JPWO2014136827A1 - カルコゲン含有有機化合物およびその用途 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献4〜6では、ジベンゾジカルコゲノアセン、ジナフトジカルコゲノアセンおよびジアントラジカルコゲノアセンならびにこれらの誘導体や、これらの化合物を含む有機半導体材料および有機膜ならびにこれらの用途について言及されている。
[1]式(1)で表される化合物。
ただし、
(i)m=0の場合には、全てのR1〜R3が同時に水素であることはなく;
(ii)mが0である場合において、nが何れも0であるとき、およびnの一方が0であって他方が1であるとき、"両方のXが硫黄であり、かつ全てのR3が同時に同一の原子もしくは基であること"はなく;
(iii)mが0である場合において、nが何れも1であるとき、全てのR3が同時に同一の原子もしくは基であることはなく、かつR3のうち少なくとも一つは水素である。]
[3]式(1)において、全てのR3が同時に同一の原子または基であることはない、前記[1]または[2]に記載の化合物。
[4]式(1)において、R3のうち少なくとも一つは水素である、前記[1]〜[3]のいずれか1項に記載の化合物。
[7]式(1−1)および式(1−2)中のR3が、炭素数9〜12のアルキルから選択される同一の基である、前記[6]に記載の化合物。
[11]前記[10]に記載の有機半導体材料を含む有機半導体膜。
〔カルコゲン含有有機化合物〕
本発明のカルコゲン含有有機化合物は、式(1)で表される化合物であり、カルコゲンの架橋部分(−X−)を屈曲点としてベンゼン環が両翼に連なった、N字型分子構造(式(1))を持ち、ベンゼン環上の任意の位置に置換基を有することが好ましい。なお、本明細書において、「置換基」とは、水素以外の原子または基を意味する。
Xは、それぞれ独立に酸素、硫黄またはセレンであり、本発明の化合物が高いキャリア移動度を示すことから、酸素または硫黄が好ましく、硫黄が特に好ましい。
mは0または1であり、好ましくは0である。
2つあるnは、それぞれ独立に0または1であり、溶解性の点で好ましくは0である。
また、本発明の化合物は、後述するように、有機合成化学的に実施容易な反応を用いて短工程で合成できることから、工業的に製造可能であって、実用性に富む有機半導体材料として用いることができる。
以上より、本発明の化合物は、有機半導体材料として好適に用いられる。
Xの少なくとも一つが酸素の化合物(1)としては、例えば、以下の化合物が挙げられる。二つのXは必ずしも同一元素である必要はないので、一つのXが酸素以外の化合物も含まれる。
本発明の化合物(1:X=硫黄またはセレン)の製造方法は、式(11)で示される化合物と式(12)で表される化合物とをクロスカップリングさせて、式(13)で表される化合物を得る工程1A;式(13)で表される化合物のメトキシを脱保護させて、式(14)で表される化合物を得る工程2A;式(14)で表される化合物とN,N−ジアルキルカルバモイルチオクロリドまたはN,N−ジアルキルカルバモイルセレノクロリドとを反応させて、式(15)で表される化合物を得る工程3A;および式(15)で表される化合物を加熱することにより、式(1)で表される化合物を得る工程4Aを有する。
工程1Aでは、有機金属化合物の存在下、化合物(11)と化合物(12)とをクロスカップリングさせる。化合物(11)の使用量は、化合物(12)1molに対して、通常2.0〜3.0molである。
工程2Aでは、脱保護剤の存在下、化合物(13)のメトキシの脱保護を行う。工程2Aの反応温度(例:溶液の温度)は、通常−78℃〜室温、好ましくは0℃〜室温であり;反応時間は、通常1〜2時間であり;反応は、常圧下で通常行われる。
工程3Aでは、塩基の存在下、化合物(14)とN,N−ジアルキルカルバモイルチオクロリドまたはN,N−ジアルキルカルバモイルセレノクロリドとを反応させる。工程3Aの反応温度(例:溶液の加熱温度)は、通常60〜80℃であり;反応時間は、通常10〜48時間であり;反応は、常圧下で通常行われる。
N,N−ジアルキルカルバモイルチオクロリドとしては、例えば、N,N−ジメチルカルバモイルチオクロリドおよびN,N−ジエチルカルバモイルチオクロリドが挙げられる。N,N−ジアルキルカルバモイルセレノクロリドとしては、例えば、N,N−ジメチルカルバモイルセレノクロリドおよびN,N−ジエチルカルバモイルセレノクロリドが挙げられる。N,N−ジアルキルカルバモイルチオクロリドまたはN,N−ジアルキルカルバモイルセレノクロリドの使用量は、化合物(14)1molに対して、通常6.0〜8.0molである。
工程4Aでは、化合物(15)を加熱し、環化を行うことで、本発明の化合物である化合物(1)を得る。工程4Aの加熱温度は、通常300〜320℃であり;反応時間は、通常4〜6時間である。本工程は、不活性ガス雰囲気下、無溶媒で加熱してもよく、沸点300℃以上の溶媒中で行ってもよい。
工程3A'では、化合物(14)の溶液に、ゼオライトを加え、脱水・環化を行うことで、本発明の化合物である化合物(1)を得る。工程3A'の加熱温度(例:溶液の加熱温度)は、通常160〜180℃であり;反応時間は、通常8〜20時間、好ましくは10〜16時間であり;反応は、常圧下で通常行われる。
さらに、有機半導体用途では極めて高い純度が求められるため、以上の製造方法で得られた本発明の化合物に対して、必要に応じて真空昇華精製を行うことも有用である。
