CN109824674B - 杂环吡咯并吡咯二酮季铵盐类化合物及其制备方法与用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杂环吡咯并吡咯二酮季铵盐类化合物，结构式如通式B所示：

各取代基定义详见说明书。本发明的杂环吡咯并吡咯二酮季铵盐类化合物具有良好的电镀性能，可以作为季铵盐类整平剂用于酸性电镀铜。

Description

杂环吡咯并吡咯二酮季铵盐类化合物及其制备方法与用途

技术领域

本发明属于化学合成技术领域，具体地说，涉及一种杂环吡咯并吡咯二酮季铵盐类化合物及其制备方法与用途。

背景技术

进入21世纪，随着电子技术的发展，电镀铜层因其具有良好的导电性、导热性和机械延展性等优点而被广泛应用于电子信息产品领域，电镀铜技术也因此渗透到了整个电子材料制造领域，如从印刷线路板(PCB)制造到IC封装，再到大规模集成电路(芯片)的铜互联技术等电子领域等，电镀铜技术已成为现代微电子制造中必不可少的关键电镀技术之一。此外在通用五金电镀领域，与我们日常生活密切相关的汽车、卫浴等行业，许多产品的制造都离不开电镀铜。

对酸性镀铜添加剂的研究最早可追溯到上世纪20年代，那时人们便通过向镀铜溶液中加入明胶等物质来提高铜沉积层的质量。在30年代，酚磺酸、糊精等化合物作为添加剂被加入到镀液中以期改善镀层的性能，但这些添加剂作用有限只能使沉积层的晶粒变得细小，不能提高镀层的光亮度。到上世纪40年代，人们开始将取代硫脲、润湿剂和糊精组合在一起用于电镀酸铜并得到较好效果，然后是丙烷磺内脂磺化的硫醇及硫脲或者是硫脲的芳/烷基化衍生物。但将上述这些物质用于酸铜电镀所得到的铜沉积层的光亮范围过窄且镀层脆性大，无法在工业上实际应用。20世纪50年代，研究的重心开始转移到酸铜整平剂和光亮剂的开发上。Udylite公司的Fellows Richard A等将藏红染料和硫脲用作添加剂得到高光亮度的铜镀层。此外，在五十年代还报道了氨基噻唑啉和巯基化合物的缩合产物，羟基铵加乙内酰硫脲缩合产物做镀铜添加剂。60年代，Myron Ceresa等发现将番红精染料和乙酰硫脲用于酸性镀铜得到的铜层有良好的延展性。同时，研究人员发现将硫脲及其衍生物、含巯基的杂环化合物、聚二硫化合物、有机染料以及聚醚等物质中的一种或几种以适当的比例复配后用于镀铜，在这些添加剂的协同作用下，可得到光亮、平整及物理性能俱佳的铜沉积层。

进入上世纪70年代，对酸铜添加剂的研究逐步成熟，报道了大量的酸性镀铜添加剂。其中提到了将聚乙烯亚铵烷基化后得到的季铵盐产物用作整平剂。所采用的烷基化试剂包括苄氯及其他氯代脂肪族或者芳香族化合物，此外还有异硫氰酸酯、烷基硫酸盐、丙磺酸内酯等等。另一种合成的添加剂为表氯醇与含氮的杂环物质(吡啶、异喹啉、苯并咪唑和喹啉等)反应得到的产物。这类添加剂的出现提高了酸性硫酸铜电镀体系中添加剂的利用率，同时也改善了整平性。同时在这一时期，A.A.Waston等采用聚醚化合物、季铵盐化合物及有机硫化物这三类物质复配作为添加剂用于镀铜取得了较好的效果。

