JPWO2011108512A1 - 新規アゾメチンオリゴマー - Google Patents
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Abstract
本発明は、半導体材料として十分なキャリア移動度を確保し、しかもトルエン等の疎水性溶媒、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒、プロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコール系溶媒、または乳酸メチル等のエステル系溶媒など比較的に汎用性の高い有機溶媒に溶解する新規なアゾメチンオリゴマーを提供することを目的とする。本発明のアゾメチンオリゴマーは、主骨格中に、アゾメチン基と置換基を有していてもよい二価の芳香族基とが交互に結合して共役した芳香族環含有共役基を有し、該芳香族環含有共役基の両末端のアゾメチン基に、該芳香族環含有共役基と共役しない、酸素原子、硫黄原子またはシクロアルキレン基を有する基を有していてもよい炭化水素基が結合してなり、該炭化水素基は、アルデヒド基及びアミノ基と反応性を有しないことを特徴としている。
Description
本発明は、新規なアゾメチンオリゴマーに関する。
直鎖状に発達した共役構造を有するポリアゾメチンの用途に関しては、LED、薄膜トランジスタ、太陽電池等の電子及び光学デバイス材料用の有機半導体材料といった用途が幅広く研究されてきた。
一般的に従来のポリアゾメチンは、主鎖中に芳香環、ヘテロ環、または芳香環及びヘテロ環を有し、これらがアゾメチン基で連結された、複数の芳香環および/またはヘテロ環が繋がった共役系ポリマー構造をとっている。
ポリアゾメチンを有機半導体材料として利用する場合、基板上に前記半導体層を形成するためには、ポリアゾメチンを溶媒に溶解し、得られた溶液を基板上に塗布する方法が簡便であり、コストも低い。しかしながら、上記ポリアゾメチンは、上記のごとく共役系で、平面性が高く剛直な構造の化合物であり、そのため有機溶媒に対して溶解性が悪い。そのため、ポリアゾメチンを有機溶媒に溶解させて基板上に塗布するということができない。
このため、モノマーをターゲット基板へ真空蒸着しながらポリアゾメチンを重合し、かつ半導体層を形成する方法が提案されているが(特許文献1参照)、当該方法は、プロセスの煩雑さ及びポリアゾメチンの収率が低いことから好ましい方法とはいえない。
また特許文献1に開示されたポリアゾメチンの溶媒溶解性については、m-クレゾール等のプロトン酸又はそれを含む有機溶媒中においては、前記ポリアゾメチンが可逆的なLewis酸-塩基対を形成し、この状態で溶媒に対して溶解性を示すことが知見されている(非特許文献1〜4参照)。
しかしながら、これらのプロトン酸またはプロトン酸を含む有機溶媒は汎用性があるとは言い難い。さらに、前記有機溶媒は腐食性を示すため、前記ポリアゾメチンをこれらの溶媒に溶解したポリアゾメチン溶液については、工業的な使用は制限される。
また、特許文献2は、ポリアゾメチンを含有する有機LED素子に関する発明を開示しており、そのポリアゾメチンは、下記一般式(I)で表わされる。
そして特許文献2の[0013]には、このようなポリアゾメチンをm−クレゾールまたはベンゼン中で重合し、得られたポリアゾメチン溶液をスピンコート、ディップコートなどの湿式による成膜法で基板(陽極)上に成膜し、その後に不活性ガスの雰囲気中で加熱することによりポリアゾメチン層を作製することが記載されている。
しかしながら、特許文献2には、上記の一般式(I)で表わされるポリアゾメチンを実際に合成したかどうかについては何ら記載されていない。また特許文献2のポリアゾメチンが溶解するとされているm−クレゾールおよびベンゼンは、汎用性があるとは言い難い。またm−クレゾールについては上記のように腐食性があり、ベンゼンは発癌性を有しており、両者ともに人体に有害である。
このため、特許文献2のポリアゾメチンをこれらm−クレゾールまたはベンゼンに溶解したポリアゾメチン溶液は、工業的利用が制限される。さらに、特許文献2には、前記ポリアゾメチンが汎用性の高い他の溶媒(たとえばアルコール)に溶解するかどうかについては、記載も示唆もない。
一方、このように有機溶媒への溶解性の低いポリアゾメチンについて、その主鎖中の芳香環、ヘテロ環または芳香環及びヘテロ環にアルキル基またはアルコキシ基などを導入することにより、ポリアゾメチンがクロロホルム、THF、DMF、DMSO、NMP、m−クレゾールなどの単独の溶媒に対して溶解性を示すようになることが報告されている(非特許文献5参照)。
しかしながら、このような芳香環および/またはヘテロ環にアルキル基またはアルコキシ基が導入された原料モノマーは、商業的に入手できないため、前記ポリアゾメチンの製造を工業化することは困難であると考えられる。また、使用する溶媒種は、含ハロゲン構造であることがあり、その場合、前記溶媒種は高沸点を示す。そのため、取扱者の健康管理や、溶媒の乾燥工程において高いエネルギーが要求されるなどの理由から、前記有機溶媒を工業用に使用することは好ましいとは言い難い。さらに、化学構造上、こうした共役系内への置換基の導入は、その化合物の有する立体障害により本来の共役系内における平面性の低下を招き、ポリアゾメチン分子内および分子間の結晶性が低くなり、有機半導体材料に必要とされるキャリア移動度が悪くなると考えられる。但し、立体規則性の高いポリ(3−ヘキシルチオフェン)(P3HT)のヘキシル基にみられるように、前記置換基が、共役系分子内の結晶性を誘起させる効果があるアルキル基等である場合は、この限りではない。
Chem.Mater.1991, 3, 878
Chem. Mater. 1994, 6, 196
Chem. Mater. 1995, 7, 1276
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Macromolecules, vol. 38, No. 5, p1958-1966, 2005
そこで本発明は、半導体材料として十分なキャリア移動度を確保し、しかもトルエン等の疎水性溶媒、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒、プロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコール系溶媒、または乳酸メチル等のエステル系溶媒など比較的に汎用性の高い有機溶媒に溶解する新規なアゾメチンオリゴマーを提供することを目的とする。
本発明は、主骨格中に、アゾメチン基と置換基を有していてもよい二価の芳香族基とが交互に結合して共役した芳香族環含有共役基を有し、該芳香族環含有共役基の両末端のアゾメチン基に、該芳香族環含有共役基と共役しない、酸素原子、硫黄原子またはシクロアルキレン基を有する基を有していてもよい炭化水素基が結合してなり、該炭化水素基は、アルデヒド基及びアミノ基と反応性を有しないことを特徴とするアゾメチンオリゴマーである。
従来のポリアゾメチンにおいては、ポリアゾメチンが、その主鎖中に芳香環、ヘテロ環、または芳香環及びヘテロ環を有し、これらがアゾメチン基で連結された、複数の芳香環および/またはヘテロ環が繋がった共役系ポリマー構造をとっていた。これは、ポリアゾメチン1分子内においてキャリアを移動させるためである。そして共役系ポリマー構造をとっていることが、ポリアゾメチンの有機溶媒への低い溶解性の原因となっていた。溶解性を上げるため、上記芳香環および/またはヘテロ環にアルキル基またはアルコキシ基を、いわば側鎖として導入することも提案されている(非特許文献5)。しかし、この提案された方法には、そのようなポリアゾメチンを合成するための原料モノマーが商業的に入手できないという問題点があった。
これに対して本発明者は、以下の2点の発想の転換により、汎用性の高い溶媒への溶解が可能なだけでなく、容易で工業的な製造が可能であり、しかも半導体として十分なキャリア移動度を確保したポリアゾメチンを発明したのである。
(1)キャリアを1分子内において移動させるのではなく、化合物が有する共役系(芳香環)を、化合物分子間でπ-πスタックさせること(分子間で共役構造部分を配向させること)により、キャリアが分子間で移動するようにさせること
(2)アルキル基等をポリマーの側鎖として導入するのではなく、オリゴマーの主鎖の一部として導入する(すなわち、共役系構造に非共役スペーサーを連結する)こと。
(1)キャリアを1分子内において移動させるのではなく、化合物が有する共役系(芳香環)を、化合物分子間でπ-πスタックさせること(分子間で共役構造部分を配向させること)により、キャリアが分子間で移動するようにさせること
(2)アルキル基等をポリマーの側鎖として導入するのではなく、オリゴマーの主鎖の一部として導入する(すなわち、共役系構造に非共役スペーサーを連結する)こと。
本発明のアゾメチンオリゴマーにおいては、前記炭化水素基が、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルキル基、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルコキシ基、基中にエーテル結合および/またはチオエーテル結合を有し、ハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512の炭化水素基、および、置換基を有していてもよい炭素数3〜50のシクロアルキル基からなる群より選ばれるいずれかの基であることが好ましい。
また、前記アゾメチンオリゴマーの分子量が150〜15000の範囲内にあることが好ましく、前記アゾメチンオリゴマーは、通常クレゾール、トルエン、THF、シクロペンチルメチルエーテル、アセトン、MEK、MIBK、シクロペンタノン、クロロホルム、ジクロロメタン、四塩化炭素、クロロベンゼン、二硫化炭素、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸メチル、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ベンジルアルコール、n-ブタノール、t−ブタノール、ペンチルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ピリジン、NMP、硫酸、蟻酸、酢酸、塩酸、乳酸、トリエチルアミン、ジブチルアミンの中から選択されるいずれかの溶媒、または二種以上の共溶媒100gに対し、25℃において0.1g以上の溶解性を有している。
