JPWO2017170245A1 - 新規有機高分子及びその製造方法 - Google Patents

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純一 竹谷
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大次 池田
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有機半導体を形成するのに有用な新規な有機高分子とその用途を提供する。下記式(Ia)で表される化合物を、カップリング反応に供し、有機高分子を得る。(式中、環A及び環Bは、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環を示し、nは0又は1〜6の整数を示し、R1〜R2+nは、置換基(アルキル基など)を示し、a1〜a(2+n)は、0〜2の整数を示し、環Cは、nの数に応じて、隣接するベンゼン環に対して順次に非直線状にオルト縮合したベンゼン環を示し、Xは水素原子、ハロゲン原子、リチウム原子又は−MgX1(X1はハロゲン原子を示す)を示す)

Description

本発明は、電界効果型トランジスタ、光電変換素子などの半導体素子などに用いられる有機半導体を形成するのに有用で新規な有機高分子(半導体高分子)及びその製造方法、前記高分子を含む有機半導体並びに半導体デバイス(又は電子デバイス)に関する。
半導体特性を有する有機化合物として、金属フタロシアニン、ペンタセン、テトラセンなどのポリアセン化合物が知られている。しかし、これらの化合物は、有機溶媒に対する溶解性が低いため、塗布、印刷などにより被膜を形成するのが難しく、蒸着プロセスで薄膜を形成せざるを得ない。しかも、前記化合物の蒸着膜では、分子の長軸方向に対して前記化合物のHOMO軌道の位相が周期的に変化する。そのため、厚み方向に隣接する分子間で、分子の長軸方向にHOMO軌道の同位相がずれると、分子間の電子伝導性が大きく低下し、高い電子伝導度を実現できない。従って、高いキャリア移動度を実現するためには、HOMO軌道の有効な重なりが生じる形態に精密に制御する必要がある。
特開2013−197193号公報(特許文献1)には、カルコゲン架橋部分を屈曲点としてベンゼン環が両翼に連なったW字型構造を有する、下記式(A)で表される化合物(ジナフトチオフェンなど)を含む有機半導体薄膜が記載されている。
(式中、Xは、酸素、硫黄またはセレンを示す)
この化合物は、ペンタセンなどのポリアセンと異なり、分子の長軸方向に同位相のHOMO軌道が連なった縮合環構造を有するため、厚み方向に隣接する分子間で、長軸方向にずれが生じても、分子間電子移動度が低下しにくい。しかし、上記化合物も、有機溶媒に対する溶解性が低く、蒸着により薄膜を形成する必要がある。そのため、半導体デバイスを経済的に有利に製造できない。
WO 2013/125599(特許文献2)には、下記式で表されるカルコゲン化合物が記載されている。
[式中、Xは、酸素、硫黄またはセレンであり;nは、0又は1であり、R〜Rは、それぞれ独立に水素、フッ素、炭素数1〜20のアルキルなどであり;ただし、全てのR〜Rが同時に水素であることはなく、また、Xが硫黄であり、かつ全てのRが同時にブチルであることはない。]
特開2015−195361号公報(特許文献3)には、下記式で表されるチエノビスベンゾチオフェン骨格を有する化合物と、沸点100℃以上の溶媒を含む非発光性有機半導体デバイス用塗布液が記載されている。
(式中、R11およびR12はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基またはアルコキシ基を表し、置換基を有していてもよく、芳香族部分にハロゲン原子が置換してもよい)
WO 2010/024388(特許文献4)には、下記式(1)(5)又は(6)で表される有機化合物が記載されている。
(式中、R、R、R、Rのうち少なくとも1組の隣り合う2つの基は互いに結合して、炭素数6〜60の芳香族炭化水素環又は芳香族複素環を形成し、R、R、R、Rのうち少なくとも1組の隣り合う2つの基は互いに結合して、炭素数6〜60の芳香族炭化水素環、又は芳香族複素環を形成し、前記芳香族炭化水素環又は芳香族複素環を形成していないR〜Rはそれぞれ、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1〜30のアルキル基などを示し、
Xは、O,S又はN−Zを示し、R51〜R54、R61〜R64、Zは、水素原子、ハロゲン原子、アルキル基、ハロアルキル基、アルコキシル基などを示す)
この文献4には、クリセン環を有する化合物として、クリセノ[2,1−b:8,7−b’]ジチオフェン、チオフェン環の2位にアルキル基が置換したクリセノ[2,1−b:8,7−b’]ジチオフェンなどが記載されている。
これらの化合物では、分子の長軸方向へのキャリア移動度をある程度確保できるものの、低分子化合物であるため、薄膜の強度が低いとともに、未だキャリア移動度が十分でない。
特開2013−197193号公報(特許請求の範囲) WO 2013/125599(請求の範囲) 特開2015−195361号公報(特許請求の範囲) WO 2010/024388(請求の範囲、[0119][0134])
従って、本発明の目的は、有機半導体を形成するのに有用な新規な有機高分子(半導体高分子)とその製造方法、前記有機高分子を含む有機半導体並びに半導体デバイス(又は電子デバイス)を提供することにある。
本発明の他の目的は、キャリア移動度の大きな有機高分子(半導体高分子)とその製造方法、前記有機高分子を含む有機半導体並びに半導体デバイス(又は電子デバイス)を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、有機溶媒に対する溶解性が高く、印刷、コーティングなどの方法で成膜可能な有機高分子(半導体高分子)とその製造方法、前記有機高分子を含む有機半導体並びに半導体デバイス(又は電子デバイス)を提供することにある。
本発明者らは、前記課題を達成するため鋭意検討した結果、隣接する複数のベンゼン環がジグザク状にオルト縮合した構造の芳香族化合物が、分子の長軸方向に同位相のHOMO軌道が連なった縮合環構造を有しており、分子間電子移動度が高いこと、このような芳香族化合物をカップリング反応に供すると、π共役系の芳香族縮合環を有する高分子が生成し、薄膜強度が高く、キャリア移動度を大きく向上できること、アルキル鎖などの所定の基を導入すると、キャリア移動度を低下させることなく、有機溶媒に対する溶解性を向上できることを見いだし、本発明を完成した。
すなわち、本発明の有機高分子は、下記式(I)で表される繰り返し単位を有する。
(式中、環A及び環Bは、それぞれ独立して、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環を示し、nは0又は1〜6の整数を示し、R〜R2+nは、それぞれ独立して、置換基を示し、a1〜a(2+n)は、それぞれ独立して、0〜2の整数を示し、環Cは、nの数に応じて、隣接するベンゼン環に対して順次に非直線状にオルト縮合したベンゼン環を示す)
前記置換基は、ハロゲン原子、アルキル基、ハロアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、複素環基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アルキルチオ基、ハロアルコキシ基、ハロアルキルチオ基、アリールオキシ基、アリールチオ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、シクロアルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、スルホニル基、アルキルスルホニル基、ハロアルキルスルホニル基、アミノ基、N−置換アミノ基、アシル基、アシルオキシ基、アミド基、ニトロ基、シアノ基、シリル基、アルキルシリル基、アルキルシリルエチニル基などであってもよい。
前記式(I)で表される有機高分子は、下記式(I−1)〜(I−5)のうち少なくとも1つの式で表される繰り返し単位を有していてもよい。
(式中、R〜Rは、それぞれ独立して、アルキル基、アリール基、アルコキシ基又はアルキルチオ基を示し、a1〜a6は、それぞれ独立して、0〜2の整数を示し、環A及び環Bは前記に同じ)
〜Rのうち少なくとも1つは直鎖状又は分岐鎖状C4−28アルキル基又は直鎖状又は分岐鎖状C4−28アルコキシ基であってもよく、a1〜a6は、それぞれ独立して、0又は1の整数であってもよい。また、a1〜a6のうち少なくとも1つは1であってもよい。
前記環A及び環Bは、チオフェン環、フラン環、ピロール環、セレノフェン環、及びベンゼン環から選択された芳香環であってもよい。
前記有機高分子は、具体的には、下記式(I−3a1)又は(I−3b1)で表される繰り返し単位を有していてもよい。
(式中、R及びRは、直鎖状又は分岐鎖状C6−26アルキル基又は直鎖状又は分岐鎖状C6−26アルコキシ基を示す)
前記有機高分子は、下記式(Ia)で表される化合物を、カップリング反応に供して製造してもよい。
(式中、Xは水素原子、ハロゲン原子、リチウム原子又は−MgX(Xはハロゲン原子を示す)を示し、環A、環B、n、R〜R2+n及びa1〜a(2+n)は前記に同じ)
としては、塩素原子、臭素原子などのハロゲン原子が例示できる。
なお、Xがハロゲン原子、リチウム原子及び−MgX(ハロマグネシオ基)である化合物は新規化合物であり;隣接する複数のベンゼン環が互いに非直線状にオルト縮合した縮合環において、ベンゼン環に置換基R〜R2+nのうち少なくとも1つを有する化合物も新規化合物である。
前記有機高分子は、有機溶媒に対する溶解性が高い。そのため、本発明は、有機半導体を形成するための組成物であって、前記有機高分子と有機溶媒とを含む組成物;基材の少なくとも一方の面に前記組成物を塗布して乾燥し、有機半導体を形成する有機半導体の製造方法も包含する。
さらに、本発明は、前記有機高分子を含む有機半導体を包含するとともに、前記有機高分子を含む電子デバイス(例えば、スイッチング素子、整流素子及び光電変換素子から選択された一種のデバイス)も包含する。
なお、nが2以上であり、n個の環CがそれぞれC〜Cで表されるとき、環Cは置換基(R2+na(2+n)を有する。例えば、nが2であるとき、環Aと環Bとの間には、互いにオルト縮合した4つのベンゼン環が介在し、2個の環C(C、C)は、それぞれ、置換基(Ra3、(Ra4を有する。
本発明では、ベンゼン環が長軸方向にジグザグ状の形態で縮合した縮合環でπ共役高分子の主鎖を形成しているため、HOMO軌道の重なり合いが大きく、高いキャリア移動度を示すとともに、薄膜の強度が高い。そのため、有機半導体を形成するのに適している。しかも、長鎖アルキル鎖などを導入すると、有機溶媒に対する溶解性を向上できるため、コーティング組成物を調製でき、印刷、コーティングなどの方法で有機半導体を成膜可能である。
図1は実施例で用いた電界効果型トランジスタにおける有機半導体素子を示す概略図である。 図2は実施例で得られた有機半導体表面の原子間力顕微鏡(AFM)写真である。
[有機高分子及びそれを含む組成物]
