JP7494456B2 - Biphenylene derivative, organic semiconductor layer, and organic thin film transistor - Google Patents
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Landscapes
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Description
本発明は、有機半導体材料等の電子材料への展開が可能な新規なビフェニレン誘導体、これを用いた有機半導体層、及び有機薄膜トランジスタに関するものであり、特に移動度及び溶解性に優れることから様々なデバイス作製プロセスに適用可能な新規なビフェニレン誘導体、これを用いた有機半導体層、及び有機薄膜トランジスタに関するものである。 The present invention relates to a novel biphenylene derivative that can be used in electronic materials such as organic semiconductor materials, an organic semiconductor layer using the same, and an organic thin-film transistor, and in particular to a novel biphenylene derivative that has excellent mobility and solubility and can be applied to various device fabrication processes, an organic semiconductor layer using the same, and an organic thin-film transistor.
有機薄膜トランジスタに代表される有機半導体デバイスは、省エネルギー、低コスト及びフレキシブルといった無機半導体デバイスにはない特徴を有することから近年注目されている。この有機半導体デバイスは、有機半導体層、基板、絶縁層、電極等の数種類の材料から構成され、中でも電荷のキャリア移動を担う有機半導体層は該デバイスの中心的な役割を有している。そして、有機半導体デバイス性能は、この有機半導体層を構成する有機半導体材料のキャリア移動度により左右されることから、高キャリア移動度を与える有機半導体材料の出現が所望されている。 Organic semiconductor devices, such as organic thin-film transistors, have been attracting attention in recent years because they offer features not found in inorganic semiconductor devices, such as energy saving, low cost, and flexibility. These organic semiconductor devices are composed of several types of materials, such as an organic semiconductor layer, a substrate, an insulating layer, and electrodes, and among these, the organic semiconductor layer, which is responsible for the movement of charge carriers, plays a central role in the device. Since the performance of organic semiconductor devices depends on the carrier mobility of the organic semiconductor material that composes this organic semiconductor layer, the emergence of organic semiconductor materials that provide high carrier mobility is desired.
有機半導体層を作製する方法としては、高温真空下、有機材料を気化させて実施する真空蒸着法、有機材料を適当な溶媒に溶解させその溶液を塗布する塗布法等の方法が一般的に知られている。このうち、塗布法は、高温高真空条件を用いることなく印刷技術を用いても実施することができる。従って、デバイス作製の大幅な製造コストの削減を図ることが期待でき、経済的に好ましいプロセスである。 Commonly known methods for producing organic semiconductor layers include the vacuum deposition method, in which organic materials are vaporized under high temperature and vacuum, and the coating method, in which an organic material is dissolved in a suitable solvent and the solution is coated. Of these, the coating method can also be carried out using printing technology without using high temperature and high vacuum conditions. Therefore, it is expected that the manufacturing costs of device production will be significantly reduced, making it an economically preferable process.
このような塗布法に使用される有機半導体材料は、デバイス作製のプロセス上の観点から、0.1cm2/V・sec以上のキャリア移動度、及び室温での溶解度が0.1重量%以上を持つことが好ましい。 From the viewpoint of the device fabrication process, the organic semiconductor material used in such a coating method preferably has a carrier mobility of 0.1 cm 2 /V·sec or more and a solubility of 0.1 wt % or more at room temperature.
ここで、一般的に、縮合環系の棒状の分子長軸を有する低分子半導体は、高分子半導体と比べて結晶性が高いため高キャリア移動度を発現しやすいことが知られている。しかし、縮合環数が5以下の場合低融点となる課題があり、一方、縮合環数が6以上の場合低溶解性となる課題があり、高キャリア移動度、高耐熱性、及び適当な溶解性を兼ね合わせた低分子系の有機半導体材料は殆ど知られていないのが現状である。 Here, it is generally known that small molecule semiconductors with a rod-shaped molecular long axis of a fused ring system tend to exhibit high carrier mobility because they have higher crystallinity than polymer semiconductors. However, when the number of fused rings is 5 or less, there is an issue of low melting point, while when the number of fused rings is 6 or more, there is an issue of low solubility. At present, there are almost no known small molecule organic semiconductor materials that combine high carrier mobility, high heat resistance, and appropriate solubility.
現在、低分子系材料としては、2,7-ジアルキル置換ベンゾチエノベンゾチオフェン(縮合4環)(例えば、特許文献1参照及び非特許文献1参照)、6,6’-ジアルキルジナフトチエノチオフェン(縮合6環)(例えば、特許文献2参照)、ターフェニレン誘導体(例えば、特許文献3参照)等が提案されている。 Currently, low molecular weight materials that have been proposed include 2,7-dialkyl-substituted benzothienobenzothiophene (fused 4 rings) (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1), 6,6'-dialkyldinaphthothienothiophene (fused 6 rings) (see, for example, Patent Document 2), and terphenylene derivatives (see, for example, Patent Document 3).
しかし、特許文献1及び非特許文献1に記載されたジアルキル置換ベンゾチエノベンゾチオフェンの場合、130℃以上に加熱するとトランジスタ動作が失われるという問題があった。 However, in the case of the dialkyl-substituted benzothienobenzothiophene described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, there was a problem in that the transistor operation was lost when heated to 130°C or higher.
特許文献2に記載の6,6’-ジアルキルジナフトチエノチオフェンは、60℃での溶解度が0.08g/L以下(0.01重量%以下、トルエン)と低い課題があった。 The 6,6'-dialkyldinaphthothienothiophene described in Patent Document 2 has a problem in that its solubility at 60°C is low, at 0.08 g/L or less (0.01% by weight or less, toluene).
さらに特許文献3に記載のターフェニレン誘導体は、ベンゼン環とシクロブテン環からなる直線性の高い縮合環骨格を有するため、溶解度が低下する課題があった。 Furthermore, the terphenylene derivative described in Patent Document 3 has a highly linear fused ring structure consisting of a benzene ring and a cyclobutene ring, which reduces the solubility.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高キャリア移動度、高耐熱性、適当な溶解性を兼ね備え、かつ、130℃以上の雰囲気に曝されてもトランジスタ動作性能が低下しない新規な塗布型の有機半導体材料を提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above problems, and its purpose is to provide a new coating-type organic semiconductor material that combines high carrier mobility, high heat resistance, and appropriate solubility, and does not deteriorate in transistor operation performance even when exposed to an atmosphere of 130°C or higher.
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討の結果、新規なビフェニレン誘導体が高キャリア移動度を与えると共に、高耐熱性、適当な溶解性を兼ね備え、かつ、熱処理後においても移動度を保持し、スイッチ特性が著しく向上する有機半導体材料となることを見出し、本発明を完成するに到った。 As a result of intensive research to solve the above problems, the inventors discovered that a novel biphenylene derivative provides high carrier mobility, as well as high heat resistance and suitable solubility, and retains mobility even after heat treatment, resulting in an organic semiconductor material with significantly improved switching characteristics, and thus completed the present invention.
即ち、本発明は、下記一般式(1)で示されることを特徴とするビフェニレン誘導体、有機半導体層、それを用いてなる有機薄膜トランジスタに関するものである。 That is, the present invention relates to a biphenylene derivative characterized by the following general formula (1), an organic semiconductor layer, and an organic thin-film transistor using the same.
上記一般式(1)において、Aは、共有結合、酸素、硫黄、セレンを示し、高移動度を
示すビフェニレン誘導体となることから、共有結合、酸素、硫黄が好ましい。上記一般式(1)において、R1~R8におけるハロゲンは、例えば、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素からなる群の一つを示し、安定であることからフッ素が好ましい。
In the above general formula (1), A represents a covalent bond, oxygen, sulfur, or selenium, and is preferably a covalent bond, oxygen, or sulfur since it results in a biphenylene derivative exhibiting high mobility. In the above general formula (1), the halogen in R 1 to R 8 represents, for example, one of the group consisting of fluorine, chlorine, bromine, and iodine, and is preferably fluorine since it is stable.
上記一般式(1)において、R1~R8における炭素数1~20のアルキル基は、例えば、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、イソバレリル基、n-ヘキシル基、イソヘキシル基、n-ヘプチル基、n-オクチル基、n-ノニル基、n-デシル基、n-ドデシル基、n-テトラデシル基、n-オクタデシル基、2-エチルヘキシル基、3-エチルヘプチル基、3-エチルデシル、2-ヘキシルデシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基等の直鎖、分岐、又は環状アルキル基からなる群の一つが挙げられる。そして、その中でも特に高移動度及び高溶解性を示すビフェニレン誘導体となることから、炭素数1~14のアルキル基が好ましく、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-ヘプチル基、n-オクチル基、n-ノニル基、n-デシル基、n-ドデシル基、n-テトラデシル基である炭素数1~14の直鎖アルキル基からなる群の一つがさらに好ましい。
なお、該炭素数1~20のアルキル基は、少なくとも一つ以上の水素をフッ素に置換することができる。
In the above general formula (1), examples of the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms for R 1 to R 8 include one selected from the group consisting of straight-chain, branched, or cyclic alkyl groups such as methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, n-pentyl, isovaleryl, n-hexyl, isohexyl, n-heptyl, n-octyl, n-nonyl, n-decyl, n-dodecyl, n-tetradecyl, n-octadecyl, 2-ethylhexyl, 3-ethylheptyl, 3-ethyldecyl, 2-hexyldecyl, cyclopentyl, cyclohexyl, and cycloheptyl. Among these, an alkyl group having 1 to 14 carbon atoms is preferred, since it results in a biphenylene derivative exhibiting particularly high mobility and high solubility, and more preferred is one selected from the group consisting of linear alkyl groups having 1 to 14 carbon atoms, which are methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl group, n-octyl group, n-nonyl group, n-decyl group, n-dodecyl group, and n-tetradecyl group.
In addition, in the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, at least one hydrogen can be substituted with a fluorine.
上記一般式(1)において、R1~R8における炭素数2~20のアルケニル基は、例えば、エテニル基、n-プロペニル基、n-ブテニル基、2-メチルプロペニル基、n-ペンテニル基、2-メチルブテニル基、n-ヘキセニル基、2-メチルペンテニル基、n-ヘプテニル基、n-オクテニル基、2-エチルヘキセニル基、n-ノネル基、2-エチルヘプテニル基、n-デセニル基、n-ドデセニル基、シクロペンテニル-1-基、シクロヘキセニル-1-基、シクロヘプテニル-1-基からなる群の一つが挙げられる。
なお、該炭素数2~20のアルケニル基は、少なくとも一つ以上の水素をフッ素に置換することができる。
In the above general formula (1), examples of the alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms for R 1 to R 8 include one selected from the group consisting of ethenyl, n-propenyl, n-butenyl, 2-methylpropenyl, n-pentenyl, 2-methylbutenyl, n-hexenyl, 2-methylpentenyl, n-heptenyl, n-octenyl, 2-ethylhexenyl, n-nonyl, 2-ethylheptenyl, n-decenyl, n-dodecenyl, cyclopentenyl-1-group, cyclohexenyl-1-group, and cycloheptenyl-1-group.
In addition, in the alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, at least one hydrogen can be substituted with a fluorine.
上記一般式(1)において、R1~R8における炭素数2~20のアルキニル基は、例えば、エチニル基、n-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-ヘプチニル基、n-オクチニル基、n-ノニニル基、n-デシニル基、n-ドデシニル基からなる群の一つが挙げられる。
なお、該炭素数2~20のアルキニル基は、少なくとも一つ以上の水素をフッ素に置換することができる。
In the above general formula (1), examples of the alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms for R 1 to R 8 include one selected from the group consisting of an ethynyl group, an n-propynyl group, an n-butynyl group, an n-pentynyl group, an n-hexynyl group, an n-heptynyl group, an n-octynyl group, an n-nonynyl group, an n-decynyl group, and an n-dodecynyl group.
In addition, in the alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, at least one hydrogen can be substituted with a fluorine.
上記一般式(1)において、R1~R8における炭素数4~26のアリール基は、炭素数4~24のヘテロアリール基を含む。例えば、フェニル基;p-トリル基、p-(n-ヘキシル)フェニル基、p-(n-オクチル)フェニル基、p-(2-エチルヘキシル)フェニル基等のアルキル置換フェニル基;2-フリル基、2-チエニル基;5-フルオロ-2-フリル基、5-メチル-2-フリル基、5-エチル-2-フリル基、5-(n-プロピル)-2-フリル基、5-(n-ブチル)-2-フリル基、5-(n-ペンチル)-2-フリル基、5-(n-ヘキシル)-2-フリル基、5-(n-オクチル)-2-フリル基、5-(2-エチルヘキシル)-2-フリル基、5-フルオロ-2-チエニル基、5-メチル-2-チエニル基、5-エチル-2-チエニル基、5-(n-プロピル)-2-チエニル基、5-(n-ブチル)-2-チエニル基、5-(n-ペンチル)-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-(2-エチルヘキシル)-2-チエニル基等のアルキル置換ヘテロアリール基からなる群の一つを挙げることができる。
なお、該炭素数4~26のアリール基は、少なくとも一つ以上の水素をフッ素に置換することができる。
In the above general formula (1), the aryl group having 4 to 26 carbon atoms in R 1 to R 8 includes a heteroaryl group having 4 to 24 carbon atoms. For example, there are phenyl groups; alkyl-substituted phenyl groups such as p-tolyl, p-(n-hexyl)phenyl, p-(n-octyl)phenyl, and p-(2-ethylhexyl)phenyl groups; 2-furyl groups, 2-thienyl groups; 5-fluoro-2-furyl groups, 5-methyl-2-furyl groups, 5-ethyl-2-furyl groups, 5-(n-propyl)-2-furyl groups, 5-(n-butyl)-2-furyl groups, 5-(n-pentyl)-2-furyl groups, 5-(n-hexyl)-2-furyl groups, 5-(n-octyl)-2-furyl groups, and the like. [0043] Examples of the alkyl substituted heteroaryl groups include 5-(n-furyl) group, 5-(2-ethylhexyl)-2-furyl group, 5-fluoro-2-thienyl group, 5-methyl-2-thienyl group, 5-ethyl-2-thienyl group, 5-(n-propyl)-2-thienyl group, 5-(n-butyl)-2-thienyl group, 5-(n-pentyl)-2-thienyl group, 5-(n-hexyl)-2-thienyl group, 5-(n-octyl)-2-thienyl group, and 5-(2-ethylhexyl)-2-thienyl group.
In addition, in the aryl group having 4 to 26 carbon atoms, at least one hydrogen atom can be substituted with a fluorine atom.
上記一般式(1)において、一般式(2)を構成しなかったR1~R8としては、高移動度のため、水素、ハロゲン、炭素数1~20のアルキル基からなる群の一つが好ましく、水素、フッ素、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基からなる群の一つがさらに好ましく、水素が特に好ましい。 In the above general formula (1), R 1 to R 8 that do not constitute general formula (2) are preferably one of the group consisting of hydrogen, halogen, and an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, more preferably one of the group consisting of hydrogen, fluorine, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, and an n-butyl group, in order to have high mobility, and particularly preferably hydrogen.
上記一般式(1)におけるR1~R4の隣接する二つからなる組合せの内の1組、及びR5~R8の隣接する二つからなる組合せの内の1組が一般式(2)を構成し、4~6員環を形成することができるが、4~6員環の具体例としてはシクロブテン環、チオフェン環、フラン環、セレノフェン環、チアゾール環、オキサゾール環、ピロール環、イミダゾール環、ベンゼン環、ピリジン環からなる群の一つを挙げることができ、高移動度のため、シクロブテン環、チオフェン環、フラン環、セレノフェン環、ベンゼンからなる群の一つ環が好ましい。 One of the combinations of any two adjacent rings of R 1 to R 4 in the above general formula (1) and one of the combinations of any two adjacent rings of R 5 to R 8 constitute general formula (2) and can form a 4- to 6-membered ring. Specific examples of the 4- to 6-membered ring include one from the group consisting of a cyclobutene ring, a thiophene ring, a furan ring, a selenophene ring, a thiazole ring, an oxazole ring, a pyrrole ring, an imidazole ring, a benzene ring, and a pyridine ring. In view of high mobility, a ring from the group consisting of a cyclobutene ring, a thiophene ring, a furan ring, a selenophene ring, and a benzene ring is preferred.
一般式(1)においてR1~R4、及びR5~R8の隣接する二つからなる組合せの内、高移動度のため、R1とR2及びR5とR6、R1とR2及びR7とR8、またはR2とR3及びR6とR7が一般式(2)を構成することが好ましい。 In the general formula (1), among the combinations of two adjacent groups among R 1 to R 4 and R 5 to R 8 , it is preferred that R 1 and R 2 , R 5 and R 6 , R 1 and R 2 , R 7 and R 8 , or R 2 and R 3 and R 6 and R 7 constitute the general formula (2) in order to achieve high mobility.
一般式(2)のXは共有結合、酸素、硫黄、セレン、CR10=CR11、又はNR12からなる群の一つを示し、YはCR13又は窒素を示す。高移動度のため、Xは共有結合、酸素、硫黄、セレン、又はCR10=CR11からなる群の一つを示し、かつYがCR13であることが好ましく、Xが共有結合、酸素、硫黄、又はセレンからなる群の一つを示し、かつYがCR13であることがさらに好ましい。
ここで、R2とR3及びR6とR7が一般式(2)を構成する場合は、高溶解性のため、Xは酸素、硫黄、セレンからなる群の一つが好ましい。
In the general formula (2), X represents one of the group consisting of a covalent bond, oxygen, sulfur, selenium, CR10 = CR11 , or NR12 , and Y represents CR13 or nitrogen. For high mobility, it is preferred that X represents one of the group consisting of a covalent bond, oxygen, sulfur, selenium, or CR10 = CR11 , and Y represents CR13 , and it is even more preferred that X represents one of the group consisting of a covalent bond, oxygen, sulfur, or selenium, and Y represents CR13 .
When R2 and R3 , and R6 and R7 form the general formula (2), X is preferably one of the group consisting of oxygen, sulfur, and selenium for high solubility.
一般式(2)において、nは1または2を示す。nが2の場合は下記の一般式(3)のいずれか一つを意味する。高溶解性のため、nは1であることが好ましい。 In general formula (2), n is 1 or 2. When n is 2, it means one of the following general formulas (3). For high solubility, n is preferably 1.
一般式(2)において、R9~R13は、それぞれ独立して、水素、ハロゲン、炭素数1~20のフッ素置換アルキル基、炭素数2~20のアルケニル基、炭素数2~20のアルキニル基、4位に置換基を有する炭素数5~26のヘテロアリール-2-基からなる群の一つを示し、R9~R13のうち少なくとも1つが、炭素数1~20のフッ素置換アルキル基または4位に置換基を有する炭素数4~26のヘテロアリール-2-基を示し、高溶解性のため、R9はハロゲン、炭素数1~20のフッ素置換アルキル基、炭素数2~20のアルケニル基、炭素数2~20のアルキニル基、4位に置換基を有する炭素数5~26のヘテロアリール-2-基からなる群の一つであることが好ましい。また、高移動度及び高溶解性のため、R10~R13が、水素、フッ素、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基からなる群の一つであることが好ましい。高移動度のため、水素が特に好ましい。 In general formula (2), R 9 to R 13 each independently represent one of the group consisting of hydrogen, halogen, a fluorine-substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, an alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, and a heteroaryl-2-group having 5 to 26 carbon atoms and a substituent at the 4th position, at least one of R 9 to R 13 represents a fluorine-substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or a heteroaryl-2-group having 4 to 26 carbon atoms and a substituent at the 4th position, and for high solubility, R 9 is preferably one of the group consisting of halogen, a fluorine-substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, an alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, and a heteroaryl-2-group having 5 to 26 carbon atoms and a substituent at the 4th position. Also, for high mobility and high solubility, R 10 to R 13 are preferably one of the group consisting of hydrogen, fluorine, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, and an n-butyl group. Hydrogen is particularly preferred due to its high mobility.
