JP4674159B2 - 3,4−アルキレンジオキシチオフェン化合物及びそのポリマー - Google Patents
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Description
多数のポリチオフェンが、それらの興味深い電気的及び/又は光学的性質の故に広範囲に研究されてきた。ポリチオフェンは化学的もしくは電気化学的に酸化もしくは還元されると電気伝導性となる。
の構造単位を含有するポリチオフェン及び対応するチオフェンの酸化重合によるその製造を開示している。
の構造単位から構築されるポリチオフェンの分散液を開示している。
従って、本発明の側面は、新規な3,4−アルキレンジオキシチオフェンを提供することである。
驚くべきことに、ポリ[2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−ペンタデカフルオロ−オクタン酸2,3−ジヒドロ−チエノ[3,4−b][1,4]ジオキシン−2−イルメチルエステル](PEDOT−F)が、比較的低い酸化電位、速いスィッチング時間、高い可視コントラストを示し、且つ濡れ時の非常に高い接触角及び高い電気伝導度と組み合わされた最高で63%の透過率及び輝度における変化を伴って、容易に得られ得るレドックススィッチング電位において、暗青色中性状態から透過性灰−青色状態の間でスィッチングする能力を有することが見出された。
により示されるチオフェン化合物を用いて実現される。
発明の詳細な記述
図の説明文
図1Aは、PEDOT−Fに関するAg/Ag+に対するボルトおける適用電位Pの関数としての相対的輝度[L]のプロットを示す。
C1−5−アルキレン基という用語は、メチレンジオキシ、1,2−エチレンジオキシ、1,3−プロピレンジオキシ、1,4−ブチレンジオキシ及び1,5−ペンチレンジオキシ基を示す。
本発明の側面は、式(I):
により示されるチオフェン化合物を用いて実現される。フッ素含有基の例はペルフルオロ−アルキルスルホニル、ペルフルオロ−アリールスルホニル、ペルフルオロ−アルキルスルフィニル、ペルフルオロ−アリールスルフィニル、ペルフルオロアルコキシ、ペルフルオロアリールオキシ、ペルフルオロチオアルコキシ、ペルフルオロチオアリールオキシ、ペルフルオロアルキルカルボナト、ペルフルオロアリールカルボナト、ペルフルオロアルキルカルボキシ、ペルフルオロアリールカルボキシ、ペルフルオロアルキルオキソ、ペルフルオロアリールオキソ、ペルフルオロアルキルチオキソ、ペルフルオロアリールチオキソ、ペルフルオロアルキルアミノ、ペルフルオロアリールアミノ、ペルフルオロアルキルアミノカルボキシ、ペルフルオロアリールアミノカルボキシ、ペルフルオロアルキルアミノチオカルボキシ、ペルフルオロアリールアミノチオカルボキシ、ペルフルオロアルキル及びペルフルオロアリールである。
本発明の側面は、式(I):
により示されるチオフェン化合物のモノマー単位を含有するポリマーを用いて実現される。
本発明の側面は、式(I):
により示されるチオフェン化合物のモノマー単位を含有するポリマーの製造法を用いても実現される。
本発明に従う化学的重合は、酸化的又は還元的に行なうことができる。チオフェンの酸化重合のために、例えばJournal of the American Chemical Society,volume 85,1963年,pages 454−458及びJ.Polymer Science Part A Polymer Chemistry,volume 26,1988年,pages 1287−1294に記載されているような、ピロールの酸化重合のために用いられる酸化剤を用いることができる。
式(I)に従うチオフェン化合物を電気化学的に重合させることができる。−78℃から用いられる溶媒の沸点までの温度、−20℃〜60℃の温度で行なわれる式(I)に従うチオフェン化合物の電気化学的酸化重合が好ましい。特定のチオフェンに依存する反応時間は一般に数秒〜数時間である。チオフェン化合物の電気化学的重合は、Dietrich et al.著,Journal Electroanalytical Chemistry,volume 369,1994年,pages 87−92に記載された。
ポリマーを含有する溶液又は分散液
本発明に従う溶液又は分散液の第1の態様に従うと、溶液又は分散液はさらにポリアニオンを含有する。
