杂环发色团结构

                     发明背景

聚合电光(EO)材料在广泛的系统和设备核心应用中表现出了巨 大的潜力，所述系统和设备包括相控阵雷达、卫星和光纤通信、有线 电视(CATV)、用于航空及导弹制导的光学陀螺仪、电子对抗(ECM) 系统、用于高速计算的背板互连、超快模-数转换、地雷探测、射频 光子学、空间光调制和全光学(光光转换)信号处理。

在有外部施加的电场或入射光的情况下，非线性光学材料能够改 变其一阶、二阶、三阶和更高阶的极化率(双光子吸收)。在电信应 用中，二阶极化率(超极化率或β)和三阶极化率(二阶超极化率或γ) 目前非常引人关注。超极化率与NLO材料的折射率响应于电场施加的 变化有关。二阶超极化率与折射率响应于光子吸收率的变化有关，因 而与全光学信号处理有关。非线性光学材料的更全面的讨论可见D.S. Chemla和J.Zyss，有机分子及晶体的非线性光学性质(Nonlinear optical properties of organic molecules and crystals)， Academic Press，1987和K.-S.Lee，光子学应用的聚合物I (Polymers for Photonics Applications I)，Springer 2002。

已合成了许多NLO分子(发色团)，它们显示出高的分子电光学 性能。由于偶极子在材料加工中的涉入，分子偶极矩(μ)和超极化 率(β)的积常用作分子电光学性能的量度。一种最初因其出色的NLO 性质在二十世纪六十年代被贝尔实验室评价的发色团-分散红(DR) 显示出电光学系数μβ为～580×10-48esu。目前的分子设计，包括FTC、 CLD和GLD，显示出μβ值超过10,000×10-48esu。见Dalton等人的“新 种类的高超极化率有机发色团及其合成方法(New Class of High Hyperpolarizability Organic Chromophores and Process for Synthesizing the Same)”，WO00/09613。

不过，将微观分子超极化率(β)转换成宏观材料超极化率(X(2)) 时遇到了极大的困难。分子亚组分(发色团)必须整合成NLO材料， 该NLO材料显示：(i)高度宏观非线性；和(ii)足够的时间、热、 化学和光化学稳定性。在许多政府以及商业设备和系统中广泛商业化 EO聚合物时，这些双重问题的同时解决被认为是最终的阻碍。

高材料超极化率(X(2))的产生受到NLO发色团差的相互作用性 质的限制。商业上可行的材料必须将发色团与沿单一材料轴统计取向 的所需分子矩结合。为了实现这种构造，通常通过在材料加工过程中 施加外部电场来利用NLO发色团的电荷转移(偶极)性质，所述外部 电场的施加产生有利于非中心对称阶的局部低能条件。不幸的是，在 甚至中等发色团密度下，分子形成多分子偶极结合的(中心对称的) 聚集体，该聚集体不能通过实际电场能破坏。结果，NLO材料性能在 约20-30％重量载荷后倾向于急剧降低。该情况的一个可能解决方 案是制备可在非常低的分子浓度下产生所需超极化性质的较高性能 发色团。

制造较高性能NLO发色团的尝试大部分失败了，这是由于在整个 科学界采用的分子结构的性质所致。目前，所有高性能发色团(例如 CLD、FTC、GLD等)结合了持久的交替单双π-共轭的共价键的“裸” 链。研究者如Seth Marder博士已经提供了深远的和详细的关于这种 “键交替”体系的量子力学作用的研究，这对于我们目前对NLO现象 起源的理解是非常宝贵的，并且又引导了现代化学工程的努力方向。 尽管增加了这些链的长度通常改善NLO性质，但是一旦这些链超过约 2nm，材料性能就几乎没有或没有改进。假设这主要是由于：(i)共 轭原子链的弯曲和旋转，其破坏了体系的π-传导，因而降低了所得 NLO性质；和(ii)这种大分子体系对材料基体内在成极过程中由于 环境空间阻抑的取向的不稳定性。因此，将来的发色团结构必须显示 两个重要的性质：(i)高度刚性，和(ii)较小的共轭体系，其将 NLO活性集中在更致密的分子尺寸内。

