗和V2が小さい値になることを示唆するものである。
化合物12および比較化合物1の各電子状態間での|V|max、非対角振電相互作用定数の二乗和V2、重なり指標η∞ 0、η1 0、η∞ N、η1 N、η∞ M、η1 Mを表9に示す。化合物12の重なり指標η1 Mと二乗和V2の散布図を図24に示し、重なり指標η∞ Mと二乗和V2の散布図を図25に示す。The overlap density of molecular orbital triplet state T 5 and another triplet state of the compound 12 shown in FIG. 23 (a) ~ (d) , the molecules of singlet state S 1 and a ground singlet state S 0 of Compound 12 the overlap density trajectory shown in FIG. 23 (e), shown in FIG. 23 (f) the overlapping density of molecular orbital singlet state S 1 and a ground singlet state S 0 of the comparative compound 1.
From Figure 23, the compound 12, the molecular orbitals are localized, it has been found overlapping density of the triplet state T 5 and another triplet state is small in each triplet state. This suggests that the overlap index η 0 , η N , η M and the sum of squares V 2 are small values.
| V | max between each electronic state of compound 12 and comparative compound 1, sum of squares of off-diagonal oscillating interaction constants V 2 , overlap index η ∞ 0 , η 10 0 , η ∞ N , η 1 N , η Table 9 shows ∞ M and η 1 M. A scatter plot of the overlap index η 1 M and the sum of squares V 2 of compound 12 is shown in FIG. 24, and a scatter plot of the overlap index η ∞ M and the sum of squares V 2 is shown in FIG.
表9に示すように、化合物12の三重項状態T4、T3、T2、T1は、いずれも高次三重項状態T5との間の二乗和V2が3.3×10−6以下であった。
また、図24、25から、化合物12の重なり指標η1 Mおよびη∞ Mは、非対角振電相互作用定数のニ乗和V2と高い相関性を有することが示された。As shown in Table 9, the triplet states T 4 , T 3 , T 2 and T 1 of the compound 12 all have a sum of squares V 2 with the higher order triple term state T 5 of 3.3 × 10 −. It was 6 or less.
Further, from FIGS. 24 and 25, it was shown that the overlap indexes η 1 M and η ∞ M of the compound 12 have a high correlation with the sum of squares V 2 of the off-diagonal oscillating interaction constants.
[2]分子設計により得た化合物の発光特性の評価
(合成例1) 化合物1の合成
化合物1の合成スキームを下記に示す。[2] Evaluation of Emission Characteristics of Compound Obtained by Molecular Design (Synthesis Example 1) Synthesis of Compound 1 The synthesis scheme of Compound 1 is shown below.
この合成スキームに従って、化合物1を以下のような手順で合成した。 According to this synthesis scheme, compound 1 was synthesized by the following procedure.
2-Br-1-H-インドール(0.508g、2.6mmol)と水素化ナトリウム(160mg、4mmol)をN,N-ジメチルホルムアミド(15mL)中で、0℃で30分間撹拌した。この混合物に、ヨードメタン(0.25mL、4mmol)を滴下し、室温に戻した後、一晩攪拌した。この反応混合物に水を加えて水層を分離し、さらに、この水層に酢酸エチルを加えて有機層を分離した。得られた有機層を硫酸ナトリウムで乾燥した後、有機溶媒を揮発させて不揮発成分を得た。この不揮発成分を、酢酸エチル:n-ヘキサン=9:1の混合溶媒を展開溶媒に用い、シリカゲルカラム・クロマトグラフィーにて精製した。以上の工程により、浅黄色固体である中間体1を、収量0.313g、収率57.3%で得た。中間体1の融点は66℃であった。 2-Br-1-H-indole (0.508 g, 2.6 mmol) and sodium hydride (160 mg, 4 mmol) were stirred in N, N-dimethylformamide (15 mL) at 0 ° C. for 30 minutes. Iodomethane (0.25 mL, 4 mmol) was added dropwise to this mixture, the temperature was returned to room temperature, and the mixture was stirred overnight. Water was added to the reaction mixture to separate the aqueous layer, and ethyl acetate was further added to the aqueous layer to separate the organic layer. The obtained organic layer was dried with sodium sulfate, and then the organic solvent was volatilized to obtain a non-volatile component. This non-volatile component was purified by silica gel column chromatography using a mixed solvent of ethyl acetate: n-hexane = 9: 1 as a developing solvent. By the above steps, Intermediate 1, which is a pale yellow solid, was obtained in a yield of 0.313 g and a yield of 57.3%. The melting point of Intermediate 1 was 66 ° C.