上世纪70年代后期，我国成功研制出了M、N型酸铜电镀添加剂，主要组成为2-巯基苯并咪唑(M)、乙撑硫脲(N)、聚乙二醇(P)和聚二硫二丙烷基磺酸钠(SPS)。该体系使用温度范围宽(能在10-40℃范围内使用)，操作方便，生产中通过控制各添加剂之间的比例，便可得到光亮的镀铜层。但该体系的弱点是出光速率慢，低电位区域走位不足。经科研人员的研究探索之后，又开发了聚乙烯亚铵烷基盐(PN)、脂肪铵乙氧基磺化物(AESS)、巯基咪唑内酯磺酸钠(MESS)等化合物并将其应用到MN型酸铜电镀体系中，改善了中低电位区域的整平光亮性。

进入20世纪80年代，人们更加重视电镀铜在低电流区的效果并开始使用染料来扩大电镀的适用电流范围和镀层的整平性。可在酸性硫酸盐镀铜过程中用作整平剂或光亮剂的染料有很多，常见的有三苯甲烷染料、吩嗪类染料、噻嗪染料和酞菁染料等。Mayer等采用取代型的酞菁染料与季铵盐、有机二硫化合物和烷基化聚乙烯亚铵构成的添加剂体系，获得了光亮及延展性良好的铜镀层。Boudot等将苯铵的Rosaniline衍生物用于印刷电路板的酸性电镀铜中。该类化合物性质稳定不易分解，可使用的浓度范围宽，解决了以往在生产过程中，添加剂易分解变质的问题。

20世纪末期，随着人们生活水平的提高和电子工业技术的飞速发展，对作为互联层的铜镀层性能的要求越来越高。为了能从理论上对添加剂的研发进行指导，研究人员采用各种测试手段对添加剂的作用机理做了大量研究。从目前公开发表的文献可发现，大部分关于机理类的研究文章均集中在研究PEG、SPS、JGB及氯离子等几种物质的单独或协同作用对电沉积过程的影响上。

进入21世纪，一些新型镀铜添加剂的专利相继出现。Mckesson等报道了采用联吡啶作为光亮剂，应用于高厚径比PCB板生产。Dahms将二羧酸与聚亚烷基聚铵反应得到的聚酰铵-铵用于PCB电镀，得到了良好的效果。Isono等则开发出一种可在镀液中用作整平剂的水性聚合物，同时发现改变该水性聚合物结构中季铵氮与叔铵氮的比值，可改变电镀通孔的填充程度。世界著名的添加剂供应商安美特公司于08年公开一种新型聚合物。该聚合物作为添加剂可用于多种金属及其合金的电沉积。著名的添加剂中间体供应商BASF在2011年，以二元羧酸和聚亚烷基聚铵为原料，生产出了一种类似于聚氨基酰铵的衍生物。该化合物具有极佳的整平性，与其他添加剂协同可使镀层基本平整并且在填充纳米和微米尺度上的微观不平时不形成缺陷。同年，M.Arnold等发表了对聚咪唑烷基类化合物在合成及其应用方面的研究。镀液中使用该化合物同样能够得到平整的镀铜层并且在纳米级别的微观结构上没有填充缺陷。

随着世界各国对环保的重视，一些环保型的镀铜添加剂被开发出来。J.F.KCooper则将在食品中广泛使用的添加剂Bitrex用于酸铜电镀中，并研究了其对铜沉积过程的影响。这些工作为将来寻找无毒、环境友好型添加剂提供了新的思路。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种杂环吡咯并吡咯二酮(DPP)季铵盐类化合物。

本发明的第二个目的是提供一种所述杂环吡咯并吡咯二酮(DPP)季铵盐类化合物的制备方法。

本发明的第三个目的是使用一种所述杂环吡咯并吡咯二酮(DPP)季铵盐类化合物用作电镀添加剂的用途。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的第一个方面提供了一种杂环吡咯并吡咯二酮(DPP)季铵盐类化合物，结构式如通式B所示：