长期热的、化学的和光化学的稳定性是构造有效的NLO材料中唯 一最重要的事项。材料不稳定性在很大程度上是以下三个因素的结 果：(i)增加的对NLO发色团亲核进攻的敏感性，这是由于分子和/ 或分子内(CT)电荷转移或(准)极化，或者是由于在分子和分子内 共振能下高电场成极过程；(ii)由于光诱导的顺-反异构化作用的 分子运动，这有助于分子随时间的推移再取向到性能有害的中心对称 构型；和(iii)由于裸露的交替键发色团结构的固有反应性，将NLO 发色团掺入整体的交联的聚合物基体内极其困难。因此，将来的发色 团结构：(i)必须显示改善的CT和/或准极性态稳定性；(ii)不 能掺入经历光诱导的顺-反异构化作用的结构；和(iii)必须通过 可能的全排除裸露的交替键来高度耐聚合过程。

本发明试图通过革新完全杂环的反芳族发色团设计来满足这些 需要。本文所述的杂环体系不掺入易于弯曲或旋转的裸露的键交替 链。中心的反芳族导体将分子“拉”入准-CT态；由于芳香性和非 -CT态均是有利的低能状态，在本文所述的分子体系内的电荷转移 和芳香性在竞争环境中彼此平衡。该竞争的情形已知为CAPP工程或 电荷-芳香性推拉(Charge-Aromaticity Push-Pull)。结果，反芳 族体系的掺入急剧地改善了中心π-共轭桥的传导性质，提供了具有 明显更强的NLO性质的较小分子长度。因为本文描述的所有体系在它 们的CT态是芳香性的，在它们的中间准极化态是准芳香性的，所以 预期该结构急剧地改善极化态稳定性。而且，本文描述了新的电子受 体体系，预期其显著改善激发态和准-CT离域，使得整个体系更不 易于受亲核进攻。本文描述的所有体系的杂环性质禁止光诱导的顺- 反异构化作用的存在，而顺-反异构化怀疑是材料和分子二者退化的 原因。最后，本发明提供了缺乏在聚合条件下易反应的裸露的交替键 的发色体系。

                    发明概述

本发明涉及式I形式的、用于产生一阶、二阶、三阶和/或更高 阶的极化率的NLO发色团或其可接受的盐：

                       式I

其中：

(p)是0-6；

在每次出现时独立地是其价化学键：

X1-4独立地选自C、N、O或S；

Z1-4独立地是N、CH或CR；其中R如下文所定义。

D是电子亲和势等于或低于A的电子亲和势的有机给电子基团。 在有π1的情况下，D在两个原子位置X1和X2处连接至分子的其余部分。 在没有π1的情况下，D在两个原子位置Z1和C2处连接至分子的其余部 分。

A是电子亲和势等于或高于D的电子亲和势的有机受电子基团。 在有π2的情况下，A在两个原子位置X3和X4处连接至分子的其余部分。 在没有π2的情况下，A在两个原子位置Z4和C3处连接至分子的其余部 分。

π1包括X1和X2，π1不存在或者是连接原子对Z1和C2至 的桥，π1在D和包括C1、C2、C3、C4、Z1、Z2、Z3和Z4的反芳族体系之 间提供电子其轭。

π2包括X3和X4，π2不存在或者是连接原子对C3和Z4至 的 桥，π2在A和所述反芳族体系之间提供电子共轭。

R独立地选自：

(i)式II的间隔基体系或其可接受的盐：

                   式II

其中：

R3是C6-C10芳基、C6-C10杂芳基、4-10元杂环基团或C6-C10 饱和环状基团；上述环状部分中的1或2个碳原子任选地被氧代(＝ O)部分取代；和上述R3基团任选地被1-3个R5基团取代；

R1和R2独立地选自在R3的定义中提供的取代基、(CH2)t(C6-C10 芳基)或(CH2)t(4-10元杂环基)，t是0-5的整数，和上述R1和R2 基团任选地被1-3个R5基团取代；

R4独立地选自在R3的定义中提供的取代基、化学键(-)或氢；

Q1、Q2和Q4各自独立地选自氢、卤素、C1-C10烷基、C2-C10链烯 基、C2-C10炔基、硝基、三氟甲基、三氟甲氧基、叠氮基、-OR5、 -NR6C(O)OR5、-NR6SO2R5、-SO2NR5R6、-NR6C(O)R5、-C(O)NR5R6、 -NR5R6、-S(O)jR7，其中j是0-2的整数、-NR5(CR6R7)tOR6、- (CH2)t(C6-C10芳基)、-SO2(CH2)t(C6-C10芳基)、-S(CH2)t(C6-C10 芳基)、-O(CH2)t(C6-C10芳基)、-(CH2)t(4-10元杂环基)和- (CR6R7)mOR6，其中m是1-5的整数和t是0-5的整数；条件是当R4 是氢时Q4不存在；所述烷基任选地含有1或2个选自O、S和-N(R6) -的杂部分，所述芳基和杂环Q基团任选地稠合至C6-C10芳基、C5 -C8饱和环状基团或4-10元杂环基团；上述杂环部分中的1或2个 碳原子任选地被氧代(＝O)部分取代；和上述Q基团的烷基、芳基 和杂环部分任选地被1-3个独立地选自下列取代基的取代基取代： 硝基、三氟甲基、三氟甲氧基、叠氮基、-NR6SO2R5、-SO2NR5R6、- NR6C(O)R5、-C(O)NR5R6、-NR5R6、-(CR6R7)mOR6，其中m是1-5的 整数、-OR5以及R5的定义中列出的取代基；