R9~R13のハロゲン、炭素数2~20のアルケニル基、炭素数2~20のアルキニル基の例は、上記R1~R8で示した基を挙げることができる。該炭素数2~20のアルケニル基、炭素数2~20のアルキニル基、及び4位に置換基を有する炭素数5~26のヘテロアリール-2-基は、少なくとも一つ以上の水素をフッ素に置換することができる。 Examples of the halogen, alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, and alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms of R 9 to R 13 include the groups shown above for R 1 to R 8. In the alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, alkynyl group having 2 to 20 carbon atoms, and heteroaryl-2-group having 5 to 26 carbon atoms and having a substituent at the 4-position, at least one hydrogen can be substituted with a fluorine.
一般式(2)における、R9~R13の炭素数1~20のフッ素置換アルキル基は、例えば、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基、ノナフルオロブチル基、ヘンデカフルオロペンチル基、トリデカフルオロヘキシル基、ペンタデカフルオロヘプチル基、ヘプタデカフルオロオクチル基、ノナデカフルオロノニル基、ヘンイコサフルオロデシル基、トリイコサフルオロヘンデシル基、ペンタイコサフルオロドデシル基を挙げることができ、高溶解性のため、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基、ノナフルオロブチル基、ヘンデカフルオロペンチル基、トリデカフルオロヘキシル基、ペンタデカフルオロヘプチル基、ヘプタデカフルオロオクチル基からなる群の一つが好ましい。 In the general formula (2), examples of the fluorine-substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms represented by R 9 to R 13 include a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a heptafluoropropyl group, a nonafluorobutyl group, a hendecafluoropentyl group, a tridecafluorohexyl group, a pentadecafluoroheptyl group, a heptadecafluorooctyl group, a nonadecafluorononyl group, a henicosafluorodecyl group, a triicosafluorohendecyl group, and a pentaicosafluorododecyl group. In view of high solubility, a member of the group consisting of a trifluoromethyl group, a pentafluoroethyl group, a heptafluoropropyl group, a nonafluorobutyl group, a hendecafluoropentyl group, a tridecafluorohexyl group, a pentadecafluoroheptyl group, and a heptadecafluorooctyl group is preferred.
一般式(2)における、R9~R13の4位に置換基を有する炭素数5~26のヘテロアリール-2-基は、例えば、4-ヘキシル-2-チエノ基、4-ヘプチル-2-チエノ基、4-オクチル-2-チエノ基、4-ノニル-2-チエノ基、4-デシル-2-チエノ基、4-オクチル-2-フラノ基、4-トリデカフルオロヘキシル-2-チエノ基からなる群の一つを挙げることができ、高溶解性のため、4-ヘキシル-2-チエノ基、4-ヘプチル-2-チエノ基、4-オクチル-2-チエノ基、4-ノニル-2-チエノ基、4-デシル-2-チエノ基からなる群の一つが好ましい。 In the general formula (2), the heteroaryl-2-group having 5 to 26 carbon atoms and having a substituent at the 4-position of R 9 to R 13 can be, for example, one from the group consisting of 4-hexyl-2-thieno group, 4-heptyl-2-thieno group, 4-octyl-2-thieno group, 4-nonyl-2-thieno group, 4-decyl-2-thieno group, 4-octyl-2-furano group, and 4-tridecafluorohexyl-2-thieno group. In view of high solubility, one from the group consisting of 4-hexyl-2-thieno group, 4-heptyl-2-thieno group, 4-octyl-2-thieno group, 4-nonyl-2-thieno group, and 4-decyl-2-thieno group is preferred.
一般式(2)において、R9~R13としては、高移動度のため、水素、ハロゲン、炭素数1~20のフッ素置換アルキル基、4位に置換基を有する炭素数5~26のヘテロアリール-2-基が好ましく、水素、フッ素、ノナフルオロブチル基、ヘンデカフルオロペンチル基、トリデカフルオロヘキシル基、ペンタデカフルオロヘプチル基、ヘプタデカフルオロオクチル基、4-ヘキシル-2-チエノ基、4-ヘプチル-2-チエノ基、4-オクチル-2-チエノ基、4-ノニル-2-チエノ基、4-デシル-2-チエノ基からなる群の一つがさらに好ましい。 In general formula (2), R 9 to R 13 are preferably hydrogen, halogen, a fluorine-substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or a heteroaryl-2-group having 5 to 26 carbon atoms and a substituent at the 4-position, in order to achieve high mobility, and more preferably one of the group consisting of hydrogen, fluorine, a nonafluorobutyl group, a hendecafluoropentyl group, a tridecafluorohexyl group, a pentadecafluoroheptyl group, a heptadecafluorooctyl group, a 4-hexyl-2-thieno group, a 4-heptyl-2-thieno group, a 4-octyl-2-thieno group, a 4-nonyl-2-thieno group, or a 4-decyl-2-thieno group.
一般式(2)において、R9~R13としては、高移動度及び高溶解性のため、R9が炭素数1~20のフッ素置換アルキル基、4位に置換基を有する炭素数5~26のヘテロアリール-2-基からなる群の一つ、R10~R13が、水素、フッ素、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基からなる群の一つであることが好ましい。R10~R13は、高移動度のため、水素が特に好ましい。 In general formula (2), for R 9 to R 13 , in order to achieve high mobility and high solubility, it is preferable that R 9 is one of the group consisting of a fluorine-substituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms and a heteroaryl-2-group having 5 to 26 carbon atoms and having a substituent at the 4-position, and R 10 to R 13 are one of the group consisting of hydrogen, fluorine, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group and an n-butyl group. For R 10 to R 13 , hydrogen is particularly preferable in order to achieve high mobility.
本発明のビフェニレン誘導体のより好ましい具体的な骨格は、下記一般式(1-1)~(1-22)からなる群の少なくとも一つで示される。これらの中でもこれらの中でも高溶解性の観点から(1-1)~(1-10)が好ましく、高移動度の観点から、分子長軸を有する一般式(1-1)~(1-5)からなる群の一つが好ましく、点対称構造の一般式(1-1)~(1-3)からなる群の一つがさらに好ましい。 A more preferred specific skeleton of the biphenylene derivative of the present invention is represented by at least one of the group consisting of the following general formulae (1-1) to (1-22). Among these, from the viewpoint of high solubility, (1-1) to (1-10) are preferred, and from the viewpoint of high mobility, one of the group consisting of general formulae (1-1) to (1-5) having a molecular long axis is preferred, and one of the group consisting of general formulae (1-1) to (1-3) having a point-symmetric structure is even more preferred.
本発明のビフェニレン誘導体の具体的例示としては、以下のものを挙げることができる。
Specific examples of the biphenylene derivative of the present invention include the following.
本発明のビフェニレン誘導体の製造方法としては、該ビフェニレン誘導体を製造することが可能であれば如何なる製造方法を用いることも可能である。 As a method for producing the biphenylene derivative of the present invention, any method can be used as long as it is possible to produce the biphenylene derivative.
本発明のビフェニレン誘導体の製造方法としては、例えば、一般式(1)のAが共有結合、R3、R4、R7、R8が水素で、一般式(2)のnが1、Xが硫黄で、かつYが炭素、R9が4-アルキルチエノ-2-基、R13が水素である一般式(1)のビフェニレン誘導体(1-1a)は、下記A1~G1の工程を経る方法により製造することができる。 As a method for producing the biphenylene derivative of the present invention, for example, a biphenylene derivative (1-1a) of general formula (1) in which A in general formula (1) is a covalent bond, R 3 , R 4 , R 7 , and R 8 are hydrogen, and n in general formula (2) is 1, X is sulfur, Y is carbon, R 9 is a 4-alkylthieno-2-group, and R 13 is hydrogen can be produced by a method including the following steps A1 to G1.
(A1工程);パラジウム触媒の存在下、1-ブロモ-4-フルオロ-2-ヨードベンゼンから誘導された1-ブロモ-4-フルオロフェニル-2-亜鉛クロライドと、2-ブロモ-4-フルオロ-1-ヨードベンゼンから2,2’-ジブロモ-4,5’-ジフルオロビフェニルを製造する工程。
(B1工程);A1工程により得られた2,2’-ジブロモ-4,5’-ジフルオロビフェニルをブチルリチウムでジリチウム塩とし、塩化銅(II)で分子内環化することによる2,6-ジフルオロビフェニレンを製造する工程。
(C1工程);B1工程により得られた2,6-ジフルオロビフェニレンをリチウムジイソプロピルアミド(以後、LDAと略す。)処理/ヨウ素化で2,6-ジフルオロ-1,5-ジハロビフェニレンを製造する工程。
(D1工程);パラジウム/銅触媒の存在下、C1工程により得られた2,6-ジフルオロ-1,5-ジハロビフェニレンとトリメチルシリルアセチレンの薗頭カップリングにより2,6-ジフルオロ-1,5-ビス(トリメチルシリルエチニル)ビフェニレンを製造する工程。
(E1工程);D1工程により得られた2,6-ジフルオロ-1,5-ビス(トリメチルシリルエチニル)ビフェニレンと硫化ナトリウムを反応に供し、ビフェニレン誘導体(無置換体)を製造する工程。
(F1工程);E1工程により得られたビフェニレン誘導体(無置換体)からブチルリチウム処理/ブロモ化で2,7-ジブロモジチエノビフェニレンを製造する工程。
(G1工程);F1工程により得られた2,7-ジブロモジチエノビフェニレンと2-トリメチルスタニル-4-アルキルチオフェンをパラジウムカップリングによりビフェニレン誘導体(1-1a)を製造する工程。
(Step A1): A step of producing 2,2'-dibromo-4,5'-difluorobiphenyl from 1-bromo-4-fluorophenyl-2-zinc chloride derived from 1-bromo-4-fluoro-2-iodobenzene and 2-bromo-4-fluoro-1-iodobenzene in the presence of a palladium catalyst.
(Step B1): A step of producing 2,6-difluorobiphenylene by converting 2,2'-dibromo-4,5'-difluorobiphenyl obtained in Step A1 into a dilithium salt with butyllithium and intramolecularly cyclizing the salt with copper(II) chloride.
(Step C1): A step of producing 2,6-difluoro-1,5-dihalobiphenylene by treating 2,6-difluorobiphenylene obtained in Step B1 with lithium diisopropylamide (hereinafter abbreviated as LDA) and iodinating it.
(Step D1): A step of producing 2,6-difluoro-1,5-bis(trimethylsilylethynyl)biphenylene by Sonogashira coupling of the 2,6-difluoro-1,5-dihalobiphenylene obtained in Step C1 with trimethylsilylacetylene in the presence of a palladium/copper catalyst.
(Step E1): A step of reacting 2,6-difluoro-1,5-bis(trimethylsilylethynyl)biphenylene obtained in Step D1 with sodium sulfide to produce a biphenylene derivative (unsubstituted).
(Step F1): A step of producing 2,7-dibromodithienobiphenylene by treating the biphenylene derivative (unsubstituted) obtained in Step E1 with butyllithium and then brominating it.
(Step G1): A step of producing a biphenylene derivative (1-1a) by palladium coupling of 2,7-dibromodithienobiphenylene obtained in Step F1 with 2-trimethylstannyl-4-alkylthiophene.
以下、A1~G1の各工程の詳細を以下に示す。 Details of each step from A1 to G1 are given below.
該A1工程は、パラジウム触媒の存在下、1-ブロモ-4-フルオロ-2-ヨードベンゼンから誘導された1-ブロモ-4-フルオロフェニル-2-亜鉛クロライドと、2-ブロモ-4-フルオロ-1-ヨードベンゼンのクロスカップリングから2,2’-ジブロモ-4,5’-ジフルオロビフェニルを製造する工程である。
1-ブロモ-4-フルオロフェニル-2-亜鉛クロライドは、例えば、エチルマグネシウムクロライド、イソプロピルマグネシウムブロマイド等の有機金属試薬を用い、1-ブロモ-4-フルオロ-2-ヨードベンゼンのヨウ素をマグネシウムハライドに交換後(1-ブロモ-4-フルオロフェニル-2-マグネシウムハライドの調製)、塩化亜鉛と金属交換することで調製することができる。また、該有機金属試薬の代わりにマグネシウム金属を用いることも可能である。
1-ブロモ-4-フルオロフェニル-2-マグネシウムハライドを調製する条件としては、例えば、テトラヒドロフラン(以後、THFと記す。)又はジエチルエーテル等の溶媒中、-80℃~20℃の温度範囲内で実施することができる。該マグネシウム塩(1-ブロモ-4-フルオロフェニル-2-マグネシウムハライド)の溶液に塩化亜鉛を反応させることで1-ブロモ-4-フルオロフェニル-2-亜鉛クロライドを調製することができる。塩化亜鉛はそのままの状態でもよいし、THFまたはジエチルエーテル溶液であってもかまわない。該マグネシウム塩と塩化亜鉛との反応の温度としては、-80℃~30℃の範囲内で実施できる。
A1工程におけるパラジウム触媒としては、例えば、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム等を挙げることができ、反応温度としては、20℃~80℃の範囲を挙げることができる。
The step A1 is a step of producing 2,2'-dibromo-4,5'-difluorobiphenyl by cross-coupling of 1-bromo-4-fluorophenyl-2-zinc chloride derived from 1-bromo-4-fluoro-2-iodobenzene with 2-bromo-4-fluoro-1-iodobenzene in the presence of a palladium catalyst.
1-Bromo-4-fluorophenyl-2-zinc chloride can be prepared, for example, by exchanging the iodine of 1-bromo-4-fluoro-2-iodobenzene with magnesium halide using an organometallic reagent such as ethyl magnesium chloride or isopropyl magnesium bromide (preparation of 1-bromo-4-fluorophenyl-2-magnesium halide), followed by metal exchange with zinc chloride. Magnesium metal can also be used instead of the organometallic reagent.
The conditions for preparing 1-bromo-4-fluorophenyl-2-magnesium halide include, for example, a temperature range of −80° C. to 20° C. in a solvent such as tetrahydrofuran (hereinafter referred to as THF) or diethyl ether. 1-Bromo-4-fluorophenyl-2-zinc chloride can be prepared by reacting zinc chloride with a solution of the magnesium salt (1-bromo-4-fluorophenyl-2-magnesium halide). Zinc chloride may be in its original state or in a THF or diethyl ether solution. The reaction between the magnesium salt and zinc chloride can be carried out at a temperature range of −80° C. to 30° C.
Examples of the palladium catalyst in Step A1 include tetrakis(triphenylphosphine)palladium, dichlorobis(triphenylphosphine)palladium, etc., and the reaction temperature can be in the range of 20°C to 80°C.
該B1工程は、A1工程により得られた2,2’-ジブロモ-4,5’-ジフルオロビフェニルを2当量以上のブチルリチウムでジリチウム塩とし、塩化銅(II)で分子内環化することによる2,6-ジフルオロビフェニレンを製造する工程である。
該ジリチウム塩を調製する条件としては、例えば、2~3当量のn-ブチルリチウム又はtert-ブチルリチウムを用い、THF又はジエチルエーテル等の溶媒中、-80℃~20℃の温度範囲で実施することができる。
塩化銅(II)は該ジリチウム塩に対し1~3当量使用し、分子内環化反応は-80℃~30℃の温度範囲で実施することができる。なお、塩化銅(II)の代わりに臭化銅(II)を用いることもできる。
Step B1 is a step of producing 2,6-difluorobiphenylene by converting 2,2'-dibromo-4,5'-difluorobiphenyl obtained in Step A1 into a dilithium salt with 2 or more equivalents of butyllithium and intramolecularly cyclizing the salt with copper(II) chloride.
The dilithium salt can be prepared, for example, by using 2 to 3 equivalents of n-butyllithium or tert-butyllithium in a solvent such as THF or diethyl ether at a temperature range of -80°C to 20°C.
Copper(II) chloride is used in an amount of 1 to 3 equivalents relative to the dilithium salt, and the intramolecular cyclization reaction can be carried out at a temperature range of −80° C. to 30° C. Copper(II) bromide can also be used in place of copper(II) chloride.
該C1工程は、B1工程により得られた2,6-ジフルオロビフェニレンをLDAと反応させ1位と5位にジリチウム塩を発生させた後、ハロゲン化することで2,6-ジフルオロ-1,5-ジハロビフェニレンを製造する工程である。
LDAと反応させる条件としては、例えば、2~4当量のLDAを用い、THF又はジエチルエーテル等の溶媒中、-80℃~20℃の温度範囲で実施することができる。該ジリチウム塩とハロゲン化剤の反応は、-80℃~30℃の範囲で実施することができる。
LDAの代わりに、n-ブチルリチウム、n-ブチルリチウム/テトラメチルエチレンジアミンを用いることができ、ハロゲン化剤としては、ヨウ素、1-クロロ-2-ヨードエタン、N-ヨードスクシンイミド、ブロモトリクロロメタン、テトラブロモメタン、1,2-ジブロモテトラクロロエタン、N-ブロモスクシンイミド(以後、NBSと略す。)、N-フルオルベンゼンスルホンイミド等のハロゲン化剤を用いることができる。
Step C1 is a step in which 2,6-difluorobiphenylene obtained in Step B1 is reacted with LDA to generate dilithium salts at the 1- and 5-positions, and then halogenated to produce 2,6-difluoro-1,5-dihalobiphenylene.
The reaction with LDA can be carried out, for example, using 2 to 4 equivalents of LDA in a solvent such as THF or diethyl ether at a temperature range of −80° C. to 20° C. The reaction of the dilithium salt with a halogenating agent can be carried out at a temperature range of −80° C. to 30° C.
Instead of LDA, n-butyllithium or n-butyllithium/tetramethylethylenediamine can be used, and as the halogenating agent, iodine, 1-chloro-2-iodoethane, N-iodosuccinimide, bromotrichloromethane, tetrabromomethane, 1,2-dibromotetrachloroethane, N-bromosuccinimide (hereinafter abbreviated as NBS), N-fluorobenzenesulfonimide, or the like can be used.
