JP5615459B2 - ベンゾチエノベンゾチオフェン誘導体、有機半導体材料、及び有機トランジスタ - Google Patents

ベンゾチエノベンゾチオフェン誘導体、有機半導体材料、及び有機トランジスタ Download PDF

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Description

本発明は、ベンゾチエノベンゾチオフェン誘導体、それを用いた有機半導体材料、これを含有する有機半導体インキ、及びそれを用いた有機トランジスタに関する。
従来、アモルファスシリコンや多結晶シリコンを用いてなる薄膜トランジスタ(TFT)が、液晶表示装置や有機EL表示装置などのスイッチング素子として広く用いられている。しかし、これらシリコンを用いたTFTの作製に用いられるCVD装置は、高価であるため、大型のTFT素子の製造は製造コストの増大を招くことになる。また、シリコン材料は高温下で成膜されるため、今後フレキシブルディスプレイの基板候補であるプラスチック基板には耐熱性の問題から展開できない。これを解決するために、シリコン半導体に代えて、有機半導体をチャネル半導体層に用いた有機TFTが提案されている。
有機半導体は溶液とすることで、低温で印刷成膜できるため、大規模な製造設備を必要とせず、また、耐熱性の乏しいプラスチック上にも適用でき、フレキシブルディスプレイを牽引すると期待されている。一方、有機半導体はシリコン半導体に比べ、キャリア移動度が低く、その結果、TFTの応答速度が遅くなることが実用化の課題であったが、近年、アモルファスシリコン同等の移動度の有機半導体が開発されてきた。
例えば、特許文献1には、2,7−置換[1]ベンゾチエノ[3,2−b][1]ベンゾチオフェン骨格(以下、[1]ベンゾチエノ[3,2−b][1]ベンゾチオフェンをBTBTと略する)を有する化合物が記載されており、その置換基として、ハロゲン、C−C18アルキル、ハロゲンを有するC−C18アルキル、C−C18アルキルオキシ、C−C18アルキルチオ、もしくはアリール、又は、ハロゲン、C−C18アルキル、ハロゲンを有するC−C18アルキル、C−C18アルキルオキシ、C−C18アルキルチオの少なくとも一つを有するアリールであるものが記載されている。これら化合物の移動度(cm/Vs)は、0.17〜0.31cm/Vsであるという。
また、特許文献2には、2,7−置換BTBT骨格を有する化合物が記載されており、その置換基として、水素原子、ハロゲノ置換C−C36脂肪速炭化水素基であるものが記載されている。これら化合物の移動度(cm/Vs)は、0.12〜4.5cm/Vsであることが記載されている。
また、特許文献3にはカルコゲノフェン環を有する2,7−置換BTBT骨格を有する化合物が記載されている。カルコゲノフェン環を導入することにより、半導体薄膜と電極との密着性および大気下での薄膜安定性が向上し、移動度が0.08〜0.22cm/Vsであったと報告されている。
更に、特許文献4〜6にはアセチレン構造を持つベンゾチエノチオフェン骨格を有する化合物が記載されている。有機半導体材料の前駆体や、有機半導体ポリマーの前駆体として有効であるという。
また、特許文献7には、高次の液晶相を発現する広範なBTBT骨格を有する化合物が記載されているが、本発明に係る誘導体は知られていない。
特許文献8には、芳香族複素環を骨格として有する構造である有機薄膜トランジスタ用化合物が記載されているが、本発明に係る誘導体は記載されておらず、実施例によれば電界効果移動度のオーダーは、10−1〜10−2(cm/Vs)の程度であることが記載されている。
特許文献9には、有機薄膜トランジスタにおいて、中心に芳香族炭化水素基又は芳香族複素環基とアセチレン構造とを有する特定の有機化合物を用いることができることが記載されている。しかしながら、当該化合物が、本発明の課題である高次の液晶相を発現するか否かについて記載されていない。
一方、上記のように、移動度の向上した有機半導体材料は多く報告されているものの、印刷成膜により有機半導体薄膜を形成する場合、印刷時に有機半導体分子がランダムに配列するため、キャリアが流れる流路が形成されず、高い移動度の有機半導体膜を得難い。従って、当該用途では、印刷成膜時に有機半導体分子が一方向に容易に配向し、キャリアが流れやすい膜を与える有機半導体材料が必要とされている。
WO2006−077888号公報 WO2008−47896号公報 特開2009−73780号公報 特開2012−134482号公報 特開2009−286781号公報 特開2012−1442号公報 WO2012−121393号公報 WO2009−125704号公報 WO2009−125721号公報
しかしながら、従来材料は、未だ移動度が1cm/Vs未満のものが多く、液晶表示装置や有機ELを駆動するには不十分である。また、高移動度が報告されている特許文献2の化合物はスピンコート成膜することができるものの、高移動度を発現するためには熱処理しなければならず、処理温度や処理時間のバラツキによって、同条件で作製したTFTであっても、移動度のバラツキが大きい。
従って、有機半導体材料には分子自身のキャリア移動度の向上に加え、印刷成膜しても性能が低下せず、容易に高い移動度の膜を形成することが求められている。
そこで、本発明の課題は、複雑なプロセスを経由せずとも容易に高いキャリア移動度の膜を与え、且つ得られる半導体素子の移動度のバラツキが小さい有機半導体材料、及びそれに用いることのできる化合物を提供することにある。
本発明では、鋭意検討を行ったところ、特定構造のアリーレンアセチレン構造を持つBTBT誘導体は、分子配置の秩序性が高い、高次の液晶相を経由して結晶化するため、印刷成膜でも煩雑な熱処理を必要とせず、高い移動度で、移動度のバラツキの小さい膜を容易に形成することを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明によれば、高い移動度とTFTにおける性能安定性に優れた有機半導体を提供することができる。
ボトムコンタクト型トランジスタの模式断面図である。 実施例1で得た化合物aの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例2で得た化合物bの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例3で得た化合物cの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例4で得た化合物dの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例5で得た化合物eの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例6で得た化合物fの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例7で得た化合物gの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例8で得た化合物hの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例9で得た化合物iの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例10で得た化合物jの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例11で得た化合物kの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例12で得た化合物lの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例13で得た化合物mの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例14で得た化合物nの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例15で得た化合物oの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例16で得た化合物pの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例17で得た化合物qの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例18で得た化合物rの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例19で得た化合物sの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例20で得た化合物tの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例21で得た化合物uの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。 実施例22で得た化合物vの(a)室温における偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真(結晶相)の例、および(b)結晶相に隣接する高い温度領域の相の偏光顕微鏡テクスチャーを示す偏光顕微鏡写真の例(高次の液晶相)である。
即ち、本発明は以下の項目から構成される。
1. 一般式(1)
Figure 0005615459
(式中、R−及びR−が、下記(I)又は(II)の何れかであるが、少なくとも一方が(I)である。
(I)一般式(2)又は(3)である基
Figure 0005615459
Figure 0005615459
(Arは置換基を有してもよい芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、Arは置換基を有してもよい芳香族炭化水素基又は置換基を有してもよい複素芳香族基、R’は水素原子、炭素数1〜4のアルキル基を有するトリアルキルシリル基、炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい芳香族炭化水素基又は複素芳香族基。)
(II)炭素数2〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、ハロゲン原子を有する炭素数2〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基、炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基、芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、及び、
炭素数1〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、ハロゲン原子を有する炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基、又は炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、
から選ばれる基)
で表されるベンゾチエノベンゾチオフェン誘導体、
2. 下記一般式(4)
Figure 0005615459
(式中、R−が下記一般式(2)又は(3)のいずれかの基であり、
Figure 0005615459
Figure 0005615459
(但し、Ar、Ar、およびR’は上記と同義を表し、
−は、炭素数2〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、ハロゲン原子を有する炭素数2〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基、炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基、芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、及び、
炭素数1〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、ハロゲン原子を有する炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基、又は炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、
から選ばれる基)
で表される1.に記載のベンゾチエノベンゾチオフェン誘導体。
3. 1.又は2.に記載のベンゾチエノベンゾチオフェン誘導体を用いた有機半導体材料、
4.3.に記載の有機半導体材料を含有する有機半導体インキ、
5.3.に記載の有機半導体材料を含有する有機半導体膜、
6.3.に記載の有機半導体材料を用いてなる有機半導体デバイス、
7.3.に記載の有機半導体材料を有機半導体層として用いる有機トランジスタ。
(一般式(1)で表される化合物)
一般式(1)で表される化合物は、BTBT骨格に置換基を有する化合物であり、少なくとも一方が、特定のアリーレンアセチレン構造からなる一般式(2)または(3)の基であり、もう一方が、炭素数2〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、ハロゲン原子を有する炭素数2〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基、炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基、芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、炭素数2〜20のアルキル基または炭素数2〜20のアルケニル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、ハロゲン原子を有する炭素数2〜20のアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、一般式(2)または一般式(3)の基から選ばれる基であることに特徴を有する。
本発明の有機半導体材料は、BTBT環がアセチレン部位を介して芳香環と連結しているため、π共役平面の拡張による移動度向上と、BTBT環と置換基との回転運動の抑制による高次の液晶相の発現に寄与し、高い移動度と、移動度のバラツキが小さい半導体素子を実現することができる。
(BTBTの置換基の列挙)
本発明の一般式(1)で表される化合物のRまたはRの少なくとも一方が、
(I)一般式(2)または一般式(3)で表される置換基である。
Figure 0005615459
Figure 0005615459
一般式(2)で表される置換基のArは、置換基を有してもよい芳香族炭化水素基または置換基を有してもよい複素芳香族基であれば、特に制限はないが、例えば以下のものを挙げることができる。
