新規蛍光色素の開発研究

(1)

生物発光関連複素環構造を基盤とした

新規蛍光色素の開発研究

八谷聡二郎

電気通信大学

2010 3 月

(2)

生物発光関連複素環構造を基盤とした新規蛍光色素の開発研究八谷

(3)

生物発光関連複素環構造を基盤とした

新規蛍光色素の開発研究

八谷聡二郎

電気通信大学大学院電気通信学研究科博士（理学）の学位申請論文

2010 3 月

(4)

生物発光関連複素環構造を基盤とした

新規蛍光色素の開発研究

博士論文審査委員会

主査平野誉准教授丹羽治樹教授石田尚行教授加固昌寛准教授

安井正憲准教授

(5)

著作権所有者

八谷聡二郎

２０１０年

(6)

Development of New Fluorescent Dyes Based on Bioluminescence-related Heterocycles

Sojiro Hachiya

Abstract

Fluorescent dyes are widely used in applications such as fluorescent sensors for live-cell imaging and light-emitting components for organic light-emitting devices. Many fields depend on advances in new fluorescent dyes. Fluorescent dyes based on bioluminescence are promising because of their high-performance for light generation. Aminopyrazine is the core structure of the bioluminescence-related compound ethioluciferamine, derived from the ostracod Cypridina, and AF-350, derived from the jellyfish Aequorea. Aminopyrazines are also useful precursors for preparing bioluminescent substrates and light-emitter compounds. In addition, Cypridina oxyluciferin and coelenteramide are the light-emitter compounds for these bioluminescence systems. These light-emitter compounds have an amidopyrazine core structure.

At first, I have attempted to prepare new fluorescent dyes by modification of an aminopyrazine derivative and an amidopyrazine derivative. Although I tried to prepare 9,10-dihydro-1,4,5,8,9,10-hexaazaanthracene as one of my target compounds by palladium-catalyzed C–N cross-coupling reactions using 3-bromoaminopyrazine. A fluorescent nitrogen-rich heterocycle, bis(pyrazino[2',3':4,5]imidazole)-fused 1,2,5,6-tetrahydro-1,4,5,8,9,10- hexaazaanthracene (BPI-HAA) was serendipitously generated. I describe herein the synthesis and fundamental properties of the new heterocycle, BPI-HAA.

Next, I attempted to modify the chemical structure of amidopyrazine using the methodology for preparing boron dipyrromethene (BODIPY). I then successfully prepared new boron-containing fluorophores, difluoro[amidopyrazinato-O, N]boron (APB) derivatives, by the reactions of amidopyrazines with BF in the presence of an organic base. In the thesis, I describe the synthesis,

(7)

生物発光関連複素環構造を基盤とした新規蛍光色素の開発研究

八谷聡二郎

和文概要

蛍光色素は生体内イメージングの蛍光プローブや有機ＥＬの発光材料として生物科学や材料科学など広い分野で利用されている。従って、新しい蛍光色素の開発は科学技術発展のための重要な研究課題である。著者は蛍光色素開発にあたり生物発光関連化合物に着目した。生物発光は効率良く光を生み出す分子システムであり、関連する複素環構造を化学修飾することで新たな蛍光色素の開発が可能であると考えた。本論文では、

海洋発光生物ウミホタルの発光に関連するアミノピラジン及びアミドピラジン構造を基盤として新規蛍光色素の開発を目指した。その結果、ビス（ピラジノイミダゾ）ヘキサアザアントラセン誘導体及びアミノピラジナートボロン誘導体の合成に成功し、これらの分子構造や蛍光特性、電子構造についての分子基盤を明らかにした。

(8)

第第第

第一一一一章章章章序論序論序論序論

1-1

有機蛍光色素有機蛍光色素有機蛍光色素有機蛍光色素

有機蛍光色素は生物科学や材料科学などの広い分野で利用されている¹⁾。例えば、材料科学の分野では、最近注目を集めている有機発光ダイオード（

Organic Light Emitter

Diodes, OLEDs

）の発光層に利用されている。

OLEDs

は従来の製品に比べ、高いコンス

トラスト比、広い視野角、軽くて薄いといった特徴が挙げられ、次世代のディスプレイとして期待されている。さらに電極にも伝導性ポリマーなどの有機材料を用いることで、

折り曲げられるディスプレイといった今までの無機材料では持たせることのできなかった性能を持たせられる。

Fig. 1-1

に

OLEDs

の一般的な構造を示した。

OLEDs

は電圧をかけることで、電子がカソード

(cathode)

から電子輸送層

(electron transport layer)

を通って発光層

(emission layer)

へ行き、正孔

(hole)

がアノード

(anode)

から正孔輸送層

(hole

transport layer)

を通って発光層へ行く。電子と正孔が発光層で電荷再結合

(charge

recombination)

することで、発光層に存在する発光色素が発光する。

OLEDs

の発光層に

は、電子または正孔の移動度が高いホスト材料に少量の蛍光色素をゲスト材料として導入する方法が良く取られている。ゲスト材料には、高い蛍光量子収率を持ち、長期間使用に耐えうる耐久性、正孔輸送層と電子輸送層からのホールと電子を受け取ることのできる適切なイオン化ポテンシャルと電子親和力を持つことが望まれる⁵⁾。

Scheme1-3

に

OLEDs

の発光層に用いられている蛍光色素の例を示した。ペリレン

(Perylene)

は青、キ

ナクリドン

(quinacridone)

は緑、ルブレン

(Rubrene)

は赤として発光層のゲスト分子に用いられている。また、トリス

(8-

ヒドロキシキノリン

)

アルミニウム

（

Tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum, Alq

3）は電子輸送層と発光層を兼ねた色素としてよく用いられている。

Alq

3のように電子輸送層と発光層を兼ねることのできる蛍光色素であれば、膜生成工程が一段階減るため、コストの削減などが期待できる。しかしながら、

輸送層と発光層を同時に満たす蛍光色素の報告は少ない。このように蛍光色素は材料科学の分野で重要な役割を担っている。

(11)

Fig. 1-1. Structure and emission mechanism of OLEDs.

anode

cathode h⁺

h⁺

h⁺ h⁺

e^- e^-

hole

electron

light

organic layer

LUMO

HOMO emission

layer charge recombinati on

electron transport layer hole

transport layer

Quinacridone N

N O

O R

R

Rubrene Pelyrene

N

N O

O

O Al

Alq₃

(12)

生物科学の分野では、生体内での標識として用いられている蛍光プローブに蛍光色素が利用されている。蛍光プローブは今までわからなかった生体内の挙動を知ることができる有用なツールであり、アミノ酸残基の特異的な位置に反応することでその部位を染色するものから、イオンの有無によって蛍光がオンオフするイオンセンサーなど様々である³⁾。蛍光プローブの構築方法としては、ある発色団に機能性部位を導入することで、

