KR100851893B1 - 티오펜 및 그로부터 유도된 폴리머 - Google Patents
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Abstract
C2-C5 알킬렌 브릿지; 입체선택적으로 치환되고, 선형 또는 분지된 C2-C24 알킬, C3-C18 시클로알킬, C1-C18 알콕시 또는 폴리에틸렌옥사이드기 (알코올, 아미드, 에테르, 에스테르 또는 술포네이트기로 이루어진 군으로부터 선택된 최소한 하나의 치환기를 선택적으로 포함) 또는 상기 C2-C5 알킬렌 브릿지에서 치환된 최소한 하나의 키랄 중심을 갖는 선택적으로 치환된 아릴기를 포함하는 화학식을 갖는 티오펜 화합물; 그로부터 유도된 폴리머; 화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜을, 선택적으로 화학적 또는 전기화학적으로 중합하는 방법; 및 그로부터 유도된 폴리머를 포함하는 분산물, 페이스트 및 층이 개시된다.
티오펜 화합물
Description
본 발명은 새로운 티오펜 화합물 및 그로부터 유도된 폴리티오펜에 관한 것이다.
폴리티오펜은 그 흥미로운 전기적 및/또는 광학적 특성들로 인해서 광범위하게 연구되어져 왔다. 폴리티오펜은 화학적 또는 전기화학적 산화 또는 환원에 따라서 전기적으로 도전성이 된다. 그들의 최종적으로 얻을 수 있는 전기적 도전성은 그들의 화학적 조성, 폴리티오펜 사슬 중의 티오펜 모노머들의 중합에 대한 입체조절성 (stereoregularity) 및 그들의 π-결합 (π-conjugation) 길이에 의해서 결정된다. 그와 같은 입체조절성 문제들은 비치환된 티오펜류 또는 동일한 기들로 3- 및 4-위치들에서 치환된 티오펜류가 중합되는 경우에는 발생되지 않는다.
EP-A 257 573은 본질적으로 전기 도전성인 폴리머를 개시하고 있는데, 이는 구조적 단위들이 2-위치 및/또는 5-위치에서의 연결을 통하여 서로 결합되어 있으며, 상기 구조적 단위들은, 하기 화학식 (1)을 갖는 최소한 하나의 모노머로부터 유도된, 통계 평균적으로 60 내지 100 중량%의 구조적 단위들:
화학식 (1)
상기 식에서, R1은 C1-C2-알콕시기 또는 -O(CH2CH2O)nCH
3이며 (n=1 내지 4), R2는 수소 원자, C1-C12-알킬기, C1-C12-알콕시기 또는 -O(CH2CH2O)
nCH3 (n=1 내지 4), 또는 R1 및 R2는 함께 -O(CH2)m-CH2- 또는 -O(CH
2)m-O- (m=1 내지 12)이고, 하기 화학식 (2)를 갖는 최소한 하나의 모노머로부터 유도된, 0 내지 40 중량%의 구조적 단위들:
화학식 (2)
상기 식에서 R4 및 R5는 서로 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, C1-C12 알킬기 또는 아릴, 또는 그들에 연결된 탄소 원자들과 함께 방향족 고리를 형성하고, R3 및 R6는 서로 독립적으로 수소 원자이고, 또는 R3는 R4 및 그들에 연결된 탄소 원자들과 함께, 또는 R5는 R6 및 그들에 연결된 탄소 원자들과 함께, 각각 방향족 고리를 형성하고, X는 산소 원자, 황 원자, =NH기, =N-알킬기 또는 =N-아릴기를 나타내고, 하기 화학식 (3)을 갖는 최소한 하나의 모노머로부터 유도된, 0 내지 40 중량%의 구조적 단위들:
화학식 (3)
상기 식에서 R7, R8, R9 및 R10은 서로 독립적으로 수소 원자, C1-C12 알킬기, C1-C12 알콕시기 또는 아릴기를 나타내고, Y 및 Z는 서로 독립적으로 산소 원자, 황 원자, =NH기, =N-알킬기 또는 =N-아릴기를 나타내고, R11은 아릴렌기, 헤테로아릴렌기 또는 화학식 (CH=CH)o의 접합 시스템 (conjugated system) (o는 1, 2 또는 3)을 나타내고, 하기 화학식 (4)를 갖는 최소한 하나의 모노머로부터 유도된, 0 내 지 40 중량%의 구조적 단위들이고:
화학식 (4)
상기 식에서 R12 및 R13은 서로 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, C1-C12 알킬기, C1-C12 알콕시기, C1-C4 알킬아미노기 또는 C1-C4 아실아미노기를 나타내고, R14는 할로겐 원자, C1-12 알킬기, C1-C12 알콕시기, C1-C4 알킬아미노기 또는 C1-C4 아실아미노기를 나타내고, X는 상기 정의한 바와 동일한 의미를 가지며, 산화된 형태의 상기 폴리머는 25℃에서 쌍극성 비양성자성 (dipolar aprotic) 용매에 완전 용해되어, 25℃에서 용매 100 mL 중에 최소한 0.1 g의 상기 폴리머를 함유하는 용액을 얻는다.