置換基を有してもよい芳香族炭化水素基としては、フェニル基、ナフチル基、アズレニル基、アセナフテニル基、アントラニル基、フェナントリル基、ナフタセニル基、フルオレニル基、ピレニル基、クリセニル基、ペリレニル基、ビフェニル基、p−ターフェニル基、クォーターフェニル基などの無置換の炭素数6〜24の単環または多環式芳香族炭化水素基、
o−トリル基、m−トリル基、p−トリル基、2,4−キシリル基、2,6−キシリル基、メシチル基、ジュリル基、4−エチルフェニル基、4−n−プロピルフェニル基、4−イソプロピルフェニル基、4−n−ブチルフェニル基、4−n−ペンチルフェニル基、4−n−ヘキシルフェニル基、4−n−デカフェニル基、4−ステアリルフェニル基、9,9‘−ジヘキシルフルオレニル基など、前記芳香族炭化水素基が炭素数1〜18のアルキル基で置換されたアルキル置換芳香族炭化水素基、
スチリル基、4−ブテニルフェニル基、4−オクタデセニルフェニル基など、前記の芳香族炭化水素基が炭素数2〜20のアルケニル基で置換されたアルケニル置換芳香族炭化水素基、
4−フルオロフェニル基、2,6−フルオロフェニル基、4−クロロフェニル基、2,3,4,5,6−パーフルオロフェニル基など、前記の芳香族炭化水素基がフッ素原子、塩素原子、臭素原子などのハロゲンで置換されたハロゲン化芳香族炭化水素基、
4−(2−エトキシエチル)フェニル基、4−(2−n−ヘキシルオキシエチル)フェニル基、4−(2−n−ヘプチルオキシエチル)フェニル基、4−(2−n−テトラデシルオキシエチル)フェニル基、4−(2−シクロヘキシルオキシエチル)フェニル基、4−(12−エトキシドデシル)フェニル基、4−(シクロヘキシルオキシエチル)フェニル基など、前記芳香族炭化水素基が炭素数3〜20のアルコキシアルキル基で置換されたアルコキシアルキル置換芳香族炭化水素基、
4−(メチルスルファニルプロピル)フェニル基、4−(2−n−ヘキシルスルファニルエチル)フェニル基、4−(3−n−デシルスルファニルプロピル)フェニル基、4−(シクロヘキシルスルファニルプロピル)フェニル基など、前記の芳香族炭化水素基が炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基で置換されたアルキルスルファニルアルキル置換芳香族炭化水素基、
4−(3−オクチルアミノプロピル)フェニル基、4−(3−ドデシルアミノプロピル)フェニル基、4−(ジエチルアミノエチル)フェニル基など、前記の芳香族炭化水素基が炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基で置換されたアルキルアミノアルキル置換芳香族炭化水素基、などが挙げられる。
また、置換基を有してもよい複素芳香族基としては、ピロリル基、インドリル基、フリル基、チエニル基、イミダゾリル基、ベンゾフリル基、トリアゾリル基、ベンゾトリアゾリル基、ベンゾチエニル基、ピラゾリル基、インドリジニル基、キノリニル基、イソキノリニル基、カルバゾリル基、ジベンゾフラニル基、ジベンゾチオフェニル基、インドリニル基、チアゾリル基、ピリジル基、ピリミジル基、ピラジニル基、ピリダジニル基、チアジアジニル基、オキサジアゾリル基、ベンゾキノリニル基、チアジアゾリル基、ピロロチアゾリル基、ピロロピリダジニル基、テトラゾリル基、オキサゾリル基など、5員環または6員環の複素芳香族基や、該複素芳香族基にベンゼンが縮合した多環式複素芳香族基、
5−メチルチエニル基、5−ヘキシルチエニル基、5−デカチエニル基、5−ステアリルチエニル基など前記複素芳香族基が炭素数1〜20のアルキル基で置換されたアルキル置換複素芳香族基、
フルオロピリジニル基、フルオロインドリル基など、前記の複素芳香族基がフッ素原子、塩素原子、臭素原子などのハロゲンで置換されたハロゲン化複素芳香族基、
5−(2−エトキシエチル)チエニル基、5−(2−n−テトラデシルオキシエチル)チエニル基、5−(2−シクロヘキシルオキシエチル)チエニル基、5−(12−エトキシドデシル)チエニル基など、前記芳香族炭化水素基が炭素数3〜20のアルコキシアルキル基で置換されたアルコキシアルキル置換複素芳香族基、
5−(メチルスルファニルプロピル)チエニル基、5−(2−n−ヘキシルスルファニルエチル)チエニル基、5−(3−n−デシルスルファニルプロピル)チエニル基、5−(シクロヘキシルスルファニルプロピル)チエニル基など、前記の芳香族炭化水素基が炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基で置換されたアルキルスルファニルアルキル置換複素芳香族基、
5−(3−オクチルアミノプロピル)チエニル基、5−(3−ドデシルアミノプロピル)チエニル基、5−(ジエチルアミノエチル)チエニル基など、前記の複素芳香族基が炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基で置換されたアルキルアミノアルキル置換複素芳香族基、などが挙げられる。
上記の中でも、高次の液晶相を呈し、それ故の移動度のバラツキ抑制の観点から、Arは、置換基を有する芳香族炭化水素基または複素芳香族基が好ましく、炭素数1〜12の置換基を有する芳香族炭化水素基または複素芳香族基が特に好ましい。
また、一般式(3)で表される置換基のArは、置換基を有してもよい芳香族炭化水素基又は置換基を有してもよい複素芳香族基であれば、特に制限はないが、例えば以下のものを挙げることができる。
フェニレン基、ナフチレン基、アズレニレン基、アセナフテニレン基、アントリレン基、フェナントリレン基、ナフタセニレン基、フルオレニレン基、ピレニレン基、クリセニレン基、ペリレニレン基、ビフェニレン基、p−ターフェニレン基、クォーターフェニレン基などの炭素数6〜24の単環または多環式芳香族炭化水素基、
トリレン基、キシリレン基、エチルフェニレン基、プロピルフェニレン基、ブチルフェニレン基、メチルナフチレン、9,9‘−ジヘキシルフルオレニレン基など、前記芳香族炭化水素基が炭素数1〜10のアルキル基で置換されたアルキル置換芳香族炭化水素基、
フルオロフェニレン基、クロロフェニレン基、ブロモフェニルン基など、前記の芳香族炭化水素基がフッ素原子、塩素原子、臭素原子などのハロゲンで置換されたハロゲン化芳香族炭化水素基などが挙げられる。
更に、チエニレン、ピリジレンなどの複素芳香族基や、これらが置換された複素芳香族基も使用することができる。
また、一般式(3)で表される置換基のR‘は水素原子、炭素数1〜4のアルキル基を有するトリアルキルシリル基、炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい芳香族炭化水素基又は複素芳香族基であれば、特に制限はないが、例えば以下のものが挙げられる。
炭素数1〜4のアルキル基を有するトリアルキルシリル基としては、トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリn−プロピルシリル基、トリiso−プロピルシリル基、トリn−ブチルシリル、トリsec−ブチル基、
炭素数1〜20のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、n−ヘキシル基、1−メチルペンチル基、4−メチル−2−ペンチル基、3,3−ジメチルブチル基、2−エチルブチル基、n−ヘプチル基、1−メチルヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、n−オクチル基、tert−オクチル基、1−メチルヘプチル基、2−エチルヘキシル基、2−プロピルペンチル基、n−ノニル基、2,2−ジメチルヘプチル基、2,6−ジメチル−4−ヘプチル基、3,5,5−トリメチルヘキシル基、n−デシル基、n−ウンデシル基、1−メチルデシル基、n−ドデシル基、n−トリデシル基、1−ヘキシルヘプチル基、n−テトラデシル基、n−ペンタデシル基、n−ヘキサデシル基、n−ヘプタデシル基、n−オクタデシル基、n−エイコシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、4−メチルシクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基などの直鎖、分岐または環状のアルキル基、
置換基を有してもよい芳香族炭化水素基としては、フェニル基、ナフチル基、アズレニル基、アセナフテニル基、アントラニル基、フェナントリル基、ナフタセニル基、フルオレニル基、ピレニル基、クリセニル基、ペリレニル基、ビフェニル基、p−ターフェニル基、クォーターフェニル基などの炭素数6〜24の単環または多環式芳香族炭化水素基、
o−トリル基、m−トリル基、p−トリル基、2,4−キシリル基、2,6−キシリル基、メシチル基、ジュリル基、4−エチルフェニル基、4−n−プロピルフェニル基、4−イソプロピルフェニル基、4−n−ブチルフェニル基、4−n−ペンチルフェニル基、4−n−ヘキシルフェニル基、4−n−デカフェニル基、4−ステアリルフェニル基、9,9‘−ジヘキシルフルオレニル基など、前記芳香族炭化水素基が炭素数1〜18のアルキル基で置換されたアルキル置換芳香族炭化水素基、
スチリル基、4−ブテニルフェニル基、4−オクタデセニルフェニル基など、前記の芳香族炭化水素基が炭素数2〜20のアルケニル基で置換されたアルケニル置換芳香族炭化水素基、
4−フルオロフェニル基、2,6−フルオロフェニル基、4−クロロフェニル基、2,3,4,5,6−パーフルオロフェニル基など、前記の芳香族炭化水素基がフッ素原子、塩素原子、臭素原子などのハロゲンで置換されたハロゲン化芳香族炭化水素基、
4−(2−エトキシエチル)フェニル基、4−(2−n−ヘキシルオキシエチル)フェニル基、4−(2−n−ヘプチルオキシエチル)フェニル基、4−(2−n−テトラデシルオキシエチル)フェニル基、4−(2−シクロヘキシルオキシエチル)フェニル基、4−(12−エトキシドデシル)フェニル基、4−(シクロヘキシルオキシエチル)フェニル基など、前記芳香族炭化水素基が炭素数3〜20のアルコキシアルキル基で置換されたアルコキシアルキル置換芳香族炭化水素基、
4−(メチルスルファニルプロピル)フェニル基、4−(2−n−ヘキシルスルファニルエチル)フェニル基、4−(3−n−デシルスルファニルプロピル)フェニル基、4−(シクロヘキシルスルファニルプロピル)フェニル基など、前記の芳香族炭化水素基が炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基で置換されたアルキルスルファニルアルキル置換芳香族炭化水素基、
4−(3−オクチルアミノプロピル)フェニル基、4−(3−ドデシルアミノプロピル)フェニル基、4−(ジエチルアミノエチル)フェニル基など、前記の芳香族炭化水素基が炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基で置換されたアルキルアミノアルキル置換芳香族炭化水素基、などが挙げられる。
また、置換基を有してもよい複素芳香族基としては、ピロリル基、インドリル基、フリル基、チエニル基、イミダゾリル基、ベンゾフリル基、トリアゾリル基、ベンゾトリアゾリル基、ベンゾチエニル基、ピラゾリル基、インドリジニル基、キノリニル基、イソキノリニル基、カルバゾリル基、ジベンゾフラニル基、ジベンゾチオフェニル基、インドリニル基、チアゾリル基、ピリジル基、ピリミジル基、ピラジニル基、ピリダジニル基、チアジアジニル基、オキサジアゾリル基、ベンゾキノリニル基、チアジアゾリル基、ピロロチアゾリル基、ピロロピリダジニル基、テトラゾリル基、オキサゾリル基など、5員環または6員環の複素芳香族基や、該複素芳香族基にベンゼンが縮合した多環式複素芳香族基、
5−メチルチエニル基、5−ヘキシルチエニル基、5−デカチエニル基、5−ステアリルチエニル基など前記複素芳香族基が炭素数1〜20のアルキル基で置換されたアルキル置換複素芳香族基、
フルオロピリジニル基、フルオロインドリル基など、前記の複素芳香族基がフッ素原子、塩素原子、臭素原子などのハロゲンで置換されたハロゲン化複素芳香族基、
5−(2−エトキシエチル)チエニル基、5−(2−n−テトラデシルオキシエチル)チエニル基、5−(2−シクロヘキシルオキシエチル)チエニル基、5−(12−エトキシドデシル)チエニル基など、前記芳香族炭化水素基が炭素数3〜20のアルコキシアルキル基で置換されたアルコキシアルキル置換複素芳香族基、
5−(メチルスルファニルプロピル)チエニル基、5−(2−n−ヘキシルスルファニルエチル)チエニル基、5−(3−n−デシルスルファニルプロピル)チエニル基、5−(シクロヘキシルスルファニルプロピル)チエニル基など、前記の芳香族炭化水素基が炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基で置換されたアルキルスルファニルアルキル置換複素芳香族基、
5−(3−オクチルアミノプロピル)チエニル基、5−(3−ドデシルアミノプロピル)チエニル基、5−(ジエチルアミノエチル)チエニル基など、前記の複素芳香族基が炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基で置換されたアルキルアミノアルキル置換複素芳香族基、などが挙げられる。
次に、本発明の一般式(1)で表される化合物のRまたはRの残りの一方は、
(I)上記の一般式(2)または一般式(3)で表される置換基、又は、
(II)炭素数2〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、ハロゲン原子を有する炭素数2〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基、炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基、芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、炭素数2〜20のアルキル基または炭素数2〜20のアルケニル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、ハロゲン原子を有する炭素数2〜20のアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基から選ばれる基であり、(II)を例示すると、
炭素数2〜20のアルキル基としては、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、n−ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、n−ヘキシル基、1−メチルペンチル基、4−メチル−2−ペンチル基、3,3−ジメチルブチル基、2−エチルブチル基、n−ヘプチル基、1−メチルヘキシル基、シクロヘキシルメチル基、n−オクチル基、tert−オクチル基、1−メチルヘプチル基、2−エチルヘキシル基、2−プロピルペンチル基、n−ノニル基、2,2−ジメチルヘプチル基、2,6−ジメチル−4−ヘプチル基、3,5,5−トリメチルヘキシル基、n−デシル基、n−ウンデシル基、1−メチルデシル基、n−ドデシル基、n−トリデシル基、1−ヘキシルヘプチル基、n−テトラデシル基、n−ペンタデシル基、n−ヘキサデシル基、n−ヘプタデシル基、n−オクタデシル基、n−エイコシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、4−メチルシクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基などの直鎖、分岐または環状のアルキル基、
