特許 7470357 ピレン蛍光色素

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-10

(45)【発行日】2024-04-18

(54)【発明の名称】ピレン蛍光色素

(51)【国際特許分類】

   C09B 57/00 20060101AFI20240411BHJP

   G01N 21/78 20060101ALI20240411BHJP

   C09B 23/00 20060101ALI20240411BHJP

【ＦＩ】

C09B57/00 X

G01N21/78 C

C09B57/00 Z

C09B23/00

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019153789

(22)【出願日】2019-08-26

(65)【公開番号】P2021031598

(43)【公開日】2021-03-01

【審査請求日】2022-08-24

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】504174180

【氏名又は名称】国立大学法人高知大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002837

【氏名又は名称】弁理士法人アスフィ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】仁子 陽輔

(72)【発明者】

【氏名】波多野 慎悟

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 茂

(72)【発明者】

【氏名】磯江 真綺

【審査官】水野 明梨

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０５１９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０４６６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０６３２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１３６５８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】Synthesis and sensitization behavior of pyrenothiazole- and pyrenothiazinecarbocyanines. I.Pyreno[4'.3':4,5]-thiazolecarbocyanines，Justus Liebigs Annalen der Chemie，647，1961年04月28日，101-108

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０９Ｂ ５７／００

ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

下記式（Ｉ）で表されることを特徴とするピレン蛍光色素。

【化1】

［式中、
Ｒ¹は、カルボキシ基、スルホ基、アジド基、またはエチニル基で置換されていてもよいＣ_1-18アルキル基を示し、
Ｘ¹は、＞ＣＲ²Ｒ³（式中、Ｒ²とＲ³は独立してＣ_1-18アルキル基を示す。）、－Ｏ－、または－Ｓ－を示し、
Ｙは、下記式（ｉ）または（ｉｉ）で表される基から選択されるいずれかの基を示す。

【化2】

（式中、
Ｘ²とＸ³は、独立して、＞ＣＲ¹⁰Ｒ¹¹（式中、Ｒ¹⁰とＲ¹¹は独立してＣ_1-18アルキル基を示す。）、－Ｏ－、または－Ｓ－を示し、
Ｒ ⁴ とＲ ⁵ は、独立して、カルボキシ基、スルホ基、アジド基、またはエチニル基で置換されていてもよいＣ_1-18アルキル基を示し、
ｌは、１以上、５以下の整数を示す。）］

【請求項2】

Ｙが式（ｉ）で表される基である請求項１に記載のピレン蛍光色素。

【請求項3】

Ｘ²が＞ＣＲ¹⁰Ｒ¹¹である請求項２に記載のピレン蛍光色素。

【請求項4】

Ｒ⁴が無置換Ｃ_1-18アルキル基である請求項２または３に記載のピレン蛍光色素。

【請求項5】

Ｘ¹が＞ＣＲ²Ｒ³である請求項１～４のいずれかに記載のピレン蛍光色素。

【請求項6】

Ｒ¹が無置換Ｃ_1-18アルキル基である請求項１～５のいずれかに記載のピレン蛍光色素
。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、最大吸収波長や最大蛍光波長が比較的長く、且つ光安定性に優れた蛍光色素に関するものである。

【背景技術】

【0002】

蛍光色素は、高度にπ共役した構造を有する有機化合物であり、特定波長の光を吸収して励起されると、そのエネルギーは分子内での振動や回転運動などに費やされず、特定波長の光として放出される。蛍光発光は、このように吸収波長と発光波長が異なる他、レーザーに対する感受性や、光エネルギーと電気エネルギーを相互変換できる特性などから、光記録媒体用色素や光電変換色素などとして、銀塩写真、ディスプレイ、太陽電池など、様々な分野で応用が期待されている。また、高い視認性から、バイオ分野での蛍光標識色素としても利用されている。

【0003】

蛍光色素の吸収光としては、高いエネルギーを有する紫外光が利用されることがあるが、近年、安全性や高い透過性などから赤外光が注目されている。例えば特許文献１には、遠赤およびＮＩＲスペクトルに該当するように選択された置換基を使用することにより十分に赤方偏移しているシラキサンテニウムコアベースの蛍光性化合物が開示されている。特許文献２には、ベンゾ［ａ］フェノキサチン５位置換イミノ基にピリジニウム構造を含む近赤外蛍光化合物が開示されている。特許文献３と特許文献４には、近赤外蛍光造影剤の造影成分として有用なシアニン系化合物が開示されている。しかし近年、蛍光色素は新規に開発されていない傾向がある。

