KR100809430B1 - Compounds for molecular electronic device having asymmetric disulfide anchoring group, synthesis of the same, and molecular electronic devices having molecular active layer obtained from the compounds - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물이 전극 표면에 자기조립되어 단분자막을 형성한 구조를 예시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a structure in which a compound for molecular electronic devices according to the present invention is self-assembled on an electrode surface to form a monomolecular film.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 분자 전자소자의 개략적인 레이아웃(layout)이다. 2 is a schematic layout of an exemplary molecular electronic device in accordance with the present invention.
도 3은 도 2의 III - III'선 단면도이다. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III 'of FIG. 2.
도 4는 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물이 전극에 자기조립되기 전 및 후의 구조를 보여주는 모식도이다. Figure 4 is a schematic diagram showing the structure before and after the self-assembled compound for a molecular electronic device according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 분자 전자소자의 스위칭 특성을 보여주는 히스테리시스 그래프이다. 5 is a hysteresis graph showing switching characteristics of a molecular electronic device according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 분자 전자소자의 메모리 특성을 보여주는 그래프이다. 6 is a graph showing memory characteristics of the molecular electronic device according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10: 전극, 20: 단분자막, 100: 분자 전자소자, 102: 기판, 110: 하부 전극, 120: 분자 활성층, 130: 상부 전극. 10: electrode, 20: monomolecular film, 100: molecular electronic device, 102: substrate, 110: lower electrode, 120: molecular active layer, 130: upper electrode.
본 발명은 전기적 특성을 제공할 수 있는 기능기를 가지는 화합물 및 그 제조 방법과, 그 화합물로부터 얻어지는 분자 전자소자에 관한 것으로, 특히 디설파이드 정착기를 가지는 분자 전자소자용 화합물 및 그 제조 방법과 그 화합물로부터 얻어지는 분자 활성층을 가지는 분자 전자소자에 관한 것이다. The present invention relates to a compound having a functional group capable of providing electrical properties, a method for producing the same, and a molecular electronic device obtained from the compound, and in particular, a compound for a molecular electronic device having a disulfide fixing group, a method for producing the same, and a compound obtained from the compound. A molecular electronic device having a molecular active layer.
정보화 산업의 발달에 따라 정보의 저장에 가장 중요한 역할을 하는 컴퓨터 칩이 고집적화되고 있다. 현재의 반도체 소자는 물리적 한계와 생산 비용의 증가로 인해 집적기술에 의한 성능개선의 한계에 도달하고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 하나의 방편으로 분자를 이용한 소자 구현을 위해 상당한 노력을 기울이고 있다. With the development of the informatization industry, computer chips that play the most important role in storing information are becoming highly integrated. Current semiconductor devices are reaching the limits of performance improvement by integrated technology due to physical limitations and increased production costs. As one way to overcome this problem, considerable efforts have been made to implement devices using molecules.
분자를 전자 소자에 적용하기 위해서는 분자를 사용하여 전극상에 단분자막을 형성하여야 한다. 지금까지는 분자를 단분자막으로 형성하기 위한 방법으로서 분자 자기조립 방법 및 랭무어-블로짓 (Langmuir-Blodgett) 방법이 알려져 있다. 그 중에서 분자 자기조립 방법을 이용하기 위하여는 통상적으로 많이 사용되는 금 전극과의 반응을 위해 분자 말단에 티올기 또는 티올기와 유사한 반응성을 가진 작용기를 포함하는 것이 필수적이다. 또한, 분자 전자 소자를 구현하기 위하여 전기 활성 작용기 (electroactive functional group)를 도입하는 것이 필수적이다. 그런데, 전기활성 작용기 도입으로 인해 입체 장애 (steric hindrance) 현상이 나타나며, 이들 활성 물질을 사용하여 전극 위에 분자 활성층을 형성할 때, 상기한 바와 같은 입체 장애 현상으로 인해 분자 활성층의 커버리지(coverage) 특성이 좋지 않게 되어 전기적 단락 현상의 원인이 되고 있다. In order to apply molecules to electronic devices, molecules must be used to form a monomolecular film on an electrode. Until now, molecular self-assembly and Langmuir-Blodgett methods are known as methods for forming molecules into monomolecular films. Among them, in order to use the molecular self-assembly method, it is essential to include a thiol group or a functional group having a reactivity similar to a thiol group at the terminal of the molecule for reaction with a gold electrode which is commonly used. In addition, it is essential to introduce electroactive functional groups to implement molecular electronic devices. However, steric hindrance occurs due to the introduction of electroactive functional groups, and when the molecular active layer is formed on the electrode using these active materials, the coverage characteristic of the molecular active layer is due to the steric hindrance as described above. This is not good and causes a short circuit.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 지금까지 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히, 혼합 자기조립 단분자막 (mixed self-sssembled monolayer)을 형성하는 기술이 알려져 있다. 이 기술은 크게 4 가지 방법으로 분류된다. 첫째, 작용기를 가지는 부피가 큰 분자와 커버리지 특성이 우수한 분자 (주로 알칸티올)의 몰 비 (mole ratio)를 조정하여 단분자막을 형성하는 방법이다 (예: Adv. Mater. 1996, 8(9), 719; Thin solid film, 1996, 273, 54). 둘째, 부피가 큰 분자를 사용하여 먼저 전극 위에 단분자막을 형성한 후, 얻어진 단분자막을 통해 노출되는 전극 표면에 단분자막 형성이 용이한 분자를 삽입(insertion)하는 방법이다 (예: Ann. N. Y. Acad. Sci., 1998, 852, 349). 셋째, 자기조립 방법과 랭무어-블로짓 방법을 동시에 이용하는 것으로, 알킬 할라이드실란 화합물을 이용하여 단분자막을 형성하는 방법이다 (예: Langmuir, 1995, 11, 1341). 넷째, 말단기에 작용기 (예를 들면, -OH 기)를 도입시켜 수소 결합 등의 방법으로 단분자막을 형성하는 방법이다 (예: Langmuir, 1998, 14, 3545; Lanmuir, 1993, 9, 141). In order to solve the above problems, many studies have been conducted so far. In particular, techniques for forming a mixed self-sssembled monolayer are known. This technique is largely classified in four ways. First, a monomolecular film is formed by adjusting the mole ratio of bulky molecules having functional groups and molecules having good coverage properties (primarily alkane thiols) (e.g. Adv. Mater . 1996, 8 (9), 719; Thin solid film, 1996, 273, 54). Second, a monomolecular film is first formed on the electrode using bulky molecules, and then a molecule capable of easily forming a monomolecular film is inserted into the electrode surface exposed through the obtained monomolecular film (eg, Ann. NY Acad. Sci). , 1998, 852 , 349). Third, the self-assembly method and the Langmoore-Blockt method are used simultaneously to form a monomolecular film using an alkyl halide silane compound (eg Langmuir, 1995, 11, 1341). Fourth, a monomolecular film is formed by introducing a functional group (for example, -OH group) to a terminal group (eg, Langmuir, 1998, 14, 3545; Lanmuir, 1993, 9, 141) by hydrogen bonding or the like.
그러나, 상기 방법들에 의해 용액 상태에서 단분자막을 형성할 때, 상 분리 (phase segregation) 현상이 나타나서 균일한 단분자막을 형성 할 수 없게 되는 문 제가 있다. 상기와 같은 상 분리 현상은 단분자막을 형성하고자 하는 두 분자의 구조적 차이, 예를 들면 분자의 길이 차이, 분자의 쌍극자 (dipole) 차이, 분자간의 격자 상수 차이 등으로 인해 나타난다. However, when the monomolecular film is formed in solution by the above methods, there is a problem in that phase segregation occurs and a uniform monomolecular film cannot be formed. The phase separation phenomenon may be caused by structural differences between two molecules to form a monolayer, for example, a length difference between molecules, a dipole difference between molecules, and a lattice constant difference between molecules.
상기와 같은 상 분리 현상을 극복하기 위하여, 단분자막 형성시 혼합 용액의 온도를 조절하는 방법이 제안된 바 있다 (Lanmuir, 2000, 16, 9287). 그러나, 모든 분자들 마다 상 분리 없이 단분자막을 형성하는 것이 쉽지 않다. In order to overcome the above phase separation phenomenon, a method of controlling the temperature of the mixed solution when forming a monomolecular film has been proposed ( Lanmuir , 2000, 16 , 9287). However, it is not easy to form a monomolecular film without phase separation for every molecule.
수 십 나노미터급의 미세한 고집적 반도체 제품의 상용화를 위한 소자 개발이 경쟁적으로 이루어지는 최근의 추세에 따라, 초박형이고 보다 미세화된 분자 전자소자에서 단락과 같은 문제를 발생시키지 않으면서 소자의 기능에 따라 우수한 소자 특성을 제공하기 위하여는 분자 활성층의 커버리지 특성을 개선할 수 있는 새로운 구조의 분자 전자소자용 재료를 개발하는 것이 요구되고 있다. According to the recent trend of competitive device development for the commercialization of tens of nanometer fine micro-integrated semiconductor products, the ultra-thin and finer molecular electronic devices have excellent performance according to the device function without causing short circuit problems. In order to provide device characteristics, it is required to develop a material for molecular electronic devices having a new structure capable of improving the coverage characteristics of the molecular active layer.
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수 십 나노미터 수준의 미세한 분자 전자 소자를 구현하는 데 적합하게 적용될 수 있는 새로운 구조의 분자 전자소자용 화합물들을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems in the prior art, and to provide compounds for molecular electronic devices having a novel structure that can be suitably applied to implement fine molecular electronic devices on the order of tens of nanometers.
본 발명의 다른 목적은 수 십 나노미터 수준의 미세한 분자 전자소자를 구현하는 데 적합하게 적용될 수 있는 새로운 구조의 분자 전자소자용 화합물들의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for preparing compounds for molecular electronic devices having a novel structure that can be suitably applied to realize microscopic molecular electronic devices on the order of tens of nanometers.
본 발명의 또 다른 목적은 두 금속 전극 사이에 개재되는 단분자막으로 이루어지는 분자 활성층이 우수한 커버리지 특성으로 전극 위에 자기조립되어 있는 분 자 전자소자를 제공하는 것이다. It is still another object of the present invention to provide a molecular electronic device in which a molecular active layer composed of a monomolecular film interposed between two metal electrodes is self-assembled on an electrode with excellent coverage characteristics.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물은 다음 식으로 표시되는 비대칭 구조의 디설파이드 유도체로 이루어진다. In order to achieve the above object, the compound for molecular electronic device according to the present invention consists of a disulfide derivative of the asymmetric structure represented by the following formula.
