JP5999172B2 - 高分子化合物、該高分子化合物を含む有機薄膜 - Google Patents

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Description

本発明は、高分子化合物、該高分子化合物を含む有機薄膜および有機半導体素子、並びに該高分子化合物の原料となる化合物に関する。
有機トランジスタ等の有機半導体素子は、電子ペーパーやフラットパネルディスプレイといった次世代技術への応用が期待されている。有機トランジスタは、基板、有機半導体活性層、絶縁層、電極等の数種類の部材から構成されている。有機トランジスタ特性における重要な指標の一つとしては、キャリア移動度が挙げられ、有機半導体活性層に用いる有機材料(以下、「有機半導体材料」ということがある。)に大きく依存する。優れたキャリア移動度を有する有機材料の代表例としては、ペンタセンが挙げられ、特許文献1および非特許文献1には、ペンタセンを真空蒸着して得られた有機薄膜および該有機薄膜を含有する有機トランジスタが記載されている。
一方、フラットパネルディスプレイ等の工業的生産のためには、該ディスプレイに用いる有機半導体素子の有機半導体活性層は、大面積化や製造コスト削減が可能となることから、塗布処理を含む成膜加工(以下、「塗布成膜加工」ということがある。)によって形成することが望まれる。
特開2008−85250号公報
J.Appl.Phys.2002,92,5259.
このような状況下、溶媒に可溶(以下、「溶媒溶解性」という。)で、かつ、高いキャリア移動度を有する有機半導体材料が求められているが、上記した従来の有機半導体材料の溶媒溶解性やキャリア移動度は、十分なものではなかった。
上記課題を解決するために、本発明者らは検討した結果、本発明に至った。
[1] 式(1)で表される構造単位を有する、高分子化合物。
Figure 0005999172
〔式中、
Rは、水素原子、炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルキル基を有する置換基を表し、該アルキル基は、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルコキシ基、炭素原子数1〜30のアルキルチオ基、炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基、炭素原子数2〜30のジアルキルアミノ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数2〜30の1価の複素環基および炭素原子数3〜30の置換シリル基からなる群から選ばれる少なくとも1つの基で置換されていてもよい。2個存在するRは、同一でも異なっていてもよい。〕
[2] Rが、炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルキル基を有する置換基である[1]に記載の高分子化合物。
[3] 前記Rが、炭素原子数4〜30のアルキル基または炭素原子数4〜30のアルキル基を有する置換基である、[1]又は[2]に記載の高分子化合物。
[4] 前記Rが、分岐アルキル基または分岐アルキル基を有する置換基である、[1]〜[3]のいずれかに記載の高分子化合物。
[5] 前記Rが、炭素原子数6〜30のアルキル基である、[1]〜[4]のいずれかに記載の高分子化合物
[6] 前記式(1)における2つのRが、同一である、[1]〜[5]のいずれかに記載の高分子化合物。
[7] 前記高分子化合物が、共役高分子化合物である、[1]〜[6]のいずれかに記載の高分子化合物。
[8] 式(2−a)で表される、化合物。
Figure 0005999172
〔式中、
R’は、炭素原子数4〜30のアルキル基または炭素原子数4〜30のアルキル基を有する置換基を表し、該アルキル基は、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルコキシ基、炭素原子数1〜30のアルキルチオ基、炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基、炭素数2〜30のジアルキルアミノ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数2〜30の1価の複素環基および炭素原子数3〜30の置換シリル基から選ばれる少なくとも1つの基で置換されていてもよい。2個存在するR’は、同一でも異なっていてもよい。
Xは、ハロゲン原子を表す。2個存在するXは、同一でも異なっていてもよい。〕
[9] 前記R’が、アルキル基である、[8]に記載の化合物。
[10] 式(2−b)で表される、化合物。
Figure 0005999172
〔式中、
Rは、水素原子、炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルキル基を有する置換基を表し、該アルキル基は、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルコキシ基、炭素原子数1〜30のアルキルチオ基、炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基、炭素数2〜30のジアルキルアミノ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数2〜30の1価の複素環基および炭素原子数3〜30の置換シリル基から選ばれる少なくとも1つの基で置換されていてもよい。2個存在するRは、同一でも異なっていてもよい。
X’は、置換基を有していてもよい1価の複素環基を表す。2個存在するXは、同一でも異なっていてもよい。〕
[11] 前記X’が、式(3)〜式(6)のいずれかで表される基である、[10]に記載の化合物。
Figure 0005999172
〔式中、
Wは、水素原子またはハロゲン原子を表す。
Yは、−CH=で表される基または窒素原子を表す。Yが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
Zは、酸素原子、硫黄原子またはセレン原子を表す。Zが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
は、水素原子または置換基を有していてもよい炭素原子数1〜30のアルキル基を表す。
およびRは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルコキシ基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。〕
[12] 前記Zが硫黄原子である、[11]に記載の化合物。
[13] 前記Rが炭素原子数1〜30のアルキル基である、[10]〜[12]のいずれかに記載の化合物。
[14] [1]〜[7]のいずれかに記載の高分子化合物を含む、有機薄膜。
[15] 第1の電極と第2の電極とを有し、該第1の電極と該第2の電極との間に活性層を有し、該活性層に[1]〜[7]のいずれかに記載の高分子化合物を含む、有機半導体素子。
[16] 光電変換素子である、[15]に記載の有機半導体素子。
[17] 有機トランジスタである、[15]に記載の有機半導体素子。
本発明の有機トランジスタの一例を示す模式断面図である。 本発明の有機トランジスタの他の例を示す模式断面図である。 本発明の有機トランジスタの他の例を示す模式断面図である。 本発明の有機トランジスタの他の例を示す模式断面図である。 本発明の有機トランジスタの他の例を示す模式断面図である。 本発明の有機トランジスタの他の例を示す模式断面図である。 本発明の有機トランジスタの他の例を示す模式断面図である。 本発明の有機トランジスタの他の例を示す模式断面図である。 本発明の有機トランジスタの他の例を示す模式断面図である。
以下、必要に応じて図面を参照することにより、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本明細書中、「構造単位」とは、高分子化合物中に1個以上存在する単位構造を意味する。「構造単位」は、「繰返し単位」(即ち、高分子化合物中に2個以上存在する単位構造)として高分子化合物中に含まれることが好ましい。
<高分子化合物>
(第1構造単位)
本発明の高分子化合物は、式(1)で表される構造単位(以下、「第1構造単位」ということがある。)を含む。第1構造単位は、高分子化合物中に一種のみ含まれていても二種以上含まれていてもよい。本発明の高分子化合物は、共役高分子化合物であることが好ましい。
Figure 0005999172
〔式中、
Rは、炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルキル基を有する置換基を表し、該アルキル基は、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルコキシ基、炭素原子数1〜30のアルキルチオ基、炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基、炭素数2〜30のジアルキルアミノ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数2〜30の1価の複素環基および炭素原子数3〜30の置換シリル基から選ばれる少なくとも1つの基で置換されていてもよい。2個存在するRは、同一でも異なっていてもよい。〕
式(1)中、Rで表される炭素原子数1〜30のアルキル基は、直鎖、分岐のいずれでもよく、シクロアルキル基であってもよいが、分岐アルキル基であることが好ましい。アルキル基が有する炭素原子数は、本発明の高分子化合物の溶媒溶解性がより優れるという観点から、4〜30であることが好ましく、6〜30であることがより好ましい。
アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ヘキシル基、n−オクチル基、n−ドデシル基、n−ヘキサデシル基等の直鎖アルキル基、イソプロピル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、1−エチルペンチル基、1−ブチルヘプチル基、1−ヘキシルノニル基、1−オクチルウンデシル基、2−プロピルヘキシル基、2−ヘプチルウンデシル基等の分岐アルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基が挙げられる。
アルキル基は置換基を有していてもよく、アルキル基が有していてもよい置換基としては、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルコキシ基、炭素原子数1〜30のアルキルチオ基、炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数2〜30の1価の複素環基および炭素原子数3〜30の置換シリル基から選ばれる少なくとも1つの基が挙げられる。
置換基としてのハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子またはヨウ素原子が挙げられ、本発明の高分子化合物の原料となる化合物の合成の過程で副反応が起こりにくいという観点から、フッ素原子が好ましい。
置換基としての炭素原子数1〜30のアルコキシ基としては、上記アルキル基と酸素原子が結合した基が挙げられる。
アルコキシ基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、n−ブチルオキシ基、n−ペンチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、n−ヘプチルオキシ基、n−オクチルオキシ基、n−ドデシルオキシ基、n−ヘキサデシルオキシ基等の直鎖アルコキシ基、イソプロポキシ基、イソブチルオキシ基、sec−ブチルオキシ基、tert−ブチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、2−ブチルオクチルオキシ基、2−ヘキシルデシルオキシ基、2−オクチルドデシルオキシ基等の分岐アルコキシ基、シクロペンチルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基等のシクロアルコキシ基が挙げられる。
置換基としての炭素原子数1〜30のアルキルチオ基としては、上記アルキル基と硫黄原子が結合した基が挙げられる。
アルキルチオ基の具体例としては、メチルチオ基、エチルチオ基、n−プロピルチオ基、n−ブチルチオ基、n−ペンチルチオ基、n−ヘキシルチオ基、n−ヘプチルチオ基、n−オクチルチオ基、n−ドデシルチオ基、n−ヘキサデシルチオ基等の直鎖アルキルチオ基、イソプロピルチオ基、イソブチルチオ基、sec−ブチルチオ基、tert−ブチルチオ基、2−エチルヘキシルチオ基、2−ブチルオクチルチオ基、2−ヘキシルデシルチオ基、2−オクチルドデシルチオ基等の分岐アルキルチオ基、シクロペンチルチオ基、シクロヘキシルチオ基等のシクロアルキルチオ基が挙げられる。
置換基としての炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基としては、上記アルキル基とカルボニル基が結合した基が挙げられる。
アルキルカルボニル基の具体例としては、アセチル基、n−プロパノイル基、n−ブタイル基、n−ペンタロイル基、n−ヘキサノイル基、n−ヘプタノイル基、n−オクタノイル基、n−ドデカノイル基、n−ヘキサデカノイル基等の直鎖アシル基、イソブタノイル基、sec−ブタノイル基、tert−ブトキシカルボニル基、2−エチルヘキサノイル基、2−ブチルオクタノイル基、2−ヘキシルデカノイル基、2−オクチルドデカノイル基等の分岐アシル基、シクロペンチルカルボニル基、シクロヘキシルカルボニル基等のシクロアルキルカルボニル基が挙げられる。
置換基としての炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基としては、上記アルコキシ基とカルボニル基が結合した基が挙げられる。
アルコキシカルボニル基の具体例としては、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、n−プロピルカルボニル基、n−ブトキシカルボニル基、n−ペンチルオキシカルボニル基、n−ヘキシルオキシカルボニル基、n−ヘプチルオキシカルボニル基、n−オクチルオキシカルボニル基、n−ドデシルオキシカルボニル基、n−ヘキサデシルオキシカルボニル基等の直鎖アルコキシカルボニル基、イソプロポキシカルボニル基、イソプチルオキシカルボニル基、sec−ブチルオキシカルボニル基、tert−ブチルオキシカルボニル基、2−エチルヘキシルオキシカルボニル基、2−ブチルオクチルオキシカルボニル基、2−ヘキシルデシルオキシカルボニル基、2−オクチルドデシルオキシカルボニル基等の分岐アルコキシカルボニル基、シクロペンチルオキシカルボニル基、シクロヘキシルオキシカルボニル基等のシクロアルコキシカルボニル基が挙げられる。
置換基としての炭素原子数2〜30ジアルキルアミノ基としては、上記アルキル基と窒素原子が結合した基が挙げられる。
ジアルキルアミノ基の具体例としては、ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基、ジブチルアミノ基、ジヘキシルアミノ基、ジオクチルアミノ基、ジドデシルアミノ基などの直鎖アルキル基で置換されたアミノ基、ビス(2−エチルヘキシル)アミノ基、ビス(2−ヘキシルデシル)アミノ基などの分岐アルキル基で置換されたアミノ基、ジシクロヘキシルアミノ基などのシクロアルキル基で置換されたアミノ基が挙げられる。
置換基としてのアリール基は、芳香族炭化水素から環を構成する炭素原子に直接結合する水素原子1個を除いた残りの原子団であり、ベンゼン環を有する基、縮合環を有する基、独立したベンゼン環および縮合環から選ばれる2個以上が直接結合した基を含む。アリール基が有する炭素原子数は、通常6〜30であり、6〜20であることが好ましい。
アリール基の具体例としては、フェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基、1−アントラセニル基、2−アントラセニル基、9−アントラセニル基、1−ピレニル基、2−ピレニル基、4−ピレニル基、2−フルオレニル基、3−フルオレニル基、4−フルオレニル基等が挙げられ、フェニル基が好ましい。
置換基としての1価の複素環基は、複素環式化合物から、環を構成する炭素原子に直接結合する水素原子1個を除いた残りの原子団であり、縮合環を有する基、独立した複素環および縮合環から選ばれる2個以上が直接結合した基を含む。1価の複素環基が有する炭素原子数は、通常2〜30であり、3〜20であることが好ましい。また、1価の複素環基としては、1価の芳香族複素環基であることが好ましい。
