TWI600648B - 含有氧族元素的有機化合物、其製造方法及其用途 - Google Patents

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Description

含有氧族元素的有機化合物、其製造方法及其用途
本發明是有關於一種含有氧族元素(chalcogen)的有機化合物及其用途。更詳細而言,是有關於含有氧族元素的有機化合物及其製造方法、包含上述有機化合物的有機半導體材料、包含上述有機半導體材料的有機半導體膜、以及包括上述有機半導體膜的有機場效電晶體(Field Effect Transistor,FET)。
近年來,具有半導體特性的有機化合物受到關注。其中,稠五苯(pentacene)以及稠四苯(tetracene)等聚並苯(polyacene)化合物由於其載子移動率高,故而以前作為有機半導體材料而已知。此外,本說明書中,「載子移動率」是以包含電子移動率及電洞移動率的廣義含義來使用。
然而,公知的聚並苯(polyacene)化合物由於對溶劑的溶解性低,故而難以利用塗佈法或者印刷法等來形成膜。因此,必須藉由花費製造成本的蒸鍍製程來製作具有半導體特性的元件(以下亦稱為「元件」)。進而,公知的聚並苯化合物在耐氧化性 等化學穩定性方面亦存在問題,就產業上的實用性的觀點而言是難以使用的材料。
因此,為了改善溶解性或化學穩定性,而對在並苯(acene)骨架上導入有多種取代基的化合物進行研究(例如參照專利文獻1及非專利文獻1)。進而,亦已對在並苯骨架的一部分中導入有硫或硒等氧族元素的化合物,例如二苯并噻吩并噻吩([1]Benzothieno[3,2-b]benzothiophene,BTBT)或二萘并噻吩并噻吩(Dinaphtho[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]thiophene,DNTT)等進行研究(例如參照專利文獻2~專利文獻3)。
依據上述專利文獻,上述化合物中,不僅維持高的載子移動率,而且成功地改善了化學穩定性。然而,該些化合物由於具有直線型且對稱性高的分子結構,故而存在即便導入烷基等取代基,溶解性亦未必充分等問題。另外,上述化合物隨著分子結構的複雜化,而使用高價的原料或對環境的負荷高的反應劑,且經過多階段的合成方可逐漸合成。
如上所述,迄今為止開發出多種具有半導體特性的有機化合物。然而,容易合成、熱·化學穩定性優異、具有對溶劑的高溶解性、且具有高的載子移動率的有機化合物(例如可以溶液的狀態進行塗佈或者印刷,且可應用於電晶體製作等廣泛用途的材料)的開發尚不充分。
因此,近年來,分子內導入有彎曲部位且以非直線型結構作為基本骨架的有機半導體材料受到關注。上述有機半導體材 料中,本發明者等人已藉由在二萘并呋喃(dinaphthofuran)、二萘并噻吩(dinaphthothiophene)、二蒽並呋喃(dianthrafuran)及二蒽並噻吩(dianthrathiophene)等V字型或者U字型分子的特定位置導入烷基等取代基,而發現熱·化學穩定性優異、具有高溶解性及高載子移動率的有機半導體材料(參照非專利文獻2)。
作為上述有機半導體材料的進一步研究,本發明者等人著眼於作為分子中具有2處彎曲部位的N字型分子的二苯并二氧族元素代並苯(dibenzodichalcogenoacene)類、二萘并二氧族元素代並苯(dinaphthodichalcogenoacene)類及二蒽並二氧族元素代並苯(dianthradichalcogenoacene)類。
該些N字型分子亦已揭示有數例(參照專利文獻4~專利文獻8)。
專利文獻4~專利文獻6中,提及了二苯并二氧族元素代並苯、二萘并二氧族元素代並苯及二蒽並二氧族元素代並苯以及它們的衍生物、或包含該些化合物的有機半導體材料及有機膜以及它們的用途。
然而,專利文獻4中,上述化合物的半導體特性並未得到任何驗證,由取代基導入所帶來的效果亦不明。此外,關於上述化合物中導入有1個~3個烷基或苯基的衍生物,對化合物自身並無任何揭示,該化合物對溶劑的溶解性、包含該化合物的溶液的塗佈性、該化合物的半導體特性亦不明。
另外,專利文獻5~專利文獻6中並未揭示二萘并二氧 族元素代並苯及其衍生物,另外,二苯并二氧族元素代並苯及二蒽並二氧族元素代並苯以及它們的衍生物的半導體特性並未得到任何驗證,由取代基導入所帶來的效果亦不明。此外,關於二蒽並二氧族元素代並苯中導入有1個~3個烷基或苯基的衍生物,對化合物自身並無任何揭示,該化合物對溶劑的溶解性、包含該化合物的溶液的塗佈性、該化合物的半導體特性亦不明。
進而,專利文獻7~專利文獻8中揭示有大致相同的下述通式所表示的二苯并二氧族元素代並苯衍生物,但二萘并二氧族元素代並苯及二蒽並二氧族元素代並苯以及它們的衍生物完全未揭示。
[式中,Y為氧或硫等,X為各種取代基。]
另外,有機半導體材料揭示有下述式所表示的多環式苯并二噻吩(參照非專利文獻3)。然而,該化合物的半導體特性亦完全不明,關於是否可用作有機半導體材料並未得到任何驗證。
[化2]
[式中,R為-C6H13或者-TIPS(三異丙基矽烷基)。]
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第2005/80304號小冊子
[專利文獻2]國際公開第2006/77888號小冊子
[專利文獻3]國際公開第2008/50726號小冊子
[專利文獻4]國際公開第2008/26602號小冊子
[專利文獻5]日本專利特開2009-203183號公報
[專利文獻6]日本專利特開2010-138077號公報
[專利文獻7]日本專利特開2010-87408號公報
[專利文獻8]國際公開第2011/74231號小冊子
[非專利文獻]
[非專利文獻1]美國化學會志(Journal of the American Chemical Society),2001年第123卷第9482頁
[非專利文獻2]第59次應用物理學關係演講會,演講編號為16aF9-7(2012)
[非專利文獻3]四面體快報(Tetrahedron Letters)第46期,2005年,第8153頁至第8157頁
容易合成、熱·化學穩定性優異、具有半導體特性(高的載子移動率)、且具有對溶劑的高溶解性的有機化合物藉由使用包含該有機化合物的溶液,可利用塗佈法或者印刷法等方法來形成膜,因此其利用價值非常大。
即,本發明的課題在於提供容易合成、熱·化學穩定性優異、具有半導體特性(高的載子移動率)、且具有對溶劑的高溶解性的有機化合物,上述有機化合物的製造方法、包含上述有機化合物的有機半導體材料、包含上述有機半導體材料的有機半導體膜、以及包括上述有機半導體膜的有機場效電晶體(FET)。
本發明者等人為了解決上述課題而進行積極研究。其結果為發現,藉由具有以下N字型分子結構且含有氧族元素的有機化合物,可解決上述課題,從而完成本發明。
即,本發明是有關於以下的[1]~[12]。
[1]一種式(1)所表示的化合物:
[式(1)中,X分別獨立地為氧、硫或硒;m為0或1;存在 2個的n分別獨立地為0或1;R1~R3分別獨立地為氫、氟、碳數1~20的烷基、芳基、吡啶基、呋喃基、噻吩基或噻唑基,上述烷基中的至少1個氫可經氟取代,上述芳基、吡啶基、呋喃基、噻吩基及噻唑基的環上的至少1個氫可經選自氟及碳數1~10的烷基中的至少1種所取代;其中,(i)在m=0的情況下,所有的R1~R3不會同時為氫;(ii)在m為0的情況下,當n均為0時、以及n的一者為0且另一者為1時,不存在「兩個X為硫,且所有的R3同時為同一原子或基團的情況」;(iii)在m為0的情況下,當n均為1時,所有的R3不會同時為同一原子或基團,且R3中至少一者為氫]。
[2]如上述[1]所述的化合物,其中式(1)中,所有的R1~R2同時為氫。
[3]如上述[1]或[2]所述的化合物,其中式(1)中,所有的R3不會同時為同一原子或基團。
[4]如上述[1]至[3]中任一項所述的化合物,其中式(1)中,R3中至少一者為氫。
[5]如上述[4]所述的化合物,其是由式(1-1)或式(1-2)所表示:[化4]
[式(1-1)及式(1-2)中,X、m及n分別與式(1)中的同一記號含義相同;存在2個的R3分別獨立地為氟、碳數1~20的烷基、芳基、吡啶基、呋喃基、噻吩基或噻唑基,上述烷基中的至少1個氫可經氟取代,上述芳基、吡啶基、呋喃基、噻吩基及噻唑基的環上的至少一個氫可經選自氟及碳數1~10的烷基中的至少1種所取代]。
[6]如上述[5]所述的化合物,其中式(1-1)及式(1-2)中的R3為選自碳數1~20的烷基、苯基、呋喃基及噻吩基中的同一基團。
[7]如上述[6]所述的化合物,其中式(1-1)及式(1-2)中的R3為選自碳數9~12的烷基中的同一基團。
[8]一種製造如上述[1]所述的化合物(其中,X=硫或硒)的製造方法,其包括:使式(11)所表示的化合物與式(12)所表示的化合物進行交叉偶合(cross coupling)而獲得式(13)所表示的化合物的步驟;對式(13)所表示的化合物的甲氧基進行 去保護而獲得式(14)所表示的化合物的步驟;使式(14)所表示的化合物與N,N-二烷基胺甲醯基硫氯(N,N-dialkyl carbamoyl thiochloride)或N,N-二烷基胺甲醯基硒氯(N,N-dialkyl carbamoyl selenochloride)進行反應而獲得式(15)所表示的化合物的步驟;以及藉由將式(15)所表示的化合物進行加熱而獲得式(1)所表示的化合物的步驟;
[式(11)~式(15)中,m、n及R1~R3分別與式(1)中的同一記號含義相同,Me為甲基,Hal為溴或碘,R分別獨立地為碳數1~3的烷基]。
[9]一種製造如上述[1]所述的化合物(其中,X=氧)的製造方法,其包括:使式(11)所表示的化合物與式(12)所表示的化合物進行交叉偶合而獲得式(13)所表示的化合物的步驟;對式(13)所表示的化合物的甲氧基進行去保護而獲得式(14)所表示的化合物的步驟;以及藉由在沸石觸媒下,對式(14)所表示的化合物進行加熱脫水而獲得式(1)所表示的化合物的步驟;
[式(11)~式(14)中,m、n及R1~R3分別與式(1)中的同一記號含義相同,Me為甲基,Hal為溴或碘]。
[10]一種有機半導體材料,其包含如上述[1]~[7]中任一項所述的化合物。