前記式(I)において、環A及び環Bは、それぞれ独立して、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環を示す。芳香族炭化水素環としては、ベンゼン環;縮合二乃至四環式C10−20アレーン環、例えば、ナフタレン環などの二環式C10−16アレーン環;三環式アレーン環(例えば、アントラセン、フェナントレンなどの縮合三環式C12−16アレーン環)などが挙げられる。好ましい芳香族炭化水素環は、ベンゼン環、ナフタレン環、特にベンゼン環である。
芳香族複素環としては、環の構成原子として少なくとも1つのヘテロ原子を有する単環又は縮合環が含まれる。ヘテロ原子としては、酸素原子、硫黄原子、窒素原子、セレン原子、リン原子、ケイ素原子、チタン原子、亜鉛原子、ゲルマニウム原子などが例示できる。芳香族複素環は、複数のヘテロ原子、例えば、同種又は異種のヘテロ原子を有していてもよい。好ましいヘテロ原子は、酸素原子、硫黄原子、窒素原子、セレン原子から選択されたヘテロ原子、特に硫黄原子であってもよい。ヘテロ原子を有する複素環は、3〜10員環であってもよく、通常、5員又は6員環であり、このような複素環にはベンゼン環などのアレーン環が縮合していてもよい。
好ましい芳香族複素環は、チオフェン環、フラン環、ピロール環、セレノフェン環などであってもよい。
環A及び環Bは、通常、芳香族複素環である場合が多い。
nは0又は1〜6の整数を示し、通常、0又は1〜5(例えば、0又は1〜4)、好ましくは1〜3(例えば、2又は3)程度であってもよい。また、環Cで表されるベンゼン環は、nの数に応じて、隣接するベンゼン環に対して順次に非直線状(好ましくはジグザグ状)にオルト縮合している。1又は複数の環C(ベンゼン環)は、直線状にオルト縮合したアントラセン環、ナフタセン環、ペンタセン環などと異なり、互いに隣接するベンゼン環に対して長軸方向に非直線状にオルト縮合していればよく、ジベンゾ[a,j]アントラセン環、ペンタフェン環などのように、緩やかであってもよいW型又はU型の形態でオルト縮合していてもよく、クリセン環などのように、隣接するベンゼン環が1,2−位の炭素原子と3,4−位の炭素原子とを共有してジグザグ状の形態でオルト縮合していてもよい。好ましいオルト縮合の形態はジグザグ状の形態である。すなわち、環A及び環Bの間には、n=1の化合物では、フェナントレン環が介在し、n=2の化合物では、クリセン環が介在し、n=3の化合物では、ピセン環が介在する。
〜R2+nで表されるハロゲン原子としては、フッ素、塩素、臭素又はヨウ素原子が挙げられる。アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、i−ブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基、ペンチル基、ネオペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、n−オクチル基、2−エチルヘキシル基、ノニル基、デカニル基、ウンデカニル基、ドデカニル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、3−ヘキシルテトラデシル基、3−オクチルトリデシル基などの直鎖状又は分岐鎖状C1−30アルキル基などが例示できる。アルキル基は、通常、直鎖状又は分岐鎖状C4−28アルキル基であってもよく、有機溶媒に対する溶解性を高めるためには、長鎖アルキル基、例えば、直鎖状又は分岐鎖状C6−26アルキル基、好ましくは直鎖状又は分岐鎖状C6−24アルキル基(例えば、直鎖状又は分岐鎖状C8−22アルキル基)であるのが有利である。高い溶解性を付与するためには、分岐鎖状アルキル基が有利である。
ハロアルキル基としては、例えば、クロロメチル基、トリクロロメチル基、トリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、パークロロエチル基、パーフルオロイソプロピル基、パーフルオロブチル基などのハロゲン原子(フッ素、塩素、臭素原子など)を有する直鎖状又は分岐鎖状C1−30アルキル基(例えば、ハロC1−12アルキル基、好ましくはハロC1−6アルキル基)などが例示できる。
アルキル基及び/又はハロアルキル基は、置換基を有していてもよい。このような置換基としては、アルコキシ基(メトキシ基、エトキシ基などのC1−10アルコキシ基など)などが例示できる。
アルケニル基としては、例えば、ビニル基、アリル基、2−ブテニル基、4−ペンテニル基などのC2−30アルケニル基などが例示でき、通常、直鎖状又は分岐鎖状C3−18アルケニル基、例えば、直鎖状又は分岐鎖状C4−16アルケニル基であってもよい。アルキニル基としては、例えば、エチニル基、2−プロピニル基、1−ペンチニル基などのC2−30アルキニル基などが例示でき、通常、直鎖状又は分岐鎖状C3−18アルキニル基、例えば、直鎖状又は分岐鎖状C4−16アルキニル基であってもよい。
シクロアルキル基としては、シクロヘキシル基、シクロオクチル基などのC3−10シクロアルキル基が例示できる。アリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基などのC6−12アリール基、ビフェニル基などのビC6−12アリール基などが例示できる。アラルキル基としては、例えば、ベンジル基、フェニルエチル基などのC6−12アリール−C1−4アルキル基などが例示できる。
複素環基に対応する複素環としては、芳香族複素環、例えば、ピリジン、ピラジン、キノリン、ナフチリジン、キノキサリン、フエナジン、フェナントロリン、カルバゾールなどの窒素含有複素環、チオフェン、ベンゾチオフェン、ジベンゾチオフェン、チエノチオフェンなどの硫黄含有複素環、フラン、ベンゾフランなどの酸素含有複素環、セレノフェン、ベンゾセレノフェンなどのセレン含有複素環、チアゾール、ベンゾチアゾールなどの複数のヘテロ原子を有する複素環などが例示できる。
アルコキシ基としては、前記アルキル基に対応する直鎖状又は分岐鎖状C1−30アルコキシ基、例えば、ヘキシルオキシ基、オクチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、ヘキサデシルオキシ基、3−オクチルトリデシルオキシ基などが例示できる。アルコキシ基は、通常、直鎖状又は分岐鎖状C4−28アルコキシ基であってもよく、長鎖アルコキシ基、例えば、直鎖状又は分岐鎖状C6−26アルコキシ基、好ましくは直鎖状又は分岐鎖状C6−24アルコキシ基(例えば、直鎖状C8−22アルコキシ基)であってもよい。アルキルチオ基としては、上記アルコキシ基に対応する直鎖状又は分岐鎖状C4−28アルキルチオ基などが例示できる。有機溶媒に対する溶解性を高めるためには、アルコキシ基(例えば、長鎖アルコキシ基)、アルキルチオ基(例えば、長鎖アルキルチオ基)も有用である。
ハロアルコキシ基としては、前記ハロアルキル基に対応するハロアルコキシ基、例えば、クロロメトキシ基、トリクロロメトキシ基、トリフルオロメトキシ基、トリフルオロエトキシ基、パーフルオロイソプロポキシ基、パーフルオロブトキシ基などのハロゲン原子(フッ素、塩素、臭素原子など)を有する直鎖状又は分岐鎖状C1−30アルコキシ基(例えば、ハロC1−12アルコキシ基、好ましくはハロC1−6アルコキシ基)などが例示できる。ハロアルキルチオ基としては、前記ハロアルコキシ基に対応するハロアルキルチオ基が例示できる。
アリールオキシ基として、例えば、フェノキシ基、ナフトキシ基などのC6−12アリールオキシ基が例示でき、アリールチオ基としては、前記アリールオキシ基に対応するC6−12アリールチオ基が例示できる。
アルコキシカルボニル基としては、例えば、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、ブトキシカルボニル基、t−ブトキシカルボニル基、ヘキシルオキシカルボニル基、オクチルオキシカルボニル基、2−エチルヘキシルオキシカルボニル基、3−オクチルトリデシルオキシカルボニル基などの直鎖状又は分岐鎖状C1−30アルコキシ−カルボニル基などが例示できる。
シクロアルコキシカルボニル基としては、例えば、シクロヘキシルオキシカルボニル基などのC3−10シクロアルキルオキシ−カルボニル基などが例示でき、アリールオキシカルボニル基としては、例えば、フェノキシカルボニル基などのC6−12アリールオキシ−カルボニル基などが例示できる。アルキルスルホニル基としては、例えば、メチルスルホニル基などの直鎖状又は分岐鎖状C1−4アルキルスルホニル基などが例示でき、ハロアルキルスルホニル基としては、例えば、クロロメチルスルホニル基、トリフルオロメチルスルホニル基などの直鎖状又は分岐鎖状ハロC1−4アルキルスルホニル基などが例示できる。
N−置換アミノ基としては、例えば、N−メチルアミノ基、N−ブチルアミノ基などのN−モノC1−6アルキルアミノ基、N,N−ジメチルアミノ基、N,N−ジエチルアミノ基、N,N−ジブチルアミノ基などのN,N−ジC1−6アルキルアミノ基などが例示できる。
アシル基としては、例えば、アセチル基、プロピオニル基などのC1−30アルキル−カルボニル基、ベンゾイル基などのC6−10アリール−カルボニル基などが例示できる。アシルオキシ基としては、例えば、アセチルオキシ基、プロピオニルオキシ基などのC1−30アルキル−カルボニルオキシ基、ベンゾイルオキシ基などのC6−10アリール−カルボニルオキシ基などが例示できる。
アルキルシリル基としては、例えば、トリメチルシリル基などのC1−4アルキルシリル基などが例示でき、アルキルシリルエチニル基としては、例えば、トリメチルシリルエチニル基などのC1−4アルキルシリルエチニル基などが例示できる。
なお、ハロゲン原子、シアノ基、ハロアルキル基、ハロアルコキシル基、ハロアルキルスルホニル基などの電子受容性基を有する化合物は、n型半導体として機能させることができ、水素原子、アルキル基、アルコキシル基、N−置換アミノ基などの電子供与性基を有する化合物は、p型半導体として機能させることができる。
これらの置換基R〜R2+nの種類は、同一又は異なっていてもよく、環Aと環Bとの間に介在するベンゼン環の位置によって異なっていてもよく、同じであってもよい。これらの置換基のうち、有機溶媒に対する溶解性を高めるためには、前記アルキル基(直鎖状又は分岐鎖状長鎖アルキル基)、アルコキシ基(直鎖状又は分岐鎖状長鎖アルコキシ基)が好ましい。また、アリール基は、キャリア移動度に寄与する場合がある。
係数a1〜a(2+n)は、それぞれ独立して、0〜2の整数を示し、通常、0又は1である場合が多い。また、a1〜a(2+n)のうち少なくとも1つが「1」、すなわち、a1〜a(2+n)は同時に「0」であることはなく、置換基R〜R2+nのうち少なくとも1つを有する場合が多い。係数a1〜a(2+n)の値に応じて、置換基R〜R2+nの種類は、同一又は異なっていてもよい。例えば、同じベンゼン環の置換基は同一又は異なっていてもよく、異なるベンゼン環の置換基は同一又は異なっていてもよい。
置換基は、環Aと環Bとの間に介在する任意のベンゼン環に置換していてもよい。環Aと環Bとの間に介在する所定のベンゼン環に対する前記置換基R〜R2+nの置換位置は、特に制限されない。前記置換基は、環Aに隣接するベンゼン環及び環Bに隣接するベンゼン環(式(1)において、環A及び環Bを除く縮合ベンゼン環のうち両端に位置するベンゼン環)が置換基を有する場合が多い。
前記式(I)で表される具体的な繰り返し単位は、例えば、下記式(I−1)〜(I−5)のうち少なくとも1つの式で表される繰り返し単位であってもよい。