本発明に従う溶液又は分散液中で用いるためのポリアニオン化合物は欧州特許出願公開第440957号明細書に開示されており、高分子カルボン酸、例えばポリアクリル酸、ポリメタクリル酸又はポリマレイン酸及びポリスルホン酸、例えばポリ(スチレンスルホン酸)を含む。これらのポリカルボン酸及びポリスルホン酸は、ビニルカルボン酸及びビニルスルホン酸と他の重合可能なモノマー、例えばアクリル酸エステル、メタクリル酸エステル及びスチレンとのコポリマーであることもできる。
式(I)により示されるチオフェン化合物に由来する化学的又は電気化学的に製造されるポリマーは、可視光の低い吸収及び赤外線への高い吸収と一緒に高い電気伝導度を示す。従ってその層は高度に電気伝導性であり、高度に可視光に透明であり、且つ熱遮断性である。そのようなポリチオフェンを、印刷法を含む多様な方法により多様な剛性及び柔軟性基質、例えばセラミックス、ガラス及びプラスチックに適用することができ、印刷法ではポリチオフェンが例えば標準的方法を用いてインキ又はペーストとして適用され、ペースト又はインキの性質は、1種もしくはそれより多い有機溶媒、結合剤、界面活性剤及び保湿剤の添加により特定の印刷法に適合させられ、そのようなポリチオフェンはプラスチックシートのような柔軟性基質に特に適しており、ポリチオフェン層にその電気伝導度を失わせることなく基質を実質的に曲げ且つ変形させることができる。高い電気伝導度と濡れ時の高い接触角の組み合わせを見ると、そのようなポリマーは特に電気伝導性パターンの製造に有用である。
(2,3−ジヒドロ−チエノ[3,4−b][1,4]ジオキシン−2−イル)−メタノール(EDOT−CH2OH)及び3,6−ビス(2−エチレンジオキシチエニル)−N−メチル−カルバゾール(BEDOT−NMeCz)の合成
EDOT−CH2OH及びBEDOT−NMeCzは既知の方法に従って製造された[Reddinger et al.著,J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,1996年,1777]。
テフロン攪拌棒及びアルゴンの入口が供えられた乾燥丸底フラスコに塩化メチレン(20mL)、EDOT−MeOH(0.5g,2.9ミリモル)及びトリエチルアミン(0.31g,3.1ミリモル)を加えた。攪拌された溶液に塩化メチレン(20mL)及び2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−ペンタデカフルオロ−オクタン酸クロリド(1.35g,3.13ミリモル)の溶液を、滴下ロートを介して滴下した。黄色溶液を2時間攪拌し(30分で十分である)、その時点にそれを100mLの1M HCl中に注いだ。有機層を単離し、濃NaHCO3(3回)、続いてブライン(3回)で洗浄した。次いで有機層を硫酸マグネシウム上で乾燥し、減圧下で濃縮してオフ−ホワイト/黄色の固体を得た。固体をシリカゲル上のフラッシュカラムクロマトグラフィーにより精製し(ヘキサン:塩化メチレン,7:3)、白色の粉末を得た(0.82g,50%)。融点=64−65o。UV−可視(THF):λmax=257nm,ε=5984。
1H NMR(CDCl3):δ 4.09(dd,1H,J=6.3,11.8Hz),4.25(dd,1H,J=2.4,11.8),4.49(m,1H),4.60(m,2H),6.39(s,2H)ppm。13C NMR(CDCl3):δ 65.1,65.7,70.6,100.7,100.8,140.5,141.0,158.2ppm。19F NMR(CDCl3)δ −81.6(CF 3),−118.8(CF 2−CO),−122.0,−122.4,−123.0,−123.2,−126.6(CF 2−CF3)ppm。
C15H7F17O4Sに関して計算された高分解能質量分析:567.9826,測定値:567.9825。C15H7F15SO4に関して計算された元素分析:C,31.70%;H,1.24%;F,50.15%;S,5.64%。測定値:C,31.69%;H,1.28%;F,47.91%;S,6.52%。
200mLのテトラヒドロフラン中の10g(51.0ミリモル)のジフルオロマロン酸ジエチルエステルを100mLの50%エタノール水溶液中の19.0g(505ミリモル)の水素化ホウ素ナトリウムの混合物に、水/氷冷却を用いて室温で攪拌しながら滴下し、続いて室温で3時間攪拌した。冷却しながら60mLの飽和溶液を注意深く加えた後、得られる混合物をpH7〜8で濾過して固体から液相を分離した。次いで固体をtert−ブチルメチルエーテルで洗浄し、洗浄液を液相に加えた。この増量した液相中のこの有機溶媒を次いで回転蒸発器中で除去し、残る水相をtert−ブチルメチルエーテルで4回抽出し、無水硫酸マグネシウムを用いて乾燥し、蒸発乾固した。粗収量は2.12gであった。220℃及び800Pa(6トール)の真空における分別蒸留は27%の収率に相当する1.57gの2,2−ジフルオロ−1,3−プロパンジオールを大部分固体の生成物として与え:
