JP6016909B2 - パラジウム系触媒を使用した直接的chアリール化方法 - Google Patents

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Description

本発明は、パラジウム系触媒を使用した直接的CHアリール化方法に関するものである。
最近、π−共されたオリゴ及びポリアルキルチオフェンは、有望な光学及び電子的性質のため相当な注目を浴びている。このような光学及び電子的物性は、有機薄膜トランジスタ、液体結晶化合物、伝導性材料及び染料感応型太陽電池のような多様な有機物質から見つけられる。このような有機材料を容易に合成し変形する方法に対する開発は、有機合成において魅力的な問題である。遷移金属触媒を利用したクロスカップリング、これは炭素−炭素結合を形成するために有機ハロゲン化物と有機金属試薬を反応させるヘテロ芳香族構造の適切な位置に置換基を導入するための協力的な方法となった。グリニャール試薬(Kumada−Tamao)、ホウ素(Suzuki−Miyaura)、亜鉛(Negishi)及び錫(Migita−Kosugi−Stille)のような多様な名前を有する結合反応が炭素−炭素結合を形成の遷移金属触媒反応のカップリングパートナーとして使用されていた。しかし、有機金属中間体の2ステップで殆どの合成方法論が進行されており、それらの化学的両立性がよく制限されていた。
一方、例えば、チオフェンのようなヘテロアリール誘導体カップリングがCH結合で行われることができるのであれば、この方法は経済的観点で効率的であるといえる。特に、C−Hアリール化は化学量的な金属廃棄物とコストと開始物質の準備に関するコストの最小化によって従来のC−C交差結合反応に対する魅力的な対案となっている。チオフェン影響電供与性基の直接的な位置選択的なアリール化は、2番及び/又は5番位置に反応すると報告されている。また、チオフェン影響電子求引性基はいわゆるHeck−type実験条件下で(ジェフリー条件)アリールハライド/ヘテロアリールハライドと2−及び/又は5−位置に直接結合可能である。
チエノピラジン基盤のオリゴマー及び/又はポリマーの製造も、よって一般的な交差方法を回避するために上述した開発方法論を使用して行われ得る。チエノ[3,4−b]ピラジンは低いバンドギャップの共役ポリマーを生産するために優秀は前駆体になることを示した。しかし、これらの化合物が光電子効果で完全に利用されるためには、他の機能の多数に適用可能な一般的な合成経路を開発する必要がある実情にある。
<発明を実施するための形態>
よって、本発明はPd(OAc)2触媒を利用してチエノピラジン誘導体の直接的なCH−アシル化の1ステップ反応を行う方法及びそれによって製造された共重合体を開示する。
本発明の一側面によると、第1単量体及び第2単量体をPdを含む触媒下で反応させるステップを含む下記化10の共重合体の製造方法に関するものであって、前記第1単量体は下記化3の化合物であり、前記第2単量体は下記化5乃至9の化合物又はそれらの混合物のうちから選択され、
前記化10において、前記Aは下記化13であり、前記Bは下記化15乃至19又はそれらの組み合わせのうちから選択され、*は結合部位を示し、前記nは30−500の整数であり、
前記化3,5乃至10,13及び15乃至19において、Y,Y’はそれぞれ独立的にS,O,Nのうちから選択され、前記R,R’はそれぞれ独立的にC1乃至C6のアルキル基であり、前記R’’はフェニル基を示し、前記X,X’はそれぞれ独立的にBr,Cl,Iのうちから選択され、前記mは1乃至4の整数であり、前記ZはSi,C,Nのうちから選択され、前記Arはベンゼンを示し、前記Arと結合された前記X及びX’は前記Arの1,3−位置又は1,4−位置に結合されていることを特徴とし、前記反応は酢酸カリウム(KOAc)及びt−Bu4NBrを含むN,N−ジメチルフォルムアミドの中で行われることを特徴とする
本発明の他の側面によると、第1単量体及び第2単量体をPdを含む触媒下で反応させるステップを含む共重合体の製造方法であって、前記第1単量体はS,N,Oのうちから選択された第1ヘテロ原子を含む第1ヘテロ環式化合物であって、前記第1ヘテロ原子と隣接した炭素原子に少なくとも一つ以上の水素原子が結合されている第1ヘテロ環式化合物であり、前記第2単量体は下記化5の第2ヘテロ環式化合物であり、下記化5においてYはS,O,Nのうちから選択され、R’’はフェニル基を示し、X,X’はそれぞれ独立的にBr,Cl,Iのうちから選択され、前記第1単量体はチエノピラジン誘導体であることを特徴とする。
本発明の一具現例によると、前記Pdを含む触媒はPd(OAc)2である。このようにPd(OAc)2触媒下で酢酸カリウム(KOAc)及びt−Bu4NBrを含むN,N−ジメチルフォルムアミド内で本発明の反応が行われる場合、マイクロ波条件を付加しなくても高い歩留と純度を示すことが確認された。
本発明のまた他の側面によると、本発明の様々な具現例によって製造された前記化10の共重合体に関する。
本発明の一具現例によると、前記共重合体はバンドギャップ(Egec)が0.8−1.8eVである。
本発明によってPd(OAc)2触媒を利用してチエノピラジン誘導体の直接的なCH−アシル化の1ステップ反応を行う方法が開示されており、それによって従来の交差カップリング反応に比べ特に低バンドギャップを示す多様な重合体を低コストと時間で製造することができる。
P1’及びP2’の構造式を示す図である。 共重合体P1−P4のUV−vis吸光スペクトルを示すグラフである。 共重合体P1−P4のUV−vis吸光スペクトルを示すグラフである。 P1−P4の連続循環電位法の実験結果を示すグラフである。
以下、本発明の多様な具現例をより具体的に説明する。
チエノ[3,4−b]ピラジン4a,b及びそれらのジブロモ誘導体に当たる5a,bがそれぞれ研究のために選択され、実験方法の一部修正を介して高い歩留で合成された(反応式1)。
<反応式1>
5,7−ジブロモチエノ[3,4−b]ピラジン誘導体の合成(5a,b)の試薬及び条件:(i)C.H2SO4/F.H2SO4/F.HNO3,ice bath to r.temp.,3h;(ii)Sn/HCl,overnight 0℃;(iii)for 4a:glyoxal,aq.K2CO3,r.temp.3h;for 4a:ジメチルglyoxal,CH2Cl2/EtOH/triethylamine/reflux 50℃;iv)for 5a:NBS,AcOH/CHCl3,r.temp.,overnight;for 5b:NBS,DMF,0℃ to r.temp.,7hrs.