炭素数2〜20のアルケニル基としては、ビニル基、アリル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、デセニル基、ドデセニル基、テトラデセニル基、ヘキサデセニル基、オクタデセニル基、メチルペンテニル基、シクロヘキセン、4−メチルシクロヘキセンなどの直鎖、分岐、環状のアルケニル基、
ハロゲン原子を有する炭素数2〜20のアルキル基としては、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル基、2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロブチル基、2,2,3,3,4,4,5,5,5−ノナフルオロペンチル基、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,6−ウンデカフルオロヘキシル基、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チル基など、前記炭素数2〜20のアルキル基の水素原子の一部をフッ素原子で置換されたアルキル基、
炭素数3〜20のアルコキシアルキル基としては、2−メトキシエチル基、2−エトキシエチル基、2−n−プロポキシエチル基、2−イソプロポキシエチル基、2−n−ブトキシエチル基、2−n−ヘキシルオキシエチル基、2−(2’−エチルブチルオキシ)エチル基、2−n−ヘプチルオキシエチル基、2−n−オクチルオキシエチル基、2−(2’−エチルヘキシルオキシ)エチル基、2−n−デシルオキシエチル基、2−n−ドデシルオキシエチル基、2−n−テトラデシルオキシエチル基、2−シクロヘキシルオキシエチル基、2−メトキシプロピル基、3−メトキシプロピル基、3−エトキシプロピル基、3−n−プロポキシプロピル基、3−イソプロポキシプロピル基、3−n−ブトキシプロピル基、3−n−ペンチルオキシプロピル基、3−n−ヘキシルオキシプロピル基、3−(2’−エチルブトキシ)プロピル基、3−n−オクチルオキシプロピル基、3−(2’−エチルヘキシルオキシ)プロピル基、3−n−デシルオキシプロピル基、3−n−ドデシルオキシプロピル基、3−n−テトラデシルオキシプロピル基、3−シクロヘキシルオキシプロピル基、4−メトキシブチル基、4−エトキシブチル基、4−n−プロポキシブチル基、4−イソプロポキシブチル基、4−n−ブトキシブチル基、4−n−ヘキシルオキシブチル基、4−n−オクチルオキシブチル基、4−n−デシルオキシブチル基、4−n−ドデシルオキシブチル基、5−メトキシペンチル基、5−エトキシペンチル基、5−n−プロポキシペンチル基、5−n−ペンチルオキシペンチル基、6−メトキシヘキシル基、6−エトキシヘキシル基、6−イソプロポキシヘキシル基、6−n−ブトキシヘキシル基、6−n−ヘキシルオキシヘキシル基、6−n−デシルオキシヘキシル基、4−メトキシシクロヘキシル基、7−メトキシヘプチル基、7−エトキシヘプチル基、7−イソプロポキシヘプチル基、8−メトキシオクチル基、8−エトキシオクチル基、9−メトキシノニル基、9−エトキシノニル基、10−メトキシデシル基、10−エトキシデシル基、10−n−ブトキシデシル基、11−メトキシウンデシル基、12−メトキシドデシル基、12−エトキシドデシル基、12−イソプロポキシドデシル基、14−メトキシテトラデシル基、シクロヘキシルオキシエチル基、シクロヘキシルオキシプロピル基などの直鎖、分岐または環状のアルコキシアルキル基、
炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基としては、メチルスルファニルプロピル基、エチルスルファニルプロピル基、ブチルスルファニルプロピル基、ドデシルスルファニルプロピル基などのアルキルスルファニルアルキル基、2−メチルスルファニルエチル基、2−エチルスルファニルエチル基、2−n−プロピルスルファニルエチル基、2−イソプロピルスルファニルエチル基、2−n−ブチルスルファニルエチル基、2−n−ヘキシルスルファニルエチル基、2−(2’−エチルブチルスルファニル)エチル基、2−n−ヘプチルスルファニルエチル基、2−n−オクチルスルファニルエチル基、2−(2’−エチルヘキシルスルファニル)エチル基、2−n−デシルスルファニルエチル基、2−n−ドデシルスルファニルエチル基、2−n−テトラデシルスルファニルエチル基、2−シクロヘキシルスルファニルエチル基、2−メチルスルファニルプロピル基、3−メチルスルファニルプロピル基、3−エチルスルファニルプロピル基、3−n−プロピルスルファニルプロピル基、3−イソプロピルスルファニルプロピル基、3−n−ブチルスルファニルプロピル基、3−n−ペンチルスルファニルプロピル基、3−n−ヘキシルスルファニルプロピル基、3−(2’−エチルブチルスルファニル)プロピル基、3−n−オクチルスルファニルプロピル基、3−(2’−エチルヘキシルスルファニル)プロピル基、3−n−デシルスルファニルプロピル基、3−n−ドデシルスルファニルプロピル基、3−n−テトラデシルスルファニルプロピル基、3−シクロヘキシルスルファニルプロピル基、4−メチルスルファニルブチル基、4−エチルスルファニルブチル基、4−n−プロピルスルファニルブチル基、4−イソプロピルスルファニルブチル基、4−n−ブチルスルファニルブチル基、4−n−ヘキシルスルファニルブチル基、4−n−オクチルスルファニルブチル基、4−n−デシルスルファニルブチル基、4−n−ドデシルスルファニルブチル基、5−メチルスルファニルペンチル基、5−エチルスルファニルペンチル基、5−n−プロピルスルファニルペンチル基、5−n−ペンチルスルファニルペンチル基、6−メチルスルファニルヘキシル基、6−エチルスルファニルヘキシル基、6−イソプロピルスルファニルヘキシル基、6−n−ブチルスルファニルヘキシル基、6−n−ヘキシルスルファニルヘキシル基、6−n−デシルスルファニルヘキシル基、4−メチルスルファニルシクロヘキシル基、7−メチルスルファニルヘプチル基、7−エチルスルファニルヘプチル基、7−イソプロピルスルファニルヘプチル基、8−メチルスルファニルオクチル基、8−エチルスルファニルオクチル基、9−メチルスルファニルノニル基、9−エチルスルファニルノニル基、10−メチルスルファニルデシル基、10−エチルスルファニルデシル基、10−n−ブチルスルファニルデシル基、11−メチルスルファニルウンデシル基、12−メチルスルファニルドデシル基、12−エチルスルファニルドデシル基、12−イソプロピルスルファニルドデシル基、14−メチルスルファニルテトラデシル基、シクロヘキシルスルファニルエチル基、シクロヘキシルスルファニルプロピル基などの直鎖、分岐または環状のアルキルスルファニルアルキル基、
更に、6−n−プロピルスルファニルヘキシル基、7−n−プロピルスルファニルヘプチル基、8−n−プロピルスルファニルオクチル基、9−n−プロピルスルファニルノニル基、10−n−プロピルスルファニルデシル基、11−エチルスルファニルウンデシル基、11−n−プロピルスルファニルウンデシル基なども挙げられる。
炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基としては、N−メチルアミノエチル基、N−エチルアミノエチル基、N−n−プロピルアミノエチル基、N−イソプロピルアミノエチル基、N−n−ブチルアミノエチル基、N−n−ヘキシルアミノエチル基、N−2−エチルブチルアミノエチル基、N−n−ヘプチルアミノエチル基、N−n−オクチルアミノエチル基、N−2−エチルヘキシルアミノエチル基、N−n−デシルアミノエチル基、N−n−ドデシルアミノエチル基、N−n−テトラデシルアミノエチル基、N−シクロヘキシルアミノエチル基、N−メチルアミノプロピル基、N−メチルアミノプロピル基、N−エチルアミノプロピル基、N−n−プロピルアミノプロピル基、N−イソプロピルアミノプロピル基、N−n−ブチルアミノプロピル基、N−n−ペンチルアミノプロピル基、N−n−ヘキシルアミノプロピル基、N−2−エチルブチルアミノプロピル基、N−n−オクチルアミノプロピル基、N−2−エチルヘキシルアミノプロピル基、N−n−デシルアミノプロピル基、N−n−ドデシルアミノプロピル基、N−n−テトラデシルアミノプロピル基、N−シクロヘキシルアミノプロピル基、N−メチルアミノブチル基、N−エチルアミノブチル基、N−n−プロピルアミノブチル基、N−イソプロピルアミノブチル基、N−n−ブチルアミノブチル基、N−n−ヘキシルアミノブチル基、N−n−オクチルアミノブチル基、N−n−デシルアミノブチル基、N−n−ドデシルアミノブチル基、N−メチルアミノペンチル基、N−エチルアミノペンチル基、N−n−プロピルアミノペンチル基、N−n−ペンチルアミノペンチル基、N−メチルアミノヘキシル基、N−エチルアミノヘキシル基、N−イソプロピルアミノヘキシル基、N−n−ブチルアミノヘキシル基、N−n−ヘキシルアミノヘキシル基、N−n−デシルアミノヘキシル基、N−メチルアミノシクロヘキシル基、N−メチルアミノヘプチル基、N−エチルアミノヘプチル基、N−イソプロピルアミノヘプチル基、N−メチルアミノオクチル基、N−エチルアミノオクチル基、N−メチルアミノノニル基、N−エチルアミノノニル基、N−メチルアミノデシル基、N−エチルアミノデシル基、N−n−ブチルアミノデシル基、N−メチルアミノウンデシル基、N−メチルアミノドデシル基、N−エチルアミノドデシル基、N−イソプロピルアミノドデシル基、N−メチルアミノテトラデシル基、N−シクロヘキシルアミノエチル基、N−シクロヘキシルアミノプロピル基などの直鎖、分岐または環状のN−アルキルアミノアルキル基、
芳香族炭化水素基または複素芳香族基としては、フェニル基、ナフチル基、アズレニル基、アセナフテニル基、アントラニル基、フェナントリル基、ナフタセニル基、フルオレニル基、ピレニル基、クリセニル基、ペリレニル基、ビフェニル基、p−ターフェニル基、クォーターフェニル基、ピロリル基、インドリル基、フリル基、チエニル基、イミダゾリル基、ベンゾフリル基、トリアゾリル基、ベンゾトリアゾリル基、ベンゾチエニル基、ピラゾリル基、インドリジニル基、キノリニル基、イソキノリニル基、カルバゾリル基、ジベンゾフラニル基、ジベンゾチオフェニル基、インドリニル基、チアゾリル基、ピリジル基、ピリミジル基、ピラジニル基、ピリダジニル基、チアジアジニル基、オキサジアゾリル基、ベンゾキノリニル基、チアジアゾリル基、ピロロチアゾリル基、ピロロピリダジニル基、テトラゾリル基、オキサゾリル基など、或いはこれらの芳香族炭化水素基または複素芳香族基の水素原子がフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子に置換された2−フルオロフェニル基、3−フルオロフェニル基、4−フルオロフェニル基、2−クロロフェニル基、3−クロロフェニル基、4−クロロフェニル基、4−ブロモフェニル基、3,5−ジフルオロフェニル基、2,3,4,5,6−ペンタフルオロフェニル基などのハロゲン置換芳香族炭化水素基または複素芳香族基、
炭素数2〜20のアルキル基または炭素数2〜20のアルケニル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基としては、4−エチルフェニル基、4−n−プロピルフェニル基、4−イソプロピルフェニル基、4−n−ブチルフェニル基、4―n−ペンチルフェニル基、4−イソペンチルフェニル基、4−n−ヘキシルフェニル基、4−シクロヘキシルフェニル基、4−n−オクチルフェニル基、4−n−ノニルフェニル基、4−n−デシルフェニル基、4−n−ウンデシルフェニル基、4−n−ドデシルフェニル基、4−n−テトラデシルフェニル基、4−n−オクタデシルフェニル基、5−n−ブチル−2−チエニル基、5−n−ヘキシル−2−チエニル基、5−n−オクチル−2−チエニル基、5−n−デシル−2−チエニル基、5−n−トリデシル−2−チエニル基など、前記芳香族炭化水素基または複素芳香族基が前記炭素数2〜20のアルキル基またはアルケニル基を置換基として有する芳香族炭化水素基または複素芳香族基、
ハロゲン原子を有する炭素数2〜20のアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基としては、4−ペンタフルオロプロピルフェニル基、4−ヘプタフルオロブチルフェニル基、4−ノナフルオロペンチルフェニル基、4−ペンタデカフルオロオクチルフェニル基、4−ノナデカフルオロデシルフェニル基、5−ノナフルオロペンチル−2−チエニル基など、前記芳香族炭化水素基または複素芳香族基が前記ハロゲン原子を有する炭素数2〜20のアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、
炭素数3〜20のアルコキシアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基としては、4−(2−エトキシエチル)フェニル基、4−(2−n−ヘキシルオキシエチル)フェニル基、4−(2−n−オクチルオキシエチル)フェニル基、4−(3−n−オクチルオキシプロピル)フェニル基、4−(3−n−テトラデシルオキシプロピル)フェニル基、4−(4−n−オクチルオキシブチル)フェニル基、4−(6−n−デシルオキシヘキシル)フェニル基、4−(10−n−ブトキシデシル)フェニル基、5−(2−n−ヘキシルオキシエチル)−2−チエニル基など、前記芳香族炭化水素基または複素芳香族基が炭素数3〜20のアルコキシアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、
炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基としては、4−メチルスルファニルプロピルフェニル基、4−ブチルスルファニルプロピルフェニル基、4−ドデシルスルファニルプロピルフェニル基、5−メチルスルファニルプロピル−2−チエニル基など、前記芳香族炭化水素基または複素芳香族基が炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、
炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基としては、N−メチルアミノプロピルフェニル基、N−ブチルアミノプロピルフェニル基、N−ドデシルアミノプロピルフェニル基、N−メチルアミノプロピル−2−チエニル基など、前記芳香族炭化水素基または複素芳香族基が炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、などが挙げられる。
上記の(II)のなかでも、炭素数2〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基、炭素数2〜20のアルキル基または炭素数2〜20のアルケニル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基は、高い移動度を与えるため好ましい。