1H NMR(CDCl3):1.148,1.150,1.171,1.173,1.195,1.196,1.905,1.906,1.985,2.088,2.494,2.500,2.506,2.512,2.538,3.560,3.605,3.652,3.694,3.742,3.788,3.833,4.015,4.039,4.628,5.306ppm
により特性化された。
3,3−ジフルオロ−3,4−ジヒドロ−2H−チエノ[3,4−b][1,4]−ジオキセピン−6,8−ジカルボン酸ジエチルエステルは、3.4mL(17.2ミリモル)のアゾジカルボン酸ジイソプロピルエステル(ADC)を、12mLの無水テトラヒドロフラン中の1.77g(6.67ミリモル)の3,4−ジヒドロキシチオフェン−2,5−ジカルボン酸ジエチルエステル、748mgの2,2−ジフルオロ−1,3−プロパンジオール及び4.3mLのトリブチルホスフィンの混合物に、氷−冷却しながら20℃においてアルゴン下で滴下することにより合成された。ADCの滴下の完了後、得られる混合物を室温で4日間放置した。次いでテトラヒドロフランを蒸留し、残留物を100℃で12.5時間加熱し、その後それを酢酸エチル中に溶解した。酢酸エチル溶液を飽和重炭酸ナトリウム溶液で3回、次いで脱イオン水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムを用いて乾燥し、濃縮し、残留物をkieselgel 60 カラム上で、溶離剤としてヘプタン/酢酸エチルを用いてクロマトグラフィーにより精製した。335mg(15%の収率に相当する)の所望の生成物が121〜122℃の融点を以って得られ:
1H NMR(CDCl3):δ 1.370,1.394,1.418,1.574,4.338,4.361,4.364,4.408,4.512,4.550,4.588,7.290;
13C NMR(CDCl3):δ 14.194,64.624,71.545,72.003,72.452,76.582,77.000,77.205,77.422,116.687,116.917,119.868,123.148,149.687及び160.054ppm
により特性化された。
75mLのエタノール中の953mg(3.67ミリモル)の3,3−ジフルオロ−3,4−ジヒドロ−2H−チエノ[3,4−b][1,4]−ジオキセピン−6,8−ジカルボン酸ジエチルエステルを1.10g(27.5ミリモル)の水酸化ナトリウム顆粒と混合し、窒素下に、室温において2時間攪拌した。得られる混合物を2N塩酸で酸性化した後、回転蒸発器を用いてエタノールを大部分蒸発させ、固体を濾過し、濾液を水で3回洗浄し、次いで空気中で乾燥した。736gの3,3−ジフルオロ−3,4−ジヒドロ−2H−チエノ[3,4−b][1,4]−ジオキセピン−6,8−ジカルボン酸が得られ、それは92%の収率に相当し、288〜293℃の融点を有し:
1H NMR(CDCl3):δ 1.169,1.193,1.216,1.302,1.325,1.350,1.959,1.961,2.035,2.043,2.050,2.057,2.065,4.036,4.059,4.298,4.321,4.597,4.603,4.637,4.643,4.676及び4.681ppm(未精製生成物について行なわれた)
により特性化された。
300mg(1.07ミリモル)の3,3−ジフルオロ−3,4−ジヒドロ−2H−チエノ[3,4−b][1,4]−ジオキセピン−6,8−ジカルボン酸を、3.0mLのキノリン中で77mgの亜クロム酸銅と一緒に175℃で1.5時間加熱した。冷却し、35mLのtert−ブチルメチルエーテルと混合した後、得られる混合物を2N塩酸で3回、次いで脱イオン水で3回洗浄し、無水硫酸マグネシウムを用いて乾燥し、最後に蒸発乾固して138mgの粗生成物を得た。粗生成物をKieselgel 60及び溶離剤としてシクロヘキサンを用いるカラムクロマトグラフィーにより精製した。82mgの3,3−ジフルオロ−3,4−ジヒドロ−2H−チエノ[3,4−b][1,4]−ジオキセピン(M3)が66〜67℃の融点を以って得られ、それは40%の収率に相当し:
1H NMR(DMSO):δ 4.258,4.297,4.335,6.574及び7.259ppm;