[11]一種有機半導體膜,其包含如上述[10]所述的有機半導體材料。
[12]一種有機場效電晶體,其包括:基板、閘極、閘極絕緣膜、源極、汲極以及有機半導體層,其中上述有機半導體層包括如上述[11]所述的有機半導體膜。
依據本發明,可提供容易合成、熱·化學穩定性優異、具有半導體特性(高的載子移動率)、且具有對溶劑的高溶解性的有機化合物,上述有機化合物的製造方法、包含上述有機化合物的有機半導體材料、包含上述有機半導體材料的有機半導體膜、以及包括上述有機半導體膜的有機場效電晶體(FET)。
10‧‧‧源極
20‧‧‧汲極
30‧‧‧閘極
40‧‧‧有機半導體層
50‧‧‧閘極絕緣膜
60‧‧‧基板
70‧‧‧載子注入層
80‧‧‧結晶膜
90‧‧‧有機半導體溶液
100‧‧‧溶液保持構造
110‧‧‧分隔件
120‧‧‧溶液保持板
圖1的(a)是底閘極-頂部接觸型的有機場效電晶體(FET)的剖面圖,圖1的(b)是底閘極-底部接觸型的有機場效電晶體(FET)的剖面圖,圖1的(c)是頂閘極-頂部接觸型的有機場效電晶體(FET)的剖面圖,圖1的(d)是頂閘極-底部接觸型的有 機場效電晶體(FET)的剖面圖。
圖2是表示利用邊緣澆鑄法(edge cast method)的製膜的概略的圖。
圖3是合成化合物(溶液)的紫外線-可見光吸收光譜(ultraviolet-visible absorption spectrum)。
圖4是合成化合物(膜)的UV-Vis吸收光譜。
圖5是表示利用邊緣澆鑄法進行製膜的化合物的線形區域的傳遞特性的圖。
圖6是表示利用邊緣澆鑄法進行製膜的化合物的飽和區域的傳遞特性的圖。
圖7是表示利用邊緣澆鑄法進行製膜的化合物的輸出特性的圖。
以下,對本發明進行詳細說明。
[含有氧族元素的有機化合物]
本發明的含有氧族元素的有機化合物為式(1)所表示的化合物,較佳為具有以氧族元素的交聯部分(-X-)為彎曲點,且在兩翼連接有苯環的N字型分子結構(式(1)),並且在苯環上的任意位置具有取代基。此外,本說明書中,所謂「取代基」,是指氫以外的原子或基團。
以下,將式(1)所表示的化合物稱為「化合物(1)」,亦稱為「本發明的化合物」。另外,其他的式(i)所表示的化合物 亦稱為「化合物(i)」(i為式編號)。
式(1)中,各記號的含義為如下所述:X分別獨立地為氧、硫或硒,就本發明的化合物顯示出高的載子移動率的方面考慮,較佳為氧或硫,特佳為硫。
m為0或1,較佳為0。
存在2個的n分別獨立地為0或1,就溶解性的方面而言較佳為0。
R1、R2及R3分別獨立地為氫、氟、碳數1~20的烷基、芳基、吡啶基、呋喃基(呋喃環)、噻吩基(噻吩環)或者噻唑基(噻唑環)。上述烷基中的至少1個氫可經氟取代。上述芳基、吡啶基、呋喃基、噻吩基及噻唑基的環上的至少1個氫可經選自氟以及碳數1~10(較佳為1~6,更佳為1~3)的烷基中的至少1種所取代。
此外,R1、R2及R3的規定中的所謂「分別獨立地」,是指不僅R1、R2及R3可相互相同亦可不同,而且存在多個的R1可相互相同亦可不同,存在多個的R2可相互相同亦可不同,且存在 多個的R3可相互相同亦可不同。
於式(1)中m、n均為0的情況下,與2位及10位的碳鍵結的原子或基團較佳為相同,另外,與3位及11位、1位及9位、4位及12位、5位及13位、7位及15位、8位及16位的碳鍵結的原子或基團亦同樣地較佳為分別相同。
於式(1)中m為0、且n均為1的情況下,與2位及12位的碳鍵結的原子或基團較佳為相同,另外,與3位及13位、1位及11位、4位及14位、5位及15位、6位及16位、8位及18位、9位及19位、10位及20位的碳鍵結的原子或基團亦同樣地較佳為分別相同。
於式(1)中m為1、且n均為0的情況下,與2位及11位的碳鍵結的原子或基團較佳為相同,另外,與3位及12位、1位及10位、4位及13位、5位及14位、7位及16位、8位及17位、9位及18位的碳鍵結的原子或基團亦同樣地較佳為分別相同。
於式(1)中m、n均為1的情況下,與2位及13位的碳鍵結的原子或基團較佳為相同,另外,與3位及14位、1位及12位、4位及15位、5位及16位、6位及17位、8位及19位、9位及20位、10位及21位、11位及22位的碳鍵結的原子或基團亦同樣地較佳為分別相同。
[化8]
其中,式(1)中,(i)在m=0的情況下,所有的R1~R3不會同時為氫。於m=1的情況下,亦較佳為所有的R1~R3不會同時為氫。
另外,式(1)中,(ii)在m為0的情況下,當n均為0時,以及在m為0的情況下,當n的一者為0且另一者為1時,不存在「兩個X為硫,且所有的R3同時為同一原子或基團的情 況」。即,當m為0且兩個n為0時,以及m為0且其中一個n為1,另一個n為0時,不存在「兩個X為硫,且所有的R3同時為同一原子或基團的情況」。
另外,式(1)中,(iii)在m為0的情況下,當n均為1時,所有的R3不會同時為同一原子或基團,且R3中至少一者為氫。
式(1)中,較佳為所有的R1~R2同時為氫。另外,較佳為所有的(4個)R3不同時為同一原子或基團。另外,較佳為(4個)R3中至少一者為氫。
式(1)中,作為R1~R3來列舉的碳數1~20的烷基例如可列舉:甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、十二烷基、十一烷基及十八烷基。就本發明的化合物在溶劑中的高溶解性、與分子間的電子雲(electron cloud)的重疊容易度並存的方面而言,烷基的碳數較佳為4~15,更佳為6~12,特佳為9~12。烷基可為直鏈狀以及分支鏈狀的任一種,就結晶中的分子排列的觀點而言,較佳為直鏈狀。
將上述烷基中的至少1個氫由氟取代而成的基團可列舉:三氟甲基、全氟己基、全氟辛基及全氟癸基等烷基中的所有氫被取代為氟的基團;三氟乙基、1H,1H-全氟己基、1H,1H-全氟辛基及1H,1H-全氟癸基等僅是與直接鍵結於芳香環上的碳鍵結的氫未被取代為氟,而其他的所有氫被取代為氟的基團。
式(1)中,作為R1~R3來列舉的芳基例如可列舉:苯 基、萘基(例如:1-萘基、2-萘基)、茀基(例如:2-茀基)以及聯苯基。芳基的碳數較佳為6~14,更佳為6~10。該些芳基中,特佳為苯基。
式(1)中,作為R1~R3來列舉的吡啶基例如可列舉:2-吡啶基、3-吡啶基及4-吡啶基。
將上述芳基的環上的至少1個氫由碳數1~10的烷基取代而成的基團例如可列舉甲苯基以及二甲苯基。將上述芳基的環上的至少1個氫由氟取代而成的基團例如可列舉對氟苯基、五氟苯基。
式(1)中,作為R1~R3來列舉的呋喃基例如為2-呋喃基、3-呋喃基;噻吩基例如為2-噻吩基及3-噻吩基;噻唑基例如為2-噻唑基。
本發明的化合物(1)中,就有機半導體分子的高密度的集合化的觀點而言,較佳為二取代衍生物即式(1-1)或式(1-2)所表示的化合物,就顯示出高載子移動率的方面而言,特佳為式(1-2)所表示的化合物。
式(1-1)及式(1-2)中,X、m及n分別與式(1)中的同一記號含義相同。存在2個的R3分別獨立地為氟、碳數1~20的烷基、芳基、吡啶基、呋喃基、噻吩基或噻唑基。上述烷基中的至少1個氫可經氟取代。上述芳基、吡啶基、呋喃基、噻吩基及噻唑基的環上的至少一個氫可經選自氟及碳數1~10的烷基中的至少1種所取代。該些取代基的具體例以及較佳例是如式(1)的說明所述。
式(1-1)及式(1-2)中,存在2個的R3可相互相同亦可不同,較佳為同一取代基。存在2個的R3較佳為選自碳數1~20的烷基、苯基、呋喃基及噻吩基中的同一基團,更佳為碳數1~20的烷基,就本發明的化合物顯示出高的載子移動率的方面而言,尤佳為碳數4~15的烷基,特佳為碳數6~12的烷基,最佳為碳數9~12的烷基。
式(1-1)、式(1-2)例如為下述式。
[化10]
本發明的化合物藉由其結構(非直線型且氧族元素交聯型的結構)以及較佳為導入取代基的效果,而與具有相同程度的環數的直線型分子相比,對溶劑表現出高溶解性。即,可以後述的化合物的濃度來製備溶液。因此,可將包含本發明的化合物的溶液塗佈或者印刷於基板上,可藉由簡便的製膜步驟來製造包含本發明的化合物的有機半導體膜。例如,使用印刷法的膜形成可在常溫且常壓下進行,另外,可簡便地且以短時間來形成膜,因此較在高溫且高壓下進行的蒸鍍法等的膜形成而言,在製造成本等方面有利。因此,可在不損及本發明的化合物所具有的優異性質的情況下,製造有機半導體膜及具有該有機半導體膜的有機半導體元件。
本發明的化合物藉由存在於分子的彎曲部位的氧族元 素,分子間相互作用提高,且在分子間π電子軌道的重疊充分,因此,本發明的化合物以及包含該化合物的有機半導體膜表現出足夠高的載子移動率。根據用途,載子移動率的最優值不同,但於用作有機半導體元件的情況下的載子移動率較佳為0.01cm2/V.s以上,更佳為5.0cm2/V.s以上,特佳為10.0cm2/V.s以上。載子移動率的上限值並無特別限定,例如為50.0cm2/V.s左右。此外,例如對使用本發明的化合物的0.2質量%濃度的1,2-二甲氧基苯溶液或1,2-二氯乙烷溶液來形成的有機半導體膜測定載子移動率,其測定方法的詳情如實施例所記載。
本發明的化合物除了具有載子移動率高的性質以外,還具有藉由電晶體的閘極電壓的汲極電流的接通/斷開比高的作為有機半導體材料而優異的性質。
另外,本發明的化合物的耐氧化性等化學穩定性優異。
另外,本發明的化合物如後所述,可使用在有機合成化學上容易實施的反應,以短步驟來合成,因此可在工業上製造,可用作富有實用性的有機半導體材料。
根據以上,本發明的化合物適宜用作有機半導體材料。
以下,示出本發明的化合物的具體例。
X的至少一個為氧的化合物(1)例如可列舉以下化合物。兩個X未必需要為同一元素,因此亦包含一個X為氧以外的化合物。
[化11]
X的至少一個為硫的化合物(1)例如可列舉以下化合物。兩個X未必需要為同一元素,因此亦包含一個X為硫以外的化合物。
[化12]
X的至少一個為硒的化合物(1)例如可列舉以下化合物。兩個X未必需要為同一元素,因此亦包含一個X為硒以外的化合物。
[化13]
[化合物(1)的製造方法]
本發明的化合物(1:X=硫或硒)的製造方法包括:步驟1A,使式(11)所表示的化合物與式(12)所表示的化合物進行交叉偶合而獲得式(13)所表示的化合物;步驟2A,對式(13)所表示的化合物的甲氧基進行去保護而獲得式(14)所表示的化合物;步驟3A,使式(14)所表示的化合物與N,N-二烷基胺甲醯基硫氯或N,N-二烷基胺甲醯基硒氯進行反應而獲得式(15)所表示的化合物;以及步驟4A,藉由將式(15)所表示的化合物進行加熱而獲得式(1)所表示的化合物。