中間体1(0.252g、1.2mmol)、トリス-(4-ピナカルボリルフェニル)アミン(0.250g、0.4mmol)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(O)(0.048g、0.04mmol)およびナトリウムtert-ブトキシド(0.144g、1.5mmol)をトルエン中で24時間攪拌した。この反応混合物を塩水で洗浄した後、有機層を分離して硫酸ナトリウムで乾燥した。この有機層から有機溶媒を揮発させ、得られた不揮発成分を、酢酸エチル:n-ヘキサン=9:1の混合溶媒を展開溶媒に用い、シリカゲルカラム・クロマトグラフィーにて精製した。以上の工程により、目的の化合物1を、白色固形物として収量0.172g、収率48.3%で得た。得られた化合物1の融点は139℃であった。
1H−NMR(400MHz,CD2Cl2)δ7.60(d,J=7.8Hz,3H),7.49(d,J=7.6Hz,6H),7.38(d,J=8.0Hz,6H),7.32(d,J=8.0Hz,6H),7.22(t,8.0Hz,3H),7.10(t,8.0Hz,3H),6.56(s,3H),3.80(s,9H);13C−NMR(100MHz,CD2Cl2):δ147.6,142.0,139.2,130.9,128.8,128.2,124.8,122.1,120.8,120.3,110.1,101.7,31.7;APCI HRMS:m/z calcd for C45H36N4:633.3013[M+H]+;found 633.3004.Intermediate 1 (0.252 g, 1.2 mmol), Tris- (4-pinaborylphenyl) amine (0.250 g, 0.4 mmol), Tetrakis (triphenylphosphine) palladium (O) (0.048 g, 0) .04 mmol) and sodium tert-butoxide (0.144 g, 1.5 mmol) were stirred in toluene for 24 hours. After washing the reaction mixture with brine, the organic layer was separated and dried over sodium sulfate. The organic solvent was volatilized from this organic layer, and the obtained non-volatile component was purified by silica gel column chromatography using a mixed solvent of ethyl acetate: n-hexane = 9: 1 as a developing solvent. By the above steps, the target compound 1 was obtained as a white solid in a yield of 0.172 g and a yield of 48.3%. The melting point of the obtained compound 1 was 139 ° C.
1 1 H-NMR (400 MHz, CD 2 Cl 2 ) δ7.60 (d, J = 7.8 Hz, 3H), 7.49 (d, J = 7.6 Hz, 6H), 7.38 (d, J = 8.0Hz, 6H), 7.32 (d, J = 8.0Hz, 6H), 7.22 (t, 8.0Hz, 3H), 7.10 (t, 8.0Hz, 3H), 6. 56 (s, 3H), 3.80 (s, 9H); 13 C-NMR (100MHz, CD 2 Cl 2 ): δ147,6,142.0,139.2,130.9,128.8,128 .2,124.8,122.1,120.8,120.3,110.1,101.7,31.7; APCI HRMS: m / z calcd for C 45 H 36 N 4 : 633.3013 [ M + H] + ; found 633.3004.
(実施例1) 化合物1の溶液の物性評価
Ar雰囲気のグローブボックス中で化合物1のジクロロメタン溶液(濃度0.01mM)を調製した。
また、ジクロロメタンの代わりに、ヘキサン、トルエン、テトラヒドロフラン、アセトニトリルまたは2−メチルテトラヒドロフランを用いること以外は、同様にして化合物1の溶液を調製した。(Example 1) Evaluation of physical properties of compound 1 solution A dichloromethane solution of compound 1 (concentration 0.01 mM) was prepared in a glove box in an Ar atmosphere.