EP-A 339 340은 하기 화학식을 갖는 구조적 단위들을 포함하는 폴리티오펜:
상기 식에서 A는 선택적으로 치환된 C1-C4-알킬렌 라디칼을 나타내고, 대응 되는 티오펜의 산화적 중합 반응에 의한 그 제조를 개시하고 있으며, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리[3,4-(1'-메틸)에틸렌디옥시-티오펜], 폴리[3,4-(1'-n-헥실)-에틸렌-디옥시티오펜) 및 폴리[3,4-(1'-n-데실)에틸렌디옥시티오펜]을 예시하고 있다. B Sankaran 및 J. R. Reynolds는 1995년에, Polymer Material Science and Engineering, volume 72, 319-320 쪽에서, 3,4-(1'-n-옥틸)에틸렌디옥시티오펜, 3,4-(1'-n-테트라데실)-에틸렌디옥시티오펜 및 그들의 대응되는 호모폴리머의 합성을 개시한 바 있으며, D. M. Welsh 등은 1997년에, Polymer Preprints, volume 38(2), 320 쪽에서, 아크릴레이트- 및 글라임-치환된 3,4-(1'-히드록시메틸)-에틸렌디옥시티오펜)을 개시한 바 있다. S. C. Ng 등은 1997년에, Journal of Materials Science Letters, volume 16, 809-811 쪽에서, 3,4-(1'-알릴옥시메틸)에틸렌디옥시티오펜, 3,4-(1'-글리시독시메틸에틸렌)디옥시-티오펜 및 3,4-(1'-ω-히드록시헥실옥시메틸)에틸렌디옥시티오펜, 3,4-(2'-알릴옥시메틸-프로필렌)디옥시티오펜, 3,4-(2'-글리시독시-메틸)프로필렌디옥시-티오펜 및 3,4-(2'-ω-히드록시헥실옥시-메틸)프로필렌디옥시-티오펜 및 그들의 대응되는 호모폴리머들의 합성을 개시한 바 있다. 0. Stephan 등은 1998년에, Journal of Electoanalytical Chemistry, volume 443, 217-226 쪽에서, 3,4-(1'-ω-술포부틸옥시메틸)에틸렌디옥시티오펜 및 대응되는 호모폴리머의 합성을 개시한 바 있다. P. Scottland 등은 1998년에, J. Chim. Phys., volume 95, 1258-1261 쪽에서, 3,4-(1'-n-헥실옥시메틸)-에틸렌디옥시티오펜, 3,4-(1'-n-옥틸옥시메틸)에틸렌디옥시-티오펜, 3,4-(1'-n-데실옥시메틸)에틸렌디옥시티오펜, 3,4-(1'-n-도데실옥시메틸)에틸렌디옥시티오 펜, 3,4-(1'-n-테트라데실옥시메틸)에틸렌디옥시티오펜, 3,4-(1'-n-헥사데실옥시메틸)에틸렌디옥시티오펜 및 그들의 대응되는 호모폴리머들의 합성을 개시한 바 있다. S. Akoudad 등은 2000년에, Electochemistry Communications, volume 2, 72-76 쪽에서, 3,4-(1'-(폴리옥시에틸렌옥시메틸-에틸렌)디옥시-티오펜 및 대응되는 호모폴리머의 합성을 개시한 바 있다.
D. M. Welsh 등은 1999년에, Polymer Preprints, volume 40(2), 1206 쪽에서, 트랜스에테르화 반응에 의한 3,4-(2',2'-디메틸)프로필렌디옥시티오펜 및 3,4-(2',2'-디에틸)프로필렌디옥시티오펜 및 그로부터 유도된 폴리머들의 합성을 개시한 바 있다. L. J. Kloeppner 등은 1999년에, Polymer Preprints, volume 40(2), 792 쪽에서 또한, 트랜스에테르화 반응에 의한 3,4-(2',2'-디에틸)프로필렌디옥시티오펜, 3,4-(2',2'-디부틸)프로필렌디옥시티오펜 및 3,4-(2',2'-디옥틸)프로필렌디옥시티오펜의 합성 및 그로부터 유도된 폴리머들의 합성을 개시한 바 있다.
M. Lemaire 등은 1988년에, Journal of the Chemical Society Chemical Communications 658 쪽에서, 키랄성 티오펜들 (3-프로필티오펜의 (S)(+)- 및 (R)(-)-2-페닐부틸 에테르)의 중합 반응을 개시한 바 있다. M. M. Bouman 등은 1995년에, 폴리{3-[2-((S)-2-메틸부톡시)에틸]티오펜}의 중합을 개시한 바 있다. 더 나아가, G. Bidam, S. Guillerez 및 V. Sorokin은 1996년에, Advanced materials, volume 8, 157-160 쪽에서, 위치조절성 (regioregular) 폴리[3-(S-3',7'-디메틸옥틸)티오펜]의 제조를 개시한 바 있다. 그들은, 만일 입체기 (steric group)가 백본 (backbone)으로부터 충분히 멀리 떨어지게 되면, 접합 (conjugation)은 상대적 으로 영향을 받지 않으며, 이러한 폴리머는 미세한 용매 변화에 의해서 유도된 커다란 형태적 변화를 나타내게 된다는 것을 보였다.
B. Groenendaal, G. Zotti 및 F. Jonas는 2001년에, Synthetic Metals, volume 118(1-3), 105-109 쪽에서, 전기화학적으로 중합된 3,4-(1'-메틸)에틸렌디옥시티오펜, 3,4-(1'-n-헥실-에틸렌)-디옥시티오펜, 3,4-(1'-n-데실)에틸렌-디옥시티오펜 및 3,4-(1'-n-테트라데실)에틸렌-디옥시티오펜의 도전성을 개시한 바 있으며, 1'-위치에서 10개 또는 그 이하의 탄소 원자들을 갖는 n-알킬기로 치환된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)류가 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)보다 더 낮은 전기적 전도성을 나타낸다는 사실을 입증하였다. n-C14H29기로 치환된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)은, 650 내지 850 S/cm로부터의 폴리(3,4-에틸렌디옥시-티오펜)과 비교하여 전기적 도전성에 있어서 30%의 증가를 나타낸다.
