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bildnermoleküls mit einem gemeinsamen Ankermolekül verknüpft wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankermolekül aus einem aromatischen Kohlenwasserstoff, einem Heterozyklus oder einem Hochpolymer besteht.
Die Erfindung betrifft neue Farbstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung, und zwar neue Farbstoffe, die einen wesentlich höheren Wirkungsgrad und eine wesentlich höhere Gebrauchsdauer bei ihrem Einsatz in Farbstofflasern besitzen.
Von den üblicherweise verwendeten Laserfarbstoffen kann stets nur ein kleiner Bruchteil des weissen Anregungslichtes der zumeist als Anregungslichtquelle benutzten Xenonblitzlampen ausgenutzt werden, nämlich überwiegend der, der von der schmalen langwelligen Absorptionsbande des Farbstoffmoleküls absorbiert wird.
Da die Halbwertsbreiten der Absorptionsbande der üblichen Laserfarbstoffe typischerweise 5000 cm -1 betragen, das Emissionsspektrum der Xenonblitzlampen von der Durchlässigkeitsgrenze des Quarzglaskolbens bei etwa 200 nm (= 50 000 cm-1) bis über die Absorptionsgrenze der längstwellig absorbierenden Farbstoffe bei etwa 1 ",lm (= 10 000 cm-1 reicht, also 40 000 cm-1 umfasst, kann typischerweise nur etwa ein Achtel der verfügbaren Leistung der anregenden Xenonblitzlampen ausgenutzt werden.
Tatsächlich ist der ausgenutzte Bruchteil meist noch sehr viel geringer, da nämlich die von den Xenonblitzlampen ausgestrahlte Energie nicht gleichmässig über das gesamte Spektrum verteilt ist, sondern nach kurzen Wellenlängen hin erheblich ansteigt, und zwar um so mehr, je kürzer die Stromanstiegsgeschwindigkeit des Stromimpulses durch die Blitzlampe und je höher die Stromdichte in ihr ist. Da aus dem Fachmann wohlbekannten Gründen in den üblichen Farbstofflasern sowohl die Stromanstiegsgeschwindigkeit als auch die Stromdichte möglichst hoch gewählt wird, kann meist nur etwa ein Zehntel des eingestrahlten Lichtes absorbiert und in Laserstrahlung umgewandelt werden.
Dadurch und durch die Verluste bei der Umwandlung von elektrischer in optische Energie in der Blitzlampe ergibt sich ein maximaler Wirkungsgrad (= Laserenergie/elektrische Impulsenergie) von nur 1,5% bei den besten heute existierenden Farbstofflasern. Eine ausführlichere Darstellung dieser Gegebenheiten findet man bei F.P. Schäfer: Principles of Dye Laser Operation in: Dye Lasers , F.P. Schäfer, Ed., Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1973. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, Farbstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, die einen möglichst grossen Teil des Anregungslichtes ausnutzen und dadurch einen höheren Wirkungsgrad der Farbstofflaser erzielen.
Ein weiteres Ziel ist die Schaffung von Farbstoffen, die es möglich machen, nicht nur mit Xenonblitzlampen Farbstofflaser im Impulsbetrieb zu betreiben, sondern auch unter Verwendung von kontinuierlich brennenden, inkohärenten Lichtquellen mit im wesentlichen weissem Spektrum, wie beispielsweise Xenonhochdrucklampen, Metallhalogenidlampen oder die Sonne, deren Intensität bei Verwendung üblicher Farbstoffe nicht zum kontinuierlichen Betrieb von Farbstofflasern ausreicht.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Gebrauchsdauer von Laserfarbstoffen zu erhöhen. Es ist bekannt, dass alle Laserfarbstoffe mehr oder minder schnell fotochemisch zerstört werden, was im wesentlichen durch den Ultraviolettanteil des Anregungslichtes bewirkt wird. So konnte beispielsweise die Gebrauchsdauer einer Lösung von Rhodamin 6G in einem Farbstofflaser von L. Ringwelski und F. P. Schäfer (F. P. Schäfer, Liquid Lasers , in Laser Handbook, F. T. Arecchi and E. O.
Schulz-Du Bois, Eds., North-Holland, Amsterdam, 1972, S. 404) dadurch verzehnfacht werden, dass der Ultraviolettanteil des Anregungslichtes durch eine 0,75molare Kupfersulfatlösung ausgefiltert wurde.
Schliesslich ist es ein Ziel der Erfindung, neue Farbstoffe für Textilien, Leder und dergleichen sowie Pigmentfarbstoffe für Anstrichfarben, Lacke, Druckfarben u. ä. zu schaffen, die eine überlegene Lichtechtheit aufweisen.
Es ist schon versucht worden, das Anregungslicht spektral besser auszunutzen, indem man statt eines einzelnen Laserfarbstoffes Mischungen des Laserfarbstoffes mit kürzerwellig absorbierenden, gut fluoreszierenden Farbstoffen verwendete, wobei die Fluoreszenz des beigemengten Farbstoffes von dem Laserfarbstoff teilweise absorbiert wurde und dadurch effektiv die Anregungsleistung im Laserfarbstoff vergrössert wurde (GB-PS 1 255 399). Die dort angegebenen Steigerungen der Ausgangsleistungen des Farbstofflasers nach Zusatz des Fluoreszenzfarbstoffes sind allerdings kein Mass für die bessere Ausnutzung des Anregungslichtes, sondern eine rein willkürliche, manipulierbare Masszahl, wie sich durch die folgende Überlegung zeigen lässt. In dem Beispiel 3 oder o. a.
GB-PS wird in einem Farbstofflaser Acridinrot als Laserfarbstoff mit einer Konzentration von 10-4 M benutzt und bei einer Kondensatorspannung von 15 kV eine bestimmte Laserenergie gemessen. Dann wird als Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin 6G hinzugegeben, bis die Lösung 10-4 in bezug auf beide Farbstoffe ist, und eine Erhöhung der Laserenergie um den Faktor 9,5 gemessen.
Würde man nun die Kondensatorspannung soweit erniedrigen, dass man mit der reinen Acridinrotlösung gerade noch etwas unterhalb der Schwelle der Laseremission bliebe, und dann bei derselben Spannung die Mischung benutzen, so würde man eine bestimmte Ausgangsenergie messen, da jetzt durch die zusätzliche, über die Fluoreszenz des Rhodamins erreichte Erhöhung der Anregungsleistung des Acridinrots die Laserschwelle überschritten würde, was eine Erhöhung der Ausgangsleistung um den Faktor Unendlich bedeutete. So lässt sich nun durch entsprechende Einstellung der Kondensatorspannung zwischen dem Schwellwert für die Laseremission und 15 kV jeder Faktor zwischen Unendlich und 9,5 erreichen, wie auch durch weitere Erhöhung der Kondensatorspannung der Faktor unter 9,5 liegen wird. Eine wesentlich bessere Messzahl für die Verbesserung des Wirkungsgrads ist von W. Schmidt, W. Appt und N.
Wittekindt, Z. Naturforsch. A27 (1972) 37, vorgeschlagen worden. Man misst die elektrische Impulsenergie, bei der eine bestimmte Laserenergie mit dem Laserfarbstoff allein erreicht wird, und bestimmt dann mit der Mischung die elektrische Impulsenergie, bei der die gleiche Laserleistung wie mit dem Laserfarbstoff allein erreicht wird.
Das Verhältnis der beiden elektrischen Energien ist eine recht gute Masszahl für die erreichte Verbesserung in der Ausnutzung des Anregungslichtspektrums. So fanden die letztgenannten Autoren loc. cit., dass in ihrem Farbstofflaser mit Cresylviolett die Anregungsenergie, um 10 kW Laserleistung zu erhalten, um den Faktor zwei erniedrigt wurde, wenn der Lösung eine optimale Menge Rhodamin 6G als Fluoreszenzfarbstoff zugesetzt wurde, und dass bei einer Laserleistung von 25 kW dieser Faktor 2,7 betrug.
Das vorstehend geschilderte, bekannte Verfahren, durch Mischung von Fluoreszenz- und Laserfarbstoffen den Laserwirkungsgrad zu verbessern, besitzt jedoch schwerwiegende Nachteile. So ist bei den Konzentrationen, die üblicherweise bei mit Blitzlampen angeregten Farbstofflasern benutzt werden, in den Regel < 10-4 M, die Energieübertragung von Fluoreszenzfarbstoffen auf den Laserfarbstoff keineswegs vollständig. Ein grosser Teil des isotrop nach allen Richtungen emittierten Fluoreszenzlichtes geht nämlich durch die Küvettenwände verloren, statt nutzbringend von den Laserfarbstoffmolekülen reabsorbiert zu werden, soweit der Energieübergang strahlend erfolgt. Allerdings kann der Energieübergang vom Fluores
zenzfarbstoff (Donor) zum Laserfarbstoff (Akzeptor) auch strahlungslos erfolgen. Die Wahrscheinlichkeit hierfür lässt sich nach der Theorie von Th. Förster, Fluoreszenz organischer Verbindungen , Göttingen, 1951, S. 83, berechnen. Der charakteristische Abstand Ro zwischen Donor- und Akzeptormolekülen, bei dem die Wahrscheinlichkeit für den strahlungslosen Energieübergang 50% beträgt, ist bei guter spektraler Überlappung der Fluoreszenzbande des Donormoleküls mit der Absorptionsbande des Akzeptormoleküls grössenordnungsmässig 100 , während der mittlere Molekülabstand bei der angegebenen Konzentration etwa 200 A beträgt.
Nur bei den sehr hohen Konzentrationen, die bei der Anregung eines Farbstofflasers mit Hilfe von Stickstofflasern oder anderen Lasern benötigt werden, kann ein nahezu vollständiger strahlungsloser Energieübergang erreicht werden, was von 1. B. Berlman, M. Rokni und C. R. Goldschmidt, Chem. Phys. Lett. 22 (1973) 458, nachgewiesen wurde, aber für die hier vorliegende Aufgabe der Anregung der Laser mit inkohärenten, weissen Lichtquellen ohne Bedeutung ist.
Ein noch viel schwerer wiegender Nachteil ist jedoch darin zu erblicken, dass die angeregten Donormoleküle häufig im angeregten Zustand neue Absorptionsbanden aufweisen, die gerade im Spektralbereich der Laseremission liegen und somit das Laserlicht reabsorbieren und damit die Laserleistung herabsetzen oder sogar die Laseremission gänzlich unterdrücken.
Solche Beispiele werden von W. Schmidt et al., loc. cit., angeführt sowie von A. Hirth, These, Strasbourg, 1974, S.90, wo der Laserfarbstoff Hexamethylindotricarbocyanin nach Zugabe von verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen, wie beispielsweise Rhodamin 6G, Cresylviolett, Diethyloxatricarbocyanin oder Oxazin 1 der Fa. Eastman Kodak, stets eine Verringerung der Laserenergie bezüglich der alleinigen Verwendung des Laserfarbstoffs gefunden wurde. Hirth konnte nachweisen, dass diese Verringerung der Laserenergie durch neue Absorptionsbanden der angeregten Fluoreszenzfarbstoffe hervorgerufen wurde, in dem er eine doppelwandige Küvette benutzte, in deren innerem Gefäss sich der Laserfarbstoff und in äusseren konzentrischen Mantelgefäss sich einer der o. a. Fluoreszenzfarbstoffe befand.
