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JP3967071B2 - Near-infrared light emitting materials by charge transfer complex formation of porphyrin fullerene films - Google Patents

Near-infrared light emitting materials by charge transfer complex formation of porphyrin fullerene films Download PDF

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JP3967071B2 JP2000277480A JP2000277480A JP3967071B2 JP 3967071 B2 JP3967071 B2 JP 3967071B2 JP 2000277480 A JP2000277480 A JP 2000277480A JP 2000277480 A JP2000277480 A JP 2000277480A JP 3967071 B2 JP3967071 B2 JP 3967071B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にメタル配位又はメタルフリーのポルフィリン類とフラーレン類とが、混合物(二分子系)として又は、請求項1に記載の一般式Cで表される同一分子内に存在し前記ポルフィリン部分とフラーレン部分が電荷移動状態を形成して、二分子固体膜を形成してまたはLB膜形成マトリックスに分散して膜を形成してなる有機近赤外発光材料に関する。
【0002】
【従来の技術】
60フラーレンは、過去十年間にわたり非常に注目を集めてきた。C60フラーレンは3次元形状の新規なアクセプターであることから、光励起電子移動可能なドナー−アクセプター系にしばしば用いられてきた。これらのシステムの光化学は、主として液相で研究されてきた。一方、ポルフィリンおよびフラーレンは自然組織化共晶を形成することが最近発見された。そして、これらは分子間相互作用によりポルフィリン/フラーレンが空間的に極めて近接した相対配置をとることがわかっている(分子間距離:3.0−3.5Å)
(文献;M.M.Olmstead,D.A.Costa,K.Maitra,B.C.Noll,S.L.Phillips,P.M.Van.Calcar,
A.L.Balch,J.Am.Chem.Soc.,1999,121, 7090-7097.)。 共有結合する二分子結合の場合、すなわちポルフィリン環とフラーレン基を同一分子内に有する化合物の場合、ポルフィリンおよびフラーレン部分の隣接した配置は(前記化合物Fにおいてアミドがベンゼン環のオルト位に結合している場合)、ポルフィリンおよびフラーレン部分は溶液中において、電荷錯体状態の形成を引き起こす。これらの化合物は、効率の良い電子供与体−受容体錯体類を形成することが知られている(Small Reorganization Energy of Electron Transfer in Porphyrin-Fullerene Dyads, H. Imahori, N. V. Tkachenko, V. Vehmanen, K. Tamaki, H. Lemmetyinen, Y. Sakata, and S. Fukuzumi, Angew ,Chem.Int.Ed)。このような電荷錯体(二分子個体)の形成は、近赤外線領域(NIR)800-900nm、に新しい発光帯が現れることにより観察することができることが説明されている。
【0003】
しかしながら、前記ポルフィリン部分およびフラーレン部分の密な隣接の形成には、精密な分子設計・合成を必要とする。そこで、より簡便な手法や従来から確立されている膜(フイルムという場合もある。)形成法で、ポルフィリン部分およびフラーレン部分が電荷移動錯体を形成する発光材料を新規に作製できるのではないかと考えた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
そのような考えの下に、固体フイルムからなるポルフィリン−フラーレン系を研究している過程で、本発明者らは、二分子系(電子供与体−受容体電荷移動錯体を形成している系)に報告されているものと同じ起源を持つ、800nm付近の強い蛍光を観察した。本発明者らは、ポルフィリン−フラーレン錯体の電荷移動発光はポルフィリン類およびフラーレン類の混合溶液系または連結系においても両者が離れた配置をとる溶液系においては観察されないが、その溶液を単に乾燥・乾固させただけで(ドライフイルムともいう)電荷移動発光が観察されるポルフィリン−フラーレン二分子固体系を発見した。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1は、請求項1に記載の一般式Aで表されるポルフィリン類と前記一般式Bで表されるフラーレン類の混合物またはポルフィリン環とフラーレン基を同一分子内に有する前記一般式Cで表される化合物類の溶液から形成されポルフィリン部分とフラーレン部分とが密に隣接した電荷移動状態を形成している二分子固体フイルムからなる近赤外発光材料。
【0006】
本発明の第2は、請求項1に記載の一般式Aのポルフィリン類と前記一般式Bのフラーレン類の混合物またはポルフィリン環とフラーレン基を同一分子内に有する化合物類がLB膜形成性マトリックス中においてポルフィリン部分とフラーレン部分とが密に隣接した電荷移動状態で会合した固体として分散していることを特徴とするフイルム状近赤外発光材料であり、好ましくは、LB膜形成性マトリックス材料がオクタデシルアミンであることを特徴とする前記フイルム状近赤外発光材料。
【0007】