発煙硝酸と濃い硫酸の混合物を使用してで2,5−ジブロモチオフェン(1)を窒化させた結果、2,5−ジブロモ−3,4−ジニトロチオフェン(2)が61%の歩留で合成された。2と一緒に入れた錫と塩酸が減少することでグリオキサール又はジメチルグリオキサールを含む3,4−ジアミノチオフェン(3)のジヒドロクロライド塩の結果でそれぞれ4a及び4bに当たるチエノ[3,4−b]ピラジン誘導体が生成された。4a及び/又は4bとN−ブロモスクシンイミド(NBS)のブロム化反応は、それぞれ5a及び5b当たる5,7−ジブロモ−チエノ[3,4−b]ピラジン誘導体が優秀な歩留で生成された。全て化合物をフラッシュシリカゲルカラムクロマトグラフィで精製しており、その構造はそれぞれ1H−及び13C−NMRと元素分析によって確認した。
Pd(OAc)2/n−Bu4NBrのような触媒システムを使用したHeck−実験条件で非置換−TP 4aと2−ブロモ−3−ヘキシルチオフェン(6a)の直接CH−アリール化は初めて調査された。
<反応式2>
チエノ[3,4−b]ピラジン誘導体の位置選択的なアリール化の試薬及び条件:CH−アリール化(DMF,potassium acetate,tert−butylammonium bromide,Pd(OAc)2,80℃);Suzuki coupling((Pd(PPh3)4,toluene,24h,90℃)
温度反応条件において、それぞれ出発物質である4aの量に応じて6aを2モル倍率で入れる際、4aと6aのCH−アリール化は2つ又は3つのアリール基が付いた生成物8a及び9aを50%及び22%の歩留で生成する。6a/4a=3/1の割合を入れた際には同じ反応方法で出発物質が殆ど残っておらず、66%の歩留で2つがアリール化された生成物8aと25%の歩留で3つがアリール化された生成物9aが生成された。反応時間、温度及び/又は6a/4aの割合(最大5/1のモル比)の増加は、アリール化された生成物の割合で特別な変化を示さなかった。
マイクロ波条件において、4aと6a(4a/6a=1/3のモル比)のCH−アリール化はたった5分以内に同じアリール化された化合物である8a及9aを提供する。反応化合物の同じ構成は殆ど存在する。マイクロ波による長い反応時間(30分以上)は、反応の進行に重要な影響を及ぼさない。面白いことは、2つがアリール化された化合物である8aと6aのCH−アリール化は出発物質(〜54%)と共に35%の歩留に当たる3つがアリール化された化合物9aを提供し、それはカラムクロマトグラフィによって発見された。いかなる重要な追加的なアリール結合化合物のGC及び/又はTLC分析でも確認されなかった。
2−ブロモ−3−メチルチオフェン(6b)と4aの直接的なCH−アリール化も調査された。マイクロ波反応条件において、4aと6a(4a/6=1/5 molar ratios)のCH−アリール化反応は、2つがアリール化された化合物8b(77% yield)と3つがアリール化された化合物9b(18%)の混合物を得た。チオフェン環にヘキシル鎖のメチル基を導入することでアリール化された化合物の歩留の改善を見せるが、重要な追加のアリール結合反応物を検索することができなかった。上述した結果は、適用された反応条件下でTP部分の4番位置は全ての他の位置、特に3番位置よりアリール化反応性が非常に落ちることを示す。その理由は、4番目の代替が行われる間に発生する立体障害効果の結果のためである。また、TP部分の3及び/又は4位置は5及び7に比べCH−アリール化の方に反応が落ちると考えられる。
マイクロ波反応条件において、4aと2−ブロモ−4−ヘキシルチオフェン(7)(molar ratio;4a/7=1/3)のCH−アリール化と類似した結果が観察され、2つがアリール化された化10(60% yield)及び3つがアリール化された化合物11(33% yield)を示した(Scheme 2)。また、出発物質及び/又は追加的なアリール結合化合物が含まれたいかなる兆候もTLC及び/又はGC分析で確認できなかった。10の直接的なCH−アリール化はクロマトグラフィの後、3つのアリール化された化合物11(29% yield)と開始物質(58%)を示した。2つガアリール化された化合物8a及10はまた、それぞれ5,7−ジブロモチエノ[3,4−b]ピラジン(5a)とboronic esters12又は13のスズキクロスカップリングを介して高い歩留(89and85%)で準備されたことは価値のある話である。スペクトル結果は同じであると判明された。よって、イミンのCH陽子が窒素原子で孤立電子対と二重結合の共有によって活性化される間、非置換TP 4aと6a又は7のCH−アシル化反応はTPユニットの5番及び7番位置により位置選択性を有し、TPの硫黄とイモンの共役によって活性指される。
予想通り、2つがアシル化された化合物8a,b及び10の1H−NMRはそれぞれ窒素(N=CH−CH=N;integration value,2)に隣接したα−methine陽子で発生した8.55,8.54及び8.40ppmの単一ピークを示し、α−methine proton(N=CH−C=N;integration value,1)の8.54,8.44及び8.50ppmに当たる殆ど類似した科学的移動の単一ピーク(しかし、同じ相対的な濃度)はそれぞれ適用される反応条件下で非置換ピラジン環(4又は4番位置)のCH arylationを示す3つがアシル化された化合物9a,b及び11であることを示した。
マイクロ波を照査してHeck実験と同じ条件下で、3,4−ジメチルチエノピラジン4bと6a又は7(molar ratios of 4b/6a or 7=1/3)のCH−アシル化は2,7−diarylated TP誘導体14及び15がそれぞれ優秀な歩留で円滑に生成された(それぞれ93%及び95%、反応式3)。TLC及び/又はGC分析を介して他の追加的な副生成物は観察されなかった。しかし、4bと7(1:2 molar ratios)の反応はそれぞれ15%及び57%の歩留でmono−及び2つのアシル化された化合物16及び15の混合物を生成する。よって、ブロム誘導体の過剰は基本的に反応完成のために必要である。
面白くも、単一アリール化された化合物16と7の(1:1.5 molar ratio)CH−アリール化は、独占的に2つガアリール化された化合物15を高い歩留(93%)で生成する。2つがアリール化された化合物14及び15が5bと12又は13のスズキ交差結合によって優秀な歩留で準備されたことは価値のある話である(それぞれ92% and 88%)。分光データは同じであって、提案された構造と一致することが分かった。前記結果はTP誘導体のCHアリール化の成功がスズキ交差結合に続いてパラジウム触媒アシル化を一緒に使用してpolyaryl−TP誘導体の合成を許すことを指す。全ての合成化合物の構造は1H及び13C NMRと元素分析によって確認された。
<反応式3>
3,4−ジメチルチエノ[3,2−b]ピラジン誘導体のCH−アリール化の試薬及び条件:CH−アリール化(DMF,potassium acetate,tert−butylammonium bromide,Pd(OAc)2,80℃);スズキカップリング((Pd(PPh3)4,toluene,24h,90℃)
3,4−ジメチル−TP,14,15及び単一アシル化化合物16の結果である2つがアシル化された化合物1H NMRスペクトルは、それぞれメチル基水素で(N=CCH3−CCH3=N)から発生したα−methine陽子及び単一ピーク2.66,2.57及び2.54ppmの不在を示す。
パラジウム結合の触媒作用によるCH−アシル化反応のメカニズムは反応式4で示した。TPのCH−アシル化の5番及び/又は7番位置の観察された選択性は、以前に3−carboalkoxy furan,3,4−dialkoxyチオフェン及びEDOTのアシル化のために想定された類似した論理に応じて反応メカニズムによって説明される。このメカニズムでは(経路A)、DMF溶媒はAr−Pd+Br−種でAr−Pd−Brのイオン化を好む。この電子親和性種Ar−Pd+Brは正イオン中間体X1を提供し、電子が豊富なTPの5−位置に反応する。陽子の抽出と種X1の還元除去はPd0と共に5−アシル化された化合物X2を提供する。
一方、C−H活性化/C−C結合形成がC−O結合形成と類似した方式でTP部分の3及び/又は4位置に達することができると予想した。C−H活性化/C−C結合形成(反応式4−経路B)のためのメカニズムは、C−H活性化によって指示グループのパラジウムを調整することで行うつもりである。後のX3のC−C結合形成還元除去は望みの化合物X4を提供する。最後に、速いC−H活性化によるPdIIの気質に対する化合物のリガンド交換は、PdIIを触媒周期の休憩状態に戻す。以前の結果及び反応式4に示したように、2つのメカニズムは独立的に運営されてもよい。