(式中、環A、環B、R〜R及びa1〜a6は前記に同じ。)
〜Rは、それぞれ独立して、アルキル基、アリール基、アルコキシ基(特に、アルキル基、アルコキシ基)である場合が多く、a1〜a6は、それぞれ独立して、0又は1である場合が多い。
このような繰り返し単位を有する高分子は、キャリア移動度が高く、有機半導体として有用である。これらの繰り返し単位の具体例としては、フェナントレン環を有する前記式(I−2)で表される単位、クリセン環を有する前記式(I−3)で表される単位、ピセン環を有する前記式(I−4)で表される単位などが例示できる。高分子の調製には、前記式(I−2)又は前記式(I−3)で表される単位が有用である。代表的な繰り返し単位は、例えば、下記式(I−3)で表すことができる。
(式中、環A、環B、R〜R及びa1〜a4は前記に同じ)
さらに、クリセン環を有する前記式(I−3)で表される単位の具体例としては、下記式(I−3a)〜(I−3i)が表される単位が例示できる。
(式中、Raは、水素原子、アルキル基又はアシル基を示し、R〜R及びa1〜a4は前記に同じ)
Raで表されるアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基などの直鎖状又は分岐鎖状C1−6アルキル基などが例示できる。アシル基としては、アセチル基、プロピオニル基などの直鎖状又は分岐鎖状C1−4アルキル−カルボニル基などが例示できる。
なお、式(I−3)及び式(I−3a)〜(I−3i)において、R〜Rのうち少なくとも1つは長鎖アルキル基(例えば、直鎖状又は分岐鎖状C4−28アルキル基)及び/又は長鎖アルコキシ基(例えば、直鎖状又は分岐鎖状C4−28アルコキシ基)である場合が多く、a1〜a4は、それぞれ独立して、0又は1を示し、a1〜a4のうち少なくとも1つが1である(すなわち、a1〜a4が同時に0であることはない)場合が多い。このようなアルキル基及び/又はアルコキシ基は、環A及び環Bに隣接するベンゼン環に置換している場合が多い。すなわち、a1〜a4のうち、a1及びa4が1である場合が多い。
前記式(I−3)で表される単位の代表的な単位は、例えば、下記式(I−3a1)又は(I−3b1)で表すことができる。
(式中、R及びRは、直鎖状又は分岐鎖状C6−26アルキル基又は直鎖状又は分岐鎖状C6−26アルコキシ基を示す)
本発明の有機高分子(半導体高分子又はπ共役高分子)は、式(I)で表される前記繰り返し単位を含む単独又は共重合体であってもよい。繰り返し単位(I)の割合は、有機高分子の全繰り返し単位に対して10〜100モル%であってもよいが、キャリア移動度を高めるためには、例えば、50〜100モル%、好ましくは60〜100モル%(例えば70〜99モル%)、さらに好ましくは80〜100モル%(特に80〜95モル%)程度であってもよい。なお、共重合体は、式(I)で表される範疇に属し、かつ異なる種類の複数の繰り返し単位で形成された高分子、例えば、係数n(ベンゼン環の数)の異なる単位(例えば、式(I−2)で表される単位、式(I−3)で表される単位、式(I−5)で表される単位)から選択された複数の繰り返し単位を含む共重合体、立位配置の異なる単位を含む共重合体(例えば、式(I−3a1)で表される単位と式(I−3b1)で表される単位とを含む共重合体)であってもよく、式(I)で表される繰り返し単位と他の構造単位(例えば、ポリチオフェン、ジベンゾチオフェンなどの単位)との共重合体であってもよい。
有機高分子の分子量は特に制限されず、例えば、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定したとき、ポリスチレン換算で、数平均分子量Mnは、0.5×10〜5×10(例えば、1×10〜1×10)、好ましくは3×10〜7×10(例えば、5×10〜5×10)、さらに好ましくは1×10〜1×10程度であってもよく、重量平均分子量Mwは、1×10〜5×10(例えば、3×10〜1×10)、好ましくは5×10〜7×10(例えば、1×10〜5×10)、さらに好ましくは5×10〜1×10程度であってもよい。分子量分布(Mw/Mn)は、例えば、1〜20、好ましくは1.5〜15、さらに好ましくは2〜10程度である。なお、本発明では、分子量分布(Mw/Mn)を、1〜3(例えば、1.1〜2.5)、好ましくは1〜2(例えば、1.1〜1.7)程度に調整することもできる。
本発明の有機高分子のガラス転移温度(Tg)は、示差走査熱量計で測定したとき、0〜500℃で観察されない場合がある。そのため、Tgは、500℃よりもさらに高い可能性がある。
有機高分子は結晶性であってもよく非晶性であってもよい。なお、示差走査熱量計で測定したとき、融点Tmが観察されない場合がある。有機高分子は、非晶質有機高分子である場合が多い。
本発明の有機高分子(半導体高分子又はπ共役高分子)は、隣接する複数のベンゼン環がジグザク状にオルト縮合した芳香族縮合環を有するπ共役系(π−共役系高分子)を形成しているとともに、電子雲(HOMO軌道)の重なり合いが大きく、キャリア移動度を向上でき、優れた半導体特性を有している。しかも、高分子化しているため、薄膜化しても機械的強度が大きい。また、オルト縮合したベンゼン環と環A及び環Bを有しているため、耐熱性だけでなく、加水分解性などの化学的安定性を含め、安定性が高い。さらに、芳香族性環の側鎖にアルキル基などを導入することにより、有機溶媒に対する溶解性を高めることができ、製膜性を向上できる。本発明は有機高分子と有機溶媒とを含む組成物も包含する。このような組成物は、印刷、コーティング(塗布)などにより有機半導体の薄膜を形成するのに有用である。そのため、印刷、塗布(コーティング)により容易に薄膜(半導体薄膜)を形成できる。
前記有機溶媒としては、例えば、脂環式炭化水素類(シクロヘキサンなど)、芳香族炭化水素類(ベンゼン、トルエン、キシレンなど)、ハロゲン化炭化水素類(ジクロロメタン、クロロホルム、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなど)、エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフランなどの環状エーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテルなどの鎖状エーテル)、ケトン類(アセトン、メチルエチルケトンなど)、エステル類(酢酸エチルなど)、ニトリル類(アセトニトリルなど)、アミド類(ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなど)、スルホキシド類(ジメチルスルホキシドなど)などが例示できる。これらの溶媒は混合溶媒として用いてもよい。これらの溶媒のうち、炭化水素類(脂環式及び/又は芳香族炭化水素類)、ハロゲン化炭化水素類、エーテル類などを用いる場合が多い。
前記組成物において、有機高分子の濃度は、特に制限されず、例えば、0.01〜20重量%(例えば、0.05〜10重量%)、好ましくは0.1〜5重量%(例えば、0.2〜2.5重量%)程度であってもよい。
なお、必要であれば、前記組成物は、キャリア輸送性を損なわない範囲で、種々の添加剤、レベリング剤、密着性向上剤(シランカップリング剤など)、ドーパントなどを含んでいてもよい。
本発明の組成物では、印刷又はコーティングにより、基材又は基板上に、均一な塗膜(又は薄膜)を形成できる。特に、表面平滑性の高い薄膜(均質で表面精度の高い薄膜)を形成できる。そのため、半導体薄膜を形成するのに有用である。
本発明の組成物は、慣用の方法、例えば、有機高分子と有機溶媒とを混合して有機高分子を溶解し、必要により濾過して調製してもよい。
[式(Ia)で表される化合物と、この化合物を用いる有機高分子の製造方法]
本発明の有機高分子は、下記式(Ia)で表される化合物を、カップリング反応に供することにより調製できる。
(式中、Xは水素原子、ハロゲン原子、リチウム原子又は−MgXを示し、環A、環B、n、R〜R2+n、a1〜a(2+n)及びXは前記に同じ)
X及びXで表されるハロゲン原子としては、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などが例示できる。式(Ia)において、環Aに結合したX及び環Bに結合したXの種類は同一又は異なっていてもよい。
なお、上記式(Ia)で表される化合物において、Xがハロゲン原子、リチウム原子又は−MgXである化合物は新規な化合物であり;上記式(Ia)で表される化合物において、R〜R2+nのうち少なくとも1つの置換基を有する化合物(係数a1〜a(2+n)のうち少なくとも1つが1以上の整数である化合物)も新規な化合物である。式(Ia)で表される化合物としては、具体的には、下記式(Ia−1)〜(Ia−5)で表される化合物(前記式(I−1)〜(I−5)で表される繰り返し単位に対応する化合物)が例示できる。
(式中、Xはハロゲン原子又はリチウム原子を示し、a1〜a6は、それぞれ独立して、0〜2の整数を示し、a1〜a6のうち少なくとも1つは1であり、環A、環B及びR〜Rは前記に同じ)
式(Ia−1)〜(Ia−5)で表される化合物においても、R〜Rの少なくとも1つ(例えば、オルト縮合環の両端のベンゼン環(環Aに隣接するベンゼン環及び環Bに隣接するベンゼン環)の置換基)は、アルキル基(例えば、長鎖アルキル基)及び/又はアルコキシ基(例えば、長鎖アルコキシ基)である場合が多い。
カップリング反応(ホモカップリング反応)には、Xの種類に応じて、種々のカップリング触媒、例えば、グリニャール試薬、パラジウム触媒(パラジウム(0)触媒などのパラジウム錯体)、ニッケル触媒(ニッケル(0)触媒などのニッケル錯体)、鉄触媒(鉄(III)触媒などの鉄錯体)などの遷移金属錯体を用いる有機金属重縮合反応、酸化重合(電解重合を含む)による反応などが利用できる。有機金属重縮合反応では、単一又は複数の触媒を用いてもよい。
これらの触媒は単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。好ましいカップリング触媒としては、例えば、パラジウム(0)錯体、ニッケル触媒(ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(Ni(cod))などのニッケル(0)錯体)、鉄触媒(アセチルアセトナト錯体、トリフェニルホスフィン錯体、アルコキシ錯体などの鉄(III)触媒(Kochi-Furstnerカップリング触媒))などが例示できる。なお、ニッケル触媒を用いると、分子量分布の狭い高分子を生成できる。
触媒の使用量は、前記(Ia)で表される化合物1モルに対して、0.001〜10モル、好ましくは0.01〜5モル、さらに好ましくは0.1〜2.5モル程度であってもよい。
反応は、塩基、例えば、トリエチルアミン、ピリジン、ビピリジル、リチウム化合物(テトラメチルピペリジンリチウム、n−ブチルリチウムなど)の存在下で行ってもよい。
なお、反応は、不活性雰囲気(例えば、窒素、ヘリウム、アルゴンなど)下、反応に不活性な溶媒の非存在下又は存在下で行ってもよい。溶媒としては、前記(Ia)で表される化合物を可溶であればよく、例えば、芳香族炭化水素類(ベンゼン、トルエン、キシレンなど)、ハロゲン化炭化水素類(ジクロロメタン、クロロホルム、クロロベンゼン、ジクロロベンゼンなど)、エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフランなどの環状エーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテルなどの鎖状エーテル)、ケトン類(アセトン、メチルエチルケトンなど)、エステル類(酢酸エチルなど)、ニトリル類(アセトニトリルなど)、アミド類(ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドンなど)、スルホキシド類(ジメチルスルホキシドなど)などが例示できる。これらの溶媒は混合溶媒として用いてもよい。
