KR101032672B1 - 나노구조로의 전하 이동 또는 나노구조로부터의 전하 이동을 용이하게 하는 유기종 - Google Patents

나노구조로의 전하 이동 또는 나노구조로부터의 전하 이동을 용이하게 하는 유기종 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노결정 표면 전반에 걸친 전하 수송, 또는 나노결정-함유의 매트릭스 내에서의 전하 수송을 개질하는데 사용될 수 있는 조성물 (작은 분자, 올리고머 및 중합체), 및 그 신규 조성물의 제조 및 사용 방법을 제공한다.
나노구조, 전하 이동, 나노결정, 전하 수송

Description

나노구조로의 전하 이동 또는 나노구조로부터의 전하 이동을 용이하게 하는 유기종{ORGANIC SPECIES THAT FACILITATE CHARGE TRANSFER TO OR FROM NANOSTRUCTURES}
관련 출원 상호 참조
본원은 US 가출원 USSN 60/408,722(2002년 9월 5일 출원); 및 USSN 60/452,232(2003년 3월 4일 출원)와 관련된다. 본원은 이 이전 출원들의 각각에 대해 우선권 및 권익을 주장하며, 이로써 상기 이전 출원들은 모든 목적을 위해 온전히 본원에 참고로 인용된다.
본 발명은 나노기술 분야에 속한다. 더욱 특히, 본 발명은 나노구조와 함께 사용하기 위한 도전성 리간드 및 매트릭스, 또한 도전성 조성물의 제조 및 사용 방법, 및 그 도전성 조성물을 포함하는 관련 장치에 관한 것이다.
나노결정-함유의 중합체를 포함하는 장치들을 비롯한, 중합체-기재의 발광 및 광기전(photovoltaic) 장치가 당업계에 공지되어 있다. 중합체-기재의 광기전 장치의 성능은, 예컨대 반도체 나노결정을 중합체 매트릭스에 삽입함으로써 향상되었다. 예를 들어, 나노복합체-기재의 광기전 장치가 USSN 60/408,722(2002년 9월 5일 출원); USSN 60/421,353(2002년 10월 25일 출원) 및 USSN 60/452038(2003년 3월 4일 출원)에 기재되어 있다. 그러나, 나노결정을 이용하는 상기 장치 및 다른 장치의 성능은 더 향상될 수 있다.
반도전성 나노결정은 부분적으로는, 광기전 장치 내의 집광 소자의 부품으로 사용되는 나노결정의 크기 및 모양을 조절함으로써, 특정의 광학적 성질 및/또는 전자적 구조를 이용하여 고안될 수 있다. 부가적으로, 나노결정을 포괄하는 중합체성 매트릭스는 또한 빛을 흡수하도록 선택될 수 있다. 그러나, 광기전 장치 내에서의 전하 수송은, 나노결정의 흡수 성질에 의해서라기보다, 일반적으로 매트릭스 제약에 의해 제한된다. 결과적으로, 매트릭스를 통한 전하 수송 및/또는 나노결정 중에서의 전하 수송은 최적의 광기전 조작의 중요한 요소이다.
나노결정 합성은 전형적으로 계면활성제층, 예컨대, 긴 지방족 사슬, 예컨대 알킬 포스폰산, 알킬 아민, 알킬 카르복실산, 알킬 포스핀 또는 알킬 포스핀 옥시드를 갖는 분자의 층으로 코팅된 표면을 갖는 입자를 생성시킨다. 이 리간드는 나노결정 표면 상에 실질적으로 비도전성인 층을 형성한다. 나노결정성 구조에 전하를 효율적으로 제거하거나 첨가하는 것이 요망되는 용도에서는, 잔류 지방족 리간드층이 표면으로의 전하 이동을 제한한다. 발광 가능한 수용성 반도체 나노결정의 합성이, 예를 들어 USPN 6,251,303(Bawendi 등; 발명의 명칭: 수용성 형광 나노결정(Water-soluble fluorescent nanocrystals); 2001년 6월 6일) 및 USPN 6,319,426 [Bawendi 등; 발명의 명칭: 수용성 형광 반도체(Water-soluble fluorescent semiconductor); 2001년 11월 20일)에 기재되어 있다.
도전성 중합체는 당업계에 공지되어 있으나[예를 들어, H. S. Nalwa(저), 유 기 도전성 분자 및 중합체의 핸드북(Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers), John Wiley & Sons 1997; USPN 6,399,224(Li; "조율가능한 전하 주입능을 갖는 공액 중합체(Conjugated Polymers with Tunable Charge Injection Ability)"); 및 USPN 5,504,323(Heeger 등; "이중 기능 도전성 중합체 다이오드(Dual function conducting polymer diodes)")을 참고하도록 함], 이 중합체들은 나노결정 표면에 강하게 결합할 수 있는 어떠한 작용기(들)도 가지고 있지 않다. 따라서, 이 중합체는 나노결정과 최적의 접촉을 이루지 못한다.
나노결정-기재의 발광 및 광기전 장치의 성능은, 나노결정을 통한 전하의 제거 또는 첨가가 더욱 강력히 효율적이라면 향상될 것이다. 따라서, 당업계에 나노결정 구조와 함께 사용하기 위한 향상된 리간드의 필요성이 존재한다. 본 발명은 나노결정과 함께 사용하기 위한 신규 조성물, 및 그 신규 조성물의 제조 및 사용 방법을 제공함으로써, 상기 필요성 및 기타 필요성을 충족시킨다. 하기 내용을 검토해볼 때, 본 발명을 완전히 이해할 수 있게 된다.
본 발명의 개요
본 발명은 표면 또는 나노구조(예컨대, 나노결정) 표면 전반에 걸친 전하 수송, 또는 나노구조(예컨대, 나노결정)-함유의 매트릭스 내에서의 전하 수송을 개질하는데 사용될 수 있는 조성물(작은 분자, 올리고머 및 중합체), 및 그 신규 조성물의 제조 및 사용 방법을 제공한다. 조성물은 공액 유기종, 및 나노구조(예컨대, 나노결정) 표면과 상호작용할 수 있는 하나 이상의 결합기를 포함하며; 사용 중에, 조성물은 결합기를 통해 나노구조(예컨대, 나노결정) 표면에 결합되어, 조성물이 (예컨대, 전자 또는 정공을 추출 또는 주입하는 공정 중에) 나노구조(예컨대, 나노결정)에(을) 의해/통해 수송되는 전자 및/또는 정공에 대해 실질적으로 도전성을 가지게 된다. 본 발명의 조성물은 예컨대, 코어 유기종의 전자적 공액을 증진시키거나, 인접 나노구조(예컨대, 나노결정)를 결합시키거나, 혹은 각종 매트릭스에서의 나노구조(예컨대, 나노결정)의 분산, 혼합 및/또는 배합을 용이하게 하기 위해, 부가적 화학기로 임의적으로 유도화될 수 있다.
한 측면에서, 본 발명은 나노구조(예컨대, 나노결정)-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물을 제공한다. 도전성 조성물은 전형적으로 a) "본체(body) 구조" 또는 도전성 분자의 코어로서의 공액 유기 부분기; b) 공액 유기 부분기 상의 제1 위치에서 본체 구조에 결합된 나노구조(예컨대, 나노결정)-결합 "머리기"; 및 c) 공액 유기 부분기 상의 제2 위치에서 본체 구조에 결합된 "꼬리기"를 포함한다. 나노구조(예컨대, 나노결정)-함유의 매트릭스에 여기자(exciton)가 형성된 후, 도전성 조성물은 부착된 나노구조에 대해 전하(전자 및/또는 정공)의 주입 및/또는 추출을 용이하게 하고, 이로써 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질한다.
조성물(및 상응하는, 그 조성물의 합성 방법)의 모듈 성질은 원하는 용도에 따라, 조성물의 각종 요소(머리, 본체, 꼬리)의 변경 또는 조정을 가능하게 한다. 이에 따라, 각종 구성성분이 상이한 조성 요소를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 본체 구조는 전형적으로 공액 알킬 부분기 또는 공액 아릴 부분기(예컨대, 페닐렌, 티오펜, 에텐, 에틴, 아닐린, 플루오렌, 피리딘, 페릴렌, 페난트랄렌, 안트라센, 알키닐 또는 다핵성 방향족 부분기)를 포함한다. 작용화 머리기로서 사용하기 위한 화학적 구조에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 하나 이상의 포스폰산, 카르복실산, 아민, 포스핀, 술포네이트, 술피네이트 또는 티올 부분기가 포함된다. 꼬리기 구조는 도전성 또는 비도전성 화학적 부분기일 수 있고; 바람직한 꼬리기 치환기에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 1-프로핀, 1-부틴, 1-펜틴, 1-헥신, 1-헵틴, 1-옥틴, 1-노닌, 1-데신, 또는 탄소수 3 내지 22의 알킨이 포함된다. 임의적으로, 머리기 및 꼬리기 중 하나, 또는 양자 모두는 본체 구조와 머리 또는 꼬리 치환기 사이에 위치한 하나 이상의 티오펜 부분기를 추가로 포함한다.
일부 구현예들에서, 꼬리기는 또한 나노구조(예컨대, 나노결정)-결합의 부분기(예컨대, 포스폰산, 카르복실산, 아민, 포스핀 또는 티올 부분기)를 포함한다. 또한, 나노구조-결합의 머리기 및/또는 나노구조-결합의 꼬리기는 나노구조(즉, 모노덴테이트(단일자리; monodentate)) 또는 다중 결합 부분기(즉, 멀티덴테이트(다중자리; multidentate))에 부착하기 위한 단일 화학적 부분기를 제공할 수 있다. 임의적으로, 이 부분기들은, 선택된 유형의 나노구조에 결합하는 자체 능력에 대해 선별 또는 선택된다(예를 들어, 머리기(들)는 p-형 나노결정에 선택적으로 결합하고, 한편 꼬리기(들)는 n-형 나노결정에 선택적으로 결합한다).
본체 구조는 임의적으로, 공액 유기종에 결합된 하나 이상의 부가적 치환기 또는 "측쇄"를 포함한다. 일부 구현예들에서, 측쇄는 공액 유기 부분기에 결합된 O-연결 또는 N-연결 측쇄이다. 본체 구조에 대한 측쇄(또는 다른 치환기)의 첨가는 바람직하게 코어 유기종의 공액을 파괴하지 않고; 오히려, 일부 구현예들에서, 측쇄 부분기 또는 부분기들은 공액을 확장시킨다. 이에 따라, 측쇄 요소로서 사용하기 위한 치환기에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 전자공여기, 전자유인기, 도전성 화학적 구조, 비도전성 화학적 구조 또는 각종 반응성 작용기 또는 중합가능한 요소(예컨대, 아크릴레이트 부분기, 메타크릴레이트 부분기 또는 비닐 부분기)가 포함될 수 있다. 일부 구현예들에서, 측쇄는 나노구조(예컨대, 나노결정)-함유의 매트릭스에 작용적으로 및/또는 전자적으로 매칭되며; 다른 구현예에서, 측쇄 요소는 단순히 조성물의 가용성을 변경시킨다. 바람직하게, 본 발명의 공액 조성물은 본체 구조에 결합된 2개의 측쇄 치환기를 가지나; 측쇄의 화학적 조성이 동일할 필요는 없다. 임의적으로, 측쇄는 인접 나노구조를 연결 및/또는 배열하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 조성물에 사용하기 위한 예시적 측쇄 치환기에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 0-연결 헥산 부분기, 0-연결 2-에틸헥실 부분기, 0-연결 옥틸 부분기, 0-연결 데실 부분기, N-연결 헥산 부분기, N-연결 2-에틸헥실 부분기, N-연결 옥틸 부분기 및 N-연결 데실 부분기가 포함된다. 그러나, 탄소수 1 내지 22(또는 그 이상)의 임의의 N-연결 또는 0-연결 알킬 부분기가 본 발명에서 사용하기 위해 구상된다.
본 발명의 일부 구현예들에서, 도전성 조성물에 이용되는 본체 구조는 단량체성 화학적 구조라기 보다, 올리고머성 또는 중합체성 구조이다. 예시적 다량체성 본체 구조 성분에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 폴리(페닐렌), 폴리(티오펜), 폴리(에텐), 폴리(에틴), 폴리(아닐린), 폴리(플루오렌), 폴리(피리딘), 폴리(다핵성) 부분기, 및 이의 조합물이 포함된다. 임의적으로, 다량체성 본체 구조는 디티오펜 부분기와 같은, 연결기 영역에 의해 연결된 2개 이상의 단량체성 본체 구조로 구성된다. 바람직하게 연결기 요소는 본체 구조 요소들 간의 전자적 공액을 허용하거나 증진시킨다. 단량체성 구현예에 있어서, 다량체성 본체 구조는 올리고머성 또는 중합체성 구조의 하나 이상의 요소에 결합된 하나 이상의 측쇄를 임의적으로 포함한다.
본 발명은 또한 (예컨대, 나노결정 코팅 또는 중합체 매트릭스로서의 나노결정의 경우에) 나노구조(예컨대, 나노결정) 구조와 함께 사용하기 위한 중합체성 도전성 조성물을 제공한다. 중합체성 도전성 조성물은 구조 [Hx-By-Tz]n(여기에서, H는 나노구조 표면에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용화 머리기, 또는 나노구조 표면에 결합된 하나 이상의 머리기를 포함하고; B는 하나 이상의 공액 유기 부분기(여기에서, 제1 공액 유기 부분기는 인접 작용화 머리기 또는 결합된 머리기에 결합됨)를 갖는 본체 구조를 포함하며; T는 본체 구조에 결합된 하나 이상의 꼬리기를 포함하며; x, y, z 및 n는 독립적으로 1 이상의 정수를 포함함)를 가진다. 정수 x, y, z 및 n의 합은 5 이상임으로써, 하나 이상의 요소(머리, 본체 또는 꼬리)가 중합체성 도전성 조성물 내에 1 초과의 "반복수(copy)"로 존재한다. 중합체성 도전성 조성물은 치환기들 중 하나 이상에 있는 각종 단량체성 전구체의 중합에 의해 합성된다.
이 중합체성 도전성 조성물에서, 머리기는 임의적으로 하나 이상의 포스폰산, 카르복실산, 아민, 포스핀, 포스핀 옥시드 또는 티올 부분기이고; 본체 구조는 임의적으로 페닐렌, 티오펜, 에텐, 에틴, 아닐린, 플루오렌, 피리딘, 페릴렌, 페난트랄렌, 안트라센, 알케닐 부분기, 다핵성 방향족 부분기, 또는 이의 중합체이며; 꼬리기는 임의적으로 1-프로핀, 1-부틴, 1-펜틴, 1-헥신, 1-헵틴, 1-옥틴, 1-노닌, 1-데신, 또는 탄소수 3 내지 22의 알킨이다. 다른 구현예들에서, 본체 구조는 하나 이상의 중합체 서브유닛(예컨대, 구성원 공액 유기 부분기)에 결합된 하나 이상의 0-연결 또는 N-연결 치환기(예컨대, 전자공여기 또는 전자유인기, 도전성 화학적 구조 또는 비도전성 화학적 구조)를 추가로 포함한다. 이 0-연결 또는 N-연결 치환기를 사용하여, 조성물의 전자서명을 변경시키거나, 중합체성 도전성 조성물의 가용성을 변경시킬 수 있다.
한 부가적 측면에서, 본 발명은 나노구조(예컨대, 나노결정)-함유의 매트릭스 조성물을 제공한다. 한 구현예에서, 나노구조-매트릭스 조성물은 본 발명의 도전성 조성물(예컨대, 리간드)에 결합된 나노구조, 및 나노구조의 리간드-공액 외부 표면에 인접하게 위치한 매트릭스를 포함한다. 임의적으로, 매트릭스는 또한 나노구조-결합된 도전성 조성물에 공유 결합된다. 한 바람직한 구현예에서, 도전성 조성물은 매트릭스의 하나 이상의 치환기에 작용적으로 또는 전자적으로 매칭된다.
다른 한 구현예에서, 나노구조(예컨대, 나노결정)-함유의 매트릭스 조성물은 본 발명의 중합체성 도전성 조성물로 구성된 나노구조 및 매트릭스를 포함한다. 한 구현예에서, 나노구조 외부 표면의 부분이 중합체성 매트릭스에 결합된다. 다른 한 구현예에서, 나노구조는 중합체성 도전성 조성물에 삽입되기 전에 본 발명의 도전성 조성물로 유도화 또는 작용화된다. 임의적으로, 중합체성 도전성 조성물 및 나노구조-결합된 도전성 조성물은 작용적으로 및/또는 전자적으로 매칭된다. 부가적으로, 매트릭스 조성물 및 도전성 조성물은 임의적으로 공유 결합될 수 있다.
본 발명의 다른 한 구현예에서, 나노구조-매트릭스 조성물은 제1 위치에서 제1 나노구조(예컨대, 나노결정)에 결합되고, 제2 위치에서 제2 나노구조에 결합된 본 발명의 도전성 조성물, 및 나노구조의 외부 표면에 인접하게 위치한 매트릭스를 포함한다. 한 임의적 예에서, 제1 나노구조는 p-형 나노결정이고, 제2 나노구조는 n-형 나노결정이다.
본 발명은 또한 나노구조-함유의 장치에서 사용하기 위한 전하 이동을 용이하게 하는 유기 조성물의 합성 방법을 제공한다. 이 방법을 이용하여 제조된 유기 조성물은 광기전 장치에 사용하기에 특히 적당하다. 방법은 하기 단계들을 포함한다: a) 치환기 모듈의 부착에 이용가능한 3개 이상의 위치(예컨대, 머리, 꼬리 및 측쇄)를 포함하는 공액 유기 전구체를 제공함; b) 포스폰산 유도체, 카르복실산 유도체, 아민 유도체, 포스핀 유도체, 티올 유도체, 티오펜 유도체 또는 이의 조합물을 포함하는 제1 치환기 모듈을 제공함; c) 탄소수 3 내지 22의 알킨 유도체를 포함하는 제2 치환기 모듈을 제공함; d) 임의적으로, 탄소수 1 내지 22의 알킬 유도체를 포함하는 임의적 제3 치환기 모듈을 제공함; 및 e) 제1 치환기 모듈을 제1 위치에 결합시키고, 제2 치환기 모듈을 제2 위치에 결합시키며, 임의적으로 제3 치환기 모듈을 제3 위치에 결합시킴으로써, 유기 조성물을 합성함.
제1, 제2 또는 제3 치환기 모듈 중 하나 이상의 치환기는 나노구조 표면에 결합할 수 있다(또는, 임의적으로 성분이 나노구조 표면에 이미 결합되어 있다). 본체 구조에 대한 각종 모듈의 결합은 본체 구조의 전자적 공액을 파괴하지 않는다. 오히려, 바람직한 구현예에서 본체 구조에 대한 치환기 모듈들 중 하나 이상의 결합은 본체 구조의 공액을 확장시킨다.
본 발명의 일부 구현예들에서, 제1 치환기 모듈은 티오펜 유도체이다. 티오펜-함유의 머리기 치환기 모듈은, a) 아릴할라이드 코어 구조를 제공함; b) 제1 할라이드 위치에서 아릴할라이드 코어 구조를 리튬치환하고, 클로로트리메틸실란(TMSCl)과 반응시켜, TMS-아릴 중간체 코어 구조를 수득함; c) 제2 할라이드 위치에서 중간체 코어 구조를 리튬치환하고, 트리메틸틴클로라이드(Me3SnCl)와 반응시켜, 주석치환된 제2 중간체를 수득함; 및 d) 제2 중간체를 할로겐화 티오펜과 조합하여, TMS-아릴-티오펜 유도체를 포함하는 제1 치환기 모듈을 형성시킴에 의해 제조될 수 있다. TMS-아릴-티오펜 유도체에 대한 포스피트 부분기의 결합은 예를 들어, 팔라듐-촉매된 포스피트-아릴 결합을 수행함으로써 수득될 수 있다. 제1 치환기 모듈은, 모듈을 본체 구조에 결합시키기 전에, 혹은 모듈이 부착된 후에, 나노구조-결합의 부분기(예컨대, 포스피트기)로 작용화될 수 있다.