更に、高次の液晶相を呈し、移動度のバラツキを抑制する点で、上記(II)は好ましくは、炭素数2〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基であり、特に好ましくは、炭素数4〜18のアルキル基、炭素数4〜18のアルコキシアルキル基、炭素数4〜18のアルキルスルファニルアルキル基である。
以上説明した置換基を有する本発明の具体的な化合物として、以下を挙げることがで
きるが、これらに限られるものではない。
Figure 0005615459
Figure 0005615459
Figure 0005615459
Figure 0005615459
(本発明化合物の合成)
本発明化合物の合成は、公知慣用の方法を組み合わせて行うことができる。
合成経路の一例は、以下を挙げることができる。
(合成ルートの一例)
Figure 0005615459
先ずBTBTと脂肪族カルボン酸クロライドをフリーデルクラフツアシル化反応後、
ウォルフ・キッシュナー還元することによりアルキル化された化合物を得る。次に、アルキル置換部位の反対側を発煙硝酸でニトロ化、次いで錫粉末によりアミノ基に還元後、亜硝酸化合物によりジアゾ化し、更にザンドマイヤー反応によりヨウ素化する。最後にアセチレン誘導体との園頭カップリングにより、目的とする化合物を得ることができる。
Figure 0005615459
或いは、上記反応で得られたヨウ素化BTBT化合物と、ホウ酸及び臭素を有する芳香族炭化水素化合物を鈴木・宮浦カップリングにより反応した後、アセチレン誘導体との園頭カップリングにより、目的とする化合物を得ることができる。
上記反応は、特に限定されることなく、公知慣用の試薬が使用でき、反応温度も公知慣用何れの温度も適用することができる。
以上のように得られる本発明の有機半導体材料は、分子配置の秩序性が高い、高次の液晶相を経由して結晶化し、成膜後に分子の並びが制御されているため、高い電荷移動度を発現する。特に、液晶相を阻害せず、分子配置の秩序性が高い、炭素−炭素三重結合を有するため、従来化合物より素子間での移動度のバラツキが少なくなるため、種々の有機半導体デバイスに有用である。
(液晶相)
本発明化合物が示す液晶相は、SmB,SmBcryst、SmI、SmF、SmE、SmJ、SmG、SmK、およびSmHからなる群から選ばれる液晶相であることが好ましい。この理由は、本発明に関わる液晶物質を液晶相で有機半導体として用いる場合、これらの液晶相は流動性が小さいためイオン伝導を誘起しにくく、また、分子配向秩序が高いため液晶相において高い移動度が期待できるからである。また、本発明に関わる液晶物物質を結晶相で有機半導体として用いる場合には、これらの液晶相は、N相、SmA相およびSmC相に比べて流動性が小さいため、温度の上昇により液晶相に転移した場合にも素子の破壊が起こりにくいためである。液晶相の発現が降温過程においてのみみられる場合は、一旦結晶化すると、結晶温度領域が広がるため、結晶相で応用する場合に好都合である。本発明化合物は、降温過程において、SmBcryst、SmE、SmF、SmI、SmJ、SmG、SmK、又はSmHの相を示すことを特徴とする。
更に、このSmBcryst、SmE、SmF、SmI、SmJ、SmG、SmK、又はSmHのうち、より高次のSm相であるSmE、SmGが、前記有機半導体材料を結晶相から昇温させた際に、液晶相に隣接した温度領域で現れる液晶相として特に好ましい。また、液体性の強い低次の液晶相(N相、SmA相やSmC相)に加えてそれ以外の高次の液晶相が出現する液晶物質では、低次の液晶相では液体性が強いため、分子配向の制御が高次の液晶相に比べて容易であるので、低次の液晶相で分子をあらかじめ配向させておき、高次の液晶相へ転移させることにより、分子配向の揺らぎや配向欠陥の少ない液晶薄膜を得ることができるので、液晶薄膜や結晶薄膜の高品質化が実現できる。
液晶物質を有機半導体として用いる場合、それを用いたデバイスに求められる動作温度は通常−20℃〜80℃であるので、本願発明では、SmBcryst、SmE、SmF、SmI、SmJ、SmG、SmK、又はSmH相が出現する温度領域が−20℃以上であることが求められる。また、本発明に関わる液晶物質を結晶相において有機半導体として用いる場合、液晶状態の薄膜(液晶薄膜)を結晶薄膜の作製の前駆体として利用することがその高品質化に有効である。このため、プロセスの簡便さや基材の選択の容易さを考慮すると、液晶物質の液晶相が出現する温度は200℃以下が望ましい。
液晶分子におけるコア部に対応する電荷輸送性分子ユニットとして、環数3以上の芳香族π−電子縮環系の分子ユニットを用いることにより、分子位置の揺らぎに対するtransfer積分の冗長性を確保でき、同様に、ベンゼンやチオフェンなどを複数、単結合で連結したπ−電子共役系の分子ユニットではなく、縮環構造を持つ分子ユニットを採用することにより、分子配座が固定されるため、transfer積分の増大が期待でき、移動度の向上に役立つ。従って、本発明のBTBT骨格は該ユニットとして有効である。
一方、大きな縮環構造を電荷輸送性分子ユニットをコア部として採用しても、ジアルキルペンタセンやジアルキルベンゾチエノベンゾチオフェンなどの例のように、コア部に直接、炭化水素鎖を連結させた物質では、液晶相の安定化がはかれず、一般に、液晶相を発現しないか、液晶相を発現したとしてもSmA相などの低次の液晶相しか発現しない(文献 Liquid Crystal.Vol.34.No.9(2007)1001−1007. Liquid Crystal.Vol.30.No.5(2003)603−610)。このため、単に電荷輸送性分子ユニットに大きな縮環構造を用いても、液晶相で高い移動度を実現することはできない。BTBT骨格のように、電荷輸送性分子ユニットに分子のフリップーフロップ運動の自由度を与えるためのもう一つの構造ユニットを連結した分子構造をコア部に採用することにより、初めて、高次の液晶相の発現と液晶相における高い移動度の実現が期待される。
BTBT骨格にアリーレンアセチレン構造などのもう一つの剛直な構造ユニットを連結した構造(コア部)に、炭化水素鎖を連結し、分子に、棒状の分子形状の異方性と液体性を付与することによって、高い確率で液晶相の発現を誘起することが出来る。炭化水素鎖を連結する場合、2本の炭化水素鎖を連結することが一般であるが、炭化水素鎖が1本の場合でも、液晶相はしばしば発現させることができる。この場合、液晶相の出現温度領域は、一般に、降温過程と昇温過程で非対称となることが多い。これは降温過程では、一般に液晶相温度領域が低温まで広がり、逆に、昇温過程では結晶相を高温領域まで広げることに役立つ。この特性は液晶物質の多結晶薄膜を有機半導体として利用する際に、液晶薄膜(液晶相状態の薄膜)をその前駆体として多結晶薄膜を作製する際により低い温度で液晶薄膜を作製できることを意味し、プロセスがより容易になるというメリットがある。また、昇温過程における結晶相温度が高領域まで広がることは、作製された多結晶膜の熱的安定性が向上することを意味し、材料として都合が良い。一方、炭化水素鎖を2本付与すると、一般に、発現した液晶相を安定化されるため、液晶相を用いたデバイス等への応用には都合が良い。
以上述べた基本的な分子設計に基づいて物質を合成した場合、その物質の本発明に関わる有用性は、基本的には、液晶相で有機半導体として用いる場合は高次のスメクチック相を発現すること、結晶相で有機半導体として用いる場合は、結晶相温度より高い温度から冷却したときに結晶薄膜に亀裂や空隙を形成しにくく、かつ、結晶相に隣接して、低次の液晶相を発現しないものを選ぶことにより、生かされる。言い換えれば、液晶相で有機半導体として用いる場合は、結晶相に隣接する温度領域において、ネマティック相やSmA相やSmC相以外の液晶相を発現すること、また、結晶相で有機半導体として用いる場合には、結晶相より高い温度領域から冷却して結晶相へ転移させたとき、亀裂や空隙が形成されにくいことが判定基準となる。
(液晶相のスクリーニング法)
これは、以下に述べるスクリーニング法(判定法)によって、容易に判定することが出来る。このスクリーニング法に用いる各測定法の詳細に関しては、必要に応じて、下記の文献を参照することができる。
文献A:偏光顕微鏡の使い方:実験化学講第4版1巻、丸善、P429〜435
文献B:液晶材料の評価:実験化学講座第5版27巻P295〜300、丸善
:液晶科学実験入門日本液晶学会編、シグマ出版
(S1)単離した被検物質をカラムクロマトグラフィーと再結晶により精製した後、シリカゲルの薄層クロマトグラフィーにより、該被検物質が単一スポットを示す(すなわち、混合物でない)ことを確認する。
(S2)等方相に加熱したサンプルを毛細管現象を利用して、スライドガラスをスペーサーを介して張り合わせた15μm厚のセルに注入する。一旦、セルを等方相温度まで加熱し、偏光顕微鏡でそのテクスチャーを観察し、等方相より低い温度領域で暗視野とならないことを確認する。これは、分子長軸が基板に対して水平配向していることを示すもので、以後のテクスチャー観察に必要な要件となる。
(S3)適当な降温速度、例えば、5℃/分程度の速度でセルを冷却しながら、顕微鏡によるテクスチャーを観察する。その際、冷却速度が速すぎると、形成される組織が小さくなり、詳細な観察が難しくなるので、再度、等方相まで温度を上げて、冷却速度を調整して、組織が容易に観察しやすい、組織のサイズが50μm以上となる条件を設定する。
(S4)上記(S3)項で設定した条件で、等方相から室温(20℃)まで冷却しながらテクスチャーを観察する。この間にセル中で試料が結晶化すると、格子の収縮に伴い、亀裂や空隙が生じ、観察されるテクスチャーに黒い線、または、ある大きさを有する領域が現れる。サンプルを注入する際に空気がはいると同様の黒い領域(一般には丸い)が局所的に生じるが、結晶化によって生じた黒い線や領域は組織内や境界に分布して現われるので容易に区別できる。これらは、偏光子、及び、検光子を回転させても、消失や色の変化が見られないことから、テクスチャーに見られるこれ以外の組織とは容易に識別できる。このテクスチャーが現れる温度を結晶化温度として、その温度より高い温度領域で現れるテクスチャーがネマテック相、SmA相、SmC相でないことを確認する。サンプルがネマチック相を示す場合は、糸巻き状と表現される特徴的なシュリーレンテクスチャー(典型的なシュリーレンテクスチャー)が観察され、SmA相やSmC相を示す場合は、fan−likeテクスチャーと呼ばれる扇型でその領域内は均一組織を有する特徴的なテクスチャー(典型的なFan−likeテクスチャー)が観察されるので、その特徴的なテクスチャーから容易に判定することができる。
特殊なケースとして、SmA相からSmB相、SmC相からSmF、SmI相に転移する物質では、相転移温度で一瞬に、視野の変化が見られるが、相転移したテクスチャーにはほとんど変化が見られない場合があり、形成されたSmB相やSmF相、SmI相のテクスチャーをSmA相、SmC相と誤認する場合があるので注意が必要である。その場合は、相転移温度で見られる一瞬の視野の変化に気をつけることが重要である。この確認が必要な場合は、DSCにより、中間相の数を確認した後、それぞれの温度領域でX線回折を測定し、各相に特有の高角度領域(θ−2θの判定において15〜30度)においてピークの有無を確認すれば、SmA相、SmC相(いずれもピークなし)とSmB相、SmF相、SmI相(いずれもピーク有り)を容易に判定することができる。
(S5)室温(20℃)で、偏光顕微鏡によるテクスチャー観察によって、黒い組織が見られないものは、有機半導体材料として利用可能であるので、この物質が室温で高次の液晶相、あるいは、結晶相(準安定な結晶相を含む)の如何に関わらず、本発明の範疇として取り扱うものとする。
本発明に関わる有機半導体材料をデバイスに応用する観点からみると、コア部のHOMO、LUMOのエネルギー準位も重要となる。一般に、有機半導体のHOMOレベルは、脱水されたジクロロメタンなどの有機溶媒に被検物質を、例えば、1mmol/Lから10mmol/Lの濃度となるように溶解し、テトラブチルアンモニウム塩などの支持電解質を0.2mol/L程度加え、この溶液にPtなどの作用電極とPtなどの対向電極、およびAg/AgClなど参照電極を挿入後、ポテンショスタットにて50mV/sec程度の速度で掃引し、CV曲線を書かせ、ピークの電位および基準となる、例えばフェロセンなどの既知物質との電位の差より、HOMOレベル、LUMOレベルを見積ることができる。HOMOレベル、LUMOレベルが用いた有機溶媒の電位窓よりも外れている場合、紫外可視吸収スペクトラムの吸収端より、HOMO−LUMOレベルを計算し、測定できたレベルから差し引くことでHOMOレベルやLUMOレベルを見積ることができる。この方法は、J.Pommerehne, H.Vestweber, W.Guss, R.F.Mahrt, H.Bassler, M.Porsch, and J.Daub, Adv.Mater., 7, 551 (1995)を参照にすることができる。
一般に、有機半導体材料のHOMO,LUMOレベルは、それぞれ陽極、陰極と電気的な接触の目安を与え、電極材料の仕事関数との差によって決まるエネルギー障壁の大きさによって電荷注入が制限されることになるので、注意が必要である。金属の仕事関数は、しばしば、電極として用いられる物質の例をあげると、銀(Ag)4.0eV、アルミニウム(Al)4.28eV、金(Au)5.1eV、カルシウム(Ca)2.87eV、クロム(Cr)4.5eV、銅(Cu)4.65eV、マグネシウム(Mg)3.66eV、モリブデン(Mo)4.6eV、白金(Pt)5.65eV、インジウムスズ酸化物(ITO)4.35〜4.75eV、酸化亜鉛(ZnO)4.68eVであるが、前述の観点から、有機半導体材料と電極物質との仕事関数の差は1eV以下が好ましく、より、好ましくは0.8eV以下、さらに好ましくは、0.6eV以下である。金属の仕事関数は、必要に応じて、下記の文献を参照することができる。
文献D:化学便覧 基礎編 改訂第5版II−608−610 14.1 b仕事関数 (丸善出版株式会社)(2004)
コア部の共役したπ−電子系の大きさによりHOMO,LUMOエネルギー準位は影響を受けるため、共役系の大きさは材料を選択する際に参考となる。また、HOMO、LUMOエネルギー準位を変化させる方法として、コア部にヘテロ元素を導入することは有効である。
適用可能な有機半導体デバイスとしては、ダイオード、有機トランジスタ、メモリ、フォトダイオード、発光ダイオード、発光トランジスタや、ガスセンサー、バイオセンサー、血液センサー、免疫センサー、人工網膜、味覚センサーなどのセンサー類、RFID等が挙げられる。
中でも、本発明の有機半導体材料は、0.1cm/Vs以上の高い電荷移動度を有するので、有機トランジスタまたは発光デバイスへの応用が特に有用である。有機トランジスタは、ディスプレイを構成する画素のスイッチング用トランジスタ、信号ドライバー回路素子、メモリ回路素子、信号処理回路素子等として好適に使用できる。ディスプレイの例としては、液晶ディスプレイ、分散型液晶ディスプレイ、電気泳動型ディスプレイ、粒子回転型表示素子、エレクトロクロミックディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ、電子ペーパー等が挙げられる。