本發明的化合物(1:X=氧)的製造方法包括:上述步 驟1A;上述步驟2A;以及步驟3A',藉由在沸石觸媒下,對式(14)所表示的化合物進行加熱脫水而獲得式(1)所表示的化合物。
式(11)~式(15)中,m、n及R1~R3分別與式(1)中的同一記號含義相同;Hal為溴或碘;R分別獨立地為碳數1~ 3的烷基。另外,反應式中,Me為甲基,n-Bu為正丁基,Et為乙基,Py為吡啶,但該些為一例,各反應中使用的試劑並不限定於該些例子。
以下的各步驟中,較佳為於溶液的狀態下進行反應。溶劑較佳為使用選自由例如:乙腈等腈系溶劑;二氯甲烷、氯仿、氯苯及二氯苯等鹵化溶劑;四氫呋喃等醚系溶劑;甲苯等芳香族烴溶劑所組成的組群中的至少1種有機溶劑。另外,將有機金屬化合物添加於化合物(11)的溶液中時,較佳為作為己烷等有機溶劑的溶液來添加。
另外,於各步驟間,可適當進行所得化合物(粗產物)的純化。純化方法例如可列舉管柱層析法或再結晶的方法。
〈步驟1A〉(交叉偶合)
步驟1A中,於有機金屬化合物的存在下,使化合物(11)與化合物(12)進行交叉偶合。相對於化合物(12)1mol,化合物(11)的使用量通常為2.0mol~3.0mol。
有機金屬化合物例如可列舉正丁基鋰及第二丁基鋰,可單獨使用1種,亦可將2種以上併用。相對於化合物(11)1mol,有機金屬化合物的使用量通常為1.05mol~2.10mol。
步驟1A中,藉由公知的交叉偶合反應,例如鈴木偶合(Suzuki coupling)、施蒂勒偶合(Stille coupling)、根岸偶合(Negishi coupling)、玉尾偶合(Tamao coupling)、以及由該些偶合反應派生出的反應,來合成化合物(13)。
步驟1A中,較佳為於溶液或者懸浮液的狀態下進行化合物(11)的交叉偶合。溶劑根據交叉偶合的反應形態而不同,但較佳為使用選自由例如N,N-二甲基甲醯胺、四氫呋喃、甲苯及二乙醚所組成的組群中的至少1種有機溶劑。
交叉偶合反應中使用的觸媒、以及反應條件(例如:溫度、時間)根據交叉偶合的反應形態而不同,並無特別限定。
觸媒例如可列舉:四(三苯基膦)鈀(0)、1,3-雙(二苯基膦基)丙烷鈀(II)二氯化物、1,1'-雙(二苯基膦基)二茂鐵鈀(II)二氯化物-二氯甲烷錯合物以及三(二亞苄基丙酮)二鈀(0)氯仿錯合物等鈀觸媒,以及[1,3-雙(二苯基膦基)丙烷]鎳(II)二氯化物等鎳觸媒。
步驟1A的反應溫度(例如:溶液或者懸浮液的溫度)通常為0℃~140℃,較佳為室溫~140℃;反應時間通常為10分鐘~24小時,較佳為1小時~24小時;通常在常壓下進行反應。反應溫度根據偶合的種類而不同,例如,施蒂勒偶合中為80℃~140℃,玉尾偶合中為0℃~室溫,鈴木偶合中為80℃~110℃。此外,所謂室溫,是指23℃左右的溫度環境。
〈步驟2A〉(去保護)
步驟2A中,在去保護劑的存在下,進行化合物(13)的甲氧基的去保護。步驟2A的反應溫度(例如:溶液的溫度)通常為-78℃~室溫,較佳為0℃~室溫;反應時間通常為1小時~2小時;通常在常壓下進行反應。
去保護劑例如可列舉:三溴化硼、三氯化硼、及氯化鋁 等無機化合物,或者吡啶鹽酸鹽等有機化合物,可單獨使用1種,亦可將2種以上併用。相對於化合物(13)1mol,去保護劑的使用量通常為4.0mol~4.8mol。
〈步驟3A〉
步驟3A中,在鹼的存在下,使化合物(14)與N,N-二烷基胺甲醯基硫氯或N,N-二烷基胺甲醯基硒氯進行反應。步驟3A的反應溫度(例如:溶液的加熱溫度)通常為60℃~80℃;反應時間通常為10小時~48小時;通常在常壓下進行反應。
N,N-二烷基胺甲醯基硫氯及N,N-二烷基胺甲醯基硒氯中的存在2個的烷基的碳數分別獨立地為1~3,較佳為1~2。
N,N-二烷基胺甲醯基硫氯例如可列舉N,N-二甲基胺甲醯基硫氯及N,N-二乙基胺甲醯基硫氯。N,N-二烷基胺甲醯基硒氯例如可列舉N,N-二甲基胺甲醯基硒氯及N,N-二乙基胺甲醯基硒氯。相對於化合物(14)1mol,N,N-二烷基胺甲醯基硫氯或N,N-二烷基胺甲醯基硒氯的使用量通常為6.0mol~8.0mol。
鹼例如可列舉三乙胺、吡啶及氫化鈉,可單獨使用1種,亦可將2種以上併用。鹼的使用量相對於化合物(14)1mol,三乙胺通常為4.0mol~8.0mol,較佳為6.0mol~7.5mol,吡啶通常為5mol~100mol,較佳為20mol~60mol。
〈步驟4A〉(環化)
步驟4A中,藉由將化合物(15)加熱,進行環化,而獲得本發明的化合物即化合物(1)。步驟4A的加熱溫度通常為300℃~ 320℃;反應時間通常為4小時~6小時。本步驟可在惰性氣體環境下,以無溶劑的條件進行加熱,亦可在沸點為300℃以上的溶劑中進行。
〈步驟3A'〉(脫水環化)
步驟3A'中,藉由在化合物(14)的溶液中添加沸石,進行脫水·環化,而獲得本發明的化合物即化合物(1)。步驟3A'的加熱溫度(例如:溶液的加熱溫度)通常為160℃~180℃;反應時間通常為8小時~20小時,較佳為10小時~16小時;通常在常壓下進行反應。
此外,以上的本發明的化合物的製造方法中,本發明的化合物由於對溶劑表現出高溶解性,故而可利用管柱層析法或再結晶等簡易的方法,而將合成後的化合物的粗產物容易地純化。
進而,有機半導體用途中要求極高的純度,因此對於利用以上的製造方法來獲得的本發明的化合物,視需要進行真空昇華純化的操作亦有用。
[有機半導體膜等膜]
本發明的膜(例如:有機半導體膜)包含選自本發明的化合物即化合物(1)中的至少1種。本發明的化合物由於對溶劑表現出高溶解性,因此可藉由將使該些化合物溶解於溶劑中而得的溶液(以下亦稱為「有機半導體溶液」)塗佈或者印刷於基板上,來形成表面均勻性優異的膜(例如:有機半導體膜)。
用於製備有機半導體溶液的溶劑例如可列舉:戊烷、己 烷、庚烷、二乙醚、第三丁基甲醚、四氫呋喃、甲醇、乙醇、異丙醇、乙酸乙酯、乳酸乙酯、二噁烷、苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、氯仿、1,2-二氯乙烷、二氯苯、乙腈、丙酮、環己烷、環戊酮、環己酮、γ-丁內酯、丁基溶纖劑、N-甲基-2-吡咯啶酮、N,N-二甲基甲醯胺(N,N-dimethylformamide,DMF)、1,2-二甲氧基苯、3-苯氧基甲苯、苯甲醚、四氫萘、鄰二氯苯及二甲基亞碸等有機溶劑;水;或者該些溶劑的2種以上的混合物。
有機半導體溶液中的本發明的化合物的濃度較佳為0.05質量%~10質量%,更佳為0.1質量%~5質量%。本發明的化合物由於對溶劑表現出高溶解性,故而可製備高濃度溶液。此處,所謂本發明的化合物的高濃度溶液,是指有機半導體溶液中的該化合物濃度為0.1質量%以上的溶液。
可根據本發明的化合物對溶劑的優異溶解性,來製備多種濃度的有機半導體溶液,因此可使所得膜的結晶度(degree of crystallinity)變化。若膜的結晶度變化,則受結晶度影響的載子移動率亦變化。因此,本發明中,能夠容易地調整自結晶至非晶質為止的寬廣範圍內的結晶性,可穩定地再現出有機半導體膜的厚度以及載子移動率等必要的元件特性。
另外,亦可使用含有本發明的化合物及高分子化合物的樹脂組成物來製膜。上述樹脂組成物中的高分子化合物的含量通常為1質量%~99質量%,較佳為5質量%~90質量%,更佳為5質量%~80質量%。另外,上述樹脂組成物中的溶劑的含量是以本 發明的化合物及高分子化合物的含量為上述範圍,且使上述樹脂組成物具有適合於製膜的黏度的方式來適當設定。
高分子化合物例如可列舉熱塑性高分子及熱硬化性高分子。具體而言,可列舉:聚酯、聚醯胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酸、聚乙烯、聚丙烯、聚環烯烴、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚碳酸酯、酚樹脂、聚胺基甲酸酯樹脂、環氧樹脂、三聚氰胺樹脂、聚四氟乙烯、聚乙炔、聚吡咯及聚伸芳基乙烯(polyarylenevinylene)。另外,上述高分子化合物亦可使用導電性高分子。導電性高分子例如可列舉:聚噻吩、聚吡咯及聚苯胺。
本發明的膜的厚度可根據所需的用途來適當選擇。例如,有機半導體元件中使用的有機半導體膜的厚度較佳為10nm~1,000nm,更佳為10nm~200nm。
本發明的膜的製造方法可列舉多種方法。
塗佈法例如可列舉:旋轉塗佈法、浸漬塗佈法及刀片法。另外,本發明者等人所開發出的被分類為塗佈法的且在實施例中後述的邊緣澆鑄法(參照《應用物理快報(Applied Physics Express,Appl.Phys.Exp.)》第2期第111501頁(2009))以及間隙澆鑄法(gap cast method)(參照《先進材料(Advanced Materials,Adv.Mater.)》第23期第1626頁(2011))亦有效。
印刷法例如可列舉:網版印刷(screen printing)、噴墨印刷(ink jet printing)、平版印刷、凹版印刷及凸版印刷。印刷法 中,將本發明的化合物的溶液直接用作墨水且利用印表機來進行的噴墨印刷是簡易的方法,因此較佳。
亦可使用上述方法以外的製膜法,例如蒸鍍法來進行製膜。
製膜時的溫度並無特別限定,通常為室溫~200℃,較佳為50℃~150℃。此處的溫度例如在塗佈法或印刷法中,是指有機半導體溶液的加熱溫度,是環境氣體的溫度,且是製膜中所使用的基板的加熱溫度。另外,上述溶液溫度、環境氣體溫度、基板溫度亦可為相互不同的溫度。在不使用上述溶液的製膜法,例如蒸鍍法中,是指製膜中所使用的基板的加熱溫度。
當將有機半導體膜直接用作有機半導體元件的一部分時,較佳為利用印刷法來進行圖案化,進而在印刷法中,較佳為使用本發明的化合物的高濃度溶液。若使用高濃度溶液,則可有效利用噴墨印刷、遮罩印刷、網版印刷及膠版印刷等。另外,利用印刷法進行的有機半導體膜的製造不存在加熱或真空製程的必要性,可藉由流水作業來製造,因此有助於低成本化以及增加對步驟變更的對應性。另外,利用印刷法進行的有機半導體膜的製造有助於元件的電路的簡單化、製造效率的提高、以及元件的低廉化·輕量化。就以上的觀點而言,表現出對溶劑的高溶解性的本發明的化合物優異。