好ましくは、前記各発明において、ポルフィリン化合物としては前記化合物D(以下、HP−P34と表現する。)であり、フラーレン化合物としては前記化合物E(以下、C60−REFと表現する。)であり、ポルフィリン環とフラーレン基を同一分子内に有する化合物としては前記化合物F(以下、HP−P34−C60と表現する。)であることを特徴とする近赤外発光材料である。
【0008】
【本発明の実施の態様】
本発明をより詳細に説明する。本発明において、近赤外発光は、混合物の場合でも、同一分子内にポルフィリン環とフラーレン基を有する場合でも、フラーレンとポルフィリンとが同時に、かつ隣接(電荷移動可能に)して存在する必要がある。
A.この発明のフイルムは、以下の2つの方法により作成される。
1. フラーレン化合物はクロロホルムに可溶であるので、ポルフィリンとの混合物をクロロホルム溶液として調製した。該ポルフィリン/フラーレン混合物溶液(溶液中の各化合物のモル比1:2)をガラス基板上に塗布し、溶媒を蒸発させて二分子系微結晶試料を調製した。ポルフィリン環とフラーレン基を同一分子内に有する化合物の二分子微結晶試料も同様にクロロホルム溶液から調製する。
2.本発明で使用するそれぞれの化合物は、LB膜を形成するのに要求される両親媒性に乏しいため、該化合物に対する適当なマトリックスとなるLB膜形成材料と組み合わせることにより初めて本発明の機能性を発揮される膜を作製することができる。LB膜はLB5000二重バリヤトラフ(KSV計測器、ヘルシンキ、フィンランド)を用いて通常の標準手法により調製できる。
【0009】
ポルフィリン環とフラーレン基を同一分子内に有する化合物HP−P34−C60、およびその参照化合物HP−P34およびC60−REFフラーレンの合成および特性は既に報告されている(例えば、H.Imahori,M.Hagiwara,M.Aoki,T.Akiyama,S.Taniguchi,T.Okada,M.Shirakawa,Y.Sakata,J.Am.Chem.Soc.,118(1996)11771.)。なお、5,10,15,20−テトラフェニルポルフィリン(TPP)はアルドリッチ(Aldrich)社製、バックミンスターフラーレン、C60はフルカ(Fluka、98%より高い純度)社製、また、オクタデシルアミンはシグマ社製(純度99%)のものを使用した。
【0010】
LBマトリックス材料としては、通常LB膜の形成に利用されている両親媒性の化合物、例えば長鎖のアルキル基(少なくとも炭素数8以上、好ましくは炭素数15〜24)と−NH基、ヒドロキシル基、チオール基、カルボン酸、4級アンモニウム基、フォスフォニウム基などからなる群から選択される親水基を有する化合物、例えばオクタデシルアミン、オクタデシルメルカプタンなどを好ましいものとして挙げることができる。また、両親媒性の化合物としては公知のLB膜形成重合体化合物、例えばN−置換(メタ)アクリルアミドを含むポリマー(置換基として炭素数8以上のアルキル基、置換フェニル基など)を好ましいものとして挙げることができる。
【0011】
【実施例】
測定機器類の説明
1.吸収スペクトルは島津UV-2501PC紫外可視分光光度計(Shimadzu UV-2501PC spectrophotometer)を用いて記録した。
2.定常状態の蛍光スペクトルは、冷却された赤外感受性光倍増管(Hamamatsu R2658)を備えたフルオロログ3蛍光分光計(SPEX Inc.)〔Fluorolog3 fluorimeter(SPEX Inc.)〕を用いて測定し、次いで波長感度補正をした。蛍光減衰曲線は既知の時間相関単一光子計測法により測定された。計器の応答時間は約100ps(fwhm)であり、そして励起波長は590nmである。減衰相関スペクトル(DAS)は一定の積算時間(典型的には、2分)、異なった波長の減衰データを集め、多成分指数関数近似を用いて多波長にわたりフィティングすることにより得られる(通常蛍光寿命測定では1波長のみで解析するのに対し、波長依存性も含めてある一定の波長範囲にわたり一度に蛍光寿命解析を行う方法である。)。蛍光減衰スペクトルの前指数項は、マイクロチャンネルプレート光倍増管(Hamamatsu R3809U-50)の感度スペクトルに従って補正された。
【0012】
実施例1および対称例
ポルフィリン−フラーレンの単一分子および混合物の二分子フィルム、ならびC60混合物の膜の調製。
1.HP−P34とC60−REFとの混合物二分子微結晶フィルムは、これらの化合物のクロロホルム溶液(モル比1:2)をガラス基板上に塗布し、溶媒を蒸発させて調製した。
2.HP−P34−C60の微結晶フィルムはクロロホルム溶液をガラス基板上に塗布し、溶媒を蒸発させて調製した。
3.HP−P34/C60混合二分子微結晶フイルムはトルエン溶液から、およびTPP/C60−REF二分子の微結晶フイルムはクロロホルム溶液から調製した。これらの微結晶フィルムの発光スペクトルが図1−a)に示す。1はHP−P34−C60、2はHP−P34/C60−REFの混合物、3はHP−P34−C60そして4はTPP/C60−REFの微結晶フイルムの発光スペクトルを示す。770−810nmに発光極大を示す近赤外発光が見られる。このことから、
(1)800nm領域での発光の出現には、フラーレンおよびポルフィリンが同時に存在することが必須である。
(2)溶液中では(最大濃度1mMの試験)近赤外領域(NIR)の発光は観察されない。
【0013】
実施例2