反応温度は、触媒の種類に応じて、例えば、−100℃〜120℃程度の広い範囲から選択でき、ニッケル錯体では、通常、50〜120℃、好ましくは80〜110℃程度であってもよく、鉄錯体では、通常、−100℃〜50℃、好ましくは−80℃〜30℃程度であってもよい。
反応終了後、必要により、反応混合物を、慣用の分離精製方法、例えば、濃縮、デカンテーション、再沈殿、クロマトグラフィーなどにより精製し、有機高分子を得てもよい。
また、必要であれば、有機高分子は、クロマトグラフィー、抽出などの操作により、所定の分子量を有する1又は複数の成分に分画してもよい。
[式(Ia)で表される化合物の製造方法]
なお、前記式(Ia)で表される化合物は、慣用の方法で調製できる。例えば、前記式(Ia−3)で表される化合物は、下記反応工程式に従って調製できる。なお、化合物(10)は公知であり、前記特許文献4の実施例10に準じて調製できる。そのため、下記反応工程式では、化合物(10)の他の調製方法を示している。
化合物(3)の合成(ヒドロキシル基のスルホニル化)
化合物(1)(ジハロジヒドロキシアレーン)とスルホニル化剤(2)とを反応させ、ヒドロキシル基を保護基で保護し、化合物(3)を生成させる。なお、化合物(1)において、Xはハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素原子など)を示し、R、R、a2及びa3は前記に同じである。
この例では、化合物(1)として2,6−ジブロモナフタレン−1,5−ジオールを用い、スルホニル化剤(2)として、卜リフルオロメタンスルホン酸無水物を用い、保護基トリフルオロメタンスルホニル基(トリフラート基Tf)を導入した化合物(3)(2,6−ジブロモナフタレン−1,5−ジ卜リフルオロメタンスルホン酸エステル)を生成している。
スルホニル化剤(2)としては、ヒドロキシル基の慣用の保護剤、例えば、アルカンスルホニルハライド、アルカンスルホン酸無水物、ハロアルカンスルホニルハライド、ハロアルカンスルホン酸又はその反応性誘導体(卜リフルオロメタンスルホニルクロリド、卜リフルオロメタンスルホン酸又は卜リフルオロメタンスルホン酸無水物など)などが例示できる。好ましいスルホニル化剤は、フェノール性ヒドロキシル基をアシル化し、かつエステル基の脱離性を向上できるハロアルカンスルホン酸又はその酸無水物である。スルホニル化剤(2)の使用量は、化合物(1)に対して、1〜3当量程度であってもよい。
反応は、塩基の存在下で行うことができ、塩基としては、第三級アミン、例えば、トリエチルアミンなどのトリアルキルアミン、ピリジンなど芳香族アミンなどが例示できる。これらの塩基は単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。塩基の使用量は、化合物(1)に対して、2〜10当量(例えば、3〜5当量)程度であってもよい。
反応は、反応に不活性な溶媒中で行ってもよい。溶媒としては、前記カップリング反応と同様の有機溶媒、例えば、芳香族炭化水素類、ハロゲン化炭化水素類などが利用できる。
反応は、不活性雰囲気下、温度−20℃〜30℃(通常、0℃〜室温)程度で、反応時間1〜24時間程度行うことができる。
化合物(5)の合成(エチニル基及び保護基の導入)
生成した化合物(3)をアルキン化合物(R Si−≡:Rはアルキル基を示す)(4)と反応させてエチニルを導入し、化合物(5)を生成させる。この例では、化合物(4)として、保護基(トリメチルシリル基)を有するアルキン化合物(トリメチルシリルアセチレン)を用い、化合物(5)として2,6−ジブロモ−1,5−ジ(2−トリメチルシリルエチニル)ナフタレンを生成させている。
化合物(4)としては、エチニル基を有する化合物、例えば、アルキルシリルアセチレン、例えば、トリメチルシリルアセチレン、トリエチルシリルアセチレン、トリイソプロピルシリルアセチレン、トリブチルシリルアセチレン、トリイソブチルシリルアセチレンなどのトリアルキルシリルアセチレンなどが例示できる。
化合物(4)の使用量は、化合物(3)に対して、1.5〜5モル(好ましくは2〜3モル)程度であってもよい。反応は、薗頭カップリング反応に準じてパラジウム触媒(又はパラジウム錯体)の存在下で行うことができる。パラジウム触媒としては、例えば、ハロゲン化パラジウム(塩化パラジウム)、パラジウム錯体(アセチルアセトナト錯体、ホスフィン錯体、ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン錯体など)などであってもよい。パラジウム触媒の使用量は、化合物(3)に対して0.1〜10モル%程度であってもよい。また、パラジウム触媒は、銅化合物と併用してもよい。銅化合物としては、例えば、ハロゲン化銅(ヨウ化銅、臭化銅など)、銅錯体などが例示できる。銅化合物の使用量は、化合物(3)に対して1〜50モル%程度であってもよい。
反応は、塩基の存在下で行うことができ、塩基は、アミン類、例えば、ジエチルアミン、トリエチルアミン、ジイソプロピルアミン、ピリジン、モルホリンなどであってもよい。塩基の使用量は、化合物(3)の保護基に対して、過剰モル量である場合が多い。
反応は、反応に不活性な溶媒中で行ってもよい。溶媒としては、前記カップリング反応と同様の有機溶媒、例えば、ハロゲン化炭化水素類、アミド類、エーテル類などが利用できる。
反応は、不活性雰囲気下、温度−20℃〜30℃(通常、0℃〜室温)程度で、反応時間1〜24時間程度行うことができる。
反応終了後、反応混合物は分離精製して又は分離精製することなく、次の反応に供することができる。
化合物(7)の合成(環A及び環Bの導入)
化合物(5)と化合物(6)とを反応させ、化合物(7)を調製できる。この反応には、トランスメタル化反応が利用できる。例えば、化合物(5)とリチオ化剤とを反応させてリチオ化し(リチオ化工程)、ハロゲン化亜鉛と反応させた(トランスメタル化工程)後、パラジウム触媒とホスフィン配位子との存在下、化合物(6)(ブロモチオフェンなど)を反応させ(カップリング工程)、化合物(7)を生成させることができる。この例では、化合物(5)とn−ブチルリチウムとを反応させてリチオ化し、塩化亜鉛と反応させた後、パラジウム触媒(トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)クロロホルム錯体(Pd(dba)・CHCl))と、2−ジシクロヘキシルクロロホスフィノ−2’,6’−ジメトキシビフェニル(SPos)との存在下、化合物(6)を反応させ、化合物(7)を生成させている。
前記リチオ化剤としては、アルキルリチウム、例えば、n−ブチルリチウム、s−ブチルリチウム、t−ブチルリチウムなどのC1−6アルキルリチウムなどが例示できる。アルキルリチウムの使用量は、化合物(5)に対して1.5〜5当量(例えば、2〜2.5当量)程度であってもよい。反応(リチオ化工程)には、不活性な溶媒、例えば、前記カップリング反応と同様の有機溶媒、例えば、アミド類、エーテル類などが利用できる。
反応(リチオ化工程)は、不活性雰囲気下、温度−100℃〜30℃(通常、−80℃〜0℃)程度で、反応時間5分〜12時間程度行うことができる。
前記ハロゲン化亜鉛としては、塩化亜鉛、臭化亜鉛などが例示できる。ハロゲン化亜鉛の使用量は、前記アルキルリチウムの使用量と同程度であり、反応(トランスメタル化工程)には、アルキルリチウムとの反応(リチオ化工程)と同様の溶媒が利用できる。
反応(トランスメタル化工程)は、不活性雰囲気下、温度−50℃〜30℃(通常、−20℃〜20℃)程度で、反応時間10分〜10時間程度行うことができる。
化合物(6)において、Xはハロゲン原子(塩素、臭素、ヨウ素原子など)を示し、環A及び環Bは前記に同じである。化合物(6)としては、ハロゲン原子を有する前記環A、環Bに対応する化合物、例えば、ハロゲン原子を有する複素環化合物(ブロモチオフェンなど)又はハロゲン原子を有するアレーン化合物(ブロモベンゼンなど)が例示できる。
化合物(6)の使用量は、例えば、化合物(5)に対して1.5〜5当量(例えば、2〜3当量)程度であってもよい。
パラジウム触媒としては、前記と同様、例えば、塩化パラジウム、パラジウム(アセチルアセトナト)錯体、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)クロロホルム錯体(Pd(dba)・CHCl)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)錯体などが例示できる。配位子としては、ホスフィン配位子(トリフェニルホスフィン、前記SPosなど)、ビピリジル配位子などが例示できる。パラジウム触媒の使用量は、化合物(6)に対して、0.1〜10モル%(例えば、1〜5モル%)程度であってもよい。また、配位子の使用量は、化合物(6)に対して、1〜50モル%(例えば、5〜20モル%)程度であってもよい。
反応(カップリング工程)は、不活性な溶媒中で行うことができ、溶媒としては、アルキルリチウムとの反応(リチオ化工程)と同様の溶媒が利用できる。
反応(カップリング工程)は、不活性雰囲気下、温度10℃〜100℃(例えば、30℃〜70℃)程度で、時間1〜12時間程度行うことができる。
化合物(9)の合成(脱保護)
化合物(7)の保護基を脱保護剤(8)で脱保護することにより、化合物(9)を調製できる。脱保護反応には、酸、塩基などの慣用の脱保護剤、例えば、炭酸カリウムなどのアルカリ金属炭酸塩、フッ化テトラブチルアンモニウム(TBAF)などのフッ化物イオンなどが利用できる。脱保護剤(8)の使用量は、化合物(7)に対して0.1〜1当量程度であってもよい。
反応は、不活性な溶媒中で行ってもよい。溶媒としては、例えば、メタノールなどのアルコール類、前記アルキルリチウムとの反応(リチオ化工程)と同様の溶媒が利用できる。
反応は、不活性雰囲気下、温度0℃〜70℃(通常、20〜25℃程度の室温)で、反応時間1〜36時間程度行うことができる。
化合物(10)の合成(環化)
化合物(9)を環化反応に供することにより、化合物(10)を調製できる。この例では、塩化白金を用いてカップリングさせ、縮合環を形成している。
アルキンの環化反応では、アルキン部位を活性化する慣用のルイス酸、例えば、白金、インジウム、ガリウム、金、パラジウム触媒などを利用できる。触媒としては、例えば、塩化白金(II)、塩化インジウム(III)、塩化ガリウム(III)、塩化金(III)、塩化パラジウム(II)、酢酸パラジウム(II)、パラジウム(アセチルアセトナト)錯体、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)クロロホルム錯体(Pd(dba)・CHCl)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)錯体などが例示できる。ルイス酸触媒の使用量は、化合物(9)に対して1〜50モル%(例えば、5〜40モル%)当量程度であってもよい。