<反応式4>
2,7−diarylatedチエノピラジンは弱いCH−アシル化反応条件下で得られ、チエノピラジン及びヘキシルチオフェン残基に基づいた一部のπ−共役された共重合体の合成方法の方法論を適用するために関心を向けた。一部のTP基盤の共重合体はモデル実験パラジウム触媒を使用したスチレ交差結合方法を使用して初めて調査された(反応式5)。マイクロ波を利用した実験はより効率的であることが以前の実験で特に立証されており、共重合反応はPd(PPh3)4の触媒量の存在下でN,N−ジメチルformamide(DMF)溶媒下でマイクロ波を照査して行われた。5aと3−ヘキシルチオフェン−2,5−diyl−bis(tributylstannane)(17)又は3,3’−dihexyl−5,5’−bis(tributylstannyl)−2,2’−biチオフェン(19)同モルのスチレ交差結合は、それぞれ93%及び95%の歩留の共重合体P1及びP2を生成する。同じ反応条件で5bと17又は19の共重合は、高い歩留(92%及び91%、それぞれ)を有する共重合体P3及びP4を生成した。その結果、共重合体は適正平均分子重量(Mn)とPDI(polydispersity index)値を得た(表1を参照)。
最終共重合体の構造は元素と1H NMR分析によって確認された。P1及びP2(反復単位)の1H NMRは、それぞれ(N=CH−CH=N;integration value,2)に隣接したα−methine陽子で発生したca.8.53及びca.8.50ppmの広範囲の単一ピークを示ており、P1及びP2(反復単位)の直線形態を示した。P3及びP4の1H NMRは、それぞれへキシル鎖のα−メチレン陽子で介在された広いピークでca.2.66 and ca.2.65ppmでα−methine陽子が消えメチルイ陽子が現れることを示した。それらの脂肪族陽子は、ポリマー特性のため0.85から2.66ppmの領域に渡る広範囲の共鳴ピークを示した。
次に、TP基盤のπ−共役された共重合体を作るめの簡単な合成方法を紹介するために、TP残基の簡便なアシル化の長所について説明する(反応式5及び表1)。
<反応式5>
チエノピラジン及びヘキシルチオフェンmoietieに基づいたπ−共役共重合体の合成に対する一般的な合成経路の重合条件:スチレクロスカップリング:Pd(PPh3)4,DMF,マイクロ波照査;CH−アーリル化:DMF,Potassium acetate,tetrabutylammonium bromide(TBAB),Pd(OAc)2
重合反応は乾燥したDMFとKOAc,n−Bu4NBr(TBAB)及びcatalytic amounts of Pd(OAc)2の存在下で行われた。2,5−ジブロモ−3−へキシルチオフェン(18)及び/又は5,5’−ジブロモ−3,3’−dihexyl−2,2’‐biチオフェン(20)と非置換パラジウム触媒CH−アシル化を介した重合は、マイクロ波反応条件下で最初に調査された。合成された共重合体の特性は、スチレ交差結合方式を介して得た共重合体モデル(P1及びP2)と比較すると互いに異なることが分かった。

多様な反応条件を試みた後、Pd(PPh3)4の存在下で15分間130℃DMFで4aと18又は20のCH−アシル化を行い、部分的に溶解された共重合体を形成した(それぞれP1’及びP2’)。しかし、長い反応時間及び/又は高い温度、一般的な極小量の有機溶媒で溶けるポリマーのための重合反応を実施した。
共重合体P1’及びP2’の溶解度部分の1H NMRスペクトルは、スチレ交差結合方式を介して得たP1及びP2と比較すると互いに異なることが分かった。P1’及びP2’に対する1H NMRは、それぞれN原子に隣接するα−methine陽子で発生した広範囲の単一ピークca.8.56及びca.8.50ppm(N=CH−C=N;積分値、1)、そしてピークの積分値の複写、図1で説明したP1’及びP2’構造の一致をそれぞれ示す。
よって、一部の架橋はTPのCH−アシル化の以前のメカニズムに基づいたTP残基の3,4位置置換に基づいて発生する(反応式4を参照)。P1’及びP2’の溶解性部分のためのGPC分析は、それぞれ3.91及び4.26のPDI(polydispersity索引)値と5855及び5470の最大平均分子量(Mn)を示した。
面白くも、Heck反応条件において、3,4−ジメチル−TP 5aと18又は20のパラジウム触媒を利用したCHアシル化反応は高い歩留(92%及び94%、表1)の共重合体を提供し、スチレ交差結合方法を介して準備された共重合体P3及びP4と比較するとそれらの1H NMR及びUV−visスペクトルデータは同じであることが分かった。
メタノールで析出された後、精製する前の共重合体はメタノールで繰り返し洗浄し濾過してから副産物とオリゴマーを除去するためにメタノールとアセトンで繰り返しSoxhlet抽出することは言及されるべきである。精製された共重合体の分析を介してパラジウム触媒がきれいに除去されていることが示された。全ての合成された共重合体(P1’及びP2’は除く)は室温の有機溶媒、例えば、クロロフォルムやキシレン、クロロベンゼンのような一般的な有機溶媒で優秀な溶解度を有する(>10mg mL−1)。同じく、表1に示した共重合体P3及びP4は、それぞれ共重合体P1及びP2に当たる高いMn値を有する。これは殆ど共重合体P3及びP4の反復単位にヘキシルチオフェンの数が増加することで発生する。
合成された共重合体(P1−P4)はガラススライドにクロロベンゼン溶液でスピンコーティングして薄膜を形成し、それぞれ2a及び2bはクロロベンゼン溶液及び固体状フィルムから得た一般的なUV−vis吸光スペクトルを示す。吸収最大(λmax)、開始波長(λonset)及びλonsetからの光学バンドギャップ(Egop)の予想は表1に要約した。フィルムは溶液で吸収に当たることよりUV−vis吸光スペクトルで注目すべき赤色遷移と幅広い吸光を示しており、固体状で鎖環相互作用の増加、伸びたπ−共役を反映する。よって、λonset[Egop(eV)=1240/λonset(nm)]から明らかになった全てのポリマーの光学バンドギャップは溶液内より薄膜でより低い。共重合体P1−P4は、一般的にドナー−アクセプター共重合体の交代に対して観察される機能に300−1500nmの範囲で2つの吸収ピークを特徴とする。光学測定から観測されたように、共重合体P1−P4の予想Egop値(1.06−1.63eV)はP3HT(ca.1.9eV)より低く、狭いバンド隔着を達成するためにP3HTに適切な追加のアクセプター装置を含むことの重要性を確認した。
共重合体P1〜P4の電気特性は循環電圧電流(CV)によって調査し、図3に示した。共重合体のHOMO及びLUMOエネルギーレベル(EHOMO and ELUMO)は以下のような関係式によって決定され、EHOMO=Eox−4.4及びELUMO=−Ered−4.4(in eV)、それぞれAg/AgCl基準電極対ポリマーのEox及びEredは参加及び還元発病可能性である。派生されたEHOMO、ELUMO及び電気化学的バンドギャップ(Egec=ELUMO−EHOMO)を表1に要約した。予想Egec値はポリマーフィルと電極表面との間のインタフェース障壁の提供のため、おそらく薄膜で予想光学バンドギャップ(Egop)より多少高い。TPピラジン残基の3,4位置に置換基を導入することが電気化学的行動に表示された影響を及ぼすことを示した(図2a、2b)
HOMO及びLUMOエネルギーレベルに表示された効果は、反復単位HT片の数が増加することによって相当部分が誘導される。一般的に、HOMOレベルは2つのHT残基[P2(−5.11)及びP4(−5.32);in eV]を含むよりねじられた重合体に比べおそらく平面高分子を含むヘキシルチオフェンunit[P1(−4.8)、and P3(−4.70);in eV]でより高く、よって伸張されたπ−共役を有するポリマーの以前のクラスは後者(1.69−1.96eV)より低い値(1.29及び1.19eV,それぞれ)を示す。共重合体P1−P3(−4.85,−5.11 and 4.70eV)の予想HOMOレベルは空気と酸素向けのこのポリマーの優秀な安定性を示す空気酸化臨界値(ca.−5.27eV)より殆ど高く、これは装置応用プログラムのための必須条件である。一方、有機太陽光電池の開放回路電圧(Voc)は電子ドナー(ポリマー)のHOMOレベルと電子アクセプター(PCBM)のLUMOレベル間の差と直接的な関係がある。ドナーポリマーに対する低いHOMO水準は生成されたポリマー太陽電池の高いVocで結論付けられる。P1−P4(−3.36 to −3.56eV)の推定LUMOレベルは、PCBM(−4.3eV)より高く、PCBMに有利な光誘導電子伝送を許容する。よって、特にP1とP3のようなこのような共重合体はPCBM基盤のBHJ有機光電池装置の活性層に使用されるドナーポリマーのための有望な候補となり得る。ポリマー薄膜の更なる深層構造の分析は現在発表されている研究範囲を逸脱しており、他のところで報告されるはずである。