【0004】

代表的な蛍光色素であるシアニン色素構造は、ポリメチン骨格の両末端に窒素を含む複素環を有する。このポリメチン骨格を長くすることで、吸収波長と蛍光波長を長波長側へシフトさせ得ることが知られている。即ち、メチン基（－ＣＨ＝）の数を２個増やす毎にシアニン色素の吸収波長はおおよそ１００ｎｍ長波長側へシフトする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特表２０１６－５２１２５４号公報

【文献】特開２０１４－１６６９７５号公報

【文献】特開２０１１－４６６６３号公報

【文献】特開２０１１－４６６６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述したように、吸収波長と蛍光波長がより長波長側にシフトした蛍光色素が開発されている。例えばシアニン色素のポリメチン骨格を長くすることで、吸収波長と蛍光波長を長波長側へシフトさせ得ることが知られている。しかしその一方で、ポリメチン骨格を長くすると光安定性が低下し、励起光に対する蛍光強度が経時的に低下してしまうことも知られている。
そこで本発明は、励起光と蛍光の最大波長が比較的長波長であり、且つ光安定性に優れる蛍光色素を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、蛍光色素の構造中にピレン環を導入することにより、吸収波長と蛍光波長が長波長側にシフトするのみならず、驚くべきことに光安定性がかえって向上することを見出して、本発明を完成した。
以下、本発明を示す。

【0008】

［１］ 下記式（Ｉ）で表されることを特徴とするピレン蛍光色素。

【化1】

［式中、
Ｒ¹は、カルボキシ基、スルホ基、アジド基、またはエチニル基で置換されていてもよいＣ_1-18アルキル基を示し、
Ｘ¹は、＞ＣＲ²Ｒ³（式中、Ｒ²とＲ³は独立してＣ_1-18アルキル基を示す。）、－Ｏ－、または－Ｓ－を示し、
Ｙは、下記式（ｉ）～（ｉｖ）で表される基から選択されるいずれかの基を示す。

【化2】

（式中、
Ｘ²とＸ³は、独立して、＞ＣＲ¹⁰Ｒ¹¹（式中、Ｒ¹⁰とＲ¹¹は独立してＣ_1-18アルキル基を示す。）、－Ｏ－、または－Ｓ－を示し、
Ｚは＝Ｏまたは＝Ｓを示し、
Ｒ⁴～Ｒ⁹は、独立して、カルボキシ基、スルホ基、アジド基、またはエチニル基で置換されていてもよいＣ_1-18アルキル基を示し、
ｌは、１以上、５以下の整数を示し、
ｍは、０以上、５以下の整数を示し、
ｎは、１以上、５以下の整数を示す。）］

【0009】

［２］ Ｙが式（ｉ）で表される基である上記［１］に記載のピレン蛍光色素。
［３］ Ｘ²が＞ＣＲ¹⁰Ｒ¹¹である上記［２］に記載のピレン蛍光色素。
［４］ Ｒ⁴が無置換Ｃ_1-18アルキル基である上記［２］または［３］に記載のピレン蛍光色素。
［５］ Ｘ¹が＞ＣＲ²Ｒ³である上記［１］～［４］のいずれかに記載のピレン蛍光色素。
［６］ Ｒ¹が無置換Ｃ_1-18アルキル基である上記［１］～［５］のいずれかに記載のピレン蛍光色素。

【0010】

本発明において「Ｃ_1-18アルキル基」とは、炭素数１以上、１８以下の直鎖状または分枝鎖状の一価飽和脂肪族炭化水素基をいう。例えば、メチル、エチル、ｎ－プロピル、イソプロピル、ｎ－ブチル、イソブチル、ｓ－ブチル基、ｔ－ブチル、ｎ－ペンチル、ｎ－ヘキシル、ｎ－オクチル、ｎ－デカン、ｎ－ドデカン、ｎ－テトラデカン、ｎ－ヘキサデカン、ｎ－オクタデカン等である。立体障害などを考慮する場合には、Ｃ_1-10アルキル基が好ましく、Ｃ_1-6アルキル基またはＣ_1-4アルキル基がより好ましく、Ｃ_1-2アルキル基がより更に好ましい。カルボキシ基などの置換基を有する場合には、Ｃ_1-6アルキル基が好ましく、Ｃ_2-4アルキル基がより好ましい。ピレン蛍光色素の脂溶性を高めたい場合には、Ｃ_6-18アルキル基が好ましく、Ｃ_8-18アルキル基がより好ましく、Ｃ_10-16アルキル基がより更に好ましい。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係るピレン蛍光色素は、最大吸収波長と最大蛍光波長が比較的長波長であり、且つ光安定性に優れている。例えば、後記の実施例によれば、ピレン環を有さない以外は同一の構造を有する従来のスクアレイン色素に対して、最大吸収波長と最大蛍光波長が約１００ｎｍ長波長側にシフトしており、且つ光安定性が改善されている。よって本発明に係るピレン蛍光色素は、様々な分野で用いられている従来の蛍光色素に取って代わる可能性がある。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明に係るピレン蛍光色素の一例の¹Ｈ－ＮＭＲスペクトルである。