지금까지 제조되고 연구되어진 도전성 폴리머들의 일반적인 단점은, 그들의 도전성이 특정 응용에 있어서는 아직도 너무 낮으며, 그들의 가시광선 투과도가 불충분하게 높으며, 또한/또는 그들이 처리가능하지 않다는 점이다.
따라서, 본 발명의 일태양은 중합시에 폴리(3,4-알킬렌디옥시-티오펜)류를 제공하는 3,4-알킬렌디옥시-티오펜을 제공하는 것이며, 상기 폴리(3,4-알킬렌디옥시-티오펜)류는 산화 또는 환원시에 높은 전기적 도전성, 높은 가시광선 투과도 및/또는 우수한 처리가능성을 나타낸다.
본 발명의 다른 태양들 및 잇점들은 하기 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
놀랍게도, 에틸렌기가 에틸렌 브릿지에 키랄 중심을 갖는 기로 입체선택적으로 치환된 폴리(3,4-에틸렌디옥시-티오펜)류는, 그 에난티오머 모노머들 (enantiomeric monomers)의 라세믹 혼합물을 사용하여 제조된 폴리머들에 비해서, 산화 상태에서 향상된 전기적 도전성을 나타낸다는 사실이 밝혀졌다. 예를 들어, 2-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 d- 및 l-형태들의 라세믹 혼합물보다는, 키랄성 2-n-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 중합의 경우에서, 전기 전도성이 9배 더 증가한다는 사실이, Groenendaal 등에 의해서 2001년에 Synthetic Metals, volume 118(1-3), 105-109 쪽에 개시된 중합 및 측정 방법들을 사용하여 관찰되었다. 또한, 이러한 전기 전도성 수치는 동일한 중합 및 측정 방법들을 사용한 폴리(3,4-에틸렌디옥시-티오펜)의 그것보다 거의 2.8배 높은 것이었다.
본 발명에 의해서 제공되는 티오펜 화합물은 하기 화학식 (Ⅰ)로 나타낼 수 있으며:
화학식 (Ⅰ)
상기 식에서, A는 C2-C5 알킬렌 브릿지; R은 입체선택적으로 치환되고, 알코올, 아미드, 에테르, 에스테르 또는 술포네이트기로 이루어진 군으로부터 선택된 최소한 하나의 치환기로 선택적으로 치환된, 선형 또는 분지된 C2-C24 알킬, C3-C18 시클로알킬, C1-C18 알콕시 또는 폴리에틸렌옥사이드기; 또는 상기 C2-C5 알킬렌 브릿지에서 치환된, 최소한 하나의 키랄 중심을 갖는 선택적으로 치환된 아릴기이다.
또한, 본 발명에 의해서 상기-언급한 화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜으로부터 유도된 폴리(3,4-알킬렌디옥시티오펜)이 제공된다.
또한, 본 발명에 따라서 상기-언급한 티오펜을 중합시키기 위한 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따라서 상기-언급한 화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜으로부터 유도된 폴리(3,4-알킬렌디옥시-티오펜)을 포함하는 분산물 (dispersion)이 제공된다.
또한, 본 발명에 따라서 상기 언급한 화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜으로부터 유도된 폴리(3,4-알킬렌디옥시-티오펜)을 포함하는 인쇄가능한 페이스트가 제공된다.
또한, 본 발명에 의해서 상기 언급한 화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜으로부터 유도된 폴리(3,4-알킬렌디옥시-티오펜)을 포함하는 분산물을, 물체, 예를 들어 유리 플레이트, 플라스틱 호일, 종이 등과 같은 물체를 코팅하기 위하여 사용하는 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따라서 상기 언급한 화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜으로부터 유도된 폴리(3,4-알킬렌디옥시-티오펜)을 포함하는 전기도전층이 제공된다.
또한, 본 발명에 따라서 상기 언급한 화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜으로부터 유도된 폴리(3,4-알킬렌디옥시-티오펜)을 포함하는 정전기 방지층 (antistatic layer)이 제공된다.
정의
명세서 및 첨부되는 특허청구범위에서, 단수 형태의 용어는, 명확하게 달리 서술되지 않는 한, 복수 개념을 포함하는 것임을 유념하여야 할 것이다. 따라서, 예를 들어, "화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜"이라는 용어는 하나 또는 그 이상의 그와 같은 티오펜을 포함하는 것이며, "화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜"의 중합이라는 용어는 하나 이상의 그와 같은 티오펜의 공중합을 포함하는 것이다.
C1-C5 알킬렌기라는 용어는 옥시메틸렌옥시, 1,2-디옥시에틸렌, 1,3-디옥시프로필렌, 1,4-디옥시부텐 및 1,5-디옥시펜텐기들을 나타낸다.
알킬이라는 용어는 알킬기 내 탄소 원자들의 각각의 갯수에 대해서 가능한 모든 변이체들을 의미하며, 즉, 3 개 탄소 원자들에 대해서는: n-프로필 및 이소프로필; 4 개 탄소 원자들에 대해서는: n-부틸, 이소부틸 및 t-부틸; 5 개 탄소 원자들에 대해서는: n-펜틸, 1,1-디메틸프로필, 2,2-디메틸프로필 및 2-메틸-부틸 등을 의미한다.