ここに複素環式化合物とは、環式構造をもつ有機化合物のうち、環を構成する元素が炭素原子だけでなく、酸素、硫黄、窒素、リン、ホウ素、ヒ素等のヘテロ原子を環内に含むものをいう。
1価の複素環基としては、2−フリル基、3−フリル基、2−チエニル基、3−チエニル基、2−ピロリル基、3−ピロリル基、2−オキサゾリル基、2−チアゾリル基、2−イミダゾリル基、2−ピリジル基、3−ピリジル基、4−ピリジル基、2−ベンゾフリル基、2−ベンゾチエニル基、2−チエノチエニル基等が挙げられ、2−チエニル基が好ましい。
置換基としての炭素原子数3〜30の置換シリル基としては、上記アルキル基および/またはアリール基で置換されたシリル基が挙げられる。
置換シリル基の具体例としては、トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリイソプロピルシリル基、tert−ブチルジメチルシリル基、ジメチルフェニルシリル基、ジフェニルメチルシリル基等が挙げられる。
炭素原子数1〜30のアルキル基を有する基としては、アルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基、ジアルキルアミノ基、アルキル基で置換されたアリール基(炭素原子数7〜60)、アルコキシ基で置換されたアリール基(炭素原子数7〜60)、アルキル基で置換された1価の複素環基(炭素原子数3〜60)、炭素原子数3〜32のアルキニル基および炭素原子数3〜32のアルケニル基が挙げられ、本発明の高分子化合物の安定性の観点から、アルキル基で置換されたアリール基(炭素原子数7〜60)、アルコキシ基で置換されたアリール基(炭素原子数7〜60)またはアルキル基で置換された1価の複素環基(炭素原子数3〜60)が好ましい。
炭素原子数1〜30のアルキル基を有する基におけるアルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基およびアルキル基で置換されたアミノ基(炭素数2〜30)は、上記の置換基としてのアルコキシ基、アルキルチオ基、アルキルカルボニル基、アルコキシカルボニル基および置換されたアミノ基(炭素数2〜30)と同じ意味を表す。
アルキル基で置換されたアリール基(炭素原子数7〜60)としては、上記の炭素原子数6〜30のアリール基が上記の炭素原子数1〜30のアルキル基で置換された基が挙げられ、複数のアルキル基で置換されていてもよい。
アルコキシ基で置換されたアリール基(炭素原子数7〜60)としては、上記の炭素原子数6〜30のアリール基が上記の炭素原子数1〜30のアルコキシ基で置換された基が挙げられ、複数のアルコキシ基で置換されていてもよい。
アルキル基で置換された1価の複素環基(炭素原子数3〜60)としては、上記の炭素原子数2〜30の1価の複素環基が上記の炭素原子数1〜30のアルキル基で置換された基が挙げられ、複数のアルキル基で置換されていてもよい。
炭素原子数3〜32のアルキニル基の具体例としては、プロピニル基、n−ブチニル基、n−ペンチニル基、n−ヘキシニル基、n−オキチニル基、n−ドデシニル基、n−ヘキサデシニル基、sec−ブチニル基、イソブチニル基、シクロヘキシルエチニル基等が挙げられる。
炭素原子数3〜32のアルケニル基の具体的としては、プロペニル基、n−ブテニル基、n−ペンテニル基、n−ヘキセニル基、n−オクテニル基、n−ドデセニル基、n−ヘキサデセニル基、sec−ブテニル基、イソブテニル基、シクロヘキセニル基等が挙げられる。
前記Rは、本発明の高分子化合物の溶媒溶解性がより優れるという観点から、アルキル基であることが好ましく、前記式(1)における2つのRは同一であることが好ましく、前記式(1)における2つのRは同一のアルキル基であることがより好ましい。
前記式(1)で表される構造単位としては、例えば下記の構造単位が例示される。
Figure 0005999172
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(第2構造単位)
本発明の高分子化合物は、前記式(1)で表される構造単位のほかに、式(1)で表される構造単位とは異なる構造単位を有していることが好ましい。この場合、式(1)で表される構造単位と式(1)で表される構造単位とは異なる構造単位とが、共役を形成していることが好ましい。
本明細書における共役とは、不飽和結合−単結合−不飽和結合の順に連鎖し、π軌道の2個のπ結合が隣り合い、それぞれのπ電子が平行に配置し、不飽和結合上にπ電子が局在するのではなく、隣の単結合上にπ電子が広がってπ電子が非局在化している状態のことを指す。ここで不飽和結合とは、二重結合や三重結合を指す。
前記式(1)で表される構造単位とは異なる構造単位としては、例えば、ビニレン基、エチニレン基、アリーレン基、2価の複素環基が挙げられる。
アリーレン基とは、芳香族炭化水素から環を構成する炭素原子に直接結合する水素原子2個を除いた残りの原子団であり、芳香族炭化水素の炭素原子数は通常6〜60であり、好ましくは6〜20である。
アリーレン基としては、ベンゼン環を有する基、縮合環を有する基、独立したベンゼン環および縮合環から選ばれる2個以上が直接結合した基、独立したベンゼン環および縮合環から選ばれる2個以上がビニレン等の基を介して結合した基が含まれる。
アリーレン基としては、例えば下記式1〜12で表されるアリーレン基が例示される。
Figure 0005999172
Figure 0005999172
(式中、
R’’は、水素原子、フッ素原子または炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルキル基を有する置換基を表し、該アルキル基は、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルコキシ基、炭素原子数1〜30のアルキルチオ基、炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基、炭素原子数2〜30のジアルキルアミノ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数2〜30の1価の複素環基および炭素原子数3〜30の置換シリル基から選ばれる少なくとも1つの基で置換されていてもよい。複数存在するR’’は、同一でも異なっていてもよい。
R’’が表す炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルキル基を有する置換基としては、前記Rと同じものが例示される。)
2価の複素環基とは、複素環式化合物から環を構成する炭素原子に直接結合する水素原子2個を除いた残りの原子団であり、複素環式化合物の炭素原子数は通常2〜30であり、3〜20であることが好ましい。また、2価の複素環基としては、2価の芳香族複素環基であることが好ましい。
ここに複素環式化合物とは、環式構造をもつ有機化合物のうち、環を構成する元素が炭素原子だけでなく、酸素、硫黄、窒素、リン、ホウ素、ヒ素等のヘテロ原子を環内に含むものをいう。
2価の複素環基としては、縮合環を有する基、独立した複素環および縮合環から選ばれる2個以上が直接結合した基が含まれる。
2価の複素環基としては、例えば下記式13〜60で表される2価の複素環基が例示され、本発明の高分子化合物の共役がより広がり得ることから、5員環構造を有する式25〜28、36、37、43,44、52〜58および60が好ましい。
Figure 0005999172
Figure 0005999172
Figure 0005999172
Figure 0005999172
Figure 0005999172
Figure 0005999172
Figure 0005999172
Figure 0005999172
(式中、R’’は前記と同じ意味を表す。aおよびbは、それぞれ独立に、繰り返しの数を表し、通常1〜5であり、好ましくは1〜3であり、特に好ましくは1である。)
本発明の高分子化合物とは、重量平均分子量が1000以上のものを指すが、重量平均分子量が3000〜1000000の高分子化合物が好ましく用いられる。重量平均分子量が3000より低いと有機半導体素子作製時の膜形成に欠陥が生じることがあり、1000000より大きいと溶媒溶解性や塗布成膜加工性が低下することがある。重量平均分子量としてさらに好ましくは8000〜500000であり、特に好ましくは10000〜300000である。
なお、本明細書における重量平均分子量とは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)を用い、ポリスチレンの標準試料を用いて算出したポリスチレン換算の重量平均分子量のことを指す。
また、本発明の高分子化合物は、溶媒溶解性が高いものであるが、具体的には、本発明の高分子化合物を0.1重量%(以下、「wt%」ということがある。)以上含む溶液を作製し得る溶解性を有することが好ましく、0.4wt%以上含む溶液を作製し得る溶解性を有することがより好ましい。
本発明の高分子化合物において、前記式(1)で表される構造単位の含有量は、高分子化合物中に少なくとも1つ含まれていればよいが、好ましくは、高分子化合物中に3個以上、さらに好ましくは、高分子化合物中に5個以上含まれる。
<高分子化合物の製造方法>
本発明の高分子化合物の製造方法としては、特に制限されるものではないが、高分子化合物の合成の容易さからは、Suzukiカップリング反応やStilleカップリング反応を用いる方法が好ましい。
Suzukiカップリング反応を用いる方法としては、例えば、
式(1’)で表される1種類以上の化合物(好ましくは、式(2’)で表される1種類以上の化合物)と、
Figure 0005999172
〔式中、
Rは前記と同じ意味を表す。
Xは、ハロゲン原子または置換基を有していてもよい1価の複素環基を表す。2個存在するXは、同一でも異なっていてもよい。〕
Figure 0005999172
〔式中、
Rは前記と同じ意味を表す。
X’’は、ハロゲン原子または下記式(3’)〜(6’)から選ばれる基を表す。2個存在するX’’は、同一でも異なっていてもよい。〕
Figure 0005999172
〔式中、
W’はハロゲン原子を表す。
Yは、−CH=で表される基または窒素原子を表す。
Zは、酸素原子、硫黄原子またはセレン原子を表す。Zが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
は、水素原子または置換基を有していてもよい炭素原子数1〜30のアルキル基を表す。
およびRは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルコキシ基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。〕
式(100)で表される1種類以上の化合物と、必要に応じて式(200)で表される1種類以上の化合物と、をパラジウム触媒および塩基の存在下で反応させる工程を有する製造方法が挙げられる。
およびEが表すアリーレン基および2価の複素環基は、上記の前記式(1)で表される構造単位とは異なる構造単位が表すアリーレン基および2価の複素環基と同じ意味を表す。
100−E−Q200 (100)
〔式中、
は、ビニレン基、アリーレン基または2価の複素環基を表す。
100およびQ200は、それぞれ独立に、ホウ酸残基(−B(OH))またはホウ酸エステル残基を表す。〕
−E−T (200)
〔式中、
は、アリーレン基または2価の複素環基を表す。
およびTは、それぞれ独立に、ハロゲン原子、アルキルスルホネート基、アリールスルホネート基またはアリールアルキルスルホネート基を表す。〕
この場合、前記式(1’)で表わされる1種類以上の化合物(好ましくは、前記式(2’)で表される1種類以上の化合物)と前記式(200)で表される1種類以上の化合物のモル数の合計が、前記式(100)で表わされる1種類以上の化合物のモル数の合計に対して、過剰であることが好ましい。具体的には、式(1’)で表わされる1種類以上の化合物(好ましくは、式(2’)で表される1種類以上の化合物)と式(200)で表される1種類以上の化合物のモル数の合計に対して、式(100)で表わされる1種類以上の化合物のモル数の合計が、0.6〜0.99モル%であることが好ましく、0.7〜0.95モル%であることがさらに好ましい。
前記式(1’)におけるXが表すハロゲン原子は、後述の式(2−a)におけるXが表すハロゲン原子と同じ意味を表す。また、式(1’)におけるXが表す置換基を有していてもよい1価の複素環基は、後述の式(2−b)におけるXが表す置換基を有していてもよい1価の複素環基と同じ意味を表す。
前記式(2’)におけるX’’が表すハロゲン原子は、後述の式(2−a)におけるXが表すハロゲン原子と同じ意味を表す。
前記式(3’)〜(6’)におけるRが表す炭素原子数1〜30のアルキル基は、後述の式(3)〜(6)におけるRが表す炭素原子数1〜30のアルキル基と同じ意味を表す。さらには、前記式(3’)〜(6’)におけるRおよびRが表すハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルキル基および炭素原子数1〜30のアルコキシ基は、後述の、式(3)〜(6)におけるRおよびRが表すハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルキル基および炭素原子数1〜30のアルコキシ基と、それぞれ同じ意味を表す。
前記ホウ酸エステル残基としては、下記式:
Figure 0005999172
〔式中、Meはメチル基を表し、Etはエチル基を表す。〕
で表される基等が例示される。
前記式(3’)〜(6’)における、W’が表すハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子が挙げられる。本発明の高分子化合物の合成の容易さからは、臭素原子またはヨウ素原子であることが好ましく、臭素原子であることがより好ましい。なお、後述の式(3)〜(6)におけるWが表すハロゲン原子としては、W’と同様のものが挙げられる。
前記式(200)における、TおよびTで表されるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子が挙げられる。本発明の高分子化合物の合成の容易さからは、臭素原子またはヨウ素原子であることが好ましく、臭素原子であることがより好ましい。
前記式(200)における、TおよびTで表されるアルキルスルホネート基としては、メタンスルホネート基、エタンスルホネート基およびトリフルオロメタンスルホネート基が挙げられる。式(200)における、TおよびTで表されるアリールスルホネート基としては、ベンゼンスルホネート基およびp−トルエンスルホネート基が挙げられる。式(200)における、TおよびTで表されるアリールアルキルスルホネート基としては、ベンジルスルホネート基が挙げられる。
Suzukiカップリング反応を具体的に行う方法としては、任意の溶媒中において、触媒としてパラジウム触媒を用い、塩基の存在下で反応させる方法等が挙げられる。
Suzukiカップリング反応に使用するパラジウム触媒としては、例えば、Pd(0)触媒、Pd(II)触媒等が挙げられ、具体的には、パラジウム[テトラキス(トリフェニルホスフィン)]、パラジウムアセテート類、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、パラジウムアセテート、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム、ビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウム等が挙げられるが、反応(重合)操作の容易さ、反応(重合)速度の観点からは、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、パラジウムアセテート、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムが好ましい。
パラジウム触媒の添加量は、特に限定されず、触媒としての有効量であればよいが、前記式(1’)で表される1種類以上の化合物(好ましくは、前記式(2’)で表される1種類以上の化合物)のモル数の合計に対して、通常0.0001〜0.5モル%であり、好ましくは0.0003〜0.1モル%である。
Suzukiカップリング反応に使用するパラジウム触媒として、パラジウムアセテート類を用いる場合は、例えば、トリフェニルホスフィン、トリ(o−トリル)ホスフィン、トリ(o−メトキシフェニル)ホスフィン等のリン化合物を配位子として添加することができる。この場合、配位子の添加量は、パラジウム触媒のモル数の合計に対して、通常0.5〜100モル%であり、好ましくは0.9〜20モル%であり、さらに好ましくは1〜10モル%である。