なお、有機トランジスタは、通常、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極、およびゲート絶縁層、有機半導体層を有して成るものであり、各電極や各層の配置によって種々のタイプのトランジスタがあるが、本発明の有機半導体材料はトランジスタの種類に限定されることなく、何れのトランジスタにも使用することができる。トランジスタの種類については、アルドリッチ社の材料科学の基礎第6号「有機トランジスタの基礎」などを参照することができる。
(移動度について)
本発明における移動度は、ホールや電子などのキャリアの移動度であり、有機半導体材料の性能を表す指標となる。移動度には、TOF(Time−of−Flight)法による移動度(μTOF:単位cm/V・s)、および有機トランジスタにより求められる移動度(μFET:単位cm/V・s)があり、μTOFやμFETが高いほど、キャリアが流れ易いことになる。
移動度(μTOF)は、TOF測定用セルの電極間の電圧をV、電極間距離をd、光電流の波形から算出した膜厚中を横切る時間をTrとし、下記式(i)により求められる。また、移動度(μFET)は、ドレイン電圧Vを固定し、ゲート電圧Vを変化させることによって得られる伝達特性の曲線を用いて、下記式(ii)により求められる。
Figure 0005615459
Figure 0005615459
(式(ii)中、Cinはゲート絶縁膜の単位面積当たりの電気容量、Iはドレイン電流、Lはチャンネル長、Wはチャンネル幅、VTHは閾値電圧である。)
有機半導体をデバイスに応用する際の有用性はその物質の示す移動度が一つの目安となる。これは、移動度によってデバイスの特性が制限されるからである。従来、アモルファス有機半導体においては移動度は高いものでも10−2cm/Vs程度であり、一般には10−5〜10−3cm/Vsの値である。したがって、液晶相が示す10−2cm/Vsを超える高い移動度、特に、高次のスメクチック相が示す0.1cm/Vsを超える移動度はアモルファス有機半導体材料では実現が難しく、液晶材料の優位性が明白である。
液晶性物質は、非液晶物質と同様、結晶相を示すことから、液晶物質を有機半導体として用いる際、液晶相ばかりでなく、結晶相において有機半導体として用いることができることは言うまでもない。一般に、結晶相における移動度は液晶相における移動度に比較して、約半桁から1桁程度高い場合が多く、特に、高移動度を必要とするトランジスタ応用や電荷やエキシトンの大きな拡散長が要請される太陽電池等への応用には結晶
相の利用が有効である。
(半導体デバイス動作の確認)
実施例に示すように、FETを作製し、その特性を評価することにより本発明の有機半導体材料が、有機トランジスタとして使用可能であることを確認可能である。
このような方法による半導体デバイス動作確認の詳細に関しては、例えば文献 S. F.Nelsona,Y.−Y.Lin,D.J.Gundlach,and T. N.Jackson、Temperature−independent transport in high−mobility pentacene transistors,Appl.Phys.Lett.,72,No.15 1854−1856(1998)を参照することができる。
(有機半導体インキ)
本発明の有機半導体材料は、蒸着して半導体膜を形成しても構わないが、低温成膜が可能で、生産性に優れる印刷用インキとして使用するのが好ましい。インキを調製するためには、本発明の有機半導体材料を溶媒に溶解し、半導体性能を損なわない範囲で、インキ特性を付与するために、フッ素系やシリコン系などのレベリング剤、およびポリスチレンやアクリル樹脂などの高分子化合物を粘度調整剤として添加することもできる。
使用する有機溶媒は何を用いても構わず、また2種以上の有機溶媒を混合して用いても良い。具体的には、n−ヘキサン、n−オクタン、n−デカン、n−ドデカンなどの脂肪族系溶媒;シクロヘキサンなどの脂環式系溶媒;ベンゼン、トルエン、クメン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、p−シメン、メシチレン、アニソール、2−メチルアニソール、3−メチルアニソール、4−メチルアニソール、2,5−ジメチルアニソール、3,5−ジメトキシトルエン、2,4−ジメチルアニソール、フェネトール、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、安息香酸ブチル、1,5−ジメチルテトラリン、n−プロピルベンゼン、n−ブチルベンゼン、n−ペンチルベンゼン、1,3,5−トリエチルベンゼン、1,3−ジメトキシベンゼン、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等の芳香族系溶媒;テトラヒドロフラン、ジオキサン、エチレングリコールジエチルエーテル、アニソール、ベンジルエチルエーテル、エチルフェニルエーテル、ジフェニルエーテル、メチル−t−ブチルエーテル等のエーテル系溶媒;酢酸メチル、酢酸エチル、エチルセロソルブ、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート等のエステル系溶媒;メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒;アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、2−ヘプタノン、3−ヘプタノン等のケトン系溶媒;その他ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジエチルホルムアミドなどが挙げられるが、これらに限定されることはない。
調製された液体組成物における本発明の有機半導体材料の濃度としては、0.01〜20重量%であることが好ましく、さらには0.1〜10重量%であることが好ましい。
使用する有機溶媒は1種類でもよいが、所望の均質性の高い薄膜を得るため、複数の種類の溶媒を混合して用いてもよい。
(有機トランジスタ)
次に本発明の有機半導体材料を含有する有機トランジスタについて説明する。
有機トランジスタは、通常、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極、およびゲート絶縁層、有機半導体層を有して成るものであり、各電極や各層の配置によって種々のタイプのトランジスタがあるが、本発明の有機半導体材料はトランジスタの種類に限定されることなく、何れのトランジスタにも使用することができる。トランジスタの種類については、アルドリッチ社の材料科学の基礎第6号「有機トランジスタの基礎」などを参照することができる。
図1に示すボトムコンタクト型を一例に詳説すると、1は基板、2はゲート電極、3はゲート絶縁層、4は有機半導体、5はソース電極、6はドレイン電極である。
基板としては、ガラスやフレキシブルな樹脂製シートで構成され、例えば、プラスチックフィルムをシートとして用いることができる。前記プラスチックフィルムとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリイミド、ボリカーボネート(PC)、セルローストリアセテート(TAC)、セルロースアセテートプロピオネート(CAP)等からなるフィルム等が挙げられる。このように、プラスチックフィルムを用いることで、ガラス基板を用いる場合に比べて軽量化を図ることができ、可搬性を高めることができるとともに、衝撃に対する耐性を向上できる。
ゲート電極、ソース電極、又はドレイン電極の電極材料は、導電性材料であれば特に限定されず、白金、金、銀、ニッケル、クロム、銅、鉄、錫、酸化スズ・アンチモン、酸化インジウム・スズ(ITO)、フッ素ドープ酸化亜鉛、炭素、グラファイト、グラッシーカーボン、銀ペーストおよびカーボンペースト、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、ガリウム、ニオブ、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、アルミニウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム混合物、リチウム/アルミニウム混合物等の金属電極が用いられるが、ドーピング等で導電率を向上させた公知の導電性ポリマー、例えば、導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸の錯体なども好適に用いられる。
電極の形成方法としては、上記を原料として蒸着やスパッタリング等の方法を用いて形成した導電性薄膜を、公知のフォトリソグラフ法やリフトオフ法を用いて電極形成する方法、アルミニウムや銅などの金属箔上に熱転写、インクジェット等によるレジストを用いてエッチングする方法がある。また導電性ポリマーの溶液あるいは分散液、導電性微粒子分散液を直接インクジェットによりパターニングしてもよいし、塗工膜からリソグラフやレーザーアブレーションなどにより形成してもよい。更に導電性ポリマーや導電性微粒子を含むインク、導電性ペーストなどを凸版、凹版、平版、スクリーン印刷などの印刷法でパターニングする方法も用いることができる。
ゲート絶縁層は、パリレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂などの熱可塑性樹脂;エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、メラミン樹脂などの熱硬化性樹脂;UV硬化性樹脂などの有機薄膜が好適に使用できるが、酸化シリコン膜などの無機材料も用いることができる。
ゲート絶縁層はスピンコート法、キャスト法、ディップ法、インクジェット法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、凸版印刷法、反転印刷法、マイクロコンタクトプリント法、ワイヤーバーコート法、スプレーコート法、ディスペンス法等の公知の湿式成膜方法により薄膜を作製することが可能であり、必要に応じフォトリソグラフ法で必要な形状にパターニングしても良い。
有機半導体層は、真空蒸着法等の公知慣用の製造方法で製造することができるが、組成物を有機半導体材料用インクとし、印刷法で簡便に有機半導体層を形成できる。
印刷法の一例を挙げると、スピンコート法、キャスト法、ディップ法、インクジェット法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、凸版印刷法、反転印刷法、マイクロコンタクトプリント法、ワイヤーバーコート法、スプレーコート法、ディスペンス法等の公知の湿式成膜方法により薄膜を作製することが可能である。また、キャスト法などによっては平板状結晶や厚膜状態の形態をとることも可能である。
本発明の有機トランジスタは、ディスプレイを構成する画素のスイッチング用トランジスタ、信号ドライバー回路素子、メモリ回路素子、信号処理回路素子等として好適に使用できる。ディスプレイの例としては、液晶ディスプレイ、分散型液晶ディスプレイ、電気泳動型ディスプレイ、粒子回転型表示素子、エレクトロクロミックディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ、電子ペーパー等が挙げられる。
(有機半導体デバイス)
適用可能な有機半導体デバイスとしては、ダイオード、有機トランジスタ、メモリ、フォトダイオード、発光ダイオード、発光トランジスタや、ガスセンサー、バイオセンサー、血液センサー、免疫センサー、人工網膜、味覚センサーなどのセンサー類、RFID等が挙げられる。
本発明を実施例でさらに詳細に説明する。
<液晶相の観察>
先ず、イオン交換水、アセトンの順で超音波洗浄し、乾燥したスライドグラス上に、有機半導体材料を置き、その上に同様に洗浄したカバーガラスをセットして、測定用試験片とした。
ホットステージ(メトラートレード製FP82HT)を備えたニコン製エクリプスE600POL(接眼レンズ10倍、および対物レンズ20倍)に上記の試験片をセットし、5℃/分の昇温速度で融点に到達するまで加熱した。有機半導体材料が融解したことを確認し、ピンセットでカバーガラスを押さえて有機半導体材料を薄膜状に伸ばした。
次に、この試験片を5℃/分で冷却しながら、冷却過程の相変化を偏光顕微鏡で観察した。結晶相のテクスチャーを(a)、高次の液晶相のテクスチャーを(b)として図に示した。
<トランジスタの作製>
熱酸化膜付シリコンウエハー(ヘビードープp型シリコン(P+−Si)、熱酸化膜(SiO2)厚さ:300nm)を20×25mmに切断後、この切断したシリコンウエハー(こののち基板と略す)を中性洗剤、超純水、イソプロピルアルコール(IPA)、アセトン、IPAの順に超音波洗浄を行った。
次に、液晶性有機半導体化合物をキシレンに溶解させ、溶液を調整した。溶液の濃度は1wt%から0.5wt%とした。この溶液、および、溶液を基板に塗布するガラス製のピペットを予め、ホットステージ上で所定の温度に加熱しておき、上記の基板をオーブン内に設置したスピンコータ上に設置し、オーブン内を60℃に昇温した後、溶液を基板上に塗布し、基板を回転(約3000rpm、30秒)させた。回転停止後、基板を素早く取り出し室温まで冷却させた。
更に、有機半導体層を塗布した基板に、真空蒸着法(2×10−6Torr)を用いて、金をメタルマスクを介してパターン蒸着することにより、ソース・ドレイン電極を形成した(チャネル長:チャネル幅=75μm:3000μm)。
作製した有機トランジスタの評価は、通常の大気雰囲気下において、2電源のソース・メジャーメントユニットを用いて、ソース電極、ドレイン電極間に流れる電流を、ゲート電極(P+−Si)に電圧をスイープ印加(Vsg:+40〜−60V)しながら測定(伝達特性)することによりおこなった(ソース電極、ドレイン電極間電圧Vsd:−80V)。移動度は、該伝達特性における、√Id−Vgの傾きから、飽和特性の式を用いた周知の方法により算出した。なお、移動度の測定は5つのトランジスタについて行い、その平均値を算出した。また、誤差は、測定値の標準偏差を求め、誤差(%)=(標準偏差/平均値)×100から算出した。
(実施例1)
Liquid Crystals 31, 137−1380 (2004)に記載の方法で得た2−デシル−BTBT 4.96g(13mmol)を320mLのジクロロメタンに溶解後−50℃に冷却し、発煙硝酸の1.2Mジクロロメタン溶液24mLを30分かけて滴下した。−50℃で更に2時間撹拌した後、26mLの飽和炭酸水素ナトリウム水溶液を加え反応を停止した。分液して下層を取り、10%食塩水で洗浄、無水硫酸マグネシウムで乾燥し濃縮乾固して粗製固体を得た。この固体を2‐ブタノンから再結晶し、2−デシル−7−ニトロBTBTの黄色結晶、3.72g(収率、67%)を得た。
次いで、2−デシル−7−ニトロBTBT 2.56g(6mmol)、錫粉末1.84gを酢酸30mLに懸濁し、約70℃で加熱、撹拌下、濃塩酸5.4mLをゆっくりと滴下した。さらに100℃で1時間反応後、10℃以下に冷却し固体を濾取した。
