WO2022260007A1 - ポリチオフェン化合物および導電性材料組成物 - Google Patents

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俊一 平尾
徹 雨夜
佳保里 桐山
慧歩 土屋
雄飛 稲田
健史 山雄
椋 岡崎
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国立大学法人大阪大学
大八化学工業株式会社
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    • H10K30/86Layers having high hole mobility, e.g. hole-transporting layers or electron-blocking layers

Definitions

  • the present invention relates to novel polythiophene compounds, conductive material compositions, and methods for producing them. More specifically, antistatic agents, capacitors, organic EL, secondary batteries, capacitors, antistatic agents, solar cells, electrode materials for plastic electrodes, EMI materials, organic ferromagnets, electrochromic materials, and polythiophene compounds that can be used as various sensors. , to conductive material compositions and methods of making them.
  • Conductive polymers represented by polythiophene, polypyrrole, polyaniline, etc. are a group of compounds that have been actively developed in the field of "organic electronics" in recent years.
  • the acidic substituent affects the electronic state of the main chain, so that the bipolaron state is relatively easily formed, and as a result, the conductive state is formed. known to improve performance.
  • This phenomenon in which the side chain acidic substituents improve conductivity is called "self-doping".
  • Patent Document 1 discloses a polythiophene compound having a phosphorus-based structural unit. Also in the polythiophene compound of Patent Document 1, it is considered that the phenomenon of self-doping occurs due to the acidic substituents in the side chains. However, the conductivity achieved in the examples of Patent Document 1 is relatively small and is not sufficient when used in applications that require high conductivity. Therefore, materials with even higher conductivity are desired. rice field. Moreover, in Patent Document 1, the state of electrons in the molecule and the state of bipolarons were completely unknown.
  • Patent Document 2 describes improving conductivity by copolymerization, but does not describe improving conductivity of a homopolymer. Also, Patent Document 2 does not describe the state of electrons in molecules or the state of bipolarons.
  • Non-Patent Document 1 describes a polythiophene that does not have a phosphorus-based structural unit, but does not describe a polythiophene that has a phosphorus-based structural unit.
  • Non-Patent Document 1 does not describe at all that the conductivity of polythiophene having phosphorus-based structural units is improved, and the absorption near 400 nm is influenced by the phenomenon in which a bipolaron state occurs in the main chain of the polythiophene compound. It only shows that it will not be taken seriously.
  • a conductive polymer polyethylenedioxyorthothiophene-polystyrenesulfonic acid association (PEDOT:PSS) is often used in the hole transport layer of the organic thin film solar cell.
  • PEDOT:PSS polyethylenedioxyorthothiophene-polystyrenesulfonic acid association
  • JP 2018-48322 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-105500
  • the present invention provides novel polythiophene compounds and conductive material compositions.
  • An object of the present invention is to provide a novel polythiophene compound and a conductive material composition having excellent conductivity.
  • the present inventors found that the above object can be achieved by a polythiophene compound having a high absorbance ratio representing the relative intensity of absorption derived from bipolaron measured with a spectrophotometer.
  • the present invention has been completed.
  • the absorbance ratio also reflects the state of the electrons present in the molecule. Therefore, different absorbance ratios mean different states of electrons in the molecule. That is, the state of electrons in the molecule is different between a compound with a low absorbance ratio and a compound with a high absorbance ratio. In this respect, a compound with a low absorbance ratio and a compound with a high absorbance ratio are different compounds. In the present invention, the above problems are solved by a compound having a high absorbance ratio.
  • the present inventors found that in the polythiophene compound disclosed in Patent Document 1 (JP-A-2018-48322), the absorbance of the compound at a wavelength of 2000 nm (A 2000 ) was found to be low compared to the absorbance of the compound at a wavelength of 407 nm (A407).
  • the present inventors have conducted research focusing on this point, and as a result, the absorbance (A 2000 ) of the compound at a wavelength of 2000 nm and the absorbance (A 407 ) of the compound at a wavelength of 407 nm measured using a spectrophotometer. It has been found that a compound having a high absorbance ratio calculated by the formula (A 2000 /A 407 ) from the above can achieve dramatically high conductivity.
  • the present invention provides the following compounds and the like.
  • a conductive material composition containing a polythiophene compound contains a structural unit represented by where L is the formula (21): wherein R 5 is independently a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and R 6 is independently a hydrogen atom or a linear or a branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, n 1 is 0 or 1, n 2 is independently an integer of 1 to 6, n 3 is independently 0 or 1, n 4 is an integer from 0 to 12, and the left end of formula (21) is attached to the carbon atom of the dioxane ring in formula (A), M 1 and M 2 are each independently an alkyl group having 1 to 15 carbon atoms, a hydrogen atom, an alkali metal, an alkaline earth metal, or an ammonium group, provided that one of M 1 or M 2 is an alkaline earth When it is a metal group
  • n 1 is 0, n 2 is independently an integer of 1 to 4, n 4 is 1 or 2, and R 5 and R 6 are each independently hydrogen or straight or branched carbon 7.
