説明

ルテニウム有機錯体の製造方法

【課題】太陽電池の光電変換材料用として有用な光電変化効率に優れたルテニウム錯体をの製造方法の提供。
【解決手段】シス−ジクロロ−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ルテニウム(II) に、水酸化テトラ(n−ブチル)アンモニウムを反応させ、次いでチオシアン酸テトラ(n−ブチル)アンモニウムと反応させる。 また、その製造方法においては、水酸化テトラ(n−ブチル)アンモニウムは、シス−ジクロロ−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ルテニウム(II)の1モルに対し1.8〜2.2モルを用いる。 さらに、反応をマイクロ波照射下で行う。反応後蒸発濃縮し、得られた固体物質を蒸留水に分散し、その分散液を希硝酸水溶液でpH3.0〜4.1に調整し、調整後固液分離し、分離後精製する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、多孔性半導体層に用いる増感色素に好適なルテニウム有機錯体の製造方法に関する。
より詳しくは、太陽電池等の多孔性半導体層に用いる増感色素に好適なルテニウム有機錯体であるシス−ビス(2,2'−ビピリジン−4−カルボン酸−4'−カルボキシラート−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)酸ビス[テトラ(n−ブチル)アンモニウム](以下、「TBA錯体」と略称することもある)を製造する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
[先行技術文献]
【特許文献1】特表平5−504023号公報
【特許文献2】特表平7−500630号公報
【特許文献3】特開平11−279188号公報
【特許文献4】特開2004−319439公報
【非特許文献1】アメリカ化学会誌(ジャーナル オブ アメリカン ケミカル ソサイエティ,J. Am. Chem. Soc.)、第110巻、第3686 3687頁、1988年
【非特許文献2】アメリカ化学会誌(ジャーナル オブ アメリカン ケミカル ソサイエティ, J. Am. Chem. Soc.)、第115巻、第6382 6390頁、1993年
【非特許文献3】Inorganic Chemistry、Vol.38、No.26、pp.6298〜6305、(1999)
【0003】
ルテニウム有機錯体であるビピリジンジカルボン酸−ルテニウム錯体は、光増感作用を有する増感色素として有用な物質であることが知られており、このような光増感作用を有するビピリジンジカルボン酸−ルテニウム錯体は、例えば、太陽電池などの光電変換材料に使用されている。
そのビピリジンジカルボン酸−ルテニウム錯体の製造方法は、例えば非特許文献1及び2に記載されており、両文献にはシス−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)を製造することが記載されている。
【0004】
その太陽電池の光電変換材料用としてのビピリジンジカルボン酸−ルテニウム錯体としてはTBA錯体も既知(非特許文献3及び特許文献4参照、これらにはTBA錯体が、ビス(テトラブチルアンモニウム)シス−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)という名称で記載されている)であり、それは前記両非特許文献に記載のシス−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)に比し、太陽電池の特性を示す光電変化効率が優れていることもわかっている(特許文献4参照)。
【0005】
その優れた特性を持つTBA錯体の製造方法は非特許文献3に提案されている。
その提案の方法では、本発明の製造方法と同様にシス−ジクロロ−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ルテニウム(II)[以下、「シス−ジクロロ錯体」と略称することもある]を出発原料物質とし、それにチオシアン酸ナトリウムを反応させて、まずシス−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)を製造する。
【0006】
次いで、製造されたシス−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)に、水酸化テトラ(n−ブチル)アンモニウム(以下、「TBAOH」と略称することもある)を反応させ、シス−ジチオシアナト−N−ビス(2,2'−ビピリジル−4,4'−ジカルボキシラート−N,N’)ルテニウム(II)酸テトラキス[テトラ(n−ブチル)アンモニウム]を製造する。