要するに、通常的に使用されるHeck−type実験条件下でPd(OAc)2触媒を利用してチエノピラジン誘導体の直接的なCH−アシル化の1ステップ反応を伴うfacial方法が開発された。交差カップリング反応に比べ、最近の方法における巨大な化学的両立性はTP oligomer影響の多様なアリール基の合成を許容した。一部のTP基板の共重合体を合成するためのこの方法論の単純性及び有用性が立証された。P3HT鎖内にTP部分を統合することは共重合体の光物理的及び電気化学的特性に大きい影響を及ぼす。それらの光学及び電気化学的特性の観点から、共重合体の合成、特にP1及びP3は有機太陽光及び光電子装置での活性物質として魅力的な候補である。
即ち、本発明による製造方法は高級有機物質のようなものに潜在的に使用することができ、このような反応は様々なπ−共役されたオリゴ及び/又は二種高分子芳香族システムの強力な道具であり、チエノピラジンライブラリーを建設するために潜在的に効果的なものであって、アリール置換チエノピラジンの多様な組み合わせの合成に活用することができる。
<発明を実施するための形態>
下記実施例は本発明のいくつかの具現例に対する理解を助けるために提示されるものに過ぎず、これによって本発明の範囲や内容が制限されることはない。
<実施例>
<実験準備部分>
(1)物質:別途に明記されない限り、全ての操作と空気に敏感な試薬を含む反応は酸素がない乾燥した窒素雰囲気下で行われた。全ての試薬及び溶媒は常用供給先を介して購入しており、使用する前に標準手続に従って乾燥させた。全ての反応はTCLで確認してから完了した。3,3’−dihexyl−5,5’−bis(tributylstannyl)−2,2’−biチオフェン(19)、2,5−ジブロモ−3−へキシルチオフェン(18)を準備した。
(2)機械の使用及び方法:1H及び13CNMRスペクトルは25℃でTMS標準物質が含まれたCDCl3を使用してVarian分光計(400MHz for 1H and 100MHz for 13C)で測定され、化学的移動はppm単位で記録された。カップリング定数(J)はHzで付与した。フラッシュカラムクロマトグラフィはMerckシリカゲル60(粒子サイズ230−400メッシュ ASTM)を使用した。中性シリカゲルはカラムクロマトグラフィに使用される同じ溶媒を使用し、シリカゲルにトリエチルアミンを添加して準備した。薄い膜のクロマトグラフィ(TLC)分析はアルミニウム板にMerck0.25mm 60Fシリカゲルがコーティングされた製品を使用し、UV−254蛍光で実施した。UV−vis吸収スペクトルは純粋なポリマーサンプルをVarian Cary UV−vis−NIR−5000分光光度計で測定して得た。循環電圧電流法(CV)の測定はB−クラスソーラーシミュレータで行われた。
Potentiostate/Galvanostate(SP−150 OMA company);電解質はスキャン速度50mVs−1でアセト二トリル溶媒下でテトラブチルアルミニウムヘキサフルオロフォスフェート(TBAPF6)0.1M濃度で測定した。3電極セルを使用した;プラチナワイヤと銀/塩化銀(Ag in 0.1M KCl)がそれぞれカウンタ及び参照電極として使用された。電子測定のためのポリマーフィルムはITOガラススライドにポリマー−クロロベンゼン溶媒でスピンコーティングした(ca.10mg/mL)ゲル浸透クロマトグラフィ分析はシマヅ(LC−20A Prominence Series)機械で行い、クロロフォルムは運搬溶媒トして使用され(flow rate:1mL/min,at 30℃)、補正曲線はポリスチレン標準サンプルで処理した。マイクロ波補助重合反応はマイクロ波合成システムCEM(Discover S−class System)で行われた。低い温度反応は本質的に低温槽(PSL1810−SHANGHA EYELA)で行われた。KD Scientific注射器ポンプ(KDS−100)は精密に分配し、一滴ずつ追加するプロセスを行う間で正確な量の試薬を提供するために使用された。
2,5−ジブロモ−3,4−ジニトロチオフェン(2)。高真空で乾燥された3ネックフラスコに濃い硫酸(12.4mL)、発煙硫酸(19.1mL)及び発煙硝酸(10.5mL)の混合物を入れて氷槽で冷却し、フラスコ内部の温度が15℃を維持するように2,5−ジブロモチオフェン(1,3.35mL,7.2g,29.7mmol)をゆっくり一滴ずつ入れる。添加が完了された後、反応混合物を25−30℃で3時間追加に反応させ、100gを以上の氷を注いだ。氷が溶けてから黄色の固体残留物質を真空濾過によって収集し、メタノールで再結晶した(5.0g,51%)。13C NMR(DMSO,100MHz,δ/ppm):139.62,116.66。C4Br2N2O4S(331.93):calcd.C14.47,Br48.15,N8.44,S9.66;found C14.43,Br48.31,N8.37,S9.72。
3,4−ジアミノチオフェンジヒドロクロライド(3)。濃い塩酸(230mL)と2,5−ジブロモ‐3,4−ジニトロチオフェン(2,12.8g,38.0mmol)をフラスコに入れて氷槽で冷却させた。金属錫(31.9g,269mmol)は25−30℃を維持しながら1時間をかけてゆっくり追加した。添加が完了した後、反応は錫が全て消費されるまで攪拌し、その後フラスコを冷蔵庫で一晩保管した。固体沈殿物は真空濾過で回収し、ジエチルエテルとアセト二トリルで洗浄した。生成物・2H+塩3は非常に安定的である一方、フリーアミン生成物は酸化に非常に敏感である。このような理由で前駆体はprodeuct・2H+塩状態で保管する。フリージアミノチオフェン転換の場合;prodeuct・2H+塩は水600mLに溶かした後、氷槽で冷却させた。溶液は4N Na2CO3で塩基状態にしてからジエチルエテルで抽出し、無水硫酸ナトリウムで乾燥して、過熱せずに回転蒸発装置で濃縮して白色のジアミノチオフェン結晶を得た(2.6g,61%)。1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):6.16(s,2H,2XCHS)、δ3.36(s,br,4H,2XNH2)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):137.2,101.7。C4H6N2S(114.17):calcd.C42.08、H5.30,N24.54,S28.09;found C42.18、H5.50,N24.66,S27.92。
チエノ[3,4−b]ピラジン(4a)。3,4−Diaminoチオフェンジヒドロクロライド(3,1.03g,5.52mmol)を5%aq.Na2CO3(60mL)に入れた。水15mlに40% glyoxal solution 0.885gを希釈したGlyoxal(0.36g,6.1mmol)を5分にかけてゆっくり一滴ずつ追加した。反応混合物を室温で3時間攪拌し、エテル及び/又はエチルアセテートで数回抽出した。混合有機層を水で洗浄しタ後、無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、加熱せずに回転減圧装置で濃縮して明るい褐色のオイルを得た。分析試料は最小量のジクロロメタンにオイルを溶かしてから準備し、ヘキサンを使用してカラムクロマトグラフィで精製して明るい黄褐色の固体4aを得た(0.57g,76%)。1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):8.51(s,2H,N=CHCH=N)、8.03(s,2H,2XCH−S)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):144.41,142.80,118.00。C6H4N2S(136.17):calcd.C52.92,H2.96,N20.57,S23.55;found C53.07,H3.11,N20.50,S23.63。