제2 치환기 모듈로서 이용되는 알킬 부분기의 결합은, 예를 들어 소노가시라(Sonogashira) 결합을 통해 수행될 수 있다. 임의적으로, 본체 구조는 머리 및 꼬리 부분기의 첨가 이전에, 제1(예컨대, 머리) 및/또는 제2(예컨대, 꼬리) 위치에서 티오펜 부분기로 작용화될 수 있다.
각종 반응들을 이용하여, 임의적 제3 치환기를 본체 구조에 결합시킬 수 있다. 예를 들어, 알킬화 반응(예컨대, 윌리암슨(Williamson) 에테르 합성, 프리델-크라프츠(Friedel-Crafts) 알킬화 반응 또는 다른 방향족 친전자성 치환 반응)을 이용하여, 제3 치환기를 히드록실 또는 아민 부분기를 갖는 제3 위치에서 공액 유기 전구체에 결합시키고, 이로써 측쇄-치환된 중간체 조성물을 형성시킬 수 있다.
한 바람직한 구현예에서, 제1 및/또는 제2 치환기 모듈의 부착 이전에, 임의적 제3 치환기 모듈(예컨대, 하나 이상의 측쇄)이 공액 유기 전구체에 결합된다. 예를 들어, 제3 치환기 모듈을 제공하고 결합시키는 것은, a) 약 1.1 몰당량의 측쇄 치환기의 할로겐화 유도체를 제공함; b) 탄산칼륨(K2C03) 및 디메틸 포름아미드(DMF)의 존재 하에 할로겐화 유도체를 공액 유기 전구체와 조합하여, 반응 혼합물을 형성시킴; 및 c) 반응 혼합물을 약 70℃로 가열함으로써, 제3 치환기를 공액 유기 부분기에 결합시킴을 포함할 수 있다.
임의적으로, 부가적 측쇄 치환기는 제3 치환기 결합 단계 동안 공액 유기 전구체에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 제3 치환기 모듈의 결합은 임의적으로 제4 위치에서 제4 치환기를 본체 구조에 결합시키는 것을 추가로 포함한다. 제3 및 제4 치환기는 동일하거나 상이한 화학종일 수 있다.
본 발명의 일부 구현예들에서, 도전성 조성물의 제조 방법은 또한 머리기(및 조성물에 포함된 임의의 다른 나노구조-결합의 부분기)를 나노구조의 외부 표면에 결합 또는 연합시킴으로써, 나노구조-결합된 조성물을 제공하는 단계들을 포함한다. 임의적으로, 이 단계는 도전성 조성물의 합성(예컨대, 고체상 합성) 중에 수행될 수 있다.
중합가능한 성분이 포함되어 있는 치환기 모듈을 이용하는 구현예에 있어서, 도전성 조성물의 제조 방법은 임의적으로 조성물을 나노구조 표면에 결합시킨 후에 유기 조성물을 중합시킴으로써, 중합된 공액 유기 조성물을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
다른 한 측면으로서, 본 발명은 또한 나노구조(예컨대, 나노결정)와 외부 매트릭스 사이의 상호작용을 개질하는 방법을 제공한다. 이 방법은 a) 나노구조를 본 발명의 도전성 조성물로 처리함; 및 b) 처리된 나노구조 및 매트릭스 조성물을 포함하는 나노구조-함유의 매트릭스를 형성시킴으로써, 나노구조와 외부 매트릭스 사이의 상호작용을 개질함의 단계들을 포함한다. 임의적으로, 나노구조에 적용되는 도전성 조성물은 원위치 중합되어, 중합된 도전성 조성물을 형성시킬 수 있다. 다른 한 구현예에서, 코팅된 나노구조가 들어가게 되는 매트릭스 조성물은 본 발명의 중합체성 도전성 조성물을 구성한다.
본 발명은 또한 본 발명의 도전성 조성물이 포함된 광전기적 장치, 광기전 장치 및 발광 장치(LED)와 같은 장치들을 제공한다. 본 발명의 도전성 조성물은 나노규모 및 비-나노규모(예컨대, 벌크 결정)의 어셈블리에 결합될 수 있다. 본 발명의 장치는 전형적으로 제1 전극 표면 및 제2 전극 표면을 포함하고, 양 전극 사이에 배치되고 제1 전극 표면 및 제2 전극 표면에 전기적으로 결합된 도전성 조성물을 포함하는 반도체 또는 나노구조-함유의 매트릭스 조성물을 가진다. 한 구현예에서, 본 발명의 도전성 조성물은 U.S. 특허출원 USSN 60/421,353(2002년 10월 25일 출원); USSN 60/452,038(2003년 3월 4일 출원); US 출원 대리인 도켓번호 제40-001320US호(2003년 9월 4일 출원); 및 국체출원 대리인 도켓번호 제40-001320PC호에 기재되어 있는 것들과 동일한 광기전 장치에 포함된다. 대안적으로, 본 발명의 조성물은 디스플레이 또는 백광원으로 사용하기 위한 LED를 제조하기 위한, 형광 코어/쉘 나노구조를 포함하는 장치에의 전하 주입을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명
본 발명은 나노결정 표면 전반에 걸친 전하 수송, 또는 나노결정-함유의 매트릭스(예컨대, 나노복합체, 예컨대 하나 이상의 나노결정, 예컨대, 하나 이상의 무기 나노결정을 포함하는 나노복합체) 내에서의 전하 수송을 개질하는데 사용될 수 있는 도전성 작은 분자, 올리고머 및 중합체를 제공한다.
광기전 장치는 빛(태양 에너지)을 저장가능한 에너지로 전환시킨다. 빛이 나노복합체(예컨대, 나노결정-함유의 조성물) 내의 나노결정성 구조에 의해 흡수될 때, 흡수는 전자-정공 쌍(또한 "여기자"라고도 함)을 형성시킨다. 전자 및 정공은 부분적으로는 나노복합체의 형태에 따라서, 재조합하거나 그대로 유지될 수 있다. 전자 및 정공의 제조합은, 일부 용도(예컨대, LED에서의 발광)에서는 바람직하나, 다른 용도에서는 바람직하지 못하다.
광기전 장치에 이용된 나노복합체에서, 예를 들어 전자 및 정공은 바람직하게 재조합하지 않고, 반대 전극으로 이동한다. 그러나, 나노구조(예컨대, 나노와이어, 분지 나노와이어, 나노결정, 비결정성 나노구조, 나노입자, 나노테트라포드 등)는 전형적으로 성질상 비도전성인 하나 이상의 표면 리간드(예컨대, 합성 중에 도입되는 계면활성제 분자)를 포함한다. 예컨대, US 특허출원 60/389,029(2002년 6월 13일 출원; 엠페도슬즈(Empedocles); 발명의 명칭: 광전자제품을 가능하게 하는 나노기술(Nanotechnology enabled optoelectronics)), 및 Milliron 등(2003), "CdSe 나노결정 및 유기 반도체 간의 전자 이동을 중개하기 위한 전기활성 계면활성제(Electroactive surfactant designed to mediate electron transfer between CdSe nanocrystals and organic semiconductors)" Adv. Mater. 15: 58-61를 참고로 한다. 상기 비도전성 나노구조 코팅의 존재는 광기전 장치에서의 전하 분리의 효율성을 감소시킨다. 본 발명의 조성물은 나노복합체에서 발생된 전자 및 정공의 수송(예컨대, 분리)을 완화, 증진, 또는 기타 조절하기 위해 고안된 것이다. 사용 중에, 조성물은 나노결정 표면에 결합되어, 조성물 내의 공액 유기종이 나노결정을 통과하는 전자 및/또는 정공과 전자적으로 상호작용하도록 한다. 상기한 바와 같이, 이는 성질상 비도전성인 현재 입수가능한 유기 나노결정성 코팅과 대조적이다.
정의
본 발명을 상세히 설명하기 이전에, 본 발명은 특별한 장치 또는 생물학적 시스템에 제한되지 않으며, 그 장치나 시스템은 물론 다양할 수 있음을 이해하도록 한다. 또한, 본원에 이용한 용어들은 단지 특별한 구현예를 기술하기 위한 목적에 의한 것이므로, 이에 제한하고자 의도된 것이 아님도 이해하여야 한다. 본 명세서 및 첨부 특허청구범위에 사용된, 관사들[(주)"a", "an" 및 "the" - 본 한글 명세서에서는 적절히 번역됨]은 달리 그 내용이 지시되지 않는 한, 복수의 지시대상을 포함한다. 이에 따라, 예를 들어 "[a] 나노결정 표면" 또는 "[a] 나노구조 표면"은 2개 이상의 표면의 조합물을 가리키고, "[a] 치환기"는 치환기들의 혼합물을 포함한다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 전문 용어 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 당업계의 숙련가(당업자)에 의해 통상적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 가진다. 본원에 기재된 것들과 유사하거나 동등한 임의의 방법 및 물질이 본 발명의 시험을 수행하는데 사용될 수 있으나, 바람직한 물질 및 방법이 본원에 기술되어 있다. 본 발명을 기술하고 청구할 때, 이하 제시되는 정의에 따라 하기 용어들이 사용된다.
본원에 사용된 용어 "도전성 조성물"은 전자 전도, 정공 전도 또는 기타 전하 이동을 수행하는 능력을 위한 성능을 갖는 단량체성(예컨대, 리간드), 올리고머성 또는 중합체성 조성물을 가리킨다.
용어 "공액 유기 부분기"는 단일 결합과 교대하면서 2개 이상의 이중결합을 갖는 유기(즉, 탄소-함유의) 분자를 가리키고, 이에 따라 직선 및 고리 구조가 포함된다.
본원에 사용된 용어 "작용화"는 반응성 화학적 부분기 또는 작용기의 존재를 가리킨다.
본원에 사용된 용어 "알킬"은 단가 기 CnH2n(식 중, n은 0 초과의 정수임)로 구성되거나 그것을 포함하는 화학적 치환기를 가리킨다.
본원에 사용된 용어 "아릴"은 방향족기로 구성되거나 그것을 포함하는 화학적 치환기를 가리킨다.
용어 "모노덴테이트" 및 "멀티덴테이트"는 부착 위치의 수를 가리킨다(모노덴테이트는 하나의 위치를 가지고, 멀티덴테이트는 하나 초과의 위치를 가짐).
본원에 사용된 용어 "중합가능한 요소"는 자기중합 및/또는 공중합 반응을 수행할 수 있는 화학적 치환기 또는 부분기를 가리키고, 이에 따라 이에는 한정되는 것은 아니나, 비닐 유도체, 부타디엔, 트리엔, 테트라엔, 디올레핀, 아세틸렌, 디아세틸렌, 스티렌 유도체, 또한 당업자에게 공지된 다른 반응성 작용기를 포함한다.
본원에 상호교환적으로 사용된 용어 "올리고머성" 및 "중합체성"은 하나 초과의 성분 단량체 또는 서브유닛을 갖는 다량체성 구조를 가리킨다.
본원에 사용된 용어 "매트릭스"는 제2 물질(예컨대, 나노결정성 조성물)이 삽입되거나 둘러싸여지는 물질, 종종은 중합체성 물질을 가리킨다. 매트릭스는 도전성 조성물, 반도전성 조성물 또는 비도전성 조성물일 수 있다.
"나노구조"는 약 500 nm 미만, 예컨대, 약 200 nm 미만, 약 100 nm 미만, 약 50 nm 미만 또는 심지어는 약 20 nm 미만의 하나 이상의 영역 또는 특징적 치수를 갖는 구조이다. 전형적으로, 영역 또는 특징적 치수는 구조의 가장 작은 축을 따른 것이다. 그러한 구조의 예에는, 나노와이어, 나노로드, 나노튜브, 분지 나노결정, 나노테트라포드, 트리포드, 비포드, 나노결정, 나노도트, 양자 도트, 나노입자, 분지 테트라포드(예컨대, 무기 덴드리머) 등이 포함된다. 나노구조는 물질 성질상 실질적으로 균질하거나, 일부 구현예들에서는 비균질할 수 있다(예컨대, 헤테로구조). 나노구조는 예컨대, 실질적으로 결정성, 실질적으로 모노결정성, 폴리결정성, 비결정성 또는 이의 조합일 수 있다. 한 측면에서, 나노구조의 3가지 치수의 각각은 약 500 nm 미만, 예컨대 약 200 nm 미만, 약 100 nm 미만, 약 50 nm 미만, 또는 심지어는 약 20 nm 미만의 치수를 가진다. 나노구조는 하나 이상의 표면 리간드(예컨대, 계면활성제)를 포함할 수 있다.
나노구조에 대하여 사용된 용어 "결정성인" 또는 "실질적으로 결정성인"은, 나노구조가 전형적으로 구조의 하나 이상의 치수 전반에 걸친 긴 범위의 차수(ordering)를 나타내는 사실을 가리킨다. 당업자라면, 단일 결정에 대한 차수가 결정의 경계를 벗어나 확장될 수 없으므로, "긴 범위 차수"가 특정 나노구조의 절대적 크기에 따라 좌우된다는 것을 이해할 것이다. 이 경우에서, "긴 범위 차수"는 나노구조의 치수의 적어도 대부분에 걸친 실질적 차수를 의미한다. 일부 예들에서, 나노구조는 산화물 또는 다른 코팅을 가질 수 있거나, 또는 하나의 코어 및 하나 이상의 쉘로 구성될 수 있다. 그러한 예에서, 옥시드, 쉘(들) 또는 다른 코팅은 그러한 차수를 나타낼 필요가 없다는 것을 인지한다(예컨대, 비결정성, 폴리결정성 또는 기타의 것일 수 있다). 그러한 예에서, 표현구 "결정성인,""실질적으로 결정성인", "실질적으로 모노결정성인", 또는 "모노결정성인"은 (코팅 층 또는 쉘을 배제하는) 나노구조의 중심 코어를 가리킨다. 본원에 사용된 용어 "결정성인" 또는 "실질적으로 결정성인"은, 구조가 실질적으로 긴 범위의 차수(예컨대, 나노구조 또는 그것의 코어의 하나 이상의 축의 길이의 약 80% 이상의 차수)를 나타내는 한, 각종 결점, 적층결함, 원자적 치환 등을 포함하는 구조를 또한 포괄하도록 의도된다. 부가적으로, 코어와 나노구조의 외부 사이, 또는 코어와 인접 쉘의 사이, 또는 쉘 및 제2 인접 쉘 사이의 계면이 비결정성 영역을 가질 수 있고, 심지어 비결정성일 수 있음을 인지한다. 이는 나노구조가 본원에 정의된 바와 같이 결정성 또는 실질적으로 결정성이 되도록 하는 것을 방해하지 않는다.
나노구조에 대해 사용된 용어 "모노결정성인"은, 나노구조가 실질적으로 결정성이고, 실질적으로 단일 결정을 포함한다는 것을 가리킨다. 나노구조에 대해 사용될 때, 하나의 코어 및 하나 이상의 쉘을 포함하는 헤테로 구조, "모노결정성인"은 코어가 실질적으로 결정이고, 실질적으로 단일 결정을 포함한다는 것을 가리킨다.
"나노결정"은 실질적으로 모노결정성인 나노구조이다. 이에 따라, 나노결정은 약 500 nm 미만, 예컨대, 약 200 nm 미만, 약 100 nm 미만, 약 50 nm 미만, 또는 심지어는 약 20 nm 미만의 치수를 갖는 하나 이상의 영역 또는 특징적 치수를 가진다. 전형적으로, 영역 또는 특징적 치수는 구조의 가장 작은 축을 따른 것이다. 그러한 구조의 예에는, 나노와이어, 나노로드, 나노튜브, 분지 나노와이어, 나노테트라포드, 나노트리포드, 나노비포드, 나노결정, 나노도트, 양자 도트, 나노입자, 나노리본 등이 포함된다. 나노구조는 물질 성질상 실질적으로 균질할 수 있거나, 일부 구현예들에서는 비균질할 수 있다(예컨대, 헤테로구조). 임의적으로, 나노결정은 하나 이상의 표면 리간드(예컨대, 계면활성제)를 포함할 수 있다. 나노결정은 구조적으로 임의적으로 실질적으로 단일 결정이다("단일 결정 나노구조" 또는 "모노결정성 나노구조"). 본 발명에 사용하기 위한 나노구조는 본질적으로 임의의 편리한 물질 또는 물질들로부터 제작될 수 있으나, 바람직하게는 나노구조가 무기 물질, 예컨대, 무기 도전성 또는 반도전성 물질로부터 제조된다. 도전성 또는 반도전성 나노구조는 종종 1-치수 양자 제한을 표시하며, 예컨대 전자는 종종 구조의 한 치수만을 따라 이동할 수 있다. 나노결정은 물질 성질상 실질적으로 균질할 수 있거나, 일부 구현예들에서는 비균질할 수 있다(예컨대, 헤테로구조). 용어 "나노결정"은 각종 결점, 적층 결함, 원자적 치환 등을 포함하는 실질적으로 모노결정성인 나노구조, 또한 그러한 결점, 결함 또는 치환을 갖지 않는 실질적으로 모노결정성인 나노구조를 포괄하는 것으로 의도된다. 하나의 코어 및 하나 이상의 쉘을 포함하는 나노결정 헤테로구조의 경우, 나노결정의 코어는 전형적으로 실질적으로 모노결정성이나, 쉘(들)은 모노결정성일 필요는 없다. 나노결정은 본질적으로 임의의 편리한 물질 또는 물질들로부터 제작될 수 있다.
"나노와이어"는 다른 2개의 주요 축보다 긴 하나의 주요 축을 갖는 나노구조이다. 결과적으로, 나노와이어는 1 초과의 종횡비를 가지고; 본 발명의 나노와이어는 약 1.5 초과 또는 약 2 초과의 종횡비를 가진다. 경우에 따라 나노로드라고 칭해지는 짧은 나노와이어는, 전형적으로 약 1.5 내지 약 10의 종횡비를 가진다. 더 긴 나노와이어는 약 10 초과, 약 20 초과, 약 50 초과 또는 약 100 초과, 또는 심지어는 약 10,000 초과의 종횡비를 가진다. 나노와이어의 직경은 전형적으로 약 500 nm 미만, 바람직하게는 약 200 nm 미만, 더욱 바람직하게는 약 150 nm 미만, 가장 바람직하게는 약 100 nm, 약 50 nm 또는 약 25 nm 미만, 또는 심지어는 약 10 nm 또는 약 5 nm 미만이다. 본 발명에 이용된 나노와이어는 물질 성질상 실질적으로 균질할 수 있거나, 일부 구현예들에서는 비균질할 수 있다(예컨대, 헤테로구조). 나노와이어는 본질적으로 임의의 편리한 물질 또는 물질들로부터 제작될 수 있다. 나노와이어는 "순수한" 물질, 실질적으로 순수한 물질, 도핑된 물질 등을 포함할 수 있고, 절연체 및 반도체를 포함할 수 있다. 나노와이어는 전형적으로 실질적으로 결정성이고/이거나 실질적으로 모노결정성이다. 나노와이어는 가변적 직경을 가질 수 있거나, 실질적으로 균일한 직경, 즉 최대 가변 영역에 있어서, 또한 5 nm 이상(예컨대, 10 nm 이상, 20 nm 이상 또는 50 nm 이상)의 직선상 치수 상에서, 약 20% 미만(예컨대, 약 10% 미만, 약 5% 미만 또는 약 1% 미만)의 변차를 나타내는 직경을 가질 수 있다. 전형적으로 직경은 나노와이어의 말단에서 떨어져(예컨대, 나노와이어의 중앙 20%, 40%, 50% 또는 80%에서), 평가된다. 나노와이어는 긴 축의 전부 또는 그것의 일부 상에서, 직쇄일 수 있거나, 예컨대 곡선이거나 휘어져 있을 수 있다. 일부 구현예들에서, 나노와이어 또는 그것의 일부는 2- 또는 3-치수 양자 제한을 나타낼 수 있다. 본 발명에 따른 나노와이어는 탄소 나노튜브를 공시적으로 배제할 수 있고, 일부 구현예들에서, "휘스커(whisker)" 또는 "나노휘스커", 특히 100 nm 초과 또는 약 200 nm 초과의 직경을 갖는 휘스커를 배제할 수 있다. 나노로드, 나노와이어 및 기타 나노구조가 본원에 온전히 그 내용이 인용되고 있는 대리인 도켓번호 제40-000820US호(본원과 공출원됨)에 상세하게 기재되어 있다.