該D1工程は、パラジウム触媒及び銅触媒の存在下、C1工程により得られた2,6-ジフルオロ-1,5-ジハロビフェニレンとトリメチルシリルアセチレンの薗頭カップリングにより2,6-ジフルオロ-1,5-ビス(トリメチルシリルエチニル)ビフェニレンを製造する工程である。
その際のパラジウム触媒としては、例えば、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム等が挙げられ、銅触媒としてはヨウ化銅(I)、臭化銅(I)、塩化銅(I)等を挙げることができる。また、薗頭カップリングでは、トリエチルアミン、ジイソプロピルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、ピペリジン、ピリジン等の溶媒中、20℃~80℃の温度範囲で実施することができる。なお、溶媒としてトルエン、THF等を添加しても良い。
D1工程におけるアルキニル化合物としては、R9を有するアルキニル化合物を用いて(1-1a)を合成することもできる。例えば、ヘプタデカフルオロ-1-デシン等を使用することで、後のE1工程で(1-1a)の合成を完了することもできる。
Step D1 is a step of producing 2,6-difluoro-1,5-bis(trimethylsilylethynyl)biphenylene by Sonogashira coupling of 2,6-difluoro-1,5-dihalobiphenylene obtained in Step C1 with trimethylsilylacetylene in the presence of a palladium catalyst and a copper catalyst.
Examples of the palladium catalyst include tetrakis(triphenylphosphine)palladium and dichlorobis(triphenylphosphine)palladium, and examples of the copper catalyst include copper(I) iodide, copper(I) bromide, and copper(I) chloride. The Sonogashira coupling can be carried out in a solvent such as triethylamine, diisopropylamine, diisopropylethylamine, piperidine, or pyridine at a temperature range of 20° C. to 80° C. Toluene, THF, or the like may be added as a solvent.
As the alkynyl compound in Step D1, an alkynyl compound having R 9 can also be used to synthesize (1-1a). For example, by using heptadecafluoro-1-decyne or the like, the synthesis of (1-1a) can be completed in the subsequent Step E1.
該E1工程は、D1工程により得られた2,6-ジフルオロ-1,5-ビス(トリメチルシリルエチニル)ビフェニレンと硫化ナトリウムの反応により無置換体を製造する工程である。
該反応は、例えば、ジメチルスルホフォキシド(以後、DMSOと略す。)、N,N-ジメチルホルムアミド(以後、DMFと略す。)、N-メチルピロリドン(以後、NMPと略す。)等の溶媒中、40~200℃の温度範囲で実施することができる。
なお、該工程は、2-ハロアルキニルベンゼンからベンゾチオフェン環を合成する公知の反応条件を用いて実施することもできる(例えば、オーガニック レターズ、2009年、11巻、2473~2475頁)。
Step E1 is a step of producing an unsubstituted 2,6-difluoro-1,5-bis(trimethylsilylethynyl)biphenylene obtained in Step D1 by reacting it with sodium sulfide.
The reaction can be carried out in a solvent such as dimethylsulfoxide (hereinafter abbreviated as DMSO), N,N-dimethylformamide (hereinafter abbreviated as DMF), or N-methylpyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP) at a temperature range of 40 to 200° C.
This step can also be carried out using known reaction conditions for synthesizing a benzothiophene ring from a 2-haloalkynylbenzene (for example, Organic Letters, 2009, Vol. 11, pp. 2473-2475).
該F1工程は、E1工程により得られたビフェニレン誘導体(無置換体)からブチルリチウム処理/ブロモ化でビフェニレン誘導体のジブロモ体を製造する工程である。
該反応は、ブチルリチウムで末端チオフェン環の2位プロトンを引き抜いたのち、例えば、ジブロモテトラクロロエタンを添加し、ジブロモ化することができる。
Step F1 is a step of producing a dibromo biphenylene derivative from the biphenylene derivative (unsubstituted) obtained in Step E1 by treating with butyllithium/bromination.
This reaction can be carried out by abstracting the 2-position proton of the terminal thiophene ring with butyllithium, followed by the addition of, for example, dibromotetrachloroethane to effect dibromination.
該G1工程は、F1工程により得られた2,7-ジブロモジチエノビフェニレンと2-トリメチルスタニル-4-アルキルチオフェンをパラジウムカップリングによりビフェニレン誘導体(1-1a)を製造する工程である。
該反応は、塩化リチウムおよびパラジウム触媒存在下、例えば2-トリメチルスタニル-4-オクチルチオフェンと加熱撹拌することでビフェニレン誘導体(1-1a)を製造することができる。
The step G1 is a step of producing a biphenylene derivative (1-1a) by palladium coupling of 2,7-dibromodithienobiphenylene obtained in the step F1 with 2-trimethylstannyl-4-alkylthiophene.
The reaction can be carried out by heating and stirring, for example, 2-trimethylstannyl-4-octylthiophene in the presence of lithium chloride and a palladium catalyst to produce a biphenylene derivative (1-1a).
そして、反応工程数が少ないことから好ましいより具体的な製造方法を以下の反応スキームに示す。 The specific manufacturing method, which is preferred because it requires fewer reaction steps, is shown in the reaction scheme below.
一方、本発明で用いられる一般式(1)のビフェニレン誘導体の内、Aが共有結合、R3、R4、R7、R8が水素で、一般式(2)のnが1、Xが硫黄で、Yが炭素、R13が水素、R9が4-アルキルチエニル-2-基である一般式(1)のビフェニレン誘導体(1-2a)は、下記A2~F2の工程を経る方法により製造することができる。 On the other hand, among the biphenylene derivatives of general formula (1) used in the present invention, a biphenylene derivative (1-2a) of general formula (1) in which A is a covalent bond, R 3 , R 4 , R 7 and R 8 are hydrogen, n in general formula (2) is 1, X is sulfur, Y is carbon, R 13 is hydrogen and R 9 is a 4-alkylthienyl-2- group can be produced by a method including the following steps A2 to F2.
(A2工程);パラジウム触媒の存在下、1-ブロモ-3-フルオロ-2-ヨードベンゼンから誘導された1-ブロモ-3-フルオロフェニル-2-亜鉛クロライドと、2-ブロモ-1-フルオロ-3-ヨードベンゼンから2,2’-ジブロモ-3,6’-ジフルオロビフェニルを製造する工程。
(B2工程);A2工程により得られた2,2’-ジブロモ-3,6’-ジフルオロビフェニルをブチルリチウムでジリチオ化し、N-フルオロベンゼンスルホンイミドと反応させることによる1,5-ジフルオロビフェニレンを製造する工程。
(C2工程);B2工程により得られた1,5-ジフルオロビフェニレンを硫化ナトリウムと反応させ、ジチオールとし、さらに2-ブロモアセトアルデヒドジメチルアセタールと反応させてビフェニレン-1,5-ビス(チオアセトアルデヒドジメチルアセタール)を製造する工程。
(D2工程);C2工程で得られたビフェニレン-1,5-ビス(チオアセトアルデヒドジメチルアセタール)をりん酸触媒で環化し、ジチエノビフェニレンの無置換体を製造する工程。
(E2工程);D2工程により得られたビフェニレン誘導体(無置換体)からブチルリチウム処理/ブロモ化で2,7-ジブロモジチエノビフェニレンを製造する工程。
(F2工程);E2工程により得られた2,7-ジブロモジチエノビフェニレンと2-トリメチルスタニル-4-アルキルチオフェンをパラジウムカップリングによりビフェニレン誘導体(1-2a)を製造する工程。
(Step A2): A step of producing 2,2'-dibromo-3,6'-difluorobiphenyl from 1-bromo-3-fluorophenyl-2-zinc chloride derived from 1-bromo-3-fluoro-2-iodobenzene and 2-bromo-1-fluoro-3-iodobenzene in the presence of a palladium catalyst.
(Step B2): A step of dilithiating the 2,2'-dibromo-3,6'-difluorobiphenyl obtained in Step A2 with butyllithium, followed by reacting with N-fluorobenzenesulfonimide to produce 1,5-difluorobiphenylene.
(Step C2): A step of reacting the 1,5-difluorobiphenylene obtained in Step B2 with sodium sulfide to form a dithiol, which is then reacted with 2-bromoacetaldehyde dimethyl acetal to produce biphenylene-1,5-bis(thioacetaldehyde dimethyl acetal).
(Step D2): A step of cyclizing the biphenylene-1,5-bis(thioacetaldehyde dimethyl acetal) obtained in Step C2 with a phosphoric acid catalyst to produce an unsubstituted dithienobiphenylene.
(Step E2): A step of producing 2,7-dibromodithienobiphenylene from the biphenylene derivative (unsubstituted) obtained in Step D2 by treating with butyllithium/bromination.
(Step F2): A step of producing a biphenylene derivative (1-2a) by palladium coupling of 2,7-dibromodithienobiphenylene obtained in Step E2 with 2-trimethylstannyl-4-alkylthiophene.
以下、A2~F2の各工程の詳細を以下に示す。 Details of each step from A2 to F2 are given below.
該A2~F2工程は、A2工程で、1-ブロモ-3-フルオロ-2-ヨードベンゼン及び2-ブロモ-1-フルオロ-3-ヨードベンゼンを用いること以外は、上記A1~G1工程の試薬及び反応条件等を用いて、(1-2a)で示されるビフェニレン誘導体を製造することができる。 In steps A2 to F2, the biphenylene derivative represented by (1-2a) can be produced using the reagents and reaction conditions in steps A1 to G1 above, except that 1-bromo-3-fluoro-2-iodobenzene and 2-bromo-1-fluoro-3-iodobenzene are used in step A2.
各工程の詳細を以下に示す。 Details of each process are shown below.
B2工程は、例えば、A2工程により得られた2,2’-ジブロモ-3,6’-ジフルオロビフェニルを2当量以上のブチルリチウムでジリチオ化し、ベンザインを発生させて分子内環化し、N-フルオロベンゼンスルホンイミドでフッ素化することによる1,5-ジフルオロビフェニレンを製造する工程である。
該ジリチオ化の条件としては、例えば、2~3当量のn-ブチルリチウム又はtert-ブチルリチウムを用い、THF又はジエチルエーテル等の溶媒中、-80℃~20℃の温度範囲で実施することができる。N-フルオロベンゼンスルホンイミドによるフッ素化は、THF又はジエチルエーテル等の溶媒中、-80℃~20℃の温度範囲で実施することができる。
Step B2 is a step of producing 1,5-difluorobiphenylene by, for example, dilithiating 2,2'-dibromo-3,6'-difluorobiphenyl obtained in Step A2 with 2 equivalents or more of butyllithium, generating benzyne, which is then intramolecularly cyclized, and fluorinating the benzyne with N-fluorobenzenesulfonimide.
The dilithiation can be carried out, for example, using 2 to 3 equivalents of n-butyllithium or tert-butyllithium in a solvent such as THF or diethyl ether at a temperature range of −80° C. to 20° C. Fluorination with N-fluorobenzenesulfonimide can be carried out in a solvent such as THF or diethyl ether at a temperature range of −80° C. to 20° C.
C2工程は、例えば、1,5-ジフルオロビフェニレンを、DMF,NMP等の溶媒中、90℃~150℃で2~6当量の硫化ナトリウム(水和物)と反応させることでビフェニレン-1,5-ジチオールのジナトリウム塩とし、さらに2-ブロモアセトアルデヒドジメチルアセタールを添加し、90℃~150℃で処理する。 In step C2, for example, 1,5-difluorobiphenylene is reacted with 2 to 6 equivalents of sodium sulfide (hydrate) in a solvent such as DMF or NMP at 90°C to 150°C to produce the disodium salt of biphenylene-1,5-dithiol, and then 2-bromoacetaldehyde dimethyl acetal is added and treated at 90°C to 150°C.
D2工程は、例えば、C2工程により得られたビフェニレン-1,5-ビス(チオアセトアルデヒドジメチルアセタール)を5~500wt%のりん酸、ポリりん酸等の触媒下、キシレン、クロロベンゼン等の溶媒中、110~140℃で行う。これにより、ビフェニレン誘導体の無置換体を製造することができる。 In step D2, for example, biphenylene-1,5-bis(thioacetaldehyde dimethyl acetal) obtained in step C2 is reacted in a solvent such as xylene or chlorobenzene at 110 to 140°C in the presence of a catalyst such as 5 to 500 wt % phosphoric acid or polyphosphoric acid. This allows the production of an unsubstituted biphenylene derivative.
F2工程とG2工程は、それぞれF1工程、G1工程と同様の反応である。 Steps F2 and G2 are the same reactions as steps F1 and G1, respectively.
そして、反応工程数が少ないことから好ましいより具体的な製造方法を以下の反応スキームに示す。 The specific manufacturing method, which is preferred because it requires fewer reaction steps, is shown in the reaction scheme below.
さらに、本発明で用いられる一般式(1)のビフェニレン誘導体の内、Aが共有結合、R1、R4、R5、R8が水素で、一般式(2)のnが1、Xが硫黄で、Yが炭素、R9が4-アルキルチエニル-2-基、R13が水素である一般式(1-3)のビフェニレン誘導体(1-3a)は、上記A1及びB1工程で得られた2,6-ジフルオロビフェニレンを原料に下記C3~G3の工程を経る方法により製造することができる。 Furthermore, among the biphenylene derivatives of general formula (1) used in the present invention, a biphenylene derivative (1-3a) of general formula (1-3) in which A is a covalent bond, R 1 , R 4 , R 5 and R 8 are hydrogen, and n in general formula (2) is 1, X is sulfur, Y is carbon, R 9 is a 4-alkylthienyl-2- group and R 13 is hydrogen can be produced by a method that uses 2,6-difluorobiphenylene obtained in the above steps A1 and B1 as a raw material and goes through the following steps C3 to G3.
(C3工程);B1工程により得られた2,6-ジフルオロビフェニレンをハロゲン化し、3,7-ジフルオロ-2,6-ジハロビフェニレンを製造する工程。
(D3工程);パラジウム/銅触媒の存在下、C3工程により得られた3,7-ジフルオロ-2,6-ジハロビフェニレンとトリメチルシリルアセチレンの薗頭カップリングにより3,7-ジフルオロ-2,6-ビス(トリメチルシリルエチニル)ビフェニレンを製造する工程。
(E3工程);D3工程により得られた3,7-ジフルオロ-2,6-ビス(トリメチルシリルエチニル)ビフェニレンと硫化ナトリウムを反応に供し、無置換体を製造する工程。
(F3工程);E3工程により得られたビフェニレン誘導体(無置換体)からブチルリチウム処理/ブロモ化で2,7-ジブロモジチエノビフェニレンを製造する工程。
(G3工程);F3工程により得られた2,7-ジブロモジチエノビフェニレンと2-トリメチルスタニル-4-アルキルチオフェンのパラジウムカップリングによりビフェニレン誘導体(1-3a)を製造する工程。
(Step C3): A step of halogenating the 2,6-difluorobiphenylene obtained in Step B1 to produce 3,7-difluoro-2,6-dihalobiphenylene.
(Step D3): A step of producing 3,7-difluoro-2,6-bis(trimethylsilylethynyl)biphenylene by Sonogashira coupling of the 3,7-difluoro-2,6-dihalobiphenylene obtained in Step C3 with trimethylsilylacetylene in the presence of a palladium/copper catalyst.
(Step E3): A step of reacting the 3,7-difluoro-2,6-bis(trimethylsilylethynyl)biphenylene obtained in Step D3 with sodium sulfide to produce an unsubstituted product.
(Step F3): A step of producing 2,7-dibromodithienobiphenylene by treating the biphenylene derivative (unsubstituted) obtained in Step E3 with butyllithium and brominating it.
(Step G3): A step of producing a biphenylene derivative (1-3a) by palladium coupling of 2,7-dibromodithienobiphenylene obtained in Step F3 with 2-trimethylstannyl-4-alkylthiophene.
該反応工程におけるC3工程は、例えば、B1工程により得られた2,6-ジフルオロビフェニレンを、ハロゲン化剤と反応させ3位と7位をハロゲン化することで3,7-ジフルオロ-2,6-ジハロビフェニレンを製造する工程である。
ハロゲン化剤と反応させる条件としては、例えば、2~4当量のハロゲン化剤を用い、DMF、NMP、DMSO等の溶媒中、20℃~70℃の温度範囲内で実施することができる。
ハロゲン化剤としては、NBS、臭素、ヨウ素、N-ヨードスクシンイミド等のハロゲン化剤を用いることができる。
Step C3 in the reaction process is, for example, a step of reacting 2,6-difluorobiphenylene obtained in step B1 with a halogenating agent to halogenate the 3- and 7-positions to produce 3,7-difluoro-2,6-dihalobiphenylene.
The reaction with a halogenating agent can be carried out, for example, using 2 to 4 equivalents of the halogenating agent in a solvent such as DMF, NMP, or DMSO at a temperature within the range of 20°C to 70°C.
As the halogenating agent, NBS, bromine, iodine, N-iodosuccinimide, or the like can be used.
該D3乃至G3工程は、D3工程で、3,7-ジフルオロ-2,6-ジハロビフェニレンを用いること以外は、上記D1乃至G1工程の試薬及び反応条件等を用いて、(1-3a)で示されるビフェニレン誘導体を製造することができる。 In steps D3 to G3, the biphenylene derivative represented by (1-3a) can be produced using the reagents and reaction conditions of steps D1 to G1 described above, except that 3,7-difluoro-2,6-dihalobiphenylene is used in step D3.
そして、反応工程数が少ないことから好ましいより具体的な製造方法を以下の反応スキームに示す。 The specific manufacturing method, which is preferred because it requires fewer reaction steps, is shown in the reaction scheme below.
本発明のビフェニレン誘導体は、適当な溶媒に溶解させることで該ビフェニレン誘導体を含有する有機半導体層形成用溶液とすることができる。該溶媒としては、一般式(1)で示されるビフェニレン誘導体を溶解することが可能な溶媒であれば如何なる溶媒を使用してもよく、有機半導体層を形成する際、溶媒の乾燥速度を好適なものとすることができることから、常圧での沸点が100℃以上である有機溶媒が好ましい。 The biphenylene derivative of the present invention can be dissolved in a suitable solvent to form a solution for forming an organic semiconductor layer containing the biphenylene derivative. Any solvent can be used as the solvent as long as it is capable of dissolving the biphenylene derivative represented by the general formula (1). Since the drying speed of the solvent can be made suitable when forming the organic semiconductor layer, an organic solvent having a boiling point of 100°C or higher at normal pressure is preferred.