本発明のアゾメチンオリゴマーは、たとえば下記一般式(I)で表わすことができる。
Aはアゾメチン基であり、
R1およびR2は独立に、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルキル基、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルコキシ基、基中にエーテル結合および/またはチオエーテル結合を有し、ハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512の炭化水素基、または、置換基を有していてもよい炭素数3〜50のシクロアルキル基である。
前記二価の芳香族基は、下記式で表わされるいずれかの基であることが好ましい。
本発明のアゾメチンオリゴマーは半導体用途に好適であり、塗布法により電極上に成膜し、p-n接合素子の作製が可能である。前記アゾメチンオリゴマーをP型半導体層またはN型半導体層の形成材料として使用して作製したp-n接合素子について、P型半導体側の電極に正極端子を、N型半導体側の電極に負極端子を接続し、−5V〜+5Vの範以内において電圧を印可することができ、順方向の電力量/逆方向の電力量>1.0となることが特徴である。
本発明のアゾメチンオリゴマーは、下記一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物1当量に対して、下記一般式(III)で表わされる炭化水素化合物2当量を反応させる工程を有する製造方法によって製造することができる。
Ar1は置換基を有していてもよい二価の芳香族基であり、
Ar2は置換基を有していてもよい二価の芳香族基であり、
Aはアゾメチン基であり、
pは0〜5の整数であり、
pが2以上の場合には、複数存在するAr2は同一でも異なっていてもよい;
上記式(III)において、Yは、上記式(II)におけるXがアルデヒド基の場合にはアミノ基であり、Xがアミノ基の場合にはアルデヒド基であり、
Arは置換基を有していてもよい二価の芳香族基であり、
Aはアゾメチン基であり、
mは0または1であり、
R1およびR2は独立に水素原子、炭素数1〜20のアルキル基またはハロゲン原子であり、
Zは酸素原子、硫黄原子またはシクロアルキレン基を有する二価の基であり、
iは0または1であり、
hおよびjは独立に0〜12の整数であり(ただし、Zが酸素原子または硫黄原子である場合には、hおよびjはともに1以上である)、
kは1〜10の整数であり、
hが2以上の場合、複数存在するR1は同一でも異なっていてもよく、
jが2以上の場合、複数存在するR2は同一でも異なっていてもよく、
kが2以上の場合、複数存在する(−(CHR1)h−(Z)i−(CHR2)j−)は、同一でも異なっていてもよく、
qは0または1であり、
R3は炭素数1〜20のアルキル基であり、
(−(CHR1)h−(Z)i−(CHR2)j−)k−(O)q−R3で表わされる構造中の炭素原子数は、2〜512である。
前記芳香族環含有化合物は、下記式で表わされる化合物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物であることが好ましい。
本発明のアゾメチンオリゴマーは、半導体材料として十分なキャリア移動度を確保し、しかもトルエン等の疎水性溶媒、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒、プロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコール系溶媒、または乳酸メチル等のエステル系溶媒などの汎用性の高い有機溶媒に対して高い溶解性を示す。
そのため、本発明のアゾメチンオリゴマーによれば、従来の共役系高分子のように、真空蒸着により基板上にアゾメチンオリゴマーを配向させるのではなく、塗布法により基板上に半導体層を形成することができる。
[アゾメチンオリゴマー]
以下、本発明のアゾメチンオリゴマーが有する、上記芳香族環含有共役基及び炭化水素基について詳細に説明する。
以下、本発明のアゾメチンオリゴマーが有する、上記芳香族環含有共役基及び炭化水素基について詳細に説明する。
<芳香族環含有共役基>
本発明のアゾメチンオリゴマーを構成する芳香族環含有共役基は、アゾメチン基と置換基を有していてもよい二価の芳香族基とが交互に結合して共役した構造をとっている。
本発明のアゾメチンオリゴマーを構成する芳香族環含有共役基は、アゾメチン基と置換基を有していてもよい二価の芳香族基とが交互に結合して共役した構造をとっている。
この共役構造によって、本発明のアゾメチンオリゴマーは分子間におけるキャリア輸送機能を有するようになる。
前記置換基を有していてもよい二価の芳香族基の例としては、下記式A−1〜A−24で表わされる基が挙げられる。
本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはRaが水素原子またはハロゲン原子であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−1において、Saは1〜4の整数である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Saは偶数であることが好ましく、Saが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。前記対称要素とは、アゾメチンオリゴマー分子全体ではなく、芳香族基の構造部分の対称性を指す。また紙面上で描いた構造から推察される対称性であり、実際に測定したX線構造解析及び分子軌道計算による最適化された構造からの対称性ではない。以下同様である。
なお、Saが2以上の場合には、複数存在するRaは同一でも異なっていてもよい。
また、式A−1において、「*」は結合手であり、これがアゾメチン基に結合している。以下の式A−2〜A−24においても同様である。
式A−2において、Sbは1〜3の整数である。分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Sbは奇数であることが好ましく、Sbが奇数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。なお、Sbが2以上の場合には、複数存在するRbは同一でも異なっていてもよい。
式A−3において、YaはCHおよびNから選択され、本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高い結晶化の観点からは、いずれも好ましい。
式A−3において、Rcは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、又は基中にエーテル結合もしくはアルコキシ基を含む炭素数1〜8の炭化水素基である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはRcが水素原子またはハロゲン原子であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−3において、YaがCHの場合、Scは1または2である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Scは2であることが好ましく、Scが2であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。なお、Scが2の場合には、二つのRcは同一でも異なっていてもよい。さらにYaがCHの場合、Yaに結合したRcと、Xaに隣接しない炭素原子に結合したRcとが結合して環構造を形成してもよい。
なお、YbがNの場合、Scは1である。
式A−4において、Rdは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、又は基中にエーテル結合もしくはアルコキシ基を含む炭素数1〜8の炭化水素基である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはRdが水素原子またはハロゲン原子であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−4において、Sdは1〜6の整数である。すなわち、Rdは、式A−4においては右側のベンゼン環に結合しているように図示したが、Rdは、式A−4において、結合し得るすべての炭素に結合する。すなわち、Rdは式A−4における右側のベンゼン環だけでなく、左側のベンゼン環に結合してもよい。結合手に関しても同様である。以下の式A−5〜A−24においても同様である。
本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Sdは偶数であることが好ましく、Sdが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることが好ましい。なお、Sdが2以上の場合には、複数存在するRdは同一でも異なっていてもよい。
式A−5において、YbはCHおよびNから選択され、本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高い結晶化の観点からは、いずれも好ましい。