良好な光学特性を有するLB(ラングミュアー・ブロジェット)膜の調製。基本的には、LB法の場合、単分子膜形成が可能で、かつ充分な膜体積(多層膜)を得るためには分子が両親媒性であることを必要とする。本発明で用いるポルフィリン類、フラーレン類は前記LB膜形成を可能にする両親媒性を有しない。しかしながら、該化合物類をオクタデシルアミン(ODA)のような適当なLB膜形成性マトリックス分子と混合することによって、LB法を用いてフィルム(膜)を形成することができることが分かった。そこで、オクタデシルアミン(ODA)を用い、LB法を用いて本発明の膜を調製した。LB膜はLB5000二重バリヤトラフを用いて通常の標準手法により調製した。すなわち、HP−P34−C60/ODA、ODA/C60-REFおよびHP−P34/ODA混合物をそれぞれクロロホルムに溶かし、得られた溶液を水面上に展開することで単分子膜化し、これをガラス表面に転写する。これを繰り返すことにより適当な厚さの多層膜が形成できる。膜の光吸収の大きさは膜の厚さ(積層度)に比例する。混合フィルムの表面圧(π)−平均分子面積(nma)曲線(isotherms)は図2中に示す。フラーレン類の単一層のnmaは1nm程度、ポルフィリン類については0.8−2nmの範囲で変化することが知られている。上記混合物からのLB膜のnmaは純粋のオクタデシルアミン(ODA)層と同じ値、約0.2m(図2)であり、水面上のHP−P34−C60/ODAやC60−REF/ODAの混合物は単分子層中に取り込まれた良好なLB膜を形成していない。
【0014】
すなわち、HP−P34−C60/ODAおよびODA/C60−REFから形成される膜は、HP−P34−C60またはC60−REF分子がLBマトリックス膜にうまく取り込まれず、その端部分に位置した構造となっている。これに対して、HP−P34/ODA混合物から形成された膜は、平均分子面積値(mma:mean molecular area)が漸次増加する構造、すなわち、HP−P34分子がマトリックスODA中に取り込まれ単一膜構造を形成している。形成された膜は光学的に均一であり、かつ再現性があった。図1−b)は10%HP−P34−C60/ODA、LB膜の発光スペクトルを示す。この発光スペクトルは実施例1のHP−P34/C60−REFの混合物の二分子微結晶膜(図1−a)の2の曲線)と類似の発光特性を持っている。 このことから、LB膜の特性も微結晶フイルムの特性も本質的に変わらないことが理解される。すなわち、LB膜中でも分子間でポルフィリンとフラーレンが近接した配置をとることが可能である。図2−b)の吸収スペクトル(OD)から理解されるようにガラス基板表面に発色団(chromophores)が適当量転写されている。
【0015】
以下表1に、発光量子効率φ、および平均蛍光寿命τav〔多成分の指数関数近似フィティング、すなわちτav=Σaiτi/Σai(ここで、τiは蛍光寿命、aiは前指数因子である。)〕を、そして表2には、種々のドナー−アクセプターを組み合わせたフイルムの電荷移動発光から算出された電子移動パラメーターを示す。試料の発光効率は、TPP(5,10,15,20-テトラフェニルポルフィリン)を比較試料として使用して決定した。また、発光量は620−1000nmの範囲で積算して求めた。10%HP−P34−C60/ODA、LB膜の蛍光はHP−P34、LB膜と同じ発光スペクトルを示す短寿命成分(τ=45ps)と中程度の寿命を示す中間体からの発光成分(τ=215ps)、および長波長領域(700〜800nm)に発光を示す寿命の長い2成分(τ=1.17 ns、τ=3.4 ns)で解析できた。後者の寿命はHP−P34/ODA(0.8ns)、C60−REF/ODA(0.6ns)よりも寿命が長く、従って、10%HP−P34−C60/ODA、LB膜ではポルフィリンの励起1重項は効率よく消光され、800nm付近に新たに発光帯が現れることを示している。
【0016】
【表1】

Figure 0003967071
【0017】
【表2】
Figure 0003967071
【0018】
△Gは、電子移動の自由エネルギー変化量、λsは、溶媒または外圏(outer-sphere)に由来する再配列エネルギー、λvは、ドナー−アクセプターの振動に由来する再配列エネルギー、そしてνvは振動因子である。CT(電荷移動)の発光バンドの形は前記4つのパラメーターにより決定されることが理論化されており〔文献;R.A,Marcus,J.Phys.Chem.93(1989)3078〕、実際のCT発光系にも適用されている〔文献;I.R.Gould,R.H.Young,R.E.Moody,S.Farid,J.Phys.Chem.,95(1991)2068〕。そこで上記の解析法に従い、ポルフィリン・フラーレン混合膜中での電子移動パラメーターを算出した(図4)。驚くべきことにその全再配列エネルギー(λ=λs+λv)は0.17-0.20 eVと非常に小さな値となった。これは今までの連結系(I.R.Gould,S.Farid, Acc.Chem.Res.29(1996)522)および分子間系(G.L.Closs,J.R.Miller,Science,240(1988)440; T.Haberle,J.Hirsch,J.Pollinger,H.Heitele,M.E.Michel-Beyerle,C.Ander,A.Dohling,C.Krieger,A.Ruckemann,H.A.Staab,J.Phys.Chem.100(1996)18269;A.Osuka,G.Noya,S.Taniguchi,T.Okada,Y.Nishimura,I.Yamazaki,N.Mataga,Chem.Eur.J.6(2000)33.)のドナー・アクセプターの組み合わせの値(>0.5 eV)としては最も小さな値であり、光合成の電荷分離の初期過程の小さな再配列エネルギー(0.2eV; The Photosynthetic Reaction Center, J.Deisenhofer,J.R.Norris,Eds.,Academic Press,1993)に匹敵するものである。すなわち、ポルフィリンとフラーレンの組み合わせが光合成型の電荷分離を人工的に行う上で理想的であることを明らかに示している。