その後、この製造されたシス−ジチオシアナト−N−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボキシラート−N,N’)ルテニウム(II) 酸テトラキス[テトラ(n−ブチル)アンモニウム]に希薄硝酸を滴下することにより、本発明の製造目的物質に該当するTBA錯体が製造される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明が製造目的物とするTBA錯体は、前記したとおり太陽電池の光電変換材料用として用いた場合には、優れた光電変化効率を発現することができるものである。
しかしながら、その従来における製造方法はシス−ジクロロ錯体を出発原料とした場合には前記非特許文献3に記載されているとおり3段階の工程を必要とするものであった。
【0008】
すなわち、シス−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ビ
ス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)を製造する工程、シス−ビス(2,2'−ビピス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)を製造する工程、シス−ビス(2,2'−ビピリジル−4,4'−ジカルボキシラート−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)酸テトラキス[テトラ(n−ブチル)アンモニウム]を製造する工程及びTBA錯体を製造する工程の3工程を経由することにより、換言すれば2つの中間体を経由して、本発明の製造目的物質は製造されることになる。
【0009】
そこで、本発明者は、この製造方法をより簡略化すべく前記従来技術の製造プロセスを検討した。
その際に、4つある全てのカルボキシル基が電離した陰イオンとなり、それに4っのテトラ(n−ブチル)アンモニウム陽イオンがついた塩ができ、その後希薄の硝酸の処理により2つのカルボキシル基からテトラ(n−ブチル)アンモニウムイオンが分離することにより本発明の製造目的物質が得られていることに着目して、鋭意研究を重ね、その結果本発明を開発することに成功した。
また、得られた目的物質は高純度のものであった。
【0010】
したがって、本発明は、太陽電池の光電変換材料用として用いた場合には、優れた光電変化効率を発現することができるTBA錯体を簡便で、効率的に製造する
ことができる、すなわち2つの中間体を経由することなく目的製造物質を製造することができる新規な方法を提供することを解決すべき課題、すなわち目的とするものである。
また、本発明は前記した物質を高純度で製造することも目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者らは、前記したとおり鋭意研究を重ねTBA錯体の新たな製造方法の開発に成功したものであり、それはシス−ジクロロ錯体に、TBAOHを反応させ、次いでチオシアン酸テトラ(n−ブチル)アンモニウム(以下、「TBASCN」と略称することもある)と反応させることを特徴とするものである。
【0012】
また、その製造方法においては、TBASCNはシス−ジクロロ錯体の1モルに対し2〜5モルを用いることが特に好ましい。
さらに、TBASCNとの反応をマイクロ波照射下で行うのが好ましく、更にその反応後減圧濃縮し、得られた固体物質を水に溶解又は懸濁させて、その水溶液又は懸濁液を希硝酸水溶液でpH3.0〜4.1に調整し、調整後固液分離し、分離後精製するのが好ましい。
【0013】
本発明では、太陽電池の光電変換材料用として好適に用いることができる、光電変化効
率に優れたTBA錯体を、従来方法のように3段階の工程を用いることなく、すなわち2つの中間体を経ることなく、簡便で、かつ効率的に製造する製造方法を提供することができる。
さらに、本発明の製造方法では、目的製造物質を高純度で得ることができる。
【0014】
本発明においては、TBAOHは、シス−ジクロロ錯体に対して、従来の方法のように過剰に用いるのではなく、目的製造物質に必要な当量程度、すなわち2モル前後用いており、これにより従来方法のようにシス−ビス(2,2'−ビピリジル−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)を一旦生成することもなく、直接目的製造物質を製造することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下において、本発明について、発明を実施するための最良の形態を含む発明の実施の形態に関し詳述するが、本発明は、この実施の形態によって何等限定されるものではなく、特許請求の範囲によって特定されるものであることはいうまでもない。