本発明で用いることが可能な溶媒として、特に制限はなく、例えば、トルエン、メシチレン、o-キシレン、イソプロピルベンゼン、ペンチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、1,2,4-トリメチルベンゼン、テトラリン、インダン等の芳香族炭化水素類;アニソール、2-メチルアニソール、3-メチルアニソール、2,3-ジメチルアニソール、3,4-ジメチルアニソール、2,6-ジメチルアニソール、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、1,2-メチレンジオキシベンゼン、1,2-エチレンジオキシベンゼン等の芳香族エーテル類;クロロベンゼン、1,2-ジクロロベンゼン、1,3-ジクロロベンゼン、1,4-ジクロロベンゼン、1,2-ジフルオロベンゼン、1,3-ジフルオロベンゼン、1,4-ジフルオロベンゼン等の芳香族ハロゲン化合物;チオフェン、3-クロロチオフェン、2-クロロチオフェン、3-メチルチオフェン、2-メチルチオフェン、ベンゾチオフェン、2-メチルベンゾチオフェン、2,3-ジヒドロベンゾチオフェン、フラン、3-メチルフラン、2-メチルフラン、2,5-ジメチルフラン、ベンゾフラン、2-メチルベンゾフラン、2,3-ジヒドロベンゾフラン、チアゾール、オキサゾール、ベンゾチアゾール、ベンゾオキサゾール、ピリジン等のヘテロ芳香族類;ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、デカリン等の飽和炭化水素類;ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジアセテート、ジプロピレングリコールメチル-n-プロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート、1,4-ブタンジオールジアセテート、1,3-ブチレングリコールジアセテート、1,3-ブチレングリコールジアセテート、1,6-ヘキサンジオールジアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等のグリコール類;フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、テレフタル酸ジメチル、酢酸フェニル、シクロヘキサノールアセテート、3-メトキシブチルアセテート、テトラヒドロフルフリルアセテート、テトラヒドロフルフリルプロピオネート、γ-ブチロラクトン等のエステル類;THF、2-メトキシメチルテトラヒドロフラン等の環状エーテルからなる群の少なくとも1種などを挙げられることができ、その中でも適度な乾燥速度を持つことから、好ましくはトルエン、o-キシレン、メシチレン、1,2,4-トリメチルベンゼン、テトラリン、インダン、オクタン、ノナン、デカン、アニソール、2-メチルアニソール、3-メチルアニソール、2,3-ジメチルアニソール、3,4-ジメチルアニソール、2,6-ジメチルアニソール、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、1,2-メチレンジオキシベンゼン、1,2-エチレンジオキシベンゼン、クロロベンゼン、1,2-ジクロロベンゼン、1,3-ジクロロベンゼン、1,4-ジクロロベンゼン、3-メチルチオフェン、ベンゾチアゾールからなる群の少なくとも1種であり、さらに好ましくは、トルエン、o-キシレン、メシチレン、テトラリン、インダン、オクタン、ノナン、デカン、アニソール、2-メチルアニソール、3-メチルアニソール、2,3-ジメチルアニソール、3,4-ジメチルアニソール、2,6-ジメチルアニソールからなる群の少なくとも1種である。 Solvents that can be used in the present invention are not particularly limited, and examples thereof include aromatic hydrocarbons such as toluene, mesitylene, o-xylene, isopropylbenzene, pentylbenzene, cyclohexylbenzene, 1,2,4-trimethylbenzene, tetralin, and indane; aromatic ethers such as anisole, 2-methylanisole, 3-methylanisole, 2,3-dimethylanisole, 3,4-dimethylanisole, 2,6-dimethylanisole, ethylphenyl ether, butylphenyl ether, 1,2-methylenedioxybenzene, and 1,2-ethylenedioxybenzene; aromatic halogen compounds such as chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene, 1,4-dichlorobenzene, 1,2-difluorobenzene, 1,3-difluorobenzene, and 1,4-difluorobenzene; thiophene, 3-chlorothiophene, 2-chlorothiophene, and the like. Heteroaromatics such as thiophene, 3-methylthiophene, 2-methylthiophene, benzothiophene, 2-methylbenzothiophene, 2,3-dihydrobenzothiophene, furan, 3-methylfuran, 2-methylfuran, 2,5-dimethylfuran, benzofuran, 2-methylbenzofuran, 2,3-dihydrobenzofuran, thiazole, oxazole, benzothiazole, benzoxazole, and pyridine; saturated hydrocarbons such as hexane, cyclohexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, dodecane, and decalin; dipropylene glycol dimethyl ether, dipropylene glycol diacetate, dipropylene glycol methyl-n-propyl ether, dipropylene glycol methyl ether acetate, 1,4-butanediol diacetate, 1,3-butylene glycol diacetate, 1,3-butylene glycol diacetate Examples of the ester include glycols such as dimethyl phthalate, diethyl phthalate, dimethyl terephthalate, phenyl acetate, cyclohexanol acetate, 3-methoxybutyl acetate, tetrahydrofurfuryl acetate, tetrahydrofurfuryl propionate, and γ-butyrolactone; and cyclic ethers such as THF and 2-methoxymethyltetrahydrofuran. Among these, preferred are toluene, o-xylene, mesitylene, 1,2,4-trimethylphenyl ether, and 1,2,4-trimethylphenyl ether. These have an appropriate drying speed, and therefore are preferred. At least one of the group consisting of methylbenzene, tetralin, indane, octane, nonane, decane, anisole, 2-methylanisole, 3-methylanisole, 2,3-dimethylanisole, 3,4-dimethylanisole, 2,6-dimethylanisole, ethylphenyl ether, butylphenyl ether, 1,2-methylenedioxybenzene, 1,2-ethylenedioxybenzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene, 1,4-dichlorobenzene, 3-methylthiophene, and benzothiazole is preferred, and at least one of the group consisting of toluene, o-xylene, mesitylene, tetralin, indane, octane, nonane, decane, anisole, 2-methylanisole, 3-methylanisole, 2,3-dimethylanisole, 3,4-dimethylanisole, and 2,6-dimethylanisole is more preferred.
なお、本発明で用いる溶媒は、1種類の溶媒を単独で使用、または沸点、極性、溶解度パラメーターなど性質の異なる溶媒を2種類以上混合して使用することが可能である。 In addition, the solvent used in the present invention can be one type of solvent used alone, or two or more types of solvents with different properties such as boiling point, polarity, solubility parameters, etc. can be mixed and used.
一般式(1)で示されるビフェニレン誘導体を溶媒に混合溶解する際の温度としては、溶解を促進させる目的のため、0~80℃の温度範囲で行うことが好ましく、10~60℃の温度範囲で行うことが更に好ましい。
また、一般式(1)で示されるビフェニレン誘導体を有機溶媒に溶解混合する時間は、均一溶液を得るため、1分~1時間で溶解することが好ましい。
本発明では本発明の有機半導体層形成用溶液における一般式(1)で示されるビフェニレン誘導体の濃度が0.1~10.0重量%の範囲であると、取り扱い容易になり、有機半導体層を形成する際の効率により優れるものとなる。また、有機半導体層形成用溶液の粘度が0.3~10mPa・sの範囲であると、より好適な塗工性を発現するものとなる。
The temperature at which the biphenylene derivative represented by the general formula (1) is mixed and dissolved in a solvent is preferably in the range of 0 to 80° C., more preferably 10 to 60° C., in order to promote dissolution.
The time for dissolving and mixing the biphenylene derivative represented by the general formula (1) in the organic solvent is preferably 1 minute to 1 hour in order to obtain a homogeneous solution.
In the present invention, when the concentration of the biphenylene derivative represented by the general formula (1) in the organic semiconductor layer forming solution of the present invention is in the range of 0.1 to 10.0% by weight, the solution becomes easy to handle and the efficiency in forming the organic semiconductor layer becomes superior. Also, when the viscosity of the organic semiconductor layer forming solution is in the range of 0.3 to 10 mPa·s, more suitable coatability is exhibited.
なお該溶液は、該ビフェニレン誘導体自体が適度の凝集性を有することから比較的に低温で調製することが可能、且つ耐酸化性があることから、塗布法による有機薄膜の製造に好適に適用できる。即ち、雰囲気から空気を除く必要がないことから塗布工程を簡略化することができる。さらに該溶液は、例えば、ポリスチレン、ポリ(α-メチルスチレン)、ポリ(4-メチルスチレン)、ポリ(1-ビニルナフタレン)、ポリ(2-ビニルナフタレン)、ポリ(スチレン-ブロック-ブタジエン-ブロック-スチレン)、ポリ(スチレン-ブロック-イソプレン-ブロック-スチレン)、ポリ(ビニルトルエン)、ポリ(スチレン-コ-2,4-ジメチルスチレン)、ポリ(クロロスチレン)、ポリ(スチレン-コ-α-メチルスチレン)、ポリ(スチレン-コ-ブタジエン)、ポリ(エチレン-コ-ノルボルネン)、ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート、ポリカルバゾール、ポリトリアリールアミン、ポリ(9,9-ジオクチルフルオレン-コ-ジメチルトリアリールアミン)、ポリ(N-ビニルカルバゾール)、ポリメタクリル酸メチル、ポリ(スチレン-コ-メタクリル酸メチル)、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸n-プロピル、ポリメタクリル酸イソプロピル、ポリメタクリル酸n-ブチル、ポリメタクリル酸フェニル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸n-プロピルからなる群の少なくとも1種を挙げることができ、好ましくはポリスチレン、ポリ(α-メチルスチレン)、ポリ(エチレン-コ-ノルボルネン)、ポリメタクリル酸メチルからなる群の少なくとも1種のポリマーをバインダーとして存在させることもできる。これらのポリマーバインダーの濃度は、適度な溶液の粘度のため、0.001~10.0重量%であることが好ましい。 Since the biphenylene derivative itself has a moderate degree of coagulation, the solution can be prepared at a relatively low temperature, and since it is resistant to oxidation, it can be suitably applied to the production of organic thin films by coating. In other words, since there is no need to remove air from the atmosphere, the coating process can be simplified. Furthermore, the solution can be used to produce organic thin films, such as polystyrene, poly(α-methylstyrene), poly(4-methylstyrene), poly(1-vinylnaphthalene), poly(2-vinylnaphthalene), poly(styrene-block-butadiene-block-styrene), poly(styrene-block-isoprene-block-styrene), poly(vinyltoluene), poly(styrene-co-2,4-dimethylstyrene), poly(chlorostyrene), poly(styrene-co-α-methylstyrene), poly(styrene-co-butadiene), poly(ethylene-co-norbornene), polyphenylene ether, polycarbonate, polycarbazole, polytriarylamine, poly(9,9-dioctyl styrene), poly(1-vinylnaphthalene ... At least one of the group consisting of poly(N-vinylcarbazole), polymethyl methacrylate, poly(styrene-co-methyl methacrylate), polyethyl methacrylate, poly(n-propyl methacrylate), polyisopropyl methacrylate, poly(n-butyl methacrylate), polyphenyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, and poly(n-propyl acrylate) can be mentioned, and preferably at least one polymer from the group consisting of polystyrene, poly(α-methylstyrene), poly(ethylene-co-norbornene), and polymethyl methacrylate can also be present as a binder. The concentration of these polymer binders is preferably 0.001 to 10.0% by weight in order to obtain a suitable solution viscosity.
該ポリマーバインダーのガラス転移温度(Tg)は、電子デバイス製造時のプロセス温度への対応により好適であることから105℃以上であることが好ましく、120℃以上であることがさらに好ましく、150℃以上であることが特に好ましい。 The glass transition temperature (Tg) of the polymer binder is preferably 105°C or higher, more preferably 120°C or higher, and particularly preferably 150°C or higher, since this is more suitable for handling process temperatures during the manufacture of electronic devices.
また、該ポリマーの分子量は、よりキャリア移動度の大きい有機薄膜トランジスタを得るのに好適であるため、5,000~1,000,000であることが好ましく、10,000~500,000がさらに好ましく、20,000~100,000が特に好ましい。なお、本発明において、ポリマーの分子量はポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)をいうものである。 The molecular weight of the polymer is preferably 5,000 to 1,000,000, more preferably 10,000 to 500,000, and particularly preferably 20,000 to 100,000, since this is suitable for obtaining an organic thin-film transistor with a higher carrier mobility. In the present invention, the molecular weight of the polymer refers to the weight average molecular weight (Mw) in terms of polystyrene.
該ポリマーは、一般的なポリマーバインダーとしての効果を有し、得られる有機半導体層の成膜性を向上させるものであり、絶縁性ポリマー及び半導体性ポリマーも用いることができる。 The polymer acts as a general polymer binder and improves the film-forming properties of the resulting organic semiconductor layer, and insulating polymers and semiconducting polymers can also be used.
該半導体性ポリマーとしては、例えば、ポリトリアリールアミン、ポリ( 9 , 9 - ジオクチルフルオレン- コ- ジメチルトリアリールアミン)の少なくともいずれかを挙げることができる。 The semiconducting polymer may be, for example, at least one of polytriarylamine and poly(9,9-dioctylfluorene-co-dimethyltriarylamine).
本発明でポリマーバインダーとして用いることが可能なポリマーの具体的な例としては、上記で挙げたポリマー以外に、例えば、極性環状ポリオレフィン類、ポリスルホン類、アクリロニトリル-スチレン共重合体、メチルメタクリレート-スチレン共重合体類からなる群の少なくとも1種を挙げることができる。 Specific examples of polymers that can be used as the polymer binder in the present invention include, in addition to the polymers listed above, at least one member selected from the group consisting of polar cyclic polyolefins, polysulfones, acrylonitrile-styrene copolymers, and methyl methacrylate-styrene copolymers.
該極性環状ポリオレフィン類はより具体的には下記一般式(4)で示されるポリマーがさらに好ましい。 More specifically, the polar cyclic polyolefins are preferably polymers represented by the following general formula (4):
一般式(4)におけるR14 ~R16は、それぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~20のアルキル基、炭素数6~20のアリール基、炭素数2~20のアルキルオキシカルボニル基、炭素数7~20のアリールオキシカルボニル基、シアノ基、ニトロ基、炭素数1~20のアルコキシ基、炭素数6~20のアリールオキシ基、ヒドロキシル基、アミノ基、又は炭素数1~20のアルキルアミノ基からなる群の1種を示し、高耐熱性のため、水素原子、炭素数1~20のアルキル基からなる群の1種が好ましい。
R 14 to R 16 in general formula (4) each independently represent one of the group consisting of a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms, an alkyloxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms, an aryloxycarbonyl group having 7 to 20 carbon atoms, a cyano group, a nitro group, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, a hydroxyl group, an amino group, or an alkylamino group having 1 to 20 carbon atoms, and a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms is preferred for high heat resistance.
R14 ~R16における炭素数1~20のアルキル基は、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、n-ペンチル基等の直鎖又は分岐アルキル基からなる群の1種が挙げられる。炭素数6~20のアリール基は、例えば、フェニル基、p-トリル基、p-(n-ヘキシル)フェニル基、p-(n-オクチル)フェニル基、p-(2-エチルヘキシル)フェニル基からなる群の1種が挙げられる。炭素数2~20のアルキルオキシカルボニル基は、例えば、メチルオキシカルボニル基、エチルオキシカルボニル基、n-プロピルオキシカルボニル基からなる群の1種が挙げられる。炭素数7~20のアリールオキシカルボニル基は、例えば、フェノキシカルボニル基、4-メチルフェノキシカルボニル基のいずれかが挙げられる。炭素数1~20のアルコキシ基は、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n-プロポキシ基からなる群の1種が挙げられる。炭素数6~20のアリールオキシ基は、例えば、フェノキシ基、4-メチルフェノキシの少なくといずれかが挙げられる。炭素数1~20のアルキルアミノ基は、例えば、メチルアミノ基、エチルアミノ基、n-プロピルアミノ基からなる群の少なくとも1種が挙げられる。そして、その中でも高耐熱性のため、置換基R14はメチル基、エチル基、n-プロピル基からなる群の1種であることが好ましく、置換基R15及びR16は水素原子であることが好ましい。 Examples of the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms in R 14 to R 16 include a straight-chain or branched alkyl group such as a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, and an n-pentyl group. Examples of the aryl group having 6 to 20 carbon atoms include a phenyl group, a p-tolyl group, a p-(n-hexyl)phenyl group, a p-(n-octyl)phenyl group, and a p-(2-ethylhexyl)phenyl group. Examples of the alkyloxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms include a methyloxycarbonyl group, an ethyloxycarbonyl group, and an n-propyloxycarbonyl group. Examples of the aryloxycarbonyl group having 7 to 20 carbon atoms include a phenoxycarbonyl group and a 4-methylphenoxycarbonyl group. Examples of the alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms include one selected from the group consisting of a methoxy group, an ethoxy group, and an n-propoxy group. Examples of the aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms include at least one selected from the group consisting of a phenoxy group and a 4-methylphenoxy group. Examples of the alkylamino group having 1 to 20 carbon atoms include at least one selected from the group consisting of a methylamino group, an ethylamino group, and an n-propylamino group. Among these, in view of high heat resistance, it is preferable that the substituent R 14 is one selected from the group consisting of a methyl group, an ethyl group, and an n-propyl group, and it is preferable that the substituents R 15 and R 16 are hydrogen atoms.
一般式(4)におけるX2は、ハロゲン原子、炭素数2~20のアルキルオキシカルボニル基、炭素数7~20のアリールオキシカルボニル基、シアノ基、ニトロ基、炭素数1~20のアルコキシ基、炭素数6~20のアリールオキシ基、ヒドロキシル基、アミノ基、又は炭素数1~20のアルキルアミノ基からなる群の1種を示す。 X2 in the general formula (4) represents one member selected from the group consisting of a halogen atom, an alkyloxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms, an aryloxycarbonyl group having 7 to 20 carbon atoms, a cyano group, a nitro group, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms, a hydroxyl group, an amino group, or an alkylamino group having 1 to 20 carbon atoms.
置換基X2における炭素数2~20のアルキルオキシカルボニル基は、例えば、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、n-プロポキシカルボニル基、n-ブトキシカルボニル基、n-ヘキシロキシカルボニル基、シクロヘキシロキシカルボニル基からなる群の1種等が挙げられ、炭素数7~20のアリールオキシカルボニル基は、例えば、フェノキシカルボニル基、4-メチルフェノキシカルボニル基、2,4-ジメチルフェニキシカルボニル基、4-エチルフェノキシカルボニル基からなる群の1種が挙げられる。炭素数1~20のアルコキシ基は、例えば、メトキシ基、エトキシ基のいずれかが挙げられる。炭素数6~20のアリールオキシ基は、例えば、フェノキシ基、4-メチルフェノキシのいずれかが挙げられる。炭素数1~20のアルキルアミノ基は、例えば、メチルアミノ基、エチルアミノ基、n-プロピルアミノ基からなる群の1種が挙げられる。高溶解性及び高耐熱性のため、炭素数2~20のアルキルオキシカルボニル基であることが好ましい。
pは20~5,000の整数を示し、よりキャリア移動度の大きい有機薄膜トランジスタを得るのに好適であるため、好ましくは40~2,000である。qは0~2の整数を示し、好ましくは1である。rは0~2の整数を示し、好ましくは0または1である。さらに好ましくは0である。
実線と点線からなる結合は単結合又は2重結合を示し、熱的安定性のため、好ましくは単結合である。
Examples of the alkyloxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms in the substituent X2 include one selected from the group consisting of a methoxycarbonyl group, an ethoxycarbonyl group, an n-propoxycarbonyl group, an n-butoxycarbonyl group, an n-hexyloxycarbonyl group, and a cyclohexyloxycarbonyl group, and examples of the aryloxycarbonyl group having 7 to 20 carbon atoms include one selected from the group consisting of a phenoxycarbonyl group, a 4-methylphenoxycarbonyl group, a 2,4-dimethylphenoxycarbonyl group, and a 4-ethylphenoxycarbonyl group. Examples of the alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms include a methoxy group or an ethoxy group. Examples of the aryloxy group having 6 to 20 carbon atoms include a phenoxy group or a 4-methylphenoxy group. Examples of the alkylamino group having 1 to 20 carbon atoms include a methylamino group, an ethylamino group, and an n-propylamino group. For high solubility and high heat resistance, an alkyloxycarbonyl group having 2 to 20 carbon atoms is preferred.
p represents an integer of 20 to 5,000, and is preferably 40 to 2,000 since this is suitable for obtaining an organic thin film transistor with higher carrier mobility. q represents an integer of 0 to 2, and is preferably 1. r represents an integer of 0 to 2, and is preferably 0 or 1, and is more preferably 0.