【0019】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明で得られた有機フイルムは近赤外に発光を示し、再現性も良く安定した特性を示す。現在、緑色の有機EL素子は高輝度の材料が開発されているが、赤色の有機EL素子は十分な性能の材料が見い出されていないのが現状である。本発明は従来のホール・電子再結合による励起状態の形成とは全く異なった、CT状態を有機ELに応用できる可能性を秘めており、またその他の発光材料としても期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 a)、微結晶フイルムの発光スペクトル:1はHP−P34−C60、2はHP−P34/C60−REFの混合物、3はHP−P34/C60、4はTPP/C60−REFのb)、LBフイルム(膜)の蛍光スペクトル
【図2】 a)、LBフイルムの表面圧(mN/m)−平均分子面積相関曲線、b)、10層からなるLBフィルムの吸収スペクトル
【図3】 波長依存性の蛍光スペクトル(DAS)、τは蛍光寿命(4成分解析によりフィティングされた)
【図4】 10%HP−P34−C60/ODA膜の発光スペクトル(連続線)と電子移動パラメーターを求めるために解析された曲線(点線)との対比[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is particularly a metal coordination or porphyrin such metal-free and fullerenes, mixtures (bimolecular system) or as present in the same molecule represented by the general formula C according to claim 1 wherein The present invention relates to an organic near-infrared light emitting material in which a porphyrin part and a fullerene part form a charge transfer state to form a bimolecular solid film or are dispersed in an LB film forming matrix to form a film.
[0002]
[Prior art]
C 60 fullerene, has attracted much attention over the past ten years. Since C 60 fullerene is a novel acceptor three-dimensional shape, photoexcited electrons movable donor - often been used in the acceptor system. The photochemistry of these systems has been studied primarily in the liquid phase. On the other hand, it was recently discovered that porphyrins and fullerenes form naturally organized eutectics. And it is known that porphyrin / fullerene takes a spatially very close relative arrangement by intermolecular interaction (intermolecular distance: 3.0-3.5Å).
(Reference: MMOlmstead, DACosta, K. Maitra, BCNoll, SLPhillips, PMVan.Calcar,
ALBalch, J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 7090-7097.). In the case of a covalently bonded bimolecular bond, that is, in the case of a compound having a porphyrin ring and a fullerene group in the same molecule, the adjacent arrangement of the porphyrin and fullerene moieties (in compound F, the amide is bonded to the ortho position of the benzene ring). The porphyrin and fullerene moieties cause the formation of a charge complex state in solution. These compounds are known to form efficient electron donor-acceptor complexes (Small Reorganization Energy of Electron Transfer in Porphyrin-Fullerene Dyads, H. Imahori, NV Tkachenko, V. Vehmanen, K Tamaki, H. Lemmetyinen, Y. Sakata, and S. Fukuzumi, Angew, Chem. Int. Ed). It is explained that the formation of such a charge complex (bimolecular solid) can be observed by the appearance of a new emission band in the near infrared region (NIR) 800-900 nm.