키랄 중심은 4 개의 다른 기들에 부착된 원자, 예를 들어 탄소 원자이다. 키랄 중심을 포함하는 분자는 그 거울상에 대하여 중첩되지 않으며, 키랄성을 나타내고, 키랄성이란 비대칭 분자의 손대칭성 (handedness)을 의미한다. 그와 같은 분자들은, 순수한 상태로 분리되는 경우에는, 일반적으로 편광계 (polarimeter)로 검출가능한 편광의 회전을 야기한다.
d- 및 l- 화합물들의 라세믹 혼합물이란, 화합물이 광학적으로 활성인 기를 가지는 것을 의미하며, d- 및 l- 에난티오머의 정교한 혼합물은 통계적으로 결정된다.
트리플레이트기 (triflate group)는 트리플루오로메틸술포네이트기이다.
메실레이트기 (mesylate group)는 메틸술포닐기이다.
샤프리스 에폭시화 (Sharpless epoxidation)란 A. Pfenninger에 의하여 1986년에, Synthesis 89-116 쪽에 서술된 비대칭 에폭시화를 의미한다.
본 발명의 목적상 수성 (aqueous)이라는 용어는, 최소한 60 부피%의 물, 바람직하게는 최소한 80 부피%의 물을 포함하는 것을 의미하며, 선택적으로 알코올류, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 부탄올, 이소-아밀 알코올, 옥탄올, 세틸 알코올 등; 글리콜류, 예를 들어 에틸렌 글리콜; 글리세린; N-메틸 피롤리딘; 메톡시프로판올; 및 케톤류, 예를 들어 2-프로파논 및 2-부타논 등과 같은 물과 혼화되기 쉬운 유기 용매들을 포함하는 것을 의미한다.
화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물
본 발명의 제1 태양에 따르면, 화학식 (Ⅰ)의 티오펜 화합물은 R이 C4-C20 알킬기인 R기를 갖는다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 화학식 (Ⅰ)의 티오펜 화합물은 R이 C6-C18 알킬기인 R기를 갖는다.
본 발명의 제3 태양에 따르면, 화학식 (Ⅰ)의 티오펜 화합물은 R이 C6-C14 알킬기인 R기를 갖는다.
본 발명의 제4 태양에 따르면, 화학식 (Ⅰ)의 티오펜 화합물은 R기가 에테르, 에스테르 또는 아미드 치환기를 포함하는 R기, 또는 치환기들 중의 최소한 하나가 술포네이트, 포스포네이트, 할로겐 및 히드록시기로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 R기를 갖는다.
본 발명에 따르면, 화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물은, 3,4-디메톡시티오펜과 같은 티오펜 유도체를 사용하며, DE 3804522 및 HOUBENWEYL, volume VI/3, part 3, 171-173 쪽 (1971)에 개시된 트랜스에테르화 반응, 또는 3,4-디히드록시티오펜-2,5-디카르복시산의 디메틸에스테르와 같은 티오펜 유도체를 사용하며, Electrochimica Acta, volume 39, 1345-1347 쪽 (1994)에 개시된 더블 윌리암슨 (double Williamson) 반응과 같은 공지된 방법들에 의해서 제조될 수 있다. 키랄 분자들은 하기 화학식 (Ⅱ)로 나타낼 수 있으며:
화학식 (Ⅱ)
상기 식에서: R1 및 R2는 독립적으로 OH, 할로겐, 메실레이트 치환기, 트리플레이트 치환기, 토실레이트 또는 다른 술포네이트 치환기이고; R3는 입체선택적으로 치환되고, 선형 또는 분지된, 선택적으로 치환된 C2-C18 알킬, C3-C18 시클로알킬, C1-C18 알콕시 또는 폴리에틸렌옥사이드기 (선택적으로 알코올, 아미드, 에테르, 에스테르 및 술포네이트기로 이루어진 군으로부터 선택된 최소한 하나의 치환기를 가짐) 또는 선택적으로 치환된 아릴기이고; m은 0 내지 3의 숫자를 나타내고, 화학식 (Ⅰ)에 의해 표현되는 티오펜 유도체의 제조를 위한 시약들이다. 화학식 (Ⅱ)에 따른 키랄성 분자들은 유기 화학에 있어서 공지된 표준 방법들, 예를 들어 올레핀류, 예를 들어 치환된 에텐, 프로펜, 1- 또는 2-부텐, 1,2-디메틸-3-부텐-2,3, 1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센의 비대칭적 디히드록실화 (dihydroxylation) 또는 할로겐화, 에폭시드류의 비대칭적 고리 열림, 비대칭적 에폭시화, 예를 들어 샤프리스 에폭시화에 이은 디히드록실화를 사용하여 제조될 수 있다. 그들은 또한 하나의 에난티오머를 키랄성 분자와 복합체화시킴으로써 에난티오머들의 라세믹 혼합물들로부터 분리될 수도 있다. 또한, 몇몇 화합물들, 예를 들어 (S)-(+)-1,2-프로판디올 및 (S)-(+)-1,2-도데칸디올이 상업적으로 이용가능하다.
화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물로부터 유도된 폴리(3,4-알킬렌디옥시티오펜)류
본 발명의 제5 태양은 화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물로부터 유도된 폴리(3,4-알킬렌디옥시티오펜)류이다.
본 발명의 제6 태양은: 폴리{키랄 2-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신}, 폴리{키랄 2-옥틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신} 및 폴리{키랄 2-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신}으로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리(3,4-알킬렌디옥시티오펜)이다.