[有機半導體元件]
本發明的有機半導體元件包括上述有機半導體膜及電極。具體而言,可藉由將上述有機半導體膜、與其他的具有半導體特性 的元件加以組合來製成有機半導體元件。其他的具有半導體特性的元件例如可列舉:整流元件、進行開關操作的閘流體(thyristor)、三端雙向可控矽開關(triac)及二端交流開關(diac)。
本發明的有機半導體元件亦可用作顯示元件,特別是用作由有機化合物來構成所有構件的顯示元件。
顯示元件例如可列舉:可撓性的片狀顯示裝置(例如:電子紙、積體電路(Integrated Circuit,IC)標籤卡)、液晶顯示元件及電激發光(Electro-Luminescence,EL)元件。該些顯示元件可藉由在由顯示出可撓性的高分子形成的絕緣基板上,形成本發明的有機半導體膜、及包含使該膜發揮功能的構成要素的1個以上的層來製作。利用此種方法來製作的顯示元件由於具有可撓性,故而可裝入衣服的口袋或錢包等中來搬送。
顯示元件例如亦可列舉固有識別符號響應裝置。固有識別符號響應裝置是對具有特定頻率或特定符號的電磁波產生反應,而應答包含固有識別符號的電磁波的裝置。固有識別符號響應裝置是在可再利用的車票或會員證、貨款的結算機構、貨物或商品的識別用封條、貨簽或郵票的作用、以及公司或行政服務等中,用作識別文件或個人的裝置。
固有識別符號響應裝置在玻璃基板或者由顯示出可撓性的高分子形成的絕緣基板上,包括用於調諧為信號來接收的天線、以接收電力來運作而回復識別信號的本發明的有機半導體元件。
〈有機場效電晶體(FET)〉
本發明的有機半導體元件的例子可列舉有機場效電晶體(FET)。本發明的有機FET亦可與液晶顯示元件及電激發光(EL)元件加以組合來使用。
本發明的有機FET包括:基板、閘極、閘極絕緣膜、源極、汲極及有機半導體層,並且上述有機半導體層包括本發明的有機半導體膜。另外,本發明的有機FET為了提高載子的注入效率,亦可具有載子注入層。
有機FET中,藉由控制對閘極施加的電壓,而於閘極絕緣膜上的有機半導體層界面誘發載子,控制流向源極及汲極的電流來進行開關操作。
有機FET中,可根據藉由一邊使汲極電壓及閘極電壓變化,一邊測定源極·汲極間的電流而獲得的汲極電流/閘極電壓曲線,來求出載子移動率。進而,亦可觀測藉由閘極電壓進行的汲極電流的接通/斷開操作。
通常,有機FET的結構大致分類為底閘極型結構以及頂閘極型結構,該些結構進而分類為頂部接觸結構以及底部接觸結構。
作為有機FET,將在基板上形成閘極,進而依次形成有閘極絕緣膜及有機半導體層的態樣稱為底閘極型;將在基板上依次形成有有機半導體層、閘極絕緣膜及閘極的結構稱為頂閘極型。
另外,作為有機FET,將源極以及汲極配置於有機半導 體層的下部(基板側)的態樣稱為底部接觸型FET;將源極以及汲極配置於有機半導體層的上部(隔著有機半導體層而與基板相反之側)的態樣稱為頂部接觸型FET。就源極以及汲極與有機半導體層之間的載子注入的觀點而言,頂部接觸型結構的有機FET特性優於底部接觸型結構的情況多。
圖1中分別表示:(a)底閘極-頂部接觸型有機FET的剖面圖、(b)底閘極-底部接觸型有機FET的剖面圖、(c)頂閘極-頂部接觸型有機FET的剖面圖、(d)頂閘極-底部接觸型的有機FET的剖面圖。但是,本發明的有機FET並不限定於上述所例示的有機FET結構,亦可具有公知的有機FET結構。另外,亦可採用縱型的有機FET結構。
基板可列舉多種基板。具體而言可列舉:玻璃基板,金、銅及銀等金屬基板,結晶性矽基板、非晶矽基板、三乙醯基纖維素基板、降冰片烯基板、聚對苯二甲酸乙二酯基板等聚酯基板,聚乙烯基(polyvinylene)基板、聚丙烯基板、聚乙烯(polyethylene)基板。
閘極的材料例如可列舉:Al、Ta、Mo、Nb、Cu、Ag、Au、Pt、In、Ni、Nd、Cr、多晶矽、非晶矽、高摻雜(high doped)等矽,氧化錫、氧化銦及銦錫化合物(Indium Tin Oxide:ITO)等無機材料;導電性高分子等有機材料。其中,導電性高分子亦可藉由添加雜質來進行提高導電性的處理。
閘極絕緣膜的材料例如可列舉:SiO2、SiN、Al2O3及Ta2O5 等無機材料;聚醯亞胺及聚碳酸酯等高分子材料。
閘極絕緣膜以及基板的表面可使用公知的矽烷偶合劑來進行表面處理,例如使用:六甲基二矽氮烷(hexamethyldisilazane,HMDS)、十八烷基三氯矽烷(octadecyl trichlorosilane,OTS)、癸基三乙氧基矽烷(decyl triethoxy silane,DTS)、十八烷基三乙氧基矽烷(octadecyl triethoxy silane,ODSE)等具有烷基的矽烷偶合劑,或者三乙氧基十三氟辛基矽烷(triethoxy tridecafluorooctyl silane,F-SAM)等具有氟烷基的矽烷偶合劑。若使用HMDS、OTS、DTS、ODSE、F-SAM等進行適當的表面處理,則通常表現出:構成有機FET層的結晶粒徑的增大、結晶性的提高、分子配向的提高等。結果,存在載子移動率以及接通/斷開比提高,臨限電壓下降的傾向。
源極以及汲極的材料可使用與閘極同種的材料,可與閘極的材料相同,亦可不同,亦可積層不同種材料。
為了提高載子的注入效率,載子注入層是視需要以與源極及汲極、以及有機半導體層的任一者均接觸的形式來設置。載子注入層是使用例如四氟四氰基醌二甲烷(tetrafluorotetracyanoquinodimethane,F4TCNQ)、六氮雜聯三伸苯-六甲腈(hexaazatriphenylene hexacarbonitrile,HAT-CN)以及氧化鉬等來製膜。
[實施例]
以下,基於實施例來對本發明進一步進行具體說明,但 本發明並不限定於該些實施例。合成化合物的物性值的測定方法如下所述。
使用梅特勒(Mettler)公司製造的托利多(Toledo)MP70自動熔點測定系統來測定熔點。使用日本電子(股)製造的ECA-600、以及ECS400光譜儀(spectrometer)來測定1H-核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)光譜以及13C-NMR光譜。
元素分析中使用J科學實驗室(股)(J-Science Lab Co.,Ltd.)製造的JM10 Micro CORDER。
質量分析是使用日本電子(股)製造的JMS-T100LC APCI/ECI質譜儀、以及布魯克·道爾頓(Bruker Daltonics)公司製造的ultraflex III TOF/TOF。
此外,以下實施例的標題化合物中,烷基均為直鏈狀基。
[實施例1]
2,10-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃的合成
(第1步驟)
3,3'-(2,5-二甲氧基-1,4伸苯基)雙(6-癸基-2-甲氧基萘)的合成
將2-癸基-6-甲氧基萘(10.3g,34.5mmol)溶解於138ml的四氫呋喃(tetrahydrofuran,THF)中,在0℃下攪拌。向其中滴加正丁基鋰(1.65M己烷溶液)(23.0ml,38.0mmol),在0℃下攪拌2小時。在該溶液中,在0℃下添加溴化鋅(1.0M的THF溶液)(38.0ml,38mmol),恢復至室溫,攪拌1小時。向所得的淡黃色溶液中,添加1,4-二溴-2,5-二甲氧基苯(4.26g,14.4mmol)及1,3-雙(二苯基膦基)丙烷鈀(II)二氯化物(1,3-bis(diphenylphosphino)propane palladium(II)dichloride,PdCl2(dppp))(610mg,1.04mmol),將反應液於50℃下攪拌12小時。將反應液注入至大量的水中,以乙酸乙酯進行萃取,將有機層以飽和食鹽水清洗後,以無水硫酸鎂乾燥。將乾燥劑過濾分離後,於減壓下將溶劑蒸餾去除且殘留40ml左右,向殘渣中添加甲醇及氯仿來進行再沈澱,將其過濾而獲得白色固體的標題化合物(6.38g,9.45mmol)。將濾液進行減壓濃縮,利用矽膠管柱層析法(己烷:氯仿=80:20~50:50(體積比))將殘渣純化,回收標題化合物(1.67g,2.47mmol)。將兩者合併的總產率為83%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:167.3℃-167.9℃.1H NMR(600MHz,CDCl3):δ 0.89(t,J=6.6Hz,6H,CH3),1.27-1.35(m,28H,(CH2)7),1.69(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.75(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),3.75(s,6H,OCH3),3.94(s,6H,OCH3),6.99(s,2H,ArH),7.22(s,2H,ArH), 7.30(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.56(s,2H,ArH),7.70(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.74(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,CDCl3):δ 14.27,22.84,29.47,29.49,29.73,29.77(兩個碳),31.71,32.05,36.11,55.85,56.72,105.51,115.37,126.32,126.45,127.82,127.95,128.95,129.73,130.20,132.66,138.39,151.35,155.51.TOF(Time of Flight,飛行時間)HRMS(High Resolution Mass Spectrometry,高解析質譜法)(APCI(Atmospheric Pressure Chemical Ionization,大氣壓化學游離)+):Calcd for(計算值)C50H67O4[M+H]731.5039,found(實測值),731.5031.Anal.Calcd for(元素分析計算值)C50H66O4:C,82.15;H,9.10.Found C,82.27;H,9.11.