Cy-(R1)-S-S-(R2) Cy- (R 1 ) -SS- (R 2 )
식중, Cy는 고리화합물 (cyclic compound)을 포함하는 전기활성 작용기 (electroactive functional group)이고, R1 및 R2는 각각 F로 치환 또는 비치환된 C1 ∼ C20의 포화 또는 불포화 탄화수소기이다. Wherein Cy is an electroactive functional group containing a cyclic compound, and R 1 and R 2 are each a C 1 to C 20 saturated or unsaturated hydrocarbon group unsubstituted or substituted with F.
본 발명에 따른 비대칭 구조의 디설파이드 유도체는 루쎄니움-터피리딘 디설파이드 착화합물, 싸일롤 (silole) 디설파이드 화합물, 페로센 (ferrocene) 디설파이드 화합물, 오르쏘 카보란 (o-carborane) 디설파이드 화합물, 또는 포피린 (porphyrine) 디설파이드 화합물로 이루어질 수 있다. The disulfide derivatives of the asymmetric structure according to the present invention include ruthenium-terpyridine disulfide complexes, silole disulfide compounds, ferrocene disulfide compounds, o- carborane disulfide compounds, or porphyrine It may consist of a disulfide compound.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 양태에 따른 분자 전자소자용 화합물의 제조 방법에서는, Cy-R1-Br (Cy 및 R1은 상기 정의한 바와 같음)로 표시되는 구조를 가지는 화합물을 소듐 싸이오설페이트 펜타하이드레이트와 반응시켜 Cy-R1-S-SO3 - 로 표시되는 중간 생성물을 합성한다. 그 후, 상기 중간 생성물을 R2-SH (R2는 상기 정의한 바와 같음)로 표시되는 화합물과 반응시켜 Cy-R1-S-S-R2 로 표시되는 디설파이드 유도체를 합성한다. In order to achieve the above another object, in the method for producing a compound for molecular electronic device according to the first aspect of the present invention, a compound having a structure represented by Cy-R 1 -Br (Cy and R 1 are as defined above) the synthetic intermediates represented by - sodium thiosulfate pentahydrate react with Cy-R 1 -S-SO 3 by. The intermediate product is then reacted with a compound represented by R 2 -SH (R 2 is as defined above) to synthesize a disulfide derivative represented by Cy-R 1 -SSR 2 .
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제2 양태에 따른 분자 전자소자용 화합물의 제조 방법에서는 H-CO-R1-Br (R1은 상기 정의한 바와 같음)로 표시되는 구조를 가지는 화합물을 소듐 싸이오설페이트 펜타하이드레이트 및 R2-SH (R2는 상기 정의한 바와 같음)로 표시되는 화합물과 차례로 반응시켜 H-CO-R1-S-S-R2 로 표시되는 화합물을 합성한다. 상기 H-CO-R1-S-S-R2 로 표시되는 화합물을 파이롤 및 R-알데하이드 (R은 펜틸 또는 파라토일)와 축합반응시킨다. 그리고, 상기 축합 반응 결과 얻어진 산물을 DDQ (2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquione)를 이용하여 산화시킨다. In addition, in order to achieve the above another object, in the method for producing a compound for molecular electronic device according to the second aspect of the present invention has a structure represented by H-CO-R 1 -Br (R 1 is as defined above) The compound is reacted in turn with a compound represented by sodium thiosulfate pentahydrate and R 2 -SH (R 2 is as defined above) to synthesize a compound represented by H-CO-R 1 -SSR 2 . The compound represented by H-CO-R 1 -SSR 2 is condensed with pyrrole and R-aldehyde (R is pentyl or paratoyl). The product obtained as a result of the condensation reaction is oxidized using DDQ (2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquione).
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 분자 전자소자는 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 형성된 제2 전극과, 상기 제1 전극과 제2 전극과의 사이에 개재되어 있는 분자 활성층을 포함한다. 상기 분자 활성층은 다음 식으로 표시되는 비대칭 구조의 디설파이드 유도체로 이루어지는 화합물이 상기 제1 전극에 자기조립되어 있는 구조를 가진다. In order to achieve the above another object, the molecular electronic device according to the present invention is a molecular active layer interposed between the first electrode, the second electrode formed on the first electrode, and the first electrode and the second electrode It includes. The molecular active layer has a structure in which a compound composed of a disulfide derivative having an asymmetric structure represented by the following formula is self-assembled in the first electrode.
Cy-(R1)-S-S-(R2) Cy- (R 1 ) -SS- (R 2 )
식중, Cy, R1 및 R2는 상기 정의한 바와 같다. Wherein Cy, R 1 and R 2 are as defined above.
상기 분자 활성층은 상기 제1 전극에 각각 자기조립되어 있는 -S-R1-Cy 기 및 -S-R2 기를 포함하는 단분자층으로 이루어질 수 있다. The molecular active layer may be formed of a monomolecular layer including -SR 1 -Cy group and -SR 2 group self-assembled to the first electrode, respectively.
또는, 상기 분자 활성층은 상기 제1 전극에 각각 자기조립되어 있는 -S- (CH2)m-Cy 기 (m은 1 ∼ 20의 정수) 및 -S-(CH2)n-CH3 기 (n은 1 ∼ 19의 정수)를 포함하는 단분자층으로 이루어질 수 있다. Alternatively, the molecular active layer is a -S- (CH 2 ) m-Cy group (m is an integer of 1 to 20) and -S- (CH 2 ) n-CH 3 groups (self-assembled to the first electrode, respectively) n may be composed of a single molecule layer containing an integer of 1 to 19.
상기 Cy는 루쎄니움 터피리딘, 싸일롤, 페로센, 오르쏘 카보란 및 포피린으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 기일 수 있다. Cy may be any one group selected from the group consisting of ruthenium terpyridine, cyrrole, ferrocene, ortho carborane and porphyrin.
상기 분자 활성층은 상기 제1 전극과 제2 전극과의 사이에 인가되는 전압에 따라 온 상태 및 오프 상태 사이에서 상호 스위칭 가능한 스위치 소자를 구성할 수 있다. The molecular active layer may constitute a switch device that is switchable between an on state and an off state according to a voltage applied between the first electrode and the second electrode.
또는, 상기 분자 활성층은 상기 제1 전극과 제2 전극과의 사이에 인가되는 전압에 따라 소정의 전기 신호를 저장하는 메모리 소자를 구성할 수 있다. Alternatively, the molecular active layer may constitute a memory device that stores a predetermined electrical signal according to a voltage applied between the first electrode and the second electrode.
본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물은 디설파이드기 (-S-S-)를 중심으로 하여 그 양단에 결합되는 -R1-Cy 기 및 -R2 기가 각각 전극 표면에서 단분자막을 형성하는 데 기여하게 된다. 따라서, 전극 표면에 벌키한 전기활성 작용기를 포함하는 단분자막을 형성하는 데 있어서 우수한 커버리지를 가지는 치밀한 구조의 단분자막을 형성하는 것이 가능하며, 따라서 분자 전자소자에서 커버리지 불량으로 인해 야기될 수 있는 단락 현상을 방지할 수 있다. In the compound for a molecular electronic device according to the present invention, -R 1 -Cy groups and -R 2 groups bonded to both ends of the disulfide group (-SS-), respectively, contribute to the formation of a monomolecular film on the electrode surface. Therefore, it is possible to form a monomolecular film having a dense structure having excellent coverage in forming a monomolecular film containing bulky electroactive functional groups on the electrode surface, thus short-circuit phenomenon which may be caused by poor coverage in molecular electronic devices. It can prevent.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Next, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에서는 분자 전자소자에 적용하기 적합한 기능성 작용기를 가지는 비대칭 디설파이드 유도체로 이루어지는 분자 전자소자용 화합물들 및 그들의 제조 방법과, 상기 비대칭 디설파이드 유도체로 이루어지는 분자 활성층을 포함하는 분자 전자소자를 제공한다. The present invention provides compounds for molecular electronic devices comprising asymmetric disulfide derivatives having functional functional groups suitable for application to molecular electronic devices, methods for their preparation, and molecular electronic devices including a molecular active layer comprising the asymmetric disulfide derivatives.
본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물들은 화학식 1로 표시되는 비대칭 구조의 디설파이드 유도체로 이루어진다. Compounds for molecular electronic devices according to the present invention consists of a disulfide derivative having an asymmetric structure represented by the formula (1).
화학식 1에서, Cy는 고리화합물 (cyclic compound)을 포함하는 전기활성 작용기 (electroactive functional group)이다. 그리고, R1 및 R2는 각각 F로 치환 또는 비치환된 C1 ∼ C20의 포화 또는 불포화 탄화수소기이다. In Formula 1, Cy is an electroactive functional group containing a cyclic compound. And R 1 and R 2 are each a C 1 to C 20 saturated or unsaturated hydrocarbon group unsubstituted or substituted with F.
본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물을 구성하는 예시적인 디설파이드 유도체는 산화-환원 활성인 화학식 2로 표시되는 루쎄니움-터피리딘 디설파이드 착화합물로 이루어질 수 있다. Exemplary disulfide derivatives constituting the compound for molecular electronic device according to the present invention may be composed of a ruthenium-terpyridine disulfide complex represented by the formula (2) having redox activity.
화학식 2에서, R1 및 R2는 각각 F로 치환 또는 비치환된 C1 ∼ C20의 포화 또는 불포화 탄화수소기이다. In formula (2), R 1 and R 2 are each a C 1 to C 20 saturated or unsaturated hydrocarbon group unsubstituted or substituted with F.
본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물을 구성하는 예시적인 다른 디설파이드 유도체는 전자 수송 물질인 화학식 3으로 표시되는 싸일롤 (silole) 디설파이드 화합물로 이루어질 수 있다. Exemplary other disulfide derivatives constituting the compound for molecular electronic device according to the present invention may be made of a silole disulfide compound represented by the formula (3) which is an electron transporting material.
화학식 3에서, R1 및 R2는 각각 F로 치환 또는 비치환된 C1 ∼ C20의 포화 또는 불포화 탄화수소기이고, R은 메틸, 에틸 또는 페닐기이다. In formula (3), R 1 and R 2 are each a C 1 to C 20 saturated or unsaturated hydrocarbon group unsubstituted or substituted with F, and R is a methyl, ethyl or phenyl group.