A bond consisting of a solid line and a dotted line represents a single bond or a double bond, and is preferably a single bond for thermal stability.
本発明でポリマーバインダーとして用いられるポリスルホン類はポリスルホン構造を有していれば特に制限がなく、より具体的には下記ポリスルホン1~5で示されるポリスルホン類が挙げられる。 There are no particular limitations on the polysulfones used as polymer binders in the present invention as long as they have a polysulfone structure, and more specific examples include the polysulfones shown in Polysulfones 1 to 5 below.
置換基R17~R20における炭素数1~20のアルキル基は、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、イソヘキシル基、n-ヘプチル基、n-オクチル基、n-ノニル基、n-デシル基、n-ドデシル基、n-テトラデシル基、n-オクタデシル基、2-エチルヘキシル基、3-エチルヘプチル基、3-エチルデシル基、2-ヘキシルデシル基等の直鎖又は分岐アルキル基からなる群の少なくとも1種が挙げられる。
sは10~20,000の整数を示し、好ましくは10~10,000の整数である。
Examples of the alkyl group having 1 to 20 carbon atoms in the substituents R 17 to R 20 include at least one member selected from the group consisting of straight-chain or branched alkyl groups such as a methyl group, an ethyl group, a n-propyl group, a n-butyl group, an isobutyl group, a n-pentyl group, a n-hexyl group, an isohexyl group, a n-heptyl group, a n-octyl group, a n-nonyl group, a n-decyl group, a n-dodecyl group, a n-tetradecyl group, a n-octadecyl group, a 2-ethylhexyl group, a 3-ethylheptyl group, a 3-ethyldecyl group, and a 2-hexyldecyl group.
s represents an integer of 10 to 20,000, and preferably an integer of 10 to 10,000.
本発明でポリマーバインダーとして用いられるアクリロニトリル-スチレン共重合体は、アクリロニトリルとスチレンの任意の比率の共重合体であり、良好な電気特性を示し、バイアスストレスをかけた時の閾値電圧の変化がより小さいものになるなど信頼性が向上することから、アクリロニトリルとスチレン重量比で10:90~50:50の比率であることが好ましく、20:80~40:60であることがさらに好ましい。 The acrylonitrile-styrene copolymer used as the polymer binder in the present invention is a copolymer of acrylonitrile and styrene in any ratio, and since it exhibits good electrical properties and improves reliability by reducing the change in threshold voltage when bias stress is applied, the weight ratio of acrylonitrile to styrene is preferably 10:90 to 50:50, and more preferably 20:80 to 40:60.
本発明でポリマーバインダーとして用いられるメチルメタクリレート-スチレン共重合体は、メチルメタクリレートとスチレンの任意の比率の共重合体であり、良好な電気特性を示し、バイアスストレスをかけた時の閾値電圧の変化がより小さいものになるなど信頼性が向上することから、メチルメタクリレートとスチレンのモル比で1:99~90:10であることが好ましく、1:99~70:30であることがさらに好ましい。 The methyl methacrylate-styrene copolymer used as the polymer binder in the present invention is a copolymer of methyl methacrylate and styrene in any ratio, and exhibits good electrical properties and improves reliability by reducing the change in threshold voltage when bias stress is applied. Therefore, the molar ratio of methyl methacrylate to styrene is preferably 1:99 to 90:10, and more preferably 1:99 to 70:30.
本発明でポリマーバインダーとして用いられるポリマーは、表面処理剤により表面エネルギーを調整したものを用いることができる。表面処理剤としては、シランカップリング剤を用いることができ、その具体例としては、例えば、1,1,1,3,3,3-ヘキサメチルジシラザン、フェニルトリメトキシシラン、オクチルトリクロロシラン、β-フェネチルトリクロロシラン、β-フェネチルトリメトキシシランからなる群の少なくとも1種を挙げることができる。なお、本発明で用いるポリマーは、1種類のポリマーを単独で使用、または2種類以上のポリマーの混合物として使用することが可能である。更に、異なる分子量のポリマーを混合して使用することも可能である。 The polymer used as the polymer binder in the present invention may have its surface energy adjusted by a surface treatment agent. A silane coupling agent may be used as the surface treatment agent, and specific examples thereof include at least one of the group consisting of 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane, phenyltrimethoxysilane, octyltrichlorosilane, β-phenethyltrichlorosilane, and β-phenethyltrimethoxysilane. The polymer used in the present invention may be one type of polymer used alone, or a mixture of two or more types of polymers. Furthermore, it is also possible to use a mixture of polymers with different molecular weights.
本発明の有機半導体層形成用溶液を用いて有機半導体層を形成する際の塗布方法としては、有機半導体層を形成可能な方法であれば特に制限はなく、例えば、スピンコート、ドロップキャスト、ディップコート、キャストコート等の簡易塗工法;ディスペンサー、インクジェット、スリットコート、ブレードコート、フレキソ印刷、スクリーン印刷、グラビア印刷、オフセット印刷からなる群の少なくとも1種の印刷法を挙げることができ、中でも容易に効率よく有機半導体層とすることが可能となることから、スピンコート、ドロップキャスト、インクジェットからなる群の少なくとも1種であることが好ましい。 The coating method for forming an organic semiconductor layer using the organic semiconductor layer-forming solution of the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of forming an organic semiconductor layer, and examples thereof include simple coating methods such as spin coating, drop casting, dip coating, and cast coating; and at least one printing method selected from the group consisting of dispenser, inkjet, slit coating, blade coating, flexographic printing, screen printing, gravure printing, and offset printing. Among these, at least one method selected from the group consisting of spin coating, drop casting, and inkjet is preferred because it allows for an organic semiconductor layer to be formed easily and efficiently.
本発明の有機半導体層形成用溶液を塗布後、溶媒を乾燥除去することにより、該有機半導体層形成用溶液を用いてなる有機半導体層を形成することが可能である。 After applying the organic semiconductor layer forming solution of the present invention, the solvent is dried and removed, thereby forming an organic semiconductor layer using the organic semiconductor layer forming solution.
塗布した有機半導体層から溶媒を乾燥除去する際、乾燥する条件に特に制限はなく、例えば、常圧下、又は減圧下で溶媒の乾燥除去を行うことが可能である。 When drying and removing the solvent from the applied organic semiconductor layer, there are no particular limitations on the drying conditions, and the solvent can be dried and removed, for example, under normal pressure or reduced pressure.
塗布した有機半導体層から有機溶媒を乾燥除去する温度に特に制限はないが効率よく塗布した有機半導体層から有機溶媒を乾燥除去することができ、有機半導体層を形成することが可能であるため、10~150℃の温度範囲で行うことが好ましい。 There is no particular limit to the temperature at which the organic solvent is dried and removed from the applied organic semiconductor layer, but it is preferable to perform the drying and removal at a temperature in the range of 10 to 150°C, since this allows the organic solvent to be efficiently dried and removed from the applied organic semiconductor layer and makes it possible to form an organic semiconductor layer.
塗布した有機半導体層から有機溶媒を乾燥除去する際、除去する有機溶媒の気化速度を調節することで、一般式(1)で示されるビフェニレン誘導体体の結晶成長を制御することが可能である。 When the organic solvent is dried and removed from the applied organic semiconductor layer, it is possible to control the crystal growth of the biphenylene derivative represented by general formula (1) by adjusting the evaporation rate of the organic solvent being removed.
本発明の有機半導体層形成用溶液により形成される有機半導体層の膜厚に制限はなく、良好なキャリア移動が得られることから、1nm~1μmの範囲であることが好ましく、10nm~300nmの範囲であることが更に好ましい。 There is no limit to the thickness of the organic semiconductor layer formed by the organic semiconductor layer-forming solution of the present invention, and since good carrier mobility can be obtained, the thickness is preferably in the range of 1 nm to 1 μm, and more preferably in the range of 10 nm to 300 nm.
また、得られる有機半導体層は、有機半導体層を形成後、40~180℃でアニール処理を行ってもよい。 After forming the organic semiconductor layer, the resulting organic semiconductor layer may be annealed at 40 to 180°C.
本発明の有機半導体層形成用溶液より形成される有機半導体層は、該有機半導体層を含んでなる有機半導体デバイス、特に該有機半導体層を含んでなる有機薄膜トランジスタとして使用することが可能である。 The organic semiconductor layer formed from the organic semiconductor layer-forming solution of the present invention can be used as an organic semiconductor device comprising the organic semiconductor layer, in particular an organic thin-film transistor comprising the organic semiconductor layer.
有機薄膜トランジスタは、基板上に、ソース電極及びドレイン電極を付設した有機半導体層とゲート電極とを絶縁層を介し積層することにより得ることができ、該有機半導体層に本発明の有機半導体層形成用溶液により形成した有機半導体層を用いることにより、優れた半導体・電気特性を発現する有機薄膜トランジスタとすることが可能である。 An organic thin-film transistor can be obtained by laminating an organic semiconductor layer provided with a source electrode and a drain electrode and a gate electrode on a substrate via an insulating layer. By using an organic semiconductor layer formed from the organic semiconductor layer-forming solution of the present invention as the organic semiconductor layer, it is possible to obtain an organic thin-film transistor that exhibits excellent semiconductor and electrical properties.
図1に一般的な有機薄膜トランジスタの断面形状による構造を示す。ここで、(A)は、ボトムゲート-トップコンタクト型、(B)は、ボトムゲート-ボトムコンタクト型、(C)は、トップゲート-トップコンタクト型、(D)は、トップゲート-ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタであり、1は有機半導体層、2は基板、3はゲート電極、4はゲート絶縁層、5はソース電極、6はドレイン電極を示し、本発明の有機半導体層形成用溶液より形成される有機半導体層は、いずれの有機薄膜トランジスタにも適用することが可能である。 Figure 1 shows the cross-sectional structure of a typical organic thin-film transistor. Here, (A) is a bottom gate-top contact type, (B) is a bottom gate-bottom contact type, (C) is a top gate-top contact type, and (D) is a top gate-bottom contact type organic thin-film transistor, where 1 is an organic semiconductor layer, 2 is a substrate, 3 is a gate electrode, 4 is a gate insulating layer, 5 is a source electrode, and 6 is a drain electrode. The organic semiconductor layer formed from the organic semiconductor layer forming solution of the present invention can be applied to any of the organic thin-film transistors.
本発明に係る基板としては特に制限はなく、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、環状ポリオレフィン、フッ素化環状ポリオレフィン、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリ(ジイソプロピルフマレート)、ポリ(ジエチルフマレート)、ポリ(ジイソプロピルマレエート)、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、セルローストリアセテート等のプラスチック基板;ガラス、石英、酸化アルミニウム、シリコン、ハイドープシリコン、酸化シリコン、二酸化タンタル、五酸化タンタル、インジウム錫酸化物等の無機材料基板;金、銅、クロム、チタン、アルミニウム等の金属基板等からなる群の少なくとも1種を挙げることができる。なお、ハイドープシリコンを基板に用いた場合、その基板はゲート電極を兼ねることができる。 The substrate according to the present invention is not particularly limited, and may be at least one of the following: plastic substrates such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethylene, polypropylene, polystyrene, cyclic polyolefin, fluorinated cyclic polyolefin, polyimide, polycarbonate, polyvinylphenol, polyvinyl alcohol, poly(diisopropyl fumarate), poly(diethyl fumarate), poly(diisopropyl maleate), polyethersulfone, polyphenylene sulfide, and cellulose triacetate; inorganic substrates such as glass, quartz, aluminum oxide, silicon, highly doped silicon, silicon oxide, tantalum dioxide, tantalum pentoxide, and indium tin oxide; and metal substrates such as gold, copper, chromium, titanium, and aluminum. When highly doped silicon is used as the substrate, the substrate can also serve as the gate electrode.
本発明に係るゲート電極としては特に制限はなく、例えば、アルミニウム、金、銀、銅、ハイドープシリコン、スズ酸化物、酸化インジウム、インジウムスズ酸化物、クロム、チタン、タンタル、グラフェン、カーボンナノチューブ等の無機材料;ドープされた導電性高分子(例えばPEDOT-PSS)等の有機材料からなる群の少なくとも1種を挙げることができる。 The gate electrode according to the present invention is not particularly limited, and may be at least one of the following: inorganic materials such as aluminum, gold, silver, copper, highly doped silicon, tin oxide, indium oxide, indium tin oxide, chromium, titanium, tantalum, graphene, and carbon nanotubes; and organic materials such as doped conductive polymers (e.g., PEDOT-PSS).
また、上記の無機材料は、金属のナノ粒子インクとしても差し支えなく使用することができる。この場合の溶媒は、適度の分散性のため、水、メタノール、エタノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール等の極性溶媒;ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、テトラデカン等の炭素数6~14の脂肪族炭化水素溶媒;トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、ペンチルベンゼン、ヘキシルベンゼン、オクチルベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、テトラリン、インダン、アニソール、1,2-ジメトキシベンゼン、1,3-ジメトキシベンゼン、1,2-ジメチルアニソール、2,3-ジメチルアニソール、3,4-ジメチルアニソール等の炭素数7~14の芳香族炭化水素溶媒からなる群の少なくとも1種であることが好ましい。該ナノ粒子インクを塗布後、導電性向上のため、80℃~200℃の温度範囲でアニール処理することが好ましい。 The above inorganic materials can also be used as metal nanoparticle inks without any problems. In this case, the solvent is preferably at least one of the following groups: polar solvents such as water, methanol, ethanol, 2-propanol, 1-butanol, and 2-butanol, which provide adequate dispersibility; aliphatic hydrocarbon solvents having 6 to 14 carbon atoms such as hexane, heptane, octane, decane, dodecane, and tetradecane; and aromatic hydrocarbon solvents having 7 to 14 carbon atoms such as toluene, xylene, mesitylene, ethylbenzene, pentylbenzene, hexylbenzene, octylbenzene, cyclohexylbenzene, tetralin, indane, anisole, 1,2-dimethoxybenzene, 1,3-dimethoxybenzene, 1,2-dimethylanisole, 2,3-dimethylanisole, and 3,4-dimethylanisole. After coating the nanoparticle ink, it is preferable to perform an annealing treatment at a temperature range of 80°C to 200°C to improve conductivity.
本発明に係るゲート絶縁層としては特に制限はなく、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタン、二酸化タンタル、五酸化タンタル、インジウム錫酸化物、酸化スズ、酸化バナジウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス等の無機材料;ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリイミド、ポリアミド酸ポリカーボネート、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリ(ジイソプロピルフマレート)、ポリ(ジエチルフマレート)、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリけい皮酸エチル、ポリけい皮酸メチル、ポリクロトン酸エチル、ポリエーテルスルホン、ポリプロピレン-コ-1-ブテン、ポリイソブチレン、ポリプロピレン、ポリシクロペンタン、ポリシクロヘキサン、ポリシクロヘキサン-エチレン共重合体、ポリフッ素化シクロペンタン、ポリフッ素化シクロヘキサン、ポリフッ素化シクロヘキサン-エチレン共重合体、BCB樹脂(商品名:サイクロテン、ダウ・ケミカル社製)、Cytop(商標)、Teflon(商標)、パリレンC等のパリレン(商標)類のポリマー絶縁材料からなる群の少なくとも1種を挙げることができ、製法が簡便であることから、塗布法が適用できるポリマー絶縁材料(ポリマーゲート絶縁層)であることが好ましい。 The gate insulating layer according to the present invention is not particularly limited, and examples thereof include inorganic materials such as silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, titanium oxide, tantalum dioxide, tantalum pentoxide, indium tin oxide, tin oxide, vanadium oxide, barium titanate, and bismuth titanate; polymethyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyimide, polyamic acid polycarbonate, polyvinylphenol, polyvinyl alcohol, poly(diisopropyl fumarate), poly(diethyl fumarate), polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyethyl cinnamate, polymethyl cinnamate, and polyethyl crotonate. , polyethersulfone, polypropylene-co-1-butene, polyisobutylene, polypropylene, polycyclopentane, polycyclohexane, polycyclohexane-ethylene copolymer, polyfluorinated cyclopentane, polyfluorinated cyclohexane, polyfluorinated cyclohexane-ethylene copolymer, BCB resin (product name: Cyclotene, manufactured by Dow Chemical Company), Cytop (trademark), Teflon (trademark), Parylene (trademark) such as Parylene C, and preferably a polymer insulating material (polymer gate insulating layer) to which a coating method can be applied, since the manufacturing method is simple.
該ポリマー材料を溶解させるに用いる溶媒としては特に制限がなく、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、テトラデカン等の炭素数6~14の脂肪族炭化水素溶媒;THF、1,2-ジメトキシエタン、ジオキサン等のエーテル系溶媒;エタノール、イソプロピルアルコール、1-ブタノール、2-ブタノール、2-エチルヘキサノール、テトラヒドロフルフリルアルコ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、ジエチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセトフェノン等のケトン系溶媒;酢酸エチル、γ-ブチロラクトン、シクロヘキサノールアセテート、3-メトキシブチルアセテート、テトラヒドロフルフリルアセテート、テトラヒドロフルフリルプロピオネート等のエステル系溶媒;DMF、NMP等のアミド系溶媒;ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジアセテート、ジプロピレングリコールメチル-n-プロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート、1,4-ブタンジオールジアセテート、1,3-ブチレングリコールジアセテート、1,6-ヘキサンジオールジアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等のグリコール系溶媒;パーフルオロヘキサン、パーフルオロオクタン、2-(ペンタフルオロエチル)ヘキサン、3-(ペンタフルオロエチル)ヘプタン等のフッ素化溶媒等からなる群の少なくとも1種が挙げられる。 There are no particular limitations on the solvent used to dissolve the polymer material, and examples of the solvent include aliphatic hydrocarbon solvents having 6 to 14 carbon atoms, such as hexane, heptane, octane, decane, dodecane, and tetradecane; ether-based solvents, such as THF, 1,2-dimethoxyethane, and dioxane; alcohol-based solvents, such as ethanol, isopropyl alcohol, 1-butanol, 2-butanol, 2-ethylhexanol, and tetrahydrofurfuryl alcohol; ketone-based solvents, such as acetone, methyl ethyl ketone, diethyl ketone, diisopropyl ketone, and acetophenone; ester-based solvents, such as ethyl acetate, γ-butyrolactone, cyclohexanol acetate, 3-methoxybutyl acetate, tetrahydrofurfuryl acetate, and tetrahydrofurfuryl propionate; amide-based solvents, such as DMF and NMP; dipropylene glycol. Examples of the solvent include glycol-based solvents such as ethyl dimethyl ether, dipropylene glycol diacetate, dipropylene glycol methyl-n-propyl ether, dipropylene glycol methyl ether acetate, 1,4-butanediol diacetate, 1,3-butylene glycol diacetate, 1,6-hexanediol diacetate, ethylene glycol monomethyl ether acetate, propylene glycol monomethyl ether acetate, ethylene glycol monobutyl ether acetate, diethylene glycol monoethyl ether acetate, and diethylene glycol monobutyl ether acetate; and fluorinated solvents such as perfluorohexane, perfluorooctane, 2-(pentafluoroethyl)hexane, and 3-(pentafluoroethyl)heptane.