反応は、不活性な溶媒中で行ってもよい。溶媒としては、例えば、アミド類などの前記アルキルリチウムとの反応(リチオ化工程)と同様の溶媒が利用できる。
反応は、不活性雰囲気下、温度30〜120℃(例えば、50〜100℃)程度で、時間1〜36時間程度行うことができる。
化合物(12)の合成
化合物(10)の環A及び環Bの所定の部位をリチオ化剤(11a)でリチオ化し、このリチウムをシリル化剤(R SiCl:Rはアルキル基を示す)(11b)でシリル化し、所定の部位をシリル基(−SiR )で保護している。この例では、リチオ化剤として、2,2,6,6−テトラメチルピペリジンリチウム(LiTMP)を用い、シリル化剤として、トリイソプロピルシリルクロリド(TIPSCl)を用い、環A及び環Bの所定の部位にアルキルシリル基(−SiR )を導入している。
リチオ化剤(11a)としては、前記アルキルリチウム、前記LiTMP、LHMDS(Lithium hexamethyldisilazide)などの二級アミンをリチオ化したリチウムアミド試薬などが例示できる。リチオ化剤の使用量は、化合物(10)に対して1〜5当量(例えば、1.5〜3当量)程度であってもよい。
反応には、不活性な溶媒、例えば、前記カップリング反応と同様の有機溶媒、例えば、アミド類、エーテル類などが利用できる。反応は、不活性雰囲気下、温度−100℃〜30℃(通常、−80℃〜0℃)程度で、反応時間1〜12時間程度行うことができる。
シリル化剤(11b)としては、例えば、トリメチルシリルハライド、トリエチルシリルハライド、トリブチルシリルハライド、トリイソブチルシリルハライドなどのトリ直鎖状又は分岐鎖状C1−6アルキルシリルハライドなどが例示できる。保護剤の使用量は、化合物(10)に対して1〜5当量(例えば、1.5〜4当量)程度であってもよい。
反応は、上記リチオ化反応と同様の有機溶媒中、不活性雰囲気下、温度−20℃〜50℃(例えば、10〜30℃)程度で、反応時間1〜24時間程度行うことができる。
化合物(14)の合成
化合物(12)をホウ素化剤又はホウ素化合物(13)でホウ素化し、化合物(14)を調製している。この例では、イリジウム触媒(ビス(1,5−シクロオクタジエン)ジ−μ−メトキシジイリジウム(I)錯体:Ir(OMe)(COD))及び4,4’−ジ−t−ブチル−2,2’−ビピリジル(dibpy)の存在下、4,4,4’,4’,5,5,5’,5’−オクタメチル−2,2’−ビス−1,3,2−ジオキサボロネート[(BPin)]を用い、環Aに隣接するベンゼン環及び環Bに隣接するベンゼン環の所定の部位をホウ素化している。
化合物(12)のホウ素化には、イリジウム触媒、レニウム触媒、ロジウム触媒などの触媒を用いた慣用のホウ素化方法、例えば、イリジウム触媒と、ビピリジル配位子、ジイミン配位子、ホスフィン配位子(トリフェニルホスフィンなど)などの配位子を利用した方法が挙げられる。イリジウム触媒などの触媒の使用量は、化合物(12)に対して0.1〜10モル%(例えば、0.5〜3モル%)程度であってもよい。ビピリジル配位子などの配位子の使用量は、触媒に対して1.5〜5倍モル程度であってもよい。
ホウ素化剤又はホウ素化合物(13)としては、ボロン酸エステルを形成可能な化合物、例えば、(BPin)の他、慣用の化合物、例えば、ジボラン酸、ピナコールボラン、ビス(ピナコラート)ジボランなどが利用できる。ホウ素化合物(13)の使用量は、化合物(12)に対して1.5〜5当量(例えば、2〜3当量)程度であってもよい。
反応は、前記有機溶媒、脂環族炭化水素類(シクロヘキサンなど)などの不活性な溶媒中、不活性雰囲気下、温度30〜120℃(例えば、50〜100℃)程度で、反応時間1〜36時間程度行うことができる。
化合物(16)の合成
化合物(14)とハロゲン化剤(15)とを反応させることにより、ハロゲン原子が導入された化合物(16)を調製できる。この例では、化合物(14)と臭化銅(II)とを反応させ、化合物(16)を生成させている。ハロゲン化剤(15)としては、ハロゲン化銅Cu(Xが例示でき、ハロゲン化銅Cu(Xのハロゲン原子Xとしては、塩素、臭素、ヨウ素原子が例示できる。ハロゲン化銅としては、臭化銅(II)以外に、塩化銅、ヨウ化銅が例示できる。ハロゲン化銅などのハロゲン化剤(15)の使用量は、化合物(14)に対して2〜10当量(例えば、3〜8当量)程度であってもよい。
反応は、反応に不活性な溶媒(例えば、水溶性溶媒(環状エーテル類、N−メチルピロリドンなどのアミド類、メタノールなどのアルコール類など)と水との混合溶液など)中、不活性雰囲気下、温度30〜120℃(例えば、50〜100℃)程度で、反応時間5〜48時間程度行うことができる。
化合物(18)の合成
根岸カップリング反応を利用して、化合物(16)とアルキル化剤(17)とを触媒の存在下で反応させ、化合物(18)を調製できる。この例では、パラジウム触媒(1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン]ジクロロパラジウム(II)ジクロロメタン錯体(PdCl(dppf)CHCl))の存在下、化合物(16)と、アルキル化剤(17)としての亜鉛試薬(アルキル亜鉛ハライド塩化リチウム、例えば、R−ZnCl LiCl及び/又はR−ZnCl LiCl(R及びRはアルキル基を示す))とのクロスカップリング反応により、アルキル基を導入している。
アルキル化剤(17)としては、例えば、グリニャール試薬、アルキル亜鉛ハライド、ジアルキル亜鉛、リチウムジンケート又はマグネシウムジンケート(M Zn及び/又はM Zn(Mはリチウム又はマグネシウムを示し、R及びRはアルキル基を示す))などのアルキル化金属などの慣用のアルキル化剤が使用できる。これらのアルキル化剤は単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。アルキル化剤としては、亜鉛試薬(リチウムジンケート又はマグネシウムジンケート)を用いる場合が多い。
前記亜鉛試薬は、例えば、アルキルマグネシウムハライド(B1)と、亜鉛化合物(B2)(例えば、塩化亜鉛などのハロゲン化亜鉛など)と、リチウム化合物(B3)(塩化リチウムなどのハロゲン化リチウムなど)との反応で生成させてもよい。アルキルマグネシウムハライド(B1)としては、R及びRに対応するアルキルマグネシウムハライド(クロリド、ブロミド、ヨージド)が使用できる。アルキルマグネシウムハライド(B1)の使用量は、例えば、化合物(16)に対して1.5〜10当量(例えば、2〜5当量)程度であってもよい。亜鉛化合物(B2)及びリチウム化合物(B3)の使用量は、例えば、それぞれ、アルキルマグネシウムハライド(B1)に対して、0.8〜1.2倍モル程度であってもよい。亜鉛試薬としての化合物(17)の使用量は、化合物(16)に対して1.5〜5当量(例えば、2〜3当量)程度であってもよい。
亜鉛試薬は、例えば、反応に不活性な溶媒中、不活性雰囲気下、温度10〜70℃(例えば、20〜25℃程度の室温)で、時間10分〜12時間程度反応させることにより調製できる。
パラジウム触媒としては、上記触媒の他、前記カップリング反応において例示のパラジウム触媒が例示できる。なお、配位子として、ホスフィン配位子(トリフェニルホスフィン)などを併用してもよい。パラジウム触媒の使用量は、例えば、化合物(16)に対して1〜50モル%(例えば、5〜25モル%)程度であってもよい。
亜鉛試薬との反応は、反応に不活性な溶媒(例えば、環状エーテル類など)中、不活性雰囲気下、温度30〜120℃(例えば、50〜100℃)程度、反応時間1〜24時間程度で行うことができる。
化合物(20)の合成
式(Ia)においてXが水素原子に相当する化合物(20)は、化合物(18)を脱保護反応に供することにより調製できる。脱保護反応には、前記化合物(9)の合成と同様に、慣用の脱保護剤(19)、例えば、炭酸カリウムなどのアルカリ金属炭酸塩、フッ化テトラブチルアンモニウム(TBAF)などのフッ化物イオンなどが利用できる。脱保護剤の使用量は、化合物(18)に対して1〜10当量(例えば、2〜5当量)程度であってもよい。
脱保護反応は、反応に不活性な溶媒(例えば、環状エーテル類など)中、不活性雰囲気下、温度−20℃〜50℃(例えば、−10℃〜30℃)程度、反応時間10分〜12時間程度で行うことができる。
化合物(22)の合成
式(Ia)においてXがリチウム原子である化合物(22)は、化合物(20)をリチオ化剤(21a)でリチオ化することにより調製でき、式(Ia)においてXがハロゲン原子である化合物(22)は、リチオ化した化合物をハロゲン化剤(21b)と反応させることにより調製できる。
リチオ化剤(21a)としては、前記と同様のリチオ化剤が使用でき、リチオ化剤の使用量は、化合物(20)に対して1.5〜10当量(例えば、2〜5当量)程度であってもよい。リチオ化反応は、前記と同様に行うことができる。
なお、Xがリチウム原子である化合物(22)は、水、酸素に非常に対して不安定であり反応系から単離できない場合がある。しかし、リチオ化剤(21a)との反応の後、重水素化剤(重水)と反応させることにより、リチウム原子が重水素で置換した重水素化化合物が生成することから、上記化合物(22)がリチオ化していることを確認できる。そのため、Xがリチウム原子である化合物(22)は反応系から単離することなく、中間体として、後続の反応に供することができる。
ハロゲン化剤(21b)としては、慣用のハロゲン化合物が使用でき、塩素、臭素、ヨウ素などを使用できる。ハロゲン化剤の使用量は、リチオ化剤の使用量と同程度である。ハロゲン化反応は、反応に不活性な溶媒(例えば、環状エーテル類など)中、不活性雰囲気下、温度−10℃〜50℃(例えば、0℃〜30℃)程度で1〜24時間程度で行うことができる。
式(Ia)においてXが−MgX(ハロマグネシオ基)である化合物(22)は、前記ハロゲン化剤(21b)に代えて、ハロゲン化マグネシウムMg(X(21c)、例えば、臭化マグネシウム、塩化マグネシウムなどを用いる以外、上記ハロゲン化反応と同様にして調製できる。
なお、前記各反応工程において、反応終了後、慣用の分離精製方法、例えば、濃縮、晶析又は析出、再結晶、抽出、洗浄、クロマトグラフィーなどにより所定の化合物を分離精製して後続の反応に供してもよく、反応混合液から所定の化合物を分離精製することなく後続の反応に供してもよい。
前記反応工程式では、式(Ia)において、n=2の化合物の製造について説明したが、化合物(1)としてナフタレン化合物に代えてベンゼン化合物を用いると(換言すれば、化合物(10)として環A及び環Bの間で2つのベンゼン環がオルト縮合した化合物を用いると)、n=1の化合物を調製でき、フェナントレン化合物を用いると、n=3の化合物を調製でき、ベンゾ[a]フェナントレン化合物(クリセン化合物)、ベンゾ[a]クリセン化合物(ピセン化合物)、ベンゾ[c]ピセン化合物を用いると、n=4〜6の化合物を調製できる。また、式(Ia)において、n=0である化合物は、式(10)で表される化合物に代えて、環A及び環Bの間で2つのベンゼン環がオルト縮合した化合物を用いることにより調製できる。
なお、式(Ia)において環A及び環Bがベンゼン環であり、かつXが水素原子である化合物は、公知の縮合多環式炭化水素(例えば、フェナントレン、ベンゾ[a]フェナントレン(クリセン)、ベンゾ[a]クリセン(ピセン)、ベンゾ[c]ピセン)を用いてもよく、慣用の環化反応及び水素添加反応などの方法、例えば、特許文献4の実施例1などを参照して調製してもよい。