본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물을 구성하는 예시적인 또 다른 디설파이드 유도체는 산화-환원 활성인 화학식 4로 표시되는 페로센 (ferrocene) 디설파이드 화합물로 이루어질 수 있다. Another exemplary disulfide derivative constituting the compound for molecular electronic devices according to the present invention may be composed of a ferrocene disulfide compound represented by the formula (4) having redox activity.
화학식 4에서, R1 및 R2는 각각 F로 치환 또는 비치환된 C1 ∼ C20의 포화 또는 불포화 탄화수소기이다. In formula (4), R 1 and R 2 are each a C 1 to C 20 saturated or unsaturated hydrocarbon group unsubstituted or substituted with F.
본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물을 구성하는 예시적인 또 다른 디설파이드 유도체는 탄소(C)와 붕소(B)가 다면체로 결합되어 있는 오르쏘 카보란 (o-carborane: o-C2H12B10)을 결합시켜 얻어지는 화학식 5로 표시되는 오르쏘 카보란 디설파이드 화합물로 이루어질 수 있다. Another exemplary disulfide derivative constituting the compound for molecular electronic devices according to the present invention is ortho carborane ( o -carborane: o -C 2 H 12 B in which carbon (C) and boron (B) are bonded to a polyhedron) 10 ) may be composed of an ortho carborane disulfide compound represented by the formula (5).
화학식 5에서, R1 및 R2는 각각 F로 치환 또는 비치환된 C1 ∼ C20의 포화 또는 불포화 탄화수소기이다. 화학식 5의 케이지(cage) 구조에서 ●는 C이고, 표시되지 않은 정점 (vertex)은 BH이다. In formula (5), R 1 and R 2 are each a C 1 to C 20 saturated or unsaturated hydrocarbon group unsubstituted or substituted with F. In the cage structure of
본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물을 구성하는 예시적인 또 다른 디설파이드 유도체는 화학식 6으로 표시되는 포피린 (porphyrine) 디설파이드 화합물로 이루어질 수 있다. Another exemplary disulfide derivative constituting the compound for molecular electronic devices according to the present invention may be made of a porphyrine disulfide compound represented by Chemical Formula 6.
화학식 6에서, R1 및 R2는 각각 F로 치환 또는 비치환된 C1 ∼ C20의 포화 또는 불포화 탄화수소기이고, R', R'', 및 R'''는 각각 펜틸 (pentyl: -C5H11) 또는 파라토일 (p-toyl: p-CH3C6H5-)이고, M은 Zn 또는 Mg이다. In formula (6), R 1 and R 2 are each a C 1 to C 20 saturated or unsaturated hydrocarbon group unsubstituted or substituted with F, and R ', R'', and R''' are each pentyl (-). C 5 H 11 ) or paratoyl ( p -toyl: p -CH 3 C 6 H 5- ) and M is Zn or Mg.
상기 예시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물들은 디설파이드기 (-S-S-)를 중심으로 하여 그 양단의 결합 위치중 한 곳에는 산화-환원 활성 또는 전하를 이동시킬 수 있는 분자 등 벌키(bulky)한 전기활성 작용기가 결합되어 있고, 다른 위치에는 상기 전기활성 작용기로 인한 입체 장애에 영향받지 않는 구조를 가지는 F로 치환 또는 비치환된 포화 또는 불포화 탄화수소기가 결합되어 있다, 따라서, 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물들을 전극에 자기조립시키는 데 있어서 디설파이드기 (-S-S-)를 정착기로 하여 전극 표면에 단분자막을 형성할 때 전극 표면에 보다 치밀한 구조가 얻어질 수 있다. As exemplified above, the compounds for molecular electronic devices according to the present invention are bulky, such as molecules capable of transferring redox activity or charge at one of the bonding positions at both ends of the disulfide group (-SS-). (Bulky) electroactive functional groups are bonded, and in another position, a saturated or unsaturated hydrocarbon group substituted or unsubstituted with F having a structure which is not affected by steric hindrance caused by the electroactive functional groups is bonded, thus, the present invention In the self-assembly of compounds for molecular electronic devices according to the present invention, when the disulfide group (-SS-) is used as a fixing unit to form a monomolecular film on the electrode surface, a more compact structure can be obtained on the electrode surface.
도 1은 화학식 1로 표시되는 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물이 전극(10) 표면에 자기조립되어 단분자막(20)을 형성한 구조를 예시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a structure in which a compound for molecular electronic devices according to the present invention represented by
도 1의 구조로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물이 전극(10) 표면에 자기조립될 때 디설파이드기 (-S-S-)를 정착기로 하여 전극(10)에 자기조립되며, 상기 디설파이드기를 중심으로 하여 그 양단에 결합되는 -R1-Cy 기 및 -R2 기가 각각 전극(10) 표면에서 단분자막(20)을 형성하는 데 기여하게 된다. As can be seen from the structure of FIG. 1, when the compound for molecular electronic device according to the present invention is self-assembled on the surface of the
따라서, 전극(10) 표면에 벌키한 전기활성 작용기를 포함하는 단분자막(20)을 형성하는 데 있어서, 1 개의 화합물 내에 1 개의 싸이올기 (thiol group) 만 있는 경우에 발생될 수 있는 커버리지 불량 현상을 개선하여, 우수한 커버리지를 제공하는 단분자막(20)을 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 분자 전자소자에서 커버리지 불량으로 인해 야기될 수 있는 단락 현상을 방지할 수 있다. Therefore, in forming the
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분자 전자소자용 화합물들의 제조 과정에 대하여 상세히 설명한다. Next, the manufacturing process of the compounds for molecular electronic devices according to the preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
반응식 1은 본 발명의 일 예에 따른 분자 전자소자용 화합물의 제조 과정중 주요 반응 과정 (Ia) 및 (Ib)를 나타낸다.
반응식 1에서, Cy, R1 및 R2는 화학식 1에서 정의한 바와 같다. In
반응식 1에 나타낸 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물의 제조 과정은 Cy-R1-Br 로 표시되는 구조를 가지는 화합물을 소듐 싸이오설페이트 펜타하이드레이트와 반응시켜 Cy-R1-S-SO3 - 로 표시되는 중간 생성물을 합성하는 반응 과정 (Ia)과, 상기 중간 생성물을 R2-SH 로 표시되는 화합물과 반응시켜 Cy-R1-S-S-R2 로 표시되는 디설파이드 유도체를 합성하는 반응 과정 (Ib)를 포함한다. In the process for producing a compound for molecular electronic devices according to the present invention shown in
반응식 2는 본 발명의 다른 예에 따른 분자 전자소자용 화합물의 제조 과정중 주요 반응 과정 (IIa) 및 (IIb)를 나타낸다.
반응식 2에서, Cy, R1 및 R2는 화학식 1에서 정의한 바와 같다. In
반응식 1에 나타낸 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물의 제조 과정은 H-CO-R1-Br 로 표시되는 구조를 가지는 화합물을 소듐 싸이오설페이트 펜타하이드레이트 및 R2-SH 로 표시되는 화합물과 차례로 반응시켜 H-CO-R1-S-S-R2 로 표시되는 화합물을 합성하는 반응 과정 (IIa)와, 상기 H-CO-R1-S-S-R2 로 표시되는 화합물로부터 Cy-R1-S-S-R2 로 표시되는 디설파이드 유도체를 합성하는 반응 과정 (IIb)를 포함한다. 상기 반응 과정 (IIb)는 상기 H-CO-R1-S-S-R2 로 표시되는 화합물을 파이롤 및 R-알데하이드 (R은 펜틸 또는 파라토일)와 축합반응시키는 단계와, 상기 축합 반응 결과 얻어진 산물을 DDQ (2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquione)를 이용하여 산화시키는 단계를 포함한다. In the process for preparing a compound for molecular electronic device according to the present invention shown in
다음에, 보다 구체적인 예를 들어 반응식 1 및 반응식 2에서 예시한 본 발명에 따른 분자 전자소자의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. Next, a method of manufacturing the molecular electronic device according to the present invention illustrated in
반응식 3은 화학식 2에 예시되어 있는 루쎄니움 터피리딘 디설파이드 착화합물(IIId)의 제조 과정을 예시한 것이다.
반응식 3에서, m은 1 ∼ 20의 정수이고, n은 1 ∼ 19의 정수이다. In
반응식 3에 나타낸 루쎄니움 터피리딘 디설파이드 착화합물(IIId)의 제조 과정은 크게 3 과정으로 구성된다. 첫번째 과정은 테트라메틸피페리딜리튬 화합물 및 화합물(IIIa)로부터 브로모알킬 터피리딘 화합물(IIIb)을 제조하는 과정이다. 두번째 과정은 브로모알킬 터피리딘 화합물(IIIb)로부터 소듐 싸이오설페이트 펜타하이드레이트와 알칸싸이올을 이용하여 디설파이드 터피리딘 화합물(IIIc)을 합성하는 과정이다. 세번째 과정은 디설파이드 터피리딘 화합물(IIIc)을 루쎄니움 터피리딘 트리클로라이드 착화합물과 반응시켜 루쎄니움 터피리딘 디설파이드 착화합물(IIId)을 제조하는 과정이다. 특히, 첫번째 과정에서는 반응 조건이 물과 공기에 민감하므로 주의를 요하며, 디브로모 알칸 화합물을 넣을 때는 저온(- 70 ℃이하)에서 서서히 적가하여야 반응의 수율을 높일 수 있다. The preparation process of ruthenium terpyridine disulfide complex (IIId) shown in
반응식 4는 화학식 3에 예시되어 있는 싸일롤 디설파이드 화합물(IVe)의 제조 과정을 예시한 것이다.
반응식 4에서, m은 1 ∼ 20의 정수이고, n은 1 ∼ 19의 정수이다. 그리고, R은 메틸, 에틸 또는 페닐기이다. In
반응식 4에 나타낸 싸일롤 디설파이드 화합물(IVe)의 제조 과정은 크게 3 과정으로 구성된다. 첫번째 과정은 디페닐아세틸렌(IVa)을 리튬 메탈과 반응시켜 이합체화 반응 (dimerization)의 반응 중간체(IVb)를 형성한 후 상기 반응 중간체(IVb)를 알킬트리클로로실란 (RSiCl3)과 반응시켜 싸일롤 화합물(IVc)을 제조하는 과정이다. 두번째 과정은 싸일롤 화합물(IVc)을 부틸리튬과 반응시켜 리티에이션 (lithiation) 시킨 후 디브로모알칸과 반응시켜 브로모알킬싸일롤((IVd)을 합성하는 과정이다. 최종 산물인 싸일롤 디설파이드 화합물(IVe)을 얻기 위한 세번째 과정은 반응식 3에서의 두번째 과정과 유사하다. 반응식 4에서는 첫번째 과정과 두번째 과정에서 전체 수율을 결정하며 수분과 공기에 상당히 민감하므로 주의를 요한다. 특히, 리튬메탈은 공기중의 수분과도 쉽게 반응하므로 글러브박스 (glove box)에서 취급하여야 한다. The manufacturing process of the cyclool disulfide compound (IVe) shown in
반응식 5는 화학식 4에 예시되어 있는 페로센 디설파이드 화합물(Vc)의 제조 과정을 예시한 것이다.