In diesen Fällen ergab sich jedesmal eine Erhöhung der Laserenergie, da die vom Fluoreszenzfarbstoff ausgesandte Fluoreszenzstrahlung wenigstens teilweise von der inneren Küvette mit Farbstofflösung absorbiert wurde und damit deren Anregungsenergie erhöhte, ohne dass gleichzeitig eine Absorption in den längs der Küvettenachse verlaufenden und die innere Küvette ausfüllenden Laserstrahl eingeführt wurde. Die Erhöhung der Laserenergie fiel dabei nur bescheiden aus (etwa 50%), da der grösste Teil des Fluoreszenzlichtes aus der äusseren Mantelküvette nutzlos an der Küvette vorbeiging.
Die oben beschriebenen Nachteile werden durch die Erfindung ganz oder zumindest teilweise überwunden.
Gegenstand der Erfindung sind Farbstoffe auf Basis wenigstens eines Laserfarbmoleküls, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass sie wenigstens einen Fluoreszenzfarbstoffmolekülrest aufweisen, dessen Fluoreszenzbereich sich mit dem Absorptionsbereich des Laserfarbstoffmolekülrestes möglichst weitgehend überlappt und welcher mit dem Laserfarbstoffmolekülrest direkt oder über ein Brückenglied von höchstens 20 Ä Länge derart verknüpft ist, dass die n-Elektronensysteme der einzelnen Laserfarbstoff- bzw. Fluoreszenzfarbstoffmolekülreste kein gemeinsam mesomeriefähiges Konjugationssystem bilden.
Diese Verknüpfung kann bestehen aus mesomerieinaktiven Brückengliedern (z. B. -(CH2)Gruppen von höchstens 20 A Länge, Spiroatome oder Verknüpfung über Aromaten an mesomer weitgehend oder vollständig inaktiven Stellen, wie Benzolderivaten in Meta-Position zueinander.
Ferner können die Untereinheiten auch direkt miteinander verknüpft, aber durch geeignet angeordnete, hinreichend voluminöse Substituenten stark gegeneinander verdrillt und an der Ausbildung eines koplanaren Gesamtsystems gehindert werden.
Die erfindungsgemässe Lösung der gestellten Aufgabe, neue Laserfarbstoffe mit höherem Wirkungsgrad und längerer Gebrauchsdauer und Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, geht zunächst von bekannten Farbstoffen aus. Der Terminus Farbstoff wird hier im weiteren Sinne gebraucht, indem alle Substanzen mit konjugierten Doppelbindungen gemeint sind, was die Farbstoffe im engerem Sinne, nämlich im Sichtbaren absorbierende Stoffe, miteinschliesst.
Zuerst wird ein Laserfarbstoff L gewählt, der in gewünschten Wellenlängenbereich emittiert Ein Laserfarbstoff ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung definiert als ein Farbstoff in weiteren Sinne (also Lichtabsorption durch Anregung eines n-Elektrons), der eine ausreichende Quantenausbeute, d. h. mehr als 0,5 der Fluoreszenz besitzt und deren Singulett-Singulett-Absorption (Sl-Sn) kleiner als der stimulierte Fluoreszenz-Emissionsquerschnitt ist. Sodann wird ein Fluoreszenzfarbstoff Fl gewählt, dessen Fluoreszenzbande sich möglichst gut mit der Absorptionsbande des Laserfarbstoffes decken sollte. Weitere Kriterien zur Auswahl eines geeigneten Fluoreszenzfarbstoffes werden weiter unten erläutert.
Nun können weitere Fluoreszenzfarbstoffe Fz, F3, F4 usw. gewählt werden, die gleich sein können oder verschieden, dergestalt, dass jeweils die Absorptionsbande des Farbstoffs mit dem kleineren Index und die Fluoreszenzbande des Farbstoffs mit einem höheren Index sich möglichst gut überlappen. Diese so ausgewählten Farbstoffe werden nun erfindungsgemäss durch chemische Bindungen entweder direkt oder über Brückenglieder so miteinander verknüpft, dass der räumliche Abstand der Verknüpfungspunkte der Farbstoffe höchstens etwa 20 Ä beträgt, die Farbstoffe aber so verbunden sind, dass die -Elektronensysteme der benachbarten Farbstoffe entkoppelt sind und somit keine wesentlichen Ver änderungen in der Absorptionsspektren gegenüber den ungebundenen Farbstoffen eintreten.
Anders ausgedrückt soll keine Mesomerie zwischen den mesomeren Systemen der einzelnen Farbstoffmoleküle auftreten. Wie der Fachmann ohne weiteres erkennt, kann diese chemische Verknüpfung der Farbstoffe nach Methoden erfolgen, die alle dem Fachmann an sich bekannt sind und von denen einige weiter unten beispielhaft aufgeführt werden sollen. Anhand der angegebenen Beispiele kann der Fachmann weitere analoge Verknüpfungsweisen ausarbeiten.
Der Fachmann wird auch sofort erkennen, dass man von Fall zu Fall entweder von den zu verknüpfenden Farbstoffmolekülen selbst ausgeht, von diesen das erste mit der einen Endgruppe eines Verknüpfungsmoleküls umsetzt, dann dessen andere Endgruppe mit dem zweiten Farbstoffmolekül zur Reaktion bringt; oder in anderen Fällen nicht von den unveränderten Farbstoffen ausgeht, sondern von unsubstituierten oder mit geeigneten, reaktiven Gruppen substituierten Farbstoffderivaten oder von -vorprodukten, die bei der Verknüpfungsreaktion (oder den Verknüpfungsreaktionen) erst den gewünschten Farbstoff bilden.
Bereits mit der chemisch einfach zu realisierenden linearen Verknüpfung durch zwei Methylengruppen ergeben sich vielfältige Möglichkeiten der Verknüpfung, indem die neuen Laserfarbstoffe beispielsweise nach dem folgenden Schema aufgebaut werden können:
L-CH2-CH2-Ft, L-CH2-CH2-Fl-CH2-CH2-F2, L-CH2-CH2-Fi-CH2-CH2-F2-CH2-CH2-F3, und so fort; oder Fl-CHz-CH2-L-CH2-CH2-F2 oder Fl-CH2-CH2-F2-CH2-CH2-L
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und entsprechend diesen Beispielen weitere Kombinationen.
Statt der i.a. besonders einfach durchzuführenden Verknüpfung über zwei Methylengruppen kann selbstverständlich auch eine Verknüpfung über eine oder mehr als zwei Methylengruppen erfolgen. Ferner können an die Stelle der CH2-Gruppen auch CHR- oder CRlR2-Gruppen, aber auch -CH2-O-CH2- oder CHz-N(R)-CH2 oder CHz-S-CH1-Ggruppen treten.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist daher ein Farbstoffmolekül die allgemeine Formel
X (CRlR2)n X [(CR1R2)n X]m auf, worin n 0 oder eine ganze Zahl von 1 bis zu der einer Kettenlänge von 20 Ä entsprechenden Zahl, m 0, 1,2 oder 3, X einen Laserfarbstoffrest L oder Fluoreszenzfarbstoffrest F und Rl und R2 unabhängig voneinander je ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen bedeuten können, mit der Massgabe, dass eine der Gruppen X einen Rest L darstellt, alle Reste F gleich oder veschieden sein können und die Brückenglieder CRtR2 auch durch Sauerstoff-, Stickstoffoder Schwefelatome miteinander verbunden sein können.
Handelt es sich bei den Gruppen - (CRIR2)n - nur um Alkylengruppen, so kann n eine Zahl von 1 bis 13 bedeuten.
Eine andere Verknüpfungsart ist die, drei Farbstoffe über ein tertiäres Kohlenstoffatom zu verknüpfen, wenn die sterischen Verhältnisse dies gestatten. Beispiele hierführ sind:
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und entsprechende weitere Variationen. Sie weisen die allgemeine Formel HC[(CH2)n X]3 auf, worin für n und X die oben angegebene Definition gilt.
Als weitere Verknüpfungsart ist die über ein oder mehrere quartäre C-Atome, beispielsweise in einem Spiro- oder Allensystem, möglich gemäss den beispielhaften Formeln
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Eine weitere Möglichkeit der Verknüpfung ist die nach der Art der Cyclophane:
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<tb> oder
<tb> <SEP> F
<tb> <SEP> · <SEP> M
<tb> <SEP> (ctI2)n1 <SEP> (Cll2)1
<tb> H-C <SEP> - <SEP> L-C-H
<tb> <SEP> (ClI2)n1 <SEP> ) <SEP> 1 <SEP> (CIH2)n1
<tb> H-C <SEP> - <SEP> F2C-H
<tb> <SEP> (CH2 <SEP> ) <SEP> n1 <SEP> (CH2 <SEP> ) <SEP> n1
<tb> <SEP> und <SEP> so <SEP> weiter.
<tb> <SEP> F3 <SEP> Hierbei <SEP> bedeutet <SEP> nl <SEP> eine <SEP> ganze
<tb> <SEP> Zahl <SEP> von <SEP> 1 <SEP> bis <SEP> 13, <SEP> vorzugsweise
<tb> <SEP> von <SEP> 1 <SEP> bis <SEP> 4.
<tb>
Es können so auch ringförmige oder netzförmige Anordnungen und durch Querverbindungen schichtartige Anordnungen aufgebaut werden.
Weiterhin können die Farbstoffreste X auch Seitengruppen von Ringverbindungen sein, wobei sie am Ring sowohl in Nachbarstellung als auch voneinander entfernt angeordnet sein können. Eine beispielhafte Möglichkeit zeigt die folgende Formel:
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Derartige über ein alizyklisches oder heterozyklisches Ringsystem verknüpfte erfindungsgemässe Farbstoffe können z. B.
durch 1,3-dipolare Addition oder durch Diels-Adler- oder andere Cycloadditionen gewonnen werden.
Ferner können auch Heteroatome in die Brücken eingefügt oder als Brücken benutzt werden, z. B. eine Ätherbrücke:
Fl-CH2-O-CH2-L-CH2-O-F2 und so weiter.
Weiterhin können auch zwei Farbstoffe ohne Brückenatome direkt miteinander Verknüpft werden, ohne dass dadurch die it-Elektronensysteme gegenseitig wesentlich beeinflussen, indem diese entweder aufgrund ihrer Struktureigentümlichkeiten von selbst oder durch Anfügen genügend raumerfüllender Substituenten an mindestens einem der Farbstoffe dafür gesorgt wird, dass die Ebenen der Farbstoffe angenähert senkrecht aufeinanderstehen.
Die Farbstoffe können auch über ungesättigte oder aromatische oder heterocyclische Gruppierungen verknüpft sein, wenn die oben erwähnten, zur Isolierung der Chormophroe erforderlichen, z. B. sterischen, Bedingungen erfüllt sind. Hierzu rechnet auch eine mesomer weitgehend indifferente Verknüpfung über einen Aromaten, wie beispielsweise durch Metaverknüpfung über einen Benzolring gemäss folgender, allgemeiner Formel:
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in welcher X die obige Bedeutung zukommt.