該ポリマー絶縁材料の濃度は、例えば、20~40℃の温度において0.1~10.0重量%である。当該濃度において得られる絶縁層の膜厚に制限はなく、耐絶縁性の観点から、好ましくは100nm~1μm、さらに好ましくは150nm~900nmである。 The concentration of the polymer insulating material is, for example, 0.1 to 10.0% by weight at a temperature of 20 to 40°C. There is no limit to the film thickness of the insulating layer obtained at this concentration, and from the viewpoint of insulation resistance, it is preferably 100 nm to 1 μm, and more preferably 150 nm to 900 nm.
そして、これらのゲート絶縁層の表面は、例えば、オクタデシルトリクロロシラン、デシルトリクロロシラン、デシルトリメトキシシラン、オクチルトリクロロシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、β-フェネチルトリクロロシラン、β-フェネチルトリメトキシシラン、フェニルトリクロロシラン、フェニルトリメトキシシラン等のシラン類;オクタデシルホスホン酸、デシルホスホン酸、オクチルホスホン酸等のホスホン酸類;ヘキサメチルジシラザン等のシリルアミン類で修飾処理したものからなる群の少なくとも1種であっても使用することができる。一般的にゲート絶縁層の表面処理を行うことにより、有機半導体材料の結晶粒径の増大及び分子配向の向上のため、キャリア移動度、電流オン・オフ比の向上、及び閾値電圧の低下という好ましい結果が得られる。 The surface of these gate insulating layers can be modified with at least one of the following: silanes such as octadecyltrichlorosilane, decyltrichlorosilane, decyltrimethoxysilane, octyltrichlorosilane, octadecyltrimethoxysilane, β-phenethyltrichlorosilane, β-phenethyltrimethoxysilane, phenyltrichlorosilane, and phenyltrimethoxysilane; phosphonic acids such as octadecylphosphonic acid, decylphosphonic acid, and octylphosphonic acid; and silylamines such as hexamethyldisilazane. Generally, by performing surface treatment on the gate insulating layer, the crystal grain size of the organic semiconductor material is increased and the molecular orientation is improved, resulting in favorable results such as improved carrier mobility, improved current on/off ratio, and lowered threshold voltage.
本発明の有機薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極の材料としては特に制限がなく、ゲート電極と同様の材料を用いることができ、ゲート電極の材料と同じであっても異なっていてもよく、異種材料を積層してもよい。また、キャリアの注入効率を上げるために、これらの電極材料に表面処理を実施することもできる。表面処理に用いる表明処理剤としては、例えば、ベンゼンチオール、ペンタフルオロベンゼンチオール、4-フルオロベンゼンチオール、4-メトキシベンゼンチオール等からなる群の少なくとも1種を挙げることができる。 There are no particular limitations on the materials for the source and drain electrodes of the organic thin-film transistor of the present invention, and the same materials as those for the gate electrode can be used. The materials may be the same as or different from those for the gate electrode, and different materials may be laminated. In addition, in order to increase the carrier injection efficiency, surface treatment can be performed on these electrode materials. Examples of surface treatment agents used for surface treatment include at least one selected from the group consisting of benzenethiol, pentafluorobenzenethiol, 4-fluorobenzenethiol, 4-methoxybenzenethiol, etc.
本発明の有機薄膜トランジスタは、速い動作性のため、キャリア移動度が、0.20cm2/V・sec以上であることが好ましい。また、高いスイッチ特性のため、電流オン・オフ比が、1.0×106以上であることが好ましい。 The organic thin film transistor of the present invention preferably has a carrier mobility of 0.20 cm 2 /V·sec or more for fast operation, and a current on/off ratio of 1.0×10 6 or more for high switching characteristics.
本発明の有機薄膜トランジスタは、電子ペーパー、有機ELディスプレイ、液晶ディスプレイ、ICタグ(RFIDタグ)、圧力センサー、バイオセンサー等のトランジスタの有機半導体層用途;有機ELディスプレイ材料;有機半導体レーザー材料;有機薄膜太陽電池材料;フォトニック結晶材料等の電子材料に利用することができ、一般式(1)で示されるビフェニレン誘導体が結晶性の薄膜となるため、有機薄膜トランジスタの半導体層用途として用いられることが好ましい。 The organic thin-film transistor of the present invention can be used in electronic materials such as organic semiconductor layer applications of transistors for electronic paper, organic EL displays, liquid crystal displays, IC tags (RFID tags), pressure sensors, and biosensors; organic EL display materials; organic semiconductor laser materials; organic thin-film solar cell materials; and photonic crystal materials. Since the biphenylene derivative represented by the general formula (1) forms a crystalline thin film, it is preferable to use it as a semiconductor layer application of an organic thin-film transistor.
本発明の新規なビフェニレン誘導体は、高いキャリア移動度を与えると共に高耐熱性及び適当な溶解性を持っている。従って、塗布で優れた半導体特性を発現する有機薄膜トランジスタを提供することが可能となり、その効果は極めて高いものである。 The novel biphenylene derivative of the present invention provides high carrier mobility and has high heat resistance and suitable solubility. Therefore, it is possible to provide an organic thin-film transistor that exhibits excellent semiconductor properties by coating, and the effect is extremely high.
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
生成物の同定には1H NMRスペクトル、ガスクロマトグラフィー-マススペクトル(GCMS)、及び液体クロマトグラフィー-マススペクトル(LCMS)分析を用いた。
<1H NMRスペクトル分析>
装置;日本電子製、(商品名)Delta V5(400MHz)
測定温度;23℃(温度指定がない場合)
<ガスクロマトグラフィー-マススペクトル分析>
装置;パーキンエルマー製、(商品名)オートシステムXL(MS部;ターボマスゴールド)(合成例1、2、4、6)
装置;島津製作所製、(商品名)QP-2010 Ultra(合成例9、11)
カラム;J&Wサイエンティフィック社製、(商品名)DB-1,30m。
MSイオン化;電子衝突(EI)法(70エレクトロンボルト)
The product was identified by 1 H NMR spectrum, gas chromatography-mass spectrum (GCMS), and liquid chromatography-mass spectrum (LCMS) analyses.
< 1H NMR Spectral Analysis>
Apparatus: Delta V5 (400 MHz), manufactured by JEOL Ltd.
Measurement temperature: 23°C (if no temperature is specified)
<Gas chromatography-mass spectrometry analysis>
Apparatus: PerkinElmer, (trade name) Auto System XL (MS part: Turbo Mass Gold) (Synthesis Examples 1, 2, 4, and 6)
Apparatus: Shimadzu Corporation, (product name) QP-2010 Ultra (Synthesis Examples 9 and 11)
Column: J&W Scientific, (product name) DB-1, 30 m.
MS ionization: electron impact (EI) method (70 electron volts)
反応の進行の確認等は薄層クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィー(GC)、液体クロマトグラフィー(LC)分析を用いた。ビフェニレン誘導体の純度測定についても液体クロマトグラフィー分析を用いた実施した。
<薄層クロマトグラフィー分析>
メルク社の薄層クロマトグラフィー用PLCシリカゲル60F254 0.5mmを使用し、展開溶媒として、ヘキサン又は/及びトルエンを用いた。
<ガスクロマトグラフィー分析>
装置;島津製作所製、(商品名)GC2014
カラム;アジレント社製、(商品名)DB-1,30m
<液体クロマトグラフィー分析>
装置;東ソー製(コントローラー;PX-8020、ポンプ;CCPM-II、デガッサー;SD-8022)
カラム;東ソー製、(商品名)ODS-100V、5μm、4.6mm×250mm
カラム温度;33℃
溶離液;ジクロロメタン:アセトニトリル=2:8(容積比)
流速;1.0ml/分
検出器;UV(東ソー製、(商品名)UV-8020、波長;254nm)。
The progress of the reaction was confirmed by thin layer chromatography, gas chromatography (GC) and liquid chromatography (LC). The purity of the biphenylene derivative was also measured by liquid chromatography.
<Thin Layer Chromatography Analysis>
Merck's PLC silica gel 60F254 0.5 mm for thin layer chromatography was used, and hexane and/or toluene were used as the developing solvent.
<Gas Chromatography Analysis>
Apparatus: Shimadzu Corporation, (product name) GC2014
Column: Agilent (trade name) DB-1, 30 m
<Liquid Chromatography Analysis>
Equipment: Tosoh (controller: PX-8020, pump: CCPM-II, degasser: SD-8022)
Column: Tosoh Corporation, (product name) ODS-100V, 5 μm, 4.6 mm×250 mm
Column temperature: 33°C
Eluent: dichloromethane:acetonitrile = 2:8 (volume ratio)
Flow rate: 1.0 ml/min. Detector: UV (manufactured by Tosoh Corporation, (trade name) UV-8020, wavelength: 254 nm).
ビフェニレン誘導体の融点測定はDSC(示差走査熱量計)を用いた。
<DSC測定>
装置;エスアイアイナノテクノロジー社製、型式;DSC6220
昇降温速度;10℃/min
走査範囲;-10℃~300℃
The melting points of the biphenylene derivatives were measured using a DSC (differential scanning calorimeter).
<DSC Measurement>
Apparatus: SII NanoTechnology, model: DSC6220
Temperature increase/decrease rate: 10° C./min
Scanning range: -10°C to 300°C
合成例1(2,2’-ジブロモ-4,5’-ジフルオロビフェニルの合成)(A1工程)
窒素雰囲気下、100mlシュレンク反応容器に、1-ブロモ-4-フルオロ-2-ヨードベンゼン(東京化成工業)3.95g(13.1mmol)及びTHF(脱水グレード)15mlを添加した。この溶液を0℃に冷却し、エチルマグネシウムクロライド(シグマ-アルドリッチ、2.0M)のTHF溶液6.8ml(13.6mmol)を滴下した。この混合物を0℃で15分間熟成し、1-ブロモ-4-フルオロフェニル-2-マグネシウムクロライドを調製した。
一方、窒素雰囲気下、別の100mlシュレンク反応容器に、塩化亜鉛(和光純薬工業)2.42g(17.7mmol)及びTHF(脱水グレード)19mlを添加し、0℃に冷却した。この得られた白色微スラリー溶液中に、先に調製した1-ブロモ-4-フルオロフェニル-2-マグネシウムクロライド溶液をテフロン(登録商標)キャヌラーを用いて滴下し、さらにTHF(脱水グレード)2mlを用いて100mlシュレンク反応容器及びテフロン(登録商標)キャヌラーを洗浄しながら投入した。得られた混合物を室温まで徐々に昇温しながら攪拌した。生成した1-ブロモ-4-フルオロフェニル-2-亜鉛クロライドのスラリー液に、2-ブロモ-4-フルオロ-1-ヨードベンゼン(東京化成工業)3.18g(10.5mmol)及び触媒としてテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(東京化成工業)115mg(0.0995mmol、2-ブロモ-4-フルオロ-1-ヨードベンゼンに対し0.948モル%)を添加した。50℃で7時間反応を実施した後、容器を水冷し1M塩酸を添加することで反応を停止させた。トルエン及び食塩水を添加し、有機相を分相し、有機相を食塩水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥した。減圧濃縮し、得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した(溶媒:ヘキサン)。2,2’-ジブロモ-4,5’-ジフルオロビフェニルの無色オイル3.48gを得た(収
率94%)。
MS m/z: 350(M++2、51%)、348(M+、100%)、346(M+-2、53)。
1H NMR(CDCl3):δ=7.62(dd,J=8.7Hz,5.4Hz,1H),7.43(dd,J=8.2Hz,2.3Hz,1H),7.27~7.19(m,1H),7.11(dt,J=8.2Hz,2.7Hz,1H),7.04~6.96(m,2H)。
Synthesis Example 1 (Synthesis of 2,2'-dibromo-4,5'-difluorobiphenyl) (Step A1)
Under a nitrogen atmosphere, 3.95 g (13.1 mmol) of 1-bromo-4-fluoro-2-iodobenzene (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 15 ml of THF (dehydrated grade) were added to a 100 ml Schlenk reaction vessel. The solution was cooled to 0°C, and 6.8 ml (13.6 mmol) of a THF solution of ethyl magnesium chloride (Sigma-Aldrich, 2.0 M) was added dropwise. The mixture was aged at 0°C for 15 minutes to prepare 1-bromo-4-fluorophenyl-2-magnesium chloride.
Meanwhile, under a nitrogen atmosphere, 2.42 g (17.7 mmol) of zinc chloride (Wako Pure Chemical Industries) and 19 ml of THF (dehydrated grade) were added to another 100 ml Schlenk reaction vessel, and the vessel was cooled to 0° C. The previously prepared 1-bromo-4-fluorophenyl-2-magnesium chloride solution was added dropwise to the resulting white fine slurry solution using a Teflon (registered trademark) cannula, and the 100 ml Schlenk reaction vessel and the Teflon (registered trademark) cannula were further washed with 2 ml of THF (dehydrated grade) and charged into the vessel. The resulting mixture was stirred while gradually increasing the temperature to room temperature. To the resulting slurry of 1-bromo-4-fluorophenyl-2-zinc chloride, 3.18 g (10.5 mmol) of 2-bromo-4-fluoro-1-iodobenzene (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 115 mg (0.0995 mmol, 0.948 mol% relative to 2-bromo-4-fluoro-1-iodobenzene) of tetrakis(triphenylphosphine)palladium (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were added as a catalyst. After the reaction was carried out at 50°C for 7 hours, the reaction was stopped by cooling the vessel with water and adding 1M hydrochloric acid. Toluene and saline were added, and the organic phase was separated. The organic phase was washed with saline and dried over anhydrous sodium sulfate. The mixture was concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent: hexane). 3.48 g of colorless oil of 2,2'-dibromo-4,5'-difluorobiphenyl was obtained (yield 94%).
MS m/z: 350 (M ++ 2, 51%), 348 (M + , 100%), 346 (M + -2, 53).
1H NMR ( CDCl3 ): δ = 7.62 (dd, J = 8.7 Hz, 5.4 Hz, 1H), 7.43 (dd, J = 8.2 Hz, 2.3 Hz, 1H), 7.27-7.19 (m, 1H), 7.11 (dt, J = 8.2 Hz, 2.7 Hz, 1H), 7.04-6.96 (m, 2H).
合成例2 (2,6-ジフルオロビフェニレンの合成)(B1工程)
窒素雰囲気下、100mlシュレンク反応容器に、合成例1で合成した2,2’-ジブロモ-4,5’-ジフルオロビフェニル3.30g(9.48mmol)及びTHF(脱水グレード)160mlを添加した。この混合物を-78℃に冷却し、n-ブチルリチウム(関東化学、1.6M)のヘキサン溶液12.5ml(20.0mmol)を滴下した。この混合物を-78℃で1時間熟成した。ここへ、-78℃下で、塩化銅(II)(和光純薬工業製)3.75g(27.9mmol)を投入した。得られた混合物を室温まで徐々に昇温しながら攪拌した。反応混合物に1M塩酸を添加後、トルエンを添加し分相した。有機相を食塩水で2回洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥した。有機相を減圧濃縮し、得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した(溶媒;ヘキサン)。2,6-ジフルオロビフェニレンの淡黄色固体1.48gを得た(収率91%)。
MS m/z: 188(M+、100%)。
1H NMR(CDCl3):δ=6.56(dd,J=11Hz,4.0Hz,2H),6.42~6.35(m,4H)。
Synthesis Example 2 (Synthesis of 2,6-difluorobiphenylene) (Step B1)
In a nitrogen atmosphere, 3.30 g (9.48 mmol) of 2,2'-dibromo-4,5'-difluorobiphenyl synthesized in Synthesis Example 1 and 160 ml of THF (dehydrated grade) were added to a 100 ml Schlenk reaction vessel. The mixture was cooled to -78°C, and 12.5 ml (20.0 mmol) of a hexane solution of n-butyllithium (Kanto Chemical, 1.6 M) was added dropwise. The mixture was aged at -78°C for 1 hour. 3.75 g (27.9 mmol) of copper(II) chloride (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added to the mixture at -78°C. The mixture was stirred while gradually increasing the temperature to room temperature. 1 M hydrochloric acid was added to the reaction mixture, and then toluene was added to separate the phases. The organic phase was washed twice with saline and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic phase was concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent: hexane). As a result, 1.48 g of a pale yellow solid of 2,6-difluorobiphenylene was obtained (yield 91%).
MS m/z: 188 (M + , 100%).
1H NMR ( CDCl3 ): δ = 6.56 (dd, J = 11 Hz, 4.0 Hz, 2H), 6.42-6.35 (m, 4H).
合成例3 (2,6-ジフルオロ-1,5-ジヨードビフェニレンの合成)(C1工程)
窒素雰囲気下、300mlシュレンク反応容器に、ジイソプロピルアミン2.08mg(20.5mmol)及びTHF(脱水グレード)60mlを添加した。この混合物を-55℃に冷却し、n-ブチルリチウム(関東化学、1.6M)のヘキサン溶液12ml(19.2mmol)を滴下し、LDAを調製した。この混合物を-78℃に冷却し、ここへ、合成例2で合成した2,6-ジフルオロビフェニレン1.47g(7.81mmol)を少しずつ投入し、-78℃~-65℃で2時間攪拌した。得られた混合物を-78℃とし、ヨウ素5.02g(19.8mmol)及びTHF(脱水グレード)20mlからなる溶液を滴下した。得られた混合物を室温まで徐々に昇温しながら攪拌した。反応混合物0℃に冷却後、水及びトルエンを添加し、分相した。水相をトルエン抽出し、合わせた有機相を飽和食塩水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、減圧濃縮した。得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製し(溶媒;ヘキサン)、さらにヘキサン/トルエンから再結晶を行い、2,6-ジフルオロ-1,5-ジヨードビフェニレンの黄色結晶769mgを得た(収率22%)。GC分析より純度は98.9%であった。
1H NMR(CDCl3):δ=6.68(dd,J=7.3Hz,3.6Hz,2H),6.44(dd,J=9.6Hz,7.3Hz,2H)。
Synthesis Example 3 (Synthesis of 2,6-difluoro-1,5-diiodobiphenylene) (Step C1)
In a nitrogen atmosphere, 2.08 mg (20.5 mmol) of diisopropylamine and 60 ml of THF (dehydrated grade) were added to a 300 ml Schlenk reaction vessel. This mixture was cooled to -55°C, and 12 ml (19.2 mmol) of a hexane solution of n-butyllithium (Kanto Chemical, 1.6 M) was added dropwise to prepare LDA. This mixture was cooled to -78°C, and 1.47 g (7.81 mmol) of 2,6-difluorobiphenylene synthesized in Synthesis Example 2 was added little by little, and the mixture was stirred at -78°C to -65°C for 2 hours. The resulting mixture was brought to -78°C, and a solution consisting of 5.02 g (19.8 mmol) of iodine and 20 ml of THF (dehydrated grade) was added dropwise. The resulting mixture was stirred while gradually increasing the temperature to room temperature. After cooling the reaction mixture to 0°C, water and toluene were added, and the mixture was separated into phases. The aqueous phase was extracted with toluene, and the combined organic phase was washed with saturated saline, dried over anhydrous sodium sulfate, and concentrated under reduced pressure. The resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent: hexane), and further recrystallized from hexane/toluene to obtain 769 mg of yellow crystals of 2,6-difluoro-1,5-diiodobiphenylene (yield: 22%). GC analysis showed that the purity was 98.9%.