この固体をクロロホルム約100mLに分散し、濃アンモニア水、飽和食塩水の順で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥後、濃縮乾固し粗製固体を得た。この固体をシリカゲルカラム(クロロホルム/シクロヘキサン=1/1、1%トリエチルアミンを添加)で分離精製し、石油ベンジンから再結晶して微灰色の2−アミノ−7−デシルBTBT 1.72g(収率、72%)を得た。
更に、2−アミノ−7−デシルBTBT 1.58g(4mmol)にジクロロメタン60mLを加え、−15℃冷却下、トリフルオロボレート・エーテル錯体864mg、亜硝酸t‐ブチル504mgを滴下した。約1時間で反応温度を5℃まで上げた後、沃素1.6g、沃化カリウム1.32g、沃化テトラブチルアンモニウム100mgのジクロロメタン−THF混液(1:2)12mLの溶液を加えた。加熱環流下、8時間反応した後、クロロホルムで希釈し、10%チオ硫酸ナトリウム、5M水酸化ナトリウム、10%食塩水で順次洗い、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、濃縮乾固した。得られた濃褐色の粗製固体をシリカゲルカラム(クロロホルム/シクロヘキサン=1/1)で精製し、クロロホルム−メタノールから結晶化した。次いでリグロインから再結晶し、2−デシル−7−ヨードBTBTを912mg得た(収率、45%)。
最後に、2−デシル−7−ヨードBTBT 253mg(0.5mmol)にジオキサン8mL、2Mリン酸三カリウム0.5mL、4−(フェニルエチニル)フェニルホウ酸ピナコールエステル183mg(0.6mmol、アルドリッチ)を加え、アルゴンガスを20分間バブリングした後、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム30mg(0.025mmol、東京化成工業)、トリシクロヘキシルホスフィン13mg(0.045mmol、和光純薬工業)を加え、95℃で22時間加熱撹拌した。反応液をクロロホルムで希釈し、10%食塩水で洗い、下層を濃縮乾固して粗製固体を得た。この固体をキシレンから再結晶し、(化15)で表されるBTBT誘導体a140mg(収率、63%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.12(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.92(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.79(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.73(s,1H,H−1),7.69−7.53(m,9H,H−8,H−2’,−3’,−5’,−6’of Ph,H−2’,−3’,−5’,−6’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.38(tt,1H,J=7.8Hz,H−4’of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,14H,CH x7),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=556.3
Figure 0005615459
(実施例2)
実施例1で得られた2−デシル−7−ヨードBTBT(253mg、0.5mmol)にヨウ化銅(0.11g、0.6mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)ジクロリド(0.08g、0.1mmol)、トリエチルアミン36mLを加え、室温で窒素ガスを15分間バブリングした。窒素雰囲気下でエチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を加え、35℃に昇温後、30分間加熱撹拌した。その後、85℃まで昇温後、40時間加熱撹拌した。室温まで冷却した後、反応液を水250mLに加えた。生成した固形物をろ集してアセトン100mLで洗浄した。得られた固形物を50℃に加熱したシクロヘキサン500mLに溶解後、この溶液にシリカゲル2gおよび金属スカベンジャー2gを加えてスラリーを調製した。スラリーを50℃で1時間撹拌後、シリカゲルおよび金属スカベンジャーをろ別除去し、ろ液から再結晶することで、(化16)で表されるBTBT誘導体bの白色結晶178mg(収率74%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.61−7.55(m,3H,H−8,H−2’,−6’of Ph),7.38−7.35(m,3H,H−3’,−4’,−5’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,14H,CH x7),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=480.3
Figure 0005615459
(実施例3)
実施例2において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を2−エチニルナフタレン0.82g(5.4mmol)に代えた以外は実施例2と同様の操作を行い、(化17)で表されるBTBT誘導体cの白色結晶197mg(収率74%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.48(d,1H,H of NaPh),8.18(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.88−7.76(m,5H,H−9,H−4,3H of NaPh),7.72(m,3H,H−1,H−8,3H of NaPh),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,14H,CH x7),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=530.2
Figure 0005615459
(実施例4)
実施例2において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を1−エチニル−4−フェニルベンゼン0.93g(5.4mmol)に代えた以外は実施例2と同様の操作を行い、(化18)で表されるBTBT誘導体dの白色結晶189mg(収率71%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.10(d,1H,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.65−7.59(m,7H,H−8,6H of BiPh),7.45(t,2H of BiPh),7.36(t,1H of BiPh),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,14H,CH x7),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=556.2
Figure 0005615459
(実施例5)
実施例2において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を3−エチニルチオフェン0.58g(5.4mmol)に代えた以外は実施例2と同様の操作を行い、(化19)で表されるBTBT誘導体eの白色結晶147mg(収率60%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):
δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.56(dd,1H,H−8),7.54(d,1H of Th),
7.32−7.20(m,3H,H−3,2H of Th),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,14H,CH x7),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=486.2
Figure 0005615459
(実施例6)
実施例2において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を1−エチニル−4−フェノキシベンゼン1.05g(5.4mmol)に代えた以外は実施例2と同様の操作を行い、(化20)で表されるBTBT誘導体fの白色結晶62mg(収率22%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):
δ 8.07(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.80(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.54(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.51(d,2H of Ph),7.36(m,2H of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.15(tt,1H of Ph),7.06(dd,2H of Ph),6.98(dd,2H of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.37(s,3H,Ph−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,14H,CH x7),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=572.2
Figure 0005615459
(実施例7)
実施例2において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を4−エチニルトルエン0.63g(5.4mmol)に代えた以外は実施例2と同様の操作を行い、(化21)で表されるBTBT誘導体gの白色結晶94mg(収率38%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.57(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.44(d,2H,H−2’,−6’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.16(d,2H,H−3’,−5’of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.37(s,3H,Ph−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,14H,CH x7),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=494.3
Figure 0005615459
(実施例8)
実施例2において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を1−エチニル−4−プロピルベンゼン0.78g(5.4mmol)に代えた以外は実施例2と同様の操作を行い、(化22)で表されるBTBT誘導体hの白色結晶102mg(収率39%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.57(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.44(d,2H,H−2’,−6’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.16(d,2H,H−3’,−5’of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.63(t,2H,Ph−CH),1.63(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,16H,CH x8),0.96(t,3H,J=7Hz,CH),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=522.2
Figure 0005615459
(実施例9)
実施例2において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を1−エチニル−4−t−ブチルベンゼンg(5.4mmol)に代えた以外は実施例2と同様の操作を行い、(化23)で表されるBTBT誘導体iの白色結晶113mg(収率40%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):
δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.57(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.50(d,2H,H−2’,−6’of Ph),7.39(d,2H,H−3’,−5’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),1.63(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,23H,CH x7,CH x3),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=536.26
Figure 0005615459
(実施例10)
実施例2において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を1−エチニル−4−ペンチルベンゼン0.93g(5.4mmol)に代えた以外は実施例2と同様の操作を行い、(化24)で表されるBTBT誘導体jの白色結晶93mg(収率34%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.57(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.44(d,2H,H−2’,−6’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.16(d,2H,H−3’,−5’of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.63(t,2H,Ph−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,Ph−CHCH),1.63(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,18H,CH x9),0.88(t,6H,J=7Hz,CHx2).