用途に応じた機能を持たせる手法が多い。従って、蛍光プローブに用いる発色団には強い蛍光を示し、置換基変換によって機能性部位の導入、蛍光色の変化が容易に行える発色団が好ましい。

Scheme 1-2

に蛍光プローブとして良く知られる蛍光色素を示した。

1980

年代に

FURA-2

がカルシウムイオンセンサーとして報告され、

INDO-1

と共にイオ

ンセンサーとして広く用いられてきた。

FURA-2

はカルシウムイオンが配位することで蛍光励起波長が変化し、

INDO-1

は蛍光スペクトルが変化する。近年は、ボロンジピロメタン（

Boron-dipyrromethene, BODIPY

）やシアニン（

Cyanine

）などの新しい蛍光色素がよく用いられている。

BODIPY

は緑色の強い蛍光性を示し、蛍光量子収率が

0.8

を超える誘導体が報告されている。

BODIPY

の特徴はその高い蛍光量子収率だけでなく、

様々な置換基を導入しやすいことにある。イオンセンサー部位などを容易に導入できるため、様々な機能を持たせた蛍光プローブが報告されている⁴⁾。特に有名なのは、東京大学の浦野博士らが癌細胞内の

pH

が他の細胞よりも低いことを利用して、

BODIPY

型

pH

イオンセンサープローブで癌細胞の可視化に成功した例である（

Scheme 1-3

）。この

BODIPY

誘導体はジメチルアミノ基へのプロトンが付加の有無によって、蛍光性を制御

することが可能である。プロトンが付加していない状態では、光励起した際に電子供与性を持つジメチルアミノフェニル基から電子求引性を持つ

BODIPY

へ電子移動が起こるため、エネルギーは電子移動に費やされ蛍光が消光する。一方、プロトンが付加した際には、ジメチルアミノフェニル基の電子供与性はなくなるため、電子移動は起こらず

に

BODIPY

からの蛍光が観測される。この蛍光のオンオフから癌細胞の可視化に成功

した。また、

Cyanine

はオレフィン鎖の長さを調節することで多用な蛍光色を容易に作れるため、マルチカラーモニタリングが行いやすい⁵⁾。

(13)

Scheme 1-2. Fluorescent dyes are applied to fluorescent probe.

Scheme 1-3. BODIPY dyes having pH sensor functional.

以上のように様々な蛍光色素が各分野で利用されている。

OLEDs

はいくつか実用化されているが、コストや耐久性、発光効率といった様々な問題がいまだ解決していない。

蛍光プローブにおいても、生体内で吸収されにくい長波長蛍光を示す発色団やある一部分のみ特異的に識別することができるプローブなどが望まれている。新規蛍光材料を開発し、材料科学や生物科学の分野に提供することで、これらの分野の問題解決の手助けをしていくことは重要なことである。従って、蛍光色素の開発はこれらの科学技術発展

N⁺ N

R R

Cyanine 3 N⁺ N

B^- F F R R

R

R R

R R BODIPY

Electron acceptor Electron

donor

e

^-

e

^-

No fluorescence Fluorescence

H

⁺

N⁺ N B^-

F F

HOOC COOH

N

N⁺ N B^-

F F

HOOC COOH

H⁺ N R

R R R

Electron acceptor excitation

excitation excitationexcitation

e

^-

emission

e

^-

e

^-

emission

O O

N(CH₂COOK)₂

CH₃ N(CH₂COOK)₂

O N

O

Fura 2

O O

N(CH₂COOK)₂

CH₃ N(CH₂COOK)₂

Indo 1 COOK

NH

COOK

(14)

1-2

生物発光生物発光生物発光からの生物発光からのからのからの新規蛍光材料新規蛍光材料の新規蛍光材料新規蛍光材料ののの可能性可能性可能性可能性

新規蛍光材料の開発に当たり、著者はウミホタルが持つ発光関連物質に着目した。生物発光はホタルやウミホタル、オワンクラゲなどの有名な発光生物が行っている自然界に存在する効率のよい発光系である。

Scheme 1-4

にウミホタルの生物発光反応を示した。

ウミホタル発光系は基質ウミホタルルシフェリン（Cypridina luciferin）が酵素ルシフェ

ラーゼ（

luciferase

）存在下で酸素と反応することによってジオキセタノン中間体を経て、

励起状態の発光体オキシルシフェリンが生成し、これが基底状態になる際に青色に発光する。その発光量子収率は

0.31

と高い⁶⁾。ウミホタルルシフェリンは

Scheme 1-5

に示すイミダゾピラジノン骨格を持っている。イミダゾピラジノン誘導体は生物発光基質としてだけでなく化学発光特性も示し、

Scheme 1-5

に示した特異なπ系由来のソルバトクロミズムなど様々な性質が報告されている⁷⁾。ウミホタルオキシルシフェリンは

Scheme 1-5

に示すアミドピラジン骨格を持っている。

5

位に電子供与性のπ共役置換基を持ったアミドピラジン誘導体は、各種溶媒中で蛍光量子収率が

0.3 ~ 0.4

と高い値を示すことが知られている。また、ピラジン環は電子受容性を持っており、一重項励起状態において電子供与基からアミドピラジン部への分子内電荷移動特性も知られている。ウミホタル発光系では、イミダゾピラジノン及びアミドピラジンを用いて、高効率の発光系を実現している。高効率発光系の発光体であるアミドピラジンを化学変換することで新規蛍光色素の開発が期待できる。

また、オキシルシフェリンがルシフェラーゼによって加水分解されたアミノピラジンも新規蛍光色素の開発において興味深い化合物である⁸⁾。アミノピラジンはそれ自体蛍光性を持ち、イミダゾピラジノン誘導体及びアミドピラジン誘導体の合成前駆体でもあ

る。

Scheme 1-6

に示すように、イミダゾピラジノンはアミノピラジンとグリオキサール

との縮合反応、アミドピラジンはアミノピラジンとカルボン酸誘導体との縮合反応によって合成される。これらの反応はアミノピラジンのアミノ基の反応性を利用している。

また、アミノピラジンは

Scheme 1-7

に示す反応経路で容易に

3

位と

5

位にアリール基が導入できるため、π系の拡張や機能性部位の導入が容易に行える。アミノピラジンの

(15)

Scheme 1-4. Reaction mechanism of Cypridina bioluminescence.

Scheme 1-5. Structure of imidazopyrazinone and amidopyrazine.

NH

N N

O

HN NH NH₂ NH

luciferase, O₂

Cypridina luciferin

Cypridina oxyluciferin N

N

HN NH NH₂ NH

NH O

*

Light -CO₂

N N

HN NH NH₂ NH

NH O O O

dioxetanone

N N

HN NH NH₂ NH

NH O

N

N NH

R R

R O

amidopyrazine NH

N N

O

R R

R

NH

N N

-O

R R

R

11 π conjugated system

Imidazopyrazinone

10π

conjugated system

(16)

Scheme 1-6 Synthesis of imidazopyrazinone and amidopyrazine from aminopyrazine.