본 발명의 제7 태양은: 폴리(키랄 2-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신}, 폴리(키랄 2-옥틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신} 및 폴리{키랄 2-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신}, 폴리{키랄 2-도데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신}, 폴리{키랄 2-테트라데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신}, 폴리{키랄 2-헥사데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신} 및 폴리{키랄 2-옥타데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신}으로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리(3,4-알킬렌디옥시티오펜)이다.
본 발명의 제8 태양은 폴리{키랄 2-n-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신}이다.
본 발명의 제9 태양은 폴리{키랄 2-n-옥틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신}이다.
본 발명의 제10 태양은 폴리{키랄 2-n-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신}이다.
화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물의 화학적 중합
화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물은 화학적으로 (산화적으로 및 환원적으로) 중합될 수 있다. 예를 들어, Journal of the American Chemical Society, volume 85, 454-458 쪽 (1963) 및 J. Polymer Science Part A Polymer Chemistry, volume 26, 1287-1294 쪽 (1988)에 서술된 것과 같은, 피롤의 산화적 중합에 사용되는 산화제들이, 티오펜의 산화적 중합을 위해서 사용될 수 있다. 본 발명의 제7 태양에 따르면, 저렴하고 용이하게 구입가능한 산화제들로서, FeCl3, 유기산 (예를 들어 Fe(OTs), H2O2, K2Cr2O7, 알카리 및 암모늄 퍼설페이트, 알카리 퍼보레이트 및 포타슘 퍼망가네이트)의 철 (Ⅲ) 염들과 같은 철 (Ⅲ) 염들이 산화적 중합에 사용된다.
이론적으로 티오펜류의 산화적 중합은 화학식 (Ⅰ)의 티오펜 몰 당 2.25 당량의 산화제를 필요로 한다 [예를 들어, J. Polymer Science Part A Polymer Chemistry, volume 26, 1287-1294 쪽 참조 (1988)]. 실제로는, 중합가능 단위 당 0.1 내지 2 당량 과량의 산화제가 사용된다. 퍼설페이트 및 철 (Ⅲ) 염의 사용은 커다란 기술적 잇점을 갖는데, 이는 그들이 부식성으로 작용하지 않고, 특히 화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물의 경우에는 산화적 중합이 매우 느리게 진행하므로 티오펜 및 산화제가 용액 또는 페이스트로서 함께 존재하여 처리될 기판에 적용될 수 있다. 용액 또는 페이스트의 적용 이후에는, 산화적 중합은 코팅된 기판을 가열함으로써 가속될 수 있다.
환원적 중합은, 각각 2001년에 Tetrahedron Letters, volume 42, 155-157 쪽 및 1998년에 Macromolecules, volume 31, 2047-2056 쪽에 개시된 바와 같은 Stille (유기주석) 및 Suzuki (유기붕소) 경로를 사용하여 수행되거나, 또는 1999년에 Bull. Chem. Soc. Japan, volume 72, 621 쪽 및 1998년에 Advanced Materials, volume 10, 93-116 쪽에 개시된 바와 같은 니켈 복합체로 수행될 수 있다.
화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물은 또한 피롤과 같은 다른 중합성 헤테로 시클릭 화합물들과 함께 화학적으로 공중합될 수도 있다.
화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물의 전기화학적 중합
화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물은 전기화학적으로 중합될 수 있다. 화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물의 전기화학적 산화적 중합은, -78℃ 내지 채용된 용매의 비등점의 온도에서 수행되며, 바람직하게는 -20℃ 내지 60℃의 온도에서 수행된다. 반응 시간은 특정 티오펜에 따라 다르지만, 일반적으로 수 초 내지 수 시간 사이이다. 티오펜 화합물의 전기화학적 중합은 1994년에, Dietrich 등에 의해서, Journal Electroanalytical Chemistry, volume 369, 87-92 쪽에 서술되어 있다.
화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물의 전기화학적 산화적 중합 도중에 사용되기에 적합한 불활성 액체들은: 물, 메탄올 및 에탄올과 같은 알코올류, 아세토페논과 같은 케톤류, 메틸렌 클로라이드, 클로로포름, 테트라클로로메탄 및 플루오로히드로카본과 같은 할로겐화 탄화수소류, 에틸 아세테이트 및 부틸 아세테이트와 같은 에스테르류, 벤젠, 톨루엔 및 크실렌과 같은 방향족 탄화수소류, 펜탄, 헥산, 헵탄 및 시클로헥산과 같은 지방족 탄화수소류, 아세토니트릴 및 벤조니트릴과 같은 니트릴류, 디메틸술폭시드와 같은 술폭시드류, 디메틸술폰, 페닐메틸술폰 및 술포란과 같은 술폰류, 메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드, 디메틸 포름아미드, 피롤리돈, N-메틸-피롤리돈, 카프로락탐, N-메틸-카프로락탐과 같은 액상 지방족 아미드류, 디에틸에테르 및 아니솔과 같은 지방족 및 혼합된 지방족 및 방향족 에테르류, 테트라메틸유레아와 같은 액상 유레아류, 또는 N,N-디메틸-이미다졸리디논이다.
화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물의 전기화학적 중합에 사용되기 위한 전해질 첨가제는, 바람직하게는 사용되는 용매 중에서 특정 용해도를 나타내는 유리 산 또는 통상의 도전성 염들이다. 특히 바람직한 전해질들은, 알카리, 알카리 토금속 또는 퍼클로레이트, 토실레이트, 테트라플루오로보레이트 또는 헥사플루오로포스포네이트 음이온들과 결합되고, 선택적으로 알킬화된 암모늄, 포스포늄, 술포늄 또는 옥소늄 양이온들이다.