【図2】図２は、本発明に係るピレン蛍光色素の一例と従来の蛍光色素の吸収波長スペクトルと蛍光波長スペクトルである。

【図3】図３は、本発明に係るピレン蛍光色素の一例と従来の蛍光色素の光安定性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明に係るピレン蛍光色素は、当業者であれば、従来公知のシアニン色素の製造方法に準じて製造することができる。例えば、Ｙが式（ｉ）で表される基である式（Ｉ）で表されるピレン蛍光色素は、以下の合成スキームにより製造することができる。以下、式（Ｐ）で表されるＱを「Ｑ（Ｐ）」と略記する場合がある。

【0014】

【化3】

【0015】

上記反応は、溶媒中、塩基の存在下、ピレン化合物（ＩＩ）とスクアリン酸誘導体（ＩＩＩ）を反応させることにより、ピレン－スクアレイン色素（Ｉ¹）を製造するものである。

【0016】

溶媒は、ピレン化合物（ＩＩ）とスクアリン酸誘導体（ＩＩＩ）に適度な溶解性を示し、且つ反応を阻害するものでなければ特に制限されないが、例えば、メタノール、エタノール、１－ブタノール等のＣ_1-4アルコール；ベンゼン、トルエン、クロロベンゼン等の芳香族炭化水素溶媒；およびこれらの混合溶媒が挙げられる。

【0017】

塩基としては、キノリンやピリジン等の有機塩基や、酢酸ナトリウム等の無機塩基が挙げられる。

【0018】

反応条件は、適宜調整すればよい。例えば、スクアリン酸誘導体（ＩＩＩ）に対するピレン化合物（ＩＩ）の量は、１．９倍モル以上、２．１倍モル以下とすればよい。反応液におけるピレン化合物（ＩＩ）とスクアリン酸誘導体（ＩＩＩ）の量は、溶解度などに応じて適宜調整すればよい。塩基の使用量は、過剰量とすることが好ましい。反応温度は常温から１５０℃以下とすることができ、加熱還流下で反応を行ってもよい。反応時間は、薄層クロマトグラフィ等で原料化合物が消費されるまでとしたり、予備実験などで決定すればよいが、例えば１時間以上、６０時間以下とすることができる。

【0019】

Ｙが基（ｉｉ）～（ｉｖ）であるピレン蛍光色素（Ｉ）は、以下の合成スキームにより製造することができる。以下では、Ｙが基（ｉｉ）であるピレン蛍光色素（Ｉ²）の合成スキームを代表的に示している。

【0020】

【化4】

【0021】

ピレン－シアニン蛍光色素（Ｉ²）は、スクアリン酸誘導体（ＩＩＩ）の代わりにポリメチン化合物（ＩＶ）を用いる以外はピレン－スクアレイン蛍光色素（Ｉ¹）と同様の条件で製造することができる。また、ピレン－メロシアニン蛍光色素（Ｉ³）とピレン－ＬＤＳ蛍光色素（Ｉ⁴）は、ポリメチン化合物（ＩＶ）の代わりにポリメチン化合物（ＩＶ）の一端がそれぞれオキソピリミジン環またはアニリン環で置換されている化合物を用い、これら化合物とピレン化合物（ＩＩ）を大凡１：１のモル比で用いる以外はピレン－シアニン蛍光色素（Ｉ²）と同様にして製造することができる。

【0022】

ピレン化合物（ＩＩ）は、従来公知のインドール合成法、ベンゾオキサゾール合成法、またはベンゾチオキサゾール合成法を応用して製造することができる。但し、Ｘ¹が＞ＣＲ²Ｒ³である場合、金属触媒を用いる以下の方法（Ｍａｔｙａｓ Ｔｕｒｓｋｙ ｅｔ ａｌ．，Ｏｒｇａｎｉｃ ＆ Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１０，８，５５７６－５５８２）が非常に効率的である。