Suzukiカップリング反応に使用する塩基としては、無機塩基、有機塩基、無機塩等が挙げられる。無機塩基としては、例えば、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、水酸化バリウム等が挙げられる。有機塩基としては、例えば、トリエチルアミン、トリブチルアミン等が挙げられる。無機塩としては、例えば、フッ化セシウム等が挙げられる。
塩基の添加量は、前記式(1’)で表される1種類以上の化合物(好ましくは、前記式(2’)で表される1種類以上の化合物)のモル数の合計に対して、通常0.5〜100モル%であり、好ましくは0.9〜20モル%であり、さらに好ましくは1〜10モル%である。
Suzukiカップリング反応は、通常溶媒中で行われる。溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、トルエン、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等が例示される。本発明の高分子化合物の溶媒溶解性の観点からは、トルエンまたはテトラヒドロフランが好ましい。
また、塩基は、水溶液として加え、2相系で反応させてもよい。塩基として無機塩を用いる場合は、無機塩の溶解性の観点から、通常水溶液として加えて反応させる。なお、塩基を水溶液として加え、2相系で反応させる場合は、必要に応じて、第4級アンモニウム塩などの相間移動触媒を加えてもよい。
Suzukiカップリング反応を行う温度は、前記溶媒にもよるが、通常50〜160℃程度であり、本発明の高分子化合物の高分子量化の観点から、60〜120℃が好ましい。また、溶媒の沸点近くまで昇温し、還流させてもよい。反応時間は、目的の重合度に達したときを終点としてもよいが、通常0.1時間〜200時間程度である。1時間〜30時間程度が効率的で好ましい。
Suzukiカップリング反応は、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性雰囲気下において、Pd(0)触媒が失活しない反応系で行う。例えば、アルゴンガスや窒素ガス等で、十分脱気された系で行う。具体的には、重合容器(反応系)内を窒素ガスで十分置換し、脱気した後、この重合容器に、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)、前記式(1’)で表される1種類以上の化合物(好ましくは、前記式(2’)で表される1種類以上の化合物)と、前記式(100)で表される1種類以上の化合物と、必要に応じて前記式(200)で表される1種類以上の化合物を仕込み、さらに、重合容器を窒素ガスで十分置換し、脱気した後、あらかじめ窒素ガスでバブリングすることにより脱気した溶媒(例えば、トルエン)を加えた後、この溶液に、あらかじめ窒素ガスでバブリングすることにより脱気した塩基(例えば、炭酸ナトリウム水溶液)を滴下した後、加熱し、保温しながら(例えば、還流温度で8時間、不活性雰囲気を保持しながら)重合する。
Stilleカップリング反応を用いる方法としては、例えば、式(300):
300−E−Q400 (300)
〔式中、
は、ビニレン、アリーレン基または2価の複素環基を表す。なお、アリーレン基および2価の複素環基は、前記式(1)で表される構造単位とは異なる構造単位が表すアリーレン基および2価の複素環基と同じ意味を表す。
300およびQ400は、それぞれ独立に、有機スズ残基を表す。〕
で表される1種類以上の化合物と、前記式(1)で表される1種類以上の化合物(好ましくは、前記式(2’)で表される1種類以上の化合物)と、必要に応じて前記式(200)で表される1種類以上の化合物を、パラジウム触媒の存在下で反応させる工程を有する製造方法が挙げられる。Eとして好ましくは、前記式1〜式60で表される基である。
有機スズ残基としては、−SnR100 で表される基等が挙げられる。ここでR100は1価の有機基を表す。1価の有機基としては、アルキル基、アリール基等が挙げられる。
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、sec−ブチル基、tert−ブチル墓、n−ペンチル基、イソペンチル基、2−メチルブチル基、1−メチルブチル基、n−ヘキシル基、イソヘキシル基、3−メチルペンチル基、2−メチルペンチル基、1−メチルペンチル基、ヘプチル基、オクチル基、イソオクチル基、2−エチルヘキシル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル墓、オクタデシル基、エイコシル基等の鎖状アルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、アダマンチル基等のシクロアルキル基が挙げられる。アリール基としてはフェニル基、ナフチル基などが挙げられる。
有機スズ残基として好ましくは、−SnMe、−SnEt、−SnBuまたは−SnPhであり、さらに好ましくは−SnMe、−SnEtまたは−SnBuである。
ここで、Meはメチル基を、Etはエチル基を、Buはブチル基を、Phはフェニル基を表す。
Stilleカップリング反応に使用するパラジウム触媒としては、例えば、Pd(0)触媒、Pd(II)触媒が挙げられる。具体的には、パラジウム[テトラキス(トリフェニルホスフィン)]、パラジウムアセテート類、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、パラジウムアセテート、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム、ビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウムが挙げられ、反応(重合)操作の容易さ、反応(重合)速度の観点からは、パラジウム[テトラキス(トリフェニルホスフィン)]、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウムが好ましい。
Stilleカップリング反応に使用するパラジウム触媒の添加量は、特に限定されず、触媒としての有効量であればよいが、式(1’)で表される1種類以上の化合物(好ましくは、式(2’)で表される1種類以上の化合物)のモル数の合計に対して、通常0.0001〜0.5モル%であり、好ましくは0.0003〜0.2モル%である。
また、Stilleカップリング反応において、必要に応じて配位子や助触媒を用いることもできる。配位子としては、例えば、トリフェニルホスフィン、トリ(o−トリル)ホスフィン、トリ(o−メトキシフェニル)ホスフィン、トリス(2−フリル)ホスフィン等のリン化合物やトリフェニルアルシン、トリフェノキシアルシン等の砒素化合物が挙げられる。助触媒としてはヨウ化銅、臭化銅、塩化銅、2−テノイル酸銅(I)などが挙げられる。
配位子や助触媒を用いる場合、配位子や助触媒の添加量は、パラジウム触媒のモル数の合計に対して、通常0.5〜100モル%であり、好ましくは0.9〜20モル%であり、さらに好ましくは1〜10モル%である。
Stilleカップリング反応は、通常溶媒中で行われる。溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N、N−ジメチルアセトアミド、トルエン、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等が挙げられる。本発明の高分子化合物の溶媒溶解性の観点からは、トルエンまたはテトラヒドロフランが好ましい。
Stilleカップリング反応を行う温度は、前記溶媒にもよるが、通常50〜160℃程度であり、本発明の高分子化合物の高分子量化の観点から、60〜120℃が好ましい。また、溶媒の沸点近くまで昇温し、還流させてもよい。
前記反応を行う時間(反応時間)は、目的の重合度に達したときを終点としてもよいが、通常0.1時間〜200時間程度である。1時間〜30時間程度が効率的で好ましい。
Stilleカップリング反応は、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性雰囲気下、Pd触媒が失活しない反応系で行う。例えば、アルゴンガスや窒素ガス等で、十分脱気された系で行う。具体的には、重合容器(反応系)内を窒素ガスで十分置換し、脱気した後、この重合容器に、パラジウム触媒を仕込み、前記式(300)で表される1種類以上の化合物、前記式(1)で表される1種類以上の化合物(好ましくは、前記式(2’)で表される1種類以上の化合物)、必要に応じて前記式(200)で表される1種類以上の化合物を仕込み、さらに、重合容器を窒素ガスで十分置換し、脱気した後、あらかじめ窒素ガスでバブリングすることにより脱気した溶媒(例えば、トルエン)を加えた後、必要に応じて配位子や助触媒を加え、その後、加熱、昇温しながら(例えば、還流温度で8時間、不活性雰囲気を保持しながら)重合する。
前記式(1’)で表される1種類以上の化合物(好ましくは、前記式(2’)で表される1種類以上の化合物)を0価ニッケル化合物存在下反応させることにより、式(1)で表される構造単位を有する本発明の高分子化合物を製造することもできる。0価ニッケル化合物としてはビス(シクロオクタジエン)ニッケルやテトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケルなどを用いてもよく、また、亜鉛のような還元性金属とNiCl、NiBrのような2価ニッケル化合物を共存させることで反応系内で0価ニッケル化合物を発生させる方法を用いてもよい。
0価ニッケル化合物存在下で反応させる場合、溶媒としては、N,N−ジメチルホルムアミド、N、N−ジメチルアセトアミド、トルエン、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等が挙げられる。反応を行う温度は、前記溶媒にもよるが、通常、50〜160℃程度であり、高分子化合物の高分子量化の観点から、60〜120℃が好ましい。また、溶媒の沸点近くまで昇温し、還流させてもよい。
前記反応を行う時間(反応時間)は、目的の重合度に達したときを終点としてもよいが、通常、0.1時間〜200時間程度である。1時間〜30時間程度が効率的で好ましい。
本発明の高分子化合物の末端基は、重合活性基がそのまま残っていると、素子の作製に用いたときに得られる素子の特性や寿命が低下する可能性があるので、安定な基で保護されていてもよい。本発明の高分子化合物における主鎖の共役構造と連続した共役結合を有しているものが好ましく、アリール基や1価の複素環基が好ましい。
<化合物>
本発明の化合物は、式(2−a)で表される化合物および式(2−b)で表される化合物であり、本発明の高分子化合物の原料として、上記の高分子化合物の製造方法において好適に使用することができる。
Figure 0005999172
〔式中、
R’は、炭素原子数4〜30のアルキル基または炭素原子数4〜30のアルキル基を有する置換基を表し、該アルキル基は、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルコキシ基、炭素原子数1〜30のアルキルチオ基、炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基、炭素原子数2〜30のジアルキルアミノ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数2〜30の1価の複素環基および炭素原子数3〜30の置換シリル基から選ばれる少なくとも1つの基で置換されていてもよい。2個存在するRは、同一でも異なっていてもよい。
Xは、ハロゲン原子を表す。2個存在するXは、同一でも異なっていてもよい。〕
Figure 0005999172
〔式中、
Rは、炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルキル基を有する置換基を表し、該アルキル基は、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルコキシ基、炭素原子数1〜30のアルキルチオ基、炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基、炭素原子数2〜30のジアルキルアミノ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数2〜30の1価の複素環基および炭素原子数3〜30の置換シリル基から選ばれる少なくとも1つの基で置換されていてもよい。
2個存在するRは、同一でも異なっていてもよい。
X’は、置換基を有していてもよい1価の複素環基を表す。2個存在するX’は、同一でも異なっていてもよい。〕
前記X’が表す1価の複素環基とは、複素環式化合物から、環を構成する炭素原子に直接結合する水素原子1個を除いた残りの原子団であり、縮合環を有する基、独立した複素環および縮合環から選ばれえる2個以上が直接結合した基を含む。1価の複素環基としては、1価の芳香族複素環基が好ましい。1価の複素環基が有する炭素原子数は、通常2〜30であり、3〜20であることが好ましい。
1価の複素環基の具体例としては、2−フリル基、3−フリル基、2−チエニル基、3−チエニル基、2−ピロリル基、3−ピロリル基、2−オキサゾリル基、2−チアゾリル基、2−イミダゾリル基、2−ピリジル基、3−ピリジル基、4−ピリジル基、2−ベンゾフリル基、2−ベンゾチエニル基、2−チエノチエニル基等が挙げらる。
また、1価の複素環基が有していてもよい置換基としては、フッ素原子、塩素原子等のハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルキル基、具体的には、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、sec−ブチル基、tert−ブチル墓、n−ペンチル基、イソペンチル基、2−メチルブチル基、1−メチルブチル基、n−ヘキシル基、イソヘキシル基、3−メチルペンチル基、2−メチルペンチル基、1−メチルペンチル基、ヘプチル基、オクチル基、イソオクチル基、2−エチルヘキシル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル墓、オクタデシル基、エイコシル基等の鎖状アルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、アダマンチル基等のシクロアルキル基等が挙げられる。
前記X’が表す1価の複素環基としては、式(3)〜式(6)で表される基のいずれかであることが好ましい。
Figure 0005999172
〔式中、
Wは、水素原子またはハロゲン原子を表す。
Yは、−CH=で表される基または窒素原子を表す。Yが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
Zは、酸素原子、硫黄原子またはセレン原子を表す。Zが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
は、水素原子または置換基を有していてもよい炭素原子数1〜30のアルキル基を表す。
およびRは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、置換基を有していてもよい炭素原子数1〜30のアルキル基または置換基を有していてもよい炭素原子数1〜30のアルコキシ基を表す。〕
前記Yとしては、本発明の化合物の溶解性がより高くなり、本発明の高分子化合物の合成がより容易になるという観点からは、−CH−で表される基が好ましく、本発明の化合物の安定性がより高くなるという観点からは、窒素原子が好ましい。
前記Zとしては、本発明の化合物の取扱いがより容易となる観点から、酸素原子または硫黄原子が好ましく、本発明の化合物の共役がより広がるという観点からは、硫黄原子がより好ましい
前記R、RおよびRにおける置換基を有していてもよい炭素原子数1〜30のアルキル基としては、前記Rと同様のものが挙げられる。
前記RおよびRにおけるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子が挙げられ、本発明の化合物の安定性の観点から、フッ素原子が好ましい。
前記RおよびRにおける置換基を有していてもよい炭素原子数1〜30のアルコキシ基としては、前記Rと同様のものが挙げられる。