Further, a solution of Compound 1 was prepared in the same manner except that hexane, toluene, tetrahydrofuran, acetonitrile or 2-methyl tetrahydrofuran was used instead of dichloromethane.
(比較例1) 比較化合物1の溶液の物性評価
化合物1の代わりに比較化合物1を用いること以外は、実施例1と同様にして、比較化合物1のジクロロメタン溶液を調製した。(Comparative Example 1) Evaluation of Physical Properties of Solution of Comparative Compound 1 A dichloromethane solution of Comparative Compound 1 was prepared in the same manner as in Example 1 except that Comparative Compound 1 was used instead of Compound 1.
化合物1の各溶液について、室温で測定した光吸収スペクトルおよび350nm励起光による発光スペクトルを図26〜30に示し、比較化合物1のジクロロメタン溶液について、室温で測定した光吸収スペクトルおよび350nm励起光による発光スペクトルを図31に示す。また、化合物1および比較化合物1の各溶液の光物性値を表10に示す。表10において、化合物1の2−メチルテトラフラン溶液の光物性値は77Kで測定したものであり、他の溶液の光物性値は室温で測定したものである。 For each solution of Compound 1, the light absorption spectrum measured at room temperature and the emission spectrum by 350 nm excitation light are shown in FIGS. 26 to 30, and for the dichloromethane solution of Comparative Compound 1, the light absorption spectrum measured at room temperature and the emission spectrum by 350 nm excitation light are shown. The spectrum is shown in FIG. Table 10 shows the optical property values of each solution of Compound 1 and Comparative Compound 1. In Table 10, the optical property values of the 2-methyltetrafuran solution of Compound 1 were measured at 77K, and the optical property values of the other solutions were measured at room temperature.
表10に示すように、化合物1は比較化合物1に比べて格段に高い蛍光量子収率を有していた。
また、ジクロロメタン中における化合物1のサイクリックボルタモグラムを図32に示す。図32より、化合物1は酸化還元特性が良好であり、良好なデバイス寿命を実現しうるものであることが確認された。As shown in Table 10, Compound 1 had a significantly higher fluorescence quantum yield than Comparative Compound 1.
In addition, the cyclic voltammogram of Compound 1 in dichloromethane is shown in FIG. From FIG. 32, it was confirmed that Compound 1 has good redox properties and can realize a good device life.
(実施例2) 化合物1を用いた有機フォトルミネッセンス素子の作製と評価
石英基板上に真空蒸着法にて、真空度3〜5×10−5Paの条件にて化合物1の薄膜(単独膜)を50nmの厚さで形成して有機フォトルミネッセンス素子とした。
これとは別に、石英基板上に真空蒸着法にて、3〜5×10−5Paの条件にて化合物1とPPFとを異なる蒸着源から蒸着し、化合物1の濃度が13重量%である薄膜(ドープ膜)を50nmの厚さで形成して有機フォトルミネッセンス素子とした。
化合物1の単独膜の光電子収量分光測定を行った結果を図33に示し、光吸収スペクトルを図34に示す。化合物1の単独膜およびドープ膜の280nm励起光による発光スペクトルを図35に示し、365nm励起光または280nm励起光による発光の過渡減衰曲線を図36に示す。化合物1のイオン化ポテンシャルIpは5.67eV、電子親和力Eaは2.7eVであった。また、フォトルミネッセンス量子収率は、化合物1の単独膜で22.0%、化合物1のドープ膜で34.1%であった。(Example 2) Fabrication and evaluation of organic photoluminescence element using compound 1 A thin film (single film) of compound 1 under the condition of a vacuum degree of 3 to 5 × 10-5 Pa by a vacuum deposition method on a quartz substrate. Was formed to have a thickness of 50 nm to obtain an organic photoluminescence element.
Separately, compound 1 and PPF are deposited on a quartz substrate by a vacuum vapor deposition method under the conditions of 3 to 5 × 10-5 Pa from different vapor deposition sources, and the concentration of compound 1 is 13% by weight. A thin film (doped film) was formed to a thickness of 50 nm to obtain an organic photoluminescence device.