其中：

X为

以上X中标出的虚线部位是与吡咯并吡咯连接的键，R₁与X连接的键为除去与吡咯并吡咯连接的键之外的部位进行连接；

R₁为-Cl、-Br、-F、-I、-CF₃、-CN、-^tBu、-CH₃、-H、-2,6-F₂、-NH₂、-NO₂、-OH、-CHO、-COOH、-3,4-Cl₂-或-3-F-5-CH₃；

R₂为

n为1-18的整数；

Y为Br、F、Cl、I、HSO₃、HSO₄、HCO₃、CF₃CO₃、H₂PO₄、OTf、OTs或BF₄。

本发明优选的化合物为：所述杂环吡咯并吡咯二酮(DPP)季铵盐类化合物的结构式如通式B所示：

R₁为-Cl、-Br、-F、-I、-CF₃、-CN、-^tBu、-CH₃、-H、-NH₂、-NO₂、-OH、-CHO、-COOH；

R₂为

n为1-18的整数；

Y为Br、F、Cl、I、HSO₃、HSO₄、HCO₃、CF₃CO₃、H₂PO₄、OTf、OTs或BF₄。

本发明较优选的化合物为：通式B中：

R₁为氢；

R₂为

n为2、3、4、5或6；

Y为Cl、Br、F、I。

本发明更优选的化合物为：通式B中，

R₁为氢；

R₂为

n为4；

Y为Cl、Br、F、I。

本发明最优选的化合物为：

本发明的第二个方面提供了一种所述杂环吡咯并吡咯二酮(DPP)季铵盐类化合物的制备方法，包括以下步骤：

将摩尔比为1:(2～6):(2～6)的3,6-二(噻吩-2-基)-2,5-二氢吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮、溴代烷、碱和适宜的溶剂混合，加热搅拌回流反应1～24h，抽滤，滤液旋蒸除去溶剂，得到粗产品，经过柱层析得到化合物A；

将摩尔比为1:(2～8):(2～8)的化合物A、三甲胺盐酸盐、碳酸氢钠和适宜的溶剂混合，加热搅拌回流反应1～24h，冷却抽滤，滤液旋蒸除去溶剂，柱层析得到所述杂环吡咯并吡咯二酮(DPP)季铵盐类化合物即化合物B。

所述3,6-二(噻吩-2-基)-2,5-二氢吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮、溴代烷、碱的摩尔比为1:4:4。

所述化合物A和三甲胺盐酸盐、碳酸氢钠的摩尔比为1:5:5。

所述溴代烷为1,6-二溴己烷。

所述碱为叔丁醇钾。

所述溶剂为乙腈。

本发明的第三个方面提供了一种所述杂环吡咯并吡咯二酮(DPP)季铵盐类化合物作为电镀添加剂的应用。

所述电镀添加剂为电镀整平剂。

所述电镀为铜电镀。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明的杂环吡咯并吡咯二酮(DPP)季铵盐类化合物具有良好的电镀性能，这种季铵盐结构通过结构中的氮正离子，即季铵化中心，在电极表面可以有较大的覆盖面积并且可以增加阴极极化，抑制铜沉积从而使得电镀颗粒更为精细且使得镀铜层获得高择优晶面取向，使其可以作为季铵盐类整平剂用于酸性电镀铜。

本发明的杂环吡咯并吡咯二酮(DPP)季铵盐类化合物具有良好的电镀性能并且可以与其他电镀添加剂发生协同抑制作用，通过循环伏安曲线、极化曲线和恒电流计时添加曲线对其电镀性能进行了验证。