本発明の膜(例:有機半導体膜)は、本発明の化合物、すなわち化合物(1)から選択される少なくとも1種を含む。本発明の化合物は、溶媒に対して高い溶解性を示すため、これらを溶媒に溶解させた溶液(以下「有機半導体溶液」ともいう。)を、基板上に塗布または印刷することで、表面均一性に優れた膜(例:有機半導体膜)を形成することができる。
塗布法としては、例えば、スピンコート法、ディップコート法およびブレード法が挙げられる。また、本発明者らが開発した、塗布法に分類される、実施例にて後述するエッジキャスト法(Appl. Phys. Exp. 2, 111501 (2009)参照)およびギャップキャスト法(Adv. Mater. 23, 1626 (2011).参照)も有効である。
上記方法以外の製膜法、例えば蒸着法を用いて製膜を行っても差し支えはない。
本発明の有機半導体素子は、上記有機半導体膜および電極を有する。具体的には、上記有機半導体膜と、他の半導体特性を有する素子とを組み合わせることによって、有機半導体素子とすることができる。他の半導体特性を有する素子としては、例えば、整流素子、スイッチング動作を行うサイリスタ、トライアックおよびダイアックが挙げられる。
本発明の有機半導体素子の例としては、有機電界効果トランジスタ(FET)が挙げられる。本発明の有機FETは、液晶表示素子およびエレクトロルミネッセンス(EL)素子と組み合わせても用いることができる。
1H−NMRスペクトルおよび13C−NMRスペクトルは、日本電子(株)製ECA−600、およびECS400スペクトロメーターを用いて測定した。
質量分析は、日本電子(株)製JMS−T100LC APCI/ECI質量分析計、およびブルカーダルトニクス社製ultraflex III TOF/TOFを用いた。
なお、以下の実施例の表題化合物において、アルキルはいずれも直鎖状基である。
2,10-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジフランの合成
3,3'-(2,5-ジメトキシ-1,4フェニレン)ビス(6-デシル-2-メトキシナフタレン)の合成
2,5-ビス(7-デシル-3-ヒドロキシナフタレン-2-イル)ベンゼン-1,4-ジオールの合成
2,10-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジフランの合成
2,10-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジチオフェンの合成
O,O'-(2,5-ビス(7-デシル-3-((ジメチルカルバモイルチオイル)オキシ)ナフタレン-2-イル)-1,4-フェニレン)ビス(ジメチルカルバモチオエート)の合成
2,10-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジチオフェンの合成
3,11-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジフランの合成
3,3'-(2,5-ジメトキシ-1,4-フェニレン)ビス(7-デシル-2-メトキシナフタレン)の合成
2,5-ビス(6-デシル-3-ヒドロキシナフタレン-2-イル)ベンゼン-1,4-ジオールの合成
3,11-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジフランの合成
3,11-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジチオフェンの合成
O,O'-(2,5-ビス(6-デシル-3-((ジメチルカルバモイルチオイル)オキシ)ナフタレン-2-イル)-1,4-フェニレン)ビス(ジメチルカルバモチオエート) の合成
3,11-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジチオフェンの合成
3,11-ジヘキシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジチオフェンの合成
2,5-ビス(6-ヘキシル-3-ヒドロキシナフタレン-2-イル)ベンゼン-1,4-ジオールの合成
O,O'-(2,5-ビス(6-ヘキシル-3-((ジメチルカルバモイルチオイル)オキシ)ナフタレン-2-イル)-1,4-フェニレン)ビス(ジメチルカルバモチオエート) の合成
3,11-ジヘキシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジチオフェンの合成
3,12-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ナフト[1,2-b:6,7-b']ジフランの合成
6,6''-ジデシル-3,3',3'',7'-テトラメトキシ-2,2':6',2''-ターナフタレンの合成
6,6''-ジデシル-[2,2':6',2''-ターナフタレン]-3,3',3'',7'-テトラオールの合成
3,12-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ナフト[1,2-b:6,7-b']ジフランの合成
3,12-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ナフト[1,2-b:6,7-b']ジチオフェンの合成