FD−MS:[M]=550.3
Figure 0005615459
(実施例11)
実施例2において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を1−エチニル−4−ヘキシルベンゼン1.0g(5.4mmol)に代えた以外は実施例2と同様の操作を行い、(化25)で表されるBTBT誘導体kの白色結晶107mg(収率38%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.57(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.44(d,2H,H−2’,−6’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.16(d,2H,H−3’,−5’of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.63(t,2H,Ph−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,Ph−CHCH),1.63(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,20H,CH x10),0.88(t,6H,J=7Hz,CHx2).
Figure 0005615459
(実施例12)
実施例2において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を3−エチニル−ピリジン0.56g(5.4mmol)に代えた以外は実施例2と同様の操作を行い、(化26)で表されるBTBT誘導体lの白色結晶44mg(収率18%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.57(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.44(d,2H,H−2’,−6’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.16(d,2H,H−3’,−5’of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.63(t,2H,Ph−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,Ph−CHCH),1.63(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,20H,CH x10),0.88(t,6H,J=7Hz,CHx2).
Figure 0005615459
(実施例13)
まず、BTBT(6g、25mmol)をジクロロメタン300mLに加え、窒素ガス雰囲気下で−10℃になるまで攪拌した。次に塩化アルミニウム(13.3g、0.1mol)を加え、−70℃まで降温した。−70℃到達後、テトラデカン酸クロライド(6.9g、25mmol)を20分かけて滴下し、3.5時間撹拌した。反応液を水600gに添加した後、ジクロロメタン200g加え、分液ロートへ移送した。下層を水300gで2回分液洗浄した後、有機層を濃縮した。析出物をトルエン300gに加熱溶解後、室温で再結晶して、2−(テトラデシル−1−オン)−BTBTの黄色結晶、9.7g得た(収率86%)。
次いで、2−(テトラデシル−1−オン)−BTBT(9.0g、20mmol)、85.5%水酸化カリウム(3.5g、53 mmol)、ヒドラジン一水和物(6.5 g、124mmol)をジエチレングリコール300mLに加え、窒素雰囲気下で攪拌し、100℃まで昇温し、1時間撹拌した。その後、170℃まで昇温させ、デカンターを用いて反応系から水分を除去し、4時間加熱撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液中に析出した固形物をろ過して回収し、水、エタノールの順に洗浄した。洗浄後の固形物を70℃で真空乾燥して、2−テトラデシル−BTBT8.5g得た(収率97%)。
更に、2−テトラデシル−BTBT(8.5g、19.5mmol)をクロロホルム150mLと酢酸150mLに加え、窒素ガス雰囲気下、室温で攪拌し、臭素3.9g(24.4mmol)を20分かけて滴下した。その後、10時間攪拌し反応を停止した。水200mLを加え、分液して下層を取り、濃縮乾固して粗製固体を得た。この固体をアセトンから再結晶して2−テトラデシル−7−ブロモBTBTの白色結晶、5.82g(収率、58%)を得た。
最後に、2−テトラデシル−7−ブロモBTBT(258mg、0.5mmol)にヨウ化銅(0.11g、0.6mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)ジクロリド(0.08g、0.1mmol)、トリエチルアミン36mLを加え、室温で窒素ガスを15分間バブリングした。窒素雰囲気下でエチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を加え、35℃に昇温後、30分間加熱撹拌した。その後、85℃まで昇温後、40時間加熱撹拌した。室温まで冷却した後、反応液を水250mLに加えた。生成した固形物をろ集してアセトン100mLで洗浄した。得られた固形物を50℃に加熱したシクロヘキサン500mLに溶解後、この溶液にシリカゲル2gおよび金属スカベンジャー2gを加えてスラリーを調製した。スラリーを50℃で1時間撹拌後、シリカゲルおよび金属スカベンジャーをろ別除去し、ろ液から再結晶することで、(化27)で表されるBTBT誘導体mの白色結晶180mg(収率67%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.61−7.55(m,3H,H−8,H−2’,−6’of Ph),7.38−7.35(m,3H,H−3’,−4’,−5’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,22H,CH x11),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=536.3
Figure 0005615459
(実施例14)
実施例13において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)に代えて、4−エチニルトルエン0.63g(5.4mmol)を使用した以外は、実施例13と同様の操作を行い、(化28)で表されるBTBT誘導体nの白色結晶124mg(収率45%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl3):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,
H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.57(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.44(d,2H,H−2’,−6’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.16(d,2H,H−3’,−5’of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.37(s,3H,Ph−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,22H,CH x11),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=550.3
Figure 0005615459
(実施例15)
実施例13において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)に代えて、1−エチニル−4−ペンチルベンゼン0.93g(5.4mmol)を使用した以外は、実施例13と同様の操作を行い、(化29)で表されるBTBT誘導体oの白色結晶162mg(収率53%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.57(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.44(d,2H,H−2’,−6’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.16(d,2H,H−3’,−5’of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.63(t,2H,Ph−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,Ph−CHCH),1.63(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,26H,CH x13)0.88(t,6H,J=7Hz,CHx2).
FD−MS:[M]=606.3
Figure 0005615459
(実施例16)
まず、BTBT(6g、25mmol)をジクロロメタン300mLに加え、窒素ガス雰囲気下で−10℃になるまで攪拌した。次に塩化アルミニウム(13.3g、0.1mol)を加え、−70℃まで降温した。−70℃到達後、オクタン酸クロライド(3.8g、25mmol)を20分かけて滴下し、3.5時間撹拌した。反応液を水600gに添加した後、ジクロロメタン200g加え、分液ロートへ移送した。下層を水300gで2回分液洗浄した後、有機層を濃縮した。析出物をトルエン250gに加熱溶解後、室温で再結晶して、2−(オクチル−1−オン)−BTBTの黄色結晶、7.9g得た(収率84%)。
次いで、2−(オクチル−1−オン)−BTBT(7.3g、20mmol)、85.5%水酸化カリウム(3.5g、53 mmol)、ヒドラジン一水和物(6.5 g、124mmol)をジエチレングリコール300mLに加え、窒素雰囲気下で攪拌し、100℃まで昇温し、1時間撹拌した。その後、170℃まで昇温させ、デカンターを用いて反応系から水分を除去し、4時間加熱撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液中に析出した固形物をろ過して回収し、水、エタノールの順に洗浄した。洗浄後の固形物を70℃で真空乾燥して、2−オクチル−BTBT6.6g得た(収率94%)。
更に、2−オクチル−BTBT(6.5g、18.5mmol)をクロロホルム200mLに溶解後0℃に冷却し、臭素3.7g(23.1mmol)を20分かけて滴下した。0℃で更に0.5時間撹拌した後、室温まで昇温し、3時間攪拌し反応を停止した。水加えを分液して下層を取り、濃縮乾固して粗製固体を得た。この固体をアセトンから再結晶して2−オクチル−7−ブロモBTBTの白色結晶、4.39g(収率、55%)を得た。
最後に、2−オクチル−7−ブロモBTBT(216mg、0.5mmol)にヨウ化銅(0.11g、0.6mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)ジクロリド(0.08g、0.1mmol)、トリエチルアミン36mLを加え、室温で窒素ガスを15分間バブリングした。窒素雰囲気下で1−エチニル−4−ペンチルベンゼン0.93g(5.4mmol)を加え、35℃に昇温後、30分間加熱撹拌した。その後、85℃まで昇温後、40時間加熱撹拌した。室温まで冷却した後、反応液を水250mLに加えた。生成した固形物をろ集してアセトン100mLで洗浄した。得られた固形物を50℃に加熱したシクロヘキサン500mLに溶解後、この溶液にシリカゲル2gおよび金属スカベンジャー2gを加えてスラリーを調製した。スラリーを50℃で1時間撹拌後、シリカゲルおよび金属スカベンジャーをろ別除去し、ろ液から再結晶することで、(化30)で表されるBTBT誘導体pの白色結晶118mg(収率45%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.57(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.44(d,2H,H−2’,−6’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.16(d,2H,H−3’,−5’of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.63(t,2H,Ph−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,Ph−CHCH),1.63(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,14H,CH x7)0.88(t,6H,J=7Hz,CHx2).