2,3−ジメチルチエノ[3,4−b]ピラジン(4b):ジクロロメタン(170mL)とエタノール(170mL)の混合溶液に2,3−butanedione(1.63g,19mmol)、3,4−ジアミノチオフェンジヒドロクロライド(3;3.5g,18.70mmol)及びtriethylamine(95mL)を混合して50℃で8時間攪拌した。反応混合物を冷却させた後、ジクロロメタン/水混合溶液で抽出した。有機層を収集して硫酸ナトリウムで乾燥した。精製はシリカゲルフラッシュカラムクロマトグラフィー(chloroform/ethyl acetate 4:1)を利用し、明るい黄褐色の固体を収得した。(2.45g,80% yield)。1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):2.55(s,6H)、7.71(s,2H)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):153.14,141.69,115.92,23.62。C8H8N2S(164.23):calcd.C58.51,H4.91、N17.06,S19.52;found C58.59,H5.06、N17.01,S19.60。
5,7−ジブロモチエノ[3,4−b]ピラジン(5a)。Chloroform/acetic acid(1:1;60mL)にチエノ[3,4−b]ピラジン(4a,2.0g,14.7mmol)溶液を入れて0℃で冷却した後、NBS(5.75gm,32.3mmol)を3回に分けて入れた。反応混合物を室温で一晩攪拌した後、同量の水を添加した。クロロフォルム層を分離し、水で洗浄してから無水硫酸ナトリウムで乾燥した。加熱せずに減圧下で有機層を蒸発させて緑色がかかった黄色い固体を得た。得られた精製前の固体を数回エテルで洗浄した(デカンテーション方法を使用してエテルの色が無色になるまで)。次に、シリカゲルフラッシュカラムクロマトグラフィ(hexane/CH2Cl2;1:1)で精製し、純粋な黄色の固体化合物5aを得た(1.62g,75%)。1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):8.53(s,2H,N=CHCH=N)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):145.61,140.60,105.78。C6H2Br2N2S(293.97):calcd.C24.51,H0.69,Br54.36,N9.53,S10.91;found C24.44,H0.67,Br54.49,N9.56,S11.05。
5,7−ジブロモ−2,3−ジメチルチエノ[3,4−b]ピラジン(5b):DMF(100mL)に4b(0.48g,2.92mmol)を入れた溶液にDMF(300mL)にNBS(1.14g,6.42mmol)を溶かした溶液をゆっくり一滴ずついれ、氷槽で冷却させた。次に、反応混合物の温度を室温まで上昇させた後、6時間攪拌した。反応混合物を水に注ぎ、クロロフォルムで抽出した。有機層を収集して塩化ナトリウム溶液で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥した。次に、クロロフォルムとフラッシュシリカゲルクロマトグラフィーで精製し、黄褐色の固体を得た(0.79g,85% yield)。1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):2.68(s,2H)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):155.18,139.27,103.20,23.42。C8H6Br2N2S(322.02):calcd.C29.84,H1.88,Br49.63,N8.70,S9.96;found C30.05,H1.92,Br49.42,N8.77,S9.88.
5,7−Bis−(3−hexylthiophen−2−yl)チエノ[3,4−b]ピラジン(8a)
<実験方法A:スズキクロスカップリング>
5,7−ジブロモチエノ[3,4−b]ピラジン(5a,0.5g,1.70mmol)、2−(3−hexylthiophen−2−yl)−4,4−5,5−tetraメチル−1,3,2−dioxaborolane(12,1.25g,4.25mmol)及びPd(PPh3)4(0.5g,43.5mol%)の混合物をトルエン(35mL)に溶かして20分間窒素でガスを除去した後、K2CO3(2M,30mL)水溶液を添加する。反応混合物を激しく攪拌し、12時間100℃で還流させる。冷やしてから反応混合物をCH2Cl2で抽出し、有機層を収集して水で洗浄した後、無水硫酸ナトリウムで乾燥する。溶媒は減圧下で蒸留させ、精製前の化合物をフラッシュシリカゲルカラムクロマトグラフィー(n−hexane/EtOAc=10:2)で精製して紫色の8aを得た。(0.70g,89% yield)。
<実験方法B:CH−アリール化>
DMF(50mL)に4a(1 equiv)を入れた溶液にpotassium acetate(6 equiv),tert−butylammonium bromide(2 equiv),2−ブロモ−3−hexylthiophen(6a,2 equiv)と最後にPlladium acetate(0.2 equiv)を入れて攪拌した。生成された懸濁液を80℃で一晩攪拌した。反応が終了した後、混合物を室温に冷却させてCH2Cl2と水を入れた。有機層を分離して濃縮した。暗い色のオイル結果物をn−hexane/EtOAc(2%)の条件下でフラッシュシリカゲルクロマトグラフィで精製し、紫色の固体化合物8a(50% yield)と粘性のある紫色のオイル9a(22% yield)を得た。
Compound 8a:1H NMR(CDCl3,400MHz、δ/ppm):8.55(s,2H,N=CH−CH=N)、7.43−7.41(d,J=8Hz,2H,CH−S)、7.06−7.04(d,J=8Hz,2H,CH−C−hexyl)、2.87−2.83(t,J=16Hz,4H,2XArCH2CH2−)、1.70−1.67(m,4H,2XArCH2CH2−)、1.28−1.25(m,12H,2XCH3(CH2)3)、0.86−0.83(t,J=12Hz,6H,2XCH3)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):144.03,141.94,139.68,129.52,127.01,126.71,126.08,31.64,30.47,29.88,29.27,22.58,14.05。C26H32N2S3(468.74):calcd.C66.62,H6.88,N5.98,S20.52;found C66.71,H6.81,N5.67,S20.44。
2,5,7−Tris−(3−hexylthiophen−2−yl)チエノ[3,4−b]ピラジン(9a)
1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):8.54(s,1H,N=CH−CH=N)、7.17−7.16(d,J=4Hz,3H,CH−S)、7.05−7.04(d,J=4Hz,3H,CH−C−hexyl)、2.86−2.84(m,6H,3XArCH2CH2−)、1.71−1.67(m,6H,3XArCH2CH2−)1.30−1.27(m,18H,3XCH3(CH2)3)、0.89−0.86(t,J=12Hz,9H,3XCH3)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):151.46,144.06,141.96,139.63,137.68,125.99,125.48,123.81,31.65,30.26,29.67,29.28,22.59,14.05。C36H46N2S4(635.02):calcd.C68.09,H7.30,N4.41,S20.20;found C68.15,H7.44,N4.36,S20.11。
5,7−Bis−(3−メチルthiophen−2−yl)チエノ[3,4−b]ピラジン(8b)
<実験方法B:CH−アリール化>
DMF(50mL)に4a(1 equiv)を入れた溶液にpotassium acetate(6 equiv),tert−butylammonium bromide(2 equiv),2−ブロモ−3−メチルチオフェン(6b,5 equiv)と最後にPlladium acetate(0.2 equiv)を入れて攪拌した。生成された懸濁液を80℃で一晩攪拌した。反応が終了した後、混合物を室温に冷却させてCH2Cl2と水を入れた。有機層を分離して濃縮した。暗い色のオイル結果物をn−hexane/EtOAc(2%)の条件下でフラッシュシリカゲルクロマトグラフィで精製し、濃い紫色の固体化合物8b(77% yield)と紫色の固体9b(18% yield)を得た。