"종횡비"는 나노구조의 제1 축의 길이를 나노구조의 제2 축 및 제3 축의 길이들의 평균으로 나눈 것으로서, 여기에서 제2 축 및 제3 축은 그 길이가 서로 가장 거의 동일한 2개의 축이다. 예를 들어, 완전한 로드를 위한 종횡비는, 긴 축의 길이를 긴 축에 대해 수직(법선)인 단면의 직경으로 나눈 것이다.
HOMO 및 LUMO 상태 간의 "밴드 갭 차이"는 밸런스와 전도 밴드를 나누는 "밴드 갭" 영역 전반에 걸친 전이에 필요한 에너지를 가리킨다.
도전성 조성물
한 측면에서, 본 발명은 전하 수송의 개질, 예컨대, 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송의 개질을 위한 도전성 조성물을 제공한다. 조성물은 나노결정-함유의 광기전 매트릭스와 같은 나노구조 조성물과 함께 사용된다. 대안적으로, 본 발명의 도전성 조성물은 비-나노규모 반도전성 성분과 함께 이용될 수 있다. 본 발명의 도전성 조성물은 전형적으로 3가지 기본 성분, 즉 코어 요소 또는 "본체 구조, 제1 위치에서 본체 구조에 결합되고 나노구조 표면과 연합할 수 있는 "머리기", 및 제2 위치에서 본체 구조에 결합된 "꼬리기"를 포함한다. 부가적으로, 도전성 조성물은 임의적으로, 부가적 위치들(즉, 제3 위치, 제4 위치 등)에서 본체 구조에 결합된 하나 이상의 "측쇄" 요소를 포함한다.
상기 성분들의 각각은 이하에 더욱 상세히 기재된다. 본 발명의 도전성 조성물을 포함하는 요소들은 함께 작용하여, 결합된 표면(예컨대, 나노결정 표면) 상의 도전성 코팅, 또는 반도체 표면을 포괄하는 중합체성 매트릭스를 제공함으로써, 전자 및/또는 정공 이동을 허용하고/하거나 증진시킨다. 예를 들어, 빛이 광전기적 장치(예컨대, 광기전 장치)의 나노결정 성분에 영향을 줄 때, 광자가 나노결정 내에서 여기자를 발생시키는 나노결정에 의해 흡수된다. 정공으로부터 나온 전자를 전도함에 의해, 이용될 수 있는 전기 전위가 발생된다. 본 발명의 도전성 조성물(예컨대, 리간드-형 코팅 및/또는 중합체성 매트릭스)은 전기 전위의 발생을 보조한다. 이 보조는, 예를 들어 전자를 나노결정 또는 다른 반도전성 물질에 공여(주입)함, 또는 나노결정 또는 반도체로부터 분리된 정공을 전도(추출)함에 의한 것일 수 있다. 한 바람직한 구현예에서, 본 발명의 도전성 조성물에 의해 증진된 전하 이동성(전자들의 이동)은 전자 및 정공의 재조합을 피하기에 충분히 빠르다. 본 발명의 도전성 조성물 및 그와 관련된 장치(예컨대, 광기전 장치 및 LED)와 관련한 전하 분리 및 전도의 추가적 논의는 가출원 USSN 60/452,038 [Scher 등; 2003년 3월 4일 출원; 발명의 명칭: 나노복합체-기재의 광기전 장치(Nanocomposite-Based Photovoltaic Devices)]에서 찾아볼 수 있다.
본체 구조
공액 유기 부분기가 도전성 조성물의 코어를 위해 선택된다. 이 공액 부분기는 전형적으로 공액 알킬 부분기 또는 공액 아릴 부분기이다. 본 발명의 조성물에 사용하기 위한 예시적 본체 구조에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 페닐렌, 티오펜, 에텐, 에틴, 아닐린, 피리딘, 페난트랄렌, 각종 알케닐 구조 등이 포함된다. 일부 구현예들에서, 다핵성 방향족 부분기(예컨대, 다핵성 방향족 탄화수소 또는 PAH)가 공액 유기 부분기로 이용된다. 예시적 PAH 화합물에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 안트라센, 벤조[a]안트라센, 크리센, 플루오렌, 페릴렌, 나프탈렌, 아세나프텐, 아세나프탈렌, 페난트렌, 피렌, 벤조[a]피렌 등이 포함된다.
한 구현예에서, 공액 유기 부분기의 기능은, 결정으로부터 중합체 매트릭스(및, 임의적으로는 예컨대, 광기전 장치의 전극 또는 전극 표면)로의 정공 수송을 제공하는 것이다. 도전성 조성물의 상기 공액 "골격"에 따른 정공 이동(예컨대, 전하 수송)은 본체 구조의 전자적 특성을 선택하거나 매칭함으로써 증진되며, 이에 따라 나노결정으로부터 중합체 매트릭스로의 정공 수송이 전자 수송보다 우세하다(즉, 도전성 조성물의 본체 구조 요소는 나노결정보다 높은 HOMO 에너지 수준을 가지고, 둘러싸고 있는 중합체보다 낮은 HOMO 수준을 가진다). 대안적으로, 본 발명의 도전성 조성물은 증진된 전자 수송을 위해 모듈방식으로 고안될 수 있다.
본 발명의 일부 구현예들에서, 본체 구조는 올리고머성 또는 중합체성 구조, 예컨대 폴리(페닐렌), 폴리(티오펜), 폴리(에텐), 폴리(에틴), 폴리(아닐린), 폴리(플루오렌), 폴리(피리딘), 폴리(PAH) 등이다. 중합 정도는 단지 수개의 반복 요소(예컨대, 2, 3, 4, 5, 6 등)에서부터 보다 긴 중합체(예컨대, 10개의 반복 단위를 갖는 것)에 이르기까지 다양할 수 있다. 또한, 당업자에게 공지된 부가적 또는 대안적 올리고머성 또는 중합체성 공액 구조가 본 조성물의 본체 구조로서 이용될 수도 있다.
머리기
본 발명의 도전성 조성물은 공액 유기 부분기 상의 제1 위치에서 본체 구조에 결합된 "머리기"를 추가로 포함한다. 비결합 형태에서, 머리기는 나노구조 표면에 결합할 수 있는 작용화 요소이다. 임의적으로, 머리기는 (예컨대, 조성물이 나노구조와 연합하는 구현예의 경우) 결합된 머리기이다. 결합된 화학적 구조 및 작용화된 화학적 구조의 양자 모두는 본 발명의 "머리기"로 간주된다.
본 발명에서 작용화 머리기로서 사용하기 위한 예시적 화학적 부분기에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 포스폰산, 포스핀산, 카르복실산, 아민, 아민 옥시드, 포스핀, 포스핀 옥시드, 포스포네이트, 포스포니트, 히드록실 및 티올 부분기가 포함된다.
대안적으로, 질소-함유의 방향족 화합물 또는 복소환(예컨대, 이미다졸, 벤조이미다졸, 피리딘, 피리미딘, 푸린 또는 퀴놀린)도 또한 본 발명의 조성물 내의 나노구조-결합의 머리기 부분기로 사용될 수 있다. 예시적 화합물에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 2-메틸피리딘, 3-에틸피리딘, 4-클로로피리딘, 콜리딘, 디메틸퀴놀린의 유도체, 및 나노구조 성장 종결제로서 통상 사용되는 기타 화합물이 포함된다.
일부 구현예들에서, 작용화된 (또는 결합된) 머리기는 모노덴테이트 구조(예컨대, 나노구조에 결합가능한 단일 부분기)이다. 대안적 구현예들에서, 머리기는 나노구조 표면과 복수의 상호작용들을 할 수 있는 멀티덴테이트 구조이다.
임의적으로, 머리기 요소는 하나 이상의 중합가능한 요소들을 포함한다. 중합가능한 요소는 일부 구현예들에서, 복수의 머리기 모듈들이 (예컨대, 직선적으로) 단일 본체 구조에 부착된 도전성 조성물을 제조하는데 사용될 수 있다. 그러한 한 조성물은 화학식 (Hx)-B-T (여기에서 x 반복수의 머리 부분기(H)는 예컨대, 공액 조성물의 합성 중에, 본체 구조(B) 및 꼬리기(T)에 부착됨)를 가진다. 대안적으로, 머리기 상의 중합가능한 요소는 도전성 조성물의 인접 요소를 중합하는데 사용된다. 중합은 2개의 머리기 사이, 또는 도전성 조성물의 하나의 머리기와 다른 한 요소(예컨대, 꼬리기 또는 임의적 측쇄) 사이에서 일어날 수 있다. 이 성질의 예시적 조성물은 화학식 (H-B-T)n(식 중, n은 중합체 내의 구성원 조성의 수(또는 평균 수)를 나타냄)로 표시된다. 인접 요소는 바람직하게, 나노구조 표면에 부착된 후 중합되고, 일부 중합가능한 구현예들에서, 요소는 나노구조에의 노출 전에 중합된다.
꼬리기
본 발명의 도전성 조성물은 또한 공액 유기 부분기 상의 제2 위치(꼬리 위치)에서 본체 구조에 결합된 꼬리기를 포함한다. 도전성 또는 비-도전성 화학적 구조는 본 발명에서 꼬리기로서 이용될 수 있다. 전형적으로, 꼬리기는 n개의 탄소들(여기에서, n은 3 내지 22임)로 구성된 알킬 구조이나; 더 큰 알킨 구조(탄소수 22 초과)도 또한 본 발명의 조성물에 사용하기 위해 구상된다. 본 발명에 사용하기 위한 예시적 알킨에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 1-프로핀,1-부틴, 1-펜틴, 1-헥신,1-헵틴, 1-옥틴, 1-노닌 및 1-데신이 포함된다. 임의적으로, 탄소수 3 내지 22(또는 그 이상)의 임의의 알킨이 본 발명에서 꼬리기로서 이용될 수 있다. 대안적으로, "견고한" 요소를 갖는 다른 부분기, 예컨대 메틸렌, 아릴, 아세틸렌 및 알켄기가 본 발명에서 꼬리기로서 사용될 수 있다. 더욱 견고한 구성성분들이 더욱 도전성이 큰 조성물(및 도전성 조성물이 중합가능한 요소를 포함하는 구현예에서, 더욱 열동력학적으로 예측가능한 생성물)을 제조하는데 사용될 수 있다.
알킨 구조는 부분적으로 조성물이 이용되는 특별한 시스템에 따라, 직선상 또는 분지상일 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, (예컨대, 구조의 아릴 성분의 위치 지정을 변경시킴으로써) 꼬리기로서 이용된 분지 알키닐 사슬에 의해 발생된 증가된 입체 장애가 도전성 조성물의 공액에 영향을 줄 수 있다. 분자-분자 및 중합체-분자 순서, 적층 및 팩킹의 변화는 또한 전자적 성질 및 전하 수송 성능에 영향을 줄 수 있다. 한 바람직한 구현예에서, 직선상(예컨대, 비- 분지) 알킬 사슬은 꼬리기 부분기로서 사용하기에 바람직하다.
일부 구현예들에서, 꼬리기는 티오펜 부분기를 추가로 포함하고; 티오펜은, 존재할 경우, 알킨 부분기와 본체 구조 사이에 바람직하게 위치한다(예컨대, 티오펜은 본체 구조의 제2 위치에서 공액 유기종에 꼬리기를 결합시킨다).
임의적으로, 꼬리기는 나노구조 표면에 결합가능한 화학적 작용기를 추가로 포함한다. 머리기 요소에 대해 기재한 바와 같이, 꼬리기는 모노덴테이트 또는 멀티덴테이트 구조일 수 있다. 꼬리기에 포함된 나노구조-결합의 작용기는, 존재할 경우, 예를 들어 제2 나노구조 표면에의 결합을 위해 (예컨대, 인접 나노결정들 사이를 연결하는 조성을 형성하기 위해) 임의적으로 사용된다.
예를 들어, 다른 한 구현예에서, 본 발명의 도전성 조성물은, 화학식 CC-(CH2)n-CC (식 중, CC는 (본 구현예에서 알킬 사슬과 측면에 접하는) 이중 또는 삼중결합의 탄소원자들임)을 갖는 디-알킨 또는 디-알켄 꼬리기 치환기를 포함할 수 있다. 임의적으로, 나노구조 결합 부분기(예컨대, 포스파네이트)는 꼬리 요소 내에, 예컨대 (화학식 (OH)2P(O)-CC-(CH2)n-CC-에 의해 표시되는 바와 같이) 본체 구조에 부착하기 위한 위치와 떨어진 위치에서 포함된다. 꼬리기 모듈 내의 다중 알킨 또는 알켄 부분기의 존재는 꼬리의 기하학 구조를 변경시키기 위해 사용될 수 있고, 머리기의 결합에 영향을 줄 수 있다. 꼬리기에 포함된 나노구조 결합 부분기는 머리기 내에 존재하는 동일하거나 상이한 부분기일 수 있다. 임의적으로, 꼬리기에 포함된 나노구조 결합 부분기는 머리기와 동일한 나노구조에 결합하는데 사용될 수 있거나, 또는 인접한 결정에 결합될 있다(즉, 결정들을 연결함). 다른 한 구현예에서, 상이한 나노구조를 갖는 구조에 우세하게 부착하는 상이한 나노구조 결합 부분기가 본 발명의 멀티덴테이트 도전성 조성물에 이용된다(예컨대, 비대칭 비덴테이트 도전성 조성물을 형성함). 그러한 조성물은 2개의 결정 시스템 내에 나노구조를 배열하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 한 구현예에서, 꼬리기는 하나 이상의 중합가능한 요소를 포함한다. 전술한 바와 같이, 일부 구현예들에서는, 복수의 꼬리기 모듈이 (예컨대, 직선상으로) 단일 본체 구조에 부착된 도전성 조성물을 제조하기 위해, 중합가능한 요소가 이용될 수 있다. 한가지 그러한 조성물은 화학식 H-B-(Tz) (식 중, z 반복수의 꼬리 부분기들이 본체 구조에 부착됨)을 가진다. 대안적으로, 꼬리기 상의 중합가능한 요소는 머리기 상의 임의적 중합가능한 요소에 대해 기재한 바와 유사하게, 도전성 조성물의 인접 요소를 중합하는데 사용된다(예컨대, 2개의 꼬리기들 사이, 또는 하나의 꼬리기와 도전성 조성물의 또 다른 하나의 요소 사이). 인접 요소는 바람직하게, 나노구조 표면에 부착된 후에 중합되며, 한편 중합가능한 요소는 나노구조에 조성물이 노출되기 전에 결합될 수 있다.
임의적 측쇄
본체 구조는 공액 유기종에 결합된 하나 이상의 측쇄를 임의적으로 포함한다. 임의적으로, 도전성 조성물은 (적당한 형태를 갖는 본체 구조가 제공되는 부가적 측쇄도 구상할 수 있으나) 2, 3 또는 4개의 측쇄를 포함한다.
측쇄 조성의 변화는 예컨대, 조성물의 전자적 조정, 및/또는 중합 목적을 위해, 도전성 조성물의 가용성을 변경시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 측쇄는 임의적으로 카르보닐 에스테르 부분기를 포함할 수 있고; 카르보닐의 전자유인성의 결과, 이 측쇄를 갖는 도전성 조성물은 전자 이동을 증진시킨다(우세하게 한다). 대안적으로, 측쇄 치환기로서의 단순 알킬 사슬의 포함은 치환기의 전자공여성 성질로 인해 정공 이동을 우세하게 한다.
도전성 또는 비-도전성 화학적 구조는 본 발명에서 측쇄로 이용될 수 있다. 도전성 화학적 구조는 유기 코어 구조의 공액을 확장하는 부가 이점을 가진다.
한 바람직한 구현예에서, 측쇄는 0-연결 또는 N-연결 화학적 구조이다(예컨대, 본체 구조 상에 존재하는 히드록실 또는 아민기에 결합됨). 본 발명에 사용하기 위한 예시적 측쇄 부분기에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 0-연결 또는 N-연결 헥산 부분기, 0-연결 또는 N-연결 2-에틸헥실 부분기, 0-연결 또는 N-연결 옥틸 부분기, 0-연결 또는 N-연결 데실 부분기가 포함된다. 임의적으로, 탄소수 5 내지 22(또는 그 이상)의 임의의 0-연결 또는 N-연결 알킬 부분기가 (알칸, 알켄, 알킨, 비닐 및 아릴 구조를 포함하는) 측쇄 성분으로 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 측쇄 요소로 이용되는 화학적 치환기는 임의적으로 의도된 용도에 따라, 전자공여성기 또는 전자유인성기일 수 있다. 예를 들어, 전하 수송의 개질이 전자 수송을 포함하는 구현예에서는, 전자유인성기가 바람직하고; 대조적으로 "정공"의 수송을 위해서는, 전자공여성기가 더 잘 작용한다.
한 바람직한 구현예에서, 제1 측쇄는 제1 측쇄 위치(즉, 공액 유기종 상의 제3 위치)에서 본체 구조에 결합하고, 제2 측쇄는 제2 측쇄 위치(즉, 공액 유기종 상의 제4 위치)에서 본체 구조에 결합한다. 측쇄는 동일한 화학적 부분기일 수 있거나, 또는 화학적 구조가 상이할 수 있다. 임의적으로, 측쇄(들)는 머리기 또는 꼬리기와 동일한 화학적 조성을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 구현예들에서, 측쇄 치환기는 나노구조-함유의 매트릭스의 매트릭스 조성물에 작용적으로 및/또는 전자적으로 매칭된다. 예를 들어, 측쇄는 임의적으로 매트릭스 작용기와 상호작용하는(예컨대, 친화성 결합, 이온성 상호작용, 공유 상호작용 및/또는 결합 형성 등) 작용기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 측쇄 요소는 둘러싸고 있는 매트릭스의 전자서명에 영향을 주기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도전성 조성물(예컨대, 리간드)과 중합체 매트릭스 사이의 거리, 아릴기 매트릭스-매트릭스 적층 거리, 및 팩킹 순서, 및/또는 매트릭스-리간드 적층 거리 및 팩킹은 도전성 조성물의 측쇄 요소를 변화시킴으로써 변경 또는 조절될 수 있으며, 이로써 측쇄와 둘러싸고 있는 매트릭스와의 상호작용에 영향을 주고, 매트릭스-리간드- 나노구조 시스템의 전자서명을 개질시킨다.
측쇄의 알킬부의 길이는 가용성에 영향을 주기 위해 사용될 수 있으며; 이에 따라 임의의 길이 또는 분지 방식을 가질 수 있다. 가용성 및 전자적 성질의 양자 모두는 측쇄 요소들의 각종 조합을 통해, 동시에 (또는 독립적으로) 조정될 수 있다.
본 발명의 다른 한 구현예에서, 측기는 하나 이상의 중합가능한 요소를 포함한다. 본 발명의 조성물의 일부 구현예들에서, 측쇄 상의 중합가능한 요소는 서로 상호작용하고, 이로써 도전성 조성물의 개별적 구성원을 가교시켜, 중합체성 도전성 조성물을 형성시킨다. 중합은 인접한 도전성 조성물 상의 측쇄들 사이에, 또는 도전성 조성물의 하나의 측쇄와 다른 하나의 요소(예컨대, 머리기 또는 꼬리기) 사이에서 일어날 수 있다. 인접 요소는 바람직하게 나노구조 표면에 부착된 후 중합되고, 일부 구현예들에서 요소는 나노구조에 노출되기 전에 중합된다.
대안적으로, 중합가능한 요소는, (예컨대, 도전성 조성물에 대해 부가적 부분기를 결합하기 위한 수단으로서) 확장된 측쇄 성분을 제조하는데 이용될 수 있다.
측쇄 요소에 포함될 수 있는 예시적 화학적 부분기에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 길이가 탄소수 1 내지 22(또는 그 이상)인 알킬(예컨대, 알칸, 알켄 또는 알킨) 사슬, 카르보닐, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 신남산 에스테르 등이 포함된다. 일부 구현예들에서, 측쇄 요소는 부타디엔(예컨대, O-C(O)-(CH2)n-부타디엔)과 같은 디엔 부분기를 갖는 카르보닐 에스테르를 포함한다. 에스테르화 알킬 사슬에 따라 어디에서도(예컨대, 카르보닐 부근, 알킬 사슬의 중앙쪽으로, O-연결기와 떨어진 말단에) 위치할 수 있는 디엔 부분기가, 이어서 빛으로 2+2 또는 4+4 중합 반응을 통해 임의적으로 중합될 수 있다. 예를 들어, Paleos(저) 조직화 매질에서의 중합(Polymerization in Organized Media (Gordon and Breach SClence Publishers, 미국 필라델피아, 1992)를 참고로 한다.