반응식 5에서, m은 1 ∼ 20의 정수이고, n은 1 ∼ 19의 정수이다. In
반응식 5에 나타낸 페로센 디설파이드 화합물(Vc)의 제조 과정은 크게 2 과정으로 구성된다. 첫번째 과정은 페로센(V)을 삼차(tertiary) 부틸리튬을 이용하여 모노리티에이션 (mono-lithiation)시킨 후, 디브로모 알칸과 반응시켜 브로모알킬 페로센(Vb)을 합성하는 과정이다. 최종 산물인 페로센 디설파이드 화합물(Vc)을 얻기 위한 두번째 과정은 반응식 3에서의 두번째 과정과 유사하다. 반응식 5에서 주의하여야 할 부분은 첫번째 과정이다. 이 과정에서는 활성화된 싸이클로 펜타디엔 2 개중 오직 1 개에서만 리티에이션시켜야 한다. 이를 위하여 반응 온도 및 반응 용매를 잘 선택하여야 한다. 이에 관한 구체적인 실험예는 후술한다. The process for producing the ferrocene disulfide compound (Vc) shown in
반응식 6은 화학식 5에 예시되어 있는 오르쏘 카보란 (o-carborane) 디설파이드 화합물(VIc)의 제조 과정을 예시한 것이다. Scheme 6 illustrates the manufacturing process of ortho carborane (o -carborane) disulfide compound (VIc) which are illustrated in formula (5).
반응식 6에서, m은 1 ∼ 20의 정수이고, n은 1 ∼ 19의 정수이다. In Scheme 6, m is an integer of 1-20, n is an integer of 1-19.
반응식 6에 나타낸 오르쏘 카보란 디설파이드 화합물(VIc)의 제조 과정은 크게 2 과정으로 구성된다. 첫번째 과정은 오르쏘 카보란(VIa)을 n-부틸리튬을 이용하여 모노리티에이션시킨 후 디브로모 알칸과 반응시켜 브로모알킬 카보란(VIb)을 합성하는 과정이다. 최종 산물인 오르쏘 카보란 디설파이드 화합물(VIc)을 얻기 위한 두번째 과정은 반응식 3에서의 두번째 과정과 유사하다. 반응식 6에서 주의하여야 할 부분은 첫번째 과정이다. 이 과정에서는 활성화된 오르쏘 카보란의 2 개의 C 위치중 오직 1 개의 C 위치에서만 리티에이션시켜야 한다. 이를 위하여 반응 온도 및 반응 용매를 잘 선택하여야 한다. 이에 관한 구체적인 실험예는 후술한다. The manufacturing process of ortho carborane disulfide compound (VIc) shown in Scheme 6 is largely composed of two processes. The first process is to synthesize bromoalkyl carborane (VIb) by orthocarborane (VIa) by monolithizing with n-butyllithium and then reacting with dibromo alkanes. The second step to obtain the final product, ortho carborane disulfide compound (VIc), is similar to the second step in
반응식 7은 화학식 6에 예시되어 있는 포피린 디설파이드 화합물(VIIf)의 제조 과정을 예시한 것이다. Scheme 7 illustrates the preparation of the porphyrin disulfide compound (VIIf) illustrated in Formula 6.
반응식 7에서, m은 1 ∼ 20의 정수이고, n은 1 ∼ 19의 정수이다. 그리고, R은 펜틸 (-C5H11) 또는 파라토일 (p-CH3C6H5-)이고, M은 Zn 또는 Mg이다. In Scheme 7, m is an integer of 1-20, n is an integer of 1-19. And R is pentyl (-C 5 H 11 ) or paratoyl ( p -CH 3 C 6 H 5- ) and M is Zn or Mg.
반응식 7에 나타낸 포피린 디설파이드 화합물(VIIf)의 제조 과정은 크게 3 과정으로 구성된다. 첫번째 과정은 브로모알킬 알데하이드(VIIa)로부터 소듐 싸이오설페이트 펜타하이드레이트와 알칸싸이올을 이용하여 디설파이드 알데하이드 화합물(VIIb)를 합성하는 과정이다. 두번째 과정은 합성된 디설파이드 알데하이드 화합물(VIIb)을 파이롤(VIIc) 및 R-알데하이드(VIId)와 축합 반응을 시키고 DDQ (2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquione)를 이용하여 산화시켜 중간 생성물(VIIe)을 얻는 과정이다. 세번째 과정은 상기 중간 생성물(VIIe)을 메탈 아세테이트 (메탈은 Zn 또는 Mg)와 반응시켜 포피린 디설파이드 화합물(VIIf)을 합성하는 과정이다. The preparation process of the porphyrin disulfide compound (VIIf) shown in Scheme 7 consists of three steps. The first step is the synthesis of disulfide aldehyde compounds (VIIb) using sodium thiosulfate pentahydrate and alkanthiol from bromoalkyl aldehydes (VIIa). The second step is to condense the synthesized disulfide aldehyde compound (VIIb) with pyrrole (VIIc) and R-aldehyde (VIId) and DDQ (2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquione) Oxidation to obtain the intermediate product (VIIe). The third step is to synthesize the porphyrin disulfide compound (VIIf) by reacting the intermediate product (VIIe) with metal acetate (metal is Zn or Mg).
또한, 본 발명에서는 상기한 본 발명에 따른 화합물들을 하부 전극 위에 자기조립 방법에 의해 고정화시켜 단일 분자층으로 이루어지는 분자 활성층을 형성하고, 그 위에 상부 전극을 증착하여 얻어진 분자 전자소자를 제공한다. 본 발명에 따른 분자 전자소자에서 상기 분자 활성층은 한 쌍의 전극 사이에 인가되는 전압에 따라 전하를 트랩시키는 버퍼(buffer) 역할을 한다. In addition, the present invention provides a molecular electronic device obtained by immobilizing the above compounds according to the present invention by a self-assembly method on the lower electrode to form a molecular active layer consisting of a single molecular layer, and depositing the upper electrode thereon. In the molecular electronic device according to the present invention, the molecular active layer serves as a buffer for trapping charges according to a voltage applied between a pair of electrodes.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 분자 전자소자(100)의 개략적인 레이아웃(layout)이다. 도 2에는 하부 전극(110) 및 상부 전극(130)이 3×3 어레이로 배열된 분자 전자소자(100)의 예를 도시하였다. 도 3은 도 2의 III - III'선 단면도이다. 2 is a schematic layout of an exemplary molecular
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 분자 전자소자(100)는 기판(102)상에 하부 전극(110) 및 상부 전극(130)이 각각 소정 위치에서 교차되도록 상호 직교하는 방향으로 연장되어 있다. 상기 하부 전극(110) 및 상부 전극(130)은 각각 금, 백금, 은 또는 크롬으로 이루어질 수 있다. 2 and 3, the molecular
상기 하부 전극(110)과 상부 전극(130)과의 사이에는 분자 활성층(120)이 개재되어 있다. 상기 분자 활성층(120)은 화학식 1로 표시되는 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물이 상기 하부 전극(110) 표면에 자기조립됨으로써 형성되는 층이 다. 본 발명에 따른 화합물에서는 디설파이드기 (-S-S-)가 상기 하부 전극(110)상에 자기조립될 수 있는 기능기 역할을 한다. 즉, 본 발명에 따른 화합물은 디설파이드기를 정착기로 하여 상기 하부 전극(110)상에 자기조립 방식에 의해 선택적으로 결합되어 상기 하부 전극(110) 위에 단일 분자층을 형성하게 된다. The molecular
도 4는 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물이 하부 전극(110)에 자기조립되기 전 및 후의 구조를 보여주는 모식도이다. 4 is a schematic diagram showing the structure before and after the self-assembled compound for a molecular electronic device according to the present invention on the lower electrode (110).
도 4에는, 반응식 3에서의 루쎄니움 터피리딘 디설파이드 화합물(IIId)의 제조 과정과 유사한 반응 과정을 통해 얻어질 수 있는 루쎄니움 터피리딘 디설파이드 화합물이 하부 전극(110)(도 3 참조) 위에 자기조립되어 형성된 분자 활성층(120) 구조가 나타나 있다. In FIG. 4, a ruthenium terpyridine disulfide compound, which can be obtained through a reaction similar to the preparation process of ruthenium terpyridine disulfide compound (IIId) in
도 4에 나타낸 루쎄니움 터피리딘 디설파이드 화합물은 -(CH2)m- 에서 m = 8이고 -(CH2)n-CH3 대신 t-부틸헵틸기가 결합되어 있는 것을 제외하고, 반응식 3에서 얻어진 루쎄니움 터피리딘 디설파이드 화합물(IIId)의 구조와 유사한 구조를 가진다. The ruthenium terpyridine disulfide compound shown in FIG. 4 has m = 8 in-(CH 2 ) m- and a t-butylheptyl group instead of-(CH 2 ) n-CH 3 is bonded, which is obtained in
상기 분자 활성층(120)을 구성하는 분자층은 그 분자층을 구성하는 화합물 내에의 탄화수소 화합물의 체인 길이, 즉 화학식 1에서의 R1 및 R2의 길이를 결정함으로써, 또는 반응식 3 내지 반응식 7에 예시된 구조의 화합물 IIId, IVe, Vc, VIc, 및 VIIf 에서는 m 및 n 값을 적정한 수준으로 결정함으로써 그 두께를 조절하는 것이 가능하다. The molecular layer constituting the molecular
도 2 및 도 3에 예시된 본 발명에 따른 분자 전자소자를 제작하기 위하여, 먼저 기판(102)상에 복수의 라인 패턴으로 구성되는 하부 전극(110)을 형성할 수 있다. 상기 하부 전극(110)은 예를 들면 나노임프린트 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 화합물로 이루어지는 분자층을 하부 전극(110) 표면에 형성하기 위하여 자기조립 방법에 의한 고정화 기술을 이용할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 화합물이 용해된 용매 내에 상기 하부 전극(110)이 형성된 기판(102)을 딥핑(dipping)하는 방법을 이용할 수 있다. 여기서, 상기 화합물을 용해시키는 데 사용하기 적합한 대표적 용매로서 무수 및 무산소 DMF (N,N-dimethylformamide)를 사용할 수 있다. 예시적인 방법에 있어서, 본 발명에 따른 화합물이 DMF 용매 내에 1 mmol 농도로 용해된 용액 내에 하부 전극(110)이 형성된 기판(102)을 약 24시간 동안 딥핑하여 자기조립 방식에 의해 하부 전극(110) 표면에 단일 분자층으로 이루어지는 분자 활성층(120)을 형성할 수 있다. 그 후, 하부 전극(110) 표면에 상기 분자 활성층(120)이 형성된 결과물을 세정하여 진공에서 건조시키고, 그 위에 상부 전극(130)을 증착할 수 있다. In order to manufacture the molecular electronic device according to the present invention illustrated in FIGS. 2 and 3, first, a
상기 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 분자 전자소자는 온(ON) 상태 및 오프(OFF) 상태 사이에서 상호 스위칭 가능한 스위치 소자를 구성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 분자 전자소자는 상기 하부 전극(10)과 상부 전극(30)과의 사이에 인가되는 전압에 따라 소정의 전기 신호를 저장하는 메모리 소자를 구성할 수도 있다. As described above, the molecular electronic device according to the present invention may constitute a switch device that is switchable between an ON state and an OFF state. In addition, the molecular electronic device according to the present invention may constitute a memory device for storing a predetermined electrical signal according to a voltage applied between the
도 2 및 도 3에 도시된 구조 및 그와 관련된 설명은 단지 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제공된 예시적인 구성에 불과한 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 사상 및 범위 내에서 본 발명에 따른 분자 전자소자의 구조 및 그 제조 방법에 있어서 다양한 변형 및 변경이 가능하다. The structures shown in FIGS. 2 and 3 and the related descriptions thereof are merely exemplary configurations provided to aid the understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto. Various modifications and variations are possible in the structure of the molecular electronic device and its manufacturing method within the spirit and scope of the present invention.