Die Verknüpfung der Farbstoffe ist, wenn sie zumindest je eine Hydroxyl- oder Aminogruppe tragen, auch über Moleküle wie Cyanurchlorid oder andere für den Aufbau von Reaktiv Farbstoffen verwendbare Anker-Verbindungen möglich, beispielsweise gemäss den allgemeinen Formeln
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Zur Herstellung der erfindungsgemässen neuen Farbstoffe stehen dem Fachmann zahlreiche Methoden zur Verfügung.
Besonders einfach ist die Knüpfung der verschiedenen Farbstoffreste X mit Hilfe von Brücken bildenden Verbindungen mit zwei reaktionsfähigen Gruppen, welche die Verknüpfung mit den Farbstoffresten herstellen können. Geeignete Brückenbildner-Verbindungen sind beispielsweise Diole, Dialdehyde, Dicarbonsäuren und deren reaktionsfähige Derivate wie Ester, Säurechloride, Säureazide, Isocyanate und dergleichen, Diepoxide, Diamine und dergleichen. Diese Brücken-bildenden Verbindungen können mit entsprechenden reaktionsfähigen Gruppen in den einzelnen Farbstoffmolekülen in an sich bekannter Weise zur Umsetzung gebracht werden, beispielsweise mit Carboxylgruppen und deren Derivaten, Aminogruppen, Hydroxylgruppen, Ketogruppen, Aldehydgruppen und dergleichen.
Alle diese Umsetzungen sind dem Fachmann wohlbekannt und brauchen hier nicht näher beschrieben werden (E. Siegel: Reactive dyes: reactive groups in K. Venkataraman, The Chemistry of Synthetic dyes, Vol. 6 (1972) S. 1-209; ferner: Coons, J. Immunology 45 (1942) 159, Riggs, Americ. J. Pathol. 34 (1958) 1081).
Typische Beispiele für die oben genannten Umsetzungen sind die Reaktion einer Carboxylgruppe oder aktivierten Carboxylgruppe, die sich an einem Farbstoffmolekül befindet, mit einem Diol unter Bildung des entsprechenden Halbesters, der dann mit einem zweiten Farbstoffmolekül zum erfindungsgemässen Farbstoff umgesetzt wird. Diese Umsetzung kann beispielsweise in Gegenwart einer starken Säure in einem nicht mit Wasser mischbaren, organischen Medium, wie einem halogenierten Kohlenwasserstoff, durchgeführt werden. Geeignete starke Säuren sind beispielsweise Sulfonsäuren, wie Toluolsulfonsäure oder Sulfonsäuregruppen tragende Polymere.
Eine andere Möglichkeit zur Verknüpfung der Carboxylgruppe mit einer Hydroxylgruppe besteht in der Umsetzung in Gegenwart eines Alkoholats.
Enthält der in den erfindungsgemässen Farbstoff einzubauende Farbstoffrest keine reaktiven Substituenten, aber aromatische Ringsysteme, so bietet sich eine Verknüpfung nach den Methoden der aromatischen Substitution an. Beispielsweise können Phenylreste mit aktivierten Säurederivaten, wie Säureanhydride oder Säurechloriden in Gegenwart von Aluminiumchlorid, in einem geeigneten organischen Medium substituiert werden. Die hierbei gebildeten Ketone können dann wiederum in bekannter Weise unter Entfernung des Sauerstoffatomes reduziert werden, beispielsweise mit Hydrazinhydrat in stark alkalischem Medium.
, Eine weitere Verknüpfungsmöglichkeit von Farbstoffresten X, die eine Hydroxy- oder Amingruppe aufweisen, besteht in der Reaktion mit Cyanurchlorid unter Bildung eines s-Triazins, beispielsweise nach vorliegendem Schema:
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Eine weitere Verknüpfungsweise besteht darin, dass jeder der Farbstoffe Fl .2.... und L mit einer Reaktivgruppe R versehen wird.
Diese Farbstoffe werden dann mit einem geeigneten Polyalkohol, Polyphenol oder Polyamin (oder auch mit gemischten Amino-Alkoholen) zu einem erfindungsgemässen Farbstoff mit beispielsweise folgendem Aufbauschema verknüpft:
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Selbstverständlich können zwei oder mehr der angegebenen Verknüpfungsweisen miteinander kombiniert werden, wenn dies unter den im Einzelfall gegebenen Umständen, insbesondere unter Beachtung der chemischen Eigenschaften der zu verknüpfenden Farbstoffe, sinnvoll erscheinen sollte.
Demzufolge besteht ein erfindungsgemässes Verfahren zu Herstellung der oben beschriebenen neuen Farbstoffe darin, dass in an sich bekannter Weise a) ein i. a. eine reaktionsfähige Gruppe tragender, erster Laserfarbstoff oder Fluoreszenzfarbstoff mit einer Brückenbildner-Verbindung, deren Moleküllänge 20 A nicht wesentlich übersteigt und welche wenigstens zwei reaktionsfähige Gruppen aufweist, von denen wenigstens eine eine kovalente Bindung mit dem ersten Farbstoff einzugehen vermag, in äquimolaren Mengen umgesetzt wird und das Reaktionsprodukt mit seiner zweiten reaktiven Gruppe mit einem zweiten Farbstoff, der vom ersten Farbstoff verschieden ist, umgesetzt wird, wobei einer der Farbstoffe ein Laserfarbstoff ist und gegebenenfalls das Produkt ein- oder mehrmals mit einem weiteren Brückenbildner-Molekül und einem weiteren Fluoreszenzfarbstoff umgesetzt wird,
oder b) ein aromatisches Ringsystem unter den Bedingungen der Metasubstitution mit wenigstens einem Fluoreszenzfarbstoff und einem Laserfarbstoff, welche substitutionsfähige Gruppen, wie aktivierte Säurereste, tragen, nacheinander umgesetzt wird, oder c) ein Laserfarbstoff und wenigstens ein Fluoreszenzfarbstoff, welche mit einem geeigneten Ankermolekül, wie Cyanurhalogenid, umgesetzt werden, oder d) ein Laserfarbstoff und mindestens ein Fluoreszenzfarbstoff nach den üblichen Methoden zur Darstellung entsprechender aromatischer Verbindungen direkt miteinander verknüpft werden, wobei durch ausreichend voluminöse Substituten die Ausbildung eines gemeinsames konjugiertes Systems verhindert wird, oder e) ein Laserfarbstoff und mindestens ein Fluoreszenzfarbstoff jeweils mit einem bifunktionellen Brückenbildnermolekül verbunden werden,
wobei anschliessend die zweite reaktive Gruppe des Brückenbildnermoleküls mit einem gemeinsamen Ankermolekül verknüpft wird, welches ein aromatischer Kohlenwasserstoff, ein Heterozyklus oder ein Hochpolymeres sein kann.
Bei den neuen Farbstoffen tritt gelegentlich die Schwierigkeit auf, dass aufgrund der Molekülgrösse die Löslichkeit in Wasser oder Alkohol, den am meisten benutzten Lösungsmitteln für Laserfarbstoffe, zu gering wird. Diese Schwierigkeit lässt sich dadurch umgehen, dass man in an sich bekannter Weise am geeigneten Stellen löslichkeitserhöhende Gruppen in das Molekülgerüst einführt, z. B. Sulfonatgruppen oder quaternäre Amino- oder Alkylaminogruppen zur Erhöhung der Löslichkeit in Wasser und/oder lineare oder verzweigte Alkylgruppen und/oder tertiäre Alkylaminogruppen zur Erhöhung der Löslichkeit in Alkohol.
Die überlegene Eignung der oben beschriebenen Farbstoffe als Laserfarbstoffe beruht darauf, dass innerhalb des
Moleküls von den Fluoreszenzfarbstoffresten Fi (i = 1,2,3...) zum Laserfarbstoffrest L ein strahlungsloser Energieübergang erfolgt, dergestalt, dass nach Massgabe der Überlappung der jeweiligen Absorptions- und Fluoreszenzspektren in der weiter oben beschriebenen Art und Weise der Energieübergang zum
Laserfarbstoff direkt oder aber auch in mehreren Schritten von einem zum anderen Fluoreszenzfarbstoff bis schliesslich zuletzt zum Laserfarbstoff erfolgt.
Da der Abstand zwischen den Fluoreszenz- und Laserfarbstoffresten erfindungsgemäss kleiner als 20 Ä ist, wird die strahlungslose Energieübertragung praktisch vollständig, was sich quantitativ wie folgt berechnen lässt. Die übergangshäufigkeit k für den strahlungslosen Ener gieübergang vom Donor- zum Akzeptormolekül, hier also bei spielsweise von F1 nach L oder von Fi nach Fi-l, ist nach der
Förster-Theorie gegeben durch k = 1/ TF (Ro/R) wobei TF die
Fluoreszenzabklingdauer des Donormoleküls in unendlicher
Entfernung von Akzeptormolekül bedeutet, R den Abstand zwischen Donor- und Akzeptormolekül und Ro einen charakteristischen Abstand,
bei dem gerade die Wahrschein lichkeit des Energieüberganges 50% beträgt und der sich aus
Spektren von Donor- und Akzeptormolekül berechnen lässt und bei den meisten hier in Frage kommenden Farbstoffen grössenordnungsmässig 100 A beträgt. Um die Grössenord nung von k zu berechnen, wird für R der erfindungsgemäss grösstmögliche Abstand der Verknüpfungsstellen von Donor und Akzeptormolekül eingesetzt, also R = 20 A: Dann ergibt sich k = llTF(1O012O)6 = 15625/ in. Das heisst, dass die Über gangshäufigkeit des strahlungslosen Energieübergangs vom
Donor- zum Akzeptormolekül mehr als 104mal grösser ist als die der Desaktivierung des angeregten Donormoleküls durch spontane Fluoreszenzemission, 1/ TF.
Infolgedessen ist der Übergang der Anregungsenergie von dem Donor- auf das
Akzeptormolekül praktisch vollständig, da nur weniger als jedes zehntausendste Donormolekül spontan emittiert, statt seine Energie auf das Akzeptormolekül zu übertragen. Ist der räumliche Abstand zwischen dem Donor und Akzeptor wesentlich kleiner als 20 Ä,so nimmt die Übergangshäufigkeit k noch wesentlich grössere Werte an. Die angegebenen Ro-Werte beziehen sich nach der Försterschen Theorie auf einen Mittelwert für statistisch orientierte Donor- und Akzep tormoleküle, während hier i. a. eine räumliche Fixierung zuein ander liegt. Eine genaue Berücksichtigung bringt für alle mögli chen Orientierungen jeweils nur einen Korrekturfaktor von der Grössenordnung 1.
Bei den erfindungsgemässen Farbstoffen ist also infolge der
Begünstigung der Energiewanderung die fotochemische Wir kung des Lichtes, ohne dass es eines äusseren Filters bedarf, auf einen unerheblichen Bruchteil herabgedrückt und dadurch ihre
Gebrauchsdauer bedeutend vergrössert.
Es ist besonders bemerkenswert, dass die Energieübertra gung, da sie hier innermolekular erfolgt, auch bei sehr verdünn ten Lösungen, wie sie bei grossvolumigen Farbstofflasern benö- tigt werden, unverändert wirksam wird, im Gegensatz zur strahlungslosen Energieübertragung in Farbstoffgemischen, wie sie bisher angewendet wurden.