  • (Section 9) A method for producing the compound according to item 1 or the conductive material composition according to any one of items 2 to 8, a step of oxidatively polymerizing a thiophene monomer corresponding to the polythiophene compound in the presence of an oxidizing agent; and purifying the obtained polymerization product using a chelate compound to obtain the compound according to item 1 or items 2 to 2 above.
  • a method comprising preparing a conductive material composition according to any one of 8.
  • a polythiophene compound and a conductive resin composition produced by the production method according to any one of Items 9 to 11 above are provided.
  • the polythiophene compound of the present invention exhibits excellent electrical conductivity that is significantly higher than that of conventional polythiophene compounds. Therefore, the polythiophene compound of the present invention can be expected to be applied to the field of electronic materials.
  • FIG. 1 is a graph showing the absorbance ratio at each wavelength of the polythiophene compounds obtained in Examples 1-8 and Comparative Examples 1-3.
  • the horizontal axis indicates the wavelength (nm), and the vertical axis indicates the absorbance ratio. It is shown that the absorbance ratio at a wavelength of 2000 nm in Comparative Examples 1 to 3 is less than 1. On the other hand, the absorbance ratios of Examples 1-8 at a wavelength of 2000 nm are shown to be 2.4-6.
  • FIG. 2 shows a layered structure of one example of a solar cell device.
  • FIG. 3 shows an example of connecting a voltage applying device to a solar cell device. Arrows indicate simulated sunlight irradiation (100 mWcm ⁇ 2 ).
  • FIG. 1 is a graph showing the absorbance ratio at each wavelength of the polythiophene compounds obtained in Examples 1-8 and Comparative Examples 1-3.
  • the horizontal axis indicates the wavelength (nm), and the vertical axis indicates the absorbance ratio. It is shown that the absorb
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between current density-voltage (JV) characteristics and parameters, and shows typical JV characteristics.
  • FIG. 5 is a graph showing JV characteristics of a solar cell device.
  • FIG. 6 is a graph showing changes over time in PCE of a solar cell device.
  • the polythiophene compound of the present invention has a chemical structural formula as described later, but it is difficult to strictly specify its chemical structure with an accurate chemical structural formula. The reason is explained below.
  • the polythiophene compound undergoes the phenomenon of self-doping, so it is thought that a polaron or bipolaron state occurs in the main chain of the polythiophene compound.
  • a polaron or bipolaron state occurs in the main chain of the polythiophene compound.
  • the polaron or bipolaron state does not necessarily occur over the entire length from end to end of the main chain of one polythiophene compound, and the polaron or bipolaron state may occur only in a part of the main chain. .
  • the polaron or bipolaron state does not necessarily occur in all of them, and there is a possibility that only a part of the molecules will have the polaron or bipolaron state. Therefore, it is impossible to quantitatively and accurately describe a polythiophene compound in which a polaron or bipolaron state occurs only in a portion of the molecule or only in a portion of the molecule.
  • polythiophene compound includes (a) a polythiophene compound that is neither in a polaron nor a bipolaron state, (b) a polaron and (c) the polythiophene compound in the bipolaron state.
  • the chemical structural formula is (a) a polythiophene compound that is neither in a polaron nor a bipolaron state, (b ) polythiophene compounds in the polaron state, and (c) polythiophene compounds in the bipolaron state.
  • polythiophene compounds with specific absorbance ratios achieve high electrical conductivity.
  • the formula (A 2000 /A 407 ) is 1 or more.
  • the absorbance ratio is preferably 1.5 or more, more preferably 2 or more, still more preferably 2.5 or more, and particularly preferably 3 or more.
  • the absorbance ratio may be 3.5 or greater, 4 or greater, or 4.5 or greater.
  • the absorbance ratio also reflects the state of the electrons present in the molecule. Therefore, different absorbance ratios mean different states of electrons in the molecule. That is, the state of electrons in the molecule is different between a compound with a low absorbance ratio and a compound with a high absorbance ratio. In this respect, a compound with a low absorbance ratio and a compound with a high absorbance ratio are different compounds.
  • the absorbance at a wavelength of 407 nm is considered to be largely unaffected by the phenomenon in which a bipolaron state occurs in the main chain of the polythiophene compound.
  • a wavelength of 2000 nm it is believed that high absorbance is measured when a bipolaron state occurs. Therefore, when the absorbance ratio is large, it is understood that the density of bipolaron states is high.
  • the length of the range in which holes can be delocalized in the main chain becomes longer, and the ratio of the length of the range in which holes can be delocalized out of the total length of the main chain increases. be done.
  • Polythiophene compound Polythiophene compounds are represented, for example, by general formula (12): - (A) q - (12)
  • each A is independently a thiophene monomer residue.
  • q is the degree of polymerization and is any positive integer. Specifically, for example, it can be 3 or more, 6 or more, or 10 or more, and can be 2,000 or less, 1,000 or less, 800 or less, or 400 or less.
  • E 1 -(A) q -E 2 (12A) where E 1 and E 2 are end groups respectively.
  • one is the polymerization initiation terminal and the other is the polymerization termination terminal.
  • the polythiophene compound is preferably a homopolymer. However, if desired, the polythiophene compound may be a copolymer. Copolymers may be block copolymers or random copolymers.