前記式(2−a)で表される化合物の製造方法としては、R’がアルキル基、アルキル基を有するアリール基またはアルキル基を有する1価の複素環基の場合は、例えば、J.Org.Chem.1982,47,2607に記載の方法が挙げられる。具体的には、ハロゲン化ジアミノジヒドロキノンとR’で表される基を有する酸クロリドとを、テトラヒドロフラン等のエーテル系脱水溶媒中混合し、得られたジアミド化合物をさらにポリリン酸エステルなどの脱水縮合剤存在下において加熱することで、製造することができる。
Figure 0005999172
R’がアルキルチオ基の場合は、例えば、ハロゲン化ジアミノジヒドロキノンと二硫化炭素とを、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等の塩基存在下において、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール溶媒中で反応させた後、酢酸、希塩酸等の酸で中和することにより、ハロゲン化ベンゾビスオキサゾールチオンが得られる。得られたハロゲン化ベンゾビスオキサゾールチオンは、再結晶などにより精製してもよい。その後、ハロゲン化ベンゾビスオキサゾールを水素化ナトリウム等の塩基と反応させた後、ヨウ化アルキルまたは臭化アルキルと反応させることにより、アルキルチオ基を有するハロゲン化ベンゾビスオキサゾールを製造することができる。
Figure 0005999172
(式中、R’’’はアルキル基を表す。)
R’がアルコキシ基の場合は、例えば、上記方法で製造したアルキルチオ基を有するハロゲン化ベンゾビスオキサゾールに対して、R’’’OHを加え、加熱することにより、アルコキシ基を有するハロゲン化ベンゾビスオキサゾールを製造することができる。あるいは、ハロゲン化ジアミノジヒドロキノンと(R’’’O)Cまたは(R’’’O)C(OMe)をエーテル系溶媒中において混合し加熱することによっても、アルコキシ基を有するハロゲン化ベンゾビスオキサゾールを製造することができる。
R’がアルコキシカルボニル基の場合は、例えば、ハロゲン化ジアミノジヒドロキノンとR’’’OC(O)C(OMe)をエーテル系溶媒中、混合し加熱することによってアルコキシカルボニル基を有するハロゲン化ベンゾビスオキサゾールを製造することができる。
R’がアルキルカルボニル基の場合は例えばハロゲン化ジアミノジヒドロキノンとR’’’C(O)C(O)Clとをエーテル系溶媒中、混合し加熱することによって製造することができる。
R’がジアルキルアミノ基の場合は、例えば、J.Org.Chem.2010,75,7942.に記載の方法が挙げられる。具体的には、ハロゲン化ジアミノジヒドロキノンと(MeO)Cと酢酸などの有機酸をクロロホルムなどのハロゲン化炭化水素中、混合し加熱することによって製造することができる。
前記式(2−b)で表される化合物は、例えば、前記式(2−a)で表される化合物と、X’で表される1価の複素環がトリアルキルスズ基と結合した化合物と、を上記のstillカップリング反応を行うことにより製造することができる。あるいは前記式(2−a)で表される化合物と、X’で表される1価の複素環が、ホウ酸残基(−B(OH))またはホウ酸エステル基と結合した化合物と、を上記のSuzukiカップリング反応させることにより製造することができる。
<有機半導体材料>
有機半導体材料は、本発明の高分子化合物の1種類を単独で含むものであってもよく、また2種類以上を含むものであってもよい。また、有機半導体材料は、キャリア輸送性を高めるため、本発明の高分子化合物に加え、キャリア輸送性を有する低分子化合物または高分子化合物を更に含んでいてもよい。有機半導体材料が、本発明の高分子化合物以外の成分を含む場合は、本発明の高分子化合物を30重量%以上含むことが好ましく、50重量%以上含むことがより好ましい。
キャリア輸送性を有する化合物としては、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、オキサジアゾール誘導体、フラーレン類およびその誘導体等の低分子化合物、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体、ポリフルオレンおよびその誘導体などが挙げられる。
有機半導体材料は、その特性を向上させるために、高分子化合物材料を高分子バインダーとして含有していてもよい。高分子バインダーとしては、キャリア輸送性を過度に低下させないものが好ましい。
高分子バインダーの例としては、ポリ(N−ビニルカルバゾール)、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリ(p−フェニレンビニレン)およびその誘導体、ポリ(2,5−チエニレンビニレン)およびその誘導体、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリシロキサンが挙げられる。
<有機半導体素子>
本発明の高分子化合物は、高いキャリア移動度を有することから、該化合物を含む有機薄膜を有機半導体素子に用いた場合、電極から注入された電子やホール、或いは、光吸収によって発生した電荷を輸送することができる。これらの特性を活かして、本発明の高分子化合物は、光電変換素子、有機トランジスタ、有機エレクトロルミネッセンス素子等の種々の有機半導体素子に好適に用いることができる。以下、これらの素子について個々に説明する。
(光電変換素子)
本発明の高分子化合物を含む光電変換素子は、少なくとも一方が透明または半透明である一対の電極間に、本発明の高分子化合物を含む1層以上の活性層を有する。
本発明の高分子化合物を含む光電変換素子の好ましい形態としては、少なくとも一方が透明または半透明である一対の電極と、p型の有機半導体とn型の有機半導体との組成物から形成される活性層を有する。本発明の高分子化合物は、p型の有機半導体として用いることが好ましい。この形態の光電変換素子の動作機構を説明する。透明または半透明の電極から入射した光エネルギーがフラーレン誘導体等の電子受容性化合物(n型の有機半導体)および/または本発明の高分子化合物等の電子供与性化合物(p型の有機半導体)で吸収され、電子とホールが結合した励起子を生成する。生成した励起子が移動して、電子受容性化合物と電子供与性化合物が隣接しているヘテロ接合界面に達すると、界面でのそれぞれのHOMOエネルギーおよびLUMOエネルギーの違いにより電子とホールが分離し、独立に動くことができる電荷(電子とホール)が発生する。発生した電荷は、それぞれ電極へ移動することにより外部へ電気エネルギー(電流)として取り出すことができる。
本発明の高分子化合物を用いて製造される光電変換素子は、通常、基板上に形成される。この基板は、電極を形成し、有機物の層を形成する際に化学的に変化しないものであればよい。基板の材料としては、例えば、ガラス、プラスチック、高分子フィルム、シリコンが挙げられる。不透明な基板の場合には、反対の電極(即ち、基板から遠い方の電極)が透明または半透明であることが好ましい。
本発明の高分子化合物を有する光電変換素子の他の態様は、少なくとも一方が透明または半透明である一対の電極間に、本発明の高分子化合物を含む第1の活性層と、該第1の活性層に隣接して、フラーレン誘導体等の電子受容性化合物を含む第2の活性層を含む光電変換素子である。
前記の透明または半透明の電極材料としては、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等が挙げられる。具体的には、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、およびそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド(以下、「ITO」ということがある。)、インジウム・亜鉛・オキサイド等からなる導電性材料を用いて作製された膜、NESAや、金、白金、銀、銅等が用いられ、ITO、インジウム・亜鉛・オキサイド、酸化スズが好ましい。電極の作製方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、メッキ法等が挙げられる。また、電極材料として、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体等の有機の透明導電膜を用いてもよい。
一方の電極は透明でなくてもよく、該電極の電極材料としては、金属、導電性高分子等を用いることができる。電極材料の具体例としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、スカンジウム、バナジウム、亜鉛、イットリウム、インジウム、セリウム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、イッテルビウム等の金属、およびそれらのうち2つ以上の合金、または、1種以上の前記金属と、金、銀、白金、銅、マンガン、チタン、コバルト、ニッケル、タングステンおよび錫からなる群から選ばれる1種以上の金属との合金、グラファイト、グラファイト層間化合物、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体が挙げられる。合金としては、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、インジウム−銀合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−マグネシウム合金、リチウム−インジウム合金、カルシウム−アルミニウム合金等が挙げられる。
光電変換効率を向上させるための手段として活性層以外の付加的な中間層を使用してもよい。中間層として用いられる材料としては、フッ化リチウム等のアルカリ金属、アルカリ土類金属のハロゲン化物、酸化チタン等の酸化物、PEDOT(ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン)などが挙げられる。
前記活性層は、本発明の高分子化合物を一種単独で含んでいても二種以上を組み合わせて含んでいてもよい。また、前記活性層のホール輸送性を高めるため、前記活性層中に電子供与性化合物および/または電子受容性化合物として、本発明の高分子化合物以外の化合物を混合して用いることもできる。なお、前記電子供与性化合物、前記電子受容性化合物は、これらの化合物のエネルギー準位から相対的に決定される。
前記電子供与性化合物としては、本発明の高分子化合物のほか、例えば、ピラゾリン誘導体、アリールアミン誘導体、スチルベン誘導体、トリフェニルジアミン誘導体、オリゴチオフェンおよびその誘導体、ポリビニルカルバゾールおよびその誘導体、ポリシランおよびその誘導体、側鎖または主鎖に芳香族アミン残基を有するポリシロキサン誘導体、ポリアニリンおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリピロールおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体、ポリチエニレンビニレンおよびその誘導体が挙げられる。
前記電子受容性化合物としては、本発明の高分子化合物のほか、例えば、炭素材料、酸化チタン等の金属酸化物、オキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタンおよびその誘導体、ベンゾキノンおよびその誘導体、ナフトキノンおよびその誘導体、アントラキノンおよびその誘導体、テトラシアノアントラキノジメタンおよびその誘導体、フルオレノン誘導体、ジフェニルジシアノエチレンおよびその誘導体、ジフェノキノン誘導体、8−ヒドロキシキノリンおよびその誘導体の金属錯体、ポリキノリンおよびその誘導体、ポリキノキサリンおよびその誘導体、ポリフルオレンおよびその誘導体、2、9−ジメチル−4、7−ジフェニル−1、10−フェナントロリン(バソクプロイン)等のフェナントレン誘導体、フラーレン、フラーレン誘導体が挙げられ、好ましくは、酸化チタン、カーボンナノチューブ、フラーレン、フラーレン誘導体であり、特に好ましくはフラーレン、フラーレン誘導体である。
フラーレン、フラーレン誘導体としてはC60、C70、C76、C78、C84およびその誘導体が挙げられる。フラーレンの誘導体の具体的構造としては、以下のようなものが挙げられる。
Figure 0005999172
Figure 0005999172
また、フラーレン誘導体の例としては、[6,6]フェニル−C61酪酸メチルエステル(C60PCBM、[6,6]−Phenyl C61 butyric acid methyl ester)、[6,6]フェニル−C70酪酸メチルエステル(C70PCBM、[6,6]−Phenyl C70 butyric acid methyl ester)、[6,6]フェニル−C84酪酸メチルエステル(C84PCBM、[6,6]−Phenyl C84 butyric acid methyl ester)、[6,6]チェニル−C60酪酸メチルエステル([6,6]−Thienyl C60 butyric acid methyl ester)などが挙げられる。
活性層中に本発明の高分子化合物とフラーレン誘導体とを含む場合、フラーレン誘導体の割合が、本発明の高分子化合物100重量部に対して、10〜1000重量部であることが好ましく、20〜500重量部であることがより好ましい。
活性層の厚さは、通常、1nm〜100μmが好ましく、より好ましくは2nm〜1000nmであり、さらに好ましくは5nm〜500nmであり、より好ましくは20nm〜200nmである。
前記活性層の製造方法は、如何なる方法で製造してもよく、例えば、本発明の高分子化合物を含む溶液からの成膜や、真空蒸着法による成膜方法が挙げられる。
光電変換素子の好ましい製造方法は、第1の電極と第2の電極とを有し、該第1の電極と該第2の電極との間に活性層を有する光電変換素子の製造方法であって、該第1の電極上に本発明の高分子化合物と溶媒とを含む溶液(インク)を塗布法により塗布して活性層を形成する工程、該活性層上に第2の電極を形成する工程を有する素子の製造方法である。
溶液からの成膜に用いる溶媒は、本発明の高分子化合物を溶解させるものであればよい。該溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、デカリン、ビシクロヘキシル、n−ブチルベンゼン、sec−ブチルベンゼン、tert−ブチルベンゼン等の不飽和炭化水素系溶媒、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロブタン、ブロモブタン、クロロペンタン、ブロモペンタン、クロロヘキサン、ブロモヘキサン、クロロシクロヘキサン、ブロモシクロヘキサン等のハロゲン化飽和炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン等のハロゲン化不飽和炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等のエーテル系溶媒が挙げられる。本発明の高分子化合物は、通常、前記溶媒に0.1重量%以上溶解させることができる。
溶液を用いて成膜する場合、スリットコート法、ナイフコート法、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイヤーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェット印刷法、ディスペンサー印刷法、ノズルコート法、キャピラリーコート法等の塗布法を用いることができ、スリットコート法、キャピラリーコート法、グラビアコート法、マイクログラビアコート法、バーコート法、ナイフコート法、ノズルコート法、インクジェット印刷法、スピンコート法が好ましい。
成膜性の観点からは、25℃における溶媒の表面張力が15mN/mより大きいことが好ましく、15mN/mより大きく100mN/mよりも小さいことがより好ましく、25mN/mより大きく60mN/mよりも小さいことがさらに好ましい。
(有機薄膜太陽電池)
本発明の高分子化合物を用いた光電変換素子は、透明または半透明の電極から太陽光等の光を照射することにより、電極間に光起電力が発生し、有機薄膜太陽電池として動作させることができる。有機薄膜太陽電池を複数集積することにより有機薄膜太陽電池モジュールとして用いることもできる。
また、電極間に電圧を印加した状態、あるいは無印加の状態で、透明または半透明の電極から光を照射することにより、光電流が流れ、有機光センサーとして動作させることができる。有機光センサーを複数集積することにより有機イメージセンサーとして用いることもできる。