Eine weitere vorteilhafte Wirkung der innermolekularen strahlungslosen Energieübertragung in den neuen Farbstoffen wird durch die Verkürzung der Lebensdauer des angeregten
Zustandes des Donors verursacht. Während die Lebensdauer X des angeregten Singulettzustandes des isolierten Donormole küls (d. h. in guter Näherung in Lösungen mit Konzentrationen kleiner als 2 1 10-4 M) gleich der Fluoreszenzabklingdauer TF ist, wird X durch den strahlungslosen Energieübergang verkürzt gemäss 1/ T = 11 TF + k. Nach obiger Abschätzung wird damit T < 10-4- Tr.
Da nun aber die Absorptionswahrscheinlichkeit eines Anregungslichtquants oder (was wegen der dadurch hervorgerufenen Verluste noch wesentlich bedeutsamer ist) eines Laserlichtquants durch ein angeregtes Donormolekül proportional der Lebensdauer seines angeregten Zustandes ist, werden die Verluste durch Reabsorption des Anregungs- undloder Laserlichts in den neuen Laserfarbstoff, verglichen mit Mischungen der entsprechenden Farbstoffe, um mindestens einen Faktor 104 verringert sein.
Tatsächlich ist dieser Faktor noch wesentlich höher, da auch die Zahl der langlebigen Triplettzustände mit den gemäss ihrer langen Lebensdauer von typischerweise mehr als 10-7 Sekunden besonders hohen Absorptionswahrscheinlichkeit um mindestens den Faktor 104 verringert wird, da die Zahl der erzeugten Tripletts ebenfalls proportional der Lebensdauer des angeregten Zustandes ist.
Aus den Ausführungen über die Verkürzung der Lebensdauer des angeregten Zustandes durch strahlungslose Energieübertragung lässt sich auch sofort entnehmen, dass selbst praktisch nichtfluoreszierende Donormoleküle benutzt werden können, da die mit dem strahlungslosen Energieübergang konkurrierenden strahlungslosen Desaktivierungsprozesse selbst bei Fluoreszenzquantenausbeuten von 10-4 (d. h. bei nichtfluoreszierenden Farbstoffen) langsamer sind als der strahlungslose Energieübergang. Dies ist experimentell von D. Möbius und G. Dreizler, Photochem. Photobiol. 17 (1973) 225 am Beispiel von nichtfluoreszierenden Azofarbstoffen als Donormolekülen und Cyaninfarbstoffen als Akzeptormolekülen auch bereits nachgewiesen worden.
Trotzdem wird man vorteilhafterweise als Donorfarbstoffe solche mit zumindest mässiger Fluoreszenzquantenausbeute (etwa > 1 %) auswählen, um die konkurrierenden strahlungslosen Desaktivierungsprozesse möglichst weitgehend zu unterdrücken, da sie einen, wenn auch nur geringen Verlust von Anregungsenergie bedeuten.
Die erfindungsgemäss erzielbare Verlängerung der Gebrauchsdauer der neuen Farbstoffe bei Verwendung als Laserfarbstoffe ergibt sich daraus, dass in unmittelbarer Nähe des Laserfarbstoffrestes ein kürzerwellige Strahlung absorbierender Fluoreszenzfarbstoffrest sich befindet, der dem Laserfarbstoffrest als Schutzfilter dient. Diese Schutzwirkung wird um so stärker, je mehr Fluoreszenzfarbstoffreste im selben Molekül auf die oben beschriebene Weise mit dem Laserfarbstoffrest verknüpft sind. Man könnte nun erwarten, dass dann möglicherweise gerade die das Ultraviolettlicht absorbierenden Donormoleküle fotochemisch zerstört werden und damit ihre Schutzwirkung verlieren.
Jedoch wurde gefunden, dass die Donormoleküle durch die verkürzte Lebensdauer des angeregten Zustandes aufgrund des strahlungslosen Energieübergangs zu den Akzeptormolekülen weitgehend gegen fotochemische Zerstörung geschützt werden.
Eine weitere günstige Eigenschaft der neuen Farbstoffe wird dann erzielt, wenn einer der mit dem Laserfarbstoffrest verknüpften Fluoreszenzfarbstoffreste ein Triplettniveau besitzt, das energetisch niedriger liegt als das Triplettniveau des Laserfarbstoffrestes, und wenn dieser Fluoreszenzfarbstoffrest so mit dem Laserfarbstoffrest verknüpft ist, dass der räumliche Abstand der Verknüpfungsstellen nur wenige ng ström (bis ca. 8) beträgt. Ausserdem darf der besagte Fluoreszenzfarbstoffrest keine oder höchstens eine geringe Triplett Triplett-Absorption im Bereich der Laserwellenlänge aufwei sen. Dann ergibt sich folgende Wirkung: Der besagte Fluores zenzfarbstoffrest absorbiert Anregungslicht und überträgt seine Anregungsenergie strahlungslos entweder direkt oder über eine oder mehrere Stufen auf den Laserfarbstoffrest.
Die ser sendet nun entweder stimuliert oder spontan ein Lichtquant aus oder wird durch strahlungslose Vorgänge desaktiviert.
Dabei besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeilt dafür, dass der besagte Laserfarbstoffrest in den Triplettzustand übergeht, der mit seiner langen Lebensdauer in der oben beschriebenen Weise starke Reabsorptionsverluste bewirken würde. Durch die Nähe des besagten Fluoreszenzfarbstoffrestes wird jedoch mit einer hohen Wahrscheinlichkeit ein strahlungsloser Energieübergang zu dessen tiefer liegendem Triplettniveau bewirkt.
Auf diese Art und Weise wird der Triplettzustand des Laser farbstoffs schnell beseitigt, ohne dass zusätzliche Triplettlöscher, wie z. B. Sauerstoff oder Cyclooctatetraen, zugefügt werden müssen, die in den meisten Fällen noch unerwünschte chemische Nebenwirkungen zeigen.
Schliesslich sei noch erwähnt, dass die hier beschriebenen
Farbstoffe selbstverständlich auch für andere Anwendungen vorteilhaft sein können, beispielsweise als Textil; Leder- oder als Pigmentfarbstoffe, z.B. für Lacke, Anstriche oder Druckfarben. Durch die hier beschriebenen Verknüpfungen lassen sich besonders lichtechte Textilfarbstoffe, z. B. unvergrünliches
Schwarz u. a. mehr, darstellen, die auf anderem Wege, etwa durch Farbstoffmischungen oder durch Nachfärben mit einem oder weiteren Farbstoffen, nur schwer, wenn überhaupt, zu erhalten sind.
Es ist nach den obigen Ausführungen für den Fachmann eine einfache Aufgabe, durch entsprechende Substi tutionen und Auswahl der zu verknüpfenden Farbstoffe eine Anpassung der Eigenschaften der neuen Farbstoffe an die jeweilige Anwendung vorzunehmen, beispielsweise der Aufzieheigenschaften auf verschiedene Textilfasern usw.
Beispiele
Im folgenden werden Synthesewege für drei der neuen Laserfarbstoffe angegeben und zu jedem Beispiel weitere Farbstoffkombinationen genannt, die auf diese Weise verknüpft werden können, um neue Laserfarbstoffe zu erhalten.
Beispiel 1: Rhodamin K1
Der als Rhodamin Kt bezeichnete neue Farbstoff entsteht durch Verknüpfung von je einem Rhodamin 6G und Rhodamin B auf dem folgenden Wege:
EMI8.1
<tb> <SEP> Et <SEP> 0 <SEP> NH <SEP> Et
<tb> <SEP> 0
<tb> Rhodamin <SEP> 6G <SEP> XCOO-Et <SEP> + <SEP> HOCH2CH2CH2CH2OH
<tb> <SEP> 0 <SEP> COO-Et <SEP> Butandiol <SEP> 11,4)
<tb> <SEP> I3utandiol <SEP> (1,4)
<tb> <SEP> 76
<tb> Et'HN <SEP> eµ,O
<tb> <SEP> 0 <SEP> 0OO-CH2-CH2-CH2-CH2-OH
<tb> <SEP> Rhodamin <SEP> 6G-butandiol- <SEP> (1,4)
<tb> <SEP> halbester
<tb> <SEP> Rhodamin <SEP> B
<tb> <SEP> HOOC
<tb> <SEP> +
<tb> <SEP> 0
<tb> <SEP> N/Et
<tb> <SEP> Et <SEP> Et
<tb>
EMI9.1
<tb> <SEP> 34 <SEP> %1
<tb> EtH <SEP> O, <SEP> H <SEP> Et <SEP> ns
<tb> <SEP> iN <SEP> N
<tb> <SEP> Rhodamin <SEP> Kl <SEP> Et <SEP> o <SEP> 52 <SEP> 4 <SEP> o <SEP> @
< > <SEP> N\/Et
<tb> <SEP> Et/N <SEP> @ <SEP> Et
<tb> A. Rhodamin 6G-butandiol-(1,4)-halbester
44 g Rhodamin 6G (0,1 mol) und 27 g Butandiol-(1,4) (0,3 mol) werden mit etwa 3 g Natriummethylalkoholat unter Wasserstrahlvakuum auf ca. 100 "C erhitzt, bis kein Äthanol mehr abdestilliert. Unter Kühlung wird mit 10% Salzsäure eben neutralisiert bis der Halbester der Base sich abscheidet; er wird abgesaugt, mit wenig kaltem Wasser gewaschen und getrocknet. Ausbeute 35,5 g = 76%.
B. Rhodamin 6G-Rhodamin B-butandiol-(1,4)-diester = Rhodamin K1
Unter sorgfältiger Kühlung mischt man 11,6 g Rhodamin B (0,03 mol) mit 6 g konzentrierter Schwefelsäure und trägt hierin 30 g des Butandiol-(1,4)-halbesters des Rhodamin 6G (0,06 mol) ein. Nach 2stündigem Stehenlassen bei Raumtemperatur erwärmt man für eine Stunde auf 80 "C, um die Lösung dann in 600 ml Eiswasser zu giessen. Nach etwa 10 Stunden ist die Masse kristallisiert; das Gemisch der Sulfate wird abfiltriert, in Wasser gelöst und mit Natriumcarbonatlösung neutralisiert.
Nicht umgesetzte Rhodamin-6G-Säure und Rhodamin B werden abfiltriert; die filtrierte Lösung wird vorsichtig mit konzentrierter NaCl-Lösung ausgesalzen, wobei sich das salzsaure Salz des Diesters abscheidet. Ausbeute 9,1 g = 34 %.