Scheme 1-7. Synthesis of aminopyrazine derivatives.

NH

N N

O

R R

R

imidazopyrazine

N N NH

R R

R O

amidopyrazine N

N NH₂

R R

aminopyrazine

R X

O R

O

O H

N N Br

NH₂ N

N NH₂

N

N NH₂ R₁

Bromination transition metal coupling

Bromination N

N R₁

NH₂

N

N NH₂ R₁

transition metal coupling

Br R₂

1 2

3 4 5 6

(17)

1-3

本本本本研究研究研究研究のののの目的目的目的目的

本研究では、前述のアミドピラジンとその合成前駆体アミノピラジンに着目し、これらに化学変換を行うことで、材料科学、生物科学への応用が期待できる電子受容性と蛍光性を持つ新規蛍光色素の開発を目指した。

第二章では、生物発光基質の合成前駆体であるアミノピラジンに着目し、新規蛍光色素の開発を行った。近年、いくつかの含窒素アセン化合物がよい電子受容性と蛍光性を持つことが報告されている⁹⁾。著者は、パラジウム触媒を用いた

C-N

カップリング反応

10)によって

3-

ブロモ

-5-

アリールアミノピラジン同士を縮合させることで、ジヒドロヘキサアザアントラセン

(9,10-Dihydro-1,4,5,8,9,10 -hexaazaanthracene, DH-HAA

）を経て、その酸化体のヘキサアザアントラセン

(1,4,5,8,9,10-Hexaazaanthracene, HAA)

といった含窒素アセン化合物の合成を試みた（

Scheme 1-8

）。

HAA

の詳しい物性は知られておらず、

蛍光色素の開発という点だけでなく

HAA

の基本物性を知るという点でも

HAA

の合成は興味深い。実際に

C-N

カップリング反応を検討したところ、目的の

HAA

は得られず、

HAA

骨格を含むピラジノイミダゾヘキサアザアントラセン誘導体

(3,6,11-Tris(aryl)pyrazino[2’3’:4,5]imidazo[1,2-a]-1,2-dihydro-1,4,5,8,9,10-hexaazaanthracene,

PI-HAA)

及びビスピラジノイミダゾヘキサアザアントラセン誘導体

(3,7,11,15-Tetrakis(aryl)pyrazino[2’3’:4,5]imidazo[1,2-a][1,2-h]-1,2,5,6-tetrahydro-1,4,5,8,9,10 -hexaazaanthracene ,BPI-HAA)

が得られた（

Scheme 1-9

）。これらの化合物は今までに知られていない骨格を持っており非常に興味深いため、これらの分光学的性質及び電気化学的性質について調べ、蛍光色素材料として有用であるかを検討した。

第三章では、アミドピラジンにホウ素を作用させることで、蛍光性を向上させたアミノピラジナートボロン

(Difluoro-[amidopyrazinato-O,N]-boron, APB)

誘導体の合成を行い、新規蛍光色素の開発を目指した。アミノピラジナートボロンはアミドピラジンがホウ素にピラジン環の

1

位の窒素とアミド基の酸素で配位した構造であり、アミドピラジンよりも蛍光性が向上することがすでに共同研究者の稲垣によって報告されている ¹¹⁾

（

Scheme 1-10

）。前述のようにアミドピラジンは

5

位に電子供与性のπ共役置換基を導

入することで、分子内電荷移動性による蛍光性の制御が可能である。さらに

BODIPY

に代表されるホウ素錯体化合物も電子受容性をもっているため、

APB

においても分子内電荷移動性による蛍光性の制御が可能であると考えられる。そこで、

5

位に各種パラ置換フェニル基を導入し、置換基効果によって

APB

の蛍光性がどのように変化するかを調べた。また、ホウ素が配位したことによるアミドピラジンの共役系の変化から、ア

(18)

パラ置換フェニル基を導入した

APB

誘導体を合成し、

5

位同様に置換基効果が蛍光性に与える影響を調べた。また、

5-

フェニル

APB

誘導体は溶液中のみならず固体状態においても蛍光を示した。近年、固体蛍光を持つ化合物の報告例が多くなってきており、

OLEDs

や固体有機色素レーザーなどへの応用ができるのではないかと注目されている

12)。そのため、

APB

の結晶構造と固体蛍光との相関についても考察した。これらの性質から

APB

が蛍光色素材料として有用であるかを検討した。

Scheme 1-7. Synthesis of DH-HAA and HAA from 3-bromo-5-arylaminopyrazines.

Scheme 1-8. Structure of PI-HAA and BPI-HAA

N

N NH₂

N N Ar H₂N

Br Ar

Br +

Pd

Base Ligand

N

N H

N NH

Ar N

N Ar

[O]

N

N N

N

Ar N

N Ar

N N

N N N

Ar

Ar N N

Ar

PI-HAA

N N

N N N

Ar

Ar N N

Ar

N

N N

BPI-HAA Ar

(19)

第二章第二章第二章

第二章ビスビスビスビス（（（（ピラジノイミダゾピラジノイミダゾ）ピラジノイミダゾピラジノイミダゾ）））ヘキサアザアントヘキサアザアントヘキサアザアントヘキサアザアントラセン

ラセンラセン

ラセンのののの開発開発開発開発

第一節第一節第一節

第一節序論序論序論序論

本章では、新規蛍光色素の開発に当たり、発光関連化合物アミノピラジンに着目した。

第一章で述べたようにアミノピラジンはアミノ基の反応性を利用した縮合反応によって、発光基質イミダゾピラジノンや発光体アミドピラジンを合成することが可能である。

著者は、アミノピラジンのアミノ基の反応性を利用して、別の縮合反応をアミノピラジンに適用することで新しい蛍光色素の開発が行えるのではないかと考えた。

アミノピラジンから新規蛍光色素を開発するに当たり、含窒素アセン化合物に着目した。含窒素アセン化合物は、近年いくつかの報告がなされており、それらがよい電子受容性を持つことが報告されている

(Scheme 2-1)

⁹⁾。

Scheme 2-2

のようにアミノピラジン同士を縮合させることで、ジヒドロヘキサアザアントラセン

(9,10-Dihydro-1,4,5,8,9,10-hexaazaanthracene, DH-HAA)

を経て、ヘキサアザアントラセン

(1,4,5,8,9,10-Hexaazaanthracene, HAA)

骨格を持つ含窒素アセン化合物の合成ができるのではないかと考えた。

HAA

はアントラセンに窒素を導入した化合物であり、電子受容性と蛍光性が期待できる。電子受容性を持つ蛍光色素は

OLEDs

の電荷輸送層と発光層の役割を同時にこなすことが可能であり、

OLEDs

の作成工程が減るためコスト削減などが期待できる。また、

HAA

骨格は未だ詳しい物性が報告されておらず、材料としてだけでなく含窒素アセン型の化合物としての基本物性も興味深い。

アミノピラジン同士を縮合させる方法として、近年目覚しい発展を遂げたパラジウム触媒を用いた

C-N

カップリング反応に着目した。パラジウムを用いた

C-N

カップリング反応は、

1995

年に

Hartwig

らと

Buchwald

らがそれぞれ様々な置換基を持つブロモベンゼン誘導体と二級アミンとがカップリング反応を起こし、新たに

C-N

結合が形成することを報告したのが始まりである。パラジウムを用いた

C-N

カップリング反応は、

高収率で

C-N

結合を形成する手法として今までに多くの報告がなされている ¹⁰⁾。アミノピラジンにおいても

3-

ブロモアミノピラジンにパラジウム触媒を用いたカップリング反応を適用することによって、アミノピラジン同士が縮合した

HAA

骨格が構築できると考えた。本章では、パラジウム触媒を用いた

C-N

カップリング反応を

3-

ブロモア

(20)

Scheme 2-1. Recent study of hetero-rich acene compounds.