이하, 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물들의 구체적인 합성예들에 대하여 상세히 설명한다. 다음의 합성예들은 본 발명에 따른 화합물들 및 그들의 합성 과정의 이해를 돕기 위하여 예시된 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 다음의 합성예들에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, specific synthesis examples of the compounds for molecular electronic devices according to the present invention will be described in detail. The following synthesis examples are merely illustrated to aid understanding of the compounds according to the present invention and their synthesis process, and the scope of the present invention is not limited to the following synthesis examples.
예 1Example 1
루쎄니움-터피리딘 디설파이드 착화합물의 합성Synthesis of Lucerium-terpyridine disulfide complex
반응식 3의 화합물(IIId)의 합성 (m = 7, n = 11)Synthesis of Compound (IIId) of Scheme 3 (m = 7, n = 11)
출발 물질인 4'-메틸-2,2';6,2''-터피리딘을 제조하기 위하여 반응식 8에 나타낸 바와 같은 반응 과정을 거쳤다. In order to prepare starting material 4'-methyl-2,2 '; 6,2' '-terpyridine, a reaction procedure as shown in Scheme 8 was performed.
반응식 8의 반응을 위하여, 비스트리페닐포스피노니켈 디클로라이드 0.74 g (1.13 mmol)을 250 mL 2구 플라스크에 넣고 무수 THF (tetrahydrofuran) 20 mL를 주사기로 이용하여 넣어 주었다. 여기에 메틸마그네슘브로마이드 5.8 mL (17.3 mmol, 3.0 M solution in ether)를 주사기를 이용하여 한 방울씩 적가하였다. 상온에서 15 분 동안 교반하고 무수 THF 40 mL에 녹아있는 4'-티오메틸-2,2';6,2''-터피리딘 (VIIIa) 2.0 g (7.14 mmol)을 캐뉼러를 이용하여 넣어 주었다. 40 ℃에서 48 시간 동안 가열 교반시킨 후 이 용액을 암모늄클로라이드 포화용액 (conc-NH4Cl)에 붓고 클로로포름 (CHCl3) 200 mL를 이용하여 추출하였다. 이 용액을 건조제인 Na2SO4로 건조 시킨 후 감압증류시킨 후 칼럼 크로마토그래피 (전개제: THF/노말헥산 = 1/10)를 이용하여 정제하여 60 % 수율로 4'-메틸-2,2';6,2''-터피리딘(VIIIb)을 얻었다. 4'-메틸-2,2';6,2''-터피리딘(VIIIb)의 1H-핵자기 공명 스펙트럼 분석 결과는 다음과 같았다. For the reaction of Scheme 8, 0.74 g (1.13 mmol) of bistriphenylphosphinonickel dichloride was added to a 250 mL two-necked flask and 20 mL of anhydrous THF (tetrahydrofuran) was used as a syringe. To this was added 5.8 mL (17.3 mmol, 3.0 M solution in ether) of methylmagnesium bromide dropwise using a syringe. After stirring for 15 minutes at room temperature, 2.0 g (7.14 mmol) of 4'-thiomethyl-2,2 ';6,2''-terpyridine (VIIIa) dissolved in 40 mL of anhydrous THF was added using a cannula. . After heating and stirring at 40 ° C. for 48 hours, the solution was poured into saturated ammonium chloride solution (conc-NH 4 Cl) and extracted with 200 mL of chloroform (CHCl 3 ). The solution was dried over Na 2 SO 4 , a drying agent, and distilled under reduced pressure. Then, the mixture was purified by column chromatography (developing agent: THF / normal hexane = 1/10) to give 4'-methyl-2,2 in 60% yield. ';6,2''-terpyridine (VIIIb) was obtained. The 1 H-nuclear magnetic resonance spectrum analysis of 4'-methyl-2,2 ';6,2''-terpyridine (VIIIb) was as follows.
1H NMR(400MHz, CDCl3, δ, ppm) ; 8.68 (m, 2H), 8.60 (d, 2H, J = 7.9 Hz), 8.27 (s, 2H), 7.82 (dd, 2H, J = 7.8, 1.7 Hz), 7.30-7.24 (m, 2H), 2.50 (s, 3H). MS: m/z (M+) = 279. 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 , δ, ppm); 8.68 (m, 2H), 8.60 (d, 2H, J = 7.9 Hz), 8.27 (s, 2H), 7.82 (dd, 2H, J = 7.8, 1.7 Hz), 7.30-7.24 (m, 2H), 2.50 (s, 3 H). MS: m / z (M + ) = 279.
반응식 8에서 얻어진 4'-메틸-2,2';6,2''-터피리딘(VIIIb)으로부터 4'-(7-브로모헵틸)-2,2';6',2''-터피리딘(반응식 3의 화합물 IIIb)을 합성하기 위하여 다음과 같은 과정을 거쳤다. 먼저, 100 mL 슈렝크 플라스크 (Schlenk flask)에 테트라메틸피페리딘 0.5 mL (3 mmol), 무수 THF 20 mL를 넣고 잘 교반하였다. 액체질소와 에틸아세테이트를 이용하여 -78 ℃로 냉각시킨 후 노르말 부틸리튬 1.88 mL (3 mmol, 1.6 M 헥산용액)를 주사기를 이용하여 서서히 적가하였다. 여기에 반응식 8 에서와 같이 합성한 4'-메틸-2,2';6,2''-터피리딘(VIIIb) 0.5 g (2 mmol)을 THF 15 mL로 녹인 용액을 주사기를 이용하여 -78 ℃에서 넣었다. 이 온도에서 30 분 동안 교반시킨 후 이 용액을 THF 50 mL에 희석되어 있는 1,6-디브로모헥산 1 mL (4 mmol) 용액에 캐뉼러 (cannula)를 이용하여 -78 ℃에서 서서히 적가하였다. 이 온도에서 12 시간 동안 교반시킨 후 감압증류하여 포화용액으로 만들었다. 그 후, 칼럼 크로마토그래피 (전개제: THF/노말헥산 = 1/3)를 이용하여 정제하여 76 % 수율로 화합물 4'-(7-브로모헵틸)-2,2';6',2''-터피리딘 (반응식 3의 화합물 IIIb)을 얻었다. 4'-(7-브로모헵틸)-2,2';6',2''-터피리딘(IIIb)의 1H-핵자기 공명 스펙트럼 분석 결과는 다음과 같았다. 4 '-(7-bromoheptyl) -2,2'; 6 ', 2''-ter from 4'-methyl-2,2'; 6,2 ''-terpyridine (VIIIb) obtained in Scheme 8 To synthesize pyridine (Compound IIIb of Scheme 3), the following procedure was followed. First, 0.5 mL (3 mmol) of tetramethylpiperidine and 20 mL of anhydrous THF were added to a 100 mL Schlenk flask and stirred well. After cooling to −78 ° C. using liquid nitrogen and ethyl acetate, 1.88 mL (3 mmol, 1.6 M hexane solution) of normal butyllithium was slowly added dropwise using a syringe. Here, a solution of 0.5 g (2 mmol) of 4'-methyl-2,2 ';6,2''-terpyridine (VIIIb) synthesized as in Scheme 8 with 15 mL of THF was added using a syringe. It was put at ℃. After stirring for 30 minutes at this temperature, the solution was slowly added dropwise at -78 ° C using cannula to a solution of 1 mL (4 mmol) of 1,6-dibromohexane diluted in 50 mL of THF. . After stirring at this temperature for 12 hours, the mixture was distilled under reduced pressure to obtain a saturated solution. Then purified using column chromatography (developing agent: THF / normal hexane = 1/3) to yield compound 4 '-(7-bromoheptyl) -2,2'; 6 ', 2' in 76% yield. '-Terpyridine (compound IIIb of Scheme 3) was obtained. The 1 H-nuclear magnetic resonance spectrum analysis of 4 '-(7-bromoheptyl) -2,2'; 6 ', 2''-terpyridine (IIIb) was as follows.
1H NMR(400MHz, CDCl3, δ, ppm): 8.69-8.67 (m, 2H), 8.61-8.58 (m, 2H), 8.27 (s, 2H), 7.82 (dd, 2H, J = 11, 5.8 Hz), 7.32-7.29 (m, 2H), 3.37 (t, 2H, J = 6.8 Hz), 2.77 (t, 2H, J = 7.6 Hz), 1.84-1.71 (m, 4H), 1.42-1.33 (m, 6H). MS: m/z (M+) = 411. 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 , δ, ppm): 8.69-8.67 (m, 2H), 8.61-8.58 (m, 2H), 8.27 (s, 2H), 7.82 (dd, 2H, J = 11, 5.8 Hz), 7.32-7.29 (m, 2H), 3.37 (t, 2H, J = 6.8 Hz), 2.77 (t, 2H, J = 7.6 Hz), 1.84-1.71 (m, 4H), 1.42-1.33 (m , 6H). MS: m / z (M + ) = 411.