また、反応には、ハロゲン化反応、リチオ化反応、シリル化反応、トランスメタル化反応、カップリング反応(根岸カップリング、鈴木カップリング、鈴木−宮浦カップリング、薗頭カップリング、右田・小杉・スティルカップリングなどの種々のカップリング反応)やヘック反応、グリニャール反応、保護基の導入と脱離、酸化及び還元反応などの種々の反応が利用できる。カップリング反応では、慣用の触媒(パラジウム触媒、ニッケル触媒、銅触媒などの触媒)を用い、ハロゲン化アリールと、有機亜鉛、有機スズ、アルケン類、アルキン類、有機ホウ素、有機アミンなどとを反応させることができ、環化させることもできる。
[有機高分子の用途]
本発明の有機高分子は、高いキャリア移動度を示し、半導体特性を有している。さらに、アルキル鎖などを導入した有機高分子は、有機溶媒に対して高い溶解性を示す。そのため、前記のように、前記有機高分子と有機溶媒とを含む組成物は有機半導体を形成するための塗布剤として適している。
有機半導体は、基材又は基板(ガラス板、シリコンウエハー、プラスチックフィルムなど)に前記組成物を塗布し、塗膜を乾燥して溶媒を除去することにより形成してもよい。塗布方法は、特に制限されず、慣用の塗布方法、例えば、エアーナイフコート法、ロールコート法、グラビアコート法、ブレードコート法、ディップコート法、スプレー法、スピンコート法、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法などが採用できる。通常、スピンコート法、インクジェット印刷法などを利用する場合が多い。
有機半導体の厚みは、用途に応じて、例えば、1〜5000nm、好ましくは30〜1000nm、さらに好ましくは50〜500nm程度であってもよい。本発明では、有機半導体層が薄膜であっても、機械的強度が大きいだけでなく、均一で均質、特に表面平滑性の高い薄膜を形成できる。
本発明の有機半導体は、n型半導体、p型半導体であってもよく、真性半導体であってもよい。本発明の有機高分子(及び有機半導体)は、電子及び/又はホールの移動度(キャリア移動度)が高いため、電子デバイス、例えば、スイッチング素子、整流素子、トランジスタなどの材料として適している。このような有機薄膜トランジスタは、ゲート電極層と、ゲート絶縁層と、ソース/ドレイン電極層と、有機半導体層とで構成されている。これらの層の積層構造によって、有機薄膜トランジスタは、トップゲート型、ボトムゲート型(トップコンタクト型、ボトムコンタクト型)に分類できる。例えば、ゲート電極(酸化膜が形成されたp型シリコンウエハーなど)に有機半導体膜を形成して、この有機半導体膜上にソース・ドレイン電極(金電極)を形成することにより、トップコンタクト型電界効果トランジスタを製造できる。
また、本発明の有機高分子(及び有機半導体)は、光吸収によるキャリア移動度(光電変換率)が高く、光電変換能を有している。そのため、本発明の有機半導体は、光電変換デバイス又は光電変換素子(太陽電池素子、有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子など)、整流素子(ダイオード)の材料としても適している。代表的な光電変換デバイスとしての太陽電池は、pn接合型半導体に表面電極が積層された構造、例えば、p型シリコン半導体に有機半導体層を積層し、この有機半導体層に透明電極(ITO電極など)を積層した構造を有していてもよい。また、有機EL素子は、透明電極(ITO電極など)に、有機高分子(発光性高分子)を含む発光層を形成し、この発光層に電極(金属電極など)を積層した構造であってもよく、発光層には、必要に応じて、電子輸送剤、ホール輸送剤を分散させてもよい。
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
合成例1
アルゴン雰囲気下、2,6−ジブロモナフタレン−1,5−ジオール(1)(100g,315mmol)/ジクロロメタン(700mL)/ピリジン(101mL,126mmol)のオレンジ色懸濁液を0℃に冷却した。攪拌しながら、トリフルオロメタンスルホン酸無水物(2)(134mL,818mmol)/ジクロロメタン(100mL)溶液を滴下した後、暗赤色の懸濁液を室温で1時間半攪拌した。反応混合物に水を加え、有機層をクロロホルムで抽出した。抽出液をシリカゲルでろ過後、ろ液を減圧下で濃縮し、生成した粗生成物をアセトンで洗浄したところ、目的化合物(3)(2,6−ジブロモナフタレン−1,5−ジトリフルオロメタンスルホン酸エステル)を白色固体(110g,60%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,CDCl):δ(ppm)7.88(d,2H,J=8.8Hz,ArH),8.02(d,2H,J=8.8Hz,ArH)。
合成例2
アルゴン雰囲気下、化合物(3)(1g,1.7mmol)/N,N−ジメチルホルムアミド(7mL)/ジイソプロピルアミン(8.6mL)の茶色溶液中にアルゴンを15分間吹きつけた。その後、室温で攪拌させながら、ヨウ化銅(I)(32.7mg,0.17mmol)、[1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン]ジクロロパラジウム(II)ジクロロメタン錯体(70.2mg,0.086mmol)、トリメチルシリルアセチレン(TMS−≡)(4)(0.5mL,3.6mmol)を加えた後、黒色の懸濁液を室温で12時間攪拌した。反応混合物をクロロホルムで希釈後、シリカゲルでろ過した。ろ液を減圧下で濃縮し、生成した粗生成物をヘキサン中で再結晶し、目的化合物(5)(2,6−ジブロモ−1,5−ジ(2−トリメチルシリルエチニル)ナフタレン)をうす黄色固体(0.79g,86%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,CDCl):δ(ppm)0.35(s,18H,Si(CH),7.71(d,2H,J=8.8Hz,ArH),8.14(d,2H,J=8.8Hz,ArH)。
合成例3
アルゴン雰囲気下、化合物(5)(40.5g,84.7mmol)/テトラヒドロフラン(320mL)の黄色懸濁液を−78℃で攪拌させながら、1.6Mのn−ブチルリチウム−ヘキサン溶液(111mL,177.8mmol)を滴下した。得られた黄土色懸濁液を−78℃でさらに30分間攪拌後、1.0Mの塩化亜鉛−テトラヒドロフラン溶液(178mL,177.8mmol)を加え、0℃で1時間攪拌させた。その黄色懸濁液に化合物(6)(3−ブロモチオフェン)(20mL,212mmol)、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム(0)クロロホルム錯体(Pd(dba)・CHCl)(2.2g,2.1mmol)、2−ジシクロヘキシルホスフィノ−2’,6’−ジメトキシビフェニル(SPos)(3.5g,8.5mmol)を0℃で加えた後、50℃で5時間攪拌した。反応混合物に水を加え、有機層をクロロホルムで抽出した。抽出液を減圧下で濃縮し、生成した粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘキサン:ジクロロメタン=100:0〜80:20)で精製し、目的化合物(7)(2,6−ビス(チオフェン−3−イル)−1,5−ジ(2−トリメチルシリルエチニル)ナフタレン)を薄黄色固体(24g,47%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,CDCl):δ(ppm)0.29(s,18H,Si(CH),7.40(m,2H,チエニル基のArH),7.63(m,2H,チエニル基のArH),7.71(d,2H,J=8.4Hz,ナフタレン環のArH),7.83(m,2H,チエニル基のArH),8.45(d,2H,J=8.4Hz,ナフタレン環のArH)。
合成例4
アルゴン雰囲気下、化合物(7)(24g,70.5mmol)/メタノール(150mL)/ジクロロメタン(300mL)の黄色懸濁液を室温で攪拌させながら、脱保護剤(8)としての炭酸カリウム(3.9g,28.2mmol)を加えた。室温で22時間攪拌後、反応混合物に水を加え、有機層をクロロホルムで抽出した。抽出液を減圧下で濃縮し、目的化合物(9)(2,6−ビス(チオフェン−3−イル)−1,5−ジエチニルナフタレン)を薄茶色固体(16.9g,>99%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,CDCl):δ(ppm)3.63(s,2H,末端アルキン(エチニル基)のH),7.42(m,2H,チエニル基のArH),7.61(m,2H,チエニル基のArH),7.71(d,2H,J=8.4Hz,ナフタレン環のArH),7.81(m,2H,チエニル基のArH),8.52(d,2H,J=8.4Hz,ナフタレン環のArH)。
合成例5
アルゴン雰囲気下、化合物(9)(16.9g,49.6mmol)/N,N−ジメチルホルムアミド(510mL)の茶色懸濁液を室温で攪拌させながら、塩化白金(II)(2.7g,9.9mmol)を加えた。80℃で16時間攪拌後、反応混合物を室温に冷却し、ろ過することにより、目的化合物(10)を粗生成物(16.9g)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,TCE−d):δ(ppm)7.67(d,2H,J=5.6Hz,ArH),8.11(d,2H,J=5.6Hz,ArH),8.14(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.56(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.75(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.91(d,2H,J=9.2Hz,ArH)。
合成例6
アルゴン雰囲気下、化合物(10)(12g,35.2mmol)/テトラヒドロフラン(360mL)の暗黄色懸濁液を−78℃で攪拌させながら、リチオ化剤(11a)として0.5M 2,2,6,6−テトラメチルピペリジンリチウム(LiTMP)−テトラヒドロフラン溶液(170mL,84.6mmol)を滴下した。得られた黄土色懸濁液をさらに−50℃で5時間攪拌後、シリル化剤(11b)としてトリイソプロピルシリルクロリド(TIPSCl)(21mL,98.7mmol)を加え、自然に室温まで昇温させながら、12時間攪拌させた。その茶色懸濁液に水を加え、メタノールで希釈後、ろ過して得られた粗生成物をクロロホルム−メタノール混合溶媒(1:1)で再結晶することにより、目的化合物(12)を茶色固体(15.4g,52% 2段階収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,TCE−d):δ(ppm)1.28(d,36H,J=7.2Hz,Si(CH)(CH),1.54(m,6H,Si(CH)(CH),8.19(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.30(s,2H,チオフェン環のArH),8.66(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.75(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.94(d,2H,J=9.2Hz,ArH)。