式A−5において、Reは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、又は基中にエーテル結合もしくはアルコキシ基を含む炭素数1〜8の炭化水素基である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはReが水素原子またはハロゲン原子であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−5において、YbがCHの場合には、Seは1〜10の整数である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Seは偶数であることが好ましく、Seが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。
YbがNの場合には、Seは1〜8の整数である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Seは偶数であることが好ましく、Seが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。
なお、Seが2以上の場合には、複数存在するReは同一でも異なっていてもよい。
式A−6において、Rfは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、又は基中にエーテル結合もしくはアルコキシ基を含む炭素数1〜8の炭化水素基である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはRfが水素原子またはハロゲン原子であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−6において、Sfは、XdがCHの場合は1〜8の整数である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Sfは偶数であることが好ましく、Sfが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。
また、XdがNの場合は、Sfは1〜6の整数である。前記と同様の観点から、Sfは偶数であることが好ましく、Sfが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。
なお、Sfが2以上の場合には、複数存在するRfは同一でも異なっていてもよい。
式A−7において、Sgは1〜10の整数である。Rgは、二つのベンゼン環をつなげているエチレン基上に結合していてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Sgは偶数であることが好ましく、Sgが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることが好ましい。なお、Sgが2以上の場合には、複数存在するRgは同一でも異なっていてもよい。
式A−8において、Shは1〜6の整数である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Shは偶数であることが好ましく、Shが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。なお、Shが2以上の場合には、複数存在するRhは同一でも異なっていてもよい。
式A−9において、Riは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、又は基中にエーテル結合もしくはアルコキシ基を含む炭素数1〜8の炭化水素基である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはRiが水素原子またはハロゲン原子であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−9において、Siは、XeがCHの場合は1〜8の整数である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Siは偶数であることが好ましく、Siが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。
またSiは、XeがNの場合は、1〜6の整数である。前記と同様の観点から、Siは偶数であることが好ましく、Siが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。
なお、Siが2以上の場合には、複数存在するRiは同一でも異なっていてもよい。
式A−10において、Sjは1〜8の整数である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Sjは偶数であることが好ましく、Sjが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。なお、Sjが2以上の場合には、複数存在するRjは同一でも異なっていてもよい。
式A−11において、Rkは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、又は基中にエーテル結合もしくはアルコキシ基を含む炭素数1〜8の炭化水素基である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはRkが水素原子またはハロゲン原子であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−11において、Skは、XfがCHの場合は1〜8の整数である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Skは偶数であることが好ましく、Skが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。
またSkは、XfがNの場合は、1〜6の整数である。前記と同様の観点から、Skは偶数であることが好ましく、Skが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。
なお、Skが2以上の場合には、複数存在するRkは同一でも異なっていてもよい。
式A−12において、Rmは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、又は基中にエーテル結合もしくはアルコキシ基を含む炭素数1〜8の炭化水素基である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはRmが水素原子またはハロゲン原子であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−12において、Smは、XgがCHの場合は1〜8の整数である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Smは偶数であることが好ましく、Smが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。
またSmは、XgがNの場合は、1〜6の整数である。前記と同様の観点から、Smは偶数であることが好ましく、Smが偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることがさらに好ましい。
なお、Smが2以上の場合には、複数存在するRmは同一でも異なっていてもよい。
式A−13において、Rnは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、又は基中にエーテル結合もしくはアルコキシ基を含む炭素数1〜8の炭化水素基である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはRnが水素原子、炭素数1〜8のアルキル基または炭素数1〜8のアルコキシ基であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−13において、Snは1〜4の整数である。Snが2以上の場合には、複数存在するRnは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Snは2〜4の整数であることが好ましく、2または4であることがさらに好ましい。
式A−14において、Rpは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、又は基中にエーテル結合もしくはアルコキシ基を含む炭素数1〜8の炭化水素基である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはRpが水素原子、炭素数1〜8のアルキル基または炭素数1〜8のアルコキシ基であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−14において、Spは1〜8の整数である。Spが2以上の場合には、複数存在するRpは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Spは4〜8の整数であることが好ましく、4または8であることがさらに好ましい。
式A−15において、Rqは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、又は基中にエーテル結合もしくはアルコキシ基を含む炭素数1〜8の炭化水素基である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはRqが水素原子、炭素数1〜8のアルキル基または炭素数1〜8のアルコキシ基であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−15において、XjがCHの場合には、Sqは1または2である。Sqが2の場合には、2つ存在するRpは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Sqは2であることが好ましい。
なお、XjがNの場合には、Sqは0である。