또한, 본 발명의 도전성 조성물의 화학적 합성에 대한 모듈적 접근법(예컨대, 수렴적 주변 개질)은 각종 머리 부분기, 꼬리기 및 임의적 측쇄 요소들의 수많은 조합들을 가능하게 한다.
본 발명의 예시적 도전성 조성물이 하기 표 1, 도면 및 실시예에 나와 있다.
[예시적 도전성 조성물]
Figure 112005011346262-pct00001
Figure 112005011346262-pct00002
Figure 112005011346262-pct00003
Figure 112005011346262-pct00004
중합체 구현예
상술한 바와 같이, 도전성 조성물의 구성성분들 중 하나 이상은 임의적으로 중합가능한 요소를 포함한다. 본 발명은 또한 나노구조와 함께 사용하기 위한 올리고머성 및 중합체 도전성 조성물을 제공한다. 올리고머성 및/또는 중합체성 조성물은 나노구조 상의 코팅으로서, 또는 나노구조가 삽입되는 매트릭스로서 사용될 수 있다. 임의적으로, 나노구조는 본 발명의 제1 도전성 조성물로 코팅되고, 부가적(예컨대, 제2) 중합체성 도전성 조성물에 삽입된다. 한 부가적 구현예에서, 본 발명의 도전성 조성물을 통해 매트릭스 내에서, 상이한 유형의 나노구조(예컨대, p-형 및 n-형 나노결정)가 결합되거나 가교된다.
효율적인 전하 수송을 달성하기 위한 한 방법은, 밴드갭 조정을 통해 정공과 전자 모두를 위한 전자적 "층계"를 고안함에 의한 것이며, 이 때 매트릭스 중합체는 (자체적으로 나노구조보다 높은 최상위 점위 분자 궤도(HOMO) 수준을 가지는) 나노구조-결합된 도전성 조성물 리간드의 HOMO 보다 약간 높은 HOMO 수준을 가질 수 있다. 정공 수송을 위한 강력하게 우세한 경로가 낮은 HOMO 수준에서 더 높은 HOMO 수준으로의 방향이므로, 이 고안은 나노구조에서 리간드로, 여기에서 중합체로, 여기에서 전극으로 정공 수송을 촉진한다. 그와 반대로, 매트릭스 중합체는 리간드 LUMO(최하위 비점위 분자 궤도)보다 약간 낮은 LUMO를 가질 수 있으며, 리간드 LUMO는 결정 LUMO 수준보다 낮을 수 있다. 이는 리간드 및 나노구조를 통해 중합체에서 전극으로의 전자 수송을 우세하게 한다. 본 출원인은 리간드 및 중합체의 밴드갭, HOMO 및 LUMO 수준의 모델 계산을 수행하였고, 이에 이는 상기 요건을 충족하도록 리간드 및 중합체의 양자 모두를 조율함으로써 달성될 수 있음을 알 수 있다. 이를 달성하기 위한 한 방법은, 중합체 및 올리고머에 대한 유사 성분을 사용하여, 각각의 전자서명이 유사하나, 정공 및 전자 수송의 적절한 전자적 층계를 각기 제공하기 위해 약간 조율될 수 있도록 하는 것이다.
중합가능한 요소
본 발명의 도전성 조성물의 요소들 중 임의의 것(머리기, 본체 구조, 꼬리기 및/또는 측쇄)은 중합가능한 요소들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 조성물에 포함될 수 있는 예시적 화학적 치환기에는, 이에 제한되지는 않으나, 비닐 유도체, 부타디엔, 트리엔, 테트라엔, 디올레핀, 아세틸렌, 디아세틸렌, 스티렌 유도체 등이 포함된다. 예시적 측쇄 치환기 및/또는 유도체(및 결합 또는 가교를 위한 메카니즘)가, 예를 들어 [Paleos, 이하동일, 및 Kraft 등(1998) "Electroluminescent Conjugated Polymers--Seeing Polymers in a NewLight" Ange Chem. Int. Ed. 37: 402-428]에 나와 있다.
가교 반응을 위해, 중합가능한 요소는 선택된 요소의 말단에 위치할 수 있거나, 또는 내부에 있을 수 있다(예컨대, 알킬 사슬 치환기의 가운데). 각종 중합 반응식이 본 발명에서 구상되며, 그것에는 이에 제한되지는 않으나, 다중첨가반응(열, 광유도 또는 조사유도); 다중축합; 산화성 결합 등이 포함된다. 한 바람직한 중합 반응식이 인접한 도전성 조성물에서의 측쇄 치환기의 비닐 중합이다.
중합체성 조성물
한 바람직한 구현예에서, 본 발명의 중합체성 도전성 조성물은 전형적으로 구조 [Hx-By-Tz]n (식 중, H는 머리기를 나타내고, B는 본체 구조를 나타내며, T는 꼬리기를 나타냄)를 가진다. 첨자 x, y 및 z는 중합체의 "단량체성" 서브유닛에 존재하는 (머리기, 본체 구조 또는 꼬리기 각각의) 반복 요소의 수를 나타내고, 한편 n에 대한 값은 중합체에 존재하는 단량체성 단위의 수를 나타내며; 이 값들은 정수이다. x, y, z 및 n이 모두 1인 구현예는, 전술한 바와 같은 단량체성 도전성 조성물과 동일하다. 이에 따라, 본 발명의 중합체성 조성물에 있어서, 상기 정수들의 총합 (x+y+z+n)이 4 초과(즉, 5 이상의) 정수이다. 도 8은 다중 본체 구조 성분이 부착된 유사 또는 비유사한 측쇄 요소로 나타내어진, 본 발명의 예시적 중합체성 도전성 조성물을 나타낸다. N은 1(조성물의 단량체성 형태) 내지 10 이상(예컨대, to 15, 2, 25, 50, 100 등)의 정수이다.
측쇄는 또한 중합체성 도전성 조성물 내의 본체 구조 중 하나 이상에 결합되어 존재할 수 있고; 이 임의적 측쇄는 본체 구조 B와 독립적인 화학식으로 나타내어져 있지 않으나, 임의적으로 존재한다. 본 발명의 일부 중합체성 구현예에서, 측쇄 부분기가 존재하는 본체 구조의 대부분에(즉, 본체 구조의 적어도 50%에) 존재하고; 다른 구현예에서, 측쇄는 구성원 본체 구조의 적어도 75%, 90%, 95%, 99% 또는 본질적으로 모두에 존재한다. 임의적으로, 이 측쇄 부분기는 동일한 화학적 작용기일 수 있고; 대안적으로, 측쇄의 조성이 본체 구조마다 다양하다. 예를 들어, 한 구현예에서, 중합체의 본체 구조는 2개의 상이한 측쇄 부분기의 부착 사이에 교대한다. 다른 한 구현예에서, 조성물 내에 존재하는 복수의 측쇄는 2, 3, 4 또는 그 이상의 화학적 치환기의 랜덤 혼합물이다.
(예컨대, 나노구조의 존재 하에) 사용 중일 때, 중합체성 도전성 조성물의 하나 이상의 머리기 부분기가 나노구조 표면에 결합된다. 임의적으로, 머리기의 대부분(예컨대, 머리기의 적어도 50%, 약 75%, 약 90%, 약 95%, 약 99% 또는 본질적으로 모두)이 결합된 형태이다. 전 단락에 기술된 바와 같이, 도전성 조성물이 나노구조를 갖는 구조에 결합하기 전이나 후에, 중합이 수행될 수 있고; 또한 중합체는 초기 단계에서 부분적으로 가교되어, 나노구조를 갖는 구조와 상호작용 시에 추가적으로 가교될 수 있다. 이에 따라, 나노구조를 갖는 구조(예컨대, 나노구조-함유의 매트릭스)와 함께 도전성 조성물 또는 중합체를 포함하는 조성물도 또한 본 발명에서 구상된다.
나노구조-매트릭스
도전성 조성물은 또한 다른 비나노규모 표면, 예컨대 벌크 결정성 물질 등으로부터의 전하 주입/추출에 유용하다. 이에 따라, 나노구조 및 다른 나노규모 조성물이 바람직한 구현예이나, 본원에 기술된 도전성 조성물이 다른 비나노규모 표면, 예컨대, 벌크 결정성 물질 등으로부터의 전하 주입/추출에 사용될 수 있으며, 따라서 나노규모 및 비-나노규모(예컨대, 벌크 결정성) 어셈블리 중 하나에 제한되지 않는다. 한 구현예에서, 나노구조-함유의 매트릭스가, 외부 표면을 갖는 나노구조로서, 나노구조 외부 표면의 일부분이 본 발명의 도전성 조성물에 유입된 나노구조를 포함하고; 또한 매트릭스 성분이 나노구조의 공액 외부 표면에 인접하게 위치하는 나노구조를 포함한다. 나노구조-함유의 매트릭스에 이용된 도전성 조성물은 단량체성 조성물 또는 중합체성 형태, 예컨대 나노구조를 코팅하는 형태일 수 있다. 매트릭스 성분은 생성물에 대해 구상된 용도에 따라, 도전성 매트릭스 또는 비도전성 매트릭스일 수 있다. 본 발명에 사용하기 위한 예시적 매트릭스에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 폴리-3-헥실티오펜(P3HT), 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(PPV) 및 폴리(2-메톡시, 5 에틸 (2' 헥실옥시) p 페닐렌 비닐렌)(MEH-PPV)이 포함된다.
다른 한 구현예에서, 본 발명의 나노구조-함유의 매트릭스에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 나노구조, 및 나노구조의 외부 표면에 인접하게 위치한 매트릭스 조성물(이 때, 매트릭스 조성물이 본 발명의 도전성 조성물의 중합된 구현예를 포함)이 포함된다. 예를 들어, 구조 [Tx-By-Hz]n를 갖는 도전성 중합체가 구상되며, 여기에서 H는 나노구조 표면에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용화 머리기를 포함하고; B는 하나 이상의 공액 유기 부분기를 포함하는 본체 구조를 포함하며(이 때, 제1 공액 유기 부분기는 하나 이상의 작용화 머리기에 결합됨); T는 본체 구조에 결합된 하나 이상의 꼬리기를 포함하며; x, y, z 및 n는 독립적으로 1 이상의 정수를 포함한다. 조성물의 요소(예를 들어, 측쇄) 상의 중합가능한 단위의 가교를 통해 중합이 달성된다.
본 발명의 다른 한 구현예에서, 매트릭스의 도전성 중합체성 조성물은 나노구조에 적용된 추가적 도전성 조성물에 공유 결합된다. 한 바람직한 구현예에서, 이 부가적 도전성 조성물은 도전성 중합체성 매트릭스의 하나 이상의 성분에 작용적으로 및/또는 전자적으로 매칭된다.
매트릭스
매우 다양한 나노구조-상용성 중합체들이 당업자들에게 공지되어 있다(예컨대, Demus 등(저), 1998 액정의 핸드북(Handbook of Liquid Crystals) 제1-4권, John Wiley and Sons, Inc., 미국 뉴저지주 호보켄); Brandrup(저) 1999 중합체의 핸드북(Polymer Handbook), (John Wiley and Sons, Inc.); Harper 2002 플라스틱, 탄성체 및 복합체의 핸드북(Handbook of Plastics, Elastomers, and Composites), 제4판(McGraw-Hill, 미국 오하이오주 콜롬부스); 및 Kraft 등(1998) Angew. Chem. Int. Ed. 37: 402-428를 참고로 한다). 도전성 또는 비도전성 중합체는 본 발명의 도전성 조성물과 함께 사용될 수 있으며, 한편 본 발명의 바람직한 구현예는 도전성 중합체를 이용한다.
본 발명의 예시적 중합체에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 열가소성 중합체(예컨대, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리실리콘, 폴리아크릴로니트릴 수지, 폴리스티렌 수지, 염화폴리비닐, 염화폴리비닐리덴, 아세트산폴리비닐 또는 플루오로플라스틱); 열경화성 중합체(예컨대, 페놀성 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지); 공학가공 수짐(예컨대, 폴리아미드, 폴리아크릴레이트 수지, 폴리케톤, 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리카르보네이트, 폴리아세탈); 및 주쇄 액체 결정 중합체(예컨대, 폴리(히드록시나프토산)) 및 측쇄 액체 결정 중합체(예컨대, 폴리[n-((4'(4"-시안페닐)페녹시)알킬)비닐에테르])를 포함하는 액체 결정 중합체가 포함된다. 일부 구현예들은 도전성 유기 중합체를 포함하며; 예컨대 T. A. Skatherin(저) 1986 도전성 중합체 I의 핸드북(Handbook of Conductive Polymers I. (Marcel Dekker, 미국 뉴욕)을 참고로 한다. 본 발명의 매트릭스에 사용하기 위한 도전성 중합체의 예에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT), 폴리[2-메톡시,5-(2'-에틸-헥실옥시)-p-페닐렌-비닐렌](MEH-PPV), 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(PPV) 및 폴리아닐린이 포함된다.
나노구조
전술한 바와 같이, 본 발명에 사용하기 위한 구조에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 나노규모 및 비-나노규모(예컨대, 벌크 결정성) 어셈블리가 포함된다. 나노구조, 예컨대 나노결정, 나노와이어, 나노로드, 나노입자 등은 당업자에게 공지된 수많은 메카니즘에 의해 제작될 수 있다. 또한, 그것의 크기는 상이한 물질들에 대해 적용될 수 있는 수많은 편리한 방법들 중 임의의 방법에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 각종 조성물의 나노결정의 합성은 예컨대, [Peng 등(2000) "CdSe 나노결정의 모양 조절(Shape control of CdSe nanocrystals)" Nature 404: 59-61; Puntes 등(2001) "콜로이드성 나노결정 모양 및 크기 조절: 코발트의 경우(Colloidal nanocrystal shape and size control: The case of cobalt)" SClence 291: 2115-2117; USPN 6,306,736(Alivisatos 등; 2001년 10월 23일; 발명의 명칭: 성형된 III-V족 반도체 나노결정의 형성 방법, 및 그 방법으로부터 형성된 생성물(Process for forming shaped group III-V semiconductor nanocrystals, and product formed using process)); USPN 6,225,198(Alivisatos 등; 2001년 5월 1일; 발명의 명칭: 성형된 II-VI족 반도체 나노결정의 형성 방법, 및 그 방법으로부터 형성된 생성물(Process for forming shaped group II-VI semiconductor nanocrystals, and product formed using process)"; USPN 5,505,928(Alivisatos 등; 1996년 4월 9일; 발명의 명칭: III-V 반도체 나노결정의 제조(Preparation of III-V semiconductor nanocrystals)); USPN 5,751,018(Alivisatos 등; 1998년 5월 12일; 발명의 명칭: 자기 어셈블리된 단일층을 이용하여 고체 무기 표면에 공유 결합된 반도체 나노결정(Semiconductor nanocrystals covalently bound to solid inorganic surfaces using self-assembled monolayers)); USPN 6,048,616(Gallagher 등; 2000년 4월 11일; 발명의 명칭: 캡슐화 양자 크기의 도핑된 반도체 입자 및 그것의 제조 방법(Encapsulated quantum sized doped semiconductor particles and method of manufacturing same)); 및 USPN 5,990,479 (Weiss 등; 1999년 11월 23일; 발명의 명칭: 생물학적 용도를 위한 유기 발광 반도체 나노결정 프로브 형광 및 그 프로브의 제조 및 사용 방법(Organo luminescent semiconductor nanocrystal probes for biological applications and process for making and using such probes))에 기재되어 있다.
조절된 직경을 갖는 나노와이어를 포함한, 각종 종횡비를 갖는 나노와이어의 성장이 예컨대, [Gudiksen 등(2000) "반도체 나노와이어의 직경-선택적 합성(Diameter-selective synthesis of semiconductor nanowires)" J. Am. Chem. Soc. 122: 8801-8802; Cui 등(2001) "단일-결정 규소 나노와이어의 직경-조절적 합성(Diameter-controlled synthesis of single-crystal silicon nanowires)" Appl. Phys. Lett. 78: 2214-2216; Gudiksen 등(2001) "단일 결정 규소 나노와이어의 직경 및 길의 합성 조절(Synthetic control of diameter and length of single crystal silicon nanowires)" J. Phys. Chem. B 105: 4062-4064; Morales 등(1998) "결정성 반도체 나노와이어의 합성을 위한 레이저 제거 방법(A laser ablation method for the synthesis of crystalline semiconductor nanowires)" SClence 279: 208-211; Duan 등(2000) "화합물 반도체 나노와이어의 일반 합성(General synthesis of compound semiconductor nanowires)" Adv. Mater. 12: 298-302; Cui 등(2000) "규소 나노와이어에서의 도핑 및 전기 수송(Doping and electrical transport in silicon nanowires)" J. Phys. Chem. B 104: 5213-5216; Peng 등(2000), 이하동일; Puntes 등(2001), 이하동일; USPN 6,225,198(Alivisatos 등), 이하동일; USPN 6,036,774(Lieber 등; 2000년 3월 14일; 발명의 명칭: 산화금속 나노로드의 제조 방법(Method of producing metal oxide nanorods)); USPN 5,897,945(Lieber 등; 1999년 4월 17일; 발명의 명칭: 산화금속 나노로드(Metal oxide nanorods)); USPN 5,997,832(Lieber 등; 1999년 12월 7일; 탄화물 나노로드의 제조(Preparation of carbide nanorods)); Urbau 등(2002) "티탄바륨 및 티탄스트론튬으로 구성된 단일-결정성 페로브스카이트 나노와이어의 합성(Synthesis of single-crystalline perovskite nanowires composed of barium titanate and strontium titanate)" J. Am. Chem. Soc., 124,1186; Yun 등(2002) "스캔 프로브 현미경 관찰에 의해 조사된 개별적 티탄바륨 나노와이어의 강유전적 성질(Ferroelectric Properties of Individual Barium Titanate Nanowires Investigated by Scanned Probe Microscopy)" Nano Letters 2,447; 및 PCT 출원공개번호 WO 02/17362 및 WO 02/080280에 기재되어 있다.
분지 나노와이어(예컨대, 나노테트라포드, 트리포드, 비포드 및 분지 테트라포드)의 성장이, 예컨대 Jun 등(2001) "단일계면활성 시스템을 이용한 다중팔 CdS 나노로드 구조의 조절 합성(Controlled synthesis of multi-armed CdS nanorod architectures using monosurfactant system)" J. Am. Chem. Soc. 123: 5150-5151; 및 Manna 등(2000) "가용성 및 가공성 로드-, 애로우-, 티어드롭-, 및 테트라포드-모양의 CdSe 나노결정의 합성(Synthesis of Soluble and Processable Rod-, Arrow-, Teardrop-, and Tetrapod-Shaped CdSe nanocrystals)" J. Am. Chem. Soc. 122: 12700-12706에 기재되어 있다. 합성의 합성이 예컨대, USPN 5,690,807(Clark Jr. 등; 1997년 11월 25일; 발명의 명칭: 반도체 입자의 제조 방법(Method for producing semiconductor particles)); USPN 6,136,156(El-Shall 등; 2000년 10월 24일; 발명의 명칭: 산화규소 합금의 나노입자(Nanoparticles of silicon oxide alloys)); USPN 6,413,489(Ying 등; 2002년 7월 2일; 발명의 명칭: 역 미셀 중재 기술에 의한 나노미터 크기의 입자의 합성(Synthesis of nanometer-sized particles by reverse micelle mediated techniques)); 및 Liu 등(2001) "자유방치 강유전성 납 지르코네이트 티타네이트 나노입자의 졸-겔 합성(Sol-Gel Synthesis of Free-Standing Ferroelectric Lead Zirconate Titanate Nanoparticles" J. Am. Chem. Soc. 123: 4344에 기재되어 있다. 나노입자의 합성은 또한 나노결정, 나노와이어 및 분지 나노와이어의 성장에 대해 상기 인용된 문헌에도 기재되어 있으며, 거기에서 수득된 나노구조는 약 1.5 미만의 종횡비를 가진다.