[0003]
However, precise molecular design and synthesis are required for the formation of closely adjacent porphyrin and fullerene moieties. Therefore, a new light-emitting material in which the porphyrin moiety and fullerene moiety form a charge transfer complex can be produced by a simpler method or a conventionally established film (sometimes called film) formation method. It was.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the process of studying a porphyrin-fullerene system composed of a solid film under such an idea, the present inventors have studied a bimolecular system (system that forms an electron donor-acceptor charge transfer complex). We observed strong fluorescence around 800 nm with the same origin as reported in. The inventors of the present invention have not observed the charge transfer luminescence of the porphyrin-fullerene complex in a mixed solution system or a linked system of porphyrins and fullerenes in a solution system in which both are separated from each other, but the solution is simply dried, We discovered a porphyrin-fullerene bimolecular solid system in which charge-transfer luminescence is observed just by drying (also called dreifilm).
[0005]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention is a mixture of a porphyrin represented by the general formula A according to claim 1 and a fullerene represented by the general formula B, or the general formula having a porphyrin ring and a fullerene group in the same molecule. A near-infrared light emitting material comprising a bimolecular solid film formed from a solution of compounds represented by C and having a charge transfer state in which a porphyrin portion and a fullerene portion are closely adjacent to each other.
[0006]
According to a second aspect of the present invention, a mixture of a porphyrin of the general formula A and the fullerene of the general formula B according to claim 1 or a compound having a porphyrin ring and a fullerene group in the same molecule is contained in the LB film-forming matrix. A film-like near-infrared light emitting material characterized in that a porphyrin portion and a fullerene portion are dispersed as a solid which is closely associated with each other in a charge transfer state. Preferably, the LB film-forming matrix material is octadecyl. The film-like near-infrared light-emitting material, which is an amine.
[0007]
Preferably, in each of the above inventions, the porphyrin compound is the compound D (hereinafter referred to as H 2 P-P 34 ), and the fullerene compound is expressed as the compound E (hereinafter referred to as C 60 -REF). And a compound having a porphyrin ring and a fullerene group in the same molecule is the compound F (hereinafter referred to as H 2 P—P 34 —C 60 ). It is.
[0008]
[Embodiments of the present invention]
The present invention will be described in more detail. In the present invention, near-infrared light emission must be present at the same time and adjacent to each other (to allow charge transfer), whether it is a mixture or a porphyrin ring and a fullerene group in the same molecule. is there.
A. The film of the present invention is produced by the following two methods.
1. Since the fullerene compound is soluble in chloroform, a mixture with porphyrin was prepared as a chloroform solution. The porphyrin / fullerene mixture solution (molar ratio 1: 2 of each compound in the solution) was applied on a glass substrate, and the solvent was evaporated to prepare a bimolecular microcrystal sample. A bimolecular microcrystal sample of a compound having a porphyrin ring and a fullerene group in the same molecule is also prepared from a chloroform solution.
2. Each compound used in the present invention lacks the amphiphilicity required for forming an LB film, and therefore, the functionality of the present invention is not achieved until it is combined with an LB film forming material that is an appropriate matrix for the compound. A film to be exhibited can be produced. The LB film can be prepared by a standard method using an LB5000 double barrier trough (KSV instrument, Helsinki, Finland).
[0009]
The synthesis and properties of the compound H 2 P-P 34 -C 60 having a porphyrin ring and a fullerene group in the same molecule, and its reference compounds H 2 P-P 34 and C 60 -REF fullerene have already been reported (for example, H. Imahori, M. Hagiwara, M. Aoki, T. Akiyama, S. Taniguchi, T. Okada, M. Shirakawa, Y. Sakata, J. Am. Chem. Soc., 118 (1996) 11771.). Incidentally, 5,10,15,20-tetraphenylporphyrin (TPP) is Aldrich (Aldrich) Co., buckminsterfullerene, C 60 is Fluka (Fluka, purity of greater than 98%) manufactured by, and octadecylamine Sigma The product made by the company (purity 99%) was used.
[0010]
Examples of the LB matrix material include amphiphilic compounds usually used for the formation of LB films, such as long-chain alkyl groups (at least 8 carbon atoms, preferably 15 to 24 carbon atoms), —NH 2 groups, hydroxyl groups. Preferred examples include a compound having a hydrophilic group selected from the group consisting of a group, a thiol group, a carboxylic acid, a quaternary ammonium group, a phosphonium group, and the like, such as octadecylamine and octadecyl mercaptan. Further, as an amphiphilic compound, a known LB film-forming polymer compound, for example, a polymer containing N-substituted (meth) acrylamide (such as an alkyl group having 8 or more carbon atoms or a substituted phenyl group as a substituent) is preferable. Can be mentioned.