合成例7
アルゴン雰囲気下、化合物(12)(3.0g,4.6mmol)/シクロヘキサン(60mL)の懸濁液を室温で攪拌させながら、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ジ−μ−メトキシジイリジウム(I)錯体([Ir(OMe)(COD)])(155mg,0.23mmol)、4,4’−ジ−tert−ブチル−2,2’−ビピリジル(dibpy)(126mg,0.47mmol)、ホウ素化剤(13)として4,4,4’,4’,5,5,5’,5’−オクタメチル−2,2’−ビス−1,3,2−ジオキサボロネート[(BPin)](2.5g,9.6mmol)を加えた。得られた茶色懸濁液をさらに80℃で19時間攪拌した。反応混合物をクロロホルムで希釈後、セライトでろ過し、ろ液を減圧下で濃縮することで得られた粗生成物をメタノールで洗浄したところ、目的化合物(14)を黄色固体(3.8g,91%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,TCE−d):δ(ppm)1.26(d,36H,J=7.6Hz,Si(CH)(CH),1.44(s,24H),1.54(m,6H,Si(CH)(CH),8.28(s,2H,J=9.2Hz),8.65(d,2H,J=9.2Hz,ArH),9.08(d,2H,J=9.2Hz,ArH),9.24(s,2H,ArH)。
合成例8
アルゴン雰囲気下、化合物(14)(3.8g,4.2mmol)/N−メチルピロリドン(300mL)/メタノール(100mL)/水(50mL)の懸濁液を室温で攪拌させながら、ハロゲン化剤(15)としての臭化銅(II)(5.8g,26.0mmol)を加えた。得られた暗緑色の懸濁液を80℃で34時間攪拌した。反応混合物をクロロホルムで抽出後、抽出液を減圧下で濃縮した。得られた粗生成物をメタノールで洗浄したところ、目的化合物(16)をうすピンク色固体(2.68g,79%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,TCE−d):δ(ppm)1.25(d,36H,J=7.2Hz,Si(CH)(CH),1.52(m,6H,Si(CH)(CH),8.35(s,2H,ArH),8.57(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.83(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.87(s,2H,ArH)。
合成例9
(R10はn−ヘキサデシル基を示す。以下同じ)
アルゴン雰囲気下、0.65Mのノルマルヘキサデシルマグネシウムブロミド−テトラヒドロフラン溶液(4.7mL,3.1mmol)/テトラヒドロフラン(6mL)溶液を0℃で攪拌させながら、1.0M塩化亜鉛(II)−テトラヒドロフラン溶液(3.2mL,3.1mmol)、0.5M塩化リチウム−テトラヒドロフラン溶液(6.2mL,3.1mmol)を加えた後、白色の懸濁液を室温で30分間攪拌し、透明の亜鉛試薬(アルキル亜鉛クロリド 塩化リチウム:R10−ZnCl LiCl(R10はノルマルヘキサデシル基を示す))(化合物(17a))を調製した。
亜鉛試薬(化合物(17a))に、化合物(16)(0.96g,1.2mmol)、[1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン]ジクロロパラジウム(II)ジクロロメタン錯体(PdCl(dppf)CHCl)(98.6mg,0.12mmol)を室温で加えた。得られた黄色の懸濁液を70℃で11時間攪拌した。得られた黒色の懸濁液に水を加え、有機層をクロロホルムで抽出後、水で洗浄した。抽出液を減圧下で濃縮して得られた粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘキサン)で精製し、目的化合物(18a)を白色固体(778mg,56%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,TCE−d):δ(ppm)0.88(d,6H,J=6.8Hz),1.2−1.6(m,94H),2.03(m,4H),3.19(t,4H,J=7.6Hz),8.29(s,2H,ArH),8.51(s,2H,ArH),8.57(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.86(d,2H,J=9.2Hz,ArH)。
合成例10
(R11は3−オクチルトリデシル基を示す。以下同じ)
合成例9において、ノルマルヘキサデシルマグネシウムブロミドに代えて、3−オクチル−トリデシルマグネシウムブロミドを用いる以外、合成例9と同様にして、目的化合物を得た。すなわち、アルゴン雰囲気下、0.096M 3−オクチル−トリデシルマグネシウムブロミド−テトラヒドロフラン溶液(32mL,3.1mmol)/テトラヒドロフラン(40mL)溶液を0℃で攪拌させながら、1.0M塩化亜鉛(II)−テトラヒドロフラン溶液(3.1mL,3.1mmol)、0.5M塩化リチウム−テトラヒドロフラン溶液(6.2mL,3.1mmol)を加えた後、白色の懸濁液を室温で1時間攪拌し、透明の亜鉛試薬(化合物(17b))を調製した。亜鉛試薬(化合物(17b))に、化合物(16)(996mg,1.2mmol)、[1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン]ジクロロパラジウム(II)ジクロロメタン錯体(101mg,0.12mmol)を室温で加え、得られた懸濁液を70℃で14時間攪拌した。得られた黒色の懸濁液に水を加え、有機層をクロロホルムで抽出後、水で洗浄した。抽出液を減圧下で濃縮して得られた粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘキサン)で精製し、目的化合物(18b)を白色固体(1.2g,77%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,TCE−d):δ(ppm)0.84−0.92(m,12H),1.16−1.60(m,108H),1.95−2.00(m,4H),3.17(t,4H,J=7.6Hz),8.23(s,2H,ArH),8.51(s,2H,ArH),8.56(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.86(d,2H,J=9.2Hz,ArH)。
合成例11
アルゴン雰囲気下、化合物(18a)(99mg,0.09mmol)/テトラヒドロフラン(5mL)溶液を0℃で攪拌させながら、脱保護剤(19)として1.0Mのフッ化テトラブチルアンモニウム(TBAF)−テトラヒドロフラン溶液(0.27mL,0.27mmol)を加えた。得られた白色の懸濁液を室温で1時間攪拌した。反応混合物に水を加え、ろ過した後、水/メタノールで洗浄することで、目的化合物(20a)を白色固体(45mg,62%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,TCE−d):δ(ppm)0.87(t,6H,J=6.8Hz),1.35(m,48H),1.55(m,4H),2.01(m,4H),3.16(t,4H,J=7.6Hz),7.65(d,2H,J=5.6Hz,チオフェン環のArH),8.12(d,2H,J=5.6Hz,チオフェン環のArH),8.51(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.54(s,2H,ArH),8.86(d,2H,J=9.2Hz,ArH)。
合成例12
アルゴン雰囲気下、化合物(18b)(1.1g,0.88mmol)/テトラヒドロフラン(50mL)溶液を0℃で攪拌させながら、脱保護剤(19)として1.0Mフッ化テトラブチルアンモニウム−テトラヒドロフラン溶液(2.6mL,2.6mmol)を加えた。得られた白色の懸濁液を室温で1時間攪拌後、水を加え、ろ過し、水/メタノールで洗浄することで、目的化合物(20b)を白色固体(793mg,97%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,TCE−d):δ(ppm)0.84−0.92(m,12H),1.22−1.50(m,66H),1.52−1.60(m,2H),1.92−2.0(m,4H),3.15(t,4H,J=7.6Hz),7.65(d,2H,J=5.2Hz,チオフェン環のArH),8.12(d,2H,J=5.2Hz,チオフェン環のArH),8.51(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.55(s,2H,ArH),8.86(d,2H,J=9.2Hz,ArH)。
合成例13
アルゴン雰囲気下、化合物(20a)(411mg,0.51mmol)/テトラヒドロフラン(42mL)の白色懸濁液を−78℃で攪拌させながら、リチオ化剤(21a)として0.5M 2,2,6,6−テトラメチルピペリジンリチウム−テトラヒドロフラン溶液(2.4mL,1.2mmol)を滴下した。得られた懸濁液をさらに−50℃で2時間攪拌後、0℃に昇温させ、ハロゲン化剤(21b)として0.5Mのヨウ素−テトラヒドロフラン溶液(3.0mL,1.5mmol)を加えた。得られた赤色懸濁液を自然に室温まで昇温させながら、12時間攪拌させた後、得られた明赤色の懸濁液にチオ硫酸ナトリウム水溶液を加え、有機層をクロロホルムで抽出した。抽出液を減圧下で濃縮して得られた粗生成物をメタノール、ヘキサン、クロロホルムで洗浄後、再結晶(クロロホルム)することで、目的化合物(22a)を白色固体(491mg,93%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,TCE−d):δ(ppm)0.88(t,6H,J=6.4Hz),1.20−1.45(m,48H),1.45−1.55(m,4H),1.90−2.0(m,4H),3.08(t,4H,J=7.6Hz),8.28(s,2H,チオフェン環のArH),8.39(d,2H,J=8.8Hz,ArH),8.46(s,2H,チオフェン環のArH),8.81(d,2H,J=9.2Hz,ArH)。
合成例14
アルゴン雰囲気下、化合物(20b)(200mg,0.22mmol)/テトラヒドロフラン(20mL)の透明溶液を−78℃で攪拌させながら、リチオ化剤(21a)として0.5M 2,2,6,6−テトラメチルピペリジンリチウム(LiTMP)−テトラヒドロフラン溶液(1.0mL,0.52mmol)を滴下した。反応混合物を−50℃で5時間攪拌後、0℃に昇温させ、ハロゲン化剤(21b)として0.5Mのヨウ素−テトラヒドロフラン溶液(1.0mL,0.52mmol)を加えた。得られた赤色懸濁液を自然に室温まで昇温させながら、12時間攪拌させた後、得られた明赤色の懸濁液にチオ硫酸ナトリウム水溶液を加え、有機層をクロロホルムで抽出した。抽出液を減圧下で濃縮して得られた粗生成物をメタノール、ヘキサンで洗浄することで、目的化合物(22b)を白色固体(151mg,67%収率)として得た。