(第2步驟)
2,5-雙(7-癸基-3-羥基萘-2-基)苯-1,4-二醇的合成
於第1步驟中獲得的3,3'-(2,5-二甲氧基-1,4-伸苯基)雙(6-癸基-2-甲氧基萘)(10.0g,22.2mmol)的二氯甲烷(89ml)溶液中,在0℃下添加三溴化硼(1.0M二氯甲烷溶液)(98.0ml,98.0mmol),在室溫下攪拌2小時。將反應液添加於冰水中,以乙酸乙酯進行萃取,將有機層以飽和食鹽水清洗後,以無水硫酸鎂乾燥。 將乾燥劑過濾分離後,於減壓下將溶劑蒸餾去除且殘留20ml左右,向殘渣中添加丙酮及二氯甲烷來進行再沈澱,將其過濾而獲得白色固體的標題化合物(7.07g,17.9mmol)。產率為81%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:230.0℃-231.0℃.1H NMR(600MHz,氘代丙酮(acetone-d6)):δ 0.91(t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.26-1.42(m,28H,(CH2)7),1.76(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.80(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),2.89(brs,4H,OH),7.11(s,2H,ArH),7.36(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.39(s,2H,ArH),7.70(s,2H,ArH),7.71(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.86(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,THF-d8):δ 15.04,24.16,30.88,30.90,31.15,31.21(兩個碳),33.09,33.47,37.39,111.98,120.90,127.11,127.56,128.29,128.82,130.35,130.67,131.61,134.51,138.83,149.30,153.91.TOF HRMS(APCI+):Calcd for C46H59O4[M+H]675.4413,found,675.4412.
(第3步驟)
2,10-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃的合成
於2,5-雙(7-癸基-3-羥基萘-2-基)苯-1,4-二醇(810mg,1.20mmol)的鄰二氯苯(ODCB;24mL)懸浮液中添加沸石(324mg),於160℃下攪拌20小時。藉由熱過濾而去除沸石觸媒後,添加甲醇,對所得的淡黃色固體藉由抽吸過濾而進行過濾分離。產量為579mg,產率為76%。
熔點:316℃-317℃.1H NMR(600MHz,CDCl2CDCl2,100℃):δ 0.88(t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.26-1.43(m,28H,(CH2)7),1.77(quin,J=7.8Hz,4H,ArCH2CH2),2.82(t,J=7.8Hz,4H,ArCH2),7.39(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.81(s,2H,ArH),7.87(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.89(s,2H,ArH),8.13(s,2H,ArH),8.38(s,2H,ArH).TOF HRMS(APCI+):Calcd for C46H55O2[M+H]639.4202,found,639.4199.Anal.Calcd for C46H54O2:C,86.47;H,8.52.Found C,86.56;H,8.53.
[實施例2]
2,10-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的合成
(第1步驟)
O,O'-(2,5-雙(7-癸基-3-((二甲基胺甲醯硫基)氧基)萘-2-基)-1,4-伸苯基)雙(二甲基硫代胺基甲酸酯)的合成
[化18]
於實施例1的第2步驟中獲得的2,5-雙(7-癸基-3-羥基萘-2-基)苯-1,4-二醇(1.69g,2.50mmol)的四氫呋喃溶液(20ml)中,添加三乙胺(2.1ml)、吡啶(5.3ml)、N,N-二甲基胺甲醯基硫氯(2.47g,20.0mmol),於65℃下攪拌20小時。將該溶液減壓濃縮,以己烷與乙酸乙酯的混合溶劑(己烷:乙酸乙酯=95:5~80:20(體積比))作為展開溶劑,利用矽膠管柱層析法將所得的粗產物純化,獲得白色固體的標題化合物(1.84g,1.80mmol)。產率為72%。將所得化合物的物性值示於以下。
1H NMR(600MHz,CDCl3):δ 0.88(t,J=6.6Hz,6H,CH3),1.26-1.34(m,28H,(CH2)7),1.69(quin,J=7.8Hz,4H,ArCH2CH2),2.76(t,J=7.8Hz,4H,ArCH2),2.96(s,6H,NH3),3.14(s,6H,NH3),3.23(s,6H,NH3),3.38(s,6H,NH3),7.35(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.37(s,2H,ArH),7.59(s,2H,ArH),7.60(s,2H,ArH),7.76(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.91(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,CDCl3):δ 14.26,22.82,29.45,29.47,29.69,29.77(兩個碳),31.55,32.03,36.20,38.57,39.26,43.11,43.52,121.32,126.37,126.68,127.58,128.39,129.04,130.42,131.31,131.38,131.67,140.72,148.72,148.93,187.11,187.35.TOF HRMS(APCI+):Calcd for C58H79N4O4S4[M+H]1023.4984,found,1023.4990.Anal.Calcd for C58H78N4O4S4:C,68.06;H,7.68;N,5.47.Found C,67.99;H,7.68;N,5.43.
(第2步驟)
2,10-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的合成
將於第1步驟中獲得的O,O'-(2,5-雙(7-癸基-3-((二甲氧基胺甲醯硫基)氧基)萘-2-基)-1,4-伸苯基)雙(二甲基硫代胺基甲酸酯)(1.64g,1.60mmol)密封於派熱司(Pyrex)製的管中,於320℃下加熱6小時。將溫度恢復至室溫後,在甲苯與1,1,2,2-四氯乙烷的混合溶劑中進行再結晶,獲得黃色固體的標題化合物(398mg,0.593mmol)。產率為37%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:285℃~286℃(TG-DTA).1H NMR(600MHz,CDCl2CDCl2,100℃):δ 0.89(t,J=6.6Hz,6H,CH3),1.26-1.44(m,28H,(CH2)7),1.78(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.83(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),7.39(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.80(s,2H,ArH), 7.81(d,J=8.4Hz,2H,ArH),8.21(s,2H,ArH),8.58(s,2H,ArH),8.60(s,2H,ArH).TOF HRMS(APCI+):Calcd for C46H55S2[M+H]671.3745,found,671.3743.Anal.Calcd for C46H54S2:C,82.33;H,8.11.Found:C,82.33;H,7.98.
[實施例3]
3,11-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃的合成
(第1步驟)
3,3'-(2,5-二甲氧基-1,4-伸苯基)雙(7-癸基-2-甲氧基萘)的合成
除了將起始原料變更為2-癸基-7-甲氧基萘(14.9g,50.0mmol),且使用正丁基鋰(1.65M己烷溶液)33.3ml(55.0mmol)、溴化鋅(1.0M的THF溶液)55.0ml(55.0mmol)、1,4-二溴-2,5-二甲氧基苯6.17g(20.8mmol)、PdCl2(dppp)885mg(1.50mmol)以外,依據實施例1的第1步驟來進行,獲得白色固體的標題化合物(12.9g,17.7mmol)。產率為85%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:120.8℃-122.0℃.1H NMR(600MHz,CDCl3):δ 0.89(t,J=6.6Hz,6H,CH3),1.26-1.36(m,28H,(CH2)7),1.71(quin,J=6.6Hz,4H,ArCH2CH2),2.77(t,J=6.6Hz,4H,ArCH2),3.74(s,6H,OCH3),3.94(s,6H,OCH3),6.98(s,2H,ArH),7.19(s,2H,ArH),7.20(d,J=7.8Hz,2H,ArH),7.56(s,2H,ArH),7.71(d,J=7.8Hz,2H,ArH),7.76(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,CDCl3):δ 14.32,22.87,29.48,29.52.29.74,29.80(兩個碳),31.62,32.09,36.36,55.84,56.74,105.24,115.41,125.19,125.45,127.21,127.64,127.76,128.89,130.39,134.51,141.04,151.34,156.09.TOF HRMS(APCI+):Calcd for C50H67O4[M+H]731.5039,found,731.5031.Anal.Calcd for C50H66O4:C,82.15;H,9.10.Found C,81.89;H,9.01.
(第2步驟)
2,5-雙(6-癸基-3-羥基萘-2-基)苯-1,4-二醇的合成
除了將起始原料變更為3,3'-(2,5-二甲氧基-1,4-伸苯基)雙(7-癸基-2-甲氧基萘)(3.50g,4.79mmol),且使用三溴化硼(1.0M二氯甲烷溶液)21.1ml(21.1mmol)以外,依據實施例1的第2步驟來進行,獲得白色固體的標題化合物(2.88g,4.26mmol)。 產率為81%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:269.5℃-270.5℃、1H NMR(600MHz,氘代丙酮):δ 0.92(t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.26-1.42(m,28H,(CH2)7),1.76(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.80(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),2.88(brs,4H,OH),7.10(s,2H,ArH),7.27(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.36(s,2H,ArH),7.58(s,2H,ArH),7.83(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.88(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,THF-d8):δ 15.04,24.16,30.87,30.90,31.15,31.21(兩個碳),33.01,33.46,37.63,111.75,120.87,125.70,126.07,128.22,129.03,129.06,129.56,131.80,136.28,141.79,149.28,154.54.TOF HRMS(APCI+):Calcd for C46H59O4[M+H]675.4413,found,675.4404.Anal.Calcd for C46H58O4:C,81.86;H,8.66.Found C,81.66;H,8.63.
(第3步驟)
3,11-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃的合成
於2,5-雙(6-癸基-3-羥基萘-2-基)苯-1,4-二醇(820mg,1.21mmol)的鄰二氯苯(24mL)懸浮液中添加沸石(329mg),於160℃下攪拌16小時。藉由熱過濾而去除沸石觸媒後,添加甲 醇,藉由抽吸過濾而將所得的淡黃色固體過濾分離。產量為579mg,產率為78%。
熔點:350℃以上.1H NMR(600MHz,CDCl2CDCl2 100℃下(at 100℃))δ 0.89(t,J=6.6Hz,6H,CH3),1.25-1.44(m,28H,(CH2)7),1.78(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.83(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),7.34(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.72(s,2H,ArH),7.86(s,2H,ArH),7.95(d,J=8.4Hz,2H,ArH),8.12(s,2H,ArH),8.40(s,2H,ArH).TOF HRMS(APCI+):Calcd for C46H55O2[M+H]639.4202,found,639.4197.Anal.Calcd for C46H54O2:C,86.47;H,8.52.Found C,86.63;H,8.14.
[實施例4]
3,11-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的合成
(第1步驟)
O,O'-(2,5-雙(6-癸基-3-((二甲基胺甲醯硫基)氧基)萘-2-基)-1,4-伸苯基)雙(二甲基硫代胺基甲酸酯)的合成
除了將實施例3的第2步驟中獲得的2,5-雙(6-癸基-3-羥基萘-2-基)苯-1,4-二醇(2.70g,4.00mmol)用於起始原料,且使用三乙胺4.27ml、吡啶16.7ml、N,N-二甲基胺甲醯基硫氯3.96g(32.0mmol)以外,依據實施例2的第1步驟來進行,獲得白色固體的標題化合物(2.63g,0.570mmol)。產率為48%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:229.5℃-230.5℃.1H NMR(600MHz,CDCl3):δ 0.89(t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.26-1.38(m,28H,(CH2)7),1.71(quin,J=7.8Hz,4H,ArCH2CH2),2.77(t,J=7.8Hz,4H,ArCH2),2.97(s,6H,NH3),3.14(s,6H,NH3),3.23(s,6H,NH3),3.38(s,6H,NH3),7.31(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.37(s,2H,ArH),7.57(s,2H,ArH),7.60(s,2H,ArH),7.74(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.93(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,CDCl3):δ 14.31,22.85,29.51,29.60,29.72,29.77,29.80,31.48,32.07,36.34,38.60,39.32,43.14,43.55,121.10,126.11,126.67,127.70,127.79,128.18,129.66,130.64,131.26,133.48,141.47,148.71,149.54,187.04,187.22.TOF HRMS(APCI+):Calcd for C58H79N4O4S4[M+H]1023.4984,found,1023.4986.Anal.Calcd for C58H78N4O4S4:C,68.06;H,7.68;N,5.47.Found C,68.13;H,7.75;N,5.31.