Analoge Verknüpfungen wurden auch mit folgenden Farbstoffpaaren durchgeführt: Rhodamin 6G + Rhodamin S Rhodamin 6G + Pyronin Rhodamin S + 2,7-Dichlorfluorescein Beispiel 2: Fluorescein K1
Der als Fluorescein K1 bezeichnete Farbstoff entsteht durch Verknüpfung von je einem Fluorescein mit 2,7-Dichlorfluorescein auf dem folgenden Wege:
EMI9.2
<tb> <SEP> HO
<tb> F1uoreseein%OH <SEP> + <SEP> HO-CH2-CH2-CH2-CH2-OH
<tb> <SEP> ;Butandiol-(1,4)
<tb> <SEP> 77 <SEP> o/
<tb> <SEP> 77%
<tb> <SEP> \ <SEP> ,
<tb> <SEP> HO <SEP> F1uoresceinbandio1- <SEP> (1,4)
<tb> <SEP> |
<SEP> l <SEP> l <SEP> Fluorescein-butandiol-(1,4)
<tb> <SEP> halbester
<tb> <SEP> 0 <SEP> CO-O-0H2-CH2--CH2-CH2-OH
<tb>
EMI10.1
<tb> <SEP> 0
<tb> <SEP> + <SEP> HOOC
<tb> <SEP> ct
<tb> <SEP> 0 <SEP> ct
<tb> <SEP> HO <SEP> O <SEP>
<tb> <SEP> 2,7-Dichlorfluorescein
<tb> <SEP> 47 <SEP> %1
<tb> HO <SEP> 0
<tb> <SEP> CO-O <SEP> -CH <SEP> 2-CH2-CH2-CHa-O-OC(
<tb> <SEP> v <SEP> Cl <SEP> > S+Ct <SEP>
<tb> <SEP> Fluorescein <SEP> K1 <SEP> wo <SEP> O <SEP> ici
<tb> A. Fluorescein-butandiol41,4)-halbester
33,2 g Fluorescein (0,1 mol) werden mit 50 g Butandiol < 1,4) (0,6 mol), 2 g Toluolsulfonsäure und 100 ml CCl4 versetzt und am Wasserabscheider solange (8 Stunden) gekocht, bis kein Wasser mehr abgeschieden wird.
Die Hauptmenge des nicht umgesetzten Alkohols und des CCl4 wird abdestilliert; das aus gefallene Produkt wird mehrfach mit Wasser, wässriger Bicar bonatlösung und wieder mit Wasser gewaschen. Der rote Halb ester wird abgesaugt und mit Wasser, dann mit kalten Äthanol gewaschen. Das Rohprodukt wird aus Aceton umkristallisiert. Ausbeute 31 g = 77%.
B. Fluorescein-2,7-dichflorfluorescein-butandiol < 1,4ydiester =
Fluorescein K1
12,3 g 2,7-Dichlorfluorescein (0,02 mol) werden mit 24,2 g Fluorescein-butandiol( 1 ,4Shalbester (0,06 mol) und 3 g Toluolsulfonsäure in 300 ml Glykoldiäthyläther in einer Kreislaufapparatur mit gesondertem Trockenmittel (P20s) 15 Stunden gekocht. Dann wird die Hauptmenge des Lösungsmittels abdestilliert, mit Wasser, wässriger Bicarbonatlösung und wieder mit Wasser gewaschen, die festen Reaktionsprodukte abge saugt, mit warmem Wasser, dann mit Äthanol gewaschen. Das
Rohprodukt wird zweimal aus Essigsaure-n-butylester umkri stallisiert. Ausbeute 7,4 g = 47%.
Beispiel 3: Terphenyl K1
Der als Terphenyl K1 bezeichnete Laserfarbstoff entsteht durch Verknüpfung von je einem Molekül 9,1 0-Diphenylanthracen und Terphenyl auf dem folgenden Wege:
EMI11.1
<tb> <SEP> 0
<tb> <SEP> o
<tb> <SEP> + <SEP> )LCH2 <SEP> ¯¯¯¯¯¯
<tb> <SEP> o
<tb> <SEP> +o
<tb> <SEP> Terphenyl <SEP> 0
<tb> <SEP> 0
<tb> 71 <SEP> O/o <SEP> II
<tb> <SEP> 10 <SEP> C--CH2- <SEP> CH2- <SEP> COOH
<tb> 4-(4-Terphenyl)-4-oxobuttersäure
EMI11.2
EMI11.3
<tb> <SEP> 0
<tb> <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> <SEP> t <SEP> + <SEP> Ct-C11-CH2-CH2-C11
<tb> <SEP> 63 <SEP> %
<tb> 9,10-Diphenylanthracen <SEP> <SEP> t
<tb> <SEP> Oo
<tb> <SEP> II <SEP> II
<tb> <SEP> t <SEP> CH2CH2C <SEP> m
<tb> <SEP> 1-4'-(9, <SEP> l0-Diphenyl
<tb> <SEP> F;
;.? <SEP> OI- <SEP> anthrac <SEP> erryl <SEP> )-I <SEP> - <SEP> 4- <SEP> ( <SEP> 4- <SEP> t <SEP> erphenyl <SEP> )
<tb> <SEP> W <SEP> 63 <SEP> O/o <SEP> aifl,t4hrauCtaeflnYlio)=W <SEP> -4- <SEP> 4-butandion
<tb>
EMI12.1
<tb> <SEP> 0 <SEP> CH2-CH2-CH2CH2 <SEP> M·¸
<tb> C <SEP> X,CH2CH2CH2CH2 <SEP> <
<tb> <SEP> -erphenyl <SEP> E1
<tb> A. 444-Terphenyl4-oxo-buttersäure
In 100 ml Schwefelkohlenstoff werden 45 g AlCl3 (0,4 mol) und 10 g Bernsteinsäureanhydrid (0,1 mol) suspendiert. Nach Abkühlen der Mischung mit Eiswasser wird hierzu eine Suspension von 23 g Terphenyl (0,1 mol) in 50 ml Schwefelkohlenstoff innerhalb einer Stunde allmählich zugegeben. Unter Rühren lässt man die Mischung sich auf Raumtemperatur erwärmen, bis die HC1-Entwicklung zu Ende geht.
Man lässt noch 3 Stunden stehen, gibt das Reaktionsprodukt dann auf eine Mischung aus Eis und konzentrierter Salzsäure. Der verbleibende feste Rückstand wird abgesaugt und mit Wasser gewaschen. Man löst ihn in heisser, konzentrierter Sodalösung, filtriert und säuert das Filtrat mit halbkonzentrierter Salzsäure an, wobei die 4-(4-Terphenyl)4-oxo-buttersäure ausfällt. Ausbeute 23 g = 71%.
Ein Äquivalent der Säure wird nun mit 1,5 Äquivalent Thionylchlorid in das Säurechlorid überführt; überschüssiges Thionylchlorid wird im Vakuum abgezogen. Ausbeute 22 g = 87%.
B. 1{4B-(9,10-Diphenylanthracenyl)-]4-(4-terphenyl)-1,4-butan- dion
In 100 ml Thrichloräthylen werden 45 g AlCl3 (0,4 mol) und
19 g des Säurechlorids der 4-(4-Terphenyl)4-oxo-buttersäure (0,05 mol) suspendiert; die Suspension wird mit Eis gekühlt und dann eine Suspension von 16,5 g 9,10-Diphenylanthracen (0,05 mol) allmählich zugegeben, wobei die Temperatur nicht über 20 "C ansteigen soll. Man rührt noch eine Stunde weiter, lässt dann noch zwei Stunden stehen. Die Mischung wird nun auf etwa 600 g Eis gegeben, dem nach Bedarf konzentrierte Salzsäure zugesetzt wird. Die Trichloräthylenphase wird abgetrennt, die Wasserschicht dreimal mit Trichloräthylen ausgeschüttelt.
Die organische Phase wäscht man mit Wasser, 2% NaOH und wieder mit Wasser; sie wird mit Kaliumcarbonat getrocknet, dann das Lösungsmittel abdestilliert. Das entstehende Diketon li2-(9,10-Diphenylanthracenyl)-4-terphe 1,4-butandiol wird aus O-Dichlorbenzol umkristallisiert. Ausbeute 20,2 g = 63%.
C. 1{4'A9,10-Diphenylanthracenyl > ]444-Terphenylfbutan = Terphenyl K1
18 g des vorstehend beschriebenen Diketons (0,03 mol) werden mit 8 g 85%iger Hydrazinhydratlösung (0,2 mol) und 14 g fein gepulvertem Kaliumhydroxid (0,25 mol) in 50 ml Triglykol zwei Stunden unter Rückfluss gekocht. Dann wird langsam ein Gemisch von Hydrazin und Wasser so abdestilliert, bis die Temperatur des Reaktionsgemisches 195 "C beträgt. Dies behält man bis zum Ende der Stickstoffentwicklung bei. Nach dem Abkühlen verdünnt man mit Wasser und äthert den Kohlenwasserstoff aus. Nach Abziehen des Äthers wird er aus Ligroin umkristallisiert. Ausbeute 11,6 g = 63%.
Analoge Verküpfungen wurden für folgende Farbstoffpaare durchgeführt: 9,1 0-Diphenylanthracen + 4-Methoxy-Terphenyl, 9,10-Diphenylanthracen + Quaterphenyl, Pyren + Terphenyl, Fluoren + 4,4 -Bis-(alkyloxy)-p-quaterphenyl.
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
Forming molecule is linked to a common anchor molecule.
14. The method according to claim 13, characterized in that the anchor molecule consists of an aromatic hydrocarbon, a heterocycle or a high polymer.
The invention relates to new dyes and processes for their production, namely new dyes which have a significantly higher efficiency and a significantly higher service life when used in dye lasers.
Of the laser dyes usually used, only a small fraction of the white excitation light of the xenon flash lamps, which are mostly used as an excitation light source, can be used, namely predominantly that which is absorbed by the narrow, long-wave absorption band of the dye molecule.
Since the half-widths of the absorption band of the customary laser dyes are typically 5000 cm -1, the emission spectrum of the xenon flash lamps from the permeability limit of the quartz glass bulb at about 200 nm (= 50,000 cm-1) to above the absorption limit of the long-wave absorbing dyes at about 1 ", lm (= 10,000 cm-1 is sufficient, i.e. it comprises 40,000 cm-1, typically only about one eighth of the available power of the exciting xenon flash lamps can be used.
In fact, the fraction used is usually still much lower, since the energy emitted by the xenon flash lamps is not evenly distributed over the entire spectrum, but rather increases significantly after short wavelengths, and the more so, the shorter the rate at which the current pulse rises Flash lamp and the higher the current density in it. Since both the current rise rate and the current density are chosen to be as high as possible in the customary dye lasers for reasons well known to the person skilled in the art, usually only about a tenth of the incident light can be absorbed and converted into laser radiation.
This and the losses in the conversion of electrical to optical energy in the flash lamp result in a maximum efficiency (= laser energy / electrical pulse energy) of only 1.5% for the best dye lasers in existence today. A more detailed description of these conditions can be found at F.P. Schäfer: Principles of Dye Laser Operation in: Dye Lasers, F.P. Schäfer, Ed., Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1973. It is therefore an object of the present invention to provide dyes and processes for their production which utilize as much of the excitation light as possible and thereby achieve a higher efficiency of the dye laser .
Another goal is the creation of dyes, which make it possible not only to operate dye lasers in pulse mode with xenon flash lamps, but also using continuously burning, incoherent light sources with an essentially white spectrum, such as high-pressure xenon lamps, metal halide lamps or the sun, for example Intensity when using conventional dyes is not sufficient for the continuous operation of dye lasers.
Another object of the invention is to increase the useful life of laser dyes. It is known that all laser dyes are destroyed more or less quickly photochemically, which is essentially caused by the ultraviolet component of the excitation light. For example, the useful life of a solution of Rhodamine 6G in a dye laser from L. Ringwelski and F. P. Schäfer (F. P. Schäfer, Liquid Lasers, in Laser Handbook, F. T. Arecchi and E. O.