本发明的杂环吡咯并吡咯二酮(DPP)季铵盐类化合物的制备方法简单，可以作为电镀添加剂应用于电镀中，经过一系列的测试，取得良好的效果。

附图说明

图1为含不同浓度化合物B-1电解液的极化曲线，扫描速度为2mVs^-1。

图2为10μmol/l时DPP-254季铵盐与化合物B-1极化曲线比较，扫描速度为2mVs^-1。

图3为不同浓度的化合物B-1对铜沉积影响的循环伏安曲线。

图4为8μmol/l时化合物B-1与DPP-254季铵盐的循环伏安曲线比较图。

图5为不同转速下、电流密度为2A/dm²时的计时添加曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明使用的试剂如下：叔戊醇(厂家：上海麦克林生化科技有限公司，规格：500mL；纯度：98％)，丁二酸二异丙酯(厂家：上海阿拉丁生化科技股份有限公司，规格：100mL；纯度：≥99.0％)，2-氰基噻吩(厂家：上海毕得医药科技有限公司，规格：25g；纯度≥95％)，三氯化铁(厂家：上海麦克林生化科技有限公司，规格：100g；纯度：99％)，1，6-二溴己烷(厂家：上海阿拉丁生化科技股份有限公司，规格：1kg；纯度：97.0％)，三甲胺盐酸盐(厂家：上海麦克林生化科技有限公司，规格：1000g；纯度：99％)，碳酸氢钠(厂家：上海麦克林生化科技有限公司，规格：500g；纯度：99％)，乙腈(厂家：百灵威科技有限公司，规格：2.5L；纯度：99％)，钠块(厂家：上海阿拉丁生化科技股份有限公司，规格：100g；纯度：≥99.7％)。CuSO₄·5H₂O(厂家：百灵威科技有限公司，规格：500g；纯度：98％)，浓硫酸(厂家：国药集团化学试剂有限公司，规格：500mL；纯度：98.08％)，盐酸(厂家：常熟市支塘精细化工有限责任公司，规格：500mL，含量：36％-38％)。

本发明实施例中测试所用恒电位仪(厂家：瑞士万通中国，型号为Multi AutolabM204)，铂旋转圆盘电极(厂家：江苏江分电分析仪器有限公司，型号：ATA-1B)，Ag/AgCl电极(厂家：天津艾达恒晟科技发展有限公司，型号：RE-1D)，铂丝电极(厂家：天津艾达恒晟科技发展有限公司，型号：Pt017)。

实施例1

将3,6-二(噻吩-2-基)-2,5-二氢吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮(制备方法：将4g金属钠粒加入装有100mL叔戊醇的三口烧瓶中，20mg三氯化铁加入叔戊醇中，油浴110℃反应2小时，降温至60℃，加入2-氰基噻吩7.5g，开始升温至105℃，同时滴加7.2mL丁二酸二异丙酯，三小时滴完，滴完后在105℃下反应4小时后降温至室温，加醋酸调至中性，抽滤得到固体，用甲醇洗涤三次，用去离子水洗涤三次，烘干得到3,6-二(噻吩-2-基)-2,5-二氢吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮。)(3g，10mmol)、1,6-二溴己烷(9.76g，40mmol)、叔丁醇钾(4.49g，40mmol)和溶剂乙腈30mL一起置于150mL耐压瓶中混合，加热搅拌回流反应8h，用抽滤瓶抽滤，所得滤液旋蒸除去溶剂，得到粗产品，用硅胶柱柱层析，二氯甲烷：石油醚＝1：1作展开剂，得到固体化合物A-1 4.16g，产率70％。

¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ8.24(d,J＝3.6Hz,2H),7.59(d,J＝1.6Hz,2H),6.64(dd,J＝3.7,1.7Hz,2H),4.06(t,4H),3.33(t,J＝6.8Hz,4H),1.90–1.72(m,4H),1.72–1.62(m,4H),1.49–1.26(m,8H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ160.8,145.3,144.6,133.6,120.3,113.5,106.4,42.2,33.9,32.6,30.0,27.8,25.9；HRMS(TOF-ESI+)：m/z：calcd for C₂₆H₃₁Br₂N₂O₄ ⁺S₂：625.0188；Found：625.0123；

将2,5-双(6-溴己基)-3,6-二(噻吩-2-基)-2,5-二氢吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮即化合物A-1(3.12g，5mmol)、三甲胺盐酸盐(2.39g，25mmol)和碳酸氢钠(2.1g，25mmol)一起置于150mL反应瓶中混合，加入30mL乙腈为溶剂，加热搅拌回流反应12h，反应液冷却后抽滤除去固体，滤液旋蒸除去乙腈，中性氧化铝柱柱层析(展开剂：二氯甲烷:甲醇＝50:1)提纯，得到产物红色固体化合物B-1 1.85g，产率52％。