4'-(7-브로모헵틸)-2,2';6',2''-터피리딘(IIIb) 1g (2.44 mmol)을 디메틸포름아미드 50 mL에 녹인 용액에 소듐 싸이오설페이트 펜타하이드레이트 0.9 g (3.66 mmol, 1.5 당량)를 증류수 10 mL에 녹여 넣은 후, 60 ℃에서 6 시간 동안 반응 시키고 상온에서 냉각시켰다. 그리고, 도데칸싸이올 0.54 g (2.68 mmol, 1.1 당량), 메탄올, 및 소듐 하이드록사이드 0.12 g (2.93 mmol)을 증류수 2 mL에 녹여 넣고 1 시간 교반시킨 용액을 준비하였다. 이 용액에 상기 상온으로 냉각시킨 용액을 주사기를 이용하여 서서히 적가한 후, 상온에서 3 시간 교반시켰다. 에틸아세테이트 200 mL를 부어주고, 분별깔대기를 이용하여 증류수 200 mL로 3 회 씻어주었다. 그리고, 유기층을 모은 후 감압증류하여 포화 용액으로 만든 후 칼럼 크로마토그래프 (전개제(eluent): 에틸아세테이트:헥산 = 3:1)를 이용하여 분리하여 엷은 노란색의 터피리딘 디설파이드 화합물(IIIc)을 얻을 수 있었다. Sodium thiosulfate pentahydrate 0.9 in a solution of 1 g (2.44 mmol) of 4 '-(7-bromoheptyl) -2,2'; 6 ', 2' '-terpyridine (IIIb) dissolved in 50 mL of dimethylformamide. g (3.66 mmol, 1.5 equiv) was dissolved in 10 mL of distilled water, and then reacted at 60 ° C. for 6 hours and cooled at room temperature. Then, 0.54 g (2.68 mmol, 1.1 equiv) of dodecanethiol, methanol, and 0.12 g (2.93 mmol) of sodium hydroxide were dissolved in 2 mL of distilled water, and a solution was stirred for 1 hour. The solution cooled to room temperature was slowly added dropwise to the solution using a syringe, followed by stirring at room temperature for 3 hours. 200 mL of ethyl acetate was poured out and washed three times with 200 mL of distilled water using a separatory funnel. The combined organic layers were distilled under reduced pressure to form a saturated solution, which was then separated using column chromatography (eluent: ethyl acetate: hexane = 3: 1) to obtain pale yellow terpyridine disulfide compound (IIIc). Could.
합성된 터피리딘 디설파이드 화합물(IIIc) 0.25 g (0.45 mmol)과 터피리딘루쎄니움트리클로라이드 0.2 g, (0.45 mmol)에 에탄올/증류수 (3/1) 40 mL를 넣고 5 시간 동안 가열 교반시켰다. 상온으로 식힌 후 암모늄헥사플루오로포스페이트 2.93 g (18 mmol)을 증류수 2 mL에 녹인 용액을 넣었다. 10 분 동안 상온에서 교반시킨 후 소결깔대기를 이용하여 분리하였다. 증류수, 에탄올 순으로 여러 번 씻어내고 에테르로 여러 번 씻어낸 후 녹지 않은 고체를 드라이시켜 루쎄니움 터피리딘 디설파이드 착화합물(IIId)을 얻었다. (수율: 64%)To 0.25 g (0.45 mmol) of the synthesized terpyridine disulfide compound (IIIc), 0.2 g of terpyridine ruthenium trichloride, and (0.45 mmol) were added 40 mL of ethanol / distilled water (3/1), followed by heating and stirring for 5 hours. After cooling to room temperature, a solution of 2.93 g (18 mmol) of ammonium hexafluorophosphate was dissolved in 2 mL of distilled water. After stirring for 10 minutes at room temperature, the mixture was separated using a sintering funnel. After washing several times with distilled water and ethanol and then several times with ether, the insoluble solid was dried to obtain ruthenium terpyridine disulfide complex (IIId). (Yield 64%)
1H-핵자기 공명 스펙트럼 및 질량 분석 스펙트럼에 의하여 얻어진 생성물이 루쎄니움 터피리딘 디설파이드 착화합물(IIId)임을 확인하였다. It was confirmed that the product obtained by the 1 H-nuclear magnetic resonance spectrum and the mass spectrometry spectrum was ruthenium terpyridine disulfide complex (IIId).
1H NMR(400MHz, CDCl3, δ, ppm): 8.70-8.66 (m, 2H), 8.62-8.58 (m, 2H), 8.26 (s, 2H), 7.83-7.81 (m, 2H), 7.31-7.27 (m, 2H), 2.75 (t, 2H), 2.70 (t, 4H), 1.68-1.66 (m, 4H), 1.54-1.48 (m, 2H), 1.18-1.44 (m, 24H), 0.87 (t, 3H). 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 , δ, ppm): 8.70-8.66 (m, 2H), 8.62-8.58 (m, 2H), 8.26 (s, 2H), 7.83-7.81 (m, 2H), 7.31- 7.27 (m, 2H), 2.75 (t, 2H), 2.70 (t, 4H), 1.68-1.66 (m, 4H), 1.54-1.48 (m, 2H), 1.18-1.44 (m, 24H), 0.87 ( t, 3H).
MS: m/z (M+) = 599. MS: m / z (M + ) = 599.
예 2Example 2
싸일롤-디설파이드 화합물의 합성Synthesis of Cyrrole-Disulfide Compounds
반응식 4의 화합물(IVe)의 합성 (m = 6, n = 11, R = -CHSynthesis of Compound (IVe) of Scheme 4 (m = 6, n = 11, R = -CH 33 ))
출발 물질인 싸일롤 화합물(IVc)은 공지된 방법 (Chem. Mater. 2003, 15, 1535)에 따라 합성하였다. 합성된 1-메틸-1-클로로-2,3,4,5-테트라메틸 싸일롤(IVc) 1 g (2.30 mmol)을 테트라하이드로퓨란 25 mL에 녹였다. 이 용액을 -75 ℃로 냉각시킨 후, 여기에 n-부틸리튬 1.72 mL (2.78 mmol, 1.6M solution in hexane)를 넣고 상온에서 4 시간 동안 교반시켰다. 여기에 1,6-디브로헥산 0.56 g (2.30 mmol)을 가한 후 상온에서 12 시간 교반시키고 테트라하이드로퓨란 200 mL를 가하였다. 이 용액을 분별깔때기를 이용하여 증류수(200 mL)로 3 회 씻어주었다. 그 후, 감압증류하여 포화 용액으로 만든 후 칼럼크로마토그래프 (테트라하이드로퓨란:헥산 = 3:1)를 이용하여 분리하였다. The starting material, cyclol compound (IVc), was synthesized according to the known method ( Chem. Mater. 2003, 15 , 1535). 1 g (2.30 mmol) of the synthesized 1-methyl-1-chloro-2,3,4,5-tetramethyl xylol (IVc) was dissolved in 25 mL of tetrahydrofuran. After the solution was cooled to -75 ° C, 1.72 mL (2.78 mmol, 1.6 M solution in hexane) of n-butyllithium was added thereto, followed by stirring at room temperature for 4 hours. 0.56 g (2.30 mmol) of 1,6-dibrohexane was added thereto, stirred at room temperature for 12 hours, and 200 mL of tetrahydrofuran was added thereto. This solution was washed three times with distilled water (200 mL) using a separatory funnel. Thereafter, the resulting mixture was distilled under reduced pressure to give a saturated solution, which was then separated by column chromatography (tetrahydrofuran: hexane = 3: 1).
예 1에서 화합물(IIIc)을 얻는 데 이용된 방법과 유사한 방법으로, 1-메틸-1-브로모헥실-싸일롤 화합물(IVd)로부터 소듐 싸이오설페이트 펜타하이드레이트 및 도데칸싸이올과의 반응을 통해 싸일롤 디설파이드 화합물(IVe)을 제조하였다. (수율: 71%)In a similar manner to the method used to obtain compound (IIIc) in Example 1, the reaction of 1-methyl-1-bromohexyl-cyrrole compound (IVd) with sodium thiosulfate pentahydrate and dodecanethiol To prepare a xyrol disulfide compound (IVe). (Yield 71%)
1H-핵자기 공명 스펙트럼 및 질량 분석 스펙트럼에 의하여 얻어진 생성물이 싸일롤 디설파이드 화합물(IVe)임을 확인하였다. It was confirmed that the product obtained by the 1 H-nuclear magnetic resonance spectrum and the mass spectrometry spectrum was a cyclol disulfide compound (IVe).
1H NMR(400MHz, CDCl3, δ, ppm): 7.38-6.72 (m, 20H), 2.70 (t, 4H), 1.70-1.66 (m, 4H), 1.30-1.64 (m, 26H), 0.89 (t, 3H), 0.46 (s, 3H, Si-CH 3 ). 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 , δ, ppm): 7.38-6.72 (m, 20H), 2.70 (t, 4H), 1.70-1.66 (m, 4H), 1.30-1.64 (m, 26H), 0.89 ( t, 3H), 0.46 (s, 3H, Si- CH 3 ).
MS: m/z (M+) = 716.MS: m / z (M + ) = 716.