Schulz-Du Bois, Eds., North Holland, Amsterdam, 1972, p. 404) can be increased tenfold by filtering out the ultraviolet portion of the excitation light using a 0.75 molar copper sulfate solution.
Finally, it is an object of the invention to provide new dyes for textiles, leather and the like, and pigment dyes for paints, varnishes, printing inks and the like. Ä. To create that have superior lightfastness.
Attempts have been made to make better use of the excitation light spectrally by using mixtures of the laser dye with shorter-wave absorbing, well-fluorescent dyes instead of a single laser dye, the fluorescence of the added dye being partially absorbed by the laser dye and thereby effectively increasing the excitation power in the laser dye was (GB-PS 1 255 399). However, the increases in the output powers of the dye laser given there after the addition of the fluorescent dye are not a measure of the better utilization of the excitation light, but rather a purely arbitrary, manipulable measure, as can be shown by the following consideration. In Example 3 or above.
GB-PS is used in a dye laser acridine red as a laser dye with a concentration of 10-4 M and a certain laser energy is measured at a capacitor voltage of 15 kV. Rhodamine 6G is then added as the fluorescent dye until the solution is 10-4 with respect to both dyes, and an increase in the laser energy by a factor of 9.5 is measured.
If one were to lower the capacitor voltage so far that one would stay just below the threshold of the laser emission with the pure acridine red solution, and then use the mixture at the same voltage, one would measure a certain output energy, now because of the additional fluorescence of the rhodamine, the increase in the excitation power of the acridine red would exceed the laser threshold, which meant an increase in the output power by the factor infinity. By adjusting the capacitor voltage between the threshold value for the laser emission and 15 kV, each factor between infinity and 9.5 can now be achieved, as can the factor below 9.5 by further increasing the capacitor voltage. A significantly better measurement number for the improvement of the efficiency is from W. Schmidt, W. Appt and N.
Wittekindt, Z. Naturforsch. A27 (1972) 37. The electrical pulse energy at which a certain laser energy is achieved with the laser dye alone is measured, and the mixture is then used to determine the electrical pulse energy at which the same laser power is achieved as with the laser dye alone.
The ratio of the two electrical energies is a very good measure for the improvement achieved in the utilization of the excitation light spectrum. The latter authors found loc. cit. that in their cresyl violet dye laser the excitation energy to obtain 10 kW laser power was reduced by a factor of two when an optimal amount of rhodamine 6G was added as the fluorescent dye to the solution, and that with a laser power of 25 kW this factor was 2 , 7 was.
However, the known method described above of improving the laser efficiency by mixing fluorescent and laser dyes has serious disadvantages. This is usually the case with the concentrations which are usually used in dye lasers excited with flash lamps <10-4 M, the energy transfer from fluorescent dyes to the laser dye is by no means complete. A large part of the fluorescent light emitted isotropically in all directions is lost through the cuvette walls instead of being usefully reabsorbed by the laser dye molecules as long as the energy transfer is radiating. However, the energy transfer from the fluores
zenzfarbstoff (donor) to the laser dye (acceptor) also radiation-free. The probability of this can be calculated according to the theory by Th. Förster, Fluorescence of Organic Compounds, Göttingen, 1951, p. 83. The characteristic distance Ro between donor and acceptor molecules, at which the probability of non-radiative energy transfer is 50%, is of the order of magnitude 100 with good spectral overlap of the fluorescence band of the donor molecule with the absorption band of the acceptor molecule, while the average molecule distance at the concentration given is about 200 A. is.
An almost complete radiation-free energy transfer can only be achieved at the very high concentrations that are required when exciting a dye laser with the aid of nitrogen lasers or other lasers, which is described by 1. B. Berlman, M. Rokni and CR Goldschmidt, Chem. Phys . Lett. 22 (1973) 458, but was of no importance for the task of excitation of the laser with incoherent, white light sources.
A much more serious disadvantage, however, can be seen in the fact that the excited donor molecules often have new absorption bands in the excited state, which are precisely in the spectral range of the laser emission and thus reabsorb the laser light and thus reduce the laser power or even completely suppress the laser emission.
Such examples are by W. Schmidt et al., Loc. cit., cited and by A. Hirth, These, Strasbourg, 1974, p.90, where the laser dye hexamethylindotricarbocyanin after addition of various fluorescent dyes, such as rhodamine 6G, cresyl violet, diethyloxatricarbocyanine or Oxazin 1 from Eastman Kodak, always shows a reduction the laser energy was found with respect to the sole use of the laser dye. Hirth was able to demonstrate that this reduction in laser energy was caused by new absorption bands of the excited fluorescent dyes, in which he used a double-walled cuvette, in the inner vessel of which the laser dye and in the outer concentric jacket vessel one of the above. Fluorescent dyes.
In these cases, there was an increase in the laser energy each time, since the fluorescent radiation emitted by the fluorescent dye was at least partially absorbed by the inner cuvette with the dye solution and thus increased its excitation energy without absorption in the laser beam running along the cuvette axis and filling the inner cuvette was introduced. The increase in laser energy was only modest (about 50%), since the majority of the fluorescent light from the outer jacket cell passed the cell uselessly.
The disadvantages described above are completely or at least partially overcome by the invention.
The invention relates to dyes based on at least one laser dye molecule, which are characterized in that they have at least one fluorescent dye molecule residue, the fluorescence area of which overlaps as far as possible with the absorption area of the laser dye molecule residue and which directly or via a bridge member of at most 20 Å in length what is linked is that the n-electron systems of the individual laser dye or fluorescent dye molecule residues do not form a conjugation system which is capable of mesomerization together.
This linkage can consist of mesomerically inactive bridge members (e.g. - (CH2) groups of at most 20 A in length, spiroatoms or linkage via aromatics at mesomerically or largely inactive sites, such as benzene derivatives in a meta position to one another.
Furthermore, the subunits can also be linked directly to one another, but can be twisted strongly against one another by suitably arranged, sufficiently voluminous substituents and prevented from forming a coplanar overall system.
The inventive solution to the problem of creating new laser dyes with higher efficiency and longer service life and methods for their production is based initially on known dyes. The term dye is used here in a broader sense, meaning all substances with conjugated double bonds, which includes the dyes in the narrower sense, namely absorbent substances in the visible.
First, a laser dye L is selected which emits in the desired wavelength range. In the context of the present invention, a laser dye is defined as a dye in a broader sense (i.e. light absorption by excitation of an n-electron), which has a sufficient quantum yield, i. H. has more than 0.5 of the fluorescence and its singlet-singlet absorption (Sl-Sn) is smaller than the stimulated fluorescence emission cross section. A fluorescent dye F1 is then selected, the fluorescent band of which should coincide as well as possible with the absorption band of the laser dye. Further criteria for selecting a suitable fluorescent dye are explained below.
Now further fluorescent dyes Fz, F3, F4 etc. can be selected, which can be the same or different, in such a way that the absorption band of the dye with the smaller index and the fluorescence band of the dye with a higher index overlap as well as possible. These dyes selected in this way are now linked according to the invention either directly or via bridging links by chemical bonds in such a way that the spatial distance between the dyes' connecting points is at most about 20 Å, but the dyes are linked such that the electron systems of the adjacent dyes are decoupled and thus there are no significant changes in the absorption spectra compared to the unbound dyes.
In other words, no mesomerism should occur between the mesomeric systems of the individual dye molecules. As the person skilled in the art will readily recognize, this chemical linking of the dyes can be carried out by methods which are all known per se to the person skilled in the art and some of which are to be listed below by way of example. Using the examples given, the person skilled in the art can work out further analogous linking methods.
The person skilled in the art will also immediately recognize that, from case to case, one starts either from the dye molecules to be linked themselves, from these the first one is reacted with one end group of a linking molecule, and then the other end group thereof is reacted with the second dye molecule; or in other cases not from the unchanged dyes, but from unsubstituted or substituted with suitable, reactive groups dye derivatives or precursors which form the desired dye in the linking reaction (or the linking reactions).
Already with the chemically simple linear linkage through two methylene groups, there are many possibilities of linkage, for example, the new laser dyes can be constructed according to the following scheme:
L-CH2-CH2-Ft, L-CH2-CH2-Fl-CH2-CH2-F2, L-CH2-CH2-Fi-CH2-CH2-F2-CH2-CH2-F3, and so on; or Fl-CHz-CH2-L-CH2-CH2-F2 or Fl-CH2-CH2-F2-CH2-CH2-L
EMI4.1
and other combinations according to these examples.
Instead of the i.a. Linking via two methylene groups, which is particularly simple to carry out, can of course also be linked via one or more than two methylene groups. Furthermore, the CH2 groups can also be replaced by CHR or CRIR2 groups, but also by -CH2-O-CH2 or CHz-N (R) -CH2 or CHz-S-CH1-G groups.
According to a preferred embodiment of the invention, a dye molecule therefore has the general formula
X (CR1R2) n X [(CR1R2) n X] m, where n is 0 or an integer from 1 to the number corresponding to a chain length of 20 Å, m is 0, 1, 2 or 3, X is a laser dye residue L or Fluorescent dye residue F and Rl and R2 independently of one another can each represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, with the proviso that one of the groups X represents a residue L, all residues F can be the same or different and the bridge members CRtR2 also by Oxygen, nitrogen or sulfur atoms can be connected to one another.
If the groups - (CRIR2) n - are only alkylene groups, then n can be a number from 1 to 13.
Another type of linkage is to link three dyes via a tertiary carbon atom, if the steric conditions permit. Examples here are:
EMI4.2
and corresponding other variations. They have the general formula HC [(CH2) n X] 3, in which the definition given above applies to n and X.
As a further type of linkage, one or more quaternary carbon atoms, for example in a spiro or allene system, is possible in accordance with the examples
EMI4.3
Another way of linking is by the type of cyclophane:
EMI4.4
EMI5.1
<tb> or
<tb> <SEP> F
<tb> <SEP> · <SEP> M
<tb> <SEP> (ctI2) n1 <SEP> (Cll2) 1
<tb> H-C <SEP> - <SEP> L-C-H
<tb> <SEP> (ClI2) n1 <SEP>) <SEP> 1 <SEP> (CIH2) n1
<tb> H-C <SEP> - <SEP> F2C-H
<tb> <SEP> (CH2 <SEP>) <SEP> n1 <SEP> (CH2 <SEP>) <SEP> n1
<tb> <SEP> and <SEP> like this <SEP> further.
<tb> <SEP> F3 <SEP> Here <SEP> means <SEP> nl <SEP> one <SEP> whole
<tb> <SEP> number <SEP> from <SEP> 1 <SEP> to <SEP> 13, <SEP> preferably
<tb> <SEP> from <SEP> 1 <SEP> to <SEP> 4.
<tb>
In this way it is also possible to construct annular or network-like arrangements and layer-like arrangements by means of cross-connections.
Furthermore, the dye residues X can also be side groups of ring compounds, it being possible for them to be arranged on the ring both in the adjacent position and at a distance from one another. The following formula shows an example:
EMI5.2
Such dyes according to the invention linked via an alicyclic or heterocyclic ring system can, for. B.
by 1,3-dipolar addition or by Diels-Adler or other cycloadditions.
Heteroatoms can also be inserted into the bridges or used as bridges, e.g. B. an ether bridge:
Fl-CH2-O-CH2-L-CH2-O-F2 and so on.