O,O',O'',O'''-(6,6''-ジデシル-[2,2':6',2''-ターナフタレン]-3,3',3'',7'-テトライル) テトラキス(ジメチルカルバモチオエート)の合成
3,12-ジデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ナフト[1,2-b:6,7-b']ジチオフェンの合成
3,12-ジヘキシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ナフト[1,2-b:6,7-b']ジチオフェンの合成
6,6''-ジヘキシル-3,3',3'',7'-テトラメトキシ-2,2':6',2''-ターナフタレンの合成
6,6''-ジヘキシル-[2,2':6',2''-ターナフタレン]-3,3',3'',7'-テトラオールの合成
O,O',O'',O'''-(6,6''-ジヘキシル-[2,2':6',2''-ターナフタレン]-3,3',3'',7'-テトライル) テトラキス(ジメチルカルバモチオエート)の合成
3,12-ジヘキシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ナフト[1,2-b:6,7-b']ジチオフェンの合成
3,11-ジドデシルジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジチオフェンの合成
ジナフト[2,3-d:2',3'-d']ベンゾ[1,2-b:4,5-b']ジチオフェンの合成
実施例4で合成した化合物をTG/DTA(RIGAKU Thermo Plus EvoII TG 8120)を用い、分速5℃の昇温速度で測定した結果、5%重量減少温度は426℃であった。また、DSC(RIGAKU Thermo Plus Evo DSC 8270)を用い、分速5℃の昇温速度で測定した結果、217℃、260℃に相転移温度が認められた。
実施例4で合成した化合物を、真空蒸着して形成された厚さ100nmの膜を、大気中に一週間放置した。その間、経時的にUV−Visスペクトル(使用装置:日本分光(株)製、Jasco V-570 spectrometer)を測定した結果を図3に示す。また、実施例7で合成した化合物についても、同様に測定した結果を図4に示す。その結果、いずれの化合物も1週間放置した膜でもスペクトルに変化は見られなかった。以上より、本発明の化合物が化学的にも安定であることが明らかとなった。
〈エッジキャスト法〉
本発明者らが開発した塗布法(エッジキャスト法;Appl. Phys. Exp. 2, 111501 (2009))に準拠し、製膜およびボトムゲート−トップコンタクト型有機FETの作製を行った。本法の概念図を、図2に示す。
比較例1のカルコゲン含有有機化合物については、塗布法による素子作製が不可能であったため、実施例1、3、4、7および比較例1のカルコゲン含有有機化合物について蒸着法で素子を作製し、FET特性の比較を行った。
Claims (12)
- 式(1)で表される化合物。
ただし、
(i)m=0の場合には、全てのR1〜R3が同時に水素であることはなく;
(ii)mが0である場合において、nが何れも0であるとき、およびnの一方が0であって他方が1であるとき、"両方のXが硫黄であり、かつ全てのR3が同時に同一の原子もしくは基であること"はなく;
(iii)mが0である場合において、nが何れも1であるとき、全てのR3が同時に同一の原子もしくは基であることはなく、かつR3のうち少なくとも一つは水素である。] - 式(1)において、全てのR1〜R2が同時に水素である、請求項1に記載の化合物。
- 式(1)において、全てのR3が同時に同一の原子または基であることはない、請求項1または2に記載の化合物。
- 式(1)において、R3のうち少なくとも一つは水素である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の化合物。
- 式(1−1)および式(1−2)中のR3が、炭素数1〜20のアルキル、フェニル、フリルおよびチエニルから選択される同一の基である、請求項5に記載の化合物。
- 式(1−1)および式(1−2)中のR3が、炭素数9〜12のアルキルから選択される同一の基である、請求項6に記載の化合物。
- 式(11)で表される化合物と式(12)で表される化合物とをクロスカップリングさせて、式(13)で表される化合物を得る工程;式(13)で表される化合物のメトキシを脱保護させて、式(14)で表される化合物を得る工程;式(14)で表される化合物とN,N−ジアルキルカルバモイルチオクロリドまたはN,N−ジアルキルカルバモイルセレノクロリドとを反応させて、式(15)で表される化合物を得る工程;および式(15)で表される化合物を加熱することにより、式(1)で表される化合物を得る工程を有する、請求項1に記載の化合物(ただし、X=硫黄またはセレン)の製造方法。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の化合物からなる有機半導体材料。
- 請求項10に記載の有機半導体材料を含む有機半導体膜。
- 基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、ドレイン電極および有機半導体層を有する有機電界効果トランジスタであって、前記有機半導体層が請求項11に記載の有機半導体膜で構成される有機電界効果トランジスタ。
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