Compound 8b:1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):8.54(s,2H,N=CH−CH=N)、7.38−7.37(d,J=4Hz,2H,CH−S)、6.98−6.87(d,J=4Hz,2H,CH−C−hexyl)、2.50(s,6H,2XCH3)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):143.82,139.30,136.18,130.87,126.67,125.47,123.81,16.29。C16H12N2S3(328.47):calcd.C58.50、H3.68,N8.53,S29.29;found C58.66、H3.60,N8.42,S29.30。
2,5,7−Tris−(3−メチルthiophen−2−yl)チエノ[3,4−b]ピラジン(9b)
1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):8.44(s,1H,N=CH−CH=N)、7.17−7.16(d,J=4Hz,3H,CH−S)、6.90−6.89(d,J=4Hz,3H,CH−C−hexyl)、2.47(s,9H,3XCH3)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):151.47,143.99,141.96,138.99,133.51,126.31,125.47,123.73,15.65。C21H16N2S4(424.63):calcd.C59.40、H3.80,N6.60,S30.21;found C59.30、H3.91,N6.53,S30.16。
5,7−Bis−(4−hexylthiophen−2−yl)チエノ[3,4−b]ピラジン(10)
<実験方法A:スズキクロスカップリング>
5a(0.5g,1.70mmol)、2−(4−hexylthiophen−2−yl)−4,4−5,5−tetraメチル−1,3,2−dioxaborolane(13,1.25g,4.25mmol)及びPd(PPh3)4(0.5g,43.5mol%)の混合物をトルエン(35mL)に溶かして20分間窒素でガスを除去した後、K2CO3(2M,30mL)水溶液を添加する。反応混合物を激しく攪拌し、12時間100℃で還流させる。冷やしてから反応混合物をCH2Cl2で抽出し、有機層を収集して水で洗浄した後、無水硫酸ナトリウムで乾燥する。溶媒は減圧下で蒸留させ、精製前の化合物をフラッシュシリカゲルカラムクロマトグラフィー(n−hexane/EtOAc=10:2)で精製して濃い紫色の固体10を得た。(0.67g,85% yield)。
<実験方法B:CH−アリール化>
DMF(50mL)に4a(1 equiv)を入れた溶液にpotassium acetate(6 equiv),tert−butylammonium bromide(2 equiv),2−ブロモ−4−hexylthiophen(7,3 equiv)と最後にPlladium acetate(0.2 equiv)を入れて攪拌した。生成された懸濁液を80℃で一晩攪拌した。反応が終了した後、混合物を室温に冷却させてCH2Cl2と水を入れた。有機層を分離して濃縮した。暗い色のオイル結果物をn−hexane/EtOAc(2%)の条件下でフラッシュシリカゲルクロマトグラフィで精製し、紫色の固体化10(60% yield)と粘性のある紫色のオイル11(33% yield)を得た。
Compound 10:1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):8.40(s、2H,N=CH−CH=N)、7.39(s、2H,CH−S)、6.90(s、2H,CH−C−hexyl)、2.57−2.54(t,J=12Hz,4H,2XArCH2CH2−)、1.63−1.56(m,4H,2XArCH2CH2−)、1.22−1.19(m,12H,2XCH3(CH2)3)、0.80−0.78(t,J=8Hz,6H,2XCH3)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):144.14,143.76,138.99,133.71,126.40,121.61,31.68,31.58,30.40,29.01,14.10。C26H32N2S3(468.74):calcd.C66.62,H6.88,N5.98,S20.52;found C66.44,H6.75,N6.09,S20.43。
2,5,7−Tris−(4−hexylthiophen−2−yl)チエノ[3,4−b]ピラジン(11)
1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):8.50(s,1H,N=CH−CH=N)、7.36(s,3H,CH−S)、7.26(S,2H,CH−C−hexyl)、2.64−2.59(m,6H,3XArCH2CH2−)、1.70−1.63(m,6H,3XArCH2CH2−)1.33−1.25(m,18H,3XCH3(CH2)3)、0.91−0.88(t,J=12Hz,9H,3XCH3)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):151.46,144.06,143.74,139.84,139.56,125.48,123.81,31.65,31.55,30.66,29.84,22.59,14.05。C36H46N2S4(635.02):calcd.C68.09,H7.30,N4.41,S20.20;found C68.00,H7.42,N4.35,S20.24。
5,7−Bis−(3−hexylthiophen−2−yl)−2,3−ジメチルチエノ[3,4−b]ピラジン(14)
<Method A:Suzuki−corss coupling>
5,7−ジブロモ−2,3−ジメチルチエノ[3,4−b]ピラジン(5b,0.5g,1.55mmol)、2−(3−hexylthiophen−2−yl)−4,4−5,5−tetraメチル−1,3,2−dioxaborolane(12,1.14g,3.88mmol)及びPd(PPh3)4(0.5g,43.5mol%)の混合物をトルエン(35mL)に溶かして20分間窒素でガスを除去した後、K2CO3(2M,30mL)水溶液を添加する。混合物を激しく攪拌し、12時間100℃で還流させる。冷やしてから反応混合物をCH2Cl2で抽出し、有機層を収集して水で洗浄した後、無水硫酸ナトリウムで乾燥する。溶媒は減圧下で蒸留させ、精製前の化合物をフラッシュシリカゲルカラムクロマトグラフィー(n−hexane/EtOAc=10:2)で精製して濃い赤色の固体化合物14を得た。(0.71g,92% yield)。
<Method B:CH−arylation>
DMF(50mL)に4b(1 equiv)を入れた溶液にpotassium acetate(6 equiv),tert−butylammonium bromide(2 equiv),2−ブロモ−3−へキシルチオフェン(6a,3 equiv)と最後にPlladium acetate(0.2 equiv)を入れて攪拌した。生成された懸濁液を80℃で一晩攪拌した。反応が終了した後、混合物を室温に冷却させてCH2Cl2と水を入れた。有機層を分離して濃縮した。暗い色のオイル結果物をn−hexane/EtOAc(2%)の条件下でフラッシュシリカゲルクロマトグラフィで精製して濃い赤色の固体化合物14を得た。(93% yield)。1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):7.39−7.38(d,J=4Hz,2H,CH−S)、7.05−7.04(d,J=4Hz,2H,CH−C−hexyl)、2.91−2.88(t,J=12Hz,4H,2XArCH2CH2−)、2.66(s,6H,2XN=C−CH3)、1.76−1.73(m,4H,2XArCH2CH−)、1.47−1.31(m,12H,2XCH3(CH2)3)、0.91−89(t,J=8Hz,6H,2XCH3)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):152.82,141.13,138.37,135.67,126.34,125.46,124.17,31.67,30.45,29.99,29.36,23.53,22.59,14.05。C28H36N2S3(496.79):calcd.C67.69,H7.30,N5.64,S19.36;found C67.77,H7.39,N5.55,S19.30。
5,7−Bis−(4−hexylthiophen−2−yl)−2,3−ジメチルチエノ[3,4−b]ピラジン(15)
<Method A:Suzuki−corss coupling>