N N

Ar

Ar N

N N

HN N HN

NH NH

Ar Ar

Xylene, HNiBu₂ O₂, heat

N

N NH₂

N N H₂N Br

Br +

Pd

Base Ligand

N

N H

N NH N

N

[O] N

N N

N

DH-HAA

N N

N NO₂

NH N Cl N

NO₂

NH X N

X = F or Cl

EtOH, reflux, 5 h EtOH, reflux, 5 h

SnCl₂·2H₂O

(21)

第二節第二節第二節

第二節合成合成合成合成

2-2-1 3-

ブロモアミノピラジンブロモアミノピラジンブロモアミノピラジンブロモアミノピラジン誘導体誘導体誘導体誘導体のののの合成合成合成合成

本論文では、パラジウム触媒を用いた

C-N

カップリング反応の原料として

3-

ブロモアミノピラジンの

5

位に各種アリール基

(Ar)

を導入した

3-

ブロモ

-5-

アリールアミノピラジン誘導体3a-gを用いた。

Scheme 2-3

に

3-

ブロモ

-5-

アリールアミノピラジン誘導体3 の合成経路を示した。導入したアリール基は基本骨格としてフェニル基を持ち、無置換の3a、溶解度向上を期待してアルキル基を導入した 3b-d、電子求引基としてトリフルオロメタンを導入した 3e、電子供与基であるアルコキシ基を導入した 3f,g をそれぞれ選択した。出発物質として市販のアミノピラジンを用い、n-Bu4

NBr

3との反応で

5-

ブロモアミノピラジン1を得た。1と別途合成したアリールボロン酸またはアリールボロン酸エステルとで鈴木カップリング反応を行い、

5-

アリールアミノピラジン2を得、続く n-Bu4

NBr

3との反応で2の

3

位をブロモ化し、

3-

ブロモ

-5-

アリールアミノピラジン誘導体3を合成した。

N N Br

NH₂ N

N NH₂

N

N NH₂ Ar

N

N NH₂

Ar Br

t-Bu CF₃

OCH₃ t-Bu

t-Bu OC₁₀H₂₁

a: Ar =

b: Ar =

c: Ar =

d: Ar =

e: Ar =

f: Ar =

g: Ar = n-Bu₄NBr₃

pyridine CHCl₃ Ar, r.t.

n-Bu₄NBr₃ pyridine

CHCl₃ Ar, r.t.

B(OR)₂ Ar

Pd(PPh₃)₄ 2 M Na₂CO₃ aq.

1,4-dioxane Ar, reflux

n-C₆H₁₃

n-C₆H₁₃ 3

1 2

(22)

2-2-2

パラジウムパラジウム触媒パラジウムパラジウム触媒触媒触媒ををを用を用いた用用いたいたいた

C-N

カップリングカップリングカップリングカップリング反応反応反応反応

まず無置換フェニル基である3aを用いてパラジウム触媒を用いた

C-N

カップリング反応を検討した。反応条件はパラジウム触媒に酢酸パラジウムを

3 mol %

、配位子にラセミ体の

2,2’-

ビス

(

ジフェニルホスフィノ

)-1,1’-

ビナフチル

(2,2’-bis(diphenylphosphino)-1,1’-binapthyl, BINAP)

を

4 mol %

、塩基に炭酸セシウムを

1.4 eq.

、溶媒にトルエンを用い、

100 °C

に加熱して行った

(Scheme 2-4)

。3aからは多様な生成物が得られたが、生成物の溶解度は低く単離は困難であった。同様に電子供与基、及び電子求引基を導入した3e,fにおいても溶解度が低く、単離が困難であった。そのため、

溶解度向上を行った3bを用いて、同様の条件で反応を検討した。その結果、3bにおいて反応生成物の一部の色素化合物A-Eの単離に成功した（

Table 2-1

）。

FAB-MS

測定からA－－－－Eはすべて3bの三量体以上の質量数であり、二量体の

DH-HAA

及び

HAA

ではないことがわかった。A-E の中で、主生成物として得られ、強い赤色蛍光を示した C

の

FAB-MS

及び¹

H-NMR

による構造推定と

X

線結晶構造解析による構造解析を行った

ところ、ビスピラジノイミダゾヘキサアザアントラセン

(pyrazino[2’3’:4,5]imidazo[1,2-a][1,2-h]-1,2,5,6-tetrahydro-1,4,5,8,9,10-hexaazaanthracene, BPI-HAA)

骨格を持つ4bであることがわかった（

Scheme 2-5

）。3c,dでも同様の

BPI-HAA

骨格を持つ4c,dが確認され、それぞれ

13%

と

12%

の収率で得た。

3fに比べて溶解度を向上させた3gではいくつかの生成物の単離に成功したものの、

DH-HAA

、

HAA

、

BPI-HAA

いずれの化合物も得られなかった。

N NH₂

Pd(OAc)₂ BINAP

Cs₂CO₃ N N

Ar t-Bu

t-Bu b: Ar =

CF₃

OCH₃

OC₁₀H₂₁ e: Ar =

f: Ar =

g: Ar = a: Ar =

Various dye

6%

(23)

Table 2-1. Synthesized products by C-N coupling reaction of 3b.

得られた4bの構造決定を

FAB-MS

スペクトルと¹

H-NMR

スペクトルから行った。

Fig.