코어-쉘 나노구조 헤테로구조의 합성은, 예컨대 Peng 등(1997) "광안정성 및 전자성 접근성을 갖는 고발광성의 CdSe/CdS 코어/쉘 나노결정의 에피탁시알 성장(Epitaxial growth of highly luminescent CdSe/CdS core/shell nanocrystals with photostability and electronic accessibility)" J. Am. Chem. Soc. 119: 7019- 7029; Dabbousi 등(1997) "(CdSe) ZnS 코어-쉘 양자 도트: 고발광성 나노결정자의 크기 일련의 합성 및 특성화((CdSe) ZnS core-shell quantum dots: Synthesis and characterization of a size series of highly luminescent nanocrystallites)" J. Phys. Chem. B 101: 9463-9475; Manna 등(2002) "콜로이드성 CdSe 나노로드 상의 등급화 CdS/ZnS 쉘의 에피탁시알 성장 및 광화학적 어닐링(Epitaxial growth and photochemical annealing of graded CdS/ZnS shells on colloidal CdSe nanorods)" J. Am. Chem. Soc. 124: 7136-7145; 및 Cado 등(2000) "InAs 코어를 갖는 반도체 코어/쉘 나노결정의 성장 및 성질(Growth and properties of semiconductor core/shell nanocrystals with InAs core)" J. Am. Chem. Soc. 122: 9692-9702에 기재되어 있다. 유사한 접근법이 다른 코어-쉘 나노구조의 성장에도 적용될 수 있다. 예를 들어 USPN 6,207,229(2001년 3월 27일) 및 USPN 6,322,901(2001년 11월 27일; Bawendi 등; 발명의 명칭: 고발광성 색-선택적 물질(Highly luminescent color-selective materials))를 참고로 한다.
상이한 물질들이 나노와이어의 긴 축을 따라 상이한 위치들에 분포되어 잇는 나노와이어 헤테로구조를 포함하는, 나노와이어의 균질한 집단의 성장이, 예컨대 PCT 출원공개번호 WO 02/17362 및 WO 02/080280; Gudiksen 등(2002) "나노규모 광자공학 및 전자공학의 나노와이어 초격자 구조의 성장(Growth of nanowire superlattice structures for nanoscale photonics and electronics)" Nature 415: 617-620; Bjork 등(2002) "실현된 전자를 위한 1-치수의 스티플체이스(One-dimensional steeplechase for electrons realized)" Nano Letters 2: 86-90; Wu 등(2002) "단일-결정성 Si/SiGe 초격자 나노와이어의 블록-바이-블록 성장(Block-by-block growth of single-crystalline Si/SiGe superlattice nanowires)" Nano Letters 2, 83-86; 및 US 특허출원 60/370,095(2002년 4월 2일; Empedocles; 발명의 명칭: 정보 코드화를 위한 나노와이어 헤테로구조(Nanowire heterostructures for encoding information))에 기재되어 있다. 유사한 접근법이 다른 헤테로구조의 성장에 대해서도 적용될 수 있다.
일부 구현예들에서, 나노구조의 수집 또는 집합은 크기 및/또는 모양에 있어 실질적으로 단일분산된다. 예컨대, US 특허출원 20020071952(Bawendi 등; 발명의 명칭: 나노결정자의 제조(Preparation of nanocrystallites))를 참고로 한다.
무기 나노와이어의 직경은, 예를 들어 형광 나노와이어에 의해 발광되는 파장을 조절하기 위해 변화될 수 있다. 나노와이어의 직경은 바람직하게 약 2 nm 내지 약 100 nm, 더욱 바람직하게는 약 2 nm 내지 약 5 nm 또는 약 10 nm 내지 약 50 nm이다. 나노와이어의 길이도 또한 변화될 수 있다. 일부 구현예들에서, 무기 나노와이어는 약 10 내지 약 10,000(예컨대, 약 20 내지 약 10,000, 약 50 내지 약 10,000 또는 약 100 내지 약 10,000)의 종횡비를 가진다.
나노와이어는 본질적으로 임의의 편리한 물질(예컨대, 반도전성 물질, 강유전성 물질, 금속 등)로 제작될 수 있고, 본질적으로 단일 물질을 포함할 수 있거나, 헤테로구조일 수 있다.
본 발명의 나노구조-함유의 매트릭스에 이용되는 나노구조는 본질적으로 임의의 편리한 물질로부터 제작될 수 있다. 예컨대, 나노결정은 무기 물질, 예컨대, 반도전성 물질, 예를 들어 주기율표 제2족 또는 제12족으로부터 선택되는 제1 원소, 및 제16족으로부터 선택되는 제2 원소를 포함하는 물질(예컨대, ZnS, ZnO, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, MgS, MgSe, MgTe, CaS, CaSe, CaTe, SrS, SrSe, SrTe, BaS, BaSe, BaTe 및 유사 물질); 제13족으로부터 선택되는 제1 원소, 및 제15족으로부터 선택되는 제2 원소를 포함하는 물질(예컨대, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb 및 유사 물질); 제14족 원소를 포함하는 물질(Ge, Si 및 유사 물질); PbS, PbSe, PbTe, AlS, AlP 및 AlSb와 같은 물질; 또는 이들의 합금 또는 혼합물을 포함할 수 있다. 또한 본 발명에서 사용하기 위한 나노결정성 구조에 관한 상세 내용은 예를 들어 USSN 60/421,353(20002년 10월 25일 출원) 및 공출원된 가출원 USSN 60/452,038(2003년 3월 4일 출원; Scher 등; 발명의 명칭: 나노복합체 기재의 광기전 장치(Nanocomposite Based Photovoltaic Devices))에서 찾아볼 수 있다.
한 바람직한 구현예에서, 본 발명의 장치는 나노결정 물질로서 CdSe, CdTe 및/또는 InP를 포함하는 나노결정을 이용한다.
도전성 조성물의 합성 방법
본 발명은 또한 전하 이동을 용이하게 하는 유기종으로서, 예컨대, 나노구조-함유의 광기전 장치에서 사용하기 위한 유기종의 합성 방법을 제공한다. 방법은 각종 머리기, 꼬리기 및 측쇄가 선택된 본체 구조에 독립적으로 결합될 수 있도록 하는, 합성 절차에 대한 모듈적 접근법을 제공한다.
본 발명의 방법은 a) 치환기 모듈의 부착에 이용가능한 3개 이상의 위치를 포함하는 공액 유기 전구체를 제공함; b) 제1 치환기 모듈(예컨대, 머리기 또는 다른 나노구조 결합 부분기)로서, 포스폰산 유도체, 카르복실산 유도체, 아민 유도체, 포스핀 유도체, 티올 유도체, 티오펜 유도체 또는 이의 조합물과 같은 나노구조 결합 부분기를 포함하는 제1 치환기 모듈을 제공함; 및 c) 제2 치환기 모듈(예컨대, 꼬리기)로서, 탄소수 3 내지 22의 알킨 유도체를 포함하는 제2 치환기 모듈을 제공함의 단계들을 포함한다. 임의적으로, 방법은 추가로 또한 제3 치환기 모듈(예컨대, 측쇄)로서, 탄소수 1 내지 22의 알킬 유도체를 포함하는 임의적 제3 치환기 모듈을 제공하는 것을 추가로 포함한다. 이어서, 치환기 모듈은 공액 유기 전구체(예컨대, 본체 구조)에 결합되며, 즉 제1 위치에 제1 치환기 모듈에 결합되고, 제2 위치에서 제2 치환기에 결합하고, 제3 위치에서 임의적 제3 치환기 모듈과 결합함으로써, 유기 조성물을 합성한다. (제1, 제2 및 제3 위치는 공액 유기 부분기 상의 이용가능한 부착 위치를 나타내며, 합성 중의 부착 순서 또는 공액 유기종에 관한 IUPAC 번호설정 조약을 나타내는 것은 아니다). 전형적으로, 임의적 제3 치환기는 제1 (머리) 및 제2 (꼬리) 치환기에 부착되기 전에 본체 구조에 결합된다. 바람직하게, 본체 구조에 대한 모듈의 결합은 본체 구조의 전자적 공액을 파괴하지 않으며, 또한 제1, 제2 또는 제3 치환기 모듈의 하나 이상의 치환기는 나노구조 표면에 결합할 수 있다(또는, 이미 나노구조 표면에 결합되어 있다).
부착된 측쇄 부분기를 갖는 코어 본체 구조의 합성
본체 구조는 본 발명의 공액 유기종의 코어를 제공한다. 전형적으로, 본체 구조는 다른 작용화 부분기(머리기, 꼬리기, 측쇄)로 (예컨대, 할로겐화에 의해) 작용화되거나, 그와 반응하여, 본 발명의 도전성 조성물을 제조할 수 있는 공액 유기종이다.
바람직하게, 공액 유기 전구체는 당업자에게 공지된 수많은 공액 알킬 부분기 또는 공액 아릴 부분기로부터 선택된다. 예시적 공액 유기 전구체, 예컨대 페닐렌, 티오펜, 에텐, 에틴, 아닐린, 플루오렌, 및 피리딘 유도체, 알케닐 부분기 또는 페릴렌, 페난트랄렌, 안트라센, 알케닐 또는 다른 다핵성 방향족 부분기(또는 이들의 중합체성 유도체)는 전 단락에서 논의되었다. 임의적으로, 본체 구조에 대한 치환기 모듈들 중 하나 이상의 결합은 본체 구조의 공액을 확장시킨다. 예시적 본체 구조가 표 2에 나와 있다.
[본체 구조로서 사용하기 위한 예시적 공액 유기 부분기]
Figure 112005011346262-pct00005
본 발명의 도전성 조성물의 고안 및 제조를 위한 수렴성 성분 합성 ("모듈적") 접근법에 대한 한 가지 이점은, 합성 반응식을 위한 각 성분의 반응성을 조정 또는 "조율"할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 아릴-아릴 결합 속도는, 각 개별 성분에 대한 적절한 전자공여성기 또는 전자유인성기를 선택함으로써 증가 또는 감소될 수 있다. 전자유인성기는 팔라듐-촉매된 결합 반응에서의 산화성 첨가 단계를 가속화하는 경향이 있다(예컨대, Kuehl 등(1997) Organometallics 16: 1897를 참고로 한다). 이에 따라, 성분들 중 하나에 있는 전자유인성 치환기를 포함함으로써, 결합 속도가 증가한다. 본 발명을 특정 메카니즘에 제한하지 않으면서, 아릴 할라이드 또는 아릴-스탄난 결합을 약화시키고, 이로써 이들 부분기 간의 팔라듐 촉매를 더욱 용이하게 삽입시키는 전자유인성기에 의해, 결합을 증진시킬 수 있다. 예를 들어, 티오펜 전구체에 알키닐 꼬리기 부분기를 부착시킨 후, 트리메틸스탄난을 부착시키며, 이어서 이 성분을 본체에 결합시킴으로써, 단계적 어셈블리에 비해 결합 속도가 더 빨라지고, 총수율도 더 높다. 티오펜 및 본체 성분이 발산성 단계별 방식으로 결합된 후에 알키닐 부분기가 첨가된 경우, 보다 낮은 결합 속도가 관찰된다.
본 발명의 도전성 조성물은 종종 본체 구조에 결합된 1 또는 2개의 측쇄 또는 "팔"(즉, 제3 및 제4 치환기 모듈)을 가진다. 방법의 한 바람직한 구현예에서, 임의적 제3 및 제4 치환기 모듈은, 제1 (머리) 및/또는 제2 (꼬리) 치환기 모듈에 결합되기 전에, 공액 유기 전구체에 결합된다. 예를 들어, 공액 유기 전구체는 히드록실 또는 아민 부분기를 갖는 제3 위치에서 알킬화되어, 0-연결 또는 N-연결 측쇄-치환 중간체 조성물을 형성할 수 있다.
예를 들어, 할라이드(예컨대, I 또는 Br)를 이용한 측쇄 부분기 작용화를 사용하여, 선택된 공액 유기종을 알킬화할 수 있고, 당업계에 공지된 절차를 이용하여 측쇄-치환 본체 구조를 제공할 수 있다. 한 예로서, 본원에 기재된 히드록실-함유의 공액 유기 전구체에 있어서, 제3 치환기 모듈을 제공하는 것은, 약 1.1 몰당량의, 선택된 측쇄 치환기의 할로겐화 유도체를 제공하는 것을 포함하고; 제3 치환기 모듈을 공액 유기 전구체와 결합시키는 것은, a) 예컨대, 탄산칼륨(K2C03) 및 디메틸 포름아미드(DMF)의 존재 하에, 할로겐화 측쇄 유도체를 공액 유기 전구체와 조합함; b) 반응 혼합물을 약 70℃까지 가열함으로써, 제3 치환기를 공액 유기 부분기에 결합시킴의 단계들을 포함한다. 작용화 측쇄 부분기를 아민-함유의 본체 구조 전구체에 결합시키기 위한 유사한 반응이 고안될 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 조성물을 생성시킬 때 기재로서 사용하기 위한 측쇄-결합 본체 구조를, 입수가능한 경우, 각종 공급업체(예컨대, 시그마-알드리히(SIGMA-Aldrich))로부터 구매할 수 있다.
구조 2개(또는 그 이상)의 동일한 측쇄 부분기를 갖는 본체의 경우, 제3 및 제4 치환기를 위한 결합 반응이 전형적으로 동시에 예컨대, 단일 반응 혼합물 내에서) 수행된다.
본 발명의 방법 및 조성물에서 사용되는 한 바람직한 본체 구조는 히드로퀴논(1,4-디히드록시벤젠)이다. 표 3은 코어 히드로퀴논 구조의 히드록실 위치에서 결합된 2개의 측쇄 치환기를 갖는 히드로퀴논 본체 구조에 기재하는, 본원에 기재된 합성 절차에서 사용하기 위한 예시적 기재를 제공한다.
[부착된 측쇄를 갖는 예시적 본체 구조]
Figure 112005011346262-pct00006
Figure 112005011346262-pct00007
상기 표 데이터에서 나타낸 바와 같이, 히드로퀴논 본체 구조의 위치 1 및 4에서 2개의 측쇄 요소가 동일한 화학적 실체일 수 있으나, 반드시 그럴 필요는 없다.
머리기 부분기의 합성
제1 치환기 모듈은 작용화 나노구조-결합의 머리기를 포함한다. 예를 들어, 제1 치환기 모듈이 디에틸포스피트를 포함하는 구현예에 있어, 제1 치환기 모듈을 본체 구조에 결합하는 것을 팔라듐-촉매된 포스피트-아릴 결합 반응을 통해 수행할 수 있다.
다른 구현예에서, 나노구조 결합 부분기를 본체 구조에 연결시키기 위한 나노구조 결합 부분기(예컨대, 포스피트) 및 공액 종(예컨대, 벤젠환 또는 티오펜)을 갖는 더 큰 머리 모듈(전구체)을 제조한다. 머리 모듈의 합성은, 예를 들어 아릴할라이드 코어 구조를 제공하고, 2개의 리튬-할로겐 교환 반응을 수행함으로써 달성될 수 있다. 아릴할라이드 코어 구조를 제1 할라이드 위치에서 리튬치환시키고, 클로로트리메틸실란(TMSCl)과 반응시켜, TMS-아릴 중간체 코어 구조를 수득하며; 이어서, TMS-중간체 코어 구조를 제2 할라이드 위치에서 리튬치환시키고, 트리메틸틴클로라이드(Me3SnCl)와 반응시켜, 주석치환된 제2 중간체를 수득한다. 임의적으로, 리튬치환 반응을 역순으로 수행할 수 있다. 이어서 이 반응의 생성물을 공액 종으로서 예컨대, 할로겐화 티오펜과 조합하여, 본 구현예에서 TMS-아릴-티오펜 유도체를 포함하는 제1 치환기 모듈을 형성한다. 이어서, 나노구조-결합의 부분기(예컨대, 포스피트 기)를, (머리 모듈을 본체 구조에 부착하기 전 또는 후에) 팔라듐-촉매된 메카니즘을 통해, 결합된 머리기 모듈의 아릴 부분에 결합시킬 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 예시적 나노구조 결합 부분기에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 표 4에 기재된 것들이 포함된다.
[머리기로서 사용하기 위한 부분기를 결합하는 나노구조를 갖는 예시적 합성 기재]
Figure 112005011346262-pct00008
꼬리 부분기의 합성
도전성 조성물은 또한, 전형적으로 나노구조-결합의 머리기의 말단에 위치한 꼬리기를 포함한다. 임의적으로, 꼬리기는 또한 하나 이상의 나노구조 결합 부분기를 포함할 수 있고; 이 구현예에서, 도전성 조성물은 인접한 나노구조 또는 나노구조 사이의 연결기로서 사용될 수 있다. 임의적으로, 자기-조직화 성질을 자체 내에 포함하는 구현예를 위해, 본 발명의 도전성 조성물을 예컨대, 연합된 나노구조를 배향 및/또는 배열하기 위한, 배열 리간드로서 이용할 수 있다(예를 들어 US 출원 대리인 도켓번호 제40-003300US호 및 그와 공출원된 PCT 출원 대리인 도켓번호 제40-003300PC호를 참고로 한다).
제2 치환기 모듈(예컨대, 알킨-함유의 꼬리 부분기)의 합성은 팔라듐 촉매를 이용하여 아릴 결합 반응을 수행함으로써 달성될 수 있다. 예시적 반응 방식에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 소노가시라(Sonogashira) 결합(소노가시라 등, 1975 Tetrahedron Lett. 50: 4467-4470), 스즈키(Suzuki) 결합(Miyaura, 1979 Tetrahedron Lett. 3437), 하르트위크-부흐발트(Hartwig-Buchwald) 결합(N-연결 치환기), 헤크(Heck) 반응(Patel 등 1977 J. Org. Chem. 42: 3903) 등이 포함된다. 대안적으로, 울만(Ullmann) 결합 및 스테펜즈-카스트로(Stephens-Castro) 결합과 같은 구리-중재 반응을 사용하여, 제2 치환기 모듈을 본체 구조에 결합시킬 수 있다. 임의적으로, (상기 반응 또는 본원에 기재된 다른 반응을 위한) 촉매를 고체 지지체 상에 제공하거나, 가용성 중합체에 결합시켜, 물질의 회수를 향상시킬 수 있다(예를 들어, Bergbreiter "가용성 중합체-결합된 촉매(Soluble polymer-bound catalysts)" Bergbreiter 및 Martin(저), (1989) Functional Polymers (Plenum Press, 뉴욕, pp. 143-158); Tafesh 및 Beller (1995) "수용성 촉매를 이용하는 방향족 니트로 화합물의 제1 선택적 환원(First Selective Reduction of Aromatic Nitro Compounds Using Water Soluble Catalysts)" Tetrahedron Lett. 36: 9305를 참고로 한다.
본 발명에서 꼬리기 부분기로서 사용하기 위한 예시적 화학적 구성성분에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 표 5에 나와 있는 구조들이 포함된다.
[꼬리기로서 사용하기 위한 예시적 알킨 전구체]
Figure 112005011346262-pct00009
도전성 조성물의 모듈적 합성
(임의적 부수 측쇄를 가지거나 가지지 않는) 본체 구조, 머리기 및 꼬리기 부분기를 분리하여 제조함으로써, 각종 상이한 도전성 조성물을 용이하게 또한 급속히 제조할 수 있다. 본 발명의 도전성 조성물의 화학적 합성에 대한 이 모듈적 접근법에 의해, 도 1 및 도 2에 나와 있는, 각종 머리 부분기, 꼬리기 및 임의적 측쇄 요소의 수많은 조합이 가능하다.