[0011]
【Example】
Description of measuring instruments Absorption spectra were recorded using a Shimadzu UV-2501PC ultraviolet-visible spectrophotometer.
2. Steady state fluorescence spectra were measured using a Fluorolog 3 fluorimeter (SPEX Inc.) equipped with a cooled infrared sensitive photomultiplier tube (Hamamatsu R2658), then Wavelength sensitivity was corrected. The fluorescence decay curve was measured by a known time correlated single photon counting method. The instrument response time is about 100 ps (fwhm) and the excitation wavelength is 590 nm. Attenuation correlation spectrum (DAS) is obtained by collecting attenuation data of different wavelengths over a certain integration time (typically 2 minutes) and fitting over multiple wavelengths using a multicomponent exponential approximation (usually This is a method of performing fluorescence lifetime analysis at a time over a certain wavelength range including wavelength dependency, whereas fluorescence lifetime measurement is performed with only one wavelength.) The pre-exponential term of the fluorescence decay spectrum was corrected according to the sensitivity spectrum of the microchannel plate photomultiplier tube (Hamamatsu R3809U-50).
[0012]
Example 1 and Symmetric Example Preparation of bimolecular films of porphyrin-fullerene single molecules and mixtures, and membranes of C 60 mixtures.
1. A mixture bimolecular microcrystalline film of H 2 P-P 34 and C 60 -REF was prepared by applying a chloroform solution of these compounds (molar ratio 1: 2) onto a glass substrate and evaporating the solvent.
2. A microcrystalline film of H 2 P—P 34 —C 60 was prepared by applying a chloroform solution on a glass substrate and evaporating the solvent.
3. From H 2 P-P 34 / C 60 mixed bilayer microcrystalline film toluene solution, and TPP / C 60 Microcrystalline film of -REF bilayer were prepared from a chloroform solution. The emission spectra of these microcrystalline films are shown in FIG. 1 H 2 P-P 34 -C 60 , 2 is a mixture of H 2 P-P 34 / C 60 -REF, 3 is H 2 P-P 34 -C 60 and 4 fine of TPP / C 60 -REF The emission spectrum of a crystalline film is shown. Near-infrared light emission showing a light emission maximum at 770-810 nm is observed. From this,
(1) For the appearance of light emission in the 800 nm region, it is essential that fullerene and porphyrin are simultaneously present.
(2) Near-infrared (NIR) emission is not observed in solution (test with a maximum concentration of 1 mM).
[0013]
Example 2
Preparation of LB (Langmuir Brodget) film with good optical properties. Basically, in the case of the LB method, a monomolecular film can be formed, and the molecule needs to be amphiphilic in order to obtain a sufficient film volume (multilayer film). The porphyrins and fullerenes used in the present invention do not have amphiphilic properties that enable the formation of the LB film. However, by mixing the compounds with a suitable LB film-forming matrix molecules such as octadecyl Amin (ODA), it was found that it is possible to form a film (film) using the LB method. Then, the film | membrane of this invention was prepared using the LB method using octadecylamine (ODA). The LB film was prepared by an ordinary standard method using an LB5000 double barrier trough. That is, H 2 P-P 34 -C 60 / ODA, ODA / C 60 -REF and H 2 P-P 34 / ODA mixtures were each dissolved in chloroform, and the resulting solution was developed on the water surface to form a single molecule. Film is formed and transferred to the glass surface. By repeating this, a multilayer film having an appropriate thickness can be formed. The magnitude of light absorption of the film is proportional to the thickness (stacking degree) of the film. The surface pressure (π) -average molecular area (nma) curve (isotherms) of the mixed film is shown in FIG. Nma is 1 nm 2 about a single layer of fullerenes, it is known to vary between 0.8-2Nm 2 for porphyrins. The nma of the LB film from the above mixture is the same value as that of a pure octadecylamine (ODA) layer, about 0.2 m 2 (FIG. 2), and H 2 P—P 34 —C 60 / ODA or C 60 on the water surface. The REF / ODA mixture does not form a good LB film incorporated in the monolayer.
[0014]
That is, in the film formed from H 2 P-P 34 -C 60 / ODA and ODA / C 60 -REF, H 2 P-P 34 -C 60 or C 60 -REF molecules are not successfully incorporated into the LB matrix film. The structure is located at the end portion. In contrast, the membrane formed from the H 2 P-P 34 / ODA mixture has a structure in which the average molecular area value (mma) gradually increases, that is, the H 2 P-P 34 molecule has a matrix ODA. It is taken in and forms a single film structure. The formed film was optically uniform and reproducible. FIG. 1-b) shows the emission spectrum of 10% H 2 PP 34 -C 60 / ODA, LB film. This emission spectrum has emission characteristics similar to those of the bimolecular microcrystalline film of the mixture of H 2 P-P 34 / C 60 -REF in Example 1 (the curve 2 in FIG. 1-a). From this, it is understood that neither the characteristics of the LB film nor the characteristics of the microcrystalline film are essentially changed. That is, it is possible to arrange the porphyrin and fullerene close to each other even in the LB film. As understood from the absorption spectrum (OD) in FIG. 2B, an appropriate amount of chromophores is transferred to the surface of the glass substrate.