【0016】
本発明の製造方法における出発原料であるシス−ジクロロ錯体は前記したとおり既知物質であり、その製造方法は、前記特許文献1、2及び3、並びに非特許文献3に記載されており、それらを特に制限されることなく適宜採用し製造すればよい。
また、そのシス−ジクロロ錯体は市販もされており、それを利用してもよい。
【0017】
本発明では、このシス−ジクロロ錯体とTBAOHとをまず混合し反応させる。
その際には、シス−ジクロロ錯体を、N,N−ジメチルホルムアミド(以下、「DMF」と略称する)等の有機溶媒を水に溶かした溶媒水溶液に溶解し、これにTBAOHの水溶液を添加し混合する。
【0018】
その際には、添加後超音波を作用させ、その後攪拌するのがよいが、これらは本発明においては必要不可欠するものではない。
その際に用いる前記溶媒水溶液における溶媒としては、水に溶解し、溶解後の溶媒水溶液がシス−ジクロロ錯体を溶解することができるものであれば特に制限されることなく使用可能であり、それには前記DMF以外に、ジメチルスルホキシド(以下、「DMSO」と略称する)、エチレングリコール等が例示できる。
これらの中でも沸点が80〜200℃の範囲である溶媒が好ましく用いられ、DMFがより好ましく用いられる。
【0019】
また、有機溶媒を水に溶かした溶媒水溶液における有機溶媒と水との比率は、使用した有機溶媒によるが、9:1〜1:9がよい。
その際にはTBAOHは10%水溶液を用いるのがよく、それを用いてTBAOHのモル濃度が必要量になるように溶液を調製する(すなわち、必要な当量濃度、具体的には2モル前後)。
【0020】
次いで、シス−ジクロロ錯体とTBAOHとを混合し反応させた溶液にTBASCNを添加し、反応させる。
その際には、TBAOHはシス−ジクロロ錯体に対して、目的製造物質に必要な当量程度、すなわち2モル前後用いるのがよい。
【0021】
具体的には、シス−ジクロロ錯体の1モルに対しTBAOHの1.8〜2.2モルを用いるのが好ましく、これにより従来方法のようにシス−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)を一旦生成することもなく、直接目的製造物質を製造する。
【0022】
また、前記したところにおいては、TBASCNの混合は、シス−ジクロロ錯体とTBAOHとの混合後に行っており、それが好ましいが、その3者の混合は同時に行ってもよく、その場合にも目的製造物質を得ることは可能であり、本発明はそのような態様をも包含するものである。
さらに、シス−ジクロロ錯体とTBAOHとの中間生成物を単離する必要もなく、簡便なものとなっている。
【0023】
TBAOH及びTBASCNとの反応条件は、例えば、DMF溶液を用いた場合においては、温度は80℃以上153℃以下、圧力は5bar以下、pH5以下の条件で行うのが好ましい。
そのTBASCNとの混合時にも、特に限定されるわけではないが超音波を作用させるのがよい。
さらに、前記反応は、特に限定されるわけではないがヘリウムガス、窒素ガス及びアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中、でマイクロ波照射下で行うのが好ましい。
【0024】
その際のマイクロ波出力装置としては、市販のものが使用でき、その際に用いられるマイクロ波の波長は、通常2.4〜2.5GHz、好ましくは2.45GHz(±30MHz)である。
マイクロ波の出力は、反応液の量に応じて適宜選択されるが、通常30W〜1500W、好ましくは100〜800Wの範囲である。
【0025】
その後、減圧下で溶媒を除去し、乾固させ、残った固体を水に溶解させ、得られた水溶液に希硝酸を添加し、pHを3.0〜4.1に調整するのがよく、好ましくは3.4〜3.9に調整するのがよい。
このpH調整後、水溶液中に存在する固体を吸引濾過等の固液分離により分離し、アセトン等の溶媒で洗浄し、乾燥して製造目的物質を得る。
その固液分離は、濾過に限らず固体と液体を分離することができるものであれば特に制限されることなく各種手段が採用することが可能であり、それには遠心分離、デカンテーションあるいは再結晶法等が例示できる。
【0026】
洗浄用の溶媒にも、目的製造物質を溶解することなく洗浄することができるものであれば、アセトン以外の各種のものが特に制限されることなく利用可能であり、それにはジクロロメタンあるいはクロロホルム等が例示できる。