The result of photoelectron yield spectroscopic measurement of the single film of Compound 1 is shown in FIG. 33, and the light absorption spectrum is shown in FIG. 34. The emission spectra of the single film and the doped film of Compound 1 by the 280 nm excitation light are shown in FIG. 35, and the transient attenuation curve of the emission by the 365 nm excitation light or the 280 nm excitation light is shown in FIG. The ionization potential Ip of Compound 1 was 5.67 eV, and the electron affinity Ea was 2.7 eV. The photoluminescence quantum yield was 22.0% for the single film of compound 1 and 34.1% for the doped film of compound 1.
(実施例3)化合物1を用いた有機エレクトロルミネッセンス素子の作製と評価
膜厚100nmのインジウム・スズ酸化物(ITO)からなる陽極が形成されたガラス基板上に、各薄膜を真空蒸着法にて、真空度3〜5×10−5Paで積層した。まず、ITO上にTAPCを70nmの厚さに形成し、その上に、CDBPを10nmの厚さに形成した。次に、化合物1とPPFを異なる蒸着源から共蒸着し、20nmの厚さの層を形成して発光層とした。この時、化合物1の濃度は12重量%とした。次に、PPFを10nmの厚さに形成し、その上に、BmPyPhBを40nmの厚さに形成した。さらにフッ化リチウム(LiF)を0.8nmの厚さに蒸着し、続いてアルミニウム(Al)を80nmの厚さに蒸着することにより陰極を形成し、有機エレクトロルミネッセンス素子(EL素子1)とした。
また、これとは別に、発光層およびその上に形成する層において、PPFの代わりにTSPO1を用い、発光層における化合物1の濃度を5重量%としたこと以外は、EL素子1と同様にして有機エレクトロルミネッセンス素子(EL素子2)を作製した。
さらに、これらとは別に、TAPCを70nmの厚さに形成した後、CDBPの代わりに化合物1を10nmの厚さに形成したこと以外は、EL素子2と同様にして有機エレクトロルミネッセンス素子(EL素子3)を作製した。
作製したEL素子1の発光スペクトルを図37に示し、外部量子効率ηEQE−電流密度特性を図38に示す。EL素子2およびEL素子3の発光スペクトルを図39に示し、外部量子効率ηEQE−電流密度特性を図40に示す。作製した各EL素子は、いずれも良好なデバイス特性を有していた。また、50cdm−2における、EL素子1からの発光のCIE色座標は(x、y)=(0.15,0.06)であり、良好な深青色であった。さらに、各EL素子の励起子利用効率は約65%と見積もられ、高次三重項状態T8またはT9から一重項状態への逆系間交差を経由した発光が実現されたことが示唆された。(Example 3) Fabrication and evaluation of organic electroluminescence element using compound 1 Each thin film is vacuum-deposited on a glass substrate on which an anode made of indium tin oxide (ITO) having a film thickness of 100 nm is formed. , Laminated at a degree of vacuum of 3 to 5 × 10-5 Pa. First, TAPC was formed on ITO to a thickness of 70 nm, and CDBP was formed on it to a thickness of 10 nm. Next, compound 1 and PPF were co-deposited from different vapor deposition sources to form a layer with a thickness of 20 nm to form a light emitting layer. At this time, the concentration of compound 1 was 12% by weight. Next, PPF was formed to a thickness of 10 nm, and BmPyPhB was formed on the PPF to a thickness of 40 nm. Further, lithium fluoride (LiF) was vapor-deposited to a thickness of 0.8 nm, and then aluminum (Al) was vapor-deposited to a thickness of 80 nm to form a cathode, which was used as an organic electroluminescence element (EL element 1). ..
Separately from this, in the light emitting layer and the layer formed on the light emitting layer, TSPO1 was used instead of PPF, and the concentration of compound 1 in the light emitting layer was set to 5% by weight in the same manner as in the EL element 1. An organic electroluminescence device (EL device 2) was manufactured.