式A−16において、Rrは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜8のアルキル基、又は基中にエーテル結合もしくはアルコキシ基を含む炭素数1〜8の炭化水素基である。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化の観点から、好ましくはRrが水素原子、炭素数1〜8のアルキル基または炭素数1〜8のアルコキシ基であり、ファンデルワールス半径が小さい水素原子であることがより好ましい。
式A−16において、Srは1〜4の整数である。Srが2以上の場合には、複数存在するRrは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Srは3または4であることが好ましく、4であることがさらに好ましい。
式A−17において、Ssは1または2である。Ssが2の場合には、2つ存在するRsは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Ssは2であることが好ましい。
式A−18において、Stは1〜4の整数である。Stが2以上の場合には、複数存在するRtは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Stは偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることが好ましい。
式A−19において、Suは1または2である。Suが2の場合には、2つ存在するRuは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Suは2であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることが好ましい。
式A−20において、Svは1〜6の整数である。Svが2以上の場合には、複数存在するRvは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Svは偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることが好ましい。
式A−21において、Sxは1または2である。Sxが2の場合には、2つ存在するRxは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Sxは2であることが好ましい。
式A−22において、Syは1〜4の整数である。Syが2以上の場合には、複数存在するRyは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Syは偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることが好ましい。
式A−23において、Szは1〜6の整数である。Szが2以上の場合には、複数存在するRzは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Szは偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることが好ましい。
式A−24において、Saaは1〜6の整数である。Saaが2以上の場合には、複数存在するRaaは同一でも異なっていてもよい。本発明のアゾメチンオリゴマーの分子間における高結晶化のために、芳香環内における電子の局在化をより小さくする観点から、Saaは偶数であり、かつ芳香族基全体として対称要素を有するように置換されていることが好ましい。
上記芳香族環含有共役基においては、これらの二価の芳香族基がアゾメチン基によって連結されており、アゾメチン基と二価の芳香族基とが交互に結合して共役した構造をとっている。なお、二価の芳香族基の数は一つでもよい。
芳香族環含有共役基中の芳香族基は通常5個以下であり、本発明のアゾメチンオリゴマーの溶媒への溶解性、分子内共役、分子間における結晶性の観点から、1〜5個であることが好ましい。アゾメチン基と二価の芳香族基とを交互に結合させる方法については、後記の本発明のアゾメチンオリゴマーの製造方法の項にて説明する。
<炭化水素基>
本発明のアゾメチンオリゴマーを構成する上記炭化水素基は、酸素原子、硫黄原子またはシクロアルキレン基を有する基を有していてもよく、上記芳香族環含有共役基と共役せず、アルデヒド基及びアミノ基と反応性を有しない基であれば特に限定されない。アルデヒド基及びアミノ基と反応性を有しないことの意義については、後記の本発明のアゾメチンオリゴマーの製造方法の項にて説明する。
本発明のアゾメチンオリゴマーを構成する上記炭化水素基は、酸素原子、硫黄原子またはシクロアルキレン基を有する基を有していてもよく、上記芳香族環含有共役基と共役せず、アルデヒド基及びアミノ基と反応性を有しない基であれば特に限定されない。アルデヒド基及びアミノ基と反応性を有しないことの意義については、後記の本発明のアゾメチンオリゴマーの製造方法の項にて説明する。
この炭化水素基が、本発明のアゾメチンオリゴマーの有機溶媒への高い溶解性に寄与している。
前記炭化水素基の例としては、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルキル基、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルコキシ基、基中にエーテル結合および/またはチオエーテル結合を有し、ハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512の炭化水素基、および、置換基を有していてもよい炭素数3〜50のシクロアルキル基が挙げられる。
前記ハロゲン原子の例としては、フッ素原子、塩素原子および臭素原子が挙げられる。
また前記シクロアルキル基における置換基としては、ハロゲン原子、炭素数1〜6のアルキル基および炭素数1〜6のアルコキシ基が挙げられる。またシクロアルキル基は、環状構造を複数有していてもよく、さらにその環状構造が、アルキレン基によって連結されていてもよい。
前記アルキル基の炭素数は、本発明のアゾメチンオリゴマーの有機溶媒への親和性と固体状態における分子間の結晶性の両立の観点から、3〜20であることが好ましく、4〜12であることがより好ましく、6〜12であることがさらに好ましい。
前記アルコキシ基の炭素数は、本発明のアゾメチンオリゴマーの有機溶媒への親和性と固体状態における分子間の結晶性の両立の観点から、3〜20であることが好ましく、4〜12であることがより好ましく、6〜12であることがさらに好ましい。
前記基中にエーテル結合および/またはチオエーテル結合を有し、ハロゲン原子で置換されていてもよい炭化水素基の炭素数は、本発明のアゾメチンオリゴマーの有機溶媒への親和性と固体状態における分子間の結晶性の両立の観点から、3〜20であることが好ましく、4〜12であることがより好ましく、6〜12であることがさらに好ましい。
前記置換基を有していてもよいシクロアルキル基の炭素数は、本発明のアゾメチンオリゴマーの有機溶媒への親和性と固体状態における分子間の結晶性の両立の観点から、3〜30であることが好ましく、6〜15であることがより好ましい。
本発明のアゾメチンオリゴマーを構成する炭化水素基は、有機溶媒への親和性の観点から、トルエンなどの比較的に低極性であり、疎水性が高い溶媒への溶解性を発現させる為にはアルキル基を有する構造であることが好ましい。アルコール系、グリコール系、エステル系溶媒に対する溶解性を発現させるためには、前記炭化水素基は、基中にエーテル結合を有する構造であることが好ましい。さらに含ハロゲン系溶媒に対する溶解性を発現させるためには、前記炭化水素基は、基中にハロゲン原子を有する(ハロゲン原子で置換された)構造であることが好ましい。
<アゾメチンオリゴマー>
本発明のアゾメチンオリゴマーにおいては、以上説明した芳香族環含有共役基の両末端に、上記炭化水素基がアゾメチン基を介して結合している。
本発明のアゾメチンオリゴマーにおいては、以上説明した芳香族環含有共役基の両末端に、上記炭化水素基がアゾメチン基を介して結合している。
このような構造の例を以下に示す。
本発明のアゾメチンオリゴマーは、その構造中に上記炭化水素基を有し、この部分は結晶性を有していないため、汎用性の高い多様な有機溶媒、例えば疎水性溶媒、アルコール系溶媒、グリコール系溶媒またはエステル系溶媒に対して高い溶解性を示す。
より具体的には、前記アゾメチンオリゴマーは、通常クレゾール、トルエン、THF、シクロペンチルメチルエーテル、アセトン、MEK、MIBK、シクロペンタノン、クロロホルム、ジクロロメタン、四塩化炭素、クロロベンゼン、二硫化炭素、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸メチル、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ベンジルアルコール、n-ブタノール、t−ブタノール、ペンチルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ピリジン、NMP、硫酸、蟻酸、酢酸、塩酸、乳酸、トリエチルアミン、ジブチルアミンの中から選択されるいずれかの溶媒乃至、二種以上の共溶媒100gに対し、25℃において通常0.1g以上、好ましくは1〜10gの溶解性を有する。なお、[背景技術]でも述べたように、クレゾールやクロロベンゼンなどは、腐食性を有する、あるいは人体に有害である。本発明においては、これらは通常他のトルエンなどの汎用性の高い溶媒に少量混合して共溶媒として用いる。
このように、汎用性の高い、多種多様な有機溶媒に対する溶解性の高い本発明のアゾメチンオリゴマーは、従来のポリアゾメチンのようなポリマー構造を有していないにもかかわらず、電子および正孔などのキャリアを輸送する機能が高く、半導体用途に好適である。