2-1

に4bの

FAB-MS

スペクトル、

Fig. 2-2

に4bの¹

H-NMR

スペクトルを示した。

FAB-MS

スペクトルから4bの

[M+H]

⁺の質量数は

895.4

であることと同位体ピークのパターンからブロモ基は残っていないことがわかった。

C-N

カップリングによって、臭化水素が脱離することを考慮すると、3b四分子

(

分子量

1224.8)

から臭化水素四分子

(323.6)

が脱離した化合物の分子量

901.2

に近いため、3b(分子量

306.2)

の四量体であると推測される。

ここからさらに三分子の水素が脱離することでちょうど分子量が合致する。後述の反応機構から考えると、求核性の

C-N

カップリング反応で一分子の水素が脱離し、酸化過程で二分子の水素が脱離すると考えられる。次に、4b の¹

H-NMR

スペクトルから考察すると、アミノピラジン由来のピークが

9.51 ppm

、フェニル基のオルト位由来のピーク

が

9.16 ppm

と

8.37 ppm

、フェニル基のメタ位由来のピークが

7.76 ~ 7.69 ppm

に観測さ

れた。ピーク比はそれぞれ

1:4:4

であった。さらにt-Bu 基由来のピークが

1.48

と

1.47

に二本観測された。これらのスペクトル情報と四量体であることを合わせて考えると、

4bは対称性を持つ化合物であることがわかった。4c、4dに関しても

FAB-MS

スペクト

ルと¹

H-NMR

スペクトルから4bと同様の

BPI-HAA

骨格を持っていることを確認した。

Comp. color fluorescent yield (%)

m / z (M+H)

eq. of 3d used

A

purple n. d. 0.4 977.4 4

B

red n. d. 0.9 754.3 3

C

red red 6 895.4 4

D

green n. d. 2 1346.7 6

E

purple n. d. 5 1121.5 5

N N

N N N

N N

Ar

t-Bu t-Bu

t-Bu b: Ar =

c: Ar =

n-C₆H₁₃ N

N NH₂

Ar Br

(24)

05010602(I-086-5) #3-31 RT:0.10-1.05 AV:29 NL:2.24E6 T:+ p FAB SRM ms 2 [email protected] [ 9.99-1000.05]

100 200 300 400 500 600 700 800 900

m/z 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Relative Abundance

895.43

880.51

839.24 809.30 762.66 472.04

249.36 430.97

18.4276.60 160.55 193.67 314.01 385.02 590.10 621.83 674.34 977.48

Fig. 2-1. FAB-MS spectra of 4b.

N N N

t-Bu

(25)

Fig. 2-2.

¹

H-NMR spectrum of 4b.

N N

N N N

N N

t-Bu

(26)

2-2-3

パラジウムパラジウム触媒パラジウムパラジウム触媒触媒触媒ををを用を用用いた用いたいたいた

C-N

カップリングカップリングカップリングカップリング反応反応反応の反応のの条件検討の条件検討条件検討条件検討

次に、

BPI-HAA

の収率向上及び

HAA

化合物を得るために、各種溶媒への溶解度が最

も高かった3cを用いて

C-N

カップリング反応条件の検討を行った。前述の反応条件では、原料である3cの原料回収率が

50%

であったことから、より

C-N

カップリング反応を進行させるために、反応時間及び触媒量を増加させた。なお配位子の量は触媒量の変化に合わせ、触媒と同モル量を用いた。

Table 2-2

に検討した反応条件及び生成物と原料 3cの有無をまとめた。まず反応時間を

72

時間へと増加させたが3cは消費しきらず、4c の収率は低下した。パラジウム触媒の活性が失われていると考え、反応時間を

40

時間とし、触媒量を

3 mol% ~ 100 mol%

まで変化させ、反応を検討した。ただし、

40

時間経過前に3cが確認できなくなった反応においては、その時点で反応を停止した。触媒を

30 mol%

まで増加させたとき、ピラジノイミダゾヘキサアザアントラセン

(pyrazino[2’3’:4,5]imidazo[1,2-a]- 1,2-dihydro-1,4,5,8,9,10-hexaazaanthracene, PI-HAA)

骨格を有する5cが得られた。さらに触媒量を増やすと、主生成物は5cとなり、4cの生成が見られなくなった。これらの結果から、パラジウム触媒を増加させることで、より

C-N

カップリング反応が進みやすくなり、四量体まで縮合する前に、3c が消費され、三量体である4cが得られたのではないかと考えられる。

cat. (mol%.) time (h.)

4c (%) 5c (%) 3c

3 24 13 - +

3 72 7 - +

10 40 8 - +

30 40 + + +

50 20 - 22 -

100 20 - + -

Table 2-2 Study of C-N coupling reaction conditions

(27)

次に

C-N

カップリング反応機構を考察した。

C-N

カップリング反応による

PI-HAA

と

BPI-HAA

の生成は

Scheme 2-5

に示したメカニズムで進むと考えられる。初めに

2

分子

のブロモアミノピラジン3 の分子間でパラジウム触媒による

C-N

カップリング反応が起こり、その後同一分子内に残ったアミノ基とブロモ基における

C-N

カップリング反応によって、

DH-HAA

が生成する。この

DH-HAA

が互変異性化し

DH-HAA’

となり、これにもう

1

分子の3 とのパラジウム触媒による

C-N

カップリング反応と続く求核的な分子内環化により

PI-HAA

のトリヒドロ体（

TH-PI-HAA

）となる

(Scheme 2-6)

。この

TH-PI-HAA

の酸化によりピラジノイミダゾールが

1

つ縮環した

PI-HAA

となる。酸化

が起こらず、

DH-HAA

から

TH-PI-HAA

と同様の反応が起こることで、

BPI-HAA

のテトラヒドロ体

(TH-BPI-HAA)

を経由して、ピラジノイミダゾールが

2

つ縮環した

BPI-HAA

が生成したと考えられる。また、

TH-PI-HAA

体から

PI-HAA

及び

TH-BPI-HAA

体から

BPI-HAA

が生成する際には酸化反応が進行しているが、酸化剤が何であるか現段階で

はわかっていない。

Scheme 2-5. C-N coupling reaction mechanism.

N

N NH₂ N

N H₂N Br

Br

N N

NH H N

N N

N HN

NH N

N N

NH HN

N HN N

N N Ar

Ar

Ar Ar

N N

NH HN

N HN N

NH N N

N N

Ar

Ar Ar

Oxidation

Oxidation Pd C-N coupling and nucleophilic C-N coupling

N N NH₂

Br Ar

N N

N HN

NH HN N

N N

Ar

Ar Ar

Pd C-N coupling and nucleophilic C-N coupling

N N NH₂

Br Ar

Pd C-N coupling x 2

N N

N N N

N N Ar

Ar

N N

N N N

N N

Ar

Ar Ar Ar

(28)

Scheme 2-6. Reaction mechanism of DH-HAA’ to TH-PI-HAA.