5n(0.5g,1.55mmol)、2−(4−hexylthiophen−2−yl)−4,4,5,5−tetraメチル−1,3,2−dioxaborolane(13,1.14g,3.88mmol)and Pd(PPh3)4(0.5g,43.5mol%)の混合物をトルエン(35mL)に溶かして20分間窒素でガスを除去した後、K2CO3(2M,30mL)水溶液を添加する。混合物を激しく攪拌し、12時間100℃で還流させる。冷やしてから反応混合物をCH2Cl2で抽出し、有機層を収集して水で洗浄した後、無水硫酸ナトリウムで乾燥する。溶媒は減圧下で蒸留させ、精製前の化合物をフラッシュシリカゲルカラムクロマトグラフィー(n−hexane/EtOAc=10:2)で精製して濃い紫色の固体15を得た。(0.68g,88% yield)。
Method B:CH−arylation
DMF(50mL)に4b(1 equiv)を入れた溶液にpotassium acetate(6 equiv),tert−butylammonium bromide(2 equiv),2−ブロモ−4−へキシルチオフェン(7,3 equiv)と最後にPlladium acetate(0.2 equiv)を入れて攪拌した。生成された懸濁液を80℃で一晩攪拌した。反応が終了した後、混合物を室温に冷却させてCH2Cl2と水を入れた。有機層を分離して濃縮した。暗い色のオイル結果物をn−hexane/EtOAc(2%)の条件下でフラッシュシリカゲルクロマトグラフィで精製し、濃い紫色の固体化合物15(57% yield)と粘性のある紫色のオイル16(30% yield)を得た。
Compound 15:1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):7.37(s、2H,2XCH−S)、6.86(s、2H,2XCH−C−hexyl)、2.71−2.68(t,J=12Hz,4H,2XArCH2CH2−)、2.57(s、6H,2XN=C−CH3)、1.67−1.58(m,4H,2XArCH2CH2−)、1.30−1.19(m,12H,2XCH3(CH2)3)、0.88−0.80(t,J=8Hz,6H,2XCH3)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):153.24,143.52,137.86,134.33,125.77,123.82,120.94,31.69,31.57,30.40,29.00,23.72,22.62,14.10.C28H36N2S3(469.79):calcd.C67.69,H7.30,N5.64,S19.36;found C67.55,H7.19,N5.60,S19.44。
5−(4−hexylthiophen−2−yl)−2,3−ジメチルチエノ[3,4−b]ピラジン(16)
1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):7.35(s、1H,CH−S)、6.95(s、1H,CH−C−hexyl)、6.84(s、1H,hexyl−C−CH−2)、2.71−2.68(t,J=12Hz,2H,ArCH2CH2−)、2.54(s、6H,2XN=C−CH3)、1.67−1.57(m,2H,ArCH2CH2−)、1.33−1.18(m,6H,CH3(CH2)3)、0.82−0.79(t,J=12Hz,3H,CH3)。13C NMR(CDCl3,100MHz,δ/ppm):153.20,143.49,137.88,134.35,127.07,125.73,127.73,120.90,115.05,31.70,31.58,30.40,29.02,23.69,22.64,14.10。C18H22N2S2(330.51):calcd.C65.41,H6.71,N8.48,S19.40;found C65.33,H6.79,N8.53,S19.44。
3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル−bis(tributylstannane)(17)
環操されたTHF(100mL)に3−ヘキシルチオフェン(1g,5.94mmol)を入れて−80℃に冷却させ、n−BuLi(5.94mL,14.85mmol,2.5 M in hexane)を60分にかけてゆっくり一滴ずつ入れる。反応混合物を-80℃で3時間攪拌した。Tributyltin chloride(4.56mL,14.85mmol)を反応混合物に30分にかけてゆっくり一滴ずつ入れる。−80℃で30分間攪拌した後、反応混合物の温度を室温まで上昇させて更に2時間攪拌し、NH4Cl水溶液で処理(quenching)する。反応混合物をエチルアセテートで抽出した後、有機層を水で洗浄して無水硫酸ナトリウムで乾燥させる。溶媒は蒸留させ、精製前の混合物をトリエチルアミンで処理したシリカゲルを利用してフラッシュカラムクロマトグラフィーで精製し、目的の化合物17を得た(4.21g,95% yield)。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ=7.06(s、1H,CH−C−hexyl)、2.76−2.73(t,J=12Hz,2H,ArCH2−,hexyl)、1.62(m,14H,ArCH2CH2−,hexyl+6X−(CH2)2−CH2−,butyl)、1.44−1.40(m,24H,6X−(CH2)2−CH2−,butyl)、1.25−1.15(m,6H,CH3(CH2)3−,hexyl) and 0.99−0.91(m,21H,CH3,hexyl+6XCH3,butyl)ppm.13C NMR(100MHz,CDCl3):δ=144.30,136.80,136.05,125.58,31.64,30.91,29.25,29.09,27.54,27.37,22.77,14.12,13.74,10.78ppm。C34H68SSn2(746.39):calcd.C54,71、H9.18,S4.30,Sn31.81;found C54,59、H9.23,S4.40。
5,5’−ジブロモ−3,3’−dihexyl−2,2’−biチオフェン(20)
乾燥したTHF(65mL)に3,3’−dihexyl−2,2’−biチオフェン:(1.7g,5.08mmol)を入れて氷で冷たく冷却させた後、NBS(2.26g,12.70mmol)を追加する。0℃で30分間攪拌した後、追加に反応混合物を常温で一晩攪拌し、NH4Cl飽和水溶液で処理(quenching)する。反応混合物をエチルアセテートで抽出した後、有機層を水で洗浄する。有機層を収集して無水硫酸ナトリウムで乾燥し、真空下で残余有機溶媒を除去する。精製前の混合物をフラッシュシリカゲルカラムクロマトグラフィー(n−hexane/EtOAc=10:2)で精製して黄色のオイル化合物20を得た。(2.35g,94% yield)。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ=6.90(s,2H,2XCH−Br)、2.44−2.40(t,J=16Hz,4H,2XArCH2)、1.66(m,4H,2XArCH2CH2)、1.25−1.22(m,12H,2XCH3(CH2)3)、and 0.87−0.84(t,J=12Hz,6H,2XArCH3)ppm。13C NMR(100MHz,CDCl3):δ=143.81,131.37,128.83,112.35,31.56,30.49,28.96,28.71,22.58,14.05ppm。C20H28Br2S2(492.37):calcd.C48.79,H5.73,Br32.46,S13.02;found C48.67,H5.81,Br32.29,S13.15。
<マイクロ波を利用したスチレクロスカップリング重合のための一般的な方法>
よく乾燥されたねじ蓋型のガラス管に同モル比で望みのジブロモとdi−tributylstannyl誘導体(0.5mmol)を入れて乾燥されたDMFに溶かした後、30分間窒素を使用して混合物に内包されたガスを除去してから、Pd(PPh)4(5mol%,relative to Br)を入れる。蓋があるガラス管をマイクロ波反応機に入れ、以下の条件下で照査する:5min 100℃で5分、120℃で5分、150℃で30分。末端封鎖作業は2ステップで行われる。まず、phenylboronic acid pinacol esterを使用し、次にボロモbenzeneを使用した。末端封鎖条件:100℃で2分、120℃で2分、150℃で5分。次に、最後の末端封鎖方法として、マイクロ波ねじ蓋ガラス管を室温に上昇させてから反応混合物にメタノールを注ぐ。精製前のポリマーは濾過して収集し、続いてメタノールで洗浄した。残留固体を円筒濾紙にロードし、メタノールで24時間、続いてアセトンで24時間洗浄した後、真空で乾燥してからGPC及び1H NMR分析器を介して分析した。
<マイクロ波を利用したCH−アリール化重合のための一般的な方法>