13NMR(DMSO):δ 71.244,71.694,72.144,76.582,77.000,77.422,106.437,116.993,120.266,123.538及び147.420ppm
により特性化された。
25mLのエタノール中の6.08g(20ミリモル)の3,4−ジヒドロキシチオフェン−2,5−ジカルボン酸のナトリウム塩及び3.7g(27ミリモル)のエピブロモヒドリンを攪拌しながら48時間還流させた。2時間後、透明な溶液が得られた。冷却後、半−固化した塊を酢酸及び2N塩酸と混合し、振り、沈殿する白色の結晶を減圧下で濾過した。脱イオン水を用いる洗浄及び乾燥の後、3.22g(54%の収率に相当する)の196〜198℃の融点を有する所望の生成物が得られた。ジオキサンからの再結晶は、198〜200℃の融点を有する所望の無色の生成物を与え:
1H NMR(DMSO):δ 1.105,1.182,1.205,1.229,2.488,2.494,2.500,2.506,2.512,2.524,4.076,4.089,4.099,4.112,4.130,4.136,4.142,4.150,4.154,4.178,4.190,4.201,4.214,4.477,5.840,5.889,6.958,7.007ppm;
13NMR(DMSO):δ 14.344,38.676,38.949,39.227,39.777,40.055,40.328,59.901,60.419,87.625,120.528,150.954,160.670,168.939ppm
により特性化された。
EG&G Princeton Applied Researchモデル273Aポテンシオスタット/ガルバノスタットを用い、アセトニトリル(ACN)中で、電解質として0.1M過塩素酸テトラブチルアンモニウム(TBAP)を用いて、EDOT−F(M8)の酸化的電気化学的重合を行なった。電気重合のために、Pt−ディスク作用電極(面積=0.02cm2)、Ptフラッグ対極及びAg/Ag+参照電極から成る3−電極電池を用いた。0.1M TBAP/CAN中の10mMのモノマー溶液から20mV/秒の走査速度において、繰り返し酸化を介してPt−ディスク上に電析を行なった。
光学的性質
ITOがコーティングされたガラス基質(面積=1.0cm2)上にPEDOT−Fを+1.2Vにおいてポテンシオスタティクに(potentiostatically)電気合成し、Varian Cary 500 UV−可視−NIR分光光度計を用い、作用電極としてITOがコーティングされたガラス、対極としてPtワイア及び擬−参照電極としてAgワイアを用いる3電極電池において、PEDOT−Fの分光電気化学系列を調べた。10Ω未満の表面抵抗を有するITOがコーティングされたガラス電極はDalta Technologies,Ltdから購入された。フィルム厚さはDektak Sloan 3030プロフィロメーターを用いて測定され、示される厚さはフィルムの4つの領域で測定された厚さの平均である。
中性及びドーピングされた状態の間のPEDOT−Fのスィッチングについてのデータを、繰り返しレドックスステッピング(redox stepping)実験の間のλmaxにおける単色光の透過を監視することにより得た。PEDOT−Fは着色中性状態と高度に透過性のドーピングされた状態の間で迅速に(95%において0.6秒)スィッチングすることが見出された。ポリマーに関するスィッチング時間はフルスィッチ(full switch)の95%において測定され、それは、この点を越えると裸眼でそれ以上の色変化を感知するのが困難だからである。
エレクトロクロミック材料の間の比較のための重要なパラメーターは、それらの複合着色効率(CCE)である。光学濃度変化の95%において着色効率[CE]値を測定するために、タンデムクロノアブソープトメトリー/クロノクーロメトリー(tandem chronoabsorptometry/chronocoulometry)実験が開発された。
Minolta CS−100 Chroma Meter及び透過率測定のためのCIE推奨ノーマル/ノーマル(normal/normal)(0/0)イルミネーション/ビュウイングジオメトリー(illuminating/viewing geometry)を用いて輝度測定値を得た。外部の光を排除するために特別に設計されたライトブース(light booth)中で、D50(5000 K)光源により試料を背後から照射した。標準的石英キュベット中に保持された電解質溶液中のブランクITOスライドを用い、背景測定値を得た。標準的発光体(illuminant)のYxy値を測定し、標準的光源のXn、Yn、Zn3刺激値に変換した。