乾燥にも、目的製造物質を乾燥することができるものであれば、各種のものが特に制限されることなく利用可能であり、それには真空乾燥、真空加熱乾燥、真空凍結乾燥及び加熱乾燥等が例示できる。
【実施例1】
【0027】
以下に、本発明の実施例を示すが、本発明は、本実施例によってなんら限定されるものではなく、特許請求の範囲の規定によって特定されるものであることはいうまでもない。
シス−ジクロロ錯体0.5gをDMF50%水溶液(DMFと純水を体積比で1:1で混合した溶媒)100mLに溶解し、これにTBAOH(10%水溶液)3.2mL(シス−ジクロロ錯体1モルに対し、TBAOHを2モル)添加し、この混合溶液に超音波を10分間作用させ、その作用後30分間攪拌した。
【0028】
その攪拌後、この溶液にTBASCN 0.86gを加え、同出力の超音波を10分間作用させ、その後アルゴンガスを溶液中に10分間通して脱気し、アルゴン雰囲気下で、マイクロ波(波長2.45GHz、出力540W)を20分間照射した。
その照射後、照射された液を濾過器で濾過し、濾液を減圧下で除去し乾固させた。
その乾固後、残った固体を約15℃の純水60mLに溶解し、得られた水溶液に希硝酸(0.5N)を2時間かけて滴下し、pH3.9以下に調整した。
【0029】
このpH調整により析出させた固体を濾過器を用いて吸引濾過し、分離した固体を8時間真空乾燥した。
その後乾燥物をアセトン30mL、ジエチルエーテル10mLにて洗浄し、大気中にて75℃で8時間乾燥した。
得られたTBA錯体を1H NMR(D2O/NaOD)で分析したところ、図1に示すように不純物を示すシグナルは検出されなかった。
なお、その際の収量は0.719g、収率は82%であった。
【0030】
そして、1H NMRの結果について更に解析し、以下のとおり目的の物質であることを確認した。
すなわち、dcbpy配位子の存在及びTBA+の存在は以下のとおり確認した。
【表1】

【0031】
【表2】

【0032】
また、組成及び純度については、1H NMR(D2O/NaOD)の分析結果から以下のとおりと判断した。
[組成について]
それぞれのプロトンをシグナル強度比でみて決定した。
例えば、TBA+のメチレン鎖(−CH2−)とdcbpyの6位とのプロトン比は8:1となることから、錯体陰イオン1つに対して2つのTBA+が塩を形成したものと推測される。してみると、錯体は−2価陰イオンである。
[純度について]
図1に示すスペクトルのように、不純物を示すシグナルは検出されなかった。
【実施例2】
【0033】
シス−ジクロロ錯体0.5g、TBAOH(10%水溶液)3.2ml(シス−ジクロロ錯体1モルに対し、TBAOHを2モル)、TBASCN 0.86gを同時に反応容器に入れ、更にN,N−ジメチルホルムアミド水溶液100mlを加え、この混合溶液に超
音波を10分間作用させ、その作用後30分間攪拌した。
その攪拌後、アルゴンガスを溶液中に10分間通して脱気し、アルゴン雰囲気下で、マイクロ波(波長2.45GHz、出力540W)を20分間照射し、反応終了後、反応液を濾過し、濾液を減圧下で除去し乾固させた。
【0034】
その乾固後、残った固体を純水60mlに溶解し、得られた水溶液に希硝酸(0.5N)を2時間かけて滴下し、pH3.8に調整した。
このpH調整により析出した固体を濾過器を用いて吸引濾過し、分離した固体を8時間真空乾燥した。
その後、乾燥物をアセトン30mL、ジエチルエーテル10mLにて洗浄し、大気中にて75℃で8時間乾燥した。
【0035】
得られたTBA錯体を1H NMR(D2O/NaOD)で分析したところ、図2に示すように不純物を示すシグナルは検出されなかった。
なお、その際の収量は0.686g、収率は78%であった。
さらに、実施例1の場合と同様に、1H NMR(D2O/NaOD)の結果を解析し、目的の物質であることを確認した。
【0036】
[比較例1]
光を遮蔽した状態で1.1g(1.7mmol)のシス−ジクロロ錯体を50mlのDMFに溶解する。
これとは別に準備した5.82g(60mmol)のKSCNを10mlの水に溶かし更に50mlのDMFを追加したものとを混ぜ合わせ、その後溶液にアルゴンガスを通じ、更に攪拌しながら5時間還流する。
その際の反応生成物は、冷却した後グラスフィルターで濾過し、溶液からロータリーエバポレーターで溶媒を除去し、その除去後にNaOH(0.2M,20ml)を加えることで暗赤紫色の溶液を得た。
【0037】
次いで、その溶液を濾過後、0.5Mの硝酸やトリフルオロメタンスルホン酸等の酸性溶液でpHを3.5以下にすることで沈殿を得た後、冷蔵庫で12時間放置させ、その放置後、室温に戻してからグラスフィルターで吸引濾過し、固形物を集めた。