R5各自独立地选自H、C1-C10烷基、-(CH2)t(C6-C10芳基)和- (CH2)t(4-10元杂环基)，其中t是0-5的整数；所述烷基任选地包 含1或2个选自O、S和-N(R6)-的杂部分，所述芳基和杂环R5基团 任选地稠合至C6-C10芳基、C5-C8饱和环状基团或4-10元杂环基团； 和上述R5取代基，除了H，任选地被1-3个独立地选自下列取代基 的取代基取代：硝基、三氟甲基、三氟甲氧基、叠氮基、-NR6C(O)R7、 -C(O)NR6R7、-NR6R7、羟基、C1-C6烷基和C1-C6烷氧基；

R6和R7各自独立地是H或C1-C6烷基；

T、U和V各自独立地选自C(碳)、O(氧)、N(氮)和S(硫)， 且包括在R3中；

T、U和V彼此直接相邻；和

W是R3中的任何非氢原子且不是T、U或V；或

(ii)氢、卤素、C1-C10烷基、C2-C10链烯基、C2-C10炔基、硝 基、三氟甲基、三氟甲氧基、叠氮基、-OR5、-NR6C(O)OR5、-NR6SO2R5、 -SO2NR5R6、-NR6C(O)R5、-C(O)NR5R6、-NR5R6、-S(O)jR7，其中j 是0-2的整数、-NR5(CR6R7)tOR6、-(CH2)t(C6-C10芳基)、- SO2(CH2)t(C6-C10芳基)、-S(CH2)t(C6-C10芳基)、-O(CH2)t(C6-C10 芳基)、-(CH2)t(4-10元杂环基)和-(CR6R7)mOR6，其中m是1-5的 整数和t是O-5的整数；所述烷基任选地包含1或2个选自O、S和 -N(R6)-的杂部分，其中R5、R6和R7如上所定义。

本发明的另一个实施方案涉及式I的化合物，其中π1共轭桥与反 芳族体系的C2和Z1以选自下列的方式连接：

其中R如上文所定义。

本发明的另一个实施方案涉及式I的化合物，其中给电子基团 (D)与π1共轭桥的X1和X2以选自下列的方式连接：

和其中R如上文所定义。

本发明的另一个实施方案涉及式I的化合物，其中π2共轭桥与反 芳族体系的C3和Z4以选自下列的方式连接：

其中R如上文所定义。

本发明的另一个实施方案涉及式I的化合物，其中受电子基团 (A)与π2共轭桥的X3和X4以选自下列的方式连接：

其中R在每次出现时独立地如上文所定义；和Acc是选自CN、 NO2、SO2R的受电子基团，和0＜n＜5。

本发明的另一个非限定性实例包括如下发色团：

其中R在每次出现时独立地如上文所定义。

本发明的另一个非限定性实例包括如下发色团：

其中R在每次出现时独立地如上文所定义。

在本发明中，术语“非线性光学发色团”(NLOC)定义为当用光 辐照时产生非线性光学效应的分子或分子的部分。该发色团是其与光 的相互作用导致非线性光学效应的任何分子单元。所需的效应可在共 振或非共振波长下出现。非线性光学材料中的特殊发色团的活性表述 为其超极化率，这与发色团的分子偶极矩直接相关。