よく乾燥されたねじ蓋型のガラス管に同モル比で望みのジブロモと不飽和EDOT誘導体(0.5mmol)を入れ、乾燥されたDMF(20mL)に溶かした後、20分間窒素を使用して混合物に内包されたガスを除去してから、Potassium acetate(6.0 equiv),tetrabutylammonium bromide(TBAB;2.0 equiv)及びPd(OAc)2(0.2 equiv)を窒素状態下で追加する。蓋があるガラス管をマイクロ波反応機に入れ、以下の条件下で照査する:5 min 100℃で5分、120℃で5分、100℃で30分。末端封鎖はphenylboronic acid pinacol esterを使用して1ステップで行った。末端封鎖条件は以下のようである:100℃で2分、120℃で2分、最後に150℃で5分。マイクロ波ねじ蓋ガラス管を室温に上昇させた後、反応混合物にメタノールを注ぐ。精製前のポリマーは濾過して収集し、続いてメタノールで洗浄した。残留固体を円筒濾紙にロードし、メタノールで48時間、続いてアセトンで48時間洗浄した後、真空で乾燥してからGPC及び1H NMR分析器を介して分析した。
ポリ[(チエノ[3,4−b]ピラジン−5,7−ジイル)−alt−(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)](P1)
1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):8.53(br s,2H,N=CH−CH=N)、7.00(s,br,1H,CHC−hexyl)、2.64(br s,2H,Ar−CH2CH2−)、1.86−1.69(br s,2H,Ar−CH2CH2−)、1.32−1.25(m,6H,CH3(CH2)3)、0.89(br s,3H,CH3)。(C16H16N2S2)n(300.44)n:calcd.C63.96、H5.37,N9.32,S21.35;found C63.87、H5.44,N9.25,S21.20。
ポリ[(チエノ[3,4−b]ピラジン−2,5,7−triyl)−2,5−bis(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)](P1’)
1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):8.56(br s,1H,N=CH−CH=N)、7.00(s,br,2H,2XCHC−hexyl)、2.68(br s,4H,2XAr−CH2CH2−)、1.86(br s,4H,2XAr−CH2CH2−)、1.32−1.25(m,12H,2XCH3(CH2)3)、0.88(br s,6H,2XCH3)。(C26H29N2S3)n(465.72)n:calcd.C67.05,H6.28,N6.02,S20.66;found C67.00,H6.21,N5.89,S20.53。
ポリ[(チエノ[3,4−b]ピラジン−5,7−ジイル)−alt−(3,3’−dihexyl−2,2’−biチオフェン−5,5’−ジイル)](P2)
1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):8.50(br s,2H,N=CH−CH=N)、7.58(s,br,2H,2XCHC−hexyl)、2.64(br s,4H,2XAr−CH2CH2)、1.67−1.66(br s,4H,2XAr−CH2CH2−)、1.29(br s,12H,2XCH3(CH2)3)、0.88−0.87(br s,6H,2XCH3)。(C26H30N2S3)n(466.72)n:calcd.C66.91,H6.48,N6.00,S20.61;found C66.78,H6.54,N5.87,S20.69。
ポリ[(チエノ[3,4−b]ピラジン−2,5,7−triyl)−2,5−bis(3,3’−dihexyl−2,2’−biチオフェン−5,5’−ジイル)](P2’)
1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):8.50(br s,1H,N=CH−CH=N)、7.58(s,br,4H,4XCHC−hexyl)、2.64−2.58(br s,8H,4XAr−CH2CH2)、1.65−1.60(br s,8H,4XAr−CH2CH2−)、1.29−1.26(br s,24H,4XCH3(CH2)3)、0.87−0.84(br s,12H,4XCH3)。(C46H57N2S5)n(798.28)n:calcd.C69.21,H7.20,N3.51,S20.08;found C69.43,H7.38,N3.45,S19.87。
ポリ[2,3−ジメチルチエノ[3,4−b]ピラジン−5,7−ジイル)−alt−(3−ヘキシルチオフェン−2,5−ジイル)](P3)
1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):6.98(s,1H,CHC−hexyl)、2.66(br s,8H,Ar−CH2CH2+2XN=CCH3)、1.73(br s,2H,Ar−CH2CH2−)、1.30−1.25(br s,6H,CH3(CH2)3)、0.89−0.88(br s,3H,CH3)。(C18H22N2S2)n(330.51)n:calcd.C65.41,H6.71,N8.48,S19.40;found C65.32,H6.81,N8.59,S19.29。
ポリ[2,3−ジメチルチエノ[3,4−b]ピラジン−5,7−ジイル)−alt−(3,3’−dihexyl−2,2’−biチオフェン−5,5’−ジイル)](P4)
1H NMR(CDCl3,400MHz,δ/ppm):7.52(br s,2H,2XCHC−hexyl)、2.65−2.63(br s,10H,2XAr−CH2CH2+2XN=CCH3)、1.67−1.59(br m,4H,2XAr−CH2CH2−)、1.35−1.29(br m,12H,2XCH3(CH2)3)、0.91−0.85(br m,6H,2XCH3)。(C28H34N2S3)n(494.78)n:calcd.C67.97,H6.93,N5.66,S19.44;found C68.13,H6.85,N5.77,S19.36。
従来の交差カップリング反応に比べ、特に低バンドギャップを示す多様な重合体を低コストと時間で製造することができる。

Claims (4)

  1. 第1単量体及び第2単量体をPdを含む触媒下で反応させるステップを含む下記化10の共重合体の製造方法であって、
    前記第1単量体は下記化3の化合物であり、
    前記第2単量体は下記化5乃至9の化合物又はそれらの混合物のうちから選択され、
    前記化10において、前記Aは下記化13であり、前記Bは下記化15乃至19又はそれらの組み合わせのうちから選択され、*は結合部位を示し、前記nは30−500の整数であり、
    前記化3,5乃至10,13及び15乃至19において、Y,Y’はそれぞれ独立的にS,O,Nのうちから選択され、前記R,R’はそれぞれ独立的にC1乃至C6のアルキル基であり、前記R’’はフェニル基を示し、前記X,X’はそれぞれ独立的にBr,Cl,Iのうちから選択され、前記mは1乃至4の整数であり、前記ZはSi,C,Nのうちから選択され、前記Arはベンゼンを示し、前記Arと結合された前記X及びX’は前記Arの1,3−位置又は1,4−位置に結合されていることを特徴とし、
    前記反応は酢酸カリウム(KOAc)及びt−Bu4NBrを含むN,N−ジメチルフォルムアミドの中で行われることを特徴とする前記化10の共重合体の製造方法。
  2. 前記第1単量体はチエノピラジン誘導体であることを特徴とする請求項1に記載の化10の共重合体の製造方法。
  3. 第1単量体及び第2単量体をPdを含む触媒下で反応させるステップを含む共重合体の製造方法であって、
    前記第1単量体はS,N,Oのうちから選択された第1ヘテロ原子を含む第1ヘテロ環式化合物であって、前記第1ヘテロ原子と隣接した炭素原子に少なくとも一つ以上の水素原子が結合されている第1ヘテロ環式化合物であり、
    前記第2単量体は下記化5の第2ヘテロ環式化合物であり、
    下記化5においてYはS,O,Nのうちから選択され、R’’はフェニル基を示し、X,X’はそれぞれ独立的にBr,Cl,Iのうちから選択され
    前記第1単量体はチエノピラジン誘導体であることを特徴とする共重合体の製造方法。
  4. 前記Pdを含む触媒はPd(OAc)2であることを特徴とする請求項1または3に記載の共重合体の製造方法。
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