さらに、その固体を、先ほどと同じ酸を用いpHを3.5に調整した洗浄液で20ml×3回洗浄した後、風乾したところ、収率は0.9g(85%)であった。
【0038】
次に、上記化合物0.5gを蒸留水50mlに加えて溶解した溶液に10%TBAOH水溶液をpHが7に安定するまで滴下する。
この段階においてグラスフィルターで濾過し、濾液からロータリーエバポレーターで溶媒を除去し、除去後にメタノールを入れて溶かし、ジエチルエーテルと石油エーテルの混合液を加え沈殿物を得、その後24時間真空乾燥を施した。
さらに、上記の化合物1gを蒸留水10mlに溶解し、0.1Mの硝酸溶液でpHを3.8以下にすると、沈殿が生ずるが、沈殿を取り出すまでの間、冷蔵庫に12時間静置させておく。
その後、室温に戻しグラスフィルターで濾過し固液を分離した後,固体をpH3.8の溶液5mlで洗浄し、乾燥した。
【0039】
得られたTBA錯体を、1H NMR(D2O/NaOD)で分析することで目的物を確認したところ、図3に示すようにごく僅かの異性体が検出された。
また、本発明の製造方法と比較して工程が煩雑で約3倍の時間を要した。
なお、その際の収量及び収率は0.6g(80%)であった。
そして、図3について更に解析すると、低磁場側に[Ru(dcbpy)2(NCS)(SCN)]と思われる結合異性体のピークが若干不純物として検出されたものの目的の物質であることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】実施例1で得たTBA錯体をNMRで分析した結果。
【図2】実施例2で得たTBA錯体をNMRで分析した結果
【図3】比較例1で得たTBA錯体をNMRで分析した結果。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
シス−ジクロロ−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ルテニウム(II)と、水酸化テトラ(n−ブチル)アンモニウムとを反応させ、次いでチオシアン酸テトラ(n−ブチル)アンモニウムと反応させることを特徴とする、シス−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボキシラート−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)酸ビス[テトラ(n−ブチル)アンモニウム]を製造する方法。
【請求項2】
水酸化テトラ(n−ブチル)アンモニウムは、シス−ジクロロ−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボン酸−N,N’)ルテニウム(II)の1モルに対し1.8〜2.2モルを用いる請求項1に記載のシス−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボキシラート−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)酸ビス[テトラ(n−ブチル)アンモニウム]を製造する方法。
【請求項3】
チオシアン酸テトラ(n−ブチル)アンモニウムとの反応をマイクロ波照射下で行う請求項1又は2に記載のシス−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボキシラート−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)酸ビス[テトラ(n−ブチル)アンモニウム]を製造する方法。
【請求項4】
チオシアン酸テトラ(n−ブチル)アンモニウムとの反応後、減圧濃縮し、得られた固体物質を水に溶解又は懸濁し、得られた水溶液又は懸濁液を希硝酸水溶液にてpH3.0〜4.1に調整し、調整後固液分離し、その後精製する請求項1、2又は3に記載のシス−ビス(2,2'−ビピリジン−4,4'−ジカルボキシラート−N,N’)ビス(チオシアナト−N)ルテニウム(II)酸ビス[テトラ(n−ブチル)アンモニウム]を製造する方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2007−332098(P2007−332098A)
【公開日】平成19年12月27日(2007.12.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−167708(P2006−167708)
【出願日】平成18年6月16日(2006.6.16)
【出願人】(393017188)小島化学薬品株式会社 (13)
【出願人】(504190548)国立大学法人埼玉大学 (292)
【Fターム(参考)】