(第2步驟)
3,11-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的合成
[化24]
除了將起始原料變更為O,O'-(2,5-雙(6-癸基-3-((二甲基胺甲醯硫基)氧基)萘-2-基)-1,4-伸苯基)雙(二甲基硫代胺基甲酸酯)(1.64g,1.60mmol)以外,依據實施例2的第2步驟來進行,獲得黃色固體的標題化合物(530mg,0.790mmol)。產率為48%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:263℃-264℃.1H NMR(600MHz,CDCl2CDCl2,100℃):δ 0.89(t,J=6.6Hz,6H,CH3),1.26-1.44(m,28H,(CH2)7),1.77(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.83(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),7.37(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.66(s,2H,ArH),7.94(d,J=8.4Hz,2H,ArH),8.19(s,2H,ArH),8.59(s,4H,ArH).13C NMR(150MHz,CDCl2CDCl2,100℃):δ 13.99,22.61,29.25,29.42,29.50,29.59(兩個碳),31.04,31.88,36.26,115.60.120.01,120.21,125.24,127.30,128.31,129.72,133.31,133.69,135.53,137.20,138.28,141.32.TOF HRMS(APCI+):Calcd for C46H55S2[M+H]671.3745,found,671.3745.Anal.Calcd for C46H54S2:C,82.33;H,8.11.Found:C,82.34;H,8.12.
[實施例5]
3,11-二己基二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的 合成
(第1步驟)
3,3-(2,5-二甲氧基-1,4-伸苯基)雙(7-己基-2-甲氧基萘)的合成
除了將起始原料變更為2-己基-7-甲氧基萘(4.85g,20.0mmol),且使用正丁基鋰(1.62M己烷溶液)13.6ml(22.0mmol)、溴化鋅(1.0M的THF溶液)22.0ml(22.0mmol)、1,4-二溴-2,5-二甲氧基苯2.50g(8.41mmol)、PdCl2(dppp)250mg(0.42mmol)以外,依據實施例3的第1步驟來進行,獲得白色固體的標題化合物(4.32g,7.00mmol)。產率為83%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:165.2℃-166.0℃.1H NMR(600MHz,CDCl3):δ 0.90(t,J=6.6Hz,6H,CH3),1.31-1.38(m,12H,(CH2)3),1.71(quin,J=7.8Hz,4H,ArCH2CH2),2.77(t,J=7.8Hz,4H,ArCH2),3.74(s,6H,OCH3),3.94(s,6H,OCH3),6.98(s,2H,ArH),7.19(s,2H,ArH),7.20(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.56(s,2H,ArH),7.71(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.75(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,CDCl3):δ 14.32,22.81,29.15,31.58.31.96,36.37,55.84,56.75,105.26,115.43, 125.19,125.46,127.22,127.65,127.77,128.89,130.38,134.51,141.04,151.35,156.09.TOF HRMS(APCI+):Calcd for C42H51O4[M+H]619.3787,found,619.3788.
(第2步驟)
2,5-雙(6-己基-3-羥基萘-2-基)苯-1,4-二醇的合成
除了將起始原料變更為3,3'-(2,5-二甲氧基-1,4-伸苯基)雙(7-己基-2-甲氧基萘)(3.09g,5.00mmol),且使用三溴化硼(1.0M二氯甲烷溶液)22.0ml(22.0mmol)以外,依據實施例3的第2步驟來進行,獲得白色固體的標題化合物(2.46g,4.38mmol)。產率為88%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:250.7℃-251.5℃.1H NMR(600MHz,氘代丙酮):δ 0.93(t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.35-1.45(m,12H,(CH2)3),1.76(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.81(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),2.88(brs,4H,OH),7.10(s,2H,ArH),7.27(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.36(s,2H,ArH),7.58(s,2H,ArH),7.83(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.88(s,2H,ArH).TOF HRMS(APCI+):Calcd for C38H43O4[M+H]563.3161,found,563.3154.Anal.Calcd for C38H42O4:C,81.10;H,7.52.Found C,80.83;H,7.64.
(第3步驟)
O,O'-(2,5-雙(6-己基-3-((二甲基胺甲醯硫基)氧基)萘-2-基)-1,4-伸苯基)雙(二甲基硫代胺基甲酸酯)的合成
除了將第2步驟中獲得的2,5-雙(6-己基-3-羥基萘-2-基)苯-1,4-二醇(2.25g,4.00mmol)用於起始原料,且使用三乙胺4.27ml、吡啶1.67ml、N,N-二甲基胺甲醯基硫氯3.96g(32.0mmol)以外,依據實施例2的第1步驟來進行,獲得白色固體的標題化合物(2.27g,2.36mmol)。產率為59%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:244.0℃-245.0℃.1H NMR(600MHz,CDCl3):δ 0.90(t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.31-1.39(m,12H,(CH2)3),1.71(quin,J=7.8Hz,4H,ArCH2CH2),2.77(t,J=7.8Hz,4H,ArCH2),2.97(s,6H,NH3),3.14(s,6H,NH3),3.23(s,6H,NH3),3.38(s,6H,NH3),7.31(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.37(s,2H,ArH),7.57(s,2H,ArH),7.60(s,2H,ArH),7.74(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.93(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,CDCl3):δ 14.29,22.78,29.26,31.42,31.92,36.33, 38.59,39.32,43.14,43.54,121.10,126.11,126.67,127.70,127.80,128.18,129.66,130.64,131.26,133.48,141.46,148.72,149.54,187.05,187.22.TOF HRMS(APCI+):Calcd for C50H63N4O4S4[M+H]911.3732,found,911.3740.Anal.Calcd for C50H62N4O4S4:C,65.90;H,6.86;N,6.15.Found C,65.65;H,6.79;N,6.11.
(第4步驟)
3,11-二己基二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的合成
除了將起始原料變更為O,O'-(2,5-雙(6-己基-3-((二甲基胺甲醯硫基)氧基)萘-2-基)-1,4-伸苯基)雙(二甲基硫代胺基甲酸酯)(1.82g,2.00mmol)以外,依據實施例2的第2步驟來進行,獲得黃色固體的標題化合物(615mg,1.10mmol)。產率為48%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:>300℃.1H NMR(600MHz,CDCl2CDCl2,100℃):δ 0.89(t,J=6.6Hz,6H,CH3),1.26-1.44(m,12H,(CH2)3),1.77(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.83(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),7.37(d, J=8.4Hz,2H,ArH),7.66(s,2H,ArH),7.94(d,J=8.4Hz,2H,ArH),8.19(s,2H,ArH),8.60(s,4H,ArH).TOF HRMS(APCI+):Calcd for C38H39S2[M+H]559.2493,found,559.2485.Anal.Calcd for C38H38S2:C,81.67;H,6.85.Found:C,81.77;H,6.94.
[實施例6]
3,12-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']萘并[1,2-b:6,7-b']二呋喃的合成
(第1步驟)
6,6"-二癸基-3,3',3",7'-四甲氧基-2,2':6',2"-聯三萘的合成
在0℃下,向2-癸基-7-甲氧基萘(14.7g,49.3mmol)的THF(192ml)溶液中添加正丁基鋰(1.59M己烷溶液)34.1ml(54.2mmol),在0℃下攪拌2小時。添加溴化鋅(1.0M的THF溶液)54.2ml(54.2mmol)後,恢復至室溫,攪拌1小時。在所得的淡黃色溶液中添加2,6-二碘-3,7-二甲氧基萘(9.00g,20.5mmol)及Pd(PPh3)4(1.15g,1.00mmol),在室溫下攪拌16小時。向反應液中添加水,以氯仿進行萃取後,以飽和食鹽水清洗,以無水硫酸鎂乾燥。將乾燥劑過濾分離後,進行減壓濃縮直至反應 液成為40ml左右為止,在殘渣中添加丙酮及二氯甲烷來進行再沈澱,將其過濾而獲得白色固體的標題化合物(10.5g,13.4mmol)。將濾液減壓濃縮,利用矽膠管柱層析法(己烷:乙酸乙酯=80:20(體積比))將殘渣純化,回收標題化合物(4.28g,5.48mmol)。將兩者合併的總產率為92%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:142.9℃-143.6℃.1H NMR(600MHz,CDCl3)δ 0.90(t,J=6.6Hz,6H,CH3),1.26-1.39(m,28H,(CH2)7),1.73(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.78(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),3.85(s,6H,OCH3),3.89(s,6H,OCH3),7.18(s,2H,ArH),7.21(s,2H,ArH),7.22(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.58(s,2H,ArH),7.71(s,2H,ArH),7.72(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.73(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,CDCl3):δ14.32,22.88,29.52(兩個碳),29.75,29.80,29.82,31.65,32.09,36.38,55.81,55.93,105.10,105.79,125.22,125.42,127.25,127.67,129.08,129.35(兩個碳),130.05,130.30,134.64,141.03,155.05,156.47.TOF HRMS(APCI+):Calcd for C54H69O4[M+H]781.5196,found,781.5200.Anal.Calcd for C54H68O4:C,83.03;H,8.77.Found C,82.78;H,8.79.
(第2步驟)
6,6"-二癸基-[2,2':6',2"-聯三萘]-3,3',3",7'-四醇的合成
除了將起始原料變更為6,6"-二癸基-3,3',3",7'-四甲氧基-2,2':6',2"-聯三萘(1.67g,5.00mmol),且使用三溴化硼(1.0M二氯甲烷溶液)11.0ml(11.0mmol)以外,依據實施例1的第2步驟來進行,獲得白色固體的標題化合物。產率為81%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:269.5℃-270.5℃.1H NMR(600MHz,氘代丙酮):δ 0.92(t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.26-1.42(m,28H,(CH2)7),1.76(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.81(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),2.85(brs,4H,OH),7.26(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.36(s,2H,ArH),7.41(s,2H,ArH),7.58(s,2H,ArH),7.79(s,2H,ArH),7.83(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.90(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,THF-d8):δ 15.03,23.16,30.90(兩個碳),31.14,31.21(兩個碳),32.99,33.46,37.65,111.33,111.63,125.71,125.95,128.94,128.99,130.10,130.36,131.00,131.23,132.05,136.44,141.75,152.88,154.96.HRMS(APCI+):Calcd for C50H61O4[M+H]725.4570,found,725.4561.