有機薄膜太陽電池は、従来の太陽電池モジュールと基本的には同様のモジュール構造をとりうる。太陽電池モジュールは、一般的には金属、セラミック等の支持基板の上にセルが構成され、その上を充填樹脂や保護ガラス等で覆い、支持基板の反対側から光を取り込む構造をとるが、支持基板に強化ガラス等の透明材料を用い、その上にセルを構成してその透明の支持基板側から光を取り込む構造とすることも可能である。具体的には、スーパーストレートタイプ、サブストレートタイプ、ポッティングタイプと呼ばれるモジュール構造、アモルファスシリコン太陽電池などで用いられる基板一体型モジュール構造等が知られている。本発明の高分子化合物を用いて製造される有機薄膜太陽電池も使用目的や使用場所および環境により、適宜これらのモジュール構造を選択できる。
代表的なスーパーストレートタイプあるいはサブストレートタイプのモジュールは、片側または両側が透明で反射防止処理を施された支持基板の間に一定間隔にセルが配置され、隣り合うセル同士が金属リードまたはフレキシブル配線等によって接続され、外縁部に集電電極が配置されており、発生した電力を外部に取り出される構造となっている。基板とセルの間には、セルの保護や集電効率向上のため、目的に応じエチレンビニルアセテート(EVA)等様々な種類のプラスチック材料をフィルムまたは充填樹脂の形で用いてもよい。また、外部からの衝撃が少ないところなど表面を硬い素材で覆う必要のない場所において使用する場合には、表面保護層を透明プラスチックフィルムで構成し、または上記充填樹脂を硬化させることによって保護機能を付与し、片側の支持基板をなくすことが可能である。支持基板の周囲は、内部の密封およびモジュールの剛性を確保するため金属製のフレームでサンドイッチ状に固定し、支持基板とフレームの間は封止材料で密封シールする。また、セルそのものや支持基板、充填材料および封止材料に可撓性の素材を用いれば、曲面の上に太陽電池を構成することもできる。
ポリマーフィルム等のフレキシブル支持体を用いた太陽電池の場合、ロール状の支持体を送り出しながら順次セルを形成し、所望のサイズに切断した後、周縁部をフレキシブルで防湿性のある素材でシールすることにより電池本体を作製できる。また、Solar Energy Materials and Solar Cells,48,p383−391記載の「SCAF」とよばれるモジュール構造とすることもできる。更に、フレキシブル支持体を用いた太陽電池は曲面ガラス等に接着固定して使用することもできる。
(有機エレクトロルミネッセンス素子)
本発明の高分子化合物は、有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、「有機EL素子」ということがある。)に用いることもできる。有機EL素子は、少なくとも一方が透明または半透明である一対の電極間に発光層を有する。有機EL素子は、発光層の他にも、正孔輸送層、電子輸送層を含んでいてもよい。該発光層、正孔輸送層、電子輸送層のいずれかの層中に本発明の高分子化合物が含まれる。発光層中には、本発明の高分子化合物の他にも、電荷輸送材料(電子輸送材料と正孔輸送材料の総称を意味する)を含んでいてもよい。有機EL素子としては、陽極と発光層と陰極とを有する素子、さらに陰極と発光層の間に、該発光層に隣接して電子輸送材料を含有する電子輸送層を有する、陽極と発光層と電子輸送層と陰極とを有する素子、さらに陽極と発光層の間に、該発光層に隣接して正孔輸送材料を含む正孔輸送層を有する、陽極と正孔輸送層と発光層と陰極とを有する素子、陽極と正孔輸送層と発光層と電子輸送層と陰極とを有する素子等が挙げられる。
(有機トランジスタ)
有機トランジスタとしては、ソース電極およびドレイン電極と、これらの電極間の電流経路となり、本発明の高分子化合物を含む活性層と、該電流経路を通る電流量を制御するゲート電極とを備えた構成を有するものが挙げられる。このような構成を有する有機トランジスタとしては、電界効果型有機トランジスタ、静電誘導型有機トランジスタ等が挙げられる。
電界効果型有機トランジスタは、通常、ソース電極およびドレイン電極と、これらの電極間の電流経路となり、本発明の高分子化合物を含む活性層と、該電流経路を通る電流量を制御するゲート電極と、活性層とゲート電極との間に配置される絶縁層とを有する有機トランジスタである。特に、ソース電極およびドレイン電極が、活性層に接して設けられており、さらに活性層に接した絶縁層を挟んでゲート電極が設けられている有機トランジスタが好ましい。
静電誘導型有機トランジスタは、通常、ソース電極およびドレイン電極と、これらの電極間の電流経路となり、本発明の高分子化合物を含む活性層と、該電流経路を通る電流量を制御するゲート電極とを有し、該ゲート電極が活性層中に設けられている有機トランジスタである。特に、ソース電極、ドレイン電極および前記ゲート電極が、前記活性層に接して設けられている有機トランジスタが好ましい。
ゲート電極は、ソース電極からドレイン電極へ流れる電流経路が形成でき、かつ、ゲート電極に印加した電圧で該電流経路を流れる電流量が制御できる構造であればよく、例えば、くし型電極である。
図1は、本発明の有機トランジスタ(電界効果型有機トランジスタ)の一例を示す模式断面図である。図1に示す有機トランジスタ100は、基板1と、基板1上に所定の間隔を持って形成されたソース電極5およびドレイン電極6と、ソース電極5およびドレイン電極6を覆うようにして基板1上に形成された活性層2と、活性層2上に形成された絶縁層3と、ソース電極5とドレイン電極6との間の領域上の絶縁層3を覆うように絶縁層3上に形成されたゲート電極4とを備えるものである。
図2は、本発明の有機トランジスタ(電界効果型有機トランジスタ)の他の例を示す模式断面図である。図2に示す有機トランジスタ110は、基板1と基板1上に形成されたソース電極5と、ソース電極5を覆うようにして基板1上に形成された活性層2と、ソース電極5と所定の間隔を持って活性層2上に形成されたドレイン電極6と、活性層2およびドレイン電極6上に形成された絶縁層3と、ソース電極5とドレイン電極6との間の領域上の絶縁層3を覆うように絶縁層3上に形成されたゲート電極4とを備えるものである。
図3は、本発明の有機トランジスタ(電界効果型有機トランジスタ)の他の例を示す模式断面図である。図3に示す有機トランジスタ120は、基板1と基板1上に形成されたゲート電極4と、ゲート電極4を覆うようにして基板1上に形成された絶縁層3と、ゲート電極4が下部に形成されている絶縁層3の領域の一部を覆うように、絶縁層3上に所定の間隔を持って形成されたソース電極5およびドレイン電極6と、ソース電極5およびドレイン電極6の一部を覆うように絶縁層3上に形成された活性層2とを備えるものである。
図4は、本発明の有機トランジスタ(電界効果型有機トランジスタ)の他の例を示す模式断面図である。図4に示す有機トランジスタ130は、基板1と、基板1上に形成されたゲート電極4と、ゲート電極4を覆うようにして基板1上に形成された絶縁層3と、ゲート電極4が下部に形成されている絶縁層3の領域の一部を覆うように絶縁層3上に形成されたソース電極5と、ソース電極5の一部を覆うようにして絶縁層3上に形成された活性層2と、活性層2の一部を覆うように、ソース電極5と所定の間隔を持って絶縁層3上に形成されたドレイン電極6とを備えるものである。
図5は、本発明の有機トランジスタ(静電誘導型有機トランジスタ)の他の例を示す模式断面図である。図5に示す有機トランジスタ140は、基板1と、基板1上に形成されたソース電極5と、ソース電極5上に形成された活性層2と、活性層2上に所定の間隔を持って複数形成されたゲート電極4と、ゲート電極4の全てを覆うようにして活性層2上に形成された活性層2a(活性層2aを構成する材料は、活性層2と同一であっても異なっていてもよい)と、活性層2a上に形成されたドレイン電極6とを備えるものである。
図6は、本発明の有機トランジスタ(電界効果型有機トランジスタ)の他の例を示す模式断面図である。図6に示す有機トランジスタ150は、基板1と、基板1上に形成された活性層2と、活性層2上に所定の間隔を持って形成されたソース電極5およびドレイン電極6と、ソース電極5およびドレイン電極6の一部を覆うようにして活性層2上に形成された絶縁層3と、ソース電極5が下部に形成されている絶縁層3の領域とドレイン電極6が下部に形成されている絶縁層3の領域とをそれぞれ一部覆うように、絶縁層3上に形成されたゲート電極4とを備えるものである。
図7は、本発明の有機トランジスタ(電界効果型有機トランジスタ)の他の例を示す模式断面図である。図7に示す有機トランジスタ160は、基板1と、基板1上に形成されたゲート電極4と、ゲート電極4を覆うようにして基板1上に形成された絶縁層3と、ゲート電極4が下部に形成されている絶縁層3の領域を覆うように形成された活性層2と、活性層2の一部を覆うように活性層2上に形成されたソース電極5と、活性層2の一部を覆うように、ソース電極5と所定の間隔を持って活性層2上に形成されたドレイン電極6とを備えるものである。
図8は、本発明の有機トランジスタ(電界効果型有機トランジスタ)の他の例を示す模式断面図である。図8に示す有機トランジスタ170は、ゲート電極4と、ゲート電極4上に形成された絶縁層3と、絶縁層3上に形成された活性層2と、活性層2上に所定の間隔を持って形成されたソース電極5およびドレイン電極6と、を備えるものである。この場合、ゲート電極4は基板1を兼ねる構成となっている。
図9は、本発明の有機トランジスタ(電界効果型有機トランジスタ)の他の例を示す模式断面図である。図9に示す有機トランジスタ180は、ゲート電極4と、ゲート電極4上に形成された絶縁層3と、絶縁層3上に所定の間隔を持って形成されたソース電極5およびドレイン電極6と、ソース電極5およびドレイン電極6の一部を覆うように絶縁層3上に形成された活性層2とを備えるものである。
上述した本発明の有機トランジスタにおいては、活性層2および/または活性層2aは、本発明の高分子化合物を含有する膜によって構成され、ソース電極5とドレイン電極6との間の電流通路(チャネル)となる。また、ゲート電極4は、電圧を印加することにより電流通路(チャネル)を通る電流量を制御する。
このような電界効果型有機トランジスタは、公知の方法、例えば特開平5−110069号公報記載の方法により製造することができる。また、静電誘導型有機トランジスタは、特開2004−006476号に公報記載の方法等の公知の方法により製造することができる。
基板1の材料は、有機トランジスタの特性を阻害しない材料であればよい。基板としては、ガラス基板、フレキシブルなフィルム基板、プラスチック基板を用いることができる。
絶縁層3の材料は、電気の絶縁性が高い材料であればよく、SiO、SiN、Ta、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、有機ガラス、フォトレジスト等を用いることができるが、低電圧化の観点からは、誘電率の高い材料を用いることが好ましい。
絶縁層3の上に活性層2を形成する場合は、絶縁層3と活性層2の界面特性を改善するため、シランカップリング剤等の表面処理剤で絶縁層3の表面を処理して表面改質した後に活性層2を形成することも可能である。
電界効果型トランジスタの場合、電子やホール等の電荷は、一般に絶縁層と活性層の界面付近を通過する。従って、この界面の状態がトランジスタの移動度に大きな影響を与える。そこで、界面状態を改良して特性を向上させる方法として、シランカップリング剤による界面の制御が提案されている(例えば、表面化学、2007年、第28巻、第5号、p.242−248)。
シランカップリング剤の例としては、アルキルクロロシラン類(オクチルトリクロロシラン(OTS)、オクタデシルトリクロロシラン(ODTS)、フェニルエチルトリクロロシラン等)、アルキルアルコキシシラン類、フッ素化アルキルクロロシラン類、フッ素化アルキルアルコキシシラン類、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)等のシリルアミン化合物が挙げられる。また、表面処理剤で処理する前に、絶縁層表面をオゾンUV処理、Oプラズマ処理してもよい。
このような処理によって、絶縁層として用いられるシリコン酸化膜等の表面エネルギーを制御することができる。また、表面処理により、活性層を構成している膜の絶縁層上での配向性が向上し、より高いキャリア移動度が得られる。
ゲート電極4には、金、白金、銀、銅、クロム、パラジウム、アルミニウム、インジウム、モリブデン、低抵抗ポリシリコン、低抵抗アモルファスシリコン等の金属や、錫酸化物、酸化インジウム、インジウム・錫酸化物(ITO)等の材料を用いることができる。
これらの材料は、1種を単独で用いても2種以上を併用してもよい。なお、ゲート電極4としては、高濃度にドープされたシリコン基板を用いることも可能である。高濃度にドープされたシリコン基板は、ゲート電極としての性能とともに、基板としての性能も併有する。このような基板としての性能も有するゲート電極4を用いる場合には、基板1とゲート電極4とが接している有機トランジスタにおいて、基板1を省略してもよい。
ソース電極5およびドレイン電極6は、低抵抗の材料から構成されることが好ましく、金、白金、銀、銅、クロム、パラジウム、アルミニウム、インジウム、モリブデン等から構成されることが特に好ましい。これらの材料は1種単独で用いても2種以上を併用してもよい。
前記有機トランジスタにおいて、ソース電極5およびドレイン電極6と、活性層2との間には、更に他の化合物から構成された層が介在していてもよい。このような層としては、電子輸送性を有する低分子化合物、ホール輸送性を有する低分子化合物、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、これらの金属と有機化合物との錯体、ヨウ素、臭素、塩素、塩化ヨウ素等のハロゲン、硫酸、無水硫酸、二酸化硫黄、硫酸塩等の酸化硫黄化合物、硝酸、二酸化窒素、硝酸塩等の酸化窒素化合物、過塩素酸、次亜塩素酸等のハロゲン化化合物、アルキルチオール化合物、芳香族チオール類、フッ素化アルキル芳香族チオール類等の芳香族チオール化合物等からなる層が挙げられる。
また、上述したような有機トランジスタを作製した後には、素子を保護するため、有機トランジスタ上に保護膜を形成することが好ましい。これにより、有機トランジスタが大気から遮断され、有機トランジスタの特性の低下を抑制することができる。また、有機トランジスタの上に駆動する表示デバイスを形成する場合、その形成工程における有機トランジスタへの影響も該保護膜により低減することができる。
保護膜を形成する方法としては、有機トランジスタを、UV硬化樹脂、熱硬化樹脂や無機のSiON膜等で覆う方法等が挙げられる。大気との遮断を効果的に行うため、有機トランジスタを作製後、有機トランジスタを大気にさらすことなく(例えば、乾燥した窒素雰囲気中、真空中等で)保護膜を形成することが好ましい。
このように構成された有機トランジスタの一種である電界効果型トランジスタは、アクティブマトリックス駆動方式の液晶ディスプレイや有機エレクトロルミネッセンスディスプレイの画素駆動スイッチング素子等として適用できる。そして、上述した本実施形態の電界効果型トランジスタは、活性層として、本発明の高分子化合物を含有し、そのことによりキャリア移動度に優れた活性層とを備えているため、その電界効果移動度が高いものとなる。したがって、十分な応答速度を持つディスプレイの製造等に有用である。
以下、本発明をさらに詳細に説明するために実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(質量分析)
質量分析は、AccuTOF TLC JMS−T100TD(日本電子製)を用いて行った。
(NMR分析)
NMR測定は、化合物を重クロロホルムまたは重ジメチルスルホキシドに溶解させ、NMR装置(Varian社製、INOVA300)を用いて行った。
(分子量分析)
高分子化合物の数平均分子量および重量平均分子量は、ゲル透過クロマトグラフィ(GPC、Waters社製、商品名:Alliance GPC 2000)を用いて求めた。測定する高分子化合物は、オルトジクロロベンゼンに溶解させ、GPCに注入した。
GPCの移動相にはオルトジクロロベンゼンを用いた。カラムは、TSKgel GMHHR−H(S)HT(2本連結、東ソー製)を用いた。検出器にはUV検出器を用いた。
合成例1
(化合物2の合成)
Figure 0005999172
300mL三口フラスコに、化合物1(18.8g、44mmol)とメチルオキシエチルアセテート(88mL)を加え、60℃に加熱した。その後、25wt%アンモニア水溶液(22mL)を加えて、80℃で激しく2時間攪拌した。その後、室温まで冷却したのち、水(200mL)を加え、析出した固体を濾取し、水(100mL)およびアセトン(100mL)で洗浄し、真空下で乾燥することで、化合物2(13.06g)を赤褐色固体として得た。収率は99%であった。
H−NMR(300MHz、DMSO):δ(ppm)=8.06(brs,2H),7.88(brs,2H).