【0023】

【化5】

【0024】

Ｘ¹が－Ｏ－である場合、ヒドロキシピレンをアシル化し、得られたアシル化物からフリース転位反応によりアシルヒドロキシピレンを得、アシルヒドロキシピレンをオキシム化した後に転移環化反応に付すことによりオキサゾール環を形成する。Ｘ¹が－Ｓ－である場合は、ヒドロキシピレンの代わりにピレンチオールを用いる。

【0025】

ピレン蛍光色素（Ｉ）および中間体化合物は、公知方法により精製してもよいし、中間体化合物は純度によっては精製しないか或いは粗精製のみで次反応で用いてもよい。また、反応性官能基は、適宜保護および脱保護してもよい。

【0026】

スクアレイン色素は、スクアリリウム色素とも呼ばれ、シアニン色素に分類されるものの、ポリメチン共役系の中央部にスクアリン酸（四角酸）部位を有し、且つ一分子内にカチオン性基とアニオン性基が共存した双性イオン構造という特異な構造を有する。スクアレイン色素は、電子写真感光体の電荷発生剤や、有機太陽電池の増感色素などとして利用されている。

【0027】

インドシアニン色素は、ポリメチン骨格の両末端に窒素を含む複素環を有する構造を有する。一方の窒素はカチオン構造のアンモニウムであり電子受容体としての役割を有し、他方の窒素は三級アミンであり電子供与体としての役割を有する。通常は、アニオンとの塩として存在する。アニオンとしては、ハロゲン化物イオン、スルホン酸イオン、過塩素酸イオン、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロアンチモネート等が挙げられる。インドシアニン色素は、光記録媒体用色素などとして利用されている。

【0028】

メロシアニン色素は、大きな吸光係数を示し、光吸収剤、増感剤、染料などとして、ディスプレイや光学レンズに用いられる光学フィルタ、感光写真材料、染物、塗料、インク、電子写真感光体、トナー、感熱記録紙、転写リボン、光学記録色素、太陽電池、光電変換素子、半導体材料、臨床検査試薬、レーザー治療用色素、染色などに広く用いられている。

【0029】

ＬＤＳ色素は寿命が比較的長く、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅとの置換が容易であるので、ＬＤＳ色素レーザーはＤＩＡＬシステムの光源として有望である。

【0030】

更に本発明に係るピレン－スクアレイン色素（Ｉ¹）、ピレン－シアニン蛍光色素（Ｉ²）、ピレン－メロシアニン蛍光色素（Ｉ³）、およびピレン－ＬＤＳ蛍光色素（Ｉ⁴）は、最大吸収波長と最大蛍光波長が長波長側にシフトしており、且つ優れた光安定性を示す。また、Ｃ_1-18アルキル基にカルボキシ基やスルホ基が置換している等して水溶性の高い本発明のピレン蛍光色素は、バイオイメージングや光線力学治療など、生体での使用も可能であり得る。

【実施例】

【0031】

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

【0032】

実施例１： ピレン－スクアレイン色素の合成

【化6】

【0033】

（１）化合物１の合成
ナスフラスコに１－アミノピレン（３ｇ，１３．８ｍｍｏｌ）、ＲｕＣｌ₃・Ｈ₂Ｏ（２８．６ｍｇ，０．１３８ｍｍｏｌ）、およびキサントホス（２３９．６ｍｇ，０．４１４ｍｍｏｌ）を入れ、フラスコ内の気相をアルゴン置換した後、２，３－ブタンジオール（１．２７ｍＬ，１３．８ｍｍｏｌ）を加え、１１０℃で１時間加熱し、更に１８０℃まで昇温し２日間加熱した。反応物の温度を室温に戻した後、クロロホルムに溶解させ、不溶分を濾別した。濾液を減圧濃縮した後、シリカゲルカラムクロマトグラフィー（溶離液：クロロホルム）にて黄色固体である目的物を単離した（収量：２．６２ｇ，収率：７０％）。目的物の生成は、¹Ｈ－ＮＭＲにより確認した。