Furthermore, two dyes without bridging atoms can also be directly linked to one another without this having any significant influence on the it electron systems, either by virtue of their structure peculiarities or by adding sufficient space-filling substituents to at least one of the dyes to ensure that the levels of the Dyes are approximately perpendicular to each other.
The dyes can also be linked via unsaturated or aromatic or heterocyclic groupings if the above-mentioned, necessary for the isolation of the chormophroe, e.g. B. steric, conditions are met. This also includes a mesomerically largely indifferent linkage via an aromatic, such as, for example, by meta linkage via a benzene ring according to the following general formula:
EMI5.3
in which X has the above meaning.
The linking of the dyes, if they each carry at least one hydroxyl or amino group, is also possible via molecules such as cyanuric chloride or other anchor compounds that can be used for the construction of reactive dyes, for example according to the general formulas
EMI5.4
Numerous methods are available to the person skilled in the art for producing the novel dyes according to the invention.
The linking of the different dye residues X is particularly simple with the help of bridging compounds with two reactive groups, which can establish the link with the dye residues. Suitable bridging compounds are, for example, diols, dialdehydes, dicarboxylic acids and their reactive derivatives such as esters, acid chlorides, acid azides, isocyanates and the like, diepoxides, diamines and the like. These bridge-forming compounds can be reacted with corresponding reactive groups in the individual dye molecules in a manner known per se, for example with carboxyl groups and their derivatives, amino groups, hydroxyl groups, keto groups, aldehyde groups and the like.
All of these reactions are well known to the person skilled in the art and need not be described in more detail here (E. Siegel: Reactive dyes: reactive groups in K. Venkataraman, The Chemistry of Synthetic dyes, Vol. 6 (1972) pp. 1-209; further: Coons , J. Immunology 45 (1942) 159, Riggs, Americ. J. Pathol. 34 (1958) 1081).
Typical examples of the above-mentioned reactions are the reaction of a carboxyl group or activated carboxyl group, which is located on a dye molecule, with a diol to form the corresponding half-ester, which is then reacted with a second dye molecule to give the dye according to the invention. This reaction can be carried out, for example, in the presence of a strong acid in an immiscible organic medium, such as a halogenated hydrocarbon. Suitable strong acids are, for example, sulfonic acids, such as toluenesulfonic acid or polymers carrying sulfonic acid groups.
Another way of linking the carboxyl group to a hydroxyl group is to react in the presence of an alcoholate.
If the dye residue to be incorporated into the dye according to the invention does not contain any reactive substituents but does contain aromatic ring systems, a link according to the methods of aromatic substitution is appropriate. For example, phenyl radicals can be substituted with activated acid derivatives, such as acid anhydrides or acid chlorides in the presence of aluminum chloride, in a suitable organic medium. The ketones formed here can then in turn be reduced in a known manner with removal of the oxygen atom, for example with hydrazine hydrate in a strongly alkaline medium.
A further possibility of linking dye residues X which have a hydroxyl or amine group consists in the reaction with cyanuric chloride to form an s-triazine, for example according to the scheme below:
EMI6.1
Another way of linking is that each of the dyes Fl .2 .... and L is provided with a reactive group R.
These dyes are then combined with a suitable polyalcohol, polyphenol or polyamine (or also with mixed amino alcohols) to form a dye according to the invention, for example with the following structure:
EMI6.2
Of course, two or more of the specified types of linkage can be combined with one another if this should make sense under the circumstances prevailing in the individual case, in particular taking into account the chemical properties of the dyes to be linked.
Accordingly, a method according to the invention for producing the new dyes described above consists in the fact that a) an i. a. a reactive group carrying first laser dye or fluorescent dye with a bridging compound, the molecular length of which does not significantly exceed 20 A and which has at least two reactive groups, at least one of which is able to form a covalent bond with the first dye, is reacted in equimolar amounts and the reaction product with its second reactive group is reacted with a second dye, which is different from the first dye, one of the dyes being a laser dye and, if appropriate, the product being reacted one or more times with another bridging molecule and another fluorescent dye,
or b) an aromatic ring system is reacted in succession under the conditions of metasubstitution with at least one fluorescent dye and a laser dye, which carry substitutable groups, such as activated acid residues, or c) a laser dye and at least one fluorescent dye, which with a suitable anchor molecule, such as Cyanuric halide, are reacted, or d) a laser dye and at least one fluorescent dye are directly linked to one another by the customary methods for preparing corresponding aromatic compounds, the formation of a common conjugated system being prevented by sufficiently voluminous substitutes, or e) a laser dye and at least one Fluorescent dye are each connected to a bifunctional bridging molecule,
the second reactive group of the bridging molecule is then linked to a common anchor molecule, which can be an aromatic hydrocarbon, a heterocycle or a high polymer.
With the new dyes there is occasionally the difficulty that the solubility in water or alcohol, the most commonly used solvent for laser dyes, becomes too low due to the molecular size. This difficulty can be avoided by introducing solubility-increasing groups into the molecular structure at a suitable point in a manner known per se, e.g. B. sulfonate groups or quaternary amino or alkylamino groups to increase the solubility in water and / or linear or branched alkyl groups and / or tertiary alkylamino groups to increase the solubility in alcohol.
The superior suitability of the dyes described above as laser dyes is based on the fact that within the
A radiation-free energy transition takes place from the fluorescent dye residues Fi (i = 1, 2, 3 ...) to the laser dye residue L, in such a way that, in accordance with the overlap of the respective absorption and fluorescence spectra in the manner described above, the energy transfer to
Laser dye is carried out directly or in several steps from one fluorescent dye to another and finally to the laser dye.
Since the distance between the fluorescence and laser dye residues is less than 20 Å according to the invention, the radiation-free energy transfer is practically complete, which can be calculated quantitatively as follows. The transition frequency k for the radiation-free energy transition from the donor to the acceptor molecule, here in this case for example from F1 to L or from Fi to Fi-1, is according to
Förster theory given by k = 1 / TF (Ro / R) where TF is the
Fluorescence decay time of the donor molecule in infinite
Removal of acceptor molecule means R the distance between donor and acceptor molecule and Ro a characteristic distance,
where the probability of the energy transfer is 50% and that is
Spectra of donor and acceptor molecule can be calculated and is in the order of 100 A for most of the dyes in question. In order to calculate the order of magnitude of k, the largest possible distance according to the invention of the linking sites of donor and acceptor molecule is used for R, that is R = 20 A: Then k = llTF (1O012O) 6 = 15625 / in. This means that the About frequency of the radiationless energy transfer from
Donor- to the acceptor molecule is more than 104 times larger than that of the deactivation of the excited donor molecule by spontaneous fluorescence emission, 1 / TF.
As a result, the transition of excitation energy from the donor to the
Acceptor molecule practically complete, since less than every ten thousandth donor molecule emits spontaneously instead of transferring its energy to the acceptor molecule. If the spatial distance between the donor and acceptor is significantly smaller than 20 Å, the transition frequency k assumes values that are still much larger. According to Förster's theory, the Ro values given relate to a mean value for statistically oriented donor and acceptor molecules, while here i. a. there is a spatial fixation to each other. For all possible orientations, a precise consideration only brings about a correction factor of the order of 1.
In the dyes according to the invention is therefore due to
Favoring the energy migration, the photochemical effect of the light, without the need for an external filter, is reduced to an insignificant fraction and thus theirs
Service life significantly increased.
It is particularly noteworthy that the energy transfer, since it takes place here in an innermolecular manner, remains effective even in the case of very dilute solutions, as are required for large-volume dye lasers, in contrast to the non-radiative energy transfer in dye mixtures as has been used up to now .
Another advantageous effect of the intramolecular radiation-free energy transfer in the new dyes is due to the shortening of the lifespan of the excited
Condition of the donor. While the lifetime X of the excited singlet state of the isolated donor molecule (ie in a good approximation in solutions with concentrations less than 2 1 10-4 M) is equal to the fluorescence decay time TF, X is shortened according to 1 / T = 11 TF + by the radiationless energy transition k. According to the above estimate, T <10-4- Tr.
However, since the probability of absorption of an excitation light quantum or (which is even more significant because of the losses caused thereby) of a laser light quantum by an excited donor molecule is proportional to the lifetime of its excited state, the losses due to reabsorption of the excitation and / or laser light in the new laser dye are compared with mixtures of the corresponding dyes to be reduced by at least a factor of 104.
In fact, this factor is much higher, since the number of long-lived triplet states with the particularly high probability of absorption due to their long lifespan of typically more than 10-7 seconds is also reduced by at least a factor of 104, since the number of triplets generated is also proportional to the lifespan of the excited state.
From the explanations about the shortening of the lifespan of the excited state by means of radiation-free energy transfer, it can also be seen immediately that even practically non-fluorescent donor molecules can be used, since the radiation-free deactivation processes competing with the radiation-free energy transition even with fluorescence quantum yields of 10-4 (i.e. with non-fluorescent dyes ) are slower than the radiationless energy transfer. This is experimental by D. Möbius and G. Dreizler, Photochem. Photobiol. 17 (1973) 225 using the example of non-fluorescent azo dyes as donor molecules and cyanine dyes as acceptor molecules has also already been detected.
Nevertheless, one will advantageously select as donor dyes those with at least moderate fluorescence quantum yields (approximately> 1%) in order to suppress the competing radiationless deactivation processes as much as possible, since they mean one, if only slight, loss of excitation energy.
The increase in the useful life of the new dyes that can be achieved according to the invention when used as laser dyes results from the fact that in the immediate vicinity of the laser dye residue there is a shorter-wave radiation-absorbing fluorescent dye residue which serves as a protective filter for the laser dye residue. This protective effect becomes stronger the more fluorescent dye residues in the same molecule are linked to the laser dye residue in the manner described above. One could now expect that the donor molecules absorbing the ultraviolet light may then be destroyed photochemically and thus lose their protective effect.
However, it was found that the donor molecules are largely protected against photochemical destruction by the shortened lifetime of the excited state due to the radiationless energy transfer to the acceptor molecules.
Another favorable property of the new dyes is achieved if one of the fluorescent dye residues linked to the laser dye residue has a triplet level which is lower in energy than the triplet level of the laser dye residue, and if this fluorescent dye residue is linked to the laser dye residue in such a way that the spatial distance of the linking points only a few ng of current (up to approx. 8). In addition, the said fluorescent dye residue must have no or at most a small triplet triplet absorption in the region of the laser wavelength. This then has the following effect: The fluorescent dye residue in question absorbs excitation light and transmits its excitation energy to the laser dye residue either directly or via one or more stages without radiation.
The water now either stimulates or spontaneously emits a light quantum or is deactivated by radiation-free processes.
There is a certain likelihood that the said laser dye residue will change to the triplet state, which would cause severe reabsorption losses with its long service life in the manner described above. However, due to the proximity of the fluorescent dye residue, there is a high probability that a radiation-free energy transition to its lower triplet level will be brought about.
In this way, the triplet state of the laser dye is quickly removed without additional triplet extinguishers such. As oxygen or cyclooctatetraene, must be added, which in most cases still show undesirable chemical side effects.
Finally, it should be mentioned that those described here
Dyes can of course also be advantageous for other applications, for example as textiles; Leather or as pigment dyes, e.g. for paints, paints or printing inks. Through the links described here, particularly lightfast textile dyes, for. B. greenish
Black and a. represent more that are difficult, if at all, to be obtained by other means, for example by dye mixtures or by re-dyeing with one or more dyes.