1H NMR(400MHz,DMSO-d₆)δ8.20(d,J＝3.7Hz,2H),8.17(d,J＝1.6Hz,2H),6.95(dd,J＝3.6,1.8Hz,2H),4.05(t,J＝7.2Hz,4H),3.30–3.22(m,4H),3.03(s,18H),1.65(m,8H),1.44–1.25(m,8H).¹³C NMR(100MHz,MeOD)δ161.9,147.9,145.6,134.8,121.5,114.5,107.1,67.7,53.5,43.1,30.9,27.3,27.0,23.9.MS(ESI)m/z:1/2[M-2Br]⁺calcd forC₁₆H₂₄N₂O₁S₁ 292.16；found,292.30.

实施例2

测试实施例1制备的化合物B-1对铜离子沉积电流密度的影响。

配制一含117.5g/L CuSO₄·5H₂O、180g/L H₂SO₄、50mg/L氯离子的硫酸铜溶液，以Pt旋转电极作为工作电极，铂棒作为对电极和Ag/AgCl作为参比电极，转速为2000转的情况下，在上述含氯离子的硫酸铜溶液中分别加入不同浓度的(浓度分别是0、2、4、6、8、10μmol/l，化合物B-1溶于去离子水中)实施例1制备的化合物B-1溶液，做阴极极化曲线测试。如图1所示，图1为含不同浓度化合物B-1电解液的极化曲线，扫描速度为2mVs^-1。根据实施例1制备的化合物B-1在不同浓度下，在铜材料表面对铜离子沉积的抑制效果和空白对照的极化曲线，其中横坐标为电极(Ag/AgCl)电位(单位：伏)，纵坐标为电流密度(单位：安培/分米²)。结果表明化合物B-1可增大阴极极化，溶液中不含实施例1制备的化合物B-1时，电位由正向负向移动超过0伏时即可观察到铜的沉积电流，向溶液中加入实施例1制备的化合物B-1后，铜沉积电位发生负移，当溶液中实施例1制备的化合物B-1达到6μmol/l时，电位达-0.18V时，才观察到有铜的沉积电流。由此可见，化合物B-1可以抑制铜离子的沉积。

另外，将DPP-254季铵盐与化合物B-1在浓度为10μmol/l时极化曲线比较发现，如图2所示，图2为10μmol/l时DPP-254季铵盐与化合物B-1极化曲线比较，扫描速度为2mVs^-1，从图2中可以看出，化合物B-1效果与DPP-254季铵盐效果相似，并稍优于DPP-254季铵盐。

DPP-254季铵盐的结构式如下：

DPP-254季铵盐的制备方式如下：

DPP-254(3.6g，10mmol)、1,6-二溴己烷(9.76g，40mmol)、叔丁醇钾(4.49g，40mmol)和溶剂乙腈30ml一起置于150mL耐压瓶中混合，加热搅拌回流反应8h，用抽滤瓶抽滤，所得滤液旋蒸除去溶剂，得到粗产品，用硅胶柱柱层析，二氯甲烷：石油醚＝1：1作展开剂，得到DPP-254-R 2.92g，产率43％。

将DPP-254-R(2.73g，4mmol)、三甲胺盐酸盐(1.91g，20mmol)和碳酸氢钠(1.68g，20mmol)一起置于150mL反应瓶中混合，加入30mL乙腈为溶剂，加热搅拌回流反应12h，反应液冷却后抽滤除去固体，滤液旋蒸除去乙腈，中性氧化铝柱柱层析，二氯甲烷：甲醇＝50：1作展开剂提纯，得到产物红色固体DPP-254-QAS 1g，产率32％。