TLC−MS 294.86(M+).
合成例2
(化合物3の合成)
Figure 0005999172
1L三口フラスコに、水(414ml)を加え、アルゴンガスバブリングによって30分間脱気した。化合物2(13.06g)加えた後、亜ニチオン酸ナトリウム(37.5g、0.215mmol)を加え、室温で10分間攪拌した。その後、得られた固体を濾取し、アルゴンガスバブリングによって30分間脱気した水、および、アルゴンガスバブリングによって30分間脱気したメタノールで洗浄し、真空下で乾燥させることで化合物3(11.3g)を淡褐色固体として得た。収率は70%であった。
合成例3
(化合物5の合成)
Figure 0005999172
100mLフラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後に、化合物4(10g、39mmol)および塩化チオニル(39mL)を加え、60℃で2時間撹拌し、続いて80℃で2時間攪拌した。その後、塩化チオニルを常圧で留去することで、化合物5(10.9g)を得た。収率は100%であった。
合成例4
(化合物6の合成)
Figure 0005999172
200mL三口フラスコに、乾燥THF(120ml)およびモレキュラーシーブ3A(4.0g)を加え、アルゴンガスバブリングによって30分間脱気した。その後、化合物5(4g、13.4mmol)および化合物4(9.2g、33.6mmol)を加え、室温で5時間攪拌した。その後、濾過によりモレキュラシーブ3Aを取り除いた。続いて、減圧下で溶媒を留去し、得られた固体を濾取した。その固体を水で洗浄し、真空下で乾燥させることで、化合物6(10.4g)を得た。収率は100%であった。
合成例5
(化合物7の合成)
Figure 0005999172
100mLフラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後に、五酸化二リン(15g)、乾燥エーテル(30mL)および乾燥クロロホルム(30mL)を加えて、60℃で8時間加熱した。その後、室温まで冷却し、不溶成分を濾過で取り除いた。得られた溶液を、減圧下で溶媒を留去することでポリリン酸エステルを得た。
その後、200mLフラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後に、上記ポリリン酸エステルおよび化合物6(10.4g、13.4mmol)を加え、100℃で4時間攪拌した。その後、水(100mL)を加え、クロロホルムで2回抽出した。得られた有機層を飽和炭酸水素ナトリウム水溶液で1回、飽和食塩水で1回洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下で溶媒を留去した。得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィによって精製することで、化合物7(8.86g)を得た。収率は89%であった。
H−NMR(300MHz,CDCl):δ(ppm)=0.84(m,12H),1.26(m,38H),1.85(m,8H),3.15(m,2H).
合成例6
(化合物8の合成)
Figure 0005999172
還流管を取り付けた100mLフラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物7(3.0g、4.06mmol)、トリブチルチエニルスズ(3.33g、8.93mmol)および乾燥トルエン(40mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気した。その後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(74mg、0.08mmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(99mg、0.32mol)を加え、100℃度で4時間攪拌した。その後、反応溶液を飽和食塩水で洗浄した。その後、分液した有機層を無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下で溶媒を留去した。得られた残渣をアセトンで再結晶することで、化合物8(1.40g)を得た。収率は46%であった。
H−NMR(300MHz,CDCl):δ(ppm)=0.84(m,12H),1.26(m,38H),1.85(m,8H),3.15(m,2H),7.24(dd,2H),7.51(d,2H),8.40(d,2H).
合成例7
(化合物9の合成)
Figure 0005999172
100mLフラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物8(1.40g、1.87mmol)およびクロロホルム(50mL)を加えた。N−ブロモ琥珀酸イミド(0.73g、4.12mmol)を加え、室温で2時間攪拌した。その後、飽和チオ硫酸ナトリウム水溶液(3mL)を加えて反応を停止させ、反応溶液を飽和食塩水で洗浄した。その後、分液した有機層を無水硫酸マグネシウムで乾燥後、減圧下で溶媒を留去した。得られた残渣を、シリカゲルカラムクロマトグラフィ(ヘキサン)によって精製し、アセトンで再結晶することで、化合物9(8.86g)を得た。収率は94%であった。
H−NMR(300MHz,CDCl):δ(ppm)=0.84(m,12H),1.26(m,38H),1.85(m,8H),3.15(m,2H),7.19(d,2H),8.09(d,2H).
実施例1
(高分子化合物Aの合成)
Figure 0005999172
還流管を取り付けた100mL三口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物9(162.5mg、0.18mmol)、化合物10(98.4mg、0.20mmol)および乾燥トルエン(20mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気した。トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(3.66mg、4μmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(4.87mg、16μmol)を加え、100℃で3時間攪拌した。その後、得られた混合溶液に、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気したフェニルブロマイド(94.2mg、0.60mmol)のo‐ジクロロベンゼン溶液(8.3mL)を加え、100℃で1時間攪拌し、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(1g)と水(9g)を加え、100℃で3時間攪拌した。得られた反応溶液を静置し、分液した有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。その後、分液した有機層をアセトン(100mL)に滴下し、析出物を得た.得られた析出物を、o−ジクロロベンゼンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製し、得られたo−ジクロロベンゼン溶液をメタノールに注ぎ、固体を析出させ、該固体を濾過した。その後、ソックスレー抽出器を用いて、得られた固体をアセトンで3時間洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Aを69mg得た。収率は78%であった。高分子化合物Aのポリスチレン換算の数平均分子量は1.7×10であり、ポリスチレン換算の重量平均分子量は5.8×10であった。
実施例2
(高分子化合物Bの合成)
Figure 0005999172
還流管を取り付けた100mL三口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物9(169.9mg、0.19mmol)、化合物11(106mg、0.20mmol)および乾燥トルエン(20mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気した。その後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(3.66mg、4μmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(4.87mg、16μmol)を加え、100℃で3時間攪拌した.その後、得られた混合溶液に、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気したフェニルブロマイド(94.2mg、0.60mmol)のo‐ジクロロベンゼン溶液(8.3mL)を加え、100℃で1時間攪拌し、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(1g)と水(9g)を加え、100℃で3時間攪拌した。得られた反応溶液を静置し、分液した有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。その後、分液した有機層をアセトン(100mL)に滴下し、析出物を得た。得られた析出物を、o−ジクロロベンゼンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製し、その後、得られたo−ジクロロベンゼン溶液をメタノールに注ぎ、固体を析出させ、該固体を濾過した。その後、ソックスレー抽出器を用いて、得られた固体を、アセトンで3時間洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Bを109.7mg得た。収率は65%であった。高分子化合物Bのポリスチレン換算の数平均分子量は1.7×10であり、ポリスチレン換算の重量平均分子量は5.8×10であった.
実施例3
(高分子化合物Cの合成)
Figure 0005999172
100mL四口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物9(135.4mg、0.15mmol)および乾燥THF(3.8mL)を加え、30分間アルゴンバブリングによって脱気した。Pd(dba)(6.87mg、0.75mmol)、トリ−tert−ブチルホスホニウムテトラフルオロボラート(8.7mg、3mmol)および3Mリン酸カリウム水溶液(0.75mL)を加え、80℃に加熱した。その後、30分間アルゴンガスバブリングによって脱気した化合物11(58.8mg、0.15mmol)の乾燥THF(3.8mL)溶液を、80℃にて5分間かけて滴下した後、80℃で3時間加熱した。続いて、30分間アルゴンガスバブリングによって脱気したフェニルボロン酸(15mg、0.12mmol)の乾燥THF(7mL)溶液、Pd(dba)(6.87mg、0.75mmol)およびトリ−tert−ブチルホスホニウムテトラフルオロボラート(8.7mg、3mmol)を加え、80℃で2時間攪拌した。、その後、ジエチルジチオカルバミン酸ナトリウム(1.3g)および水(11g)を加え、80℃で2時間保温した。得られた有機層を水(15g)で1、10wt%酢酸水溶液(15g)で2回)、水(15g)で1回洗浄した後、アセトン(114mL)で再沈殿させた。得られた固体をカラムクロマトグラフィ(SiO)で精製し、再度メタノールで再沈殿することで高分子化合物Cを48mg得た。収率は35%であった。高分子化合物Cはポリスチレン換算の数平均分子量は1.1×10であり、ポリスチレン換算の重量平均分子量は3.0×10であった。
実施例4
(有機トランジスタ1の作製および評価)
高分子化合物Aを含む溶液を用いて、図3に示す構造を有する有機トランジスタ1を作製した。
ゲート電極となる高濃度にドーピングされたn−型シリコン基板の表面を熱酸化し、シリコン酸化膜(以下、「熱酸化膜」という。)を形成した。熱酸化膜は絶縁層として機能する。次に、フォトリソグラフィー工程により、熱酸化膜上にソース電極およびドレイン電極を作製した。該ソース電極および該ドレイン電極は、熱酸化膜側からクロム(Cr)層と金(Au)層とを有し、チャネル長が20μm、チャネル幅が2mmであった。こうして得られた熱酸化膜、ソース電極およびドレイン電極を形成した基板をアセトンで超音波洗浄を行い、オゾンUVクリーナーでUVオゾン処理を行なった。その後、β−フェネチルトリクロロシランで熱酸化膜の表面を修飾した。次に、上記表面処理した熱酸化膜、ソース電極およびドレイン電極上に、0.5重量%の高分子化合物Aのオルトジクロロベンゼン溶液を1000rpmの回転速度でスピンコートし、有機半導体層(活性層)を形成した。その後、窒素雰囲気下において、有機半導体層を140℃で30分間加熱し、有機トランジスタ1を製造した。なお、高分子化合物Aは、0.5重量%でオルトジクロロベンゼン溶媒に完全に溶解した。
得られた有機トランジスタ1のゲート電圧Vg、ソース・ドレイン間電圧Vsdを変化させ、トランジスタ特性を測定した。電界効果移動度は、7.9×10−2cm/Vsであった。
実施例5
(有機トランジスタ2の作製および評価)
高分子化合物Aに代えて高分子化合物Bを用いたこと以外は、実施例6と同様にして有機トランジスタ2を作製した。なお、高分子化合物Bは、0.5重量%でオルトジクロロベンゼン溶媒に完全に溶解した。
得られた有機トランジスタ2のゲート電圧Vg、ソース・ドレイン間電圧Vsdを変化させ、トランジスタ特性を測定した。電界効果移動度は、1.6×10−3cm/Vsであった。
実施例6
(有機トランジスタ3の作製および評価)
高分子化合物Aに代えて高分子化合物Cを用いたこと以外は、実施例6と同様にして有機トランジスタ3を作製した。なお、高分子化合物Cは、0.5重量%でオルトジクロロベンゼン溶媒に完全に溶解した。
得られた有機トランジスタ3のゲート電圧Vg、ソース・ドレイン間電圧Vsdを変化させ、トランジスタ特性を測定した。電界効果移動度は、1.6×10−1cm/Vsであった。
合成例8
(化合物13の合成)
Figure 0005999172
窒素雰囲気下,100mLフラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後に、化合物12(40g、0.128mol)および塩化チオニル(130mL)を加え、60℃で1時間撹拌し、続いて80℃で3時間攪拌した。その後、塩化チオニルを常圧で留去することで、化合物13(42.6g)を得た。収率は100%であった。
合成例9
(化合物14の合成)
Figure 0005999172
500mL三口フラスコに乾燥THF(270ml)、アルゴンバブリングによって30分間脱気した。化合物5(9g,30.2mmol)を加えた後、化合物13(20.8g,75.5mmol)を加え、室温で7時間攪拌した。減圧下で溶媒を留去し、水で洗浄し、真空下で乾燥させることで化合物14(27.1g)を得た。収率は100%であった。
合成例10
(化合物15の合成)
Figure 0005999172
窒素雰囲気下、2000mLフラスコに五酸化二リン(86g)、乾燥エーテル(500mL)と乾燥クロロホルム(500mL)を加えて60℃で6.5時間加熱した。室温まで冷却したのち、不溶成分を濾過で取り除いた。得られた溶液を、減圧下で溶媒を留去することでポリリン酸エステルを得た。窒素雰囲気下、得られたポリリン酸エステルに、化合物14(26.8g,30.2mmol)を加え、100℃で4時間攪拌した。反応終了後、水とトルエンを加え、ろ過器にセライトを積んでろ過し、トルエンでセライトを洗浄した。得られた濾液を食塩水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥後、溶媒を減圧下で留去した。得られた得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィによって精製することで化合物15(8.58g)を得た。収率は33%であった。
H−NMR(300MHz,CDCl):δ(ppm)=0.84(m,12H),1.26(m,56H),1.85(m,8H),3.15(m,2H)。
合成例11
(化合物16の合成)
Figure 0005999172
還流管を取り付けた200mLフラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物15(6.5g、7.6mmol)、トリブチルチエニルスズ(6.3g、16.8mmol)および乾燥トルエン(75mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気した。その後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(140mg、0.15mmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(186mg、0.61mol)を加え、100℃で8時間攪拌した。その後、反応溶液を飽和食塩水で洗浄した。その後、分液した有機層を無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下で溶媒を留去した。得られた残渣をアセトンで再結晶することで、化合物16(5.63g)を得た。収率は86%であった。
H−NMR(300MHz,CDCl):δ(ppm)=0.84(m,12H),1.26(m,56H),1.85(m,8H),3.15(m,2H),7.22(dd,2H),7.51(d,2H),8.40(d,2H).