N N Ar

NH2

Br

N HN

Ar

N

N N

H N Ar

Base N

N Ar

N

N N

H N Ar N

N H₂N

Ar

N N Ar

N^-

N N

H N Ar

+H₂N

N N Ar

HN

N N

H N Ar HN

Pd

DH-HAA'

TH-PI-HAA

Ar Ar

(29)

2-2-4 BPI-HAA

、、、、

PI-HAA

誘導体誘導体誘導体誘導体のの溶液中のの溶液中溶液中溶液中におけるにおけるにおける安定性における安定性安定性安定性

5c は溶液中において複数の蛍光色素への分解が確認された。そのため、溶媒中における安定性を調べるため、クロロホルム、アセトニトリル、トルエン、ヘキサン、メタノールの各種溶媒の溶液において暗所及び明所で静置し、その溶液の色変化と薄層クロマトグラフィーの変化を調べ、その結果を

Table 2-3

にまとめた。暗所では

1

ヶ月静置したすべての溶媒において溶液の色及び薄層クロマトグラフィーのスポットに変化は見られなかった。それに対し、明所ではアセトニトリル以外の溶液中で溶液の色及び薄層クロマトグラフィーのスポットに変化が確認された。メタノール中では数時間で溶液が黄色から赤く変色し、薄層

TLC

においても多数のスポットが確認された。クロロホルム中では一日で溶液が黄色から赤へ変色し、薄層

TLC

においても5cを含む３つのスポットが確認された。ヘキサン、トルエン中では一日で溶液が退色し、薄層

TLC

のスポットは 5c を含む３つになっていた。以上のことからアセトニトリルのみ明所でも安定であり、、、、他の溶媒では光によって何らかの反応が起き、分解することがわかった。

同様の実験を4cについても行ったところ、4cはすべての溶液中において、明所にて

1

ヶ月静置しても変化はなく、安定な化合物であることがわかった。

Table 2-3. Stability of 5c in various solvents.

Place

n-C6

H

14

toluene CHCl

3

CH

3

CN CH

3

OH dark stable stable stable stable stable light 1 day 1 day 1 day stable 5 hour

N N

N N N

N N

Ar

Ar N Ar

N N N

N N

Ar

4 Ar 5

t-Bu

t-Bu c: Ar =

(30)

第三節第三節

第三節第三節 X 線結晶構造解析線結晶構造解析線結晶構造解析線結晶構造解析

4の構造は前節で推定したが、特に¹

H-NMR

で得られる情報が少ないため、その構造を完全に決定するには不十分であった。従って、

X

線結晶構造解析によって構造決定を行うこととした。4b-d をクロロホルムに溶解させた後、ヘキサンとの溶媒交換法により単結晶の作成を試みた。その結果、4c の単結晶の作成に成功した。

X

線結晶構造解析によって得られた基礎データは

Table 2-4

にまとめた。

X

線結晶構造解析の結果から 4c の構造は、先述の構造決定で推定した構造で正しいことが確認された

(Fig.2-3)

。

BPI-HAA

構造は平面で広いπ共役を形成し、中心対称性を持つ構造であることがわかっ

た。

Fig. 2-4

には水素を省略した4cの結晶構造を示した。4cは

face-to-top

で結晶を形成

しており、隙間に結晶溶媒であるクロロホルムが充填した形となっていた。

Fig. 2-5

に

4c の

BPI-HAA

骨格、ピラジン、イミダゾールの結合長をそれぞれ示した ¹³⁾。4c の

BPI-HAA

骨格のピラジン環部位とピラジンを比較すると、4cの

C1-C8

、

C8-N6

結合の

結合交替が強く現れていた。イミダゾール環とピラジン環の間にあるピラジン環

(C1-N1-C6-C7-N6-C8)

を見ると

7π

電子系であり、この環の芳香族性が弱まって結合交替

が強く出たのではないかと考えられる。また、

BPIHAA

骨格のイミダゾール環部位とイミダゾールを比較すると、ピラジン環と縮環している

C1-N1

と

C2-C5

はそれぞれ

1.405 Å

と

1.406 Å

となっており、イミダゾールよりもピラジンに近い結合長となっていた。

また、

3

位と

7

位の

3,5

ジ

-t-

ブチルフェニル基と

BPI-HAA

の二面角は

3

位で

38°

、

7

位で

27°

とねじれていた。これは、t-ブチル基同士の立体障害緩和のため、それぞれのフェニル基は

BPI-HAA

とねじれていることが確認された。それぞれのt-Bu基の最も近い水素同士の距離は

2.78Å

であり、水素のファンデルワールス半径は

1.20Å

であるので、

水素同士が接近しているため、立体障害によりフェニル基がねじれていることがわかった。

N N 9

10 11 12 t-Bu

t-Bu

(31)

Side view Top view

Fig. 2-3. Molecular Structure of 4c.

Fig. 2-4. Crystal Structure of 4c.

(32)

Table 2-4. Crystal data and structure refinement for 4c.

______________________________________________________________________

Empirical formula C76 H90 Cl12 N12

Formula weight 1597.00

Wavelength 0.71073 Å

Crystal system Monoclinic

Space group

P 21

/n

Unit cell dimensions a = 18.686(4) Å

α= 90°.

b = 11.780(2) Å

β= 104.581(5)°.

c = 19.540(3) Å

γ = 90°.

Volume 4162.9(13) Å3

Z 2

Density (calculated) 1.274 Mg/m3 Absorption coefficient 0.447 mm-1

F(000) 1668

Crystal size 0.70 x 0.30 x 0.10 mm3

Theta range for data collection 3.14 to 27.48°.

Index ranges -24<=h<=24, -15<=k<=15, -25<=l<=24 Reflections collected 61786

Independent reflections 9422 [R(int) = 0.0869]

Absorption correction None Completeness to theta = 27.48° 98.7 %

Refinement method Full-matrix least-squares on F2 Data / restraints / parameters 9422 / 0 / 470

Goodness-of-fit on F2 1.010

Final R indices [I>2sigma(I)] R1 = 0.0757, wR2 = 0.2119 R indices (all data) R1 = 0.1142, wR2 = 0.2316 Largest diff. peak and hole 1.426 and -0.739 e.Å-3

______________________________________________________________________

(33)

Fig. 2-5. Bond length of BPI-HAA, pyrazine, and imidazole rings.

1.349 1.326 1.378 1.358

1.369

N H N

1.349

1.326 1.378 1.358

1.369

N H N

N

N N

R

1.322 1.353

1.428 1.341

1.380 1.334

1.349 1.379

1.406 1. 39 4

1.436 1.461 1.325 1.3 81

1.3 22 1.4 05 1. 34 6 N

N N

R

1.322 1.353

1.428 1.341

1.380 1.334

1.349 1.379

1.406 1. 39 4

1.436 1.461 1.325 1.3 81

1.3 22 1.4 05 1. 34 6

1.339 1.403

N N

1.339

1.403

N

C1

N

C2

C3 C4

C5 C6

C7

C8

N1

N2 N3

N4 N5

N5

N6

(34)

第四節第四節第四節

第四節分光学的性質分光学的性質分光学的性質分光学的性質ののの評価の評価評価評価

2-4-1 BPI-HAA

誘導体誘導体の誘導体誘導体ののの分光学的性質分光学的性質の分光学的性質分光学的性質のの評価の評価評価評価

BPI-HAA

誘導体4b-dの分光学的性質を調べるため、各種溶媒中における紫外可視吸

収スペクトル及び蛍光スペクトルの測定を行った。測定溶媒にはクロロホルム、シクロヘキサン、ジクロロメタン、アセトニトリル、メタノールを用いたが、4bと4dはクロロホルム以外の溶媒への溶解度が低かったため、クロロホルムのみで測定を行った。