According to the above, it is a simple task for a person skilled in the art to adapt the properties of the new dyes to the respective application by means of appropriate substitutions and selection of the dyes to be linked, for example the drawing properties on different textile fibers, etc.
Examples
In the following, synthetic routes for three of the new laser dyes are given and for each example further dye combinations are mentioned which can be linked in this way in order to obtain new laser dyes.
Example 1: Rhodamine K1
The new dye, known as Rhodamine Kt, is created by linking Rhodamine 6G and Rhodamine B in each of the following ways:
EMI8.1
<tb> <SEP> Et <SEP> 0 <SEP> NH <SEP> Et
<tb> <SEP> 0
<tb> rhodamine <SEP> 6G <SEP> XCOO et <SEP> + <SEP> HOCH2CH2CH2CH2OH
<tb> <SEP> 0 <SEP> COO Et <SEP> butanediol <SEP> 11.4)
<tb> <SEP> I3utanediol <SEP> (1.4)
<tb> <SEP> 76
<tb> Et'HN <SEP> eµ, O
<tb> <SEP> 0 <SEP> 0OO-CH2-CH2-CH2-CH2-OH
<tb> <SEP> rhodamine <SEP> 6G-butanediol <SEP> (1.4)
<tb> <SEP> half-way
<tb> <SEP> rhodamine <SEP> B
<tb> <SEP> HOOC
<tb> <SEP> +
<tb> <SEP> 0
<tb> <SEP> N / Et
<tb> <SEP> Et <SEP> Et
<tb>
EMI9.1
<tb> <SEP> 34 <SEP>% 1
<tb> EtH <SEP> O, <SEP> H <SEP> Et <SEP> ns
<tb> <SEP> iN <SEP> N
<tb> <SEP> rhodamine <SEP> class <SEP> Et <SEP> o <SEP> 52 <SEP> 4 <SEP> o <SEP> @
<> <SEP> N \ / Et
<tb> <SEP> Et / N <SEP> @ <SEP> Et
<tb> A. Rhodamine 6G-butanediol (1,4) half ester
44 g of rhodamine 6G (0.1 mol) and 27 g of butanediol (1.4) (0.3 mol) are heated to about 100 ° C. with about 3 g of sodium methyl alcoholate under a water jet vacuum until no more ethanol is distilled off. With cooling is neutralized with 10% hydrochloric acid until the half ester of the base separates, it is filtered off with suction, washed with a little cold water and dried. Yield 35.5 g = 76%.
B. Rhodamine 6G-Rhodamine B-butanediol (1,4) diester = Rhodamine K1
With careful cooling, 11.6 g of rhodamine B (0.03 mol) are mixed with 6 g of concentrated sulfuric acid, and 30 g of the butanediol (1,4) half-ester of rhodamine 6G (0.06 mol) are introduced therein. After standing for 2 hours at room temperature, the mixture is heated at 80 ° C. for one hour in order to then pour the solution into 600 ml of ice water. After about 10 hours, the mass has crystallized; the mixture of sulfates is filtered off, dissolved in water and neutralized with sodium carbonate solution.
Unreacted rhodamine-6G acid and rhodamine B are filtered off; the filtered solution is carefully salted out with concentrated NaCl solution, the hydrochloric acid salt of the diester separating out. Yield 9.1 g = 34%.
Analogous linkages were also carried out with the following dye pairs: Rhodamine 6G + Rhodamine S Rhodamine 6G + Pyronine Rhodamine S + 2,7-dichlorofluorescein Example 2: Fluorescein K1
The dye, called fluorescein K1, is created by linking each fluorescein with 2,7-dichlorofluorescein in the following way:
EMI9.2
<tb> <SEP> HO
<tb> F1uoreseein% OH <SEP> + <SEP> HO-CH2-CH2-CH2-CH2-OH
<tb> <SEP>; butanediol- (1.4)
<tb> <SEP> 77 <SEP> o /
<tb> <SEP> 77%
<tb> <SEP> \ <SEP>,
<tb> <SEP> HO <SEP> F1uoresceinbandio1- <SEP> (1.4)
<tb> <SEP> ℏ
<SEP> l <SEP> l <SEP> fluorescein-butanediol- (1.4)
<tb> <SEP> half-way
<tb> <SEP> 0 <SEP> CO-O-0H2-CH2-CH2-CH2-OH
<tb>
EMI10.1
<tb> <SEP> 0
<tb> <SEP> + <SEP> HOOC
<tb> <SEP> ct
<tb> <SEP> 0 <SEP> ct
<tb> <SEP> HO <SEP> O <SEP>
<tb> <SEP> 2,7-dichlorofluorescein
<tb> <SEP> 47 <SEP>% 1
<tb> HO <SEP> 0
<tb> <SEP> CO-O <SEP> -CH <SEP> 2-CH2-CH2-CHa-O-OC (
<tb> <SEP> v <SEP> Cl <SEP>> S + Ct <SEP>
<tb> <SEP> fluorescein <SEP> K1 <SEP> where <SEP> O <SEP> ici
<tb> A. Fluorescein-butanediol41,4) half-ester
33.2 g of fluorescein (0.1 mol) are mixed with 50 g of butanediol <1.4) (0.6 mol), 2 g of toluenesulfonic acid and 100 ml of CCl4 are added and the mixture is boiled on a water separator (8 hours) until no more water is separated off.
Most of the unreacted alcohol and CCl4 are distilled off; the precipitated product is washed several times with water, aqueous Bicar bonat solution and again with water. The red half ester is suctioned off and washed with water, then with cold ethanol. The crude product is recrystallized from acetone. Yield 31 g = 77%.
B. Fluorescein-2,7-dichlorofluorescein-butanediol <1,4ydiester =
Fluorescein K1
12.3 g of 2,7-dichlorofluorescein (0.02 mol) are mixed with 24.2 g of fluorescein-butanediol (1, 4-half-ester (0.06 mol) and 3 g of toluenesulfonic acid in 300 ml of glycol diethyl ether in a circulation apparatus with a separate desiccant (P20s ) Boiled for 15 hours, then the majority of the solvent is distilled off, washed with water, aqueous bicarbonate solution and again with water, the solid reaction products are suctioned off, washed with warm water and then with ethanol
Crude product is recrystallized twice from n-butyl acetate. Yield 7.4 g = 47%.
Example 3: Terphenyl K1
The laser dye called Terphenyl K1 is created by linking one molecule of 9.1 0-diphenylanthracene and terphenyl in the following way:
EMI11.1
<tb> <SEP> 0
<tb> <SEP> o
<tb> <SEP> + <SEP>) LCH2 <SEP> ¯¯¯¯¯¯
<tb> <SEP> o
<tb> <SEP> + o
<tb> <SEP> terphenyl <SEP> 0
<tb> <SEP> 0
<tb> 71 <SEP> O / o <SEP> II
<tb> <SEP> 10 <SEP> C - CH2- <SEP> CH2- <SEP> COOH
<tb> 4- (4-terphenyl) -4-oxobutyric acid
EMI11.2
EMI11.3
<tb> <SEP> 0
<tb> <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> <SEP> t <SEP> + <SEP> Ct-C11-CH2-CH2-C11
<tb> <SEP> 63 <SEP>%
<tb> 9,10-diphenylanthracene <SEP> <SEP> t
<tb> <SEP> Oo
<tb> <SEP> II <SEP> II
<tb> <SEP> t <SEP> CH2CH2C <SEP> m
<tb> <SEP> 1-4 '- (9, <SEP> 10-diphenyl
<tb> <SEP> F;
;.? <SEP> OI- <SEP> anthrac <SEP> erryl <SEP>) -I <SEP> - <SEP> 4- <SEP> ( <SEP> 4- <SEP> t <SEP> erphenyl <SEP>)
<tb> <SEP> W <SEP> 63 <SEP> O / o <SEP> aifl, t4hrauCtaeflnYlio) = W <SEP> -4- <SEP> 4-butanedione
<tb>
EMI12.1
<tb> <SEP> 0 <SEP> CH2-CH2-CH2CH2 <SEP> M · ¸
<tb> C <SEP> X, CH2CH2CH2CH2 <SEP> <
<tb> <SEP> -erphenyl <SEP> E1
<tb> A. 444-Terphenyl4-oxo-butyric acid
45 g of AlCl3 (0.4 mol) and 10 g of succinic anhydride (0.1 mol) are suspended in 100 ml of carbon disulfide. After cooling the mixture with ice water, a suspension of 23 g of terphenyl (0.1 mol) in 50 ml of carbon disulfide is gradually added over an hour. With stirring, the mixture is allowed to warm to room temperature until the HC1 evolution comes to an end.
The mixture is left to stand for 3 hours, then the reaction product is poured onto a mixture of ice and concentrated hydrochloric acid. The remaining solid residue is filtered off and washed with water. It is dissolved in hot, concentrated sodium carbonate solution, filtered and the filtrate is acidified with semi-concentrated hydrochloric acid, the 4- (4-terphenyl) 4-oxo-butyric acid precipitating. Yield 23 g = 71%.
One equivalent of the acid is now converted into the acid chloride with 1.5 equivalents of thionyl chloride; Excess thionyl chloride is removed in vacuo. Yield 22 g = 87%.
B. 1 {4B- (9,10-Diphenylanthracenyl) -] 4- (4-terphenyl) -1,4-butanedione
In 100 ml of thrichlorethylene, 45 g of AlCl3 (0.4 mol) and
19 g of the acid chloride of 4- (4-terphenyl) 4-oxo-butyric acid (0.05 mol) suspended; the suspension is cooled with ice and then a suspension of 16.5 g of 9,10-diphenylanthracene (0.05 mol) is gradually added, the temperature not to rise above 20 ° C. Stirring is continued for an hour, then the mixture is left to stir The mixture is then poured onto about 600 g of ice, to which concentrated hydrochloric acid is added, the trichlorethylene phase is separated off and the water layer is shaken out three times with trichlorethylene.
The organic phase is washed with water, 2% NaOH and again with water; it is dried with potassium carbonate, then the solvent is distilled off. The resulting diketone li2- (9,10-diphenylanthracenyl) -4-terphe 1,4-butanediol is recrystallized from O-dichlorobenzene. Yield 20.2 g = 63%.
C. 1 {4'A9,10-diphenylanthracenyl>] 444-terphenylfbutane = terphenyl K1
18 g of the diketone described above (0.03 mol) are boiled under reflux with 8 g of 85% hydrazine hydrate solution (0.2 mol) and 14 g of finely powdered potassium hydroxide (0.25 mol) in 50 ml of triglycol. A mixture of hydrazine and water is then slowly distilled off until the temperature of the reaction mixture is 195 ° C. This is maintained until the evolution of nitrogen has ended. After cooling, the mixture is diluted with water and the hydrocarbon is etherified he recrystallized from ligroin. Yield 11.6 g = 63%.
Analogous linkages were carried out for the following dye pairs: 9.1 0-diphenylanthracene + 4-methoxy-terphenyl, 9,10-diphenylanthracene + quaterphenyl, pyrene + terphenyl, fluorene + 4,4-bis (alkyloxy) -p-quaterphenyl.