[0015]
Table 1 below shows the emission quantum efficiency φ and the average fluorescence lifetime τ av [multi-component exponential approximation fitting, that is, τ av = Σaiτi / Σai (where τi is the fluorescence lifetime, and ai is the pre-exponential factor). )], And Table 2 shows the electron transfer parameters calculated from the charge transfer emission of the various donor-acceptor combinations. The luminous efficiency of the sample was determined using TPP (5,10,15,20-tetraphenylporphyrin) as a comparative sample. Further, the light emission amount was obtained by integrating in the range of 620-1000 nm. Fluorescence of 10% H 2 P-P 34 -C 60 / ODA, LB film shows medium lifetime with short life component (τ 1 = 45 ps) showing the same emission spectrum as H 2 P-P 34 , LB film Analysis with the light emission component from the intermediate (τ 2 = 215 ps) and the two components with long lifetime (τ 3 = 1.17 ns, τ 4 = 3.4 ns) that emit light in the long wavelength region (700 to 800 nm) did it. The latter life is longer than H 2 P-P 34 / ODA (0.8 ns), C 60 -REF / ODA (0.6 ns), therefore 10% H 2 P-P 34 -C 60 / ODA In the LB film, the excited singlet of porphyrin is efficiently quenched, and a new emission band appears near 800 nm.
[0016]
[Table 1]
Figure 0003967071
[0017]
[Table 2]
Figure 0003967071
[0018]
ΔG is the amount of change in free energy of electron transfer, λs is the rearrangement energy derived from the solvent or outer-sphere, λv is the rearrangement energy derived from the donor-acceptor vibration, and νv is the vibration Is a factor. It has been theorized that the shape of the emission band of CT (charge transfer) is determined by the above four parameters [Literature: RA, Marcus, J. Phys. Chem. 93 (1989) 3078]. It is also applied to the system [Literature: IRGould, RHYoung, REMoody, S. Farid, J. Phys. Chem., 95 (1991) 2068]. Therefore, electron transfer parameters in the porphyrin / fullerene mixed film were calculated according to the above analysis method (FIG. 4). Surprisingly, the total rearrangement energy (λ = λs + λv) was as small as 0.17-0.20 eV. This is based on the conventional linkage system (IRGould, S. Farid, Acc. Chem. Res. 29 (1996) 522) and intermolecular system (GLCloss, JRMiller, Science, 240 (1988) 440; T. Haberle, J. Hirsch. , J. Pollinger, H. Heitele, MEMichel-Beyerle, C. Ander, A. Dohling, C. Krieger, A. Ruckemann, HAStaab, J. Phys. Chem. 100 (1996) 18269; A. Osuka, G. Noya , S. Taniguchi, T. Okada, Y. Nishimura, I. Yamazaki, N. Mataga, Chem. Eur. J. 6 (2000) 33.) as the value of donor-acceptor combination (> 0.5 eV) Is the smallest value, comparable to the small rearrangement energy (0.2 eV; The Photosynthetic Reaction Center, J. Deisenhofer, JRNorris, Eds., Academic Press, 1993) in the initial process of photosynthesis charge separation. That is, it clearly shows that the combination of porphyrin and fullerene is ideal for artificially performing photosynthetic charge separation.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, the organic film obtained according to the present invention emits light in the near infrared, exhibits reproducibility and stable characteristics. Currently, a high-brightness material has been developed for the green organic EL element, but a material with sufficient performance has not been found for the red organic EL element. The present invention has a possibility that the CT state can be applied to the organic EL, which is completely different from the formation of the excited state by the conventional hole-electron recombination, and can be expected as other light emitting materials.
[Brief description of the drawings]
[1] a), emission spectrum of the microcrystalline film: 1 H 2 P-P 34 -C 60 , 2 is H 2 P-P 34 / C 60 mixture -REF, 3 is H 2 P-P 34 / C 60, 4 is the TPP / C 60 -REF b), fluorescence spectra [Figure 2] a of LB film (film)), the surface pressure of the LB film (mN / m) - average molecular area correlation curve, b) Absorption spectrum of LB film consisting of 10 layers [Figure 3] Wavelength-dependent fluorescence spectrum (DAS), τ is fluorescence lifetime (fitted by 4 component analysis)
FIG. 4 is a comparison between the emission spectrum (continuous line) of a 10% H 2 PP 34 -C 60 / ODA film and the curve (dotted line) analyzed to determine the electron transfer parameter.