【0034】

（２）化合物２の合成
二口ナスフラスコにＰｄ₂（ｄｂａ）₃（１７０．３ｍｇ，０．１８６ｍｍｏｌ）、およびＰ（２－ｆｕｒｙｌ）₃（８５．９ｍｇ，０．３７ｍｍｏｌ）を入れ、フラスコ内の気相をアルゴン置換した。更にアリルメチルカーボネート（１．６９ｍＬ，１４．９ｍｍｏｌ）、および脱水ジクロロメタン（１８．６ｍＬ）を加え、室温で１０分間撹拌した。この溶液を、別途用意していた化合物１（２ｇ，７．４３ｍｍｏｌ）の脱水ジクロロメタン（１８．６ｍＬ）溶液に加え、室温で３時間撹拌した。エバポレーターにて溶媒を除去した後、シリカゲルカラムクロマトグラフィー（溶離液：酢酸エチル／ヘキサン＝１／３）にて、オレンジ色～茶色の粘性液体である目的物を単離した（収量：１．２５ｇ，収率：５５％）。目的物の生成は、¹Ｈ－ＮＭＲにより確認した。

【0035】

（３）化合物３の合成
二口ナスフラスコに化合物２（１．２ｇ，３．８８ｍｍｏｌ）、およびＰｄ／Ｃ（１２０ｍｇ，１０ｗ％）を入れ、フラスコ内の気相を水素置換した後、メタノール（１９．４ｍＬ）を加えた。更に同溶液に水素ガスをバブリングし、室温で４時間撹拌した。ひだ折り濾紙で不溶物を除去した後、濾液を減圧濃縮し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー（溶離液：ヘキサン／酢酸エチル＝５／１）にてオレンジ色固体である目的物を単離した（収量：９５４ｍｇ，収率：７９％）。目的物の生成は、¹Ｈ－ＮＭＲにより確認した。

【0036】

（４）化合物４の合成
ナスフラスコに化合物３（６９４ｍｇ，２．２３ｍｍｏｌ）、ヨードメタン（２ｍＬ）、およびアセトニトリル（１１．２ｍＬ）を入れ、８０℃で２４時間加熱した。析出物を濾取することにより、黄色粉末固体である目的物を得た（収量：５１２ｍｇ，収率：５１％）。目的物の生成は、¹Ｈ－ＮＭＲにより確認した。

【0037】

（５）ピレン－スクアレイン色素（ＰＹＳＱ）の合成
ナスフラスコに化合物４（２００ｍｇ，０．４４ｍｍｏｌ）、３，４－ジエトキシ－３－シクロブテン－１，２－ジオン（３２μＬ，０．２２ｍｍｏｌ）、および１－ブタノール／ピリジン＝１／１の混合物（１．１ｍＬ／１．１ｍＬ）を入れ、１２０℃で２１時間加熱還流した。反応液を減圧濃縮し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー（溶離液：ジクロロメタン／メタノール＝９９／１）により単離した。更に熱メタノールで洗浄することにより、緑色粉末固体である目的物を得た（収量：４０．６ｍｇ，収率：１３％）。得られたＰＹＳＱの¹Ｈ－ＮＭＲスペクトルを図１に示す。

【0038】

試験例１： 蛍光特性
実施例１で合成したピレン－スクアレイン色素（ＰＹＳＱ）の蛍光特性を評価した。比較のために、従来公知のスクアレイン色素（ＳＱ）の蛍光特性も同様に評価した。結果を表１と図２に示す。

【0039】

【表1】

【0040】

表１および図２に示される結果の通り、ＰＹＳＱは、ＳＱと比べて１００ｎｍ近く長波長化した光吸収・蛍光波長を示した。また、その輝度（モル吸光係数と蛍光量子収率の積）は、高輝度性色素と呼ばれるＳＱとほぼ同程度であった。

【0041】

試験例２： 光安定性試験
実施例１で合成したピレン－スクアレイン色素（ＰＹＳＱ）をトルエンに溶解させ、６５７ｎｍの励起光を照射し、蛍光強度の時間変化をモニターした。また、比較のために、従来公知のスクアレイン色素（ＳＱ）についても、６５７ｎｍにおける吸光度が一致するよう溶液の濃度調整した上で、同様に蛍光強度の時間変化をモニターした。結果を図３に示す。
図３に示される結果の通り、３時間の光照射後、ＳＱの蛍光強度は初期状態に対して８３％程度まで減衰した一方で、ＰＹＳＱでは９０％以上が維持された。したがって、ＰＹＳＱの光安定性はＳＱよりも優れていることが判明した。なお、ＳＱは、市販色素のＮｉｌｅ Ｒｅｄなどと比べて遥かに光安定性に優れた色素である。

【図1】

【図2】

【図3】