合成例12
(化合物17の合成)
Figure 0005999172
300mLフラスコに化合物16(5.63g、6.56mmol)およびクロロホルム(65mL)を加えた。N−ブロモ琥珀酸イミド(2.57g、14.3mmol)を加え、室温で2.5時間攪拌した。その後、飽和チオ硫酸ナトリウム水溶液(3mL)を加えて反応を停止させ、反応溶液を飽和食塩水で洗浄した。その後、分液した有機層を無水硫酸マグネシウムで乾燥後、減圧下で溶媒を留去した。得られた残渣を、シリカゲルカラムクロマトグラフィによって精製し、ヘキサンとイソプロピルアルコール混合溶媒で再結晶することで、化合物17(6.10g)を得た。収率は92%であった。
H−NMR(300MHz,CDCl):δ(ppm)=0.84(m,12H),1.26(m,56H),1.85(m,8H),3.13(m,2H),7.19(d,2H),8.09(d,2H).
実施例7
(高分子化合物Dの合成)
Figure 0005999172
還流管を取り付けた100mL三口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物17(115.7mg、0.114mmol)、2,5−ビス(トリメチルスタニル)チエノ[3,2−b]チオフェン(55.9mg、0.12mmol)および乾燥トルエン(12mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気した。その後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(2.20mg、2.4μmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(2.92mg、9.6μmol)を加え、100℃で3時間攪拌した.その後、得られた混合溶液に、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気したフェニルブロマイド(188.4mg、1.2mmol)のo‐ジクロロベンゼン溶液(5mL)を加え、100℃で1時間攪拌し、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.6g)と水(5.4g)を加え、100℃で3時間攪拌した。得られた反応溶液を静置し、分液した有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。その後、分液した有機層をアセトン(80mL)に滴下し、析出物を得た。得られた析出物を、o−ジクロロベンゼンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製し、その後、得られたo−ジクロロベンゼン溶液をメタノールに注ぎ、固体を析出させ、該固体を濾過した。その後、ソックスレー抽出器を用いて、得られた固体を、アセトンで3時間洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Dを90mg得た。収率は75%であった。高分子化合物Dのポリスチレン換算の数平均分子量は5.1×10であり、ポリスチレン換算の重量平均分子量は1.1×10であった.
合成例13
(化合物19の合成)
Figure 0005999172
フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した反応容器に、化合物18(1.00g、2.82mmol)、脱水THF(56mL)を入れて均一な溶液とした。該溶液を−78℃に保ち、該溶液に1.65Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液(7.19mL、11.8mmol)を10分かけて滴下した。滴下後、−78℃で3時間攪拌した。その後、トリメチルスズクロリド(2.83g、11.9mmol)を加えた。添加後、−78℃で10分攪拌し、次いで、室温(25℃)で2時間攪拌した。その後、水100mlを加えて反応を停止し、トルエンで反応生成物を抽出した。トルエン溶液である有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過後、ろ液をエバポレーターで濃縮し、溶媒を留去した。得られたオイル状の物質を分取GPC(日本分析工業製JAIGEL−1H,2H)で精製し、化合物19(1.37g)を得た。収率は93%であった。
H−NMR(300MHz,CDCl):δ(ppm)=0.42(s,18H),7.26(s,2H).
実施例8
(高分子化合物Eの合成)
Figure 0005999172
還流管を取り付けた100mL三口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物17(92.1mg、0.102mmol)、化合物19(62.6mg、0.12mmol)および乾燥トルエン(12mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気した。その後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(2.20mg、2.4μmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(2.92mg、9.6μmol)を加え、100℃で3時間攪拌した.その後、得られた混合溶液に、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気したフェニルブロマイド(188.4mg、1.2mmol)のo‐ジクロロベンゼン溶液(5mL)を加え、100℃で1時間攪拌し、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.6g)と水(5.4g)を加え、100℃で3時間攪拌した。得られた反応溶液を静置し、分液した有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。その後、分液した有機層をアセトン(80mL)に滴下し、析出物を得た。得られた析出物を、o−ジクロロベンゼンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製し、その後、得られたo−ジクロロベンゼン溶液をメタノールに注ぎ、固体を析出させ、該固体を濾過した。その後、ソックスレー抽出器を用いて、得られた固体を、アセトンで3時間洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Eを69.3mg得た。高分子化合物Eのポリスチレン換算の数平均分子量は1.1×10であり、ポリスチレン換算の重量平均分子量は3.3×10であった。
合成例14
(化合物21の合成)
Figure 0005999172
フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した反応容器に、化合物20(1.00g、5.26mmol)、脱水THF(52mL)を入れて均一な溶液とした。該溶液を−78℃に保ち、該溶液に1.65Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液(7.01mL、11.6mmol)を10分かけて滴下した。滴下後、−78℃で10分攪拌し、次いで、室温(25℃)で1.5時間攪拌した。その後、該溶液を−78℃に保ち、トリメチルスズクロリド(2.61g、13.1mmol)を加えた。添加後、−78℃で10分攪拌し、次いで、室温(25℃)で2時間攪拌した。その後、水100mlを加えて反応を停止し、トルエンで反応生成物を抽出した。トルエン溶液である有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過後、ろ液をエバポレーターで濃縮し、溶媒を留去した。得られたオイル状の物質を分取GPC(日本分析工業製 JAIGEL−1H,2H)で精製し、クロロホルムとメタノールの混合溶媒で再結晶することで化合物21(2.1g)を得た。収率は78%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.42(s,18H),7.41(s,2H),8.27(s,2H)。
実施例9
(高分子化合物Fの合成)
Figure 0005999172
還流管を取り付けた100mL三口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物9(92.1mg、0.102mmol)、化合物21(72.7mg、0.12mmol)および乾燥トルエン(12mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気した。その後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(2.20mg、2.4μmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(2.92mg、9.6μmol)を加え、100℃で3時間攪拌した.その後、得られた混合溶液に、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気したフェニルブロマイド(188.4mg、1.2mmol)のo‐ジクロロベンゼン溶液(5mL)を加え、100℃で1時間攪拌し、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.6g)と水(5.4g)を加え、100℃で3時間攪拌した。得られた反応溶液を静置し、分液した有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。その後、分液した有機層をアセトン(80mL)に滴下し、析出物を得た。得られた析出物を、o−ジクロロベンゼンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製し、その後、得られたo−ジクロロベンゼン溶液をメタノールに注ぎ、固体を析出させ、該固体を濾過した。その後、ソックスレー抽出器を用いて、得られた固体を、アセトンで3時間洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Fを68.7mg得た。高分子化合物Fのポリスチレン換算の数平均分子量は4.5×10であり、ポリスチレン換算の重量平均分子量は1.0×10であった.
合成例15
(化合物23の合成)
Figure 0005999172
フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した反応容器に、化合物22(1.50g、7.8mmol)、脱水エーテル(156mL)を入れて均一な溶液とした。該溶液を室温(25℃)に保ち、該溶液に1.65Mのn−ブチルリチウムのヘキサン溶液(14.2mL、23.4mmol)を10分かけて滴下した。滴下後、40℃で1.5時間攪拌した。その後、室温(25℃)に保ち、トリメチルスズクロリド(4.66g、23.4mmol)を加えた。添加後、室温(25℃)で1時間攪拌した。その後、水100mlを加えて反応を停止し、トルエンで反応生成物を抽出した。トルエン溶液である有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過後、ろ液をエバポレーターで濃縮し、溶媒を留去した。得られたオイル状の物質を分取GPC(日本分析工業製JAIGEL−1H,2H)で精製し、クロロホルムとメタノールの混合溶媒で再結晶することで化合物23(3.5g)を得た。収率は87%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.42(s、18H)、7.07(d、2H)、7.09(s、2H)、7.11(d、2H)。
実施例10
(高分子化合物Gの合成)
Figure 0005999172
還流管を取り付けた100mL三口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物9(86.7mg、0.096mmol)、化合物23(62.1mg、0.120mmol)および乾燥トルエン(12mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気した。その後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(2.20mg、2.4μmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(2.92mg、9.6μmol)を加え、100℃で3時間攪拌した.その後、得られた混合溶液に、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気したフェニルブロマイド(188.4mg、1.2mmol)のo‐ジクロロベンゼン溶液(5mL)を加え、100℃で1時間攪拌し、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.6g)と水(5.4g)を加え、100℃で3時間攪拌した。得られた反応溶液を静置し、分液した有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。その後、分液した有機層をアセトン(80mL)に滴下し、析出物を得た。得られた析出物を、o−ジクロロベンゼンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製し、その後、得られたo−ジクロロベンゼン溶液をメタノールに注ぎ、固体を析出させ、該固体を濾過した。その後、ソックスレー抽出器を用いて、得られた固体を、アセトンで3時間洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Gを68.7mg得た。高分子化合物Gのポリスチレン換算の数平均分子量は1.0×10であり、ポリスチレン換算の重量平均分子量は2.6×10であった.
実施例11
(高分子化合物Hの合成)
Figure 0005999172
還流管を取り付けた100mL三口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物9(102.9mg、0.114mmol)、化合物24(72.7mg、0.120mmol)および乾燥トルエン(12mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気した。その後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(2.20mg、2.4μmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(2.92mg、9.6μmol)を加え、100℃で3時間攪拌した.その後、得られた混合溶液に、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気したフェニルブロマイド(188.4mg、1.2mmol)のo‐ジクロロベンゼン溶液(5mL)を加え、100℃で1時間攪拌し、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.6g)と水(5.4g)を加え、100℃で3時間攪拌した。得られた反応溶液を静置し、分液した有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。その後、分液した有機層をアセトン(80mL)に滴下し、析出物を得た。得られた析出物を、o−ジクロロベンゼンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製し、その後、得られたo−ジクロロベンゼン溶液をメタノールに注ぎ、固体を析出させ、該固体を濾過した。その後、ソックスレー抽出器を用いて、得られた固体を、アセトンで3時間洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Hを68.7mg得た。高分子化合物Hのポリスチレン換算の数平均分子量は3.9×10であり、ポリスチレン換算の重量平均分子量は8.8×10であった。
実施例12
(有機トランジスタ4の作製および評価)
高分子化合物Aに代えて高分子化合物Dを用いたこと以外は、実施例6と同様にして有機トランジスタ4を作製した。なお、高分子化合物Dは、0.5重量%でオルトジクロロベンゼン溶媒に完全に溶解した。
得られた有機トランジスタ4のゲート電圧Vg、ソース・ドレイン間電圧Vsdを変化させ、トランジスタ特性を測定した。電界効果移動度は、1.0×10−1cm/Vsであった。
実施例13
(有機トランジスタ5の作製および評価)
高分子化合物Aに代えて高分子化合物Eを用いたこと以外は、実施例6と同様にして有機トランジスタ5を作製した。なお、高分子化合物Eは、0.5重量%でオルトジクロロベンゼン溶媒に完全に溶解した。
得られた有機トランジスタ5のゲート電圧Vg、ソース・ドレイン間電圧Vsdを変化させ、トランジスタ特性を測定した。電界効果移動度は、4.3×10−2cm/Vsであった。
実施例14
(有機トランジスタ6の作製および評価)
高分子化合物Aに代えて高分子化合物Fを用いたこと以外は、実施例6と同様にして有機トランジスタ6を作製した。なお、高分子化合物Fは、0.5重量%でオルトジクロロベンゼン溶媒に完全に溶解した。
得られた有機トランジスタ6のゲート電圧Vg、ソース・ドレイン間電圧Vsdを変化させ、トランジスタ特性を測定した。電界効果移動度は、2.6×10−2cm/Vsであった。
実施例15
(有機トランジスタ7の作製および評価)
高分子化合物Aに代えて高分子化合物Gを用いたこと以外は、実施例6と同様にして有機トランジスタ7を作製した。なお、高分子化合物Gは、0.5重量%でオルトジクロロベンゼン溶媒に完全に溶解した。
得られた有機トランジスタ7のゲート電圧Vg、ソース・ドレイン間電圧Vsdを変化させ、トランジスタ特性を測定した。電界効果移動度は、4.3×10−2cm/Vsであった。
実施例16
(有機トランジスタ8の作製および評価)
高分子化合物Aに代えて高分子化合物Hを用いたこと以外は、実施例6と同様にして有機トランジスタ8を作製した。なお、高分子化合物Hは、0.5重量%でオルトジクロロベンゼン溶媒に完全に溶解した。
得られた有機トランジスタ8のゲート電圧Vg、ソース・ドレイン間電圧Vsdを変化させ、トランジスタ特性を測定した。電界効果移動度は、3.6×10−2cm/Vsであった。
合成例16
(化合物26の合成)
Figure 0005999172
フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した反応容器に、2−オクチル−1−ドデカノール25(30g、0.10mmol)、トリフェニルホスフィン(29.5g、0.16mmol)、乾燥ジクロロメタン(67mL)を入れて均一な溶液とした。該溶液を−10℃に保ち、N−ブロモコハク酸イミドを30分間かけて少しずつ加えた後、室温(25℃)で6時間攪拌した。エバポレーターで溶媒を留去し、得られた黒色固体からヘキサンで可溶成分を抽出した。得られたヘキサン溶液をエバポレータで濃縮し、ヘキサンを移動層とするシリカゲルカラムクロマトグラフィによって生成することで化合物26を無色オイルとして36g得た。収率は98%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.88(t,6H),1.26(m,32H),1.58(m,1H),3.44(d,2H).