1H NMR ( CDCl3 ): δ = 6.68 (dd, J = 7.3 Hz, 3.6 Hz, 2H), 6.44 (dd, J = 9.6 Hz, 7.3 Hz, 2H).
合成例4 (2,6-ジフルオロ-1,5-ビス(トリメチルシリルエチニル)ビフェニレンの合成)(D1工程)
窒素雰囲気下、100mlシュレンク反応容器に、合成例3で合成した2,6-ジフルオロ-1,5-ジヨードビフェニレン752mg(1.71mmol)、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(和光純薬工業)24.7mg(0.0352mol)、ヨウ化銅(I)(和光純薬工業)14.5mg(0.0761mmol)、トルエン10ml、及びトリエチルアミン15mlを添加した。さらにトリメチルシリルアセチレン(東京化成)506mg(5.15mmol)を添加した。この混合物を25℃で3.5時間反応を実施した。得られた反応混合物にトルエン及び水を添加し、分相後、有機相を水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥した。有機相を減圧濃縮し、得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した(溶媒;ヘキサン)。2,6-ジフルオロ-1,5-ビス(トリメチルシリルエチニル)ビフェニレンの黄色固体641mgを得た(収率99%)。GC分析より純度は95.6%であった。
1H NMR(CDCl3):δ=6.60-6.57(q,J=4.1Hz,2H),6.46-6.41(dd,J=7.32Hz,2H),0.26(s,18H)。
Synthesis Example 4 (Synthesis of 2,6-difluoro-1,5-bis(trimethylsilylethynyl)biphenylene) (Step D1)
In a nitrogen atmosphere, 752 mg (1.71 mmol) of 2,6-difluoro-1,5-diiodobiphenylene synthesized in Synthesis Example 3, 24.7 mg (0.0352 mol) of dichlorobis(triphenylphosphine)palladium (Wako Pure Chemical Industries), 14.5 mg (0.0761 mmol) of copper iodide (Wako Pure Chemical Industries), 10 ml of toluene, and 15 ml of triethylamine were added to a 100 ml Schlenk reaction vessel. Furthermore, 506 mg (5.15 mmol) of trimethylsilylacetylene (Tokyo Chemical Industry) was added. This mixture was reacted at 25° C. for 3.5 hours. Toluene and water were added to the obtained reaction mixture, and after phase separation, the organic phase was washed with water and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic phase was concentrated under reduced pressure, and the obtained residue was purified by silica gel column chromatography (solvent: hexane). 641 mg of a yellow solid of 2,6-difluoro-1,5-bis(trimethylsilylethynyl)biphenylene was obtained (yield: 99%). GC analysis revealed that the purity was 95.6%.
1H NMR ( CDCl3 ): δ = 6.60-6.57 (q, J = 4.1 Hz, 2H), 6.46-6.41 (dd, J = 7.32 Hz, 2H), 0.26 (s, 18H).
合成例5 (無置換ジチエノビフェニレンの合成(E1工程)
窒素雰囲気下、200mlナスフラスコに、合成例4で合成した2,6-ジフルオロ-1,5-ビス(トリメチルシリルエチニル)ビフェニレン458mg(1.20mmol)、硫化ナトリウム・9水和物(和光純薬工業)1.01g(4.19mmol)、及びDMSO(和光純薬工業)15mlを添加した。混合物を70℃に加熱し、5時間攪拌した。得られた反応混合物を0℃に冷却後、水及びジクロロメタンを添加した。分相後、有機相を水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥した。有機相を減圧濃縮し、得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製し(溶媒;ヘキサン/ジクロロメタン)、黄色固体161mgを得た(収率51%)。LC分析より純度は83.5%であった。
MS m/z: 264(M+、100%)
1H NMR(CDCl3):δ=7.30(d,J=6.0Hz,2H),7.18(d,J=7.8Hz,2H),6.94(d,J=5.5Hz,2H),6.65(d,J=7.3Hz,2H)。
Synthesis Example 5 (Synthesis of unsubstituted dithienobiphenylene (Step E1)
In a nitrogen atmosphere, 458 mg (1.20 mmol) of 2,6-difluoro-1,5-bis(trimethylsilylethynyl)biphenylene synthesized in Synthesis Example 4, 1.01 g (4.19 mmol) of sodium sulfide nonahydrate (Wako Pure Chemical Industries), and 15 ml of DMSO (Wako Pure Chemical Industries) were added to a 200 ml eggplant flask. The mixture was heated to 70°C and stirred for 5 hours. The reaction mixture was cooled to 0°C, and water and dichloromethane were added. After phase separation, the organic phase was washed with water and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic phase was concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent: hexane/dichloromethane) to obtain 161 mg of a yellow solid (yield: 51%). The purity was 83.5% by LC analysis.
MS m/z: 264 (M + , 100%)
1H NMR ( CDCl3 ): δ = 7.30 (d, J = 6.0 Hz, 2H), 7.18 (d, J = 7.8 Hz, 2H), 6.94 (d, J = 5.5 Hz, 2H), 6.65 (d, J = 7.3 Hz, 2H).
合成例6 (2,7-ジブロモジチエノビフェニレンの合成)(F1工程)
窒素雰囲気下、100mlシュレンク反応容器に、合成例5で合成した無置換ジチエノビフェニレン160mg(0.61mmol)及びTHF(脱水グレード)20mlを添加した。ここへ、-83℃下、n-ブチルリチウム(関東化学、1.6M)のヘキサン溶液1.5ml(2.40mmol)を投入し、25℃で15分撹拌した後、再度-78℃に冷却した。ここへジブロモテトラクロロエタン852mg(2.61mmol)及びTHF(脱水グレード)5mlからなる溶液を滴下した。5.5時間攪拌後、水及びトルエンを添加し、分相した。有機相を水で2回洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、減圧濃縮した。得られた残渣をメタノール、ヘキサンで洗浄し、2,7-ジブロモジチエノビフェニレンの黄色固体164mgを得た(収率64%)。
1H NMR(CDCl3):δ=7.02(dd,J=7.32Hz,0.92Hz,2H),6.96(d,J=0.88Hz,2H),6.59(d,J=7.32Hz,2H)。
Synthesis Example 6 (Synthesis of 2,7-dibromodithienobiphenylene) (Step F1)
In a nitrogen atmosphere, 160 mg (0.61 mmol) of the unsubstituted dithienobiphenylene synthesized in Synthesis Example 5 and 20 ml of THF (dehydrated grade) were added to a 100 ml Schlenk reaction vessel. 1.5 ml (2.40 mmol) of a hexane solution of n-butyllithium (Kanto Chemical, 1.6 M) was added thereto at -83°C, and the mixture was stirred at 25°C for 15 minutes, and then cooled again to -78°C. A solution consisting of 852 mg (2.61 mmol) of dibromotetrachloroethane and 5 ml of THF (dehydrated grade) was added dropwise thereto. After stirring for 5.5 hours, water and toluene were added and the mixture was separated into phases. The organic phase was washed twice with water, dried over anhydrous sodium sulfate, and concentrated under reduced pressure. The resulting residue was washed with methanol and hexane to obtain 164 mg of a yellow solid of 2,7-dibromodithienobiphenylene (yield 64%).
1H NMR ( CDCl3 ): δ = 7.02 (dd, J = 7.32 Hz, 0.92 Hz, 2H), 6.96 (d, J = 0.88 Hz, 2H), 6.59 (d, J = 7.32 Hz, 2H).
実施例1 (ビフェニレン誘導体(1-1a、R9=4-オクチルチエニル-2―基)化合物1の合成)(G1工程)
窒素雰囲気下、50mlシュレンク反応容器に、合成例6で合成した2,7-ジブロモジチエノビフェニレン55mg(0.13mmol)、DMF3mL、0.5M 塩化リチウムのTHF溶液0.8mL(0.40mmol)、ジャーナル オブ アメリカン ケミカル ソサイエティ1998,120(30)、7643に記載の方法をもとに合成した2-トリメチルスタニル-4-n-オクチルチオフェン127mg、および触媒としてテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(東京化成工業)11.7mg(0.01mmol)を添加し、100℃で3時間撹拌した。氷冷下、1M フッ化カリウム水溶液を添加し、終夜撹拌した。反応液を吸引濾過し、残渣を水、メタノールで洗浄した。得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した(溶媒;ヘキサン/トルエン=10/0~10/5)。ビフェニレン誘導体(1-1a、化合物1)の黄色固体50mgを得た(収率59%)。
1H NMR(CDCl3):δ=7.11(d,J=1.40Hz,2H),7.08(dd,J=3.90、0.92Hz,2H),6.98(d,J=0.92Hz,2H),6.90(d,J=1.36Hz,2H),6.63(d,J=7.32Hz,2H),2.60(t,J=7.76Hz,4H),1.68-1.62(m,4H),1.37-1.26(m,20H),0.89(t,J=6.84Hz,6H)。
Example 1 (Synthesis of biphenylene derivative (1-1a, R 9 = 4-octylthienyl-2-group) compound 1) (Step G1)
In a nitrogen atmosphere, 55 mg (0.13 mmol) of 2,7-dibromodithienobiphenylene synthesized in Synthesis Example 6, 3 mL of DMF, 0.8 mL (0.40 mmol) of a 0.5 M THF solution of lithium chloride, 127 mg of 2-trimethylstannyl-4-n-octylthiophene synthesized based on the method described in Journal of American Chemical Society 1998, 120 (30), 7643, and 11.7 mg (0.01 mmol) of tetrakis(triphenylphosphine)palladium (Tokyo Chemical Industry) as a catalyst were added to a 50 mL Schlenk reaction vessel, and the mixture was stirred at 100° C. for 3 hours. Under ice cooling, a 1 M aqueous potassium fluoride solution was added, and the mixture was stirred overnight. The reaction solution was suction filtered, and the residue was washed with water and methanol. The resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent; hexane/toluene=10/0 to 10/5). 50 mg of a yellow solid of the biphenylene derivative (1-1a, compound 1) was obtained (yield: 59%).
1H NMR (CDCl3): δ = 7.11 (d, J = 1.40 Hz, 2H), 7.08 (dd, J = 3.90, 0.92 Hz, 2H), 6.98 (d, J = 0.92 Hz, 2H), 6.90 (d, J = 1.36 Hz, 2H), 6.63 (d, J = 7.32 Hz, 2H), 2.60 (t, J = 7.76 Hz, 4H), 1.68-1.62 (m, 4H), 1.37-1.26 (m, 20H), 0.89 (t, J = 6.84 Hz, 6H).
合成例7 (2-ブロモ-1-フルオロ-3-ヨードベンゼンの合成)
窒素雰囲気下、500mlシュレンク反応容器に、ジイソプロピルアミン5.76g(56.9mmol)及びTHF(脱水グレード)115.0mlを添加した。この溶液を-50℃に冷却し、n-ブチルリチウム(東京化成工業、1.6M)のヘキサン溶液34.0ml(54.4mmol)を滴下し、LDAを調製した。この混合物を-78℃に冷却し、1-フルオロ-3-ヨードベンゼン(東京化成工業)11.5g(51.8mmol)を添加し、-78℃で2時間保持した。ここへ、-78℃下、テトラブロモメタン(東京化成工業)34.4g(103.6mmol)をTHF(脱水グレード)160.0mlに溶解した溶液を滴下し、室温まで徐々に昇温した。得られた反応混合物に水及びトルエンを添加し、分相した。有機相を無水硫酸ナトリウムで乾燥し、減圧濃縮した。得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製し(溶媒:ヘキサン)。メタノール(和光純薬工業)3.0gを加え、50℃に昇温して再結晶することで2-ブロモ-1-フルオロ-3-ヨードベンゼンの白色固体7.43gを得た(収率43.3%)。
MS m/z: 302(M++2、75%)、300(M+、78%)、175(M++2-I、38%)、173(M+-I、39%)、94(M+-BrI、100%)。
1H NMR(CDCl3):δ=7.68~7.64(m,1H),7.12~7.08(m,1H),7.05~7.00(m,1H)
Synthesis Example 7 (Synthesis of 2-bromo-1-fluoro-3-iodobenzene)
In a nitrogen atmosphere, 5.76 g (56.9 mmol) of diisopropylamine and 115.0 ml of THF (dehydrated grade) were added to a 500 ml Schlenk reaction vessel. This solution was cooled to -50°C, and 34.0 ml (54.4 mmol) of a hexane solution of n-butyllithium (Tokyo Chemical Industry, 1.6 M) was added dropwise to prepare LDA. This mixture was cooled to -78°C, and 11.5 g (51.8 mmol) of 1-fluoro-3-iodobenzene (Tokyo Chemical Industry) was added, and the mixture was kept at -78°C for 2 hours. A solution of 34.4 g (103.6 mmol) of tetrabromomethane (Tokyo Chemical Industry) dissolved in 160.0 ml of THF (dehydrated grade) was added dropwise to this at -78°C, and the temperature was gradually raised to room temperature. Water and toluene were added to the obtained reaction mixture, and the phases were separated. The organic phase was dried over anhydrous sodium sulfate and concentrated under reduced pressure. The resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent: hexane), and 3.0 g of methanol (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added, and the mixture was heated to 50° C. for recrystallization to obtain 7.43 g of a white solid of 2-bromo-1-fluoro-3-iodobenzene (yield: 43.3%).
MS m/z: 302 (M ++ 2, 75%), 300 (M + , 78%), 175 (M ++ 2-I, 38%), 173 (M + -I, 39%), 94 (M + -BrI, 100%).
1H NMR ( CDCl3 ): δ = 7.68-7.64 (m, 1H), 7.12-7.08 (m, 1H), 7.05-7.00 (m, 1H)
合成例8 (2,2’-ジブロモ-3,6’-ジフルオロビフェニルの合成)(A2工程)
窒素雰囲気下、200mlシュレンク反応容器に、1-ブロモ-3-フルオロ-2-ヨードベンゼン(東京化成工業)4.89g(16.3mmol)及びTHF(脱水グレード)50.0mlを添加した。この溶液を0℃に冷却し、エチルマグネシウムクロライド(シグマ-アルドリッチ、2.0M)のTHF溶液8.4ml(19.8mmol)を滴下した。この混合物を0℃で20分間熟成し、1-ブロモ-3-フルオロフェニル-2-マグネシウムクロライドを調製した。
一方、窒素雰囲気下、別の300mlシュレンク反応容器に、塩化亜鉛(和光純薬工業)3.28g(24.1mmol)及びTHF(脱水グレード)30mlを添加し、0℃に冷却した。この得られた白色微スラリー溶液中に、先に調製した1-ブロモ-3-フルオロフェニル-2-マグネシウムクロライド溶液をテフロン(登録商標)キャヌラーを用いて滴下し、さらにTHF(脱水グレード)2mlを用いて100mlシュレンク反応容器及びテフロン(登録商標)キャヌラーを洗浄しながら投入した。得られた混合物を室温まで徐々に昇温しながら攪拌した。生成した1-ブロモ-3-フルオロフェニル-2-亜鉛クロライドのスラリー液に、合成例9で合成した2-ブロモ-1-フルオロ-3-ヨードベンゼン3.51g(11.7mmol)及び触媒としてテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(東京化成工業)1.40g(1.2mmol、2-ブロモ-1-フルオロ-3-ヨードベンゼンに対し10モル%)を添加した。60℃で3時間反応を実施した後、容器を水冷し1M塩酸を添加することで反応を停止させた。トルエンを添加し、有機相を分相し、有機相を無水硫酸ナトリウムで乾燥した。減圧濃縮し、得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した(溶媒:ヘキサン)。2,2’-ジブロモ-3,6’-ジフルオロビフェニルの無色固体2.90gを得た(収率71.3%)。
1H NMR(CDCl3):δ=7.50(d,J=8.2Hz,1H),7.42~7.36(m,1H),7.33~7.26(m,1H),7.23~7.18(m,1H),7.17~7.12(m,1H),7.05~6.96(d,J=7.3Hz,1H)。
Synthesis Example 8 (Synthesis of 2,2'-dibromo-3,6'-difluorobiphenyl) (Step A2)
Under a nitrogen atmosphere, 4.89 g (16.3 mmol) of 1-bromo-3-fluoro-2-iodobenzene (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 50.0 ml of THF (dehydrated grade) were added to a 200 ml Schlenk reaction vessel. The solution was cooled to 0° C., and 8.4 ml (19.8 mmol) of a THF solution of ethyl magnesium chloride (Sigma-Aldrich, 2.0 M) was added dropwise. The mixture was aged at 0° C. for 20 minutes to prepare 1-bromo-3-fluorophenyl-2-magnesium chloride.
Meanwhile, under a nitrogen atmosphere, 3.28 g (24.1 mmol) of zinc chloride (Wako Pure Chemical Industries) and 30 ml of THF (dehydrated grade) were added to another 300 ml Schlenk reaction vessel, and cooled to 0° C. The previously prepared 1-bromo-3-fluorophenyl-2-magnesium chloride solution was added dropwise to the resulting white fine slurry solution using a Teflon (registered trademark) cannula, and the 100 ml Schlenk reaction vessel and the Teflon (registered trademark) cannula were further washed with 2 ml of THF (dehydrated grade) and charged into the vessel. The resulting mixture was stirred while gradually increasing the temperature to room temperature. To the resulting slurry of 1-bromo-3-fluorophenyl-2-zinc chloride, 3.51 g (11.7 mmol) of 2-bromo-1-fluoro-3-iodobenzene synthesized in Synthesis Example 9 and 1.40 g (1.2 mmol, 10 mol% relative to 2-bromo-1-fluoro-3-iodobenzene) of tetrakis(triphenylphosphine)palladium (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) were added as a catalyst. After the reaction was carried out at 60°C for 3 hours, the reaction was stopped by cooling the vessel with water and adding 1M hydrochloric acid. Toluene was added, and the organic phase was separated and dried with anhydrous sodium sulfate. The mixture was concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent: hexane). 2.90 g of a colorless solid of 2,2'-dibromo-3,6'-difluorobiphenyl was obtained (yield 71.3%).
1H NMR ( CDCl3 ): δ = 7.50 (d, J = 8.2 Hz, 1H), 7.42-7.36 (m, 1H), 7.33-7.26 (m, 1H), 7.23-7.18 (m, 1H), 7.17-7.12 (m, 1H), 7.05-6.96 (d, J = 7.3 Hz, 1H).