NMR:H−NMR(400MHz,TCE−d):δ(ppm)0.84−0.94(m,12H),1.21−1.49(m,66H),1.50−1.60(m,2H),1.87−1.96(m,4H),3.07(t,4H,J=7.6Hz),8.28(s,2H,チオフェン環のArH),8.39(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.47(s,2H,チオフェン環のArH),8.81(d,2H,J=9.2Hz,ArH)。
合成例15
アルゴン雰囲気下、化合物(20b)(100mg,0.11mmol)/テトラヒドロフラン(40mL)の透明溶液を−78℃で攪拌させながら、0.5M 2,2,6,6−テトラメチルピペリジンリチウム−テトラヒドロフラン溶液(0.52mL,0.26mmol)を滴下した。生成したうす黄色溶液を−50℃で3時間攪拌後、反応溶液の一部を重水素化剤である過剰量の重水(DO)と反応させることで、原料(20b)が消失し、重水素体(22d)が得られた。目的物(22c)は、水、酸素に非常に不安定であり単離できないため、上記のように重水素化することで、反応系中で目的物(22c)が生成していることを確認した。
重水素体(22d)のNMR:H−NMR(400MHz,TCE−d):δ(ppm)0.84−0.92(m,12H),1.22−1.50(m,66H),1.52−1.60(m,2H),1.92−2.0(m,4H),3.15(t,4H,J=7.6Hz),7.65(s,2H,チオフェン環のArH),8.51(d,2H,J=9.2Hz,ArH),8.55(s,2H,ArH),8.86(d,2H,J=9.2Hz,ArH)。
実施例1
アルゴン雰囲気下、化合物(22a)(50mg,0.048mmol)/トルエン(100mL)の透明溶液を室温で攪拌させながら、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)錯体(15.9mg,0.058mmol)/2,2’−ビピリジル(9.0mg,0.058mmol)/トルエン(5mL)の紫色溶液を滴下した。得られた黒色の懸濁液を凍結脱気し、液中の酸素を取り除いた後、110℃で42時間攪拌した。その後、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)錯体(15.9mg,0.058mmol)/2,2’−ビピリジル(9.0mg,0.058mmol)/トルエン(5mL)の溶液を追加し、さらに110℃で42時間攪拌した。室温に戻した後、反応混合物をメタノール(1L)中に加え、15時間攪拌した。その懸濁液をろ過して得られた粗生成物をソックスレー抽出器(メタノール、クロロホルム、クロロベンゼン)で精製することで、繰り返し単位(23a)を有する深緑色の固体高分子(27mg)を得た。得られた固体高分子を、高温GPC(180℃、トリクロロベンゼン、ポリスチレン内標)で分析したところ、重合度(DPn):5.0、数平均分子量(Mn):4329、重量平均分子量(Mw):7212、分子量分布(PDI=Mw/Mn):1.7であった。
実施例2
アルゴン雰囲気下、化合物(22b)(60mg,0.051mmol)/トルエン(30mL)の透明溶液を室温で攪拌させながら、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)錯体(33.5mg,0.12mmol)/2,2’−ビピリジル(19.1mg,0.12mmol)/トルエン(4mL)の紫色溶液を滴下した。得られた黒色の懸濁液を凍結脱気し、液中の酸素を取り除いた後、110℃で1.5時間攪拌した。室温に戻した後、反応混合物をメタノール(400mL)中に加え、24時間攪拌した。その懸濁液をろ過して得られた粗生成物をソックスレー抽出器(メタノール、ヘキサン、クロロホルム、クロロベンゼン)で精製することで、繰り返し単位(23b)を有する茶色の固体高分子(9mg)を得た。得られた固体高分子を、高温GPC(180℃、トリクロロベンゼン、ポリスチレン内標)で分析したところ、重合度(DPn):62、数平均分子量(Mn):58205、重量平均分子量(Mw):454022、分子量分布(PDI):7.8であった。
実施例3
実施例2において、黒色の懸濁液を凍結脱気し、液中の酸素を取り除いた後、110℃で8時間攪拌する以外、実施例2と同様にして、繰り返し単位(23b)を有する茶色の固体高分子(12mg)を得た。得られた固体高分子を、高温GPC(180℃、トリクロロベンゼン、ポリスチレン内標)で分析したところ、重合度(DPn):65、数平均分子量(Mn):60619、重量平均分子量(Mw):698947、分子量分布(PDI):11.5であった。
実施例4
アルゴン雰囲気下、合成例15と同様にして中間体としての化合物(22c)を生成させ、この化合物(22c)(100mg,0.11mmol)/テトラヒドロフラン(40mL)の透明溶液を−78℃で攪拌させながら、0.5M 2,2,6,6−テトラメチルピペリジンリチウム−テトラヒドロフラン溶液(0.52mL,0.26mmol)を滴下した。得られたうす黄色溶液をさらに−50℃で3時間攪拌後、−78℃に冷却し、鉄(III)アセチルアセトナト(98.9mg,0.28mmol)/テトラヒドロフラン(10mL)の赤色溶液を滴下した。得られた黒色の懸濁液を−78℃から室温に昇温させながら、14時間攪拌した。反応混合物をメタノール(1L)中に加え、24時間、ゆっくり攪拌した。その懸濁液をろ過して得られた粗生成物をソックスレー抽出器(メタノール、ヘキサン、クロロホルム)で抽出した。ヘキサン抽出液を減圧下で濃縮することにより、第1の画分(A)を黄色固体高分子(8mg)として得た。一方、クロロホルム抽出液を減圧下で濃縮することにより、第2の画分(B)を茶色固体高分子(52mg)として得た。また、クロロホルムでも抽出されなかった第3の画分(C)を茶色固体高分子(8mg)として得た。各画分は繰り返し単位(23b)を有している。それぞれの固体高分子を、高温GPC(180℃、トリクロロベンゼン、ポリスチレン内標)で分析したところ、以下の結果を得た。
(1)第1の画分(A):重合度(DPn):3.3、数平均分子量(Mn):3045、重量平均分子量(Mw):3821、分子量分布(PDI):1.3
(2)第2の画分(B):重合度(DPn):9.9、数平均分子量(Mn):9175、重量平均分子量(Mw):14662、分子量分布(PDI):1.6
(3)第3の画分(C):重合度(DPn):22、数平均分子量(Mn):20388、重量平均分子量(Mw):32502、分子量分布(PDI):1.6。
実施例5
実施例4で得られた第2の画分(B)について、以下のようにして、電界効果型トランジスタで有機半導体特性を評価した。
二酸化ケイ素(SiO)絶縁膜(膜厚500nm)付シリコン(Si)基板を、アセトン及び2−プロパノールで、それぞれ、3分間に亘り超音波洗浄し、120℃で、30分間乾燥した。続いて、UVオゾン処理を30分間行った。洗浄処理した基板表面に、デシルトリエトキシシラン(DTS)の自己組織化単分子膜(SAM)を蒸気法で製膜した。
この基板表面に、0.24重量%濃度の第2の画分(B)/オルトジクロロベンゼン溶液を滴下し、スピンコート法(回転数:2500rpm、回転時間:45s)で製膜後、アルゴン雰囲気下で、150℃、30分間乾燥させた。乾燥させた膜表面に金属マスクを置き、キャリア注入層として、テトラフルオロテトラシアノキノジメタン(F4−TCNQ)(厚み約2nm)、ソース電極及びドレイン電極として、金(厚み40nm)を真空蒸着させ、デバイス素子(トップコンタクト−ボトムゲート型、チャネル長100μm、チャネル幅2mm)を作製した。素子の概略図を図1に示す。
作製したデバイス素子を、半導体パラメータアナライザー(型番「keithley 4200」、ケースレーインスツルメンツ(株)製)を用いて、キャリア移動度(μ)の測定を行ったところ、μ=6.9×10−3cm/Vsであった。
実施例6
実施例5で作製したデバイス素子の有機半導体表面を原子間力顕微鏡(AFM)で観察したところ、算術平均粗さ(Ra)が2.3であった。結果を図2に示す。
このことから、本発明の有機高分子は、製膜性に優れ、平滑な薄膜を形成できる。
本発明の有機高分子は、π−電子共役系高分子であり、低抵抗で導電性の高い有機半導体(高分子型有機半導体)を形成するのに有用である。有機半導体は、様々な電子デバイス、例えば、半導体デバイス[例えば、整流素子(ダイオード)、スイッチング素子又はトランジスタ[接合型トランジスタ(バイポーラトランジスタ)、電界効果型トランジスタ(ユニポーラトランジスタ)など]、光電変換素子(太陽電池素子、有機EL素子など)などの半導体素子]などに利用できる。

Claims (12)

  1. 下記式(I)で表される繰り返し単位を有する有機高分子。
    (式中、環A及び環Bは、それぞれ独立して、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環を示し、nは0又は1〜6の整数を示し、R〜R2+nは、それぞれ独立して、置換基を示し、a1〜a(2+n)は、それぞれ独立して、0〜2の整数を示し、環Cは、nの数に応じて、隣接するベンゼン環に対して順次に非直線状にオルト縮合したベンゼン環を示す)
  2. 下記式(I−1)〜(I−5)のうち少なくとも1つの式で表される繰り返し単位を有する請求項1記載の有機高分子。
    (式中、R〜Rは、それぞれ独立して、アルキル基、アリール基、アルコキシ基又はアルキルチオ基を示し、a1〜a6は、それぞれ独立して、0〜2の整数を示し、環A及び環Bは請求項1に同じ)
  3. 下記式(I−3)で表される繰り返し単位を有する請求項1記載の有機高分子。
    (式中、R〜Rのうち少なくとも1つは直鎖状又は分岐鎖状C4−28アルキル基又は直鎖状又は分岐鎖状C4−28アルコキシ基を示し、a1〜a4は、それぞれ独立して、0又は1を示し、a1〜a4のうち少なくとも1つが1であり、環A及び環Bは請求項1に同じ)
  4. 環A及び環Bが、チオフェン環、フラン環、ピロール環、セレノフェン環、及びベンゼン環から選択された芳香環である請求項1〜3のいずれかに記載の有機高分子。
  5. 下記式(I−3a1)又は(I−3b1)で表される繰り返し単位を有する請求項1〜4のいずれかに記載の有機高分子。
    (式中、R及びRは、直鎖状又は分岐鎖状C6−26アルキル基又は直鎖状又は分岐鎖状C6−26アルコキシ基を示す)
  6. 下記式(Ia)
    (式中、Xは水素原子、ハロゲン原子、リチウム原子又は−MgX(Xはハロゲン原子を示す)を示し、環A、環B、n、R〜R2+n及びa1〜a(2+n)は前記請求項1に同じ)
    で表される化合物を、カップリング反応に供し、請求項1〜5のいずれかに記載の有機高分子を製造する方法。
  7. 有機半導体を形成するための組成物であって、請求項1〜5のいずれかに記載の有機高分子と有機溶媒とを含む組成物。
  8. 基材の少なくとも一方の面に請求項7記載の組成物を塗布して乾燥し、有機半導体を形成する有機半導体の製造方法。
  9. 請求項1〜5のいずれかに記載の有機高分子を含む有機半導体。
  10. 請求項1〜5のいずれかに記載の有機高分子を含む電子デバイス。
  11. 請求項1〜5のいずれかに記載の有機高分子を含む半導体素子。
  12. スイッチング素子、整流素子、及び光電変換素子から選択された一種である請求項11記載の半導体素子。
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