プロピレンカーボネート中に0.01Mのモノマー及び0.1MのTBAPF6を含有する溶液から、定電流析出により自立性フィルムを合成した。電気化学的電池はガラス状炭素作用電極及びステンレススチール対極から成った。フィルムは0.04mA/cm2の定電流におけるゆっくりした定電流析出により調製され、温度は−5℃に保たれた。最適伝導度の値は典型的に低温(0〜5℃)において、得られるフィルムの可塑剤として働くプロピレンカーボネートのような低蒸気圧溶媒中で電解質としてTBAPF6を用いて得られた。それにより、マイクロメーターを用いて測定される15μmの範囲内の厚さを有する黒く光った自立性フィルムが電気合成された。フィルムを電極から剥がし、アセトニトリルで洗浄し、24時間乾燥した。
ITO/ガラス電極上における定電位析出により得られるPEDOT及びPEDOT−Fの薄くて(約200nm)ClO4 −がドーピングされたフィルムにつき、接触角測定を行なった。調製の後、フィルムをアセトニトリルで厳重に洗浄し、次いで真空下で24時間乾燥した。測定はTantec.Inc.からのContact Angle MeterモデルCam−Plusを用いて行なわれ、2つの材料の疎水性における顕著な差を明らかにした。PEDOT表面は濡れ可能であり、すなわち30o未満の接触角を有したが、PEDOT−F表面は高度に疎水性であり、110oの接触角を示した。この増強された疎水性は中性のフィルムの環境的安定性に有益な効果を有すると期待される。さらに、ポリマーがそれらの電気的活性を失わずに中性の状態で保存される必要がある用途にそれを導くことができる。
PEDOT−Fの光学的性質を研究するために測色法を用いた。輝度は、スペクトルの全可視領域に及ぶ試料の感知される透明性についての情報を与える。図1Aは、PEDOT−Fに関する適用電位への輝度の依存性を示す。酸化されると、π−π*遷移の強度を低下させながら輝度は16%から79%に向上した。図1BはPEDOT−Fに関するCIE 1931 x−y図を示し、ポリマーが−0.5Vにおける非常に暗い青色の中性状態から1Vにおける透過性の灰色−スカイブルー酸化状態にスィッチングすることを示す。
PEDOT−Fの驚くべき広い吸光度特性は、その向上した疎水性及び予測される強化された溶解性と組み合わされ、それをエレクトロクロミック装置用途のための生き残り得る候補にする。
Princeton Applied Research Potentiostat/Galvanostat Model 273Aならびに0.02cm2のPtボタン作用電極、Ptワイア対極及びAg0ワイア擬参照電極を用いて3,3−ジフルオロ−3,4−ジヒドロ−2H−チエノ[3,4−b][1,4]−ジオキセピン(M3)の電気化学的重合を行い、Ag0ワイア擬参照電極は次いでモノマーを含有しない電解質溶液中のフェロセン溶液を用いてキャリブレーションされた。すべての電位はフェロセン/フェリシニウムに対して報告される。
3,3−ジフルオロ−3,4−ジヒドロ−2H−チエノ[3,4−b][1,4]−ジオキセピン(M3)のEDOT及びProDOTとの混合物を電気化学的に重合させると、重合の明らかな証拠が見出された。
Claims (8)
- 式(I):
により示されるチオフェン化合物。 - 式(I):
により示されるチオフェン化合物のモノマー単位を含有するポリマー。 - 式(I):
により示されるチオフェン化合物のモノマー単位を含有するポリマーを液体媒体中に含有する溶液又は分散液。 - 式(I):
により示されるチオフェン化合物のモノマー単位を含有するポリマーを液体媒体中に含有する溶液又は分散液の、物体のコーティングのための使用法。 - 式(I):
により示されるチオフェン化合物のモノマー単位を含有するポリマーを含有する、印刷可能なインキ又はペースト。 - 式(I):
により示されるチオフェン化合物のモノマー単位を含有するポリマーを含有する電気伝導性を示すコーティングフィルム。 - 式(I):
により示されるチオフェン化合物のモノマー単位を含有するポリマーを含有する帯電防止性を示すコーティングフィルム。 - 式(I):
により示されるチオフェン化合物のモノマー単位を含有するポリマーを含有するエレクトロクロミック性を示す装置。
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