合成例9 (1,5-ジフルオロビフェニレンの合成)(B2工程)
窒素雰囲気下、100mlシュレンク反応容器に、合成例8で合成した2,2’-ジブロモ-3,6’-ジフルオロビフェニル395.5mg(1.1mmol)及びTHF(脱水グレード)20mlを添加した。この混合物を-78℃に冷却し、n-ブチルリチウム(関東化学、1.6M)のヘキサン溶液2.9ml(4.6mmol)を滴下した。この混合物を-78℃で1時間熟成した後、-40℃に10分かけて昇温し1時間熟成させた。ここへ、N-フルオロベンゼンスルホンイミド(東京化成工業)1.50g(4.8mmol)を投入した。得られた混合物を室温まで徐々に昇温しながら攪拌した。反応混合物に1M塩酸を添加後、トルエンを添加し分相した。有機相を無水硫酸ナトリウムで乾燥した。有機相を減圧濃縮し、得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した(溶媒;ヘキサン)。1,5-ジフルオロビフェニレンの淡黄色固体130.0mgを得た(収率51.7%)。
MS m/z: 188(M+、100%)、168(M+-HF、15%)94(M+-C6H3F、15%)。
1H NMR(CDCl3):δ=6.80(ddd,2H)δ=6.56~6.50(m,4H)。
Synthesis Example 9 (Synthesis of 1,5-difluorobiphenylene) (Step B2)
In a nitrogen atmosphere, 395.5 mg (1.1 mmol) of 2,2'-dibromo-3,6'-difluorobiphenyl synthesized in Synthesis Example 8 and 20 ml of THF (dehydrated grade) were added to a 100 ml Schlenk reaction vessel. The mixture was cooled to -78°C, and 2.9 ml (4.6 mmol) of a hexane solution of n-butyllithium (Kanto Chemical, 1.6 M) was added dropwise. The mixture was aged at -78°C for 1 hour, then heated to -40°C over 10 minutes and aged for 1 hour. 1.50 g (4.8 mmol) of N-fluorobenzenesulfonimide (Tokyo Chemical Industry) was added thereto. The resulting mixture was stirred while gradually warming to room temperature. 1 M hydrochloric acid was added to the reaction mixture, and toluene was added to separate the phases. The organic phase was dried over anhydrous sodium sulfate. The organic phase was concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent: hexane). A pale yellow solid of 1,5-difluorobiphenylene was obtained in an amount of 130.0 mg (yield: 51.7%).
MS m/z: 188 (M + , 100%), 168 (M + -HF, 15%) 94 (M + -C 6 H 3 F, 15%).
1H NMR ( CDCl3 ): δ = 6.80 (ddd, 2H) δ = 6.56-6.50 (m, 4H).
合成例10 (ビフェニレン-1,5-ビス(チオアセトアルデヒドジメチルアセタール)の合成(C2工程)
窒素雰囲気下、100mlシュレンク反応容器に、合成例9で合成した1,5-ジフルオロビフェニレン57.6mg(0.31mmol)、硫化ナトリウム・9水和物(和光純薬工業)398.0mg(1.65mmol)、及びNMP(和光純薬工業)4mlを添加した。混合物を110℃で、6時間攪拌した。得られた反応混合物に2-ブロモアセトアルデヒドジメチルアセタール(東京化成工業)578.2mg(3.42mmol)を添加し、100℃で、3時間加熱攪拌した。得られた反応混合物を室温に冷却後、水及びトルエンを添加した。分相後、有機相を無水硫酸ナトリウムで乾燥した。有機相を減圧濃縮し、得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した(溶媒;ヘキサン/酢酸エチル=10/1~10/2)。さらに低沸分を減圧除去し、ビフェニレン-1,5-ビス(チオアセトアルデヒドジメチルアセタール)の黄色固体65.4mgを得た(収率64.7%)。
1H NMR(CDCl3):δ=6.70(d,J=5.5Hz,2H),6.69(d,J=1.4Hz,2H),6.54(dd,J=5.5Hz,1.4Hz,2H),4.53(t,J=5.9Hz,2H),3.38(s,12H),3.10(d,J=5.9,Hz,4H)。
Synthesis Example 10 (Synthesis of biphenylene-1,5-bis(thioacetaldehyde dimethyl acetal) (Step C2)
In a nitrogen atmosphere, 57.6 mg (0.31 mmol) of 1,5-difluorobiphenylene synthesized in Synthesis Example 9, 398.0 mg (1.65 mmol) of sodium sulfide nonahydrate (Wako Pure Chemical Industries), and 4 ml of NMP (Wako Pure Chemical Industries) were added to a 100 ml Schlenk reaction vessel. The mixture was stirred at 110° C. for 6 hours. 578.2 mg (3.42 mmol) of 2-bromoacetaldehyde dimethyl acetal (Tokyo Chemical Industry) was added to the resulting reaction mixture, and the mixture was heated and stirred at 100° C. for 3 hours. The resulting reaction mixture was cooled to room temperature, and water and toluene were added. After phase separation, the organic phase was dried over anhydrous sodium sulfate. The organic phase was concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent; hexane/ethyl acetate=10/1 to 10/2). Further, low boiling points were removed under reduced pressure to obtain 65.4 mg of a yellow solid of biphenylene-1,5-bis(thioacetaldehyde dimethyl acetal) (yield 64.7%).
1H NMR ( CDCl3 ): δ = 6.70 (d, J = 5.5 Hz, 2H), 6.69 (d, J = 1.4 Hz, 2H), 6.54 (dd, J = 5.5 Hz, 1.4 Hz, 2H), 4.53 (t, J = 5.9 Hz, 2H), 3.38 (s, 12H), 3.10 (d, J = 5.9, Hz, 4H).
合成例11 (無置換ジチエノビフェニレンの合成)(D2工程)
窒素雰囲気下、50mlシュレンク反応容器に、合成例10で合成したビフェニレン-1,5-ビス(チオアセトアルデヒドジメチルアセタール)57.7mg(0.15mmol)、ポリリン酸(和光純薬工業)109.4mg、及びクロロベンゼン(和光純薬工業)4mlを添加した。混合物を130℃で、5時間攪拌した。得られた反応混合物を室温に冷却後、水及びトルエンを添加した。分相後、有機相を水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥した。有機相を減圧濃縮し、得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した(溶媒;ヘキサン/酢酸エチル=10/1~10/2)、ジチエノビフェニレン誘導体の黄色固体22.5mgを得た(収率55%)。
Synthesis Example 11 (Synthesis of unsubstituted dithienobiphenylene) (Step D2)
In a nitrogen atmosphere, 57.7 mg (0.15 mmol) of biphenylene-1,5-bis(thioacetaldehyde dimethyl acetal) synthesized in Synthesis Example 10, 109.4 mg of polyphosphoric acid (Wako Pure Chemical Industries), and 4 ml of chlorobenzene (Wako Pure Chemical Industries) were added to a 50 ml Schlenk reaction vessel. The mixture was stirred at 130° C. for 5 hours. The reaction mixture was cooled to room temperature, and water and toluene were added. After phase separation, the organic phase was washed with water and dried over anhydrous sodium sulfate. The organic phase was concentrated under reduced pressure, and the resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent; hexane/ethyl acetate=10/1 to 10/2), to obtain 22.5 mg of a yellow solid of a dithienobiphenylene derivative (yield 55%).
合成例12 (2,7-ジブロモジチエノビフェニレンの合成)(F2工程)
窒素雰囲気下、50mlシュレンク反応容器に、合成例11で合成した無置換ジチエノビフェニレン22mg(0.083mmol)及びTHF(脱水グレード)3mlを添加した。ここへ、-83℃下、n-ブチルリチウム(関東化学、1.6M)のヘキサン溶液0.21ml(0.33mmol)を投入し、25℃で15分撹拌した後、再度-78℃に冷却した。ここへジブロモテトラクロロエタン117mg(0.36mmol)及びTHF(脱水グレード)2mlからなる溶液を滴下した。5.5時間攪拌後、水及びトルエンを添加し、分相した。有機相を水で2回洗浄し、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、減圧濃縮した。得られた残渣をメタノール、ヘキサンで洗浄し、2,7-ジブロモジチエノビフェニレンの黄色固体21mgを得た(収率60%)。
1H NMR(CDCl3):δ=7.07(d,J=7.5Hz,2H),7.05(s,2H),6.64(d,J=7.5Hz,2H)。
Synthesis Example 12 (Synthesis of 2,7-dibromodithienobiphenylene) (Step F2)
In a nitrogen atmosphere, 22 mg (0.083 mmol) of the unsubstituted dithienobiphenylene synthesized in Synthesis Example 11 and 3 ml of THF (dehydrated grade) were added to a 50 ml Schlenk reaction vessel. 0.21 ml (0.33 mmol) of a hexane solution of n-butyllithium (Kanto Chemical, 1.6 M) was added thereto at -83°C, and the mixture was stirred at 25°C for 15 minutes, and then cooled again to -78°C. A solution consisting of 117 mg (0.36 mmol) of dibromotetrachloroethane and 2 ml of THF (dehydrated grade) was added dropwise thereto. After stirring for 5.5 hours, water and toluene were added and the mixture was separated into phases. The organic phase was washed twice with water, dried over anhydrous sodium sulfate, and concentrated under reduced pressure. The resulting residue was washed with methanol and hexane to obtain 21 mg of a yellow solid of 2,7-dibromodithienobiphenylene (yield 60%).
1H NMR ( CDCl3 ): δ = 7.07 (d, J = 7.5 Hz, 2H), 7.05 (s, 2H), 6.64 (d, J = 7.5 Hz, 2H).
実施例2 (ビフェニレン誘導体(1-2a、R9=4-オクチルチエニル-2―基、化合物2)の合成)(G2工程)
窒素雰囲気下、50mlシュレンク反応容器に、合成例12で合成した2,7-ジブロモジチエノビフェニレン21mg(0.050mmol)、DMF3mL、0.5M 塩化リチウムのTHF溶液0.4mL(0.20mmol)、実施例1と同様の方法にて合成した2-トリメチルスタニル-4-n-オクチルチオフェン120mg、および触媒としてテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(東京化成工業)5.0mg(0.005mmol)を添加し、100℃で3時間撹拌した。氷冷下、1M フッ化カリウム水溶液を添加し、終夜撹拌した。反応液を吸引濾過し、残渣を水、メタノールで洗浄した。得られた残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した(溶媒;ヘキサン/トルエン=10/0~10/5)。ビフェニレン誘導体(1-2a、化合物2)の黄色固体20mgを得た(収率61%)。
Example 2 (Synthesis of biphenylene derivative (1-2a, R 9 = 4-octylthienyl-2-group, compound 2)) (Step G2)
In a nitrogen atmosphere, 21 mg (0.050 mmol) of 2,7-dibromodithienobiphenylene synthesized in Synthesis Example 12, 3 mL of DMF, 0.4 mL (0.20 mmol) of a 0.5 M THF solution of lithium chloride, 120 mg of 2-trimethylstannyl-4-n-octylthiophene synthesized in the same manner as in Example 1, and 5.0 mg (0.005 mmol) of tetrakis(triphenylphosphine)palladium (Tokyo Chemical Industry) as a catalyst were added to a 50 mL Schlenk reaction vessel, and the mixture was stirred at 100° C. for 3 hours. Under ice cooling, a 1 M aqueous potassium fluoride solution was added, and the mixture was stirred overnight. The reaction solution was suction filtered, and the residue was washed with water and methanol. The resulting residue was purified by silica gel column chromatography (solvent; hexane/toluene=10/0 to 10/5). 20 mg of a yellow solid of a biphenylene derivative (1-2a, compound 2) was obtained (yield 61%).
実施例3 (有機半導体層形成用溶液の作製)
空気下、10mlサンプル管に、実施例1、2で合成した化合物1、2各0.87mg及びトルエン(和光純薬工業、ピュアーグレード)434mgを添加し、50℃に加熱溶解後、室温下(25℃)に放冷し、有機半導体層形成用溶液を調製した。25℃で10時間後も溶液状態を維持しており(化合物の濃度は0.20重量%)、ドロップキャスト及びインクジェットによる製膜に適した化合物であることを確認した。
Example 3 (Preparation of solution for forming organic semiconductor layer)
In air, 0.87 mg each of Compounds 1 and 2 synthesized in Examples 1 and 2 and 434 mg of toluene (Wako Pure Chemical Industries, Pure Grade) were added to a 10 ml sample tube, and the mixture was heated and dissolved at 50° C., and then allowed to cool to room temperature (25° C.) to prepare a solution for forming an organic semiconductor layer. The solution state was maintained even after 10 hours at 25° C. (compound concentration was 0.20 wt %), and it was confirmed that the compound is suitable for film formation by drop casting and inkjet.
実施例4 (有機半導体層及び有機薄膜トランジスタの作製)
実施例3で得られた有機半導体層形成用溶液を用い、トップゲート-ボトムコンタクト型のp型有機薄膜トランジスタを作製した。各構成部材の材質及び成膜方法を表1に示した。
Example 4 (Fabrication of organic semiconductor layer and organic thin film transistor)
A top gate-bottom contact type p-type organic thin film transistor was produced using the organic semiconductor layer forming solution obtained in Example 3. The materials of each component and the film formation method are shown in Table 1.
まずは、実施例3で得られた有機半導体層形成用溶液をシリンジに充填し、0.2μmのフィルターを通した溶液を、空気下、ドロップキャストした。室温下(25℃)で自然乾燥して薄膜を作製した。
該有機半導体層にチャネル長50μm、チャネル幅500μmのシャドウマスクを置き、金を真空蒸着することでソース及びドレイン電極を形成し、ボトムゲート-トップコンタクト型のp型有機薄膜トランジスタを作製した。
作製した有機薄膜トランジスタの電気物性を半導体パラメーターアナライザー(ケースレー4200SCS)を用いて、ドレイン電圧(Vd=-50V)で、ゲート電圧(Vg)を+5~-70Vまで1V刻みで走査し、伝達特性の評価を行った。さらにこの有機薄膜トランジスタを130℃で15分間アニール処理した後の電気物性を測定した。電気物性結果を表2に示した。熱処理による性能の低下はほとんど見られなかった。
First, the organic semiconductor layer forming solution obtained in Example 3 was filled into a syringe, and the solution was passed through a 0.2 μm filter and drop-cast in air. The solution was naturally dried at room temperature (25° C.) to prepare a thin film.
A shadow mask with a channel length of 50 μm and a channel width of 500 μm was placed on the organic semiconductor layer, and gold was vacuum-deposited to form source and drain electrodes, thereby producing a bottom-gate-top-contact type p-type organic thin-film transistor.
The electrical properties of the fabricated organic thin-film transistor were evaluated using a semiconductor parameter analyzer (Keithley 4200SCS) by scanning the gate voltage (Vg) from +5 to -70 V in 1 V increments at a drain voltage (Vd = -50 V). Furthermore, the electrical properties of this organic thin-film transistor were measured after annealing at 130°C for 15 minutes. The results of the electrical properties are shown in Table 2. Almost no deterioration in performance due to the heat treatment was observed.
比較例1
(有機半導体層形成用溶液の作製)
空気下、10mlサンプル管に、2,7-ジオクチルベンゾチエノベンゾチオフェン(シグマ-アルドリッチ)を用い、実施例3と同様の方法により、有機半導体層形成用溶液を調製した。25℃で10時間後も溶液状態を維持しており(0.20重量%)、ドロップキャスト及びインクジェットによる製膜に適した化合物であることを確認した。
Comparative Example 1
(Preparation of solution for forming organic semiconductor layer)
A solution for forming an organic semiconductor layer was prepared in a 10 ml sample tube under air using 2,7-dioctylbenzothienobenzothiophene (Sigma-Aldrich) in the same manner as in Example 3. The solution state was maintained (0.20 wt %) even after 10 hours at 25° C., and it was confirmed that the compound is suitable for film formation by drop casting and inkjet.
(有機半導体層及び有機薄膜トランジスタの作製)
該有機半導体層形成用溶液を用い、実施例4と同様の方法により、膜厚60nmの2,7-ジオクチルベンゾチエノベンゾチオフェンの薄膜を作製し、ボトムゲート-トップコンタクト型のp型有機薄膜トランジスタを作製した。
該トランジスタ素子の伝達特性の評価を行った結果、正孔のキャリア移動度は0.01cm2/V・sec、電流オン・オフ比は3.0×105であった。
さらにこの有機薄膜トランジスタを150℃で15分間アニール処理した後の電気物性を測定した。その結果、トランジスタ動作は得られず、熱処理による著しい性能の低下が見られた。顕微鏡観察から有機半導体層が加熱により破壊されていることが確認された。
(Fabrication of organic semiconductor layer and organic thin film transistor)
Using this organic semiconductor layer-forming solution, a 60 nm-thick thin film of 2,7-dioctylbenzothienobenzothiophene was formed in the same manner as in Example 4, and a bottom-gate-top-contact type p-type organic thin film transistor was fabricated.
The transfer characteristics of the transistor element were evaluated, and the carrier mobility of holes was found to be 0.01 cm 2 /V·sec, and the current on/off ratio was found to be 3.0×10 5 .
Furthermore, the electrical properties of this organic thin-film transistor were measured after annealing it at 150° C. for 15 minutes. As a result, no transistor operation was obtained, and a significant decrease in performance due to the heat treatment was observed. Microscopic observation confirmed that the organic semiconductor layer was destroyed by heating.
比較例2
(有機半導体層及び有機薄膜トランジスタの作製)
比較例1で作製した有機薄膜トランジスタを130℃で15分間アニール処理した以外は、比較例1と同様の操作を繰り返した。その結果、トランジスタ動作は得られず、熱処理による著しい性能の低下が見られた。顕微鏡観察から有機半導体層が加熱により破壊されていることが確認された。
Comparative Example 2
(Fabrication of organic semiconductor layer and organic thin film transistor)
The same operations as in Comparative Example 1 were repeated except that the organic thin film transistor prepared in Comparative Example 1 was annealed at 130° C. for 15 minutes. As a result, transistor operation was not obtained, and a significant decrease in performance due to the heat treatment was observed. Microscopic observation confirmed that the organic semiconductor layer was destroyed by heating.
本発明のビフェニレン誘導体は、高いキャリア移動度を与えると共に、耐熱性及び溶解性に優れることから有機薄膜トランジスタに代表される半導体デバイス材料としての適用が期待できる。 The biphenylene derivative of the present invention provides high carrier mobility and has excellent heat resistance and solubility, and is therefore expected to be used as a material for semiconductor devices, such as organic thin-film transistors.
(A):ボトムゲート-トップコンタクト型有機薄膜トランジスタ
(B):ボトムゲート-ボトムコンタクト型有機薄膜トランジスタ
(C):トップゲート-トップコンタクト型有機薄膜トランジスタ
(D):トップゲート-ボトムコンタクト型有機薄膜トランジスタ
1:有機半導体層
2:基板
3:ゲート電極
4:ゲート絶縁層
5:ソース電極
6:ドレイン電極
(A): bottom gate-top contact type organic thin film transistor (B): bottom gate-bottom contact type organic thin film transistor (C): top gate-top contact type organic thin film transistor (D): top gate-bottom contact type organic thin film transistor 1: organic semiconductor layer 2: substrate 3: gate electrode 4: gate insulating layer 5: source electrode 6: drain electrode
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