예 3Example 3
페로센-디설파이드 화합물의 합성Synthesis of Ferrocene-disulfide Compound
반응식 5의 화합물(Vc)의 합성 (m = 6, n = 11)Synthesis of Compound (Vc) of Scheme 5 (m = 6, n = 11)
페로센 (반응식 5의 화합물 (V))의 모노리티에이션을 위하여 이미 보고된 방법 (J. Orgmet. Chem. 2002, 656, 71)을 이용하였다. 페로센 1 g (5.38 mmol)을 테트라하이드로퓨란 20 mL에 녹인 후 0 ℃에서 삼차-부틸리튬 4.3 mL (6.45 mmol, 1.5 M solution in C5H12)을 넣고 상온에서 6 시간 교반시켰다. 여기에 1,6-디브로모헥산 1.31 g (5.38 mmol)을 넣고 상온에서 12 시간 교반 시킨 후 테트라하이드로퓨란 200 mL를 가하였다. 이 용액을 분별깔때기를 이용하여 증류수(200 mL)로 3 회 씻어주었다. 그 후, 감압증류하여 포화 용액으로 만든 후 칼럼크로마토그래프 (에틸아세테이트:헥산 = 10:1)를 이용하여 분리하였다. The previously reported method ( J. Orgmet. Chem . 2002, 656 , 71) was used for the monothiation of ferrocene (compound (V) in Scheme 5). 1 g (5.38 mmol) of ferrocene was dissolved in 20 mL of tetrahydrofuran, and 4.3 mL (6.45 mmol, 1.5 M solution in C 5 H 12 ) of tert-butyllithium was added at 0 ° C., and the mixture was stirred at room temperature for 6 hours. 1.31 g (5.38 mmol) of 1,6-dibromohexane was added thereto, stirred at room temperature for 12 hours, and then 200 mL of tetrahydrofuran was added thereto. This solution was washed three times with distilled water (200 mL) using a separatory funnel. Thereafter, the resulting mixture was distilled under reduced pressure to give a saturated solution, which was then separated using column chromatography (ethyl acetate: hexane = 10: 1).
예 1에서 화합물(IIIc)을 얻는 데 이용된 방법과 유사한 방법으로, 브로모헥실페로센 화합물(Vb)로부터 소듐 싸이오설페이트 펜타하이드레이트 및 도데칸싸이올과의 반응을 통해 페로센 디설파이드 화합물(Vc)을 제조하였다. (수율: 58%)In a similar manner to the method used to obtain compound (IIIc) in Example 1, the ferrocene disulfide compound (Vc) was reacted from bromohexyl ferrocene compound (Vb) through reaction with sodium thiosulfate pentahydrate and dodecanethiol. Prepared. (Yield 58%)
1H-핵자기 공명 스펙트럼 및 질량 분석 스펙트럼에 의하여 얻어진 생성물이 페로센 디설파이드 화합물(Vc)임을 확인하였다. It was confirmed that the product obtained by the 1 H-nuclear magnetic resonance spectrum and the mass spectrometry spectrum was a ferrocene disulfide compound (Vc).
1H NMR(400MHz, CDCl3, δ, ppm): 4.08-4.23 (m, 9H, Cp ring), 2.72 (t, 4H), 2.31 (t, 2H), 1.71-1.66 (m, 4H), 1.30-1.64 (m, 24H), 0.87 (t, 3H). 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 , δ, ppm): 4.08-4.23 (m, 9H, Cp ring ), 2.72 (t, 4H), 2.31 (t, 2H), 1.71-1.66 (m, 4H), 1.30 -1.64 (m, 24H), 0.87 (t, 3H).
MS: m/z (M+) = 502. MS: m / z (M + ) = 502.
예 4Example 4
카보란 디설파이드 화합물의 합성Synthesis of Carborane Disulfide Compounds
반응식 6의 화합물(VIc)의 합성 (m = 6, n = 11)Synthesis of Compound VIVI of Scheme 6 (m = 6, n = 11)
오르쏘 카보란의 모노리티에이션을 위하여 다음의 방법으로 제조하였다. 오르쏘 카보란 1 g (6.93 mmol)을 디에틸에테르 20 mL에 녹인 후 0 ℃에서 n-부틸리튬 5.2 mL (8.32 mmol, 1.6 M solution in hexane)을 넣고 상온에서 6 시간 교반시켰다. 여기에 1,6-디브로모헥산 1.69 g (6.93 mmol)을 넣고 상온에서 12 시간 교반 시킨 후 디에틸에테르 200 mL를 가하였다. 이 용액을 분별깔때기를 이용하여 증류수(200 mL)로 3 회 씻어주었다. 그 후, 감압증류하여 포화 용액으로 만든 후 칼럼크로마토그래프 (에틸아세테이트:헥산 = 5:1)를 이용하여 분리하였다. For the monothiation of ortho carborane was prepared by the following method. 1 g (6.93 mmol) of ortho carborane was dissolved in 20 mL of diethyl ether, and 5.2 mL (8.32 mmol, 1.6 M solution in hexane) of n-butyllithium was added at 0 ° C., and the mixture was stirred at room temperature for 6 hours. 1.69 g (6.93 mmol) of 1,6-dibromohexane was added thereto, stirred at room temperature for 12 hours, and 200 mL of diethyl ether was added thereto. This solution was washed three times with distilled water (200 mL) using a separatory funnel. Thereafter, the resulting mixture was distilled under reduced pressure to give a saturated solution, which was then separated using column chromatography (ethyl acetate: hexane = 5: 1).
예 1에서 화합물(IIIc)을 얻는 데 이용된 방법과 유사한 방법으로, 브로모헥실 카보란 화합물(VIb)로부터 소듐 싸이오설페이트 펜타하이드레이트 및 도데칸싸이올과의 반응을 통해 오르쏘 카보란 디설파이드 화합물(VIc)을 제조하였다. (수율: 62%)In a manner similar to the method used to obtain compound (IIIc) in Example 1, an ortho carborane disulfide compound through reaction of bromohexyl carborane compound (VIb) with sodium thiosulfate pentahydrate and dodecanethiol (VIc) was prepared. (Yield 62%)
1H-핵자기 공명 스펙트럼 및 질량 분석 스펙트럼에 의하여 얻어진 생성물이 오르쏘 카보란 디설파이드 화합물(VIc)임을 확인하였다. It was confirmed that the product obtained by the 1 H-nuclear magnetic resonance spectrum and the mass spectrometry spectrum was an ortho carborane disulfide compound (VIc).
1H NMR(400MHz, CDCl3, δ, ppm): 4.08 (s, 1H, o-carborane), 3.66-3.55 (m, 2H), 2.73 (t, 4H), 1.68-1.73 (m, 4H), 1.28-1.66 (m, 24H), 0.88 (t, 3H). 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 , δ, ppm): 4.08 (s, 1H, o-carborane ), 3.66-3.55 (m, 2H), 2.73 (t, 4H), 1.68-1.73 (m, 4H), 1.28-1.66 (m, 24H), 0.88 (t, 3H).
MS: m/z (M+) = 460.MS: m / z (M + ) = 460.
예 5Example 5
포피린 디설파이드 화합물의 합성Synthesis of Porphyrin Disulfide Compounds
반응식 7의 화합물(VIIf)의 합성 (m = 6, n = 11, R = 파라토일, M = Zn)Synthesis of compound (VIIf) of Scheme 7 (m = 6, n = 11, R = paratoyl, M = Zn)
1-브로모-6-알데하이드 헥산 1g (5.18 mmol)을 디메틸포름아미드 30 mL에 녹인 용액에 소듐 싸이오설페이트 펜타하이드레이트 1.93 g (7.77 mmol)을 증류수 5 mL에 녹여 넣고 60 ℃에서 6 시간 동안 반응 시킨 후 상온으로 냉각시켰다. 그리고, 도데칸싸이올 1.15 g (5.70 mmol), 메탄올, 및 소듐 하이드록사이드 0.25 g (6.22 mmol)을 증류수 2 mL에 녹여 넣고 1시간 교반시킨 용액을 준비하였다. 이 용액에 상기 상온으로 냉각시킨 용액을 주사기를 이용하여 서서히 적가한 후, 상온에서 3 시간 동안 교반시켰다. 에틸아세테이트 200 mL를 부어주고, 분별깔대기를 이용하여 증류수 (200 mL)로 3 회 씻어주었다. 그 후, 유기층을 모은 후 감압증류하여 포화 용액으로 만든 후 칼럼 크로마토그래프 (전개제: 에틸아세테이트:헥산 = 3:1)를 이용하여 분리하여 엷은 노란색의 디설파이드 알데하이드 화합물(VIIb)을 얻을 수 있었다. In a solution of 1 g (5.18 mmol) of 1-bromo-6-aldehyde hexane in 30 mL of dimethylformamide, 1.93 g (7.77 mmol) of sodium thiosulfate pentahydrate was dissolved in 5 mL of distilled water and reacted at 60 ° C. for 6 hours. After cooling to room temperature. Then, 1.15 g (5.70 mmol) of dodecanethiol, methanol, and 0.25 g (6.22 mmol) of sodium hydroxide were dissolved in 2 mL of distilled water, and a solution was stirred for 1 hour. The solution cooled to room temperature was slowly added dropwise to the solution using a syringe, followed by stirring at room temperature for 3 hours. 200 mL of ethyl acetate was poured out and washed three times with distilled water (200 mL) using a separatory funnel. Thereafter, the organic layers were collected, distilled under reduced pressure to obtain a saturated solution, and then separated using a column chromatograph (developing agent: ethyl acetate: hexane = 3: 1) to obtain a pale yellow disulfide aldehyde compound (VIIb).
디설파이드 알데하이드 화합물(VIIb)을 이용한 포피린 디설파이드 화합물(VIIf)의 합성은 이미 보고된 방법(J. Org. Chem. 2000, 65, 7345)을 이용하였다. (수율: 45 %) Synthesis of porphyrin disulfide compound (VIIf) using disulfide aldehyde compound (VIIb) used the previously reported method ( J. Org. Chem . 2000, 65 , 7345). (Yield 45%)
1H-핵자기 공명 스펙트럼 및 질량 분석 스펙트럼에 의하여 얻어진 생성물이 포피린 디설파이드 화합물(VIIf)임을 확인하였다. It was confirmed that the product obtained by the 1 H-nuclear magnetic resonance spectrum and the mass spectrometry spectrum was the porphyrin disulfide compound (VIIf).
1H NMR(400MHz, THF-d8, δ, ppm): 8.78 (m, 2H), 8.41 (m, 2H), 8.30 (2H), 8.07 (m, 6H), 7.55 (m, 6H), 4.95 (m, 2H), 2.73 (t, 4H), 1.68-1.73 (m, 4H), 1.28-1.66 (m, 24H), 0.88 (t, 3H). 1 H NMR (400 MHz, THF-d 8 , δ, ppm): 8.78 (m, 2H), 8.41 (m, 2H), 8.30 (2H), 8.07 (m, 6H), 7.55 (m, 6H), 4.95 (m, 2H), 2.73 (t, 4H), 1.68-1.73 (m, 4H), 1.28-1.66 (m, 24H), 0.88 (t, 3H).
MS: m/z (M+) = 960. MS: m / z (M + ) = 960.