本発明のアゾメチンオリゴマーが高いキャリア輸送機能を有するのは、以下の理由による。すなわち、アゾメチンオリゴマーが親和性の高いもの同士(すなわち炭化水素基は炭化水素基同士、芳香族環含有共役基は芳香族環含有共役基同士)が重なり合う。そして、芳香族環含有共役基がスタックしている箇所において、キャリアが自由に移動できるからである。つまり、従来のポリアゾメチンは、分子内の特定の構造によってキャリア移動度を確保していたのに対し、本発明においては、分子間のスタックによってキャリア移動度を確保しているのである。
以上説明したように、本発明のアゾメチンオリゴマーは高いキャリア輸送機能を有し、半導体用途に好適であり、しかも汎用性の高い有機溶媒に対して高い溶解性を示す。したがって、前記アゾメチンオリゴマーを汎用性の高い有機溶媒に溶解させ、得られたアゾメチンオリゴマー溶液を使用し、スピンコートやディップコートといった塗布法によって、基板上に安全かつ容易に半導体層を形成することができる。
このようなキャリア輸送機能を有する本発明のアゾメチンオリゴマーの溶液を、電極上に塗布して成膜し、p-n接合素子を作製することができる。アゾメチンオリゴマーをP型半導体層形成材料として用いた場合は、N型半導体層は、アゾメチンオリゴマーのイオン化ポテンシャル(eV)よりも大きい値である電子親和力(eV)を示す半導体材料(例:フラーレン)を用いて形成する。又、アゾメチンオリゴマーをN型半導体層形成材料として用いた場合は、P型半導体層は、アゾメチンオリゴマーの電子親和力(eV)よりも小さい値であるイオン化ポテンシャルを示す半導体材料(例:ポリ(3−ヘキシルチオフェン))を用いて作製する。
より具体的には、本発明のアゾメチンオリゴマーをN型半導体層の形成材料として使用する場合には、負側電極基板上にアゾメチンオリゴマー溶液を塗布、乾燥し、膜を作製し、その膜上にP型半導体材料を塗布もしくは蒸着などで成膜し、得られたP型半導体層上に正側の電極を蒸着することにより、p-n接合素子を作製することができる。また、本発明のアゾメチンオリゴマーをP型半導体層の形成材料として使用する場合には、負側電極基板上にN型半導体材料を塗布もしくは蒸着などで成膜し、その膜上にアゾメチンオリゴマー溶液を塗布、乾燥することでP型半導体層を形成し、さらに前記P型半導体層に正極の電極を蒸着することでp-n接合素子を作製することができる。これらのP型及びN型半導体材料の接合体層の厚みは、通常10〜900nmである。例えばこのようにして作製されるp-n接合素子は、例えばダイオード、有機EL、有機薄膜太陽電池、有機薄膜トランジスタおよび熱電発電素子等の有機エレクトロニクス分野への応用が可能である。
ここで、前記イオン化ポテンシャルおよび電子親和力は、それぞれHOMO(最高占有軌道)とLUMO(最低非占有軌道)として実験的に求めることができる。
HOMOは、日本国特許第1124703号公報に記載の光電子分光法により、理研計器社製のAC-2を使用して求めることができる。
また電気化学的な酸化電位を求めてHOMOに換算する方法としては、具体的に試料の酸化開始電位を求めて換算する方法が例示される。
酸化開始電位は、目的の試料に関してサイクリックボルタンメトリー(CV)の測定を行い、得られた結果において、ベースラインから酸化電流が流れ始めるときの電位として求められる。必要に応じて、測定に用いた参照電極から標準水素電極基準への換算を行い、さらに、この値に真空準位に対する標準水素電極の値(定数)4.5を加えることにより、HOMO(eV)を求めることができる。
次に、LUMOを求める方法としては、電気化学的な還元準位を求めてLUMOに換算する方法、ならびに試料の紫外-可視光吸収スペクトルの吸収開始波長と上記で求めたHOMOの値からLUMOに換算する方法が挙げられる。
電気化学的な測定によりLUMOを求める場合は、上記のHOMOを求める場合と同様にCVで試料の還元電位の測定を行い、同様に換算をすることによりLUMOが求められる。
吸収開始波長からLUMOを求める場合には、試料をガラス基板上に数十ナノメートル程度の厚みになるようにスピンコートにより製膜し、形成された膜について紫外-可視光吸収スペクトルの測定を行い、得られた測定結果において、ベースラインから吸収が開始するときの波長λ(nm)として吸収開始波長を求めることができる。この値を電子ボルト(eV)へ換算して得られた値をバンドギャップエネルギーE(eV)とする。さらに上記のようにして求められるHOMO(eV)を、このバンドギャップエネルギーE(eV)で除することにより、LUMOを求めることができる。
アゾメチンオリゴマーの半導体特性の調整に関しては、一般的な共役系ポリマーについての知見を参照することができ、一般的な調整法と同様の方法で前記半導体特性の調整が可能である。
本発明のアゾメチンオリゴマーのP型半導体特性は、分子のイオン化ポテンシャル調整により向上させることができる。例えば以下の2つの方法により、分子のイオン化ポテンシャルを大きくすることが可能である。
(1)共役系(芳香族環含有共役基)として、電子豊富なナフタレン、アントラセン等の縮環系ユニットを選択すること
(2)メチル基、フェニル基等の電子供与性の置換基を共役系に導入することにより、共役系内の電子密度を大きくし、電子を非局在化させること。
(1)共役系(芳香族環含有共役基)として、電子豊富なナフタレン、アントラセン等の縮環系ユニットを選択すること
(2)メチル基、フェニル基等の電子供与性の置換基を共役系に導入することにより、共役系内の電子密度を大きくし、電子を非局在化させること。
一方、本発明のアゾメチンオリゴマーのN型半導体特性は、分子の電子親和力の調整により向上させることができる。例えば以下の2つの方法により、分子の電子親和力を大きくすることが可能である。
(1)共役系(芳香族環含有共役基)として、電子不足の傾向をもつピリジン、ビピリジン、フェナントロリン等の複素環を選択すること
(2)F、CF3等の電子吸引性の置換基を共役系に導入することにより、共役系内の電子密度を低くし、電子を局在化させること。
(1)共役系(芳香族環含有共役基)として、電子不足の傾向をもつピリジン、ビピリジン、フェナントロリン等の複素環を選択すること
(2)F、CF3等の電子吸引性の置換基を共役系に導入することにより、共役系内の電子密度を低くし、電子を局在化させること。
前記のごとく優れた半導体特性を有する本発明のアゾメチンオリゴマーからは、p-n接合素子を調製することができる。該アゾメチンオリゴマーをP型半導体層またはN型半導体層の形成材料として使用して作製したp-n接合素子については、P型半導体側の電極に正極端子を、N型半導体側の電極に負極端子を接続し、−5V〜+5Vの範囲内において電圧を印可することができ、順方向の電力量/逆方向の電力量>1.0となる。
この特性を利用して、本発明のアゾメチンオリゴマーは、例えばp及びn型半導体として使用可能である。なお、前記P型半導体層と電極との間、前記N型半導体層と電極との間には、それぞれ正孔注入層、電子注入層を別途設けることも可能である。
また、本発明のアゾメチンオリゴマーの分子量は、溶媒溶解性と分子内結晶性の両立の観点から、150〜15000の範囲内にあることが好ましく、1500〜10000の範囲内にあることがより好ましい。分子量の調整方法については、後記の本発明のアゾメチンオリゴマーの製造方法の項にて説明する。
(アゾメチンオリゴマーの具体例)
以上説明した本発明のアゾメチンオリゴマーの具体例としては、下記一般式(I)で表わされる化合物が挙げられる。
以上説明した本発明のアゾメチンオリゴマーの具体例としては、下記一般式(I)で表わされる化合物が挙げられる。
式(I)において、R1およびR2は独立に、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルキル基、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルコキシ基、基中にエーテル結合および/またはチオエーテル結合を有し、ハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512の炭化水素基、または、置換基を有していてもよい炭素数3〜50のシクロアルキル基である。R1およびR2として好ましいものは、上記<炭化水素基>の説明で、炭化水素基として好ましいものとして挙げたものと同様である。
以上説明した本発明のアゾメチンオリゴマーは、分子間で芳香族環含有共役基がスタックしている箇所において、キャリアを自由に移動させることができるため、半導体用途に好適である。また、トルエン等の疎水性溶媒、メタノール、エタノール等のアルコール系溶媒、プロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコール系溶媒、または乳酸メチル等のエステル系溶媒などの汎用性の高い有機溶媒に対して高い溶解性を有しているため、本発明のアゾメチンオリゴマーを前記有機溶媒に溶解して、得られたアゾメチンオリゴマー溶液を使用して、塗布法によって基板上に容易に半導体層を形成することができる。
次に、本発明のアゾメチンオリゴマーの製造方法について説明する。
[本発明のアゾメチンオリゴマーの製造方法]
本発明のアゾメチンオリゴマーの製造方法は、下記一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物1当量に対して、下記一般式(III)で表わされる炭化水素化合物2当量を反応させる工程を有している。
本発明のアゾメチンオリゴマーの製造方法は、下記一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物1当量に対して、下記一般式(III)で表わされる炭化水素化合物2当量を反応させる工程を有している。
すなわち、アルデヒド基とアミノ基との反応を利用し、芳香族環含有化合物1分子に対して炭化水素化合物2分子を反応させることによって、本発明のアゾメチンオリゴマーが得られる。
<一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物>
上記式(II)において、二つのXは、前述のようにともにアルデヒド基またはアミノ基である。Ar1は置換基を有していてもよい二価の芳香族基であり、その具体例としては、上記式A−1〜A−24で表わされる基が挙げられる。