전해질 첨가제는 전기화학적 산화 동안에 최소한 0.1 mA의 전류가 흐르는 정도의 양으로 사용된다.
전기화학적 중합은 연속적으로 또는 불연속적으로 수행될 수 있다. 공지된 전극 물질들은 ITO-커버 유리, 귀금속 또는 강철 메시 (steel mesh), 탄소-충진된 폴리머류, 증착된 금속-코팅 절연층 및 탄소 펠트 (felt)이다.
전기화학적 산화 동안의 전류 밀도는 넓은 범위 내에서 변화될 수 있다. 본 발명의 제11 태양에 따르면, 전기도전층 내의 전류 밀도는 0.0001 내지 100 mA/cm2이다. 본 발명의 제12 태양에 따르면, 전기도전층 내의 전류 밀도는 0.01 내지 40 mA/cm2이다. 이러한 전류 밀도 하에서, 약 0.1 내지 50 V의 전압이 세팅된다.
화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜 화합물은 또한 피롤과 같은 다른 중합성 헤테로시클릭 화합물들과 전기화학적으로 공중합될 수도 있다.
화학식 (Ⅰ)에 따른 티오펜으로부터 유도된 폴리(3,4-알킬렌디옥시-티오펜)을 포함하는 분산물
본 발명에 따른 분산물의 제1 태양에 따르면, 상기 분산물은 폴리음이온을 더 포함한다.
본 발명에 따른 분산물의 제2 태양에 따르면, 상기 분산물은 폴리(스티렌 술폰산)을 더 포함한다.
본 발명에 따른 분산물의 제3 태양에 따르면, 분산 매체는 수성 분산 매체이다.
폴리음이온 화합물
본 발명에 따른 분산물 중에 사용되기 위한 폴리음이온 화합물들은 EP-A 440 957에 개시되어 있으며, 예를 들어 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 또는 폴리말레산과 같은 폴리머 카르복실산 및 예를 들어 폴리(스티렌 술폰산)과 같은 폴리술폰산을 포함한다. 이러한 폴리카르복실산 및 폴리술폰산은 또한 비닐카르복실산 및 비닐술폰산의 다른 중합성 모노머들, 예를 들어 아크릴산 에스테르류, 메타크릴산 에스테르류 및 스티렌과의 공중합체일 수도 있다.
산업상 이용가능성
화학식 (Ⅰ)에 따른 키랄성 티오펜 화합물들로부터 유도된, 화학적 또는 전기화학적으로 제조된 폴리머들은, 낮은 가시광선 흡광도 및 높은 적외선 조사 흡광도와 더불어, 높은 전기적 도전성을 나타낸다. 그러므로, 그 층들은 전기적으로 매우 도전성이며, 가시광선에 대해서 높은 투과성을 보이고, 열 차단성을 갖는다. 그와 같은 폴리티오펜은 다양한 경직성 및 유연성 기판들, 예를 들어 세라믹류, 유리 및 플라스틱류 기판들에 적용될 수 있으며, 특히 플라스틱 시트와 같은 유연성 기판들에 적합하고, 상기 기판은 폴리티오펜층이 그 전기 도전성을 잃지 않으면서 실질적으로 굽어지고 변형될 수 있다.
따라서, 그와 같은 폴리티오펜은 광기전력 장치, 배터리, 커패시터 및 유기 및 무기 전계발광 장치 (electroluminescent devices)에, 전자기 차단층에, 열 차단층에, 사진 필름, 온도 기록 소재 및 광온도 기록 소재를 포함하는 다양한 제품들을 위한 정전기 방지 코팅에, 스마트 윈도우 (smart windows)에, 전기 변색 장치 (electrochromic devices)에, 유기 및 생체 유기 물질들에 대한 센서에, 필드 효과 트랜지스터 (field effect transistor)에, 프린팅 플레이트에, 도전성 수지 접착제에, 또한 독립구조 전기 도전성 필름에 이용될 수 있다 [또한, chapter 10 of the Handbook of Oligo- and Polythiophenes, Edited by D. Fichou, Wiley-VCH, Weinheim (1999)을 참조].
본 발명은 이하에서 비교예 및 실시예를 참조하여 설명된다. 하기 예들에 주어진 백분율 및 비율들은 달리 지시되지 않는 한, 중량 비율이다. 키랄 화합물들의 광학적 회전은, n-헥산 중에서, 3 가지 농도들에 대해서, 25℃에서 내부 직경 5 mm를 갖는 5 cm 셀을 사용한 Optical Activity AA10 다중 파장 편광계로, 365, 436, 540, 578 및 589 nm의 파장에서 측정되었다.
도 1은 화학식 (Ⅰ)에 따른 키랄성 티오펜 화합물들을 전기화학적으로 중합시키기 위해서 사용되는 3 전극 셀의 개략도이다. 100 ㎛ 두께 및 3 mm 폭을 갖는 두 개의 백금 밴드들이 20 ㎛ MylarTM 스페이서에 의해서 분리되고, 직경 5 내지 8 mm 유리 튜브 내의 에폭시 수지 중에 함침되어 있다.