Fig 2-6

に各種溶媒中における4dの紫外可視吸収スペクトル及び蛍光スペクトル、

Fig. 2-7

に4b-d のクロロホルム中における紫外可視吸収スペクトル及び蛍光スペクトルを示した。また、

Table 2-5

に各種溶媒における4b-dの極大吸収波長及びその波長でのモル吸光係数、蛍光極大波長と蛍光量子収率をそれぞれ示した。

4dの各種溶媒ごとのスペクトル変化を見ると、4dはクロロホルム中で最も長波長側に吸収が観測され、第一吸収帯の極大波長は

538 nm

であった。一方、最も長波長吸収を示したアセトニトリル中の極大波長は

529 nm

であり、その差は

9 nm

であった。このことから紫外可視吸収スペクトルでは溶媒効果がほとんど影響せず、どの溶媒中においても赤色を示した。また、第一吸収帯において振動構造が観測された。第一吸収帯に見られた振動準位間の波数はクロロホルム中で

1294 cm

^-1であり、これはペリレンなどの芳香環に見られる骨格振動に類似している¹⁴⁾。そのため、この振動構造は縮環した複素

環である

BPI-HAA

骨格のものであると考えられる。同様の振動構造はすべての溶媒中

で観測された。蛍光スペクトルにおいても紫外可視吸収スペクトル同様に、溶媒効果による極大波長の差は

11 nm

と小さく、メタノールやアセトニトリルといった極性溶媒ではブロードとなっているが、すべての溶媒で振動構造が見られた。蛍光量子収率は

0.57 ~ 0.74

とどの溶媒中でも高い値を示し、橙色から赤色を示した。

BPI-HAA

骨格は剛直で

広いπ共役系を持ち、幅広い電子吸収と高い蛍光量子収率と橙から赤色の長波長に蛍光を持つ骨格であることがわかった。

Ar

(35)

次に 4b-d のクロロホルム中における紫外可視吸収スペクトルを比較すると、全ての化合物で類似した形のスペクトルが得られた。4bと4dは4cに比べ

10 nm

ほどの長波長シフトが見られ、極大波長は

550 nm

付近であった。蛍光スペクトルにおいても同様の長波長シフトが見られた。4bと4dの吸収波長の長波長シフトの要因は

BPI-HAA

骨格とフェニル基との間のねじれであると考えられる。

X

線結晶構造解析から、4ｃｃはｃｃ

3

位、

7

位、

11

位、

15

位にある

4

つのフェニル基が

BPI-HAA

骨格と共平面に近づくと、

それぞれ

3

位と

7

位、

11

位と

15

位のフェニル基上にあるt-ブチル基同士の立体反発が大きくなる。このため 4c では溶液中でもフェニル基と主骨格の二面角が大きくなり、

立体障害の小さい4bと4dに比べて共役系が短くなることから吸収は短波長になった。

Fig. 2-6. UV-visible absorption and fluorescence spectra of 4c in various solvents.

4 3 2 1 0

ε x 1 0

-4

700 600

500 400

300 Wavelength (nm)

1.0

0.5

0.0 In te n s ity

CH₃OH CH₃CN CHCl₃ CH₂Cl₂ C₆H₁₂

N N

N N N

N N

Ar

t-Bu t-Bu

t-Bu b: Ar =

c: Ar =

d: Ar =

n-C₆H₁₃ 4

UV FL

(36)

Fig. 2-7. UV-visible absorption and fluorescence spectra of 4b-d in CHCl

3

.

Table 2-5. Absorption and fluorescent maxima of 4b-d in various solvents.

Comp. Solvent

λ_ab

/ nm (ε / 10

⁴

)

λ_f

/ nm (

Φ_f

)

4b

CHCl

3

551 (3.93), 513 (4.16), 425 (4.09), 329 (4.24) 616, 571 (0.75)

CH

3

OH 532 (3.22), 497 (3.53), 412 (3.40), 320 (3.99) 601, 563 (0.58) CH

3

CN 529 (3.32), 495 (3.66), 410 (3.41), 321 (4.39) 596, 560 (0.67) CHCl

3

538 (3.58), 503 (3.84), 420 (3.61), 323 (3.74) 603, 563 (0.71) CH

2

Cl

2

535 (3.50), 500 (3.81), 418 (3.60), 324 (3.88) 601, 561 (0.74)

4c

C

6

H

12

533 (3.75), 497 (4.01), 415 (3.76), 323 (4.28) 591, 552 (0.57)

4d

CHCl

3

550 (3.55), 513 (3.77), 426 (3.95), 334 (3.92) 616, 570 (0.75)

Ar b: Ar = t-Bu

UV FL

4 3 2 1 0

ε x 1 0

-4

700 600

500 400

300 Wavelength (nm)

1.0

0.5

0.0 In te n s ity

4b 4c 4d

(37)

2-4-2 PI-HAA

誘導体誘導体の誘導体誘導体ののの分光学的性質分光学的性質の分光学的性質分光学的性質のの評価の評価評価評価

合成した

PI-HAA

誘導体5cの分光学的性質を調べるため、各種溶媒中における紫外

可視吸収スペクトルの測定を行った。測定溶媒としてクロロホルム、シクロヘキサン、

ジクロロメタン、アセトニトリル、メタノールを用いた。なお、5c は光によって何らかの反応が起こるため、測定はすべて暗所にて行った。

Fig. 2-8

にそれぞれ各種溶媒中における5cの紫外可視吸収スペクトルと蛍光スペクトル、

Table 2-6

に各種溶媒中における極大吸収波長及びその波長でのモル吸光係数、蛍光極大波長と蛍光量子収率を示した。紫外可視吸収スペクトルにおいて5cはどの溶媒でも複数のピークを示した。この

ピークは

BPI-HAA

にも見られた振動構造である。第一電子吸収帯の極大波長はクロロ

ホルム中で最も長波長吸収が見られ

495 nm

であった。一方、最も短波長吸収が見られたシクロヘキサン中では

480 nm

であり、その差は

15 nm

と小さい値であった。これらのことから

PI-HAA

は

BPI-HAA

と同様に紫外可視吸収スペクトルにおける溶媒効果の影響が小さいことがわかった。一方、蛍光スペクトルでは、シクロヘキサン中のみ振動構造が見られた。メタノール中では他の溶媒と比べ蛍光極大が

50 nm

の長波長シフトが観測され、励起状態では分極した性質が強くなることがわかった。蛍光量子収率は

0.09 ~ 0.004

と低く、光反応や三重項励起状態への項間交差などの

BPI-HAA

では見られなか

った励起状態の性質があると考えられる。

N N

N N N

N N

t-Bu

t-Bu t-Bu t-Bu

t-Bu

5c

(38)

Fig. 2-8. UV-visible absorption and fluorescence spectra of 5c in various solvents.