FD−MS:[M]=522.2
Figure 0005615459
(実施例17)
まず、BTBT(6g、25mmol)をジクロロメタン300mLに加え、窒素ガス雰囲気下で−10℃になるまで攪拌した。次に塩化アルミニウム(13.3g、0.1mol)を加え、−70℃まで降温した。−70℃到達後、ヘキサン酸クロライド(3.37g、25mmol)を20分かけて滴下し、3.5時間撹拌した。反応液を水600gに添加した後、ジクロロメタン200g加え、分液ロートへ移送した。下層を水300gで2回分液洗浄した後、有機層を濃縮した。析出物をトルエン250gに加熱溶解後、室温で再結晶して、2−(ヘキシル−1−オン)−BTBTの黄色結晶、7.4g得た(収率88%)。
次いで、2−(ヘキシル−1−オン)−BTBT(6.8g、20mmol)、85.5%水酸化カリウム(3.5g、53 mmol)、ヒドラジン一水和物(6.5 g、124mmol)をジエチレングリコール300mLに加え、窒素雰囲気下で攪拌し、100℃まで昇温し、1時間撹拌した。その後、170℃まで昇温させ、デカンターを用いて反応系から水分を除去し、4時間加熱撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液中に析出した固形物をろ過して回収し、水、エタノールの順に洗浄した。洗浄後の固形物を70℃で真空乾燥して、2−ヘキシル−BTBT6.0g得た(収率92%)。
更に、2−ヘキシル−BTBT(6.0g、18.5mmol)をクロロホルム200mLに溶解後0℃に冷却し、臭素3.7g(23.1mmol)を20分かけて滴下した。0℃で更に0.5時間撹拌した後、室温まで昇温し、3時間攪拌し反応を停止した。水加えを分液して下層を取り、濃縮乾固して粗製固体を得た。この固体をアセトンから再結晶して2−ヘキシル−7−ブロモBTBTの白色結晶、4.3g(収率、58%)を得た。
最後に、2−ヘキシル−7−ブロモBTBT(202mg、0.5mmol)にヨウ化銅(0.11g、0.6mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)ジクロリド(0.08g、0.1mmol)、トリエチルアミン36mLを加え、室温で窒素ガスを15分間バブリングした。窒素雰囲気下でエチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)を加え、35℃に昇温後、30分間加熱撹拌した。その後、85℃まで昇温後、40時間加熱撹拌した。室温まで冷却した後、反応液を水250mLに加えた。生成した固形物をろ集してアセトン100mLで洗浄した。得られた固形物を50℃に加熱したシクロヘキサン500mLに溶解後、この溶液にシリカゲル2gおよび金属スカベンジャー2gを加えてスラリーを調製した。スラリーを50℃で1時間撹拌後、シリカゲルおよび金属スカベンジャーをろ別除去し、ろ液から再結晶することで、(化31)で表されるBTBT誘導体qの白色結晶175mg(収率83%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.61−7.55(m,3H,H−8,H−2’,−6’of Ph),7.38−7.35(m,3H,H−3’,−4’,−5’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,6H,CH x3),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=424.1
Figure 0005615459
(実施例18)
実施例17において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)に代えて、4−エチニルトルエン0.63g(5.4mmol)を使用した以外は、実施例17と同様の操作を行い、(化32)で表されるBTBT誘導体rの白色結晶107mg(収率49%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.57(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.44(d,2H,H−2’,−6’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.16(d,2H,H−3’,−5’of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.37(s,3H,Ph−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,6H,CH x3,0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=438.2
Figure 0005615459
(実施例19)
実施例17において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)に代えて、1−エチニル−4−ペンチルベンゼン0.93g(5.4mmol)を使用した以外は、実施例17と同様の操作を行い、(化33)で表されるBTBT誘導体sの白色結晶114mg(収率46%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.57(dd,1H,J=8.2Hz,H−8),7.44(d,2H,H−2’,−6’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),7.16(d,2H,H−3’,−5’of Ph),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.63(t,2H,Ph−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,Ph−CHCH),1.63(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,10H,CH x5)0.88(t,6H,J=7Hz,CHx2).
FD−MS:[M]=494.2
Figure 0005615459
(実施例20)
実施例17において、エチニルベンゼン0.55g(5.4mmol)に代えて、3−エチニルチオフェン0.58g(5.4mmol)を使用した以外は、実施例17と同様の操作を行い、(化34)で表されるBTBT誘導体tの白色結晶166mg(収率77%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.56(dd,1H,H−8),7.54(d,1H of Th),7.32−7.20(m,3H,H−3,2H of Th),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),1.70(quint.2H,J=7Hz,BTBT−CHCH),1.55−1.27(m,6H,CH x3),0.88(t,3H,J=7Hz,CH).
FD−MS:[M]=430.1
Figure 0005615459
(実施例21)
まず、BTBT(6g、25mmol)をジクロロメタン300mLに加え、窒素ガス雰囲気下で−10℃になるまで攪拌した。次に塩化アルミニウム(13.3g、0.1mol)を加え、−70℃まで降温した。−70℃到達後、10−ブロモデカン酸クロライド(6.73g、25mmol)を20分かけて滴下し、3.5時間撹拌した。反応液を水600gに添加した後、ジクロロメタン200g加え、分液ロートへ移送した。下層を水300gで2回分液洗浄した後、有機層を濃縮した。析出物をトルエン250gに加熱溶解後、室温で再結晶して、2−(10−ブロモデシル−1−オン)−BTBTの黄色結晶、9.0g得た(収率76%)。
次いで、2−(10−ブロモデシル−1−オン)−BTBT(8.5g、18mmol)、85.5%水酸化カリウム(3.2g、48 mmol)、ヒドラジン一水和物(5.85g、112mmol)をジエチレングリコール300mLに加え、窒素雰囲気下で攪拌し、100℃まで昇温し、1時間撹拌した。その後、170℃まで昇温させ、デカンターを用いて反応系から水分を除去し、4時間加熱撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液中に析出した固形物をろ過して回収し、水、エタノールの順に洗浄した。洗浄後の固形物を70℃で真空乾燥して、2−(10−ブロモデシル)−BTBT7.0g得た(収率85%)。
更に、2−(10−ブロモデシル)−BTBT(6.9g、15mmol)をクロロホルム200mLに溶解後0℃に冷却し、臭素3.0g(18.7mmol)を20分かけて滴下した。0℃で更に0.5時間撹拌した後、室温まで昇温し、3時間攪拌し反応を停止した。水加えを分液して下層を取り、濃縮乾固して粗製固体を得た。この固体をアセトンから再結晶して2−(10−ブロモデシル)−7−ブロモBTBTの白色結晶、3.63g(収率、48%)を得た。
次に、2−(10−ブロモデシル)−7−ブロモBTBT(2.16g、4mmol)にヨウ化銅(0.88g、4.8mmol)、ビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)ジクロリド(0.64g、0.8mmol)、トリエチルアミン280mLを加え、室温で窒素ガスを15分間バブリングした。窒素雰囲気下でエチニルベンゼン4.4g(43mmol)を加え、35℃に昇温後、30分間加熱撹拌した。その後、85℃まで昇温後、40時間加熱撹拌した。室温まで冷却した後、反応液を水1Lに加えた。生成した固形物をろ集してアセトン300mLで洗浄した。得られた固形物を50℃に加熱したシクロヘキサン800mLに溶解後、この溶液にシリカゲ15gおよび金属スカベンジャー15gを加えてスラリーを調製した。スラリーを50℃で1時間撹拌後、シリカゲルおよび金属スカベンジャーをろ別除去し、ろ液から再結晶することで、2−(10−ブロモデシル)−7−フェニルエチニルBTBTの白色結晶1.45g(収率65%)を得た。
最後に、THF15mL、DMF15mL、エチルメルカプタン(198mg、3.2mmol)、炭酸セシウム(1.04g、3.2mmol)、テトラブチルアンモニウムヨード(1.18g、3.2mmol)を0℃で撹拌し、これに2−(10−ブロモデシル)−7−フェニルエチニルBTBT(447mg、0.8mmol)をTHF10mLに溶解した溶液を滴下した。同温で24時間撹拌し、飽和塩化アンモニウム溶液1.5mLを加えて反応を停止した。反応液を濃縮後、水100mLに注ぎ、析出した結晶をろ集した。これをシリカゲルクロマトグラフィー(シクロヘキサン/クロロホルム=85/15)で精製し、(化35)で表されるBTBT誘導体uの白色結晶133mg(収率26%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):
δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.61−7.55(m,3H,H−8,H−2’,−6’of Ph),7.38−7.35(m,3H,H−3’,−4’,−5’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),2.49−2.56(4H,−CH−S−CH−),1.70(q,2H,BTBT−CHCH),1.30−1.60(m,14H,−CH−),1.25(t,3H,CH).
FD−MS:[M]=540.2
Figure 0005615459
(実施例22)
実施例21において得られた2−(10−ブロモデシル)−7−フェニルエチニルBTBT(447mg、0.8mmol)、アミルアルコール10mL、脱水THF20mL、脱水DMF12mLを窒素雰囲気下、室温で撹拌しながら、モレキュラーシーブス4A(0.5g)及び水酸化セシウム・1水和物(274mg、1.6mmol)を加え、更に24時間撹拌した。反応液にクロロホルム100mLを加えてろ過し、ろ液を水、飽和食塩水の順に洗浄し、有機層を濃縮した。残渣をシリカゲルクロマトグラフィー(シクロヘキサン/クロロホルム=3/1)で精製し、(化36)で表されるBTBT誘導体vの白色結晶56mg(収率12%)を得た。
HNMR(300MHz,CDCl):
δ 8.08(d,1H,J=1.8Hz,H−6),7.83(d,1H,J=8.2Hz,H−9),7.78(d,1H,J=7.8Hz,H−4),7.72(s,1H,H−1),7.61−7.55(m,3H,H−8,H−2’,−6’of Ph),7.38−7.35(m,3H,H−3’,−4’,−5’of Ph),7.29(dd,1H,J=7.8Hz,H−3),3.37(t,4H,−CH−O−CH−),2.77(t,2H,J=7Hz,BTBT−CH),1.70(q,2H,BTBT−CHCH),1.30−1.60(m,20H,−CH−),0.90(t,3H,CH).
FD−MS:[M]=566.3
Figure 0005615459
(実施例23〜44)
実施例1〜22で得られたBTBT誘導体a〜vについて、前記記載の方法でトランジスタ評価を行った結果を表1に、液晶相を観察した結果を図2〜23に示した。
(比較例1)
WO2006/077888記載の方法にて(化37)で表される化合物を合成した。得られた化合物について、実施例同様に液晶相の観察を行ったところ、液晶相は観察できなかった。また、実施例同様に作製したトランジスタの評価結果を表1に記載した。
Figure 0005615459
(比較例2)
特開2012−1442号公報記載の方法にて(化38)で表される化合物を合成した。得られた化合物について、実施例同様に液晶相の観察を行ったところ、高次の液晶相は観察できなかった。また、実施例同様に作製したトランジスタの評価結果を表1に記載した。
Figure 0005615459
Figure 0005615459
表1および図2〜23の結果より、本発明の有機半導体材料は、高次の液晶相を示すため、実用的な移動度で、移動度のバラツキが小さい、トランジスタ素子を与える。これに対し、比較例の化合物は、高次の液晶相も発現せず、得られるトランジスタ特性の移動度が低く、移動度の誤差が大きい。
本発明の化合物は有機半導体としての利用が可能であり、該有機半導体材料を有機半導体層として用いる有機トランジスタへの利用が可能である。
1. 基板
2. ゲート電極
3. ゲート絶縁膜
4. 有機半導体
5. ソース電極
6. ドレイン電極

Claims (7)

  1. 一般式(1)
    Figure 0005615459
    (式中、R又はの一方が下記(I)で表される基であり、他の一方が下記(II)で表される基である。
    (I)一般式(2)又は(3)である基
    Figure 0005615459
    Figure 0005615459
    (Arは置換基を有してもよい芳香族炭化水素基又は複素芳香族基であって、該芳香族炭化水素基又は複素芳香族基が単環性であるか縮環数が2又は3である基、Arは置換基を有してもよい芳香族炭化水素基又は置換基を有してもよい複素芳香族基、R’は、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、置換基を有してもよい芳香族炭化水素基又は複素芳香族基。)
    (II)炭素数2〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、ハロゲン原子を有する炭素数2〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基、炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基、芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、及び、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、ハロゲン原子を有する炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基、又は炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、から選ばれる基)
    で表されるベンゾチエノベンゾチオフェン誘導体。
  2. 下記一般式(4)
    Figure 0005615459
    (式中、R−が下記一般式(2)又は(3)のいずれかの基であり、
    Figure 0005615459
    Figure 0005615459
    (但し、Ar、Ar、およびR’は前記と同義を表す。)
    −は、炭素数2〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、ハロゲン原子を有する炭素数2〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基、炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基、芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、及び、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、ハロゲン原子を有する炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のアルコキシアルキル基、炭素数3〜20のアルキルスルファニルアルキル基、又は炭素数3〜20のアルキルアミノアルキル基を置換基として持つ芳香族炭化水素基又は複素芳香族基、
    から選ばれる基)
    で表される請求項1に記載のベンゾチエノベンゾチオフェン誘導体。
  3. 請求項1又は2に記載のベンゾチエノベンゾチオフェン誘導体を用いた有機半導体材料。
  4. 請求項3に記載の有機半導体材料を含有する有機半導体インキ。
  5. 請求項3に記載の有機半導体材料を含有する有機半導体膜。
  6. 請求項3に記載の有機半導体材料を用いてなる有機半導体デバイス。
  7. 請求項3に記載の有機半導体材料を有機半導体層として用いる有機トランジスタ。
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