上記式(II)において、二つのXは、前述のようにともにアルデヒド基またはアミノ基である。Ar1は置換基を有していてもよい二価の芳香族基であり、その具体例としては、上記式A−1〜A−24で表わされる基が挙げられる。
上記式(II)において、Ar2は置換基を有していてもよい二価の芳香族基であり、その具体例は、Ar1の具体例と同様である。
式(II)において、Aはアゾメチン基であり、後述するように、芳香族環含有化合物を製造するための原料基質として用いる化合物の選択により、その向きは異なる。
式(II)において、pは0〜5の整数であり、本発明のアゾメチンオリゴマーの共役系の拡張と溶媒に対する溶解性の両立の観点から、1〜3の整数であることが好ましい。また、pが2以上の場合には、複数存在するAr2は同一でも異なっていてもよい。
(一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物の入手方法)
一般式(II)において、pが0である芳香族環含有化合物は市販されており、容易に入手可能である。
一般式(II)において、pが0である芳香族環含有化合物は市販されており、容易に入手可能である。
pが1以上の場合の芳香族環含有化合物は、市販されている化合物を反応させることにより、容易に入手することができる。
一般式(II)において、Ar1およびAr2ともにフェニレン基であり、Xがアミノ基である場合を例とすると、たとえば以下の反応によって、pが1である芳香族環含有化合物が得られる。
さらに、pが2である芳香族環含有化合物は、上記反応を繰り返す(上記反応で得られたアゾメチン化合物に、p−アミノベンズアルデヒドを反応させる)ことによって得られるし、また下記のようにして、一段階の反応で得ることも可能である。
以上説明した反応を応用することによって、pが3以上の芳香族環含有化合物も得ることができる。
アミノ基とアルデヒド基とは反応性が高いため、上記反応は、原料成分を接触混合することなどにより、容易に進行する。
このような反応は、アミノ基とアルデヒド基とを反応させる公知慣用の反応条件によって実施可能であるが、通常反応温度は30〜120℃であり、反応時間は通常2〜48時間である。
また反応溶媒としては、酢酸エチルまたは酢酸ブチル等のエステル系溶媒、トルエンまたはキシレン等の芳香族性溶媒、THFまたはシクロペンチルメチルエーテル等のエーテル系溶媒、MEKまたはシクロペンタノン等のケトン系溶媒、m-クレゾールまたはフェノール等のプロトンドナー性の芳香族溶媒(酸触媒化された反応条件においての使用が好ましい)、クロロホルム、塩化メチレン、テトラクロロエタンまたは塩化ベンゼンなどの含ハロゲン溶媒、NMP、DMF、ピリジンまたはピペリジン等のプロトン受容性溶媒(塩基触媒化された反応条件においての使用が好ましい)、ならびにアセトニトリルまたはベンゾニトリル等のニトリル系溶媒の使用が可能である。
以上説明したように、本発明のアゾメチンオリゴマーの製造原料たる芳香族環含有化合物は、市販されているか、あるいは市販されているものを反応させることによって、容易に入手可能である。
(芳香族環含有化合物の具体例)
以上説明した芳香族環含有化合物の具体例としては、下記式で表わされる化合物が挙げられる。
以上説明した芳香族環含有化合物の具体例としては、下記式で表わされる化合物が挙げられる。
<一般式(III)で表わされる炭化水素化合物>
一般式(III)を再度示す。
一般式(III)を再度示す。
式(III)において、Arは置換基を有していてもよい二価の芳香族基であり、その具体例としては、上記式A−1〜A−24で表わされる基が挙げられる。
上記式(III)において、Aはアゾメチン基であり、後述するように、炭化水素化合物を製造するための原料基質として用いる化合物の選択により、その向きは異なる。
式(III)において、mは0または1であり、mが1の場合は、Y−Ar−Aで表わされる部分が(Yは芳香族環含有化合物と反応してアゾメチン基になるが)、本発明のアゾメチンオリゴマーにおける芳香族環含有共役基の一部を構成することになる。
式(III)において、R1およびR2は独立に水素原子、炭素数1〜20のアルキル基またはハロゲン原子である。R1およびR2としては、有機溶媒に対する溶解と成膜時の膜の結晶性の観点から、水素原子および炭素数1〜8のアルキル基が好ましい。
式(III)において、Zは酸素原子、硫黄原子またはシクロアルキレン基を有する二価の基であり、原料が比較的に商業的に入手可能な点から、酸素原子であることが好ましい。
式(III)において、iは0または1であり、iが1の場合には、炭化水素化合物がエーテル結合(酸素原子)、チオエーテル結合(硫黄原子)またはシクロアルキレン基を有することになる。
式(III)において、hおよびjは独立に0〜12の整数であり、1〜12の整数であることが好ましい。ただし、Zが酸素原子または硫黄原子である場合には、hおよびjはともに1以上である。
式(III)において、kは1〜10の整数であり、1〜5の整数であることが好ましい。
また式(III)において、hが2以上の場合には、複数存在するR1は同一でも異なっていてもよく、jが2以上の場合には、複数存在するR2は同一でも異なっていてもよい。
式(III)において、kが2以上の場合には、複数存在する(−(CHR1)h−(Z)i−(CHR2)j−)は、同一でも異なっていてもよい。
式(III)において、qは0または1であり、qが1の場合には、一般式(III)で表わされる化合物は、アルコキシ基を有することになる。本発明のアゾメチンオリゴマーに汎用有機溶媒に対する親和性を付与する観点からは、qは1であることが好ましい。
式(III)において、R3は炭素数1〜20のアルキル基であり、好ましくは炭素数1〜15のアルキル基である。
さらに、(−(CHR1)h−(Z)i−(CHR2)j−)k−(O)q−R3で表わされる構造中の炭素原子数は、2〜512であり、好ましくは4〜256である。
(一般式(III)で表わされる炭化水素化合物の入手方法)
一般式(III)において、mが0である炭化水素化合物は、市販されており、容易に入手可能である。
一般式(III)において、mが0である炭化水素化合物は、市販されており、容易に入手可能である。
mが1の場合の炭化水素化合物は、市販されている化合物を反応させることにより、容易に入手することができる。
一般式(III)において、Arがフェニレン基であり、mが1であり、(−(CHR1)h−(Z)i−(CHR2)j−)kがヘプチレン基であり、qが0であり、R3がメチル基である場合を例とすると、たとえば以下の反応によって、mが1である芳香族環含有化合物が得られる。
以上の反応では、Yとしてアミノ基を有する炭化水素化合物が得られるが、使用する反応原料を1,4−ジホルミルベンゼンと1−アミノオクタンに変更すれば、Yとしてアルデヒド基を有し、アゾメチン基の向きが反対となった炭化水素化合物が得られる。
アミノ基とアルデヒド基とは反応性が高いため、上記反応は容易に進行する。
このような反応は、アミノ基とアルデヒド基とを反応させる公知慣用の反応条件によって実施可能であるが、通常反応温度は30〜120℃であり、反応時間は通常2〜48時間である。
また反応溶媒としては、酢酸エチルまたは酢酸ブチル等のエステル系溶媒、トルエンまたはキシレン等の芳香族性溶媒、THFまたはシクロペンチルメチルエーテル等のエーテル系溶媒、MEKまたはシクロペンタノン等のケトン系溶媒、m-クレゾールまたはフェノール等のプロトンドナー性の芳香族溶媒(酸触媒化された反応条件においての使用が好ましい)、クロロホルム、塩化メチレン、テトラクロロエタンまたは塩化ベンゼンなどの含ハロゲン溶媒、NMP、DMF、ピリジンまたはピペリジン等のプロトン受容性溶媒(塩基触媒化された反応条件においての使用が好ましい)、ならびにアセトニトリルまたはベンゾニトリル等のニトリル系溶媒の使用が可能である。
以上説明したように、本発明のアゾメチンオリゴマーの製造原料たる炭化水素化合物は、市販されているか、あるいは市販されているものを反応させることによって、容易に入手可能である。
(炭化水素化合物の具体例)
以上説明した一般式(III)で表わされる炭化水素化合物の具体例としては、下記式で表わされる化合物が挙げられる。
以上説明した一般式(III)で表わされる炭化水素化合物の具体例としては、下記式で表わされる化合物が挙げられる。
<反応>
本発明のアゾメチンオリゴマーの製造方法においては、上記一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物1当量に対して、上記一般式(III)で表わされる炭化水素化合物2当量を反応させる。芳香族環含有化合物および炭化水素化合物の分子量を適宜選択(調節)することにより、得られる本発明のアゾメチンオリゴマーの分子量を調節することができる。
本発明のアゾメチンオリゴマーの製造方法においては、上記一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物1当量に対して、上記一般式(III)で表わされる炭化水素化合物2当量を反応させる。芳香族環含有化合物および炭化水素化合物の分子量を適宜選択(調節)することにより、得られる本発明のアゾメチンオリゴマーの分子量を調節することができる。
この反応において、芳香族環含有化合物が有する2つのアミノ基またはアルデヒド基が、炭化水素化合物が有するアルデヒド基またはアミノ基と反応してアゾメチン基を形成し、アゾメチン基と二価の芳香族基とが交互に結合して共役した構造(芳香族環含有共役基)が形成される。また炭化水素化合物には、芳香族環含有化合物との反応に関与するアルデヒド基またはアミノ基以外に、アルデヒド基またはアミノ基と反応性を有する部位がないため、前記反応ののち、さらに芳香族環含有化合物または炭化水素化合物との反応がおこることがなく、ポリアゾメチンではなく、アゾメチンオリゴマーが得られる。
上記反応における反応温度は、通常30〜120℃、反応効率の観点から、好ましくは60〜100℃である。