Table 2-6 Absorption and fluorescent maxima of 5c in various solvents.

Solvent

λab

/ nm (ε / 10

⁴

)

λ_f

/ nm (

Φ_f

) CH

3

OH 490 (2.74), 460 (3.52), 425 (4.25), 328 (1.69) 610 (0.092) CH

3

CN 480 (2.68), 445 (3.38), 418 (4.17), 329 (1.68) 573 (0.021) CHCl

3

495 (2.96), 466 (3.70), 433 (4.34), 331 (1.58) 556 (0.026) CH

2

Cl

2

490 (2.82), 463 (3.56), 428 (4.33), 330 (1.61) 561 (0.024) C

6

H

12

480 (2.69), 456 (3.52), 422 (4.66), 328 (1.69) 561 (0.004)

UV FL

5 4 3 2 1 0

ε x 1 0

-4

800 700

600 500

400 300

wavelength (nm)

1.0

0.5

0.0 In te n si ty

CH₃OH CH₃CN CHCl₃ CH₂Cl₂ C₆H₁₂

t-Bu t-Bu

(39)

2-4-3

酸及酸及び酸及酸及びびび金属金属イオン金属金属イオンイオンイオン添加添加添加による添加によるによるによる

BPI-HAA

誘導体誘導体誘導体誘導体のののの分光学的性質分光学的性質の分光学的性質分光学的性質ののの変化変化変化変化

BPI-HAA

骨格は多くの孤立電子対を窒素原子が持っている。そのため、含窒素複素

環特有のプロトン化や金属錯形成が可能であると考えられる¹⁵⁾。こういった含窒素芳香環の配位を利用して

Alq

3 などの蛍光色素が開発されており、これらの形成によって新たな蛍光色素となる可能がある。従って、

BPI-HAA

誘導体4cを用いて、酸及び金属イオン添加による紫外可視吸収スペクトルの変化を測定し、その性質を調べることとした。

いずれの測定でも、4cの濃度を

1.0 x 10

^-5

M

とした。

酸添加による 4c の紫外可視吸収スペクトルの変化を調べるため、溶媒をクロロホルム、酸としてトリフルオロ酢酸

(TFA)

を用い、

TFA

の濃度を無添加、

1.0 x 10

^-3

M

、

1.0 x 10

^-2

M

、

1.0 x 10

^-1

M

と変化させて紫外可視吸収スペクトルを測定した。

Fig. 2-9

に

TFA

添加

による4cの紫外可視吸収スペクトルの変化を示した。

TFA

が高濃度になるほど

330 nm

付近の吸収が減少し、吸収スペクトルが全体的に長波長シフトし、スペクトルがブロードとなった。また、無添加、

1.0 x 10

^-3

M

、

1.0 x 10

^-2

M

において、

350 nm

と

525 nm

付近に等吸収点が見られたことから、

1.0 x 10

^-3

M

から

1.0 x 10

^-2

M

の酸濃度では一定のプロトン化体のみが生成していると考えられる。この

1.0 x 10

^-2

M

の条件では吸収極大が

5 nm

程のみ長波長シフトしている。従って、プロトンは窒素の孤立電子対と結合し、π 共役系に大きな影響を及ぼさないと考えられる。さらに

TFA

を高濃度にした

1.0 x 10

^-1

M

においては

1.0 x 10

^-3

M

、

1.0 x 10

^-2

M

との等吸収点が見られないことから、[5b+H]⁺からさらにプロトン化した[5b+2H]²⁺が存在すること可能性がある。以上より、

BPI-HAA

は

2

箇所以上の窒素原子においてプロトン化が起こり、一段階目のプロトン化はπ共役系にほとんど影響を及ぼさないことがわかった。

t-Bu

t-Bu c: Ar =

N N

N N N

N N

Ar

4 Ar

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

A b s o rb a n c e

700 600

500 400

300

none TFA 10^-3 M TFA 10^-2 M TFA 10^-1 M

新規蛍光色素の開発研究

生物発光関連複素環構造を基盤とした

新規蛍光色素の開発研究

八谷 聡二郎

電気通信大学

2010 3 月

生 物 発 光 関 連 複 素 環 構 造 を 基 盤 と し た 新 規 蛍 光 色 素 の 開 発 研 究 八 谷

生物発光関連複素環構造を基盤とした

新規蛍光色素の開発研究

八谷 聡二郎

電気通信大学大学院電気通信学研究科 博士（理学）の学位申請論文

2010 3 月

生物発光関連複素環構造を基盤とした

新規蛍光色素の開発研究

博士論文審査委員会

主査 平 野 誉 准教授 丹 羽 治 樹 教授 石 田 尚 行 教授 加 固 昌 寛 准教授

安 井 正 憲 准教授

著作権所有者

八谷 聡二郎

２０１０年

目次

第一章 序論

第二章 ビス（ピラジノイミダゾ）ヘキサアザアントラセンの開発

X

第三章 アミノピラジナートボロン (APB) の開発

第四章 結語

実験の部

参考文献

第 第 第

第一 一 一 一章 章 章 章 序論 序論 序論 序論

1-1

Organic Light Emitter

Diodes, OLEDs

OLEDs

Fig. 1-1

OLEDs

OLEDs

(cathode)

(electron transport layer)

(emission layer)

(hole)

(anode)

(hole

transport layer)

(charge

recombination)

OLEDs

Scheme1-3

OLEDs

(Perylene)

(quinacridone)

(Rubrene)

(8-

)

Tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum, Alq

Alq

Fig. 1-1. Structure and emission mechanism of OLEDs.

Scheme 1-2

1980

FURA-2

INDO-1

FURA-2

INDO-1

Boron-dipyrromethene, BODIPY

Cyanine

BODIPY

0.8

BODIPY

pH

BODIPY

pH

Scheme 1-3

BODIPY

BODIPY

BODIPY

Cyanine

Scheme 1-2. Fluorescent dyes are applied to fluorescent probe.

Scheme 1-3. BODIPY dyes having pH sensor functional.

OLEDs

e

八谷聡二郎

生物発光関連複素環構造を基盤とした新規蛍光色素の開発研究八谷

八谷聡二郎

電気通信大学大学院電気通信学研究科博士（理学）の学位申請論文

主査平野誉准教授丹羽治樹教授石田尚行教授加固昌寛准教授

安井正憲准教授

八谷聡二郎

第一章序論

第二章ビス（ピラジノイミダゾ）ヘキサアザアントラセンの開発

第三章アミノピラジナートボロン (APB) の開発

第四章結語

第第第

第一一一一章章章章序論序論序論序論

第二章第二章第二章

第二章ビスビスビスビス（（（（ピラジノイミダゾピラジノイミダゾ）ピラジノイミダゾピラジノイミダゾ）））ヘキサアザアントヘキサアザアントヘキサアザアントヘキサアザアントラセン

ラセンラセン

ラセンのののの開発開発開発開発

第一節第一節第一節

第一節序論序論序論序論