Further, apart from these, an organic electroluminescence device (EL device) is formed in the same manner as the EL device 2 except that the TAPC is formed to a thickness of 70 nm and then the compound 1 is formed to a thickness of 10 nm instead of the CDBP. 3) was prepared.
The emission spectrum of the produced EL element 1 is shown in FIG. 37, and the external quantum efficiency η EQE − current density characteristic is shown in FIG. 38. The emission spectra of the EL element 2 and the EL element 3 are shown in FIG. 39, and the external quantum efficiency η EQE − current density characteristic is shown in FIG. 40. Each of the manufactured EL elements had good device characteristics. Further, the CIE color coordinates of the light emitted from the EL element 1 at 50 cdm -2 were (x, y) = (0.15, 0.06), which was a good deep blue color. Furthermore, the exciton utilization efficiency of each EL element is estimated to be about 65%, suggesting that light emission via intersystem crossing from the higher triplet state T 8 or T 9 to the singlet state was realized. Was done.
本発明の分子設計方法によれば、計算コストを抑えながら、無輻射遷移を的確に制御した分子設計を行うことができる。このため、本発明の分子設計方法を用いれば、蛍光材料、ホスト材料、その他の有機エレクトロルミネッセンス素子材料、太陽電池材料、光触媒などの光機能材料として高いエネルギー効率で機能する分子を低コストで実現することができる。このため、本発明は産業上の利用可能性が高い。 According to the molecular design method of the present invention, it is possible to perform molecular design in which the non-radiation transition is accurately controlled while suppressing the calculation cost. Therefore, by using the molecular design method of the present invention, a molecule that functions with high energy efficiency as an optical functional material such as a fluorescent material, a host material, another organic electroluminescence device material, a solar cell material, and a photocatalyst can be realized at low cost. can do. Therefore, the present invention has high industrial applicability.
Claims (32)
[式において、pは1≦p≦∞の実数を表す。]Using the norm || V mn || as p- norm represented by the following formula || V mn || p, wherein the p- norm || V mn || p, from the first electronic state n The molecular design method according to claim 1, wherein the molecular design is performed based on the correlation of the non-radiative transition rate constant k nr of the internal conversion to the second electronic state m.
[In the equation, p represents a real number of 1 ≦ p ≦ ∞. ]
[式(1)において、Vmn,αは前記式(2)で表される非対角振電相互作用定数である。]The p-norm || V mn || p with p = 2 || V mn || 2 squared V mn, α squared sum V 2 represented by the following equation (1) is used. 1. The molecular design is performed based on the correlation between the sum of squares V 2 and the non-radiation transition rate constant k nr of the internal conversion from the first electronic state n to the second electronic state m. The molecular design method described in.
[In the equation (1), V mn and α are the off-diagonal oscillating interaction constants represented by the equation (2). ]
[式(1)において、Vmn,αは下記式(2)で表される非対角振電相互作用定数である。]
[In equation (1), V mn and α are off-diagonal oscillating interaction constants represented by the following equation (2). ]
[式(3)において、ρは第1の電子状態nと該第1の電子状態nよりもエネルギーが低い第2の電子状態mとの間の重なり密度を表し、pは1≦p≦∞の実数を表す。]The molecular design method according to any one of claims 7, 9 and 10, wherein I in the overlap indexes η 0 , η N , and η M is I p represented by the following formula (3).
[In equation (3), ρ represents the overlap density between the first electronic state n and the second electronic state m whose energy is lower than that of the first electronic state n, and p is 1 ≦ p ≦ ∞. Represents a real number of. ]
前記高次三重項状態Tnと前記高次三重項状態Tnよりもエネルギーが低い低次三重項状態Tp(n>p)との間の重なり指標η0、ηNおよびηMの少なくとも1つを、これらの三重項状態同士の間の非対角振電相互作用定数の二乗和V2の制御に用いて、無輻射遷移が抑制されるように分子設計を行う、請求項9に記載の分子設計方法。Molecules performing molecular design is a light-emitting molecule emits light by radiative transition of singlet state produced by reverse inter-system crossing from higher triplet state T n,
At least the overlap indices η 0 , η N and η M between the higher triplet state T n and the lower triplet state T p (n> p), which have lower energies than the higher triplet state T n. one, used to control the square sum V 2 unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constant between between these triplet state, the molecules designed to non-radiative transition is suppressed, according to claim 9 Molecular design method.