在本发明中，除非另外说明，术语“卤素”包括氟、氯、溴或碘。 优选的卤素基团是氟、氯和溴。

除非另外说明，本文使用的术语“烷基”包括具有直链、环状或 支链部分的饱和一价烃基。应理解，对于环状部分，在所述烷基中要 求至少三个碳原子。

除非另外说明，本文使用的术语“链烯基”包括具有至少一个碳 碳双键，并且还具有如上述在“烷基”的定义中提供的直链、环状或 支链部分的一价烃基。

除非另外说明，本文使用的术语“炔基”包括具有至少一个碳碳 三键，并且还具有如上述在“烷基”的定义中提供的直链、环状或支 链部分的一价烃基。

除非另外说明，本文使用的术语“烷氧基”包括O-烷基，其中 “烷基”如上文所定义。

除非另外说明，本文使用的术语“芳基”包括由芳烃通过去除一 个氢得到的有机基团，比如苯基或萘基。

除非另外说明，本文使用的术语“杂芳基”包括由杂芳烃环中碳 原子去除一个氢原子而得到的有机基团，其包含一个或多个独立选自 O、S和N的杂原子。杂芳基基团在其环体系中必须具有至少5个原 子，并任选地被0-2个卤素、三氟甲基、C1-C6烷氧基、C1-C6烷基 或硝基独立地取代。

除非另外说明，本文使用的术语“4-10元杂环基”包括含有一 个或多个分别选自O、S和N的杂原子的芳族和非芳族杂环基团，其 中各杂环基团在其环体系中具有4-10个原子。非芳族杂环基团包括 在其环体系中仅有4个原子的基团，但是芳族杂环基团在其环体系中 必须具有至少5个原子。4元杂环基团的实例是氮杂环丁烷基(得自 氮杂环丁烷)。5元杂环基团的实例是噻唑基，和10元杂环基团的 实例是喹啉基。非芳族杂环基团的实例是吡咯烷基、四氢呋喃基、四 氢噻吩基、四氢吡喃基、四氢噻喃基、哌啶子基、吗啉代、硫代吗啉 代、噻噁烷基、哌嗪基、氮杂环丁烷基、氧杂环丁烷基、硫杂环丁烷 基(thietanyl)、高哌啶基、氧杂环庚烷基(oxepanyl)、硫杂环 庚烷基(thiepanyl)、氧氮杂环基(oxazepinyl)、二氮杂环基 (diazepinyl)、硫氮杂环基(thiazepinyl)、1，2，3，6-四氢 吡啶基、2-吡咯啉基、3-吡咯啉基、二氢吲哚基、2H-吡喃基、4H -吡喃基、二氧杂环己烷基、1，3-二氧戊环基、吡唑啉基、二噻烷 基、二硫戊环基、二氢吡喃基、二氢噻吩基、二氢呋喃基、吡唑烷基、 咪唑啉基、咪唑烷基、3-氮杂双环[3.1.0]己烷基、3-氮杂双环 [4.1.0]庚烷基、3H-吲哚基和喹嗪基。芳族杂环基团的实例是吡啶 基、咪唑基、嘧啶基、吡唑基、三唑基、吡嗪基、四唑基、呋喃基、 噻吩基、异噁唑基、噻唑基、噁唑基、异噻唑基、吡咯基、喹啉基、 异喹啉基、吲哚基、苯并咪唑基、苯并呋喃基、噌啉基、吲唑基、中 氮茚基、2，3-二氮杂萘基、哒嗪基、三嗪基、异氮杂茚基、蝶啶基、 嘌呤基、噁二唑基、噻二唑基、呋咱基、苯并呋咱基、苯并苯硫基、 苯并噻唑基、苯并噁唑基、喹唑啉基、喹喔啉基、1，5-二氮杂萘基 和呋喃吡啶基(furopyridinyl)。衍生自以上所列化合物的上述基 团可以是C-连接的或N-连接的，在这种情形是可能的情况下。例 如，衍生自吡咯的基团可以是吡咯-1-基(N-连接的)或吡咯-3 -基(C-连接的)。

除非另外说明，本文中使用的术语“饱和环状基团”包括非芳族 的完全饱和的环状部分，其中烷基如上文所定义。

除非另外说明，本文中使用的短语“可接受的盐”包括可以存在 于本发明化合物中的酸性或碱性基团的盐。性质上为碱性的本发明化 合物能够与各种无机和有机酸形成各种各样的盐。可用于制备本发明 这种碱性化合物的药物可接受酸加成盐的酸是形成无毒酸加成盐的 那些酸，所述无毒酸加成盐即含有药理学上可接受的阴离子的盐，比 如氢氯化物、氢溴化物、氢碘化物、硝酸盐、硫酸盐、硫酸氢盐、磷 酸盐、酸式磷酸盐、异烟酸盐、乙酸盐、乳酸盐、水杨酸盐、柠檬酸 盐、酸式柠檬酸盐、酒石酸盐、泛酸盐、酒石酸氢盐、抗坏血酸盐、 琥珀酸盐、马来酸盐、龙胆酸盐、富马酸盐、葡糖酸盐、葡糖二酸盐 (glucaronate)、糖二酸盐、甲酸盐、苯甲酸盐、谷氨酸盐、甲磺 酸盐、乙磺酸盐、苯磺酸盐、对甲苯磺酸盐和帕莫酸盐[即1，1′-亚甲 基-双-(2-羟基-3-萘甲酸盐)]。