Claims (4)

一般式Aで表されメタル配位又はメタルフリーのポルフィリン類と一般式Bで表されるフラーレン類の混合物またはポルフィリン環とフラーレン基を同一分子内に有する一般式Cで表される化合物類の溶液から形成されポルフィリン部分とフラーレン部分とが密に隣接した電荷移動状態を形成している二分子固体フイルムからなる近赤外発光材料。
Figure 0003967071
(一般式Aにおいて、Mは2原子のH又はメタル、Ar1〜Ar4は、未置換またはアルキル基、アルコキシ基、ハロゲン、アミド基からなる群から独立に選択される置換基を有するフェニル基、であり、ポルフィリン環の他の水素はアルキル基、アルコキシ基、フェニル基、ニトロ基、アミノ基、 ハロゲン基、シアノ基、カルボキシル基、エステル基、アミド基、ホルミル基、スルホン酸基からなる群から独立に選択される基によって置換されていても良い。)
Figure 0003967071
〔一般式Bは、(a)〜(c)から選択され、それぞれのR〜Rは、水素またはアルキル基、アルコキシ基、フェニル基、ニトロ基、アミノ基、 ハロゲン基、シアノ基、カルボキシル基、エステル基、アミド基、ホルミル基、スルホン酸基からなる群から独立に選択される基を表す。nは置換度を表し、0から6置換まである。フラーレン部分は、C60、C70、C76、C78、C80、C82、C84、C86、C88、C90である。
Figure 0003967071
〔一般式CにおいてArは一般式AにおけるAr1と同じ意味であり、Xは−NH−CO−、−CO−NH−、−Ph−、−O−、−CO−O−から選択される基を表す。)である。
Mixtures of metal coordination or metal-free porphyrins represented by general formula A and fullerenes represented by general formula B or solutions of compounds represented by general formula C having a porphyrin ring and a fullerene group in the same molecule A near-infrared light-emitting material comprising a bimolecular solid film in which a porphyrin part and a fullerene part form a charge transfer state closely adjacent to each other.
Figure 0003967071
(In General Formula A , M is a diatomic H or metal, and Ar1 to Ar4 are unsubstituted or a phenyl group having a substituent independently selected from the group consisting of an alkyl group, an alkoxy group, a halogen, and an amide group; Yes, other hydrogens in the porphyrin ring are independent of the group consisting of alkyl group, alkoxy group, phenyl group, nitro group, amino group, halogen group, cyano group, carboxyl group, ester group, amide group, formyl group, sulfonic acid group It may be substituted by a group selected by
Figure 0003967071
[General Formula B is selected from (a) to (c), and each R 1 to R 4 is hydrogen or alkyl group, alkoxy group, phenyl group, nitro group, amino group, halogen group, cyano group, carboxyl Represents a group independently selected from the group consisting of a group, an ester group, an amide group, a formyl group, and a sulfonic acid group. n represents the degree of substitution, ranging from 0 to 6 substitutions. The fullerene part is C60, C70, C76, C78, C80, C82, C84, C86, C88, C90.
Figure 0003967071
[In the general formula C, Ar has the same meaning as Ar 1 in the general formula A, and X is a group selected from —NH—CO—, —CO—NH—, —Ph—, —O—, —CO—O—. Represents. ).
請求項1に記載の一般式Aのポルフィリン類と一般式Bのフラーレン類の混合物またはポルフィリン環とフラーレン基を同一分子内に有する化合物類がLB膜形成性マトリックス中においてポルフィリン部分とフラーレン部分とが密に隣接した電荷移動状態で会合した固体として分散していることを特徴とするフイルム状近赤外発光材料。And the general formula porphyrins and one general formula porphyrin moiety and the fullerene moiety compounds is in LB film-forming matrix having a mixture or a porphyrin ring and fullerene group fullerenes in the same molecule of B of A according to claim 1 A film-like near-infrared light-emitting material characterized in that is dispersed as a solid that is closely associated in the charge transfer state. LB膜形成性マトリックス材料がオクタデシルアミンであることを特徴とする請求項2に記載のフイルム状近赤外発光材料。 The film-like near-infrared light-emitting material according to claim 2, wherein the LB film-forming matrix material is octadecylamine. ポルフィリン化合物が下記の化合物Dであり、フラーレンが化合物Eであるの混合物、ポルフィリン環とフラーレン基を同一分子内に有する化合物が化合物Fであることを特徴とする請求項1、2または3に記載の近赤外発光材料。
Figure 0003967071
Figure 0003967071
Figure 0003967071
4. The mixture according to claim 1, wherein the porphyrin compound is the following compound D and the fullerene is the compound E , and the compound having a porphyrin ring and a fullerene group in the same molecule is the compound F. Near-infrared light emitting material.
Figure 0003967071
Figure 0003967071
Figure 0003967071
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