上記反応における反応時間は、通常2〜48時間、反応効率の観点から、好ましくは6〜24時間である。
また、上記反応においては、m−クレゾール、ジメチルフェノール、フェノール、カンファースルホン酸、ナフトール、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、塩酸および硫酸、といった一般的な酸に触媒化された付加反応に使用される触媒が使用可能であり、また、一般的な塩基に触媒化された付加反応に使用されるのと同様の塩基も、上記反応における触媒としての使用が可能である。
さらに、上記反応の反応溶媒としては、酢酸エチルまたは酢酸ブチル等のエステル系溶媒、トルエンまたはキシレン等の芳香族性溶媒、THFまたはシクロペンチルメチルエーテル等のエーテル系溶媒、MEKまたはシクロペンタノン等のケトン系溶媒、m-クレゾールまたはフェノール等のプロトンドナー性の芳香族溶媒(酸触媒化された反応条件においての使用が好ましい)、クロロホルム、塩化メチレン、テトラクロロエタンまたは塩化ベンゼンなどの含ハロゲン溶媒、NMP、DMF、ピリジンまたはピペリジン等のプロトン受容性溶媒(塩基触媒化された反応条件においての使用が好ましい)、ならびにアセトニトリルまたはベンゾニトリル等のニトリル系溶媒の使用が可能である。これらの中でも、反応効率の観点から、m−クレゾール、トルエン−m−クレゾール共溶媒、THF、シクロペンチルメチルエーテルおよびシクロペンタノンが好ましい。
アルデヒド基とアミノ基との反応性は高いため、上記反応は容易に進行する。したがって、本発明のアゾメチンオリゴマーは、入手の容易な原料から容易に製造することができる。また前記アゾメチンオリゴマーは、非特許文献5に記載の、主鎖中の芳香環、ヘテロ環または芳香環及びヘテロ環にアルキル基またはアルコキシ基などを導入したポリアゾメチンが有する、原料モノマーが商業的に入手できないために工業化が困難であるといった問題点を有していない。
<原料1の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、エタノールで洗浄した。これにより淡黄色オイルとして1.67g(収率:79%)の一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物が得られた。FAB-MS:m/z=212[M+H]+。
<原料2の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、エタノール、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として2.67g(収率:79%)の一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物が得られた。FAB-MS:m/z=341[M+H]+。
<原料3の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、エタノール、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として2.43g(収率:59%)の一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物が得られた。FAB-MS:m/z=413[M+H]+。
<原料4の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、エタノール、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として2.39g(収率:70%)の一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物が得られた。FAB-MS:m/z=342[M+H]+。
<原料5の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、エタノール、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として2.32(収率:66%)の一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物が得られた。FAB-MS:m/z=354[M+H]+。
<原料6の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、エタノール、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡赤色固体として2.40(収率:70%)の一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物が得られた。FAB-MS:m/z=344[M+H]+。
<原料7の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、エタノール、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として2.52g(収率:80%)の一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物が得られた。FAB-MS:m/z=315[M+H]+。
<原料8の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、エタノール、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として2.98g(収率:65%)の一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物が得られた。FAB-MS:m/z=459[M+H]+。
<原料9の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、エタノール、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として1.86g(収率:80%)の一般式(III)で表わされる炭化水素化合物が得られた。FAB-MS:m/z=233[M+H]+。
<原料10の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、エタノール、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として1.94g(収率:79%)の一般式(III)で表わされる炭化水素化合物が得られた。FAB-MS:m/z=246[M+H]+。
<原料11の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、エタノール、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として1.87g(収率:69%)の一般式(III)で表わされる炭化水素化合物が得られた。FAB-MS:m/z=272[M+H]+。
<原料12の合成>
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として2.28g(収率:75%)の一般式(III)で表わされる炭化水素化合物が得られた。FAB-MS:m/z=304[M+H]+。
[実施例1]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、ジエチルエーテルで洗浄した。これにより淡黄色固体として3.09g(収率:60%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=516[M+H]+。
[実施例2]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として4.50g(収率:80%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=563[M+H]+。
[実施例3]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、アセトニトリルで洗浄した。これにより黄色固体として3.26g(収率:65%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=501[M+H]+。
[実施例4]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、アセトニトリルで洗浄した。これにより黄色固体として3.49g(収率:55%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=635[M+H]+。
[実施例5]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、ジエチルエーテルで洗浄した。これにより淡黄色固体として3.38g(収率:60%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=564[M+H]+。
[実施例6]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、ジエチルエーテルで洗浄した。これにより淡黄色固体として3.46g(収率:60%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=576[M+H]+。
[実施例7]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、ジエチルエーテルで洗浄した。これにより赤褐色固体として4.31g(収率:60%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=718[M+H]+。
[実施例8]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として3.50g(収率:60%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=585[M+H]+。