(第3步驟)
3,12-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']萘并[1,2-b:6,7-b']二呋喃的合成
除了將起始原料變更為6,6"-二癸基-[2,2':6',2"-聯三萘]-3,3',3",7'-四醇(1.02g,1.40mmol)以外,依據實施例3的第3步驟來進行,獲得黃色固體的標題化合物(666mg,0.967mmol)。產率為69%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:300℃以上.1H NMR(600MHz,CD2Cl2CD2Cl2 120℃下(at 120℃))δ 0.90(t,J=6.6Hz,6H,CH3),1.25-1.44(m,28H,(CH2)7),1.79(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.84(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),7.34(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.72(s,2H,ArH),7.81(s,2H,ArH),7.95(d,J=8.4Hz,2H,ArH),8.05(s,2H,ArH),8.48(s,2H,ArH),8.57(s,2H,ArH).HRMS(APCI+):Calcd for C50H57O2[M+H]689.4359,found,689.4346.
[實施例7]
3,12-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']萘并[1,2-b:6,7-b']二噻吩的合成
(第1步驟)
O,O',O",O'''-(6,6"-二癸基-[2,2':6',2"-聯三萘]-3,3',3",7'-四基)四(二甲基硫代胺基甲酸酯)的合成
[化32]
在6,6"-二癸基-[2,2':6',2"-聯三萘]-3,3',3",7'-四醇(870mg,1.20mmol)與THF(9.6ml)的懸浮液中,添加三乙胺(1.28ml)、吡啶(0.50ml)、N,N-二甲基胺甲醯基硫氯(1.19g,9.60mmol)。將該液在65℃下進行72小時反應,將溶劑等減壓濃縮。利用氧化鋁管柱(己烷:乙酸乙酯=95:5~80:20(體積比))將殘渣純化,獲得白色固體的標題化合物(612mg,0.570mmol)。產率為48%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:193.8℃-194.5℃.1H NMR(600MHz,CDCl3)δ 0.89(t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.26-1.40(m,28H,(CH2)7),1.74(quin,J=7.8Hz,4H,ArCH2CH2),2.79(t,J=7.8Hz,4H,ArCH2),3.05(s,6H,NCH3),3.06(s,6H,NCH3),3.19(s,6H,NCH3),3.24(s,6H,NCH3),7.34(d,J=7.8Hz,2H,ArH),7.59(s,2H,ArH),7.63(s,4H,ArH),7.78(d,J=7.8Hz,2H,ArH),7.97(s,2H,ArH),7.98(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,CDCl3):δ 14.31,22.86,29.51,29.60,29.73,29.78,29.80,31.52,32.07,36.35,38.63,38.66,43.26,43.33,120.79,121.40,126.13,127.80,127.95,129.01,129.88,130.84,130.92,131.00,131.11,133.54,141.58,149.84,150.05,187.40(兩個碳).TOF HRMS(APCI+):Calcd for C62H81N4O4S4[M+H]1073.5141, found,1073.5153.Anal.Calcd for C62H80N4O4S4:C,69.36;H,7.51;N,5.22.Found C,69.07;H,7.49;N,5.27.
(第2步驟)
3,12-二癸基二萘并[2,3-d:2',3'-d']萘并[1,2-b:6,7-b']二噻吩的合成
將O,O',O",O'''-(6,6"-二癸基-[2,2':6',2"-聯三萘]-3,3',3",7'-四基)四(二甲基硫代胺基甲酸酯)291mg(0.27mmol)在派熱司封管中,於320℃下加熱6小時。恢復至室溫而開封,將內容物於氯仿中進行超音波清洗後進行過濾,在1,1,2,2,-四氯乙烷中進行熱再結晶,藉此獲得黃色固體的標題化合物(106mg,0.147mmol)。產率為54%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:300℃以上.1H NMR(600MHz,CDCl2CDCl2,100℃):δ 0.89(t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.26-1.43(m,28H,(CH2)7),1.77(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.82(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),7.38(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.65(s,2H,ArH),7.96(d,J=8.4Hz,2H,ArH),8.13(s,2H,ArH),8.37(s,2H,ArH),8.65(s,2H, ArH),8.68(s,2H,ArH).TOF HRMS(APCI+):Calcd for C50H57S2[M+H]721.3902,found,721.3890.Anal.Calcd for C50H56S2:C,83.28;H,7.83.Found:C,83.52;H,7.55.
[實施例8]
3,12-二己基二萘并[2,3-d:2',3'-d']萘并[1,2-b:6,7-b']二噻吩的合成
(第1步驟)
6,6"-二己基-3,3',3",7'-四甲氧基-2,2':6',2"-聯三萘的合成
除了將起始原料變更為2-己基-7-甲氧基萘(4.85g,20.0mmol),且使用正丁基鋰(1.62M己烷溶液)13.6ml(22.0mmol)、溴化鋅(1.0M的THF溶液)22.0ml(22.0mmol)、2,6-二碘-3,7-二甲氧基萘3.70g(8.40mmol)、Pd(PPh3)4490mg(0.42mmol)以外,依據實施例6的第1步驟來進行,獲得白色固體的標題化合物(5.04g,7.53mmol)。產率為90%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:210.7℃-211.5℃.1H NMR(600MHz,CDCl3)δ 0.91(t,J=6.6Hz,6H,CH3),1.32-1.39(m,12H,(CH2)3),1.72(quin,J= 7.8Hz,4H,ArCH2CH2),2.78(t,J=7.8Hz,4H,ArCH2),3.84(s,6H,OCH3),3.88(s,6H,OCH3),7.18(s,2H,ArH),7.20(s,2H,ArH),7.21(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.57(s,2H,ArH),7.70(s,2H,ArH),7.71(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.72(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,CDCl3):δ 14.32,22.81,29.19,31.60,31.97,36.38,55.81,55.92,105.11,105.80,125.21,125.41,127.26,127.67,129.09,129.33,129.35,130.05,130.30,134.64,141.02,155.05,156.47.TOF HRMS(APCI+):Calcd for C46H53O4[M+H]669.3944,found,669.3944.Anal.Calcd for C46H52O4:C,82.60;H,7.84.Found C,82.24;H,7.80.
(第2步驟)
6,6"-二己基-[2,2':6',2"-聯三萘]-3,3',3",7'-四醇的合成
除了將起始原料變更為6,6"-二己基-3,3',3",7'-四甲氧基-2,2':6',2"-聯三萘(3.34g,5.00mmol),且使用三溴化硼(1.0M二氯甲烷溶液)22.0ml(22.0mmol)以外,依據實施例1的第2步驟來進行,獲得白色固體的標題化合物。產率為79%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:300℃以上.1H NMR(600MHz,氘代丙酮):δ 0.94 (t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.36-1.45(m,12H,(CH2)3),1.77(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.81(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),2.85(brs,4H,OH),7.27(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.36(s,2H,ArH),7.41(s,2H,ArH),7.59(s,2H,ArH),7.79(s,2H,ArH),7.83(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.89(s,2H,ArH).HRMS(APCI+):Calcd for C42H45O4[M+H]613.3318,found,613.3305.
(第3步驟)
O,O',O",O'''-(6,6"-二己基-[2,2':6',2"-聯三萘]-3,3',3",7'-四基)四(二甲基硫代胺基甲酸酯)的合成
於6,6"-二己基-[2,2':6',2"-聯三萘]-3,3',3",7'-四醇(1.84g,3.00mmol)與THF(12.0ml)的懸浮液中,添加三乙胺(3.20ml)、吡啶(1.30ml)、N,N-二甲基胺甲醯基硫氯(2.97g,24.0mmol)。使該液於65℃下進行18小時反應,將溶劑等減壓濃縮。以氧化鋁管柱(己烷:乙酸乙酯=95:5~80:20(體積比))將殘渣純化,獲得白色固體的標題化合物(1.49g,15.5mmol)。產率為52%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:256.3℃-257.3℃.1H NMR(600MHz,CDCl3)δ 0.91(t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.33-1.41(m,12H,(CH2)3),1.73(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.79(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),3.03(s,6H,NCH3),3.06(s,6H,NCH3),3.19(s,6H,NCH3),3.23(s,6H,NCH3),7.34(d,J=7.8Hz,2H,ArH),7.59(s,2H,ArH),7.63(s,4H,ArH),7.78(d,J=7.8Hz,2H,ArH),7.96(s,2H,ArH)7.98(s,2H,ArH).13C NMR(150MHz,CDCl3):δ 14.29,22.79,29.26,31.46,31.92,36.34,38.62,38.66,43.25,43.33,120.79,121.39,126.13,127.80,127.95,129.01,129.87,130.84,130.91,131.00,131.11,133.54,141.58,149.85,150.05,187.39(兩個碳).TOF HRMS(APCI+):Calcd for C54H65N4O4S4[M+H]961.3889,found,961.3890.
(第4步驟)
3,12-二己基二萘并[2,3-d:2',3'-d']萘并[1,2-b:6,7-b']二噻吩的合成
將O,O',O",O'''-(6,6"-二己基-[2,2':6',2"-聯三萘]-3,3',3",7'-四基)四(二甲基硫代胺基甲酸酯)2.40mg(2.50 mmol)在派熱司封管中,於320℃下加熱6小時。恢復至室溫而開封,對內容物於氯仿中進行超音波清洗後進行過濾,在1,1,2,2,-四氯乙烷中進行熱再結晶,藉此獲得黃色固體的標題化合物(792mg,1.30mmol)。產率為52%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:300℃以上.1H NMR(600MHz,CDCl2CDCl2,100℃):δ 0.85(t,J=7.2Hz,6H,CH3),1.26-1.45(m,12H,(CH2)3),1.71(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.77(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),7.36(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.63(s,2H,ArH),7.95(d,J=8.4Hz,2H,ArH),8.13(s,2H,ArH),8.37(s,2H,ArH),8.65(s,2H,ArH),8.69(s,2H,ArH).TOF HRMS(APCI+):Calcd for C42H41S2[M+H]609.2650,found,609.2643.Anal.Calcd for C42H40S2:C,82.85;H,6.62.Found:C,82.71;H,6.71.
[實施例9]
二萘并[2,3-d:2',3'-d']萘并[1,2-b:6,7-b']二噻吩的合成
除了將起始原料變更為O,O',O",O'''-([2,2':6',2"-聯三萘]-3,3',3",7'-四基)四(二甲基硫代胺基甲酸酯)793mg(1.00 mmol)以外,依據實施例8的第4步驟來進行,獲得黃色固體的標題化合物(220mg,0.50mmol)。產率為50%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:無。1H NMR(400MHz,CDCl2CDCl2,140℃):δ 7.53-7.58(m,4H,ArH),7.90(d,J=7.6Hz,2H,ArH),8.07(d,J=7.6Hz,2H,ArH),8.22(s,2H,ArH),8,73(s,2H,ArH),8.75(s,2H,ArH).