임의적으로, 합성 방법은 머리기를 나노결정(또는 다른 나노구조)과 같은 구조의 외부 표면에 결합함으로써, 나노결정-결합된 조성물을 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 대안적으로, 머리기는 비-나노규모 표면, 및 비-나노규모 반도체 조성물과 함께 이용된 도전성 조성물에 결합될 수 있다. 반도체 및 나노규모 반도체 조성물이 당업계에 공지되어 있다. 결합 단계에서 이용될 수 있는 외부 표면을 갖는 나노구조가, 상기 기술된 예시적 반도전성 물질들 중 임의의 것으로부터 제조될 수 있다. 한 바람직한 구현예에서, 나노결정은 II/VI족 또는 III/V족 구조이며, 이를 위해 머리기를 나노결정의 외부 표면에 결합시키는 것은 예컨대, 머리기에 이용가능한 자유 전자를 나노결정의 인접 금속 부분기와 연합시키는 것을 포함한다. 이용되는 머리기 모듈은 접촉되는 구조 또는 나노규모 구조의 조성물을 기초로 하여 선택될 수 있고, 이로써 도전성 조성물을 부적당한 실험없이 예컨대, 임의의 나노구조/나노결정 조성물을 위해 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 방법은 또한 조성물을 나노구조 표면에 결합시킨 후, 유기 조성물을 중합함으로써 중합된 유기 조성물을 형성시키는 단계를 임의적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 나노구조-함유의 장치는 광기전 장치에 사용하기에 특히 적당하다. 예를 들어 Huynh 등(2002) SClence 295: 2425-2427; Huynh 등(1999) Adv. Mater. 11: 923-927; Greenham 등(1996) Phys. Rev. B-Condens Matter 54: 17628-17637; 및 Greenham 등(1997) Synthetic Metals 84: 545-546; 또한 가출원 USSN 60/408,722(2002년 9월 5일 출원); USSN 60/421,353(2002년 10월 25일 출원) 및 USSN 60/452,038(2003년 3월 4일 출원)에 기재된 예시적 나노결정-함유의 광기전 장치를 참고로 한다. 본 발명의 도전성 조성물은 또한 USPN 6,239,355; USPN 6,512,172에 기재된 중합체/나노복합체 광기전 장치, 또한 예컨대 USPN 5,728,487; 및 USPN 6,245,988에 기재된 염료-감작화 결정 광기전 장치에 이용될 수 있다.
발광할 수 있는 수용성 반도체 나노결정의 합성이, 예를 들어 USPN 6,251,303(Bawendi 등; 발명의 명칭: 수용성 형광 나노결정(Water-soluble fluorescent nanocrystals); 2001년 6월 6일) 및 USPN 6,319,426(Bawendi 등; 발명의 명칭: 수용성 형광 반도체((Water-soluble fluorescent semiconductor); 2001년 11월 20일)에 기재되어 있다.
나노구조와 매트릭스 간의 상호작용을 개질하는 방법
한 부가적 측면으로, 본 발명은 또한 나노구조와 외부 매트릭스 사이의 상호작용을 개질하는 방법을 제공한다. 방법은 나노구조를 a) 본 발명의 도전성 조성물로 처리함; 및 b) 처리된 나노구조 및 매트릭스 조성물을 포함하는 나노구조-함유의 매트릭스를 형성시킴의 단계들을 포함한다. 임의적으로, 나노구조의 처리는 또한 도전성 조성물을 중합하여, 중합된 도전성 조성물을 형성시키는 것을 포함할 수 있다. 방법의 일부 구현예들에서, 본원에 기재된 중합체성 도전성 조성물이 그 방법에서 매트릭스로 이용된다.
본 발명의 방법, 장치 및 조성물의 용도
청구된 발명의 취지 또는 범주를 벗어나지 않는 한, 상기 기재된 방법 및 물질에 대해 변형을 가할 수 있고, 본 발명은 하기를 포함하는 수많은 상이한 용도들에 적용될 수 있다:
나노구조와 관련된 상호작용, 예컨대 나노결정과 매트릭스 사이의 상호작용을 개질하는데 사용하기 위한 도전성 조성물을 제조하기 위한, 본원의 임의의 방법의 용도.
본 발명의 도전성 조성물을 하나 이상의 나노구조와 연합하기 위한, 본원의 임의의 방법의 용도.
나노구조-함유의 장치의 제조를 위한, 본 발명의 방법 또는 도전성 조성물의 용도.
지금까지 기술된 도전성 조성물, 나노구조: 도전성 조성물; 나노구조: 매트릭스 조성물 또는 방법 중 임의의 것을 사용하는 키트 또는 시스템. 키트는 임의적으로 부가적으로, 방법 수행을 위한 사용설명서, 포장 물질, 도전성 조성물 또는 조성물을 제조하는데 사용되는 물질을 함유하는 하나 이상의 용기, 및/또는 기타 물질을 포함한다.
한 부가적 측면에서, 본 발명은 본원에서의 방법 또는 장치를 포함하는 키트를 제공한다. 본 발명의 키트는 임의적으로 하기 것들 중 하나 이상을 포함한다: (1) 본 발명의 도전성 조성물의 모듈적 합성을 위한 각종 성분(본체 구조, 머리기, 꼬리기, 측쇄); (2) 나노결정 또는 다른 나노구조의 하나 이상의 제조; (3) 나노결정의 제조를 위한 성분 및/또는 사용설명서: 매트릭스 조성물; (4) 본원에 기재된 방법을 수행하기 위한 사용설명서; 및/또는 (5) 포장 물질.
다른 한 측면에서, 본 발명은 본원의 임의의 방법을 수행하기 위한 임의의 성분 또는 키트의 용도, 및/또는 본원의 임의의 방법을 수행하기 위한 임의의 장치 또는 키트의 용도를 제공한다.
도 1은 본 발명의 예시적 도전성 조성물을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 부가적 예시적 도전성 조성물을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 조성물의 한 구현예의 화학적 합성 반응식을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 조성물의 다른 한 구현예의 화학적 합성 반응식을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 조성물의 다른 한 구현예의 화학적 합성 반응식을 나타낸다.
도 6는 본 발명의 조성물의 부가적 한 구현예의 화학적 합성 반응식을 나타낸다.
도 7는 본 발명의 조성물의 다른 한 구현예의 화학적 합성 반응식을 나타낸다.
도 8은 단량체성 및 중합체성 도전성 조성물의 양자 모두를 나타내는, 본 발명의 다른 한 구현예를 도시적으로 나타내는 것이다.
도 9 내지 19는 본 발명의 예시적 중간체 및 조성물에 대한 질량 스펙트럼 및/또는 NMR 데이터를 나타낸다.
도 20 내지 28은 본 발명의 부가적 구현예의 부가적 화학적 합성 반응식을 나타낸다.
하기 실시예는 청구된 본 발명을 비제한적으로 설명하기 위해 제공된 것이다. 본원에 기재된 실시예 및 구현예는 단지 예시적 목적을 가지는 것으로, 이에 따라 각종 변형 또는 변경이 당업자에게 가해질 수 있으며, 그러한 변형 또는 변경은 본원의 취지 및 영역, 및 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 포함되는 것임을 이해한다.
본 발명의 도전성 조성물의 합성 방법이 여기에 또한 첨부 도면에 제공된다. 합성 기술에 관한 부가적 설명은 예를 들어, Fessendon and Fessendon(1982) 오르가닉 케미스트리(Organic Chemistry), 제2판, Willard Grant Press, Boston Mass; Carey & Sundberg(1990), 어드밴스트 오르가닉 케미스트리(Advanced Organic Chemistry), 제3판, 제A 및 B부, 플레넘 출판(미국 뉴욕); 및 1985년 3월, 어드밴스트 오르가닉 케미스트리, 제3판, John Wiley and Sons(미국 뉴욕)]에서 찾아볼 수 있다. 임의적으로, 거기에서의 표준 화학 반응은 반응 효율, 수율 및/또는 편리를 증진시키기 위해 개질된다.
실시예 1: 모델 도전성 조성물 4-데시닐-벤젠-1-포스폰산의 합성
본 발명의 도전성 조성물의 모듈적 합성법을 시험하기 위한 합성 방식을 고안하였다(도 3). 1-요오도-4-브로모벤젠을 전구체로서 본체 구조에 대해 사용하고, 1-데신을 꼬리기 부분기로서 사용하며, 디에틸포스피트를 머리기 부분기로서 사용하여, 모델 도전성 조성물 5b를 제조하였다. 달걀 모양의 교반 바가 장착된 500 mL의 슈렝크 플라스크에, 교반 하에, 이염화팔라듐 (1.0 mmol, 0.177 g), 요오드화구리(I) (2.36 mmol, 0.450 g) 및 트리페닐포스핀 (2.0 mmol, 0.525 g)을 글로브박스에서 첨가하였다. 슈렝크 라인상에서, 1-요오도-4-브로모-벤젠(50 mmol, 14.15 g, 화합물 1)을 첨가하고, 용기를 마개로 막았으며, 플라스크를 진공 하에 두어, 아르 곤으로 재충전하였다 (3×). 플라스크에 양의 아르곤 압력 하에서 격막을 장착하였고, 교반 하에 양의 아르곤 압력 하에서 캐뉼러를 통해 탈기된 디이소프로필 아민(lOO mL)을 첨가하였다. 그 다음에, 탈기된 1-데신(50 mmol, 6.91 g, 화합물 2)을 아르곤 하에 주사기를 통해 첨가하였다. 마지막으로, 무수의 탈기된 테트라히드로푸란을 아르곤 하에 캐뉼러로 이동시켜 첨가하였고, 용기를 유리마개로 봉하고, 16시간 동안 상온에서 교반한 후, 1시간 동안 55℃로 가열하였다. 상온으로 냉각시킨 후에, 용매를 회전증발에 의해 제거하였고, 잔류물을 디에틸 에테르(200 mL) 중에 용해시켜, 염화암모늄 (포화 수용액, 3×100 mL)으로 세척하였다. 유기층을 분리하여, 황산마그네슘으로 건조시켰으며, 여과하여, 회전증발에 의해 용매를 제거하였다. 수득된 오일을 헥산으로 용해시켜, 실리카 겔을 통해 막았다. 용매의 제거로써, 황색 오일의 4-데시닐-브로모-벤젠 3(14.34 g, 98% 수율)을 수득하였다.
포스포네이트 에스테르 부분기의 부착을 위해, 상기 물질을 더 정제하지 않고 사용하였다. 상기 화합물 3(23.87 mmol, 7.0 g)을 함유하는, 테플로 밸브 및 교반바가 장착된 100 mL의 슈렝크 튜브에, 팔라듐(0)테트라키스[트리페닐포스핀](1.19 mmol, 1.38 g)을 첨가하였다. 이어서, 슈렝크 라인상에서, 탈기된 트리에틸 아민(11 mL) 및 탈기된 톨루엔을 아르곤 하에서 주사기를 통해 순차적으로 첨가하였다. 그 다음에, 탈기된 디에틸 포스피트 4(26.26 mmol, 3.63 g)을 아르곤 하에서 주사기를 통해 첨가하였다. 반응 용기를 봉하고, 혼합물을 2시간 동안 100℃로 교반 가열하였다. 회전증발에 의해 용매를 제거하였고, 잔류물을 에틸 아세테이트(200 mL)에 용해시켜, 포화 수성 염화암모늄으로 세척하였으며(3×75 mL), 황산나 트륨 상에서 건조시켜, 여과하여, 회전증발에 의해 용매를 제거하였다. 실리카 겔 크로마토그래피(1:1 에틸 아세테이트:헥산)에 의해 정제하여, 4-데시닐-벤젠-1-디에틸포스포네이트 5a를 무색 오일로서(7.19 g, 90% 수율) 수득하였다. 1H NMR (CDCl3) δ7.70 (m, 2H), 7.45 (m, 2H), 4.10 (m, 4H), 2.42 (t, 2H), 1.61 (m, 2H), 1.45 (m, 2H), 1.32 (t, 8H), 1.27 (m, 6H), 0.89 (t, 3H). 결합된 꼬리기가 없는 포스폰화 벤질환(반응의 부산물)으로부터 유도된 MS 시그널이 도 9에 나와 있다.
에스테르의 포스폰산의 가수분해가 하기와 같이 달성되었다. 화합물 5a(10 mmol, 3.5 g) 및 무수 디클로로메탄(65 mL)을 함유하는 250 mL의 슈렝크 플라스크에, 트리메틸실릴브로미드(40 mmol, 6.1 g)를 아르곤 하에서 교반 하에 주사기를 통해 첨가하였다. 상온에서 4.5시간 동안 교반한 후에, 슈렝크 라인 상에서 용매를 진공 제거하였다. 그 다음에, 아세톤(32 mL) 및 물(0.775 mL)을 첨가하고, 혼합물을 상온에서 45분 동안 교반하였다. 회전증발에 의해 아세톤/물을 제거한 후에, 디클로로메탄을 첨가하고, 모든 용매를 회전증발시켜, 포스폰산 유도체 5b(2.9 g, 100% 수율)를 수득하였다. 1H NMR (CDCl3, 도 18) δ7.75 (m, 2H), 7.45 (m, 2H), 2.44 (t, 2H), 1.63 (m, 2H), 1.45 (m, 2H), 1.32 (t, 8H), 0.93 (t, 3H). {1H}31P NMR(CDCl3, 도 19) δ24.0
실시예 2: 도전성 조성물 16의 합성
본 발명의 방법에 대한 한 가지 이점은, 당해 각종 도전성 조성물의 합성의 모듈적 접근법이다. 이 접근법을 사용함으로써, 통상적 합성 중간체 및 코어 구조를 제조하고 사용할 수 있다. 본 발명의 도전성 조성물을 제조하기 위한 한 예시적 합성 반응식이 도 4에 나와 있고, 여기에서 더욱 상세히 기술된다. 이 모듈 접근법으로써, 조성물의 각종 요소(본체 구조, 머리기, 꼬리기)를 개별적 구조로서 합성하고, 이어서 이를 함께 결합시켜, 도전성 조성물을 형성한다.
머리기 전구체의 제조
본 발명의 일부 구현예들의 합성에서의 한 공통적 중간체는 활성화된 머리기 전구체 화합물 9이며, 이는 도 4에 나와 있는 것들과 같은 공지된 합성 방식에 기초하여 제조될 수 있다.
본체 구조에 대한 사이드암(sidearm)의 결합
본 발명의 많은 구현예들에서, 사이드암 부분기가 머리 및 꼬리 요소에 포함되기 전에, 본체 요소에 결합된다. 도전성 조성물에 사용하기 위한 한 바람직한 사이드암 성분은 0-연결의 헥실 부분기이다. 이에 따라, 2,5-디헥속시-함유의 도전성 조성물의 합성에 유용한 다른 한 중간체는, 1,4-디요오도-2,5-디헥속시벤젠(화합물 13; 또한 도 14를 참고로 함)이다. 방향족 본체 구조(벤젠) 및 2개의 O-연결된 사이드암 사슬로 구성된 상기 코어 구조가 도 4에 제공된 바와 같은 표준 절차에 의해 히드로퀴논(화합물 10)으로부터 제조될 수 있다. 하기 합성은 히드로퀴논-기재의 본체 구조(예컨대, 벤젠 코어에 O-연결된 각종 측쇄)에 초점을 두고 있으나, 다른 아릴 및/또는 방향족 코어 구조도 또한 구상되며, 이는 본 발명의 도전성 조성 물을 생성시키는데 사용될 수 있다. 대안적 코어 구조를 이용하는 예시적 도전성 조성물이 예를 들어, 도 2에 나와 있다.
본체 구조에 대한 티오펜 요소의 첨가
한 바람직한 구현예에서, 본체 구조는 방향족 환 코어 구조에 결합된 하나 이상의 티오펜 부분기를 포함한다. 이는 티오펜-함유의 코어 구조를 제공하거나, 혹은 티오펜-함유의 머리 또는 꼬리기 부분기를 제공함으로써 합성적으로 달성될 수 있다. (결합된 사이드암을 포함하는) 예시적 티오펜-함유의 본체 구조는 1,4-디티오펜-2,5-디헥속시벤젠(화합물 15a)이다. 요오드화 중간체 화합물 15b에 대한 전구체인 상기 화합물은 하기와 같이 제조된다. 교반바 및 테플로 밸브가 장착된 100 mL의 슈렝크 튜브에, 이염화팔라듐(1.0 mmol, 0.177 g), 트리페닐아르신(2.0 mmol, 0.610 g) 및 LiCl(20 mmol, 0.859 g)을 글러브박스에서 첨가하였다. 슈렝크 라인상에서, 1,4-디요오도-2,5-디헥속시벤젠 13(10 mmol, 5.30 g)을 첨가하였고, 용기를 진공 하에 두고, 아르곤으로 재충전하였다(3×). 그 다음에, 탈기된 디메틸포름아미드(DMF)를 양의 아르곤 압력 하에서 캐뉼러로 이동시켰다. 용기를 봉하여, 6 일까지 100℃까지 가열하였다. 반응 혼합물을 냉각시키고, 에틸 아세테이트(200 mL)로 희석시켰으며, 중탄산나트륨 포화 수용액(125 mL), 탈이온수(50 mL) 및 염수(150 mL)로 세척하였다. 유기층을 진공 하에 두었고, 용매를 제거하였으며, 250 mL의 슈렝크 플라스크 내에 넣었다. 플래쉬 크로마토그래피(에틸 아세테이트:헥산, 0, 1, 2 및 5% 구배)로 정제하고, 회전 증발에 용매를 제거하여, 황색 결정의 1,4- 디티오펜-2,5-디헥속시벤젠(2.2 g, 49% 수율, 화합물15a)을 수득하였다. 1H NMR (CDCl3, 도 16) δ7.53 (d, 2H), 7.34 (d, 2H), 7.25 (s, 2H), 7.09 (dd, 2H), 4.09 (t, 4H), 1.91(m, 4H), 1.55(m, 4H), 1.36(m, 8H), 0.93 (t, 6H); 13C{1H} (CDCl3) δ149.2, 139.3, 126.8, 125.8, 125.2, 123.0, 112.9, 69.9, 31.9, 29.7, 26.2, 22.9, 14.4.
이어서, 하기와 같이 티오펜 요소들 중 하나를 요오드화시킴으로써, 중간체 15a를 화합물 15b로 전환시켰다. 테플로 밸브 및 교반바가 장착된 100 mL의 슈렝크 플라스크에, 1,4-디티오펜-2,5-디헥속시벤젠 15a(2.49 mmol, 1.10 g)을 첨가하고, 플라스크를 마개로 막았으며, 진공 하에 두어, 아르곤으로 재충전하였다(3×). 그 다음에, 무수 클로로포름(30 mL)을 양의 아르곤 압력 하에 캐뉼러로 이동시켜, 혼합물을 교반하였다. 아르곤 하에, 교반된 혼합물에, N-요오도숙신이미드(2.49 mmol, 0.560 g)를 한 부분으로 첨가하였고, 반응 용기를 테플론-부착 마개로 봉하였고, 반응 혼합물을 4.5시간 동안 상온에서 교반한 후, 40℃로 가열하였고, 부가적으로 22시간 동안 교반하였다. 냉각시킨 후에, 조 반응 혼합물을 실리카 겔(5% 에틸 아세테이트: 95% 헥산)로 막은 후, 10% 수성 티오황산나트륨(3×50 mL), 염수 (50 mL)로 세척하였고, 유기층을 황산나트륨 상에서 건조시켜, 여과시켰으며, 회전증발에 의해 용매를 제거하여, 조 물질 화합물 15b을 황색 오일 고체로서(1.40 g, 99% 수율) 수득하였다. 1H NMR (CDCl3, 도 13) δ7.53 (m, 1H), 7.43 (d, 1H), 7.35 (m, 1H), 7.26-7.20 (m, 3H), 7.13 (d, 1H) 7.09 (dd, 1H), 7.02 (s, 1H), 4.09 (t, 4H), 2.45 (t, 2H), 1.93 (m, 4H), 1.70-1.25 (m, 24H), 0.94 (m, 9 H); MALDI-TOF MS (M+H) 569 m/z.
꼬리 및 머리기의 결합
꼬리기 및 머리기 부분기의 요오드화 중간체 15b로의 결합으로, 도전성 조성물 16이 수득된다. 화합물 5a에 대해 미리 기재된 바와 유사한 방식으로, 꼬리 부분기가 도 4에 나와 있는 본체 구조의 요오드화 티오펜 요소에 결합된다. 머리기의 결합은, 원하는 도전성 조성물 16의 합성에 있어 마지막 단계이다.
실시예 3: 비대칭 사이드암 요소를 갖는 조성물의 합성
도전성 조성물의 2개의 사이드암 부분기는 구조에 있어 동일하거나 대칭일 필요가 없다. 본 발명의 조성물의 다른 한 구현예에서, 2개의 상이한 사이드암 부분기들은 도전성 조성물 21의 모듈적 합성에 이용된다. 도 5에 나와 있는 바와 같이, 70℃에서 탄산칼륨 및 DMF의 존재 하에, 1.1 당량의 1-요오도헥산(화합물 11)을 이용하여, 비보호 헥실기에서 4-메톡시페놀(화합물 17)을 알킬화하여, 중간체 화합물 18(도 15 참고)을 형성시켰고, 이를 요오드화시켰고(화합물 19, 도 17), 티오펜 부분기로 유도화시켰으며, 실시예 2와 유사한 방식으로 1-데신 꼬리 부분기(Tl) 및 티오펜-포스포네이트 머리기(H3)에 결합시켰다.