[式(1)において、Vmn,αは下記式(2)で表される非対角振電相互作用定数である。]
[In equation (1), V mn and α are off-diagonal oscillating interaction constants represented by the following equation (2). ]
[式(1)において、Vmn,αは下記式(2)で表される非対角振電相互作用定数である。]
[In equation (1), V mn and α are off-diagonal oscillating interaction constants represented by the following equation (2). ]
前記高次三重項状態Tnを第1の電子状態nとし、前記高次三重項状態Tnよりもエネルギーが低い低次三重項状態Tpを第2の電子状態mとし、これら電子状態同士の間の基準振動モードαについての非対角振電相互作用定数をVmn,αとしたとき、下記式(1)で表されるVmn,αの二乗和V2が、前記高次三重項状態Tnと前記高次三重項状態Tnよりもエネルギーが低いすべての低次三重項状態Tpとの間で5.0×10−6a.u.以下である発光分子。
[式(1)において、Vmn,αは下記式(2)で表される非対角振電相互作用定数である。]
[式(2)において、Ψnは第1の電子状態nの電子波動関数を表し、Ψmは第2の電子状態mの電子波動関数を表し、xは分子に含まれるN個の電子の空間座標およびスピン座標を表し、rは分子に含まれるN個の電子の空間座標を表し、Rは分子に含まれるM個の核の空間座標を表し、H(r,R)は分子ハミルトニアンを表し、R0は参照核配置を表し、Qαは基準振動モードαの質量加重基準振動座標を表す。]A light-emitting molecule emits light by radiative transition of singlet state caused by reverse intersystem crossing system from higher triplet state T n,
The higher-order triple-term state T n is defined as the first electronic state n, and the lower-order triple-term state T p having a lower energy than the higher-order triple-term state T n is defined as the second electronic state m. normal modes alpha unpaired Tsunofuri electrostatic interaction constant V mn for, when the alpha, V mn represented by the following formula (1), the square sum V 2 of alpha, the higher triplet between A luminescent molecule that is 5.0 × 10-6 au or less between the state T n and all lower triplet states T p that have lower energy than the higher triplet state T n .
[In equation (1), V mn and α are off-diagonal oscillating interaction constants represented by the following equation (2). ]
[In equation (2), Ψ n represents the electron wave function of the first electronic state n, Ψ m represents the electron wave function of the second electronic state m, and x represents the electron wave function of N electrons contained in the molecule. It represents the spatial coordinates and spin coordinates, r represents the spatial coordinates of N electrons contained in the molecule, R represents the spatial coordinates of the M nuclei contained in the molecule, and H (r, R) represents the molecular Hamiltonian. Represented, R 0 represents the reference nucleus arrangement, and Q α represents the mass-weighted reference vibration coordinates of the reference vibration mode α. ]
[一般式(1)において、R1は水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、または置換もしくは無置換のアリール基を表し、R2〜R8は各々独立に水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、またはハロゲン原子を表す。]The molecule in which the non-radiation transition process is suppressed according to claim 17, which comprises a compound represented by the following general formula (1).
[In the general formula (1), R 1 represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, or a substituted or unsubstituted aryl group, and R 2 to R 8 are independently hydrogen atoms, substituted or unsubstituted, respectively. Represents an alkyl group or a halogen atom. ]
[一般式(1)において、R1は水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、または置換もしくは無置換のアリール基を表し、R2〜R8は各々独立に水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、またはハロゲン原子を表す。]The luminescent molecule according to claim 19, which comprises a compound represented by the following general formula (1).
[In the general formula (1), R 1 represents a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group, or a substituted or unsubstituted aryl group, and R 2 to R 8 are independently hydrogen atoms, substituted or unsubstituted, respectively. Represents an alkyl group or a halogen atom. ]
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