[實施例10]
3,11-二(十二烷基)二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的合成
除了將起始原料變更為O,O'-(2,5-雙(6-十二烷基-3-((二甲基胺甲醯硫基)氧基)萘-2-基)-1,4-伸苯基)雙(二甲基硫代胺基甲酸酯)(1.09g,1.00mmol)以外,依據實施例2的第2步驟來進行,獲得黃色固體的標題化合物(364mg,0.50mmol)。產率為50%。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:300℃以上.1H NMR(400MHz,CDCl2CDCl2,100℃):δ 0.88(t,J=6.8Hz,6H,CH3),1.26-1.45(m,36H,(CH2)3),1.77(quin,J=7.2Hz,4H,ArCH2CH2),2.83(t,J=7.2Hz,4H,ArCH2),7.38(d,J=8.4Hz,2H,ArH),7.67(s,2H,ArH),7.95(d,J=8.4Hz,2H,ArH),8.20(s,2H,ArH),8.61(s,4H,ArH).
[比較例1]
二萘并[2,3-d:2',3'-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的合成
除了將2-甲氧基萘用於起始原料以外,依據實施例2來進行合成,獲得標題化合物。將所得化合物的物性值示於以下。
熔點:無法觀測熔點。13C NMR(150MHz,CDCl2CDCl2):δ 41.26,41.38,90.74,91.26,109.32,111.87,113.19,113.78,114.20,114.32,115.39,115.56,115.65,119.45,140.27.141.66.TOF HRMS(APCI+):Calcd for C34H29O4[M+H]501.2066,found,501.2068.Anal.Calcd for C58H78N4O4S4:C,68.06;H,7.68;N,5.47.Found C,68.13;H,7.75;N,5.31.
[熱穩定性的評價]
使用熱重量/差熱分析(Thermogravimetry and Differential Thermal Analysis,TG/DTA)(理學(RIGAKU)Thermo Plus EvoII TG 8120),以分速為5℃的升溫速度對實施例4中合成的化合物進行測定,結果,5%重量減少溫度為426℃。另外,使用示差掃描熱析儀(Differential Scanning Calorimeter,DSC)(RIGAKU Thermo Plus Evo DSC 8270),以分速為5℃的升溫速度進行測定,結果於 217℃、260℃下確認到相變溫度。
同樣,對實施例7中合成的化合物進行測定的結果為,5%重量減少溫度為450℃。另外,DSC測定的結果為,於室溫~300℃下未確認到相變溫度。由以上明確,本發明的化合物的熱性質非常穩定。
[化學穩定性的評價]
將真空蒸鍍實施例4中合成的化合物而形成的厚度為100nm的膜在大氣中放置1週。其間,將經時地測定UV-Vis光譜(使用裝置:日本分光(股)製造,Jasco V-570光譜儀)而得的結果示於圖3中。另外,將對於實施例7中合成的化合物亦以相同方式測定而得的結果示於圖4中。其結果為,任一種化合物的放置1週的膜均在光譜中未看到變化。由以上明確,本發明的化合物的化學性質亦穩定。
[有機電晶體元件的製作以及特性評價]
〈邊緣澆鑄法〉
依據本發明者等人開發的塗佈法(邊緣澆鑄法;《應用物理快報》第2期第111501頁(2009)),進行製膜以及底閘極-頂部接觸型有機FET的製作。將本方法的概念圖示於圖2中。
對於矽基板(富士見精細科技股份有限公司(Fujimi Fine Technology Inc.)製造),利用癸基三乙氧基矽烷(DTS)進行表面處理,獲得帶有熱氧化矽絕緣膜(膜厚為500nm)的矽基板(以下亦稱為「基板」)。於基板上放置溶液保持用矽基板的碎片(以 下亦稱為「溶液保持構造」)。一邊將基板傾斜,一邊將實施例中合成的含有氧族元素的有機化合物的1,2-二甲氧基苯或1,2-二氯乙烷溶液(含有氧族元素的有機化合物的濃度:0.2質量%)(有機半導體溶液),在120℃下滴垂於溶液保持構造的邊緣。將溶劑蒸發,並且在結晶成長的同時貼附於基板上,以數分鐘來完成結晶成長。於該狀態下在60℃~100℃的氬氣環境下放置一夜(11小時),使結晶膜完全乾燥(膜厚:30nm~150nm)。於所得的結晶膜上,經由不鏽鋼製的金屬遮罩來真空蒸鍍四氟四氰基醌二甲烷的載子注入層(膜厚為1nm),繼而真空蒸鍍金的源極以及汲極(同為30nm),形成溝道長100μm、溝道寬1mm,來製作底閘極-頂部接觸型有機FET。對於所製作的元件,使用半導體參數分析儀(semiconductor parameter analyzer)(型號為「keithley 4200」,吉時利儀器股份有限公司(Keithley Instruments Inc.)製造)來測定載子移動率以及接通/斷開比。
對實施例2、實施例3~實施例5中獲得的各化合物進行以上的有機電晶體元件的製作以及特性評價。將評價結果示於表1中。另外,比較例1的化合物中,高品質的二維狀結晶膜無法藉由溶液製程來製成,難以利用上述塗佈法來進行製膜。其結果為,對於比較例1的化合物,無法進行利用上述塗佈法的有機電晶體元件的製作以及特性評價。
〈利用蒸鍍法的FET特性的比較〉
關於比較例1的含有氧族元素的有機化合物,無法利用塗佈 法來製作元件,因此對實施例1、實施例3、實施例4、實施例7以及比較例1的含有氧族元素的有機化合物,利用蒸鍍法來製作元件,進行FET特性的比較。
對於上述帶有熱氧化矽絕緣膜(膜厚為500nm)的矽基板,以丙酮以及2-丙醇各進行5分鐘的超音波清洗,繼而進行30分鐘的UV臭氧處理。於經清洗處理的基板表面,利用蒸氣法來製成DTS的自組織化單分子膜,然後以蒸鍍速度0.4Å Å/s~0.6Å Å/s來真空蒸鍍含有氧族元素的有機化合物,形成膜厚為75nm的有機半導體層。繼而,經由不鏽鋼製的金屬遮罩來真空蒸鍍四氟四氰基醌二甲烷的載子注入層(膜厚為1nm),繼而真空蒸鍍金的源極以及汲極(同為30nm),形成溝道長100μm、溝道寬1mm,製作底閘極-頂部接觸型有機FET。
對於所製作的元件,使用半導體參數分析儀(型號為「keithley 4200」,吉時利儀器股份有限公司製造)來測定載子移動率以及接通/斷開比。
其結果為,於將實施例4的有機半導體材料用於形成有機半導體層的情況下,載子移動率為1.4cm2/V·s,接通/斷開比為104。另一方面,於將比較例1的有機半導體材料用於形成有機半導體層的情況下,載子移動率為0.08cm2/V·s,接通/斷開比為104。其他結果亦一併示於表1中。
對利用邊緣澆鑄法將實施例4的化合物製膜而得的樣品的物性進行評價。將線形區域的傳遞特性示於圖5中,將飽和區域的傳遞特性示於圖6中,將輸出特性示於圖7中。
由以上結果明確,與比較例中合成的有機半導體材料相比,各實施例中合成的有機半導體材料(1)對溶劑的溶解性優異,(2)不論製膜方法如何,均表現出本質上高的載子移動率。
10‧‧‧源極
20‧‧‧汲極
30‧‧‧閘極
40‧‧‧有機半導體層
50‧‧‧閘極絕緣膜
60‧‧‧基板
70‧‧‧載子注入層

Claims (12)

  1. 一種含有氧族元素的有機化合物,其由式(1)表示: 式(1)中,X分別獨立地為氧、硫或硒;m為0或1;存在2個的n分別獨立地為0或1;R1~R3分別獨立地為氫、氟、碳數1~20的烷基、芳基、吡啶基、呋喃基、噻吩基或噻唑基,上述烷基中的至少1個氫可經氟取代,上述芳基、吡啶基、呋喃基、噻吩基及噻唑基的環上的至少1個氫可經選自氟及碳數1~10的烷基中的至少1種取代;其中,(i)在m=0的情況下,所有的R1~R3不會同時為氫;(ii)在m為0的情況下,當n均為0時、以及n的一者為0且另一者為1時,不存在兩個X為硫,且所有的R3同時為同一原子或基團的情況;(iii)在m為0的情況下,當n均為1時,所有的R3不會同時為同一原子或基團,且R3中至少一者為氫。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的含有氧族元素的有機化合物,其中式(1)中,所有的R1~R2同時為氫。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的含有氧族元素的有機化合物,其中式(1)中,所有的R3不會同時為同一原子或基團。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的含有氧族元素的有機化合物,其中式(1)中,R3中至少一者為氫。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的含有氧族元素的有機化合物,其是由式(1-1)或式(1-2)所表示: 式(1-1)及式(1-2)中,X、m及n分別與式(1)中的同一記號含義相同;存在2個的R3分別獨立地為氟、碳數1~20的烷基、芳基、吡啶基、呋喃基、噻吩基或噻唑基,上述烷基中的至少1個氫可經氟取代,上述芳基、吡啶基、呋喃基、噻吩基及 噻唑基的環上的至少一個氫可經選自氟及碳數1~10的烷基中的至少1種取代。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的含有氧族元素的有機化合物,其中式(1-1)及式(1-2)中的R3為選自碳數1~20的烷基、苯基、呋喃基及噻吩基中的同一基團。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的含有氧族元素的有機化合物,其中式(1-1)及式(1-2)中的R3為選自碳數9~12的烷基中的同一基團。
  8. 一種化合物的製造方法,其用於製造如申請專利範圍第1項所述的含有氧族元素的有機化合物,其中,X=硫或硒,所述化合物的製造方法包括:使式(11)所表示的化合物與式(12)所表示的化合物進行交叉偶合而獲得式(13)所表示的化合物的步驟;對上述式(13)所表示的化合物的甲氧基進行去保護而獲得式(14)所表示的化合物的步驟;使上述式(14)所表示的化合物與N,N-二烷基胺甲醯基硫氯或N,N-二烷基胺甲醯基硒氯進行反應而獲得式(15)所表示的化合物的步驟;以及藉由將上述式(15)所表示的化合物進行加熱而獲得式(1)所表示的化合物的步驟;[化3] 式(11)~式(15)中,m、n及R1~R3分別與上述式(1)中的同一記號含義相同,Me為甲基,Hal為溴或碘,R分別獨立地為碳數1~3的烷基。
  9. 一種化合物的製造方法,其用於製造如申請專利範圍第1項所述的含有氧族元素的有機化合物,其中X=氧,所述化合物的製造方法包括:使式(11)所表示的化合物與式(12)所表示的化合物進行交叉偶合而獲得式(13)所表示的化合物的步驟;對 上述式(13)所表示的化合物的甲氧基進行去保護而獲得式(14)所表示的化合物的步驟;以及藉由在沸石觸媒下,對上述式(14)所表示的化合物進行加熱脫水而獲得式(1)所表示的化合物的步驟; 式(11)~式(14)中,m、n及R1~R3分別與上述式(1)中的同一記號含義相同,Me為甲基,Hal為溴或碘。
  10. 一種有機半導體材料,其包含如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述的含有氧族元素的有機化合物。
  11. 一種有機半導體膜,其包含如申請專利範圍第10項所述 的有機半導體材料。
  12. 一種有機場效電晶體,其包括:基板、閘極、閘極絕緣膜、源極、汲極以及有機半導體層,其中上述有機半導體層包含如申請專利範圍第11項所述的有機半導體膜。
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