合成例17
(化合物27の合成)
Figure 0005999172
フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した反応容器に、マグネシウムリボン(1.2g、49.5mmol)、乾燥THF(3mL)を加えた後、該溶液を80度に加熱した。化合物26(17.9g、49.5mmol)の乾燥THF溶液(20mL)を少しずつ加えた後、80度で1.5時間攪拌した。該溶液を室温まで冷却した後、乾燥THF(30mL)加えて希釈し、グリニャール試薬を調製した。別のフラスコ内の期待を窒素ガスで置換した反応容器に3−ブロモチオフェン(8.5g、52.1mmol)、[1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン]ニッケル(II)ジクロリド(0.30g、0.52mmol)、乾燥THF(100mL)を加えて均一な溶液とした。該溶液に調製したグリニャール試薬を10分間かけて滴下し、80℃で4.5時間攪拌した。室温まで冷却し、水(20mL)を加えて反応を停止し、ヘキサンで反応生成物を抽出した。ヘキサン溶液である有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過後、ろ液をエバポレーターで濃縮し、溶媒を留去した。ヘキサンを移動層とするシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製することで化合物27を無色オイルとして5.0g得た。収率は27%であった。
H−NMR(300MHz、CDCl):δ(ppm)=0.88(t、6H)、1.25(m、32H)、1.52(m、1H)、2.55(m、2H)、6.88(m、2H)、7.22(m、1H)。
合成例18
(化合物28の合成)
Figure 0005999172
フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した反応容器に、脱水THF(130mL)を入れて均一な溶液とした。該溶液を−78℃に保ち、該溶液に10wt%のリチウムジイソプロピルアミド(LDA)のヘキサン懸濁液(18.1g、16.9mmol)を加えた後、化合物27(4.75g,13.0mmol)を加えた。添加後、−78℃で10分攪拌し、次いで、室温(25℃)で2時間攪拌した。次いで、該溶液を−78℃に保ち、該溶液に塩化トリブチルスズ(4.23g、13.0mmol)を加えた。添加後、−78℃で10分攪拌し、次いで、室温(25℃)で3時間攪拌した。その後、水100mlを加えて反応を停止し、ヘキサンで反応生成物を抽出した。ヘキサン溶液である有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過後、ろ液をエバポレーターで濃縮し、溶媒を留去した。得られたオイル状の物質をODSカラムクロマトグラフィ(アセトニトリル−THF混合溶媒)で精製し、化合物28の粗成生物を2.68g得た。次の反応にそのまま用いた。
合成例19
(化合物29の合成)
Figure 0005999172
フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した反応容器に、乾燥DMSO(33.6mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングによって脱気した。化合物5(1.00g、3.35mmol)、オルトギ酸エステル(1.49g、10.1mmol)、トリフルオロメタンスルホン酸イットリウム(III)(90mg、0.168mmol)を加えた後、60℃で3時間攪拌した。室温まで冷却し、水(20mL)を加えて反応を停止し、析出した固体を濾取した。得られた固体を水、メタノールで洗浄し、乾燥することで、化合物29を淡赤色固体として0.95g得た。収率は89%であった。
TLC−MS(Dart)m/z=316.85(M+H).
合成例20
(化合物30の合成)
Figure 0005999172
還流管を取り付けたフラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物29(0.60g、1.34mmol)、化合物28の粗成生物(2.27g、2.95mmol)および乾燥トルエン(13mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気した。その後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(24.5mg、0.026mmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(32.6mg、0.107mol)を加え、110℃度で10時間攪拌した。その間、1、5、7、8.5時間後にトリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(24.5mg、0.026mmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(32.6mg、0.107mol)をそれぞれ加え、合計トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(122.5mg、0.13mmol)、トリス(o−トルイル)ホスフィン(163mg、0.535mol)加えた。その後、4規定塩酸(20mL)を加え、トルエンで抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過後、ろ液をエバポレーターで濃縮し、溶媒を留去した。シリカゲルカラムクロマトグラフィ(ヘキサン:クロロホルム=9:1)で精製することで化合物30を黄色固体として562mg得た。収率は47%であった。
H−NMR(300MHz,CDCl):δ(ppm)=0.84(m,12H),1.26(m,80H),1.72(m,2H),2.67(d,4H),7.94(s,2H),8.30(s,2H).
合成例21
(化合物31の合成)
Figure 0005999172
フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した反応容器に、化合物30(0.462g、0.463mmol)、乾燥THF(93mL)を入れて均一な溶液とした。N−ブロモコハク酸イミドを室温(25℃)で加えた後、室温(25℃)で2.5時間攪拌した。飽和チオ硫酸ナトリウム水溶液(3mL)を加えて、反応を終了させた後、トルエンで抽出した。得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過後、ろ液をエバポレーターで濃縮し、溶媒を留去した。シリカゲルカラムクロマトグラフィ(ヘキサン:クロロホルム=9:1)で精製し、アセトンとメタノールから再結晶(0℃)することで化合物31を淡黄色固体として0.518g得た。収率は87%であった。
H−NMR(300MHz,CDCl):δ(ppm)=0.84(m,12H),1.26(m,80H),1.72(m,2H),2.67(d,4H),7.13(s,2H),8.16(s,2H),8.35(s,2H).
実施例17
(高分子化合物Iの合成)
Figure 0005999172
還流管を取り付けた100mL三口フラスコ内の気体を窒素ガスで置換した後、化合物31(124.8mg、0.108mmol)、化合物18(55.9mg、0.120mmol)および乾燥トルエン(12mL)を加え、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気した。その後、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)(2.20mg、2.4μmol)およびトリス(o−トルイル)ホスフィン(2.92mg、9.6μmol)を加え、100℃で3時間攪拌した.その後、得られた混合溶液に、30分間アルゴンガスバブリングすることによって脱気したフェニルブロマイド(188.4mg、1.2mmol)のo‐ジクロロベンゼン溶液(5mL)を加え、100℃で1時間攪拌し、N,N−ジエチルジチオカルバミド酸ナトリウム三水和物(0.6g)と水(5.4g)を加え、100℃で3時間攪拌した。得られた反応溶液を静置し、分液した有機層を水および10重量%酢酸水溶液で洗浄した。その後、分液した有機層をアセトン(80mL)に滴下し、析出物を得た。得られた析出物を、o−ジクロロベンゼンを展開溶媒として用いたシリカゲルカラムで精製し、その後、得られたo−ジクロロベンゼン溶液をメタノールに注ぎ、固体を析出させ、該固体を濾過した。その後、ソックスレー抽出器を用いて、得られた固体を、アセトンで3時間洗浄し、乾燥することで、高分子化合物Iを84.4mg得た。高分子化合物Iのポリスチレン換算の数平均分子量は1.9×10であり、ポリスチレン換算の重量平均分子量は3.6×10であった.
実施例18
(有機トランジスタ9の作製および評価)
高分子化合物Aに代えて高分子化合物Iを用いたこと以外は、実施例6と同様にして有機トランジスタ9を作製した。なお、高分子化合物Iは、0.5重量%でオルトジクロロベンゼン溶媒に完全に溶解した。
得られた有機トランジスタ9のゲート電圧Vg、ソース・ドレイン間電圧Vsdを変化させ、トランジスタ特性を測定した。電界効果移動度は、8.8×10−3cm/Vsであった。
Figure 0005999172
1…基板、
2、2a…活性層、
3…絶縁層、
4…ゲート電極、
5…ソース電極、
6…ドレイン電極、
100、110、120、130、140、150、160、170、180…有機トランジスタ。
本発明によれば、高い溶媒溶解性を有するため塗布成膜加工により優れ、かつ、高いキャリア移動度を有する高分子化合物を提供することができる。また、本発明によれば、該高分子化合物を含む有機半導体素子、特に、有機トランジスタを提供することができる。

Claims (17)

  1. 式(1)で表される構造単位を有する、高分子化合物。
    Figure 0005999172
    〔式中、
    Rは、水素原子、炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルキル基を有する置換基を表し、該アルキル基は、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルコキシ基、炭素原子数1〜30のアルキルチオ基、炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基、炭素原子数2〜30のジアルキルアミノ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数2〜30の1価の複素環基および炭素原子数3〜30の置換シリル基からなる群から選ばれる少なくとも1つの基で置換されていてもよい。2個存在するRは、同一でも異なっていてもよい。〕
  2. Rが、炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルキル基を有する置換基である請求項1に記載の高分子化合物。
  3. 前記Rが、炭素原子数4〜30のアルキル基または炭素原子数4〜30のアルキル基を有する置換基である、請求項1又は2に記載の高分子化合物。
  4. 前記Rが、分岐アルキル基または分岐アルキル基を有する置換基である、請求項1〜3のいずれかに記載の高分子化合物。
  5. 前記Rが、炭素原子数6〜30のアルキル基である、請求項1〜4のいずれかに記載の高分子化合物
  6. 前記式(1)における2つのRが、同一である、請求項1〜5のいずれかに記載の高分子化合物。
  7. 前記高分子化合物が、共役高分子化合物である、請求項1〜6のいずれかに記載の高分子化合物。
  8. 式(2−a)で表される、化合物。
    Figure 0005999172
    〔式中、
    R’は、炭素原子数4〜30のアルキル基または炭素原子数4〜30のアルキル基を有する置換基を表し、該アルキル基は、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルコキシ基、炭素原子数1〜30のアルキルチオ基、炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基、炭素数2〜30のジアルキルアミノ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数2〜30の1価の複素環基および炭素原子数3〜30の置換シリル基から選ばれる少なくとも1つの基で置換されていてもよい。2個存在するR’は、同一でも異なっていてもよい。
    Xは、ハロゲン原子を表す。2個存在するXは、同一でも異なっていてもよい。〕
  9. 前記R’が、アルキル基である、請求項8に記載の化合物。
  10. 式(2−b)で表される、化合物。
    Figure 0005999172
    〔式中、
    Rは、水素原子、炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルキル基を有する置換基を表し、該アルキル基は、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルコキシ基、炭素原子数1〜30のアルキルチオ基、炭素原子数2〜30のアルキルカルボニル基、炭素原子数2〜30のアルコキシカルボニル基、炭素数2〜30のジアルキルアミノ基、炭素原子数6〜30のアリール基、炭素原子数2〜30の1価の複素環基および炭素原子数3〜30の置換シリル基から選ばれる少なくとも1つの基で置換されていてもよい。2個存在するRは、同一でも異なっていてもよい。
    X’は、置換基を有していてもよい1価の複素環基を表す。2個存在するXは、同一でも異なっていてもよい。〕
  11. 前記X’が、式(3)〜式(6)のいずれかで表される基である、請求項10に記載の化合物。
    Figure 0005999172
    〔式中、
    Wは、水素原子またはハロゲン原子を表す。
    Yは、−CH=で表される基または窒素原子を表す。Yが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
    Zは、酸素原子、硫黄原子またはセレン原子を表す。Zが複数存在する場合、それらは同一でも異なっていてもよい。
    は、水素原子または置換基を有していてもよい炭素原子数1〜30のアルキル基を表す。
    およびRは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、炭素原子数1〜30のアルキル基または炭素原子数1〜30のアルコキシ基を表し、これらの基は置換基を有していてもよい。〕
  12. 前記Zが硫黄原子である、請求項11に記載の化合物。
  13. 前記Rが炭素原子数1〜30のアルキル基である、請求項10〜12のいずれかに記載の化合物。
  14. 請求項1〜7のいずれかに記載の高分子化合物を含む、有機薄膜。
  15. 第1の電極と第2の電極とを有し、該第1の電極と該第2の電極との間に活性層を有し、該活性層に請求項1〜7のいずれかに記載の高分子化合物を含む、有機半導体素子。
  16. 光電変換素子である、請求項15に記載の有機半導体素子。
  17. 有機トランジスタである、請求項15に記載の有機半導体素子。
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