비교예 1
키랄성 2-메틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 합성
톨루엔 (50 ml) 중의 3,4-디메톡시티오펜 (5.18 g), (S)-1,2-프로판디올 (3.0 g) 및 p-톨루엔술폰산 모노수화물 (100 mg)의 용액을 95℃에서 가열하고, 그 동안 용액 상으로 질소의 계속적인 스트림을 통과시켰다. 30 시간 후에 반응 혼합물을 에틸 아세테이트에 붓고, NaHCO3로 세척한 후, 유기상을 농축시켰다. n-헥산을 용출액으로 사용하여 SiO2 상에서 연이어 여과함으로써 순수한 산물 (3.90 g)을 얻었다. GC-MS: 156 (순도 > 99%); 1H-NMR (CDCl3) : δ6.30 (2 ×d, 2H), 4.26 (m, 1H), 4.15 (dd, 1H), 3.82 (dd, 1H), 1.35 (d, 3H) ppm; 특이적 회전 [α] = 25℃ 및 헥산 중의 436 nm에서 -46°(c = 0.066).
비교예 2
라세믹 2-메틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 합성
비교예 1에 서술된 바와 같이, 3,4-디메톡시티오펜을 라세믹 1,2-프로판디올로 트랜스에테르화시킴으로써, 라세믹 2-메틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신을 합성하였다. GC-MS 및 1H-NMR-스펙트로스코피에 의해서 특성화한 결과, 어 떠한 광학적 회전도 관찰되지 않았다.
실시예 1
키랄성 2-n-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 합성
3,4-디메톡시티오펜 (1.90 g), 톨루엔 (30 ml), (S)-1,2-도데칸디올 (2.50 g) 및 p-톨루엔술폰산 모노수화물 (100 mg)의 용액을 95℃로 가열하고, 계속적으로 용액 상에 N2 기체를 통과시켰다. 24 시간 후에, 반응 혼합물을 에틸 아세테이트에 붓고, NaHCO3로 세척하고, 유기상을 농축시켰다. n-헥산/CH2Cl2 (98/2)를 용출액으로 사용하여 SiO2 상에서 연이어 여과함으로써 순수한 산물 (2.40 g)을 얻었다. 1H-NMR (CDCl3): δ6.29 (s, 2H), 4.15 (dd, 1H), 4.11 (m, 1H), 3.93 (dd, 1H), 1.67-1.20 (18H), 0.88 (t, 3H) ppm; 특이적 회전 [α] = 25℃ 및 헥산 중의 436 nm에서 -88°(c = 0.066).
비교예 3
라세믹 2-n-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4b] [1,4] 디옥신의 합성
비교예 1에 서술된 바와 같이, 3,4-디메톡시티오펜을 라세믹 1,2-도데칸디올로 트랜스에테르화시킴으로써, 라세믹 2-n-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신을 합성하였다. GC-MS 및 1H-NMR-스펙트로스코피에 의해서 특성화한 결과, 어떠한 광학적 회전도 관찰되지 않았다.
실시예 2
키랄성 2-n-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 합성
실시예 1에 서술된 바와 같이, 3,4-디메톡시티오펜을 (S)-1,2-옥탄디올로 트랜스에테르화시킴으로써, 키랄성 2-n-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신을 합성하고, 순도 99.69%까지 정제하였다. GC-MS 및 1H-NMR-스펙트로스코피에 의해서 특성화하였으며, 25℃ 및 헥산 중의 436 nm에서 -100°의 특이적 회전을 나타내었다.
비교예 4
라세믹 2-n-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 합성
비교예 1에 서술된 바와 같이, 3,4-디메톡시티오펜을 라세믹 1,2-옥탄디올로 트랜스에테르화시킴으로써, 라세믹 2-n-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신을 합성하였다. GC-MS 및 1H-NMR-스펙트로스코피에 의해서 특성화한 결과, 어떠한 광학적 회전도 관찰되지 않았다.
실시예 3
키랄성 2-n-옥틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 합성
실시예 1에 서술된 바와 같이, 3,4-디메톡시티오펜을 (S)-1,2-데칸디올로 트랜스에테르화시킴으로써, 키랄성 2-n-옥틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신을 합성하고, 순도 99.24%까지 정제하였다. GC-MS 및 1H-NMR-스펙트로스코피에 의해서 특성화하였으며, 25℃ 및 헥산 중의 436 nm에서 -88°의 특이적 회전을 나타내었다.
실시예 4
키랄성 2-n-도데실-2,3-디히드로-티에노[3,4b] [1, 4]디옥신의 합성
실시예 1에 서술된 바와 같이, 3,4-디메톡시티오펜을 (S)-1,2-테트라데칸디올로 트랜스에테르화시킴으로써, 키랄성 2-n-도데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신을 합성하고, 순도 98.01%까지 정제하였다. GC-MS 및 1H-NMR-스펙트로스코피에 의해서 특성화하였으며, 25℃ 및 헥산 중의 436 nm에서 -65°의 특이적 회전을 나타내었다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 3,4-에틸렌디옥시티오펜 유도체들의 전기중합 (electropolymerization)
표준 3 전극 셀을 사용하여 25℃에서 전기중합을 실시하였다. 작업 전극 (working electrode)은 백금, 금 또는 인듐-주석-옥사이드였다. 대전극 (counter electrode)은 백금이었고; 참조 전극 (reference electrode)은 아세토니트릴 중의 은/0.1 M 은 퍼클로레이트이었다 (0.34 V vs SCE).