실시예 4: 꼬리기 부분기 1-스타닐-5-데시닐-티오펜의 합성
본 발명의 일부 구현예들의 합성에 이용되는 다른 한 통상적 중간체가 티오펜-함유의 꼬리기 부분기, 1-스타닐-5-데시닐-티오펜(화합물 22)이며, 여기에서 ( 티오펜 부분기가 꼬리기 부분기에 결합하기 전에 본체 구조에 연합되는, 도 4 및 5에 나와 있는 합성 반응식과는 대조적으로) 티오펜 부분기 및 꼬리기가 본체 구조에 연결되기 전에 연합된다. 이 티오펜-꼬리기 중간체는 하기와 같이 제조될 수 있다(도 6). 재봉함이 가능한 테플로 밸브 및 달걀 모양의 교반바가 장착된 100 mL의 슈렝크 튜브에, 이염화팔라듐(0.413 mmol, 0.073 g), 트리페닐포스핀(0.826 mmol, 0.217 g) 및 요오드화구리(I)(0.413 mmol, 0.079 g)를 글러브박스에서 첨가하였다. 슈렝크 라인상에서, 탈기된 2-브로모티오펜 8(20.66 mmol, 3.37 g), 디이소프로필 아민(30 mL), 1-데신 2(20.66 mmol, 2.86 g) 및 톨루엔(50 mL)을 아르곤 하에서 주사기를 통해 순차적으로 첨가하였다. 반응 용기를 밸브로 봉하고, 반응 혼합물을 100℃로 가열하여, 하룻밤동안 교반하였다. 반응 혼합물을 상온으로 냉각시키고, 회전증발에 의해 용매를 제거하였다. 잔류물을 디에틸 에테르(250 mL)에 용해시키고, 포화 수성 염화암모늄(3×125 mL)으로 세척하였으며, 황산나트륨 상에서 건조시키고, 여과시켰으며, 회전증발에 의해 용매를 제거하여, 황색 오일을 수득하였다. 헥산을 이용한 실리카 겔을 통해 막힘으로 정제함으로써, 2-데시닐 티오펜(화합물 22a)을 담황색 오일로서(4.32 g, 95% 수율) 수득하였다. 1H NMR (CDCl3) δ7.18 (d, 1H), 7.12 (d, 2H), 6.94 (dd, 1H), 2.44 (t, 2H), 1.70-1.30 (m, 12H), 0.92 (t, 3H); GC/MS(M+ 220 m/z). 이 화합물은 추가 정제하지 않고 사용되었다.
글러브박스에서 달걀 모양의 교반바가 장착된 1 L의 슈렝크 플라스크에 2- 데시닐티오펜 22a(57.44 mmol, 12.658 g)를 피펫으로 첨가하였다. 슈렝크 라인상에 서, 테트라히드로푸란(300 mL)을 격막을 통해 반응 용기에 캐뉼러로 이동시켰다. 반응 혼합물을 -78℃로 냉각시켜, n-부틸 리튬(35.9 mL, 헥산 중 1.6 M 용액)을 주사기로 적가하였고, 반응 혼합물을 45분 동안 교반하였다. 반응 용기에 첨가 깔대기를 장착하였고, 염화트리메틸틴(57.4 mL, 테트라히드로푸란 중 1.0 M 용액)을 격막을 통해 양의 아르곤 압력 하에서 깔대기에 캐뉼러로 이동시켰다. 염화트리메틸틴 용액을 -78℃에서 15분간 교반 리튬염 용액에 적가하였다. 반응 혼합물을 하룻밤동안 상온으로 가온시켰다. 용매를 슈렝크 라인상에서 진공 건조시키고, 1 L의 슈렝크 플라스크에 넣었다. 수득된 잔류물을 디에틸 에테르(500 mL)에 용해시키고, 염수(3×200 mL)로 세척하였으며, 황산마그네슘 상에서 건조시켜, 여과시켰으며, 회전증발에 의해 용매를 제거하여, 1-스타닐-5-데시닐-티오펜 22b을 담갈색 오일로서(20.6 g, 94% 수율) 수득하였다. 1H NMR (CDCl3) δ7.20 (d, 1H), 7.00 (d, 2H), 2.43 (t, 2H), 1.60 (m, 2H), 1.44 (m, 2H), 1.30 (m, 8H), 0.899 (t, 3H), 0.37 (s, 9H); GC/MS(M+) 384 m/z, (M+-CH3)369 m/z.
실시예 5: 공액 조성물 25의 합성
본 발명의 공액 조성물의 다른 한 예가 표 1 및 도 6에 나와 있는 화합물 25이다. 하기와 같이, 티오펜-유도화된 꼬리기 부분기 22b 및 본체 구조 15b를 이용하여, 상기 조성물을 제조하였다.
교반바가 장착된 50 mL의 슈렝크 튜브에, 이염화팔라듐(0.12 mmol, 0.021 g), 트리페닐아르신(0.24 mmol, 0.073 g), LiCl(2.4 mmol, 0.103 g) 및 1-스타닐-5-데시닐-티오펜 22b을 글러브박스에서 첨가하였다. 슈렝크 라인상에서, 화합물 15b를 탈기된 디메틸포름아미드에 용해시키고, 양의 아르곤 압력 하에 슈렝크 튜브에 캐뉼러로 이동시켰다. 반응 혼합물을 진공 하에 두고, 아르곤으로 재충전시켰고, 용기를 봉하여, 4일까지 100℃로 가열시켰다. 반응 혼합물을 에틸 아세테이트(250 mL)로 희석시키고, 탈이온수(100 mL)로 세척시켰으며, 유기층을 분리하여, 진공 하에 용매를 제거하였다. 실리카 플래쉬 크로마토그래피(4% 에틸 아세테이트:96% 헥산)로 정제하여, 화합물 23에 대한 전구체(전구체 구조는 나타내지 않음)를 황색 오일 고체로서(0.360 g, 23% 수율) 수득하였다. 1H NMR (CDCl3) δ7.54 (m, 1H), 7.35 (d, 1H), 7.25-7.16 (m, 4H), 7.09 (dd, 1H), 4.09 (m, 4H), 1.93 (m, 4H), 1.56 (m, 4H), 1.39 (m, 8H), 0.94 (m, 9H); MALDI TOF MS (M+H) 661 m/z.
테플로 밸브, 교반바 및 화합물 23에 대한 전구체(0.515 mmol 0.340 g) 및 클로로포름(6.2 mL)이 있는 50 mL의 슈렝크 플라스크에, N-요오도숙신이미드(0.515 mmol, 0.116 g)를 아르곤 하에 한 부분으로 첨가하였다. 반응 용기를 봉하고, 혼합물을 22시간 동안 40℃로 가열하였다. 반응 혼합물을 에틸 아세테이트(100 mL)로 희석시키고, 10% 수성 티오황산나트륨 (3×25 mL), 염수 (2 × 25 mL)로 세척하였으며, 황산마그네슘 상에서 건조시키고, 여과하였으며, 에틸 아세테이트를 이용한 실리카 겔을 통해 막았다. 회전증발에 의해 용매를 제거함으로써, 조 생성물 23을 점질의 황색 고체로서 수득하였으며, 이를 추가 정제하지 않고 사용하였다(0.402 g, 99%). 1H NMR (CDCl3) δ7.72 (d, 1H), 7.56 (m, 1H), 7.50 (d, 1H), 7.40-7.32 (m, 2H), 7.30-7.20 (m, 2H), 7.11 (dd, 1H), 5.18 (t, 2H), 4.13 (m, 4H), 2.15 (m, 2H), 1.95 (m, 4H), 1.58 (m, 8H), 1.50-1.20 (m, 14H), 1.28-0.93(m, 9 H).
본 발명의 본 특별한 구현예에서, 화합물 15b의 비요오드화 티오펜에 대한 결합을 통해, 본체 구조에 부착시키기 위해, 티오펜-결합된 머리기 부분기 24를 제조하였다. 도 6에 나와 있는 바와 같이, 전구체 머리기 부분기 24를 조 반응 생성물 23에 첨가하여, 도전성 조성물 25을 형성시킴을 수행하였다.
실시예 6: 공액 조성물 28의 합성
본 발명의 공액 조성물의 다른 한 예가 표 1 및 도 7에 나와 있는 바와 같은 화합물 28이다. 도 7에 기재된 바와 유사한 방식으로, 티오펜-함유의 본체 구조 15b 및 벤질-함유의 꼬리 부분기를 이용하여, 상기 조성물을 제조하였다. 대안적으로, 도 10에 나와 있는 중간체를 이용하여(즉, 벤질환을 갖는 머리기 대신에, 벤질환을 갖는 본체 구조를 이용하여) 화합물 28을 합성할 수 있었다.
본체 구조 15b, 도 9에 나와 있는 바와 같은 벤질화 머리기, 및 티오펜-함유의 꼬리기(예컨대, 화합물 22)를 이용하여, 유사한 모듈적 방식으로, 도 11에 나와 있는 도전성 조성물을 합성할 수 있었다.
실시예 7: 화합물 25의 모듈적 합성을 위한 대안 방법
도 20에 나와 있는 바와 같이, 도전성 조성물 25의 제조를 위한 대안적인 모듈적 접근법도 구상된다. 이 접근법에서, 티오펜-함유의 머리 및 꼬리기 성분을 사 용하기보다는, 본체 구조에 단위로서 디티오펜 요소를 부착시킨다. 이 합성 접근법으로, 요오드화 본체 구조 13을 상기 기재된 바와 같이 히드로퀴논 10으로부터 제조한다. 이어서, 요오드 부분기를 2개의 디티오펜 구조로 대체하여, 화합물 30을 형성시킨다. 이어서, 중간체 30을 도 20에 나와 있는 바와 같이, 꼬리기 2 및 포스폰산 머리기에 연합시켜, 도전성 조성물 25을 형성한다.
실시예 8: 공액 조성물 31의 합성
또한, 도 21에 기재된 바와 같이, 본 발명의 도전성 조성물, 즉 화합물 31의 부가적 구현예의 합성에서, 디-요오드화 중간체 13을 사용할 수 있다.
실시예 9: 중합가능한 도전성 중합체의 합성
도전성 조성물의 하나 이상의 성분(예컨대, 본체 구조, 머리, 꼬리)이 다중 단위에 존재하는 본 발명의 구현예가 구상된다. 예를 들어, 일부 구현예들은 2개 이상의 본체 구조를 결합시키거나 중합함으로써 제조된 본체 구조를 포함한다. 머리 및 꼬리 부분기를 각각의 본체 구조 구성원에 부착하기 전 또는 후에, 결합을 수행할 수 있다. 이 구현예는 일반적으로 구조 [Hx-By-Tz]n(여기에서, H는 나노구조 표면에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용화 머리기(또는 나노구조-결합의 구현예의 경우, 나노결정 표면에 결합된 하나 이상의 머리기)를 포함하고; B는 하나 이상의 공액 유기 부분기(여기에서, 제1 공액 유기 부분기가 인접 작용화 머리기 또는 결합된 머리기에 결합됨)를 갖는 본체 구조를 포함하며; T는 본체 구조에 결합된 하나 이상의 꼬리기를 포함하며; x, y, z 및 n는 독립적으로 1 이상의 정수를 포함 함)를 갖는 도전성 조성물로서 기재된다.
도 22는 2개의 코어 본체 구조 성분, 즉 (화합물 32로부터 유도된)p-자일렌 단위 및 0-알킬화 히드록시퀴논 단위(화합물 12)를 포함하는 도전성 조성물(화합물 36)의 제조를 위한 합성 반응식을 제공한다. 그러나, 2개의 본체 구조 성분이 합성 관점에서 이용될지라도, 최종 생성물(이 실시예에서, 화합물 36)은 또한 디티오펜 부분기에 의해 결합된 2개의 방향족 환을 가지고, 전체 본체 구조의 제1 말단에 부착된 꼬리 부분기, 및 전체 본체 구조의 제2 말단에 부착된 머리 부분기를 갖는 하나의 큰 본체 성분을 가지는 것으로 간주될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 본 발명의 화학적 조성물의 많은 구현예들에서와 같이, 본체 구조, 머리기 및 꼬리기 요소 간의 구별은 본질적으로 선택된 합성 접근법에 기초하고(상기 기재된 바와 같이 화합물 25에 대한 2가지 모듈적 접근법을 참고한다), 이로써 제한적으로 간주되어져서는 안된다.
화합물 36은 도 23에 나타낸 바와 같이 합성될 수 있다. 유사한 방식으로, 화합물 41은 또한 도 24에 나와있는 바와 같이 합성될 수 있다. 이 모듈적 접근법으로, 본체 구조(화합물 38)의 제1 부분을 제조한 후, 꼬리기 22에 결합시키고(이로써, 중간체 39를 형성시킴); 제2 본체 구조 부분(화합물 20)을 주석치환시키고, 머리기에 결합시키며(이로써, 중간체 40을 형성시킴), 이어서 이 합성 중간체를 연합하여, 화합물 41을 형성시킨다.
이 조성물은 또한 도전성 조성물의 중합 측면의 하나인 본 발명의 부가적 임의적인 특성을 포함하기 때문에, 화합물 36 및 41이 특히 유리하다. 도 23에 나와 있는 바와 같이, 본체 구조의 p-자일렌 유도화 부분의 사이드암 요소는, 예를 들어, 입체선택적 염기, 예컨대 리튬 디이소프로필 아미드(LDA)의 존재 하에서, 도 23에 나와 있는 바와 같은 케톤 관능기와 반응할 수 있다. (바람직하게는 상이한 나노구조 상의) 케톤-함유의 도전성 조성물들 간의 상호반응성은 인접한 도전성 조성물을 가교시킨다.
이 구현예는 n-형 및 p-형 나노결정의 양자 모두가 매트릭스 내에 포함된 나노구조-매트릭스 조성물에 있어서, 특히 바람직하다. 인접한 p-형 나노결정에 대한 n-형 나노결정의 결합은 매트릭스 내의 전자 및 정공의 더욱 효율적인 전송을 가능하게 한다.
실시예 10: 도전성 조성물 43의 합성
디-요오드화 중간체 13은 또한 본 발명의 도전성 조성물, 즉 화합물 43의 부가적 구현예의 합성에서 사용될 수 있다(도 25를 참고로 한다). 이 화합물의 합성을 위해, 상기 기재한 바와 같이 중간체 30이 제조된다. 이어서, 머리기 및 꼬리기 부분기가 도 25에 나와 있는 방식을 이용하여 본체 구조에 결합되고, 이로써 화합물 43이 생성된다.
실시예 11: 도전성 조성물 46의 합성
디-요오드화 중간체 13은 또한 본 발명의 도전성 조성물, 즉 화합물 46의 부가적 구현예의 합성에서 사용될 수 있다(도 26를 참고로 한다).
글러브박스에서 달걀 모양의 교반바가 장착된 50 mL의 슈렝크 플라스크에, 전구체 22b(0.997 mmol, 0.659 g)를 첨가하였다. 용기를 마개로 막고, 진공 하에 두어, 아르곤으로 재충전하였다(3×). 슈렝크 라인상에서, 테트라히드로푸란(5 mL)을 격막을 통해 반응 용기에 캐뉼러로 이동시켰다. 반응 혼합물을 -78℃로 냉각시키고, n-부틸 리튬(0.623 mL, 헥산 중 1.6 M 용액)을 주사기를 통해 적가하였고, 반응 혼합물을 -50℃로 가온시켰으며, 1시간 동안 교반하였다. 반응 혼합물을 -78℃로 재냉각시켰고, 염화트리메틸틴(0.997 mL, 테트라히드로푸란 중의 1.0 M 용액)을 주사기를 통해 -78℃에서 교반하는 리튬염 용액에 적가하였다. 반응 혼합물을 하룻밤 동안 교반 하에 상온으로 가온시켰다. 용매를 슈렝크 라인상에서 진공 제거하였고, 1 L의 슈렝크 플라스크에 넣었다. 수득된 잔류물을 헥산으로 추출하였고(3×50 mL), 캐뉼러로 여과한 후, 진공 하에 용매를 제거하여, 중간체 화합물 44를 황색 오일로서 수득하였다. 1H NMR (CDCl3) δ7.67 (d, 1H), 7.45 (d, 1H), 7.28-7.22 (m, 2H) 7.20 (d, 1H) 7.15 (d, 1H), 7.03 (s, 2H), 4.12 (m, 4H), 2.46 (t, 2H), 1.93 (m, 4H), 1.62 (m, 2H), 1.44 (m, 2H), 1.39 (m, 8H), 0.95 (m, 9H), 0.37 (s, 9H).
작용화 머리 부분기 45를 제조하기 위해, 화합물 13(50.0 mmol, 14.15 g) 및 팔라듐(0)테트라키스[트리페닐포스핀](2.50 mmol, 2.89 g)을 테플로 밸브 및 교반바가 장착된 200 mL의 슈렝크 튜브에 첨가하였다. 이어서, 슈렝크 라인상에서, 탈기된 트리에틸 아민(20.9 mL) 및 탈기된 톨루엔(50 mL)을 아르곤 하에서 주사기로 차례로 첨가하였다. 그 다음에, 탈기된 디에틸 포스피트 (50.0 mmol, 6.91 g)를 아르곤 하에서 주사기로 첨가하였다. 반응 용기를 봉하고, 혼합물을 12시간 동안 상 온에서 교반한 후, 1시간 동안 50℃로 가열하였다. 회전증발에 의해 용매를 제거하였고, 잔류물을 에틸 아세테이트(500 mL)에 용해시키고, 포화 수성 염화암모늄으로 세척하였으며(3×200 mL), 황산마그네슘 상에서 건조시키고, 여과하였으며, 회전증발에 의해 용매를 제거하였다. 실리카 겔 크로마토그래피(1:1 에틸 아세테이트:헥산)로 정제하여, 화합물 45를 무색 오일로서 수득하였다(9.17 g, 62% 수율) 1H NMR (CDCl3) δ7.90-7.50 (m, 4H), 4.30-4.10 (m, 4H) 1.50-1.30 (m, 6H);{1H}31P (CDCl3) δ18.8 (s).
교반바가 장착된 50 mL의 슈렝크 튜브에, 이염화팔라듐(0.06 mmol,0.010 g), 트리페닐아르신(0.10 mmol, 0.031 g), LiCl(1.0 mmol, 0.043 g) 및 화합물 45(1.05 mmol, 0.370 g)를 글러브박스에서 첨가하였다. 슈렝크 라인상에서, 화합물 44를 탈기된 디메틸포름아미드(6 mL)에 용해시키고, 양의 아르곤 압력 하에서 슈렝크 튜브에 캐뉼러로 이동시켰다. 반응 혼합물을 진공 하에 두고, 아르곤으로 재충전시켰으며, 용기를 봉하고, 12시간 동안 100℃로 가열하였다. 반응 혼합물을 에틸 아세테이트(250 mL)로 희석시키고, 탈이온수(100 mL)로 세척하였으며, 유기층을 분리하고, 진공 하에 용매를 제거하였다. 실리카 플래쉬 크로마토그래피(에틸 아세테이트:헥산 1:1)으로 정제하여, 화합물 46을 황색 오일 고체로서 수득하였다(0.124 g, 14% 수율). 1H NMR (CDCl3) δ7.85-7.80 (m, 2H) 7.76-7.72 (m, 2H) 7.65 (d, 1H), 7.46 (d, 1H), 7.42 (d, 2H) 7.25 (m, 2H) 7.15 (d, 1H), 7.04 (s, 1H), 7.03 (s, 1H) 4.15 (m, 4H), 2.46 (t, 2H), 1.97 (m, 4H), 1.62 (m, 2H), 1.42 (m, 2H), 1.37 (m, 8H), 0.95 (m, 9 H); {1H}31P (CDCl3) δ19.6 (s).