[実施例9]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として5.05g(収率:78%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=647[M+H]+。
[実施例10]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として6.32g(収率:80%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=791[M+H]+。
[実施例11]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として4.47g(収率:80%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=639[M+H]+。
[実施例12]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、アセトニトリルで洗浄した。これにより黄褐色固体として4.95g(収率:70%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=707[M+H]+。
[実施例13]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として4.00g(収率:65%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=616[M+H]+。
[実施例14]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、ヘキサン、アセトニトリルで洗浄した。これにより淡黄色固体として4.27g(収率:60%)の本発明のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=712[M+H]+。
[比較例1]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、熱ヘキサン、アセトニトリル、メタノールで洗浄した。これにより黄色固体として0.65g(収率:61%)のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=373[M+H]+。
[比較例2]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、熱ヘキサン、アセトニトリル、メタノールで洗浄した。これにより黄色固体として0.52g(収率:35%)のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=553[M+H]+。
[比較例3]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、熱ヘキサン、アセトニトリル、メタノールで洗浄した。これにより黄色固体として0.43g(収率:48%)のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=335[M+H]+。
[比較例4]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、熱ヘキサン、アセトニトリル、メタノールで洗浄した。これにより黄色固体として0.58g(収率:64%)のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=341[M+H]+。
[比較例5]
反応溶液中の揮発性溶媒をエバポレーションにより除去した後、濃縮液を真空乾燥し、熱ヘキサン、アセトニトリル、メタノールで洗浄した。これにより黄色固体として0.41g(収率:33%)のアゾメチンオリゴマーが得られた。FAB-MS:m/z=461[M+H]+。
<溶解性の評価>
実施例1〜14および比較例1〜5で得られたアゾメチンオリゴマーの、下記表1に示す溶媒への溶解性を評価した。
実施例1〜14および比較例1〜5で得られたアゾメチンオリゴマーの、下記表1に示す溶媒への溶解性を評価した。
Claims (10)
- 主骨格中に、アゾメチン基と置換基を有していてもよい二価の芳香族基とが交互に結合して共役した芳香族環含有共役基を有し、
該芳香族環含有共役基の両末端のアゾメチン基に、該芳香族環含有共役基と共役しない、酸素原子、硫黄原子またはシクロアルキレン基を有する基を有していてもよい炭化水素基が結合してなり、
該炭化水素基は、アルデヒド基及びアミノ基と反応性を有しないことを特徴とするアゾメチンオリゴマー。 - 前記炭化水素基が、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルキル基、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルコキシ基、基中にエーテル結合および/またはチオエーテル結合を有し、ハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512の炭化水素基、および、置換基を有していてもよい炭素数3〜50のシクロアルキル基からなる群より選ばれるいずれかの基であることを特徴とする請求項1に記載のアゾメチンオリゴマー。
- 前記アゾメチンオリゴマーの分子量が150〜15000の範囲内にあることを特徴とする請求項1または2に記載のアゾメチンオリゴマー。
- 前記アゾメチンオリゴマーが、クレゾール、トルエン、THF、シクロペンチルメチルエーテル、アセトン、MEK、MIBK、シクロペンタノン、クロロホルム、ジクロロメタン、四塩化炭素、クロロベンゼン、二硫化炭素、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸メチル、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ベンジルアルコール、n-ブタノール、t−ブタノール、ペンチルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ピリジン、NMP、硫酸、蟻酸、酢酸、塩酸、乳酸、トリエチルアミン、ジブチルアミンの中から選択されるいずれかの溶媒、または二種以上の共溶媒100gに対し、25℃において0.1g以上の溶解性を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアゾメチンオリゴマー。
- 前記アゾメチンオリゴマーが、下記一般式(I)で表わされることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のアゾメチンオリゴマー:
Aはアゾメチン基であり、
R1およびR2は独立に、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルキル基、分岐を有していてもよくハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512のアルコキシ基、基中にエーテル結合および/またはチオエーテル結合を有し、ハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数2〜512の炭化水素基、または、置換基を有していてもよい炭素数3〜50のシクロアルキル基である。)。 - 前記アゾメチンオリゴマーをP型半導体層またはN型半導体層の形成材料として使用して作製したp-n接合素子について、P型半導体側の電極に正極端子を、N型半導体側の電極に負極端子を接続し、−5V〜+5Vの範囲内において電圧を印可することができ、順方向の電力量/逆方向の電力量>1.0となることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のアゾメチンオリゴマー。
- 下記一般式(II)で表わされる芳香族環含有化合物1当量に対して、下記一般式(III)で表わされる炭化水素化合物2当量を反応させる工程を有することを特徴とする請求項1に記載のアゾメチンオリゴマーの製造方法:
Ar1は置換基を有していてもよい二価の芳香族基であり、
Ar2は置換基を有していてもよい二価の芳香族基であり、
Aはアゾメチン基であり、
pは0〜5の整数であり、
pが2以上の場合には、複数存在するAr2は同一でも異なっていてもよい;
上記式(III)において、Yは、上記式(II)におけるXがアルデヒド基の場合にはアミノ基であり、Xがアミノ基の場合にはアルデヒド基であり、
Arは置換基を有していてもよい二価の芳香族基であり、
Aはアゾメチン基であり、
mは0または1であり、
R1およびR2は独立に水素原子、炭素数1〜20のアルキル基またはハロゲン原子であり、
Zは酸素原子、硫黄原子またはシクロアルキレン基を有する二価の基であり、
iは0または1であり、
hおよびjは独立に0〜12の整数であり(ただし、Zが酸素原子または硫黄原子である場合には、hおよびjはともに1以上である)、
kは1〜10の整数であり、
hが2以上の場合、複数存在するR1は同一でも異なっていてもよく、
jが2以上の場合、複数存在するR2は同一でも異なっていてもよく、
kが2以上の場合、複数存在する(−(CHR1)h−(Z)i−(CHR2)j−)は、同一でも異なっていてもよく、
qは0または1であり、
R3は炭素数1〜20のアルキル基であり、
(−(CHR1)h−(Z)i−(CHR2)j−)k−(O)q−R3で表わされる構造中の炭素原子数は、2〜512である。)。
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A761 | Written withdrawal of application |
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