도 1에 도시된 셀 중에 0.7-0.8 V의 전위를 인가함으로써, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 2-알킬-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신 화합물들 중 하나 중의 아세토니트릴 용액 10-2 M 및 NaClO4 중의 0.1 M을 중합시켰다. 전기중합에는 5 mA cm-2의 전류 밀도가 사용되었다.
전기중합된 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 3,4-에틸렌디옥시티오펜 유도체들의 인-시투 (in-situ) 전기 전도성 측정
전기중합이 수행된 것과 동일한 3 전극 셀 중에서, 모노머의 부존재 하에 전기 전도성 측정을 수행하였다. 전도성 측정을 위한 전극은, 도 1에 도시된 바와 같이 20 ㎛의 인터밴드 간격을 갖는 2-밴드 백금 전극 (각각의 밴드에 대해서 0.3 cm ×0.01 cm)이었다. 백금 전극은, 한계 조항 조건의 달성을 보장하는, 80 mC의 통과에 의해서 폴리머로 코팅되었다. 전기 도전성은 밴드들 사이에 작은 진폭 (통상적으로 10 mV)의 DC 전압을 인가하고, 얻어진 전류를 기록함으로써 측정되었다. 폴리(3-메틸티오펜) (60 S/cm)을 전기 전도성 표준으로서 사용하였다. 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 2-알킬-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]-디옥신 화합물들을 전기중합시킴으로써 관찰된 전기 전도성들을 하기 표 3에 나타내었다.
실시예 및 비교예의 모노머 | 폴리머 | 전기 전도성 (S cm-1) |
비교예 1 | 전기중합된 키랄성 2-메틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신 | 350 |
비교예 2 | d- 및 l- 2-메틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 전기중합된 라세믹 혼합물 | 350 |
실시예 1 | 전기중합된 키랄성 2-n-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신 | 1500 |
비교예 3 | d- 및 l- 2-n-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4b] [1,4] 디옥신의 전기중합된 라세믹 혼합물 | 550 |
실시예 2 | 전기중합된 키랄성 2-n-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신 | 1800 |
비교예 4 | d- 및 l- 2-n-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 전기중합된 라세믹 혼합물 | 200 |
실시예 3 | 전기중합된 키랄성 2-n-옥틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신 | 1500 |
실시예 4 | 전기중합된 키랄성 2-n-도데실-2,3-디히드로-티에노[3,4b] [1, 4]디옥신 | 600 |
표 3의 결과들은 전기중합된 키랄성 2-메틸-2,3-디히드로-티에노[3,4- b][1,4]디옥신이, d- 및 l- 2-메틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 전기중합된 라세믹 혼합물과 동일한 전기 전도성을 나타낸다는 것을 보여 준다.
그러나, 전기중합된 키랄성 2-n-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신은, 전기 전도성에 있어서, d- 및 l- 2-n-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 전기중합된 라세믹 혼합물로 얻어진 것보다 2.7배 증가를 나타내었다.
더욱이, 전기중합된 키랄성 2-n-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신은, 전기 전도성에 있어서, d- 및 l- 2-n-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신의 전기중합된 라세믹 혼합물로 얻어진 것보다 9배 증가를 나타내었다.
전기중합된 키랄성 2-n-옥틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신 및 전기중합된 키랄성 2-n-도데실-2,3-디히드로-티에노[3,4b] [1, 4]디옥신은 각각 1500 및 600 S/cm의 전기 전도성을 나타내었다.
이러한 측정들이 Groenendaal 등에 의해서, 2001년에, Synthetic Metals, volume 118(1-3), 105-109 쪽에 개시된 것과 동일한 방법 및 동일한 장치를 사용하여 수행되므로, 그들은 Groenendaal 등에 의해 주어진, 650 S cm-1의 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)에 대한 전기 전도성 수치와 직접적으로 비교될 수 있다. 그러므로, 전기중합된 키랄성 2-n-헥실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신, 키랄성 2-n-옥틸-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신 및 키랄성 2-n-데실-2,3-디히드로-티에노[3,4-b][1,4]디옥신은, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)에 대해서 얻어진 것보다 전기 전도성에 있어서, 각각 2.8배, 2.3배 및 2.3배 증가를 나타내었다.
그와 같은 인-시투 전기 전도성 측정은, 전기화학적으로 중합된 전도성 폴리머 필름의 전기 전도성을, 그들의 산화 상태의 함수로서 측정하기 위한, 상대적으로 새롭고 매우 흥미로운 도구이다. 상기 방법은 표준 전기 전도성 측정들 (2- 또는 4-포인트 프로브)에 비해서 몇몇 잇점들을 갖는데: 단지 소량의 모노머를 필요로 하고 (15-50 mg), 모든 모노머들이 정확히 동일한 조건 하에서 중합되고, 측정이 매우 빠르고, 측정이 불활성 조건 하에서 수행되기 때문에 얻어진 전기 도전성 수치가 습기, 공기 등과 같은 외부적 요인들에 의해서 거의 영향을 받지 않고, 또한 전기 도전성의 최대 수치뿐만 아니라, 전기 도전성에 대한 산화 상태의 영향에 대한 정보도 얻을 수 있다.
본 발명은 그것이 청구된 본 발명에 관련된 것인가에 상관 없이, 여기에 암시적으로 또는 명백하게 개시된 임의의 특징 또는 특징들의 조합, 또는 그에 대한 임의의 일반화를 포함할 수 있다. 상기 서술한 사항들을 고려하여, 당업자라면 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형들을 가할 수 있음은 명백하다.
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- 제10항에 따른 분산물을, 물체를 코팅하기 위하여 사용하는 방법.
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