실시예 12: 도전성 조성물 50의 합성
도 27에 나와 있는 바와 같이, 요오드화 본체 구조 48을 이용하여, 화합물 50을 제조한다. 교반바 및 테플로 밸브가 장착된 250 mL의 슈렝크 튜브에, 이염화팔라듐(2.05 mmol, 0.363 g), 트리페닐아르신(4.1 mmol, 1.255 g), 및 LiCl(41 mmol, 1.759 g)을 글러브박스에서 첨가하였다. 슈렝크 라인상에서, 1,4-디요오도-2-(2-에틸헥속시)-5-메톡시벤젠(화합물 47b, 20.5 mmol, 10.0 g)을 첨가하였고, 용기를 진공 하에 두고, 아르곤으로 재충전하였다(3×). 그 다음에, 양의 아르곤 압력 하에 탈기된 디메틸포름아미드(DMF, 100 mL)를 캐뉼러로 이동시켰다. 용기를 봉하여, 1일 동안 100℃로 가열하였다. 반응 혼합물을 냉각시키고, 에틸 아세테이트(500 mL)로 희석하였으며, 포화 수성 티오황산나트륨(3×150 mL) 및 염수(3×150 mL)로 세척하였다. 유기층을 분리하고, 황산나트륨 상에서 건조시켰으며, 여과하고, 회전증발에 의해 용매를 제거하였다. 플래쉬 크로마토그래피(에틸 아세테이트:헥산, 0, 1, 2, 5 및 10% 구배)로 정제하고, 회전증발에 의해 용매를 제거하여, 1,4-디티오펜-2-(2-에틸헥속시)-5-메톡시벤젠(7.55 g, 92% 수율)을 무색 오일로서 수득하였다. 1H NMR (CDCl3) δ7.56 (m, 2H), 7.37 (d, 2H), 7.29 (s, 1H), 7.26 (s, 1H), 7.13 (m, 2H), 4.01 (d, 2H), 3.97 (s, 3H), 1.87 (m, 1H), 1.61 (m, 4H), 1.38 (m, 8H), 1.00 (t, 3H), 0.98 (t, 3H).
글러브박스에서 달걀 모양의 교반 바가 장착된 500 mL의 슈렝크 플라스크에, 반응 생성물(16.85 mmol, 6.75 g)을 첨가하였다. 용기를 마개로 막고, 진공 하에 두어, 아르곤으로 재충전하였다(3×). 슈렝크 라인상에서, 격막을 통해 반응 용기에 테트라히드로푸란(241 mL)을 캐뉼러로 이동시켰다. 그 다음에, N,N-테트라메틸 에틸렌디아민(16.85 mmol, 1.96 g)을 주사기를 통해 반응 혼합물에 이동시켰다. 반응 혼합물을 -78℃로 냉각시키고, n-부틸 리튬(10.53 mL, 헥산 중 1.6 M 용액)을 주사기를 통해 적가하였으며, 반응 혼합물을 1시간 동안 교반하였다. 1,2-디요오도에탄(21.91 mmol, 6.174 g)의 THF 용액(70 mL)을 -78℃에서 교반하는 리튬염 용액에 캐뉼러로 이동시켰다. 반응 혼합물을 하룻밤동안 교반 하에 상온으로 가온시켰다. 회전증발에 의해 용매를 제거하였고, 잔류물을 에틸 아세테이트(225 mL)에 용해시켰으며, 10% 티오황산나트륨(1×150 mL) 및 염수(200 mL)로 세척하였다. 유기층을 분리하여, 황산마그네슘 상에서 건조시키고, 여과하였으며, 회전증발에 의해 용매를 제거하였다. 플래쉬 크로마토그래피(에틸 아세테이트:헥산, 0, 1, 2, 5 및 10% 구배)로 정제하고, 회전증발에 의해 용매를 제거하여, 4-요오도-(1,4-디티오펜-2-(2-에틸헥속시)-5-메톡시벤젠(화합물 48, 6.21 g, 70% 수율)을 황색 오일로서 수득하였다. 1H NMR (CDCl3) δ7.55 (m, 1H), 7.38 (d, 1H), 7.29 (s,1H), 7.25 (d, 1H), 7.21 (d, 1H), 7.20 (s,1H), 7.13 (dd,1H), 4.01 (d, 2H), 3.99 (s, 3H), 1.88 (m, 1H), 1.61 (m, 4H), 1.36 (m, 8H), 1.01 (t, 3 H), 0.98 (t, 3H).
이어서, (도 27에 기재된 바와 같이) 요오드화 본체 구조 48을 꼬리 부분기에 결합시켜, 중간체 화합물 49를 형성시켰다. 교반바가 장착된 100 mL의 슈렝크 튜브에, 이염화팔라듐(0.32 mmol, 0.057 g), 트리페닐아르신(0.64 mmol, 0.197 g), LiCl(6.43 mmol, 0.277 g) 및 1-스타닐-5-데시닐-티오펜 22b을 글러브박스에서 첨가하였다. 슈렝크 라인상에서, 화합물 48을 탈기된 디메틸포름아미드에 용해시키고, 양의 아르곤 압력 하에서 슈렝크 튜브에 캐뉼러로 이동시켰다. 반응 혼합물을 진공 하에 두고, 아르곤으로 재충전하였으며, 용기를 봉하여, 1 일 이하 동안 100℃로 가열시켰다. 반응 혼합물을 에틸 아세테이트(250 mL)로 희석하고, 탈이온수(100 mL)로 세척하였으며, 유기층을 분리하여, 진공 하에 용매를 제거하였다. 실리카 플래쉬 크로마토그래피(5 내지 15% 에틸 아세테이트:95 내지 85% 헥산)로 정제하여, 전구체 화합물을 황색 오일로서 수득하였다(2.83 g, 71 % 수율). 1H NMR (CDCl3) δ7.57 (d, 1H), 7.47 (m, 1H), 7.38 (m, 1H), 7.32-7.25 (m, 2H), 7.17 (d, 1H), 7.13 (dd, 1H) 7.09-7.00 (m, 2H), 4.00 (m, 2H), 3.99 (s, 3H), 2.47 (t, 2H) 1.87 (m, 1H), 1.63 (m, 4H), 1.45 (m, 2H), 1.36 (m, 8H), 1.30-0.94 (m, 9H); MALDI TOF MS (M+H) 618 m/z.
글러브박스에서 달걀 모양의 교반바가 장착된 100 mL의 슈렝크 플라스크에 전구체 49(4.56 mmol, 2.82 g)를 첨가하였다. 용기를 마개로 막고, 진공 하에 두어, 아르곤으로 재충전하였다(3×). 드라이박스에서, 테트라히드로푸란(23.3 mL)을 피펫으로 반응 용기에 넣었고, 기질을 상온에서 용해시켰다. 반응 혼합물을 -78℃ 로 냉각시키고, n-부틸 리튬(2.85 mL, 헥산 중 1.6 M 용액)을 주사기로 적가하였으며, 반응 혼합물을 -50℃로 가온시키고, 1시간 동안 교반하였다. 반응 혼합물을 -78℃로 재냉각시키고, 디에틸포스포네이트 클로라이드(0.456 mmol, 0.658 mL)를 주사기를 통해 -78℃에서 교반하는 리튬염 용액에 적가하였다. 반응 혼합물을 하룻밤 동안 교반 하에 상온으로 가온시켰다. 회전증발에 의해 용매를 제거하였고, 수득된 잔류물을 에틸 아세테이트(150 mL)에 용해시키고, 황산나트륨 상에서 건조시켜 여과하였다. 실리카 플래쉬 크로마토그래피(5 내지 15% 에틸 아세테이트:95 내지 85% 헥산)로 정제하여, 전구체 화합물을 오렌지 오일로서 수득하였다.
실시예 13: 도전성 조성물 25의 합성
도 28은 도전성 조성물 25의 합성에 대한 다른 접근법을 제공한다.
실시예 14: 나노구조의 제조
과다량의 유기 계면활성제, 예컨대 트리옥틸 포스핀(TOP), 트리옥틸 포스핀 옥시드(TOPO), 헥사데실 포스폰산(HDPA), 옥타데실 포스폰산(ODPA) 및 트리-n-부틸 포스핀(TBP)이 본원에 인용된 표준 기법에 의해 제조된 통상 나노구조 제조물 내에 존재한다. 임의적으로, 임의의 과다량의 계면활성제가 본 발명의 도전성 조성물과 연합되기 전에, 나노구조 제조물로부터 제거된다. 이는 예를 들어, 나노구조가 가용성인 제1 용매(예컨대, 톨루엔 또는 클로로포름) 및 나노구조가 비가용성인 제2 용매(예컨대, 이소프로판올 또는 장쇄 알코올, 또는 아세테이트, 예컨대 에틸 아세테이트)로부터 제조된 혼합물을 첨가함으로써 달성될 수 있다. 용매 혼합물에서 제조된 제1 용매:제2 용매의 비가 전형적으로 1:1 내지 10:1의 범위 내인 경우, 한 바람직한 용매 혼합물이 4부의 톨루엔:1부의 이소프로판올이다.
이어서 부가량의 제2 용매를, 용매 혼합물로부터 나노구조를 석출시키기에 충분한 양으로 첨가한다(그러나, 과도한 계면활성제는 첨가하지 않음). 이어서, 석출된 나노구조를 (예컨대, 원심분리에 의해) 용매 혼합물로부터 분리함으로써, 과도한 유기 계면활성제를 나노구조로부터 제거한다. 임의적으로, 석출된 나노구조를, 예컨대, 나노구조 제조물이 여전히 바람직하지 못한 양의 과도한 계면활성제를 함유하고 있다고 분석되는 경우, 하나 이상의 부가적 횟수로, 용매 혼합물로 세척할 수 있다.
부가적으로, 나노결정 반응 혼합물에서 나노결정 상의 피리딘 교환을 수행하고, 용액 중에 나노결정을 남기면서 유기 염을 석출시킴에 의해, 나노결정 반응 혼합물로부터 임의의 과량의 유기 염을 제거할 수 있다. 예를 들어 나노결정 반응 혼합물을 약 1시간 동안 150℃로 가열함으로써, 피리딘 교환을 수행한다.
명료하게 이해시키기 위한 목적으로 상기 발명을 더욱 상세히 설명하였으나, 당업자는 본 개시내용을 읽음으로써, 본 발명의 진정한 범주를 벗어나지 않으면서 형태 및 상세내용에 있어 각종 변화를 가할 수 있음이 명료히 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 기재된 모든 기술 및 장치는 각종 조합으로 사용으로 사용될 수 있다. 본원에 인용된 모든 공보, 특허, 특허출원 및/또는 다른 문헌들은, 각각의 개별적 공보, 특허, 특허출원 및/또는 다른 문헌들이 개별적으로 모든 목적을 위해 참고로 인용된 것과 같은 정도로, 모든 목적을 위해 참고로 인용된다.

Claims (106)

  1. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서,
    공액 유기 부분기를 포함하는 본체 구조;
    공액 유기 부분기 상의 제1 위치에서 본체 구조에 결합된 머리기로서, 나노구조 표면에 결합할 수 있는 작용화 머리기, 또는 나노구조 표면에 결합된 머리기를 포함하는 머리기; 및
    알킨 부분기를 포함하는 것으로서, 공액 유기 부분기 상의 제2 위치에서 본체 구조에 결합된 꼬리기
    를 포함하고; 본 도전성 조성물의 하나 이상의 요소가 나노구조의 표면에 부착 시에 나노구조에 전하를 제거하거나 첨가할 수 있으며, 이로써 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하는 도전성 조성물.
  2. 청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 조성물.
  3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서, 나노구조가 무기 나노결정인 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 작용화 머리기가 하나 이상의 포스폰산, 카르복실산, 아민, 포스핀 또는 티올 부분기를 포함하는 조성물.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서, 작용화 머리기 또는 결합된 머리기가 멀티덴테이트(multidentate) 구조를 포함하는 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 본체 구조가 공액 알킬 부분기 또는 공액 아릴 부분기를 포함하는 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 본체 구조가 페닐렌, 티오펜, 에텐, 에틴, 아닐린, 플루오렌, 피리딘, 페릴렌, 페난트랄렌, 안트라센, 알케닐 또는 다핵성 방향족 부분기를 포함하는 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 본체 구조가 공액 유기 부분기에 결합된 하나 이상의 0-연결 또는 N-연결 측쇄를 추가로 포함하는 조성물.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서, 측쇄가 전자공여성기를 포함하는 조성물.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서, 측쇄가 전자유인성기를 포함하는 조성물.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
  13. 제9항에 있어서, 측쇄가 중합가능한 요소를 포함하는 조성물.
  14. 제13항에 있어서, 중합가능한 요소가 아크릴레이트 부분기, 메타크릴레이트 부분기 또는 비닐 부분기를 포함하는 조성물.
  15. 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서, 제1 측쇄가 제1 측쇄 위치에서 본체 구조에 결합되고, 제2 측쇄가 제2 측쇄 위치에서 본체 구조에 결합되는 조성물.
  16. 청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제15항에 있어서, 제1 및 제2 측쇄가 상이한 화학적 부분기인 조성물.
  17. 청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제15항에 있어서, 제1 및 제2 측쇄가 동일한 화학적 부분기인 조성물.
  18. 청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서, 측쇄가 조성물의 가용성을 변경시키는 조성물.
  19. 청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서, 측쇄가 나노구조-함유의 매트릭스의 매트릭스 조성물에 작용적으로 및/또는 전자적으로 매칭되는 조성물.
  20. 제9항에 있어서, 측쇄가 0-연결 헥산 부분기, 0-연결 2-에틸헥실 부분기, 0-연결 옥틸 부분기, 0-연결 데실 부분기, 또는 탄소수 5 내지 22의 0-연결 알킬 부분기를 포함하는 조성물.
  21. 제9항에 있어서, 측쇄가 N-연결 헥산 부분기, N-연결 2-에틸헥실 부분기, N-연결 옥틸 부분기, N-연결 데실 부분기, 또는 탄소수 5 내지 22의 N-연결 알킬 부분기를 포함하는 조성물.
  22. 청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서, 측쇄가 탄소수 22 초과의 화학적 치환기를 포함하는 조성물.
  23. 청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제9항에 있어서, 하나 이상의 측쇄 및 꼬리기가 동일한 화학적 조성을 포함하는 조성물.
  24. 제1항에 있어서, 본체 구조가 올리고머성 또는 중합체성 구조를 포함하는 조성물.
  25. 제24항에 있어서, 본체 구조가 폴리(페닐렌), 폴리(티오펜), 폴리(에텐), 폴리(에틴), 폴리(아닐린), 폴리(플루오렌), 폴리(피리딘) 또는 폴리(다핵성 방향족) 부분기를 포함하는 조성물.
  26. 청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제24항에 있어서, 본체 구조가 올리고머성 또는 중합체성 구조의 하나 이상의 요소에 결합된 하나 이상의 측쇄를 추가로 포함하는 조성물.
  27. 청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서, 꼬리기가 도전성 화학적 구조를 포함하는 조성물.
  28. 청구항 28은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서, 꼬리기가 비도전성 화학적 구조를 포함하는 조성물.
  29. 삭제
  30. 제1항에 있어서, 꼬리기가 1-프로핀, 1-부틴, 1-펜틴, 1-헥신, 1-헵틴, 1-옥틴, 1-노닌, 1-데신, 또는 탄소수 3 내지 22의 알킨을 포함하는 조성물.
  31. 청구항 31은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서, 꼬리기가 탄소수 22 초과의 알킨을 포함하는 조성물.
  32. 제30항에 있어서, 꼬리기가 본체 구조와 알킨 부분기 사이에 위치한 티오펜 부분기를 추가로 포함하는 조성물.
  33. 청구항 33은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서, 꼬리기가 나노구조 표면 또는 부가적 나노구조 표면에 결합할 수 있는 화학적 작용기를 포함하는 조성물.
  34. 청구항 34은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서, 꼬리기가 모노덴테이트 구조를 포함하는 조성물.
  35. 청구항 35은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서, 꼬리기가 멀티덴테이트 구조를 포함하는 조성물.
  36. 청구항 36은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서, 꼬리기가 중합가능한 요소를 포함하는 조성물.
  37. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서, 하기 화학식:
    Figure 112005011346262-pct00010
    을 갖는 도전성 조성물.
  38. 제37항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 도전성 조성물.
  39. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서, 하기 화학식:
    Figure 112005011346262-pct00011
    을 갖는 도전성 조성물.
  40. 제39항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 도전성 조성물.
  41. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서, 하기 화학식:
    Figure 112005011346262-pct00012
    을 갖는 도전성 조성물.
  42. 제41항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 도전성 조성물.
  43. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서, 하기 화학식:
    Figure 112005011346262-pct00013
    을 갖는 도전성 조성물.
  44. 제43항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 도전성 조성물.
  45. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서, 하기 화학식:
    Figure 112005011346262-pct00014
    을 갖는 도전성 조성물.
  46. 제45항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 도전성 조성물.
  47. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서, 하기 화학식:
    Figure 112005011346262-pct00015
    을 갖는 도전성 조성물.
  48. 제47항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 도전성 조성물.
  49. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서, 하기 화학식:
    Figure 112005011346262-pct00016
    을 갖는 도전성 조성물.
  50. 제49항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 도전성 조성물.
  51. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서, 하기 화학식:
    Figure 112005011346262-pct00017
    을 갖는 도전성 조성물.
  52. 제51항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 도전성 조성물.
  53. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서, 하기 화학식:
    Figure 112005011346262-pct00018
    을 갖는 도전성 조성물.
  54. 제53항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 도전성 조성물.
  55. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서, 하기 화학식:
    Figure 112005011346262-pct00019
    을 갖는 도전성 조성물.
  56. 제55항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 도전성 조성물.
  57. 나노구조-함유의 매트릭스 전반에 걸친 전하 수송을 개질하기 위한 도전성 조성물로서, 하기 화학식:
    Figure 112005011346262-pct00020
    을 갖는 도전성 조성물.
  58. 제57항에 있어서, 나노구조가 나노결정인 도전성 조성물.
  59. 구조 [Hx-By-Tz]n를 가지는 중합체성 도전성 조성물로서,
    상기 구조에서,
    H는 나노구조 표면에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용화 머리기, 또는 나노구조 표면에 결합된 하나 이상의 머리기를 포함하고;
    B는 하나 이상의 공액 유기 부분기(여기에서, 제1 공액 유기 부분기는 인접 작용화 머리기 또는 결합된 머리기에 결합됨)를 포함하는 본체 구조를 포함하며;
    T는 본체 구조에 결합되고 알킨 부분기를 포함하는 하나 이상의 꼬리기를 포함하며;
    x, y, z 및 n는 독립적으로 1 이상의 정수를 포함하고, 정수 x+y+z+n는 5 이상인 조성물.
  60. 삭제
  61. 삭제
  62. 삭제
  63. 삭제
  64. 삭제
  65. 삭제
  66. 삭제
  67. 외부 표면을 포함하는 나노구조로서, 나노구조 외부 표면의 일부가 제1항의 도전성 조성물에 결합된 나노구조; 및
    나노구조의 공액 외부 표면에 인접하게 위치한 매트릭스
    를 포함하는 나노구조 매트릭스 조성물.
  68. 삭제
  69. 삭제
  70. 삭제
  71. 삭제
  72. 외부 표면을 포함하는 나노구조; 및
    나노구조의 외부 표면에 인접하게 위치한 매트릭스 조성물
    을 포함하는 나노구조-함유의 매트릭스 조성물로서,
    매트릭스 조성물이 구조 [Tx-By-Hz]n를 갖는 도전성 중합체를 포함하고, 상기 구조에서, H는 나노구조 표면에 결합할 수 있는 하나 이상의 작용화 머리기를 포함하고; B는 하나 이상의 공액 유기 부분기를 포함하는 본체 구조를 포함하며; 이 때, 제1 공액 유기 부분기는 하나 이상의 작용화 머리기에 결합되고; T는 본체 구조에 결합되고 알킨 부분기를 포함하는 하나 이상의 꼬리기를 포함하며; x, y, z 및 n는 독립적으로 1 이상의 정수를 포함하는 나노구조-함유의 매트릭스 조성물.
  73. 삭제
  74. 삭제
  75. 삭제
  76. 삭제
  77. 삭제
  78. 삭제
  79. 삭제
  80. 삭제
  81. 삭제
  82. 삭제
  83. 삭제
  84. 삭제
  85. 삭제
  86. 삭제
  87. 삭제
  88. 삭제
  89. 삭제
  90. 삭제
  91. 삭제
  92. 삭제
  93. 삭제
  94. 삭제
  95. 삭제
  96. 삭제
  97. 삭제
  98. 삭제
  99. 삭제
  100. 삭제
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