예 6Example 6
분자 전자소자의 제조Manufacturing of Molecular Electronic Devices
예 1 내지 예 5에서 합성한 화합물들 (IIId, IVe, Vc, VIc, VIIe)을 분자 전자소자의 하부 전극 (Au 전극)에 고정화하여 분자 활성층을 형성하기 위하여 자기조립 방법을 이용하였다. 상기 하부 전극은 종래 알려진 화합물 반도체 공정을 이용하여 3개의 라인 패턴으로 형성하였다. 상기 하부 전극을 형성하기 위하여 나노 임프린트 공정을 이용하였다. 통상적으로 하부 전극의 선폭은 30 ∼ 100 nm가 적절하며, 본 예에서는 상기 하부 전극의 선폭은 50 nm, 두께는 30 nm로 되도록 형성하 였다. The self-assembly method was used to form the molecular active layer by immobilizing the compounds (IIId, IVe, Vc, VIc, VIIe) synthesized in Examples 1 to 5 on the lower electrode (Au electrode) of the molecular electronic device. The lower electrode was formed in three line patterns using a conventionally known compound semiconductor process. Nano imprint process was used to form the lower electrode. Usually, the line width of the lower electrode is appropriately 30 to 100 nm, and in this example, the line width of the lower electrode is formed to be 50 nm and the thickness is 30 nm.
예 1 내지 예 5에서 합성한 화합물들 (IIId, IVe, Vc, VIc, VIIe)은 클로로포름, 디클로로메탄, THF, DMF 등과 같은 유기 용매 등에 녹는다. 본 예에서는 상기 화합물들을 각각 DMF 용액에 1 mmol 농도로 용해시킨 10 mL 용액을 준비하였다. 이 때, 무산소 및 무수 분위기가 유지되는 글러브 박스 (glove box)에서 무산소, 무수 DMF 용매를 사용하였다. Compounds (IIId, IVe, Vc, VIc, VIIe) synthesized in Examples 1 to 5 are soluble in organic solvents such as chloroform, dichloromethane, THF, DMF and the like. In this example, a 10 mL solution was prepared in which the compounds were each dissolved in a concentration of 1 mmol in a DMF solution. At this time, an oxygen-free, anhydrous DMF solvent was used in a glove box in which an oxygen-free and anhydrous atmosphere was maintained.
상기와 같이 하부 전극이 형성된 결과물을 상기 준비된 용액에 24 시간 동안 딥핑하여 자기조립 방법에 의해 상기 하부 전극 표면에 상기 화합물들 (IIId, IVe, Vc, VIc, VIIe)로부터 각각 얻어지는 분자층을 고정화시켰다. As a result, the resultant in which the lower electrode was formed was dipped into the prepared solution for 24 hours to fix the molecular layers respectively obtained from the compounds (IIId, IVe, Vc, VIc, and VIIe) on the lower electrode surface by a self-assembly method. .
상기 하부 전극 표면에 분자층이 형성된 결과물을 DMF, THF, 에탄올, 증류수 순으로 세척하였다. 세척된 결과물을 저온 진공 오븐 (40 ℃, 10-3 Torr) 에 넣어 2 시간 이상 건조시켰다. The resulting molecular layer formed on the lower electrode surface was washed in the order of DMF, THF, ethanol, distilled water. The washed resultant was placed in a low temperature vacuum oven (40 ° C., 10 −3 Torr) and dried for at least 2 hours.
10-6 토르의 진공 및 -78 ℃의 저온으로 유지되는 증착 장비를 이용하여 상기 분자층 위에 상부 전극을 형성하였다. 상기 상부 전극은 Ti/Au 적층 구조로 형성하였다. The upper electrode was formed on the molecular layer using a vacuum equipment of 10 −6 Torr and a deposition equipment maintained at a low temperature of −78 ° C. The upper electrode was formed in a Ti / Au stacked structure.
예 7Example 7
분자 전자소자의 스위칭 특성 및 메모리 특성 평가Evaluation of Switching and Memory Characteristics of Molecular Electronic Devices
예 6에서 얻어진 분자 전자 소자의 스위칭 특성 및 메모리 특성을 평가하기 위하여 다음과 같은 실험을 행하였다. 먼저, 예 6에서 제조된 분자 전자소자에서 분자의 산화 등과 같은 열화를 배제하기 위하여 상온을 유지하는 진공 챔버 내에 보관하여 측정하였다. 전류(I)-전압(V) 특성 측정은 반도체 파라미터 특성 분석 장치 (Semiconductor parameter analyzer-HP 4156C)를 사용하였다. 본 발명에 따른 분자 전자소자의 스위칭 특성 및 메모리 특성 측정은 두 방향에 대한 측정 결과로 분석하였다. 즉, + 전압에서 - 전압, 그리고 - 전압에서 + 전압에 대하여 측정한 결과로부터 스위칭 특성 및 메모리 특성을 확인할 수 있었다. 또한, 전압 루프에서는 0 → + 전압 → - 전압 → + 전압으로 측정을 하여 스위칭 특성을 확인하였다. In order to evaluate the switching characteristics and the memory characteristics of the molecular electronic device obtained in Example 6, the following experiment was conducted. First, in order to exclude degradation such as oxidation of molecules in the molecular electronic device manufactured in Example 6, it was measured by storing in a vacuum chamber maintained at room temperature. The current (I) -voltage (V) characteristics were measured using a semiconductor parameter analyzer (HP 4156C). The switching and memory characteristics of the molecular electronic device according to the present invention were analyzed by the measurement results in two directions. That is, the switching characteristics and the memory characteristics were confirmed from the measurement results of the-voltage at the + voltage and the + voltage at the-voltage. In addition, in the voltage loop, the switching characteristics were confirmed by measuring from 0 → + voltage → − voltage → + voltage.
도 5는 예 1에서 합성한 화합물을 사용하여 형성된 분자 활성층을 포함하는 분자 전자 소자에 대한 스위칭 특성을 보여주는 히스테리시스 그래프이다. FIG. 5 is a hysteresis graph showing switching characteristics of a molecular electronic device including a molecular active layer formed using the compound synthesized in Example 1. FIG.
메모리 특성 구현을 위한 펄스 측정은 상기 측정 장치와 상호 연결이 가능한 펄스 발생 장치 (Pulse generator unit, HP 41501 expander) 및 측정/펄스 선택 단자 장치 (SMU-PGU selector, HP 16440A)를 이용하여 행하였다. Pulse measurement to implement memory characteristics was performed using a pulse generator unit (HP 41501 expander) and a measurement / pulse select terminal unit (SMU-PGU selector, HP 16440A) that can be interconnected with the measurement apparatus.
도 6은 예 1에서 합성한 화합물을 사용하여 형성된 분자 활성층을 포함하는 분자 전자소자에 대한 메모리 특성을 보여주는 측정 결과이다. 특히, 펄스 발생 장치는 분자 메모리 소자의 스위칭 특성을 고려하여 수 Hz에서 수 MHz까지의 측정 범위를 고려하여 장치를 설정하여야 한다. 또한, 전압 펄스의 상승/하강 시간은 100 ns 이하의 시간 범위에서 측정을 이루도록 한다.FIG. 6 is a measurement result illustrating memory characteristics of a molecular electronic device including a molecular active layer formed using the compound synthesized in Example 1. FIG. In particular, the pulse generating device should be set in consideration of the measurement range of several Hz to several MHz in consideration of the switching characteristics of the molecular memory device. In addition, the rise / fall time of the voltage pulse is to be measured in the time range of 100 ns or less.
이상과 같이 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물들의 합성예들 및 분자 전자소자의 제조예를 열거하였다. 그러나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 이로부터 다양한 변형이 가능하다는 것은 자명한 사실이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. As described above, synthesis examples of the compounds for molecular electronic devices and preparation examples of the molecular electronic devices according to the present invention are listed. However, this is only an example to help understand the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various modifications are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물들은 디설파이드기 (-S-S-)를 중심으로 하여 그 양 단에 산화-환원 활성인 물질 또는 전하를 수송할 수 있는 고리화합물로 이루어지는 전기활성 작용기를 포함하는 기와, 전기활성 작용기를 포함하지 않는 탄화수소 기가 각각 결합되어 있는 비대칭 구조를 가진다. Compounds for molecular electronic devices according to the present invention includes a group containing an electroactive functional group consisting of a oxidizing-reducing active substance or a cyclic compound capable of transporting charges at both ends of the disulfide group (-SS-), Hydrocarbon groups that do not contain electroactive functional groups each have an asymmetric structure to which they are bonded.
본 발명에서 제공되는 분자 전자소자용 화합물들로부터 자기조립 방법에 의해 금속 전극 위에 단분자막으로 이루어지는 분자 활성층을 형성할 수 있다. 상기 분자 활성층을 형성하는 데 있어서 본 발명에 따른 분자 전자소자용 화합물이 디설파이드기 (-S-S-)를 정착기로 하여 전극에 자기조립되므로, 디설파이드기를 중심으로 하여 그 양단에 결합되는 -R1-Cy 기 및 -R2 기가 각각 전극 표면에서 단분자막을 형성하는 데 기여하게 된다. 따라서, 전극 표면에 벌키한 전기활성 작용기를 포함하는 단분자막을 형성하는 데 있어서 우수한 커버리지를 가지는 치밀한 구조의 단분자막을 형성하는 것이 가능하며, 따라서 분자 전자소자에서 커버리지 불량으로 인해 야기될 수 있는 단락 현상을 방지할 수 있다. From the compounds for molecular electronic devices provided by the present invention, a self-assembly method may be used to form a molecular active layer consisting of a monomolecular film on a metal electrode. In forming the molecular active layer, since the compound for molecular electronic device according to the present invention is self-assembled to the electrode using the disulfide group (-SS-) as a fixing unit, -R 1 -Cy bonded to both ends of the disulfide group as a center. Groups and -R 2 groups each contribute to the formation of a monomolecular film on the electrode surface. Therefore, it is possible to form a monomolecular film having a dense structure having excellent coverage in forming a monomolecular film containing bulky electroactive functional groups on the electrode surface, thus short-circuit phenomenon which may be caused by poor coverage in molecular electronic devices. It can prevent.
또한, 본 발명에 따른 화합물들의 자기조립에 의해 얻어지는 분자 활성층은 수 나노 미터 수준의 초박막 형성이 가능하다. 그리고, 본 발명에 따른 화합물들은 합성 단계에서 그 화합물에 포함되는 탄화수소기의 길이를 조절함으로써 분자 활성 층의 두께를 조절할 수 있다. In addition, the molecular active layer obtained by self-assembly of the compounds according to the present invention can form ultra-thin film of several nanometers. In addition, the compounds according to the present invention may control the thickness of the molecular active layer by controlling the length of the hydrocarbon group included in the compound in the synthesis step.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다. In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. This is possible.
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