性质上为酸性的本发明那些化合物能够与各种药理学上可接受 的阳离子形成碱盐。这种盐的实例包括碱金属或碱土金属盐，特别是 钠和钾盐。

本文使用的术语“溶剂化物”包括本发明化合物或其盐，其进一 步包括化学计算量或非化学计算量的通过非共价分子间作用力结合 的溶剂。

本文使用的术语“水合物”是指本发明化合物或其盐，其进一步 包括化学计算量或非化学计算量的通过非共价分子间作用力结合的 水。

本发明某些化合物可具有不对称中心，因此以不同的对映体形式 出现。本发明涉及本发明化合物的所有光学异构体和立体异构体及其 混合物的用途。本发明化合物还可以作为互变异构体出现。本发明涉 及所有这种互变异构体及其混合物的用途。

本发明还包括同位素标记的化合物及其商业上可接受的盐，其等 同于式I和II中叙述的那些化合物及盐，除以下事实之外：一个或 多个原子被原子质量或质量数不同于自然界中通常所见的原子质量 或质量数的原子取代。可以掺入本发明化合物中的同位素的实例包括 氢、碳、氮、氧、硫、氟和氯的同位素，比如分别是2H、3H、13C、14C、 15N、18O、17O、35S、18F和36Cl。包含上述同位素和/或其它原子的其它 同位素的本发明化合物以及所述化合物的商业上可接受的盐在本发 明的范围之内。本发明某些同位素标记的化合物，例如其中掺入放射 性同位素如3H和14C的那些化合物，在药物和/或底物组织分布试验 中是有用的。由于易于制备和可探测性，氚化了的同位素即3H和碳 -14即14C是特别优选的。此外，用更重的同位素如氘即2H的取代， 由于其更大的稳定性，可提供某些优点。本发明式I的同位素标记的 化合物可以一般地通过进行下文方案和/或实施例和制备例中公开的 程序，通过用易于获得的同位素标记试剂取代非同位素标记的试剂来 制备。

本专利申请中引用的专利、专利申请、公开的国际申请和科技出 版物均全部引入本文作为参考。

                    发明详述

式I化合物是产生NLO效应的有用结构。

一阶超极化率(β)最通常的和有用的NLO性质之一。更高阶的 超极化率在其它应用如全光学(光光转换)应用中是有用的。为了确 定材料如化合物或聚合物是否包括具有一阶超极性性质的非线性光 学发色团，可以进行下述试验。首先，将薄膜形式的材料置于电场中 以校准偶极子。这可以通过在电极之间插入材料膜来进行，所述材料 膜例如是铟锡氧化物(ITO)基材、金膜或银膜。

为了产生成极电场，然后给电极施加电势，同时将材料加热至接 近其玻璃转变(Tg)温度。在一段适当的时间后，逐步降低温度，同 时维持成极电场。可供选择地，材料可以通过电晕成极法成极，其中 在距材料膜适当距离的带电荷的针提供成极电场。在这两种情况下， 材料中的偶极子倾向于与电场一致。

然后如下测试已成极材料的非线性光学性质。使偏振光，常来自 激光器，通过已成极材料，然后通过极化滤波器，并通至光强度检测 器。如果检测器接受的光的强度随施加到电极的电势的变化而变化， 则材料掺入非线性光学发色团和具有电光学可变的折射率。测量掺入 非线性光学发色团的已成极膜电光学常数的技术的更详细讨论可见 Chia-Chi Teng，测量极化薄膜的电光常数，有机分子及聚合物的非 线性光学(Measuring Electro-Optic Constants of a Poled Film， Nonlinear Optics of Organic Molecules and Polymers)，Chp.7， 447-49(Hari Singh Nalwa & Seizo Miyata eds.，1997)，其全部 引入本文作为参考，除了在任何与本申请不一致的公开内容或定义的 情况下，本文的公开内容或定义应认为有效。

施加电势的变化与材料折射率变化之间的关系可以表示为其EO 系数r33。该效应通常称为电光学或EO效应。包括随施加电势变化而 改变其折射率的材料的设备称为电光学(EO)设备。

式I的示例化合物可以根据以下反应方案制备。下述反应方案和 讨论中的R如上文所定义。

式I的另一个示例化合物可以根据以下反应方案制备。下述反应 方案和讨论中的R如上文所定义。