实施例3

测试实施例1制备的化合物B-1抑制铜离子沉积的性能。

配制一含117.5g/L CuSO₄·5H₂O、180g/L H₂SO₄、50mg/L氯离子的硫酸铜溶液，以Pt旋转电极作为工作电极，铂棒作为对电极和Ag/AgCl作为参比电汇极，转速为2000转的情况下，在上述含氯离子的硫酸铜溶液中分别加入不同浓度的(浓度分别是0、2、4、6、8、10μmol/l，化合物B-1溶于去离子水中)实施例1制备的化合物B-1溶液，做循环伏安曲线测试。如图3所示，图3为不同浓度的化合物B-1对铜沉积影响的循环伏安曲线，根据实施例1制备的化合物B-1在不同浓度下，在铜材料表面对铜离子沉积的抑制效果和空白对照的循环伏安曲线，其中横坐标为电极(Ag/AgCl)电位(单位：伏)，纵坐标为电流密度(单位：安培/分米²)。结果表明化合物B-1可以吸附在阴极表面，并在阴极表面形成一层阻挡层阻碍了铜的沉积，从而增大了铜沉积反应的阻力，并且随着化合物B-1浓度的增加，抑制效果增强。

另外，将化合物B-1与DPP-254季铵盐在浓度为8μmol/l时循环伏安曲线比较，如图4所示，图4为8μmol/l时化合物B-1与DPP-254季铵盐的循环伏安曲线比较图，比较发现，化合物B-1与DPP-254季铵盐效果相似，并稍优于DPP-254季铵盐。

实施例4

测试实施例1制备的化合物B-1作为整平剂与PEG和SPS的协同抑制性能。

配制一含117.5g/L CuSO₄·5H₂O、180g/L H₂SO₄、50mg/L氯离子的硫酸铜溶液，以Pt旋转电极作为工作电极，铂棒作为对电极和Ag/AgCl作为参比电极，分别在转速为100转/分钟和1000转/分钟时，每隔1000秒在溶液中加入200ppm的聚乙二醇PEG(平均分子量为10000)、1ppm的聚二硫二丙烷磺酸钠(SPS)和2ppm的实施例1制备的化合物B-1溶液(化合物B-1溶于去离子水中)，得到恒电流计时添加曲线，如图5所示，图5为不同转速下、电流密度为2A/dm²时的计时添加曲线。根据实施例1制备的化合物B-1在不同转速下的计时添加测试，横坐标为时间(单位：秒)，纵坐标为电位(单位：伏)。从图5中可以看出，化合物B-1的加入，SPS所导致的去极化现象被抑制，电位发生负移，表明在SPS和PEG存在的情况下，化合物B-1依然可抑制铜的沉积。1000rpm和100rpm转速分别用来模拟通孔的孔口处和孔内壁处的沉积情况。不同转速下的电位差定义为Δη＝η(100rpm)-η(1000rpm)，同时Δη2＝17mV为正值且大于Δη1＝9mV(Δη2和Δη1分别表示在加入化合物B-1和SPS后，在不同转速下的电势差)，表明化合物B-1的吸附行为是对流依赖吸附，用于表征1000rpm和100rpm转速下的不同抑制作用的差异。如果Δη为正值，表明强对流导致较少的铜沉积，适合与通孔电镀。因此，化合物B-1在PCB板孔口处(此PCB板为具有通孔的印刷电路板，为实际镀铜所用)的吸附强于孔中间位置，抑制了孔口处铜的沉积。在PEG和SPS的协同作用下，使得电镀时可得到厚度分布均匀的镀层，通过图5可知Δη＝17mV即旋转圆盘电极在不同转速下的抑制效果不同，沉积电位差值约17mV。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (1)

1.一种杂环吡咯并吡咯二酮的季铵盐类化合物作为电镀铜的电镀整平剂的应用；

其中，所述杂环吡咯并吡咯二酮的季铵盐类化合物为式B-1所示化合物：

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