  • a unit constituting a repeating structure of a polymer is referred to as a "structural unit”. That is, in the polymer of general formula (12A), "A” is a structural unit, and the polymer is composed of the structural unit and terminal groups. In other words, the portion of the polymer other than the polymerization initiation terminal and the polymerization termination terminal is composed of structural units. Therefore, in this specification, the description that "the polythiophene compound does not contain structural units other than general formula (A)” means that the portion other than the terminal group is composed only of structural units of general formula (A). means The polythiophene compound in the present invention contains a structural unit represented by general formula (A) below.
  • R 5 is independently a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, preferably a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. , and more preferably a hydrogen atom.
  • R 6 is independently a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, preferably a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, more preferably is a hydrogen atom.
  • n1 is 0 or 1 , preferably 0; n2 is independently an integer of 1 to 6, preferably 1 to 4, more preferably 1 to 2, still more preferably 1; n3 is independently 0 or 1, preferably 0; When n3 is 0, n4 is preferably 1 or 2 , more preferably n4 is 1. n4 is an integer of 0 to 12, preferably 0 to 6, more preferably 1 or 2, still more preferably 1; The product of n2 and n4 gives the total number of carbon atoms between the dioxane ring and phosphorus.
  • the number of carbon atoms between the dioxane ring and phosphorus is preferably 1 to 12, more preferably 1 to 9, even more preferably 1 to 6, particularly preferably 1 to 3. , in one embodiment, 1 or 2.
  • the left end of formula (21) is bonded to the carbon atom in the dioxane ring in formula (A), and the right end of formula (21) is bonded to the phosphorus atom in formula (A).
  • R5 and R6 are hydrogen atoms, n1 is 0 , n3 is 0, and n4 is 1 .
  • L is -(CH 2 ) n2 -, where n 2 is independently 0-12.
  • n2 is preferably 0-4, more preferably 0-2. Particularly preferably n2 is 1.
  • M 1 and M 2 are each independently an alkyl group having 1 to 15 carbon atoms, a hydrogen atom, an alkali metal, an alkaline earth metal, or an ammonium group. In one preferred embodiment, at least one of M 1 and M 2 is one selected from a hydrogen atom, an alkali metal, an alkaline earth metal and an ammonium group, more preferably both M 1 and M 2 is a hydrogen atom.
  • R 1A is a hydrogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, an acyl group, or a group represented by formula (15).
  • An alkyl group or a hydrogen atom is preferred, and a hydrogen atom is more preferred.
  • L 1 is given by formula (22): is represented by
  • R 15 is independently a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, preferably a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. , and more preferably a hydrogen atom.
  • R 16 is independently a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, preferably a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, more preferably is a hydrogen atom.
  • m 4 is an integer of 0-12, preferably 0-6, more preferably 1 or 2, still more preferably 1; The product of m2 and m4 gives the total number of carbon atoms between the dioxane ring and the phosphorus.
  • the number of carbon atoms between the dioxane ring and phosphorus is preferably 1 to 12, more preferably 1 to 9, even more preferably 1 to 6, particularly preferably 1 to 3. , in one embodiment, 1 or 2. Further, the sum of the number of carbon atoms between the dioxane ring and phosphorus in L and the number of carbon atoms between the dioxane ring and phosphorus in L 1 is preferably 1 to 16, more preferably 1 to 12. more preferably 1 to 8, particularly preferably 1 to 4, in one embodiment 1 or 2.
  • the left end of formula (22) is bonded to the carbon atom in the dioxane ring in formula (A), and the right end of formula (22) is bonded to the phosphorus atom in formula (15).
  • R 15 and R 16 are hydrogen atoms, m 1 is 0, m 3 is 0 and m 4 is 1.
  • L 1 is -(CH 2 ) m2 -, where m 2 is independently 0-12.
  • M 1c and M 2c are each independently an alkyl group having 1 to 15 carbon atoms, a hydrogen atom, an alkali metal, an alkaline earth metal, or an ammonium group.
  • M 1c or M 2c is an alkaline earth metal
  • the alkaline earth metal atom is bound to two O - in one phosphoric acid or phosphonic acid site to form M 1c or M A structure in which the other of 2c does not exist, or a structure in which the alkaline earth metal atom bridges the O 2 - of two phosphate or phosphonate moieties.
  • a phosphate or phosphonate site refers to a site having a structure of a phosphate group or a derivative thereof (e.g., salt or ester), or a phosphonic acid group or a derivative thereof (e.g., salt or ester).
  • a site having a structure of a phosphate group or a derivative thereof e.g., salt or ester
  • a phosphonic acid group or a derivative thereof e.g., salt or ester.
  • each alkyl group in R 1A may independently be linear, branched or cyclic.
  • the cyclic alkyl group may be composed only of a cyclic structure, or may have a structure in which a chain alkyl group is further bonded to the cyclic structure.
  • the number of carbon atoms in the alkyl group is preferably 1-15, more preferably 1-8, and particularly preferably 1-4.
  • Specific examples include methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group and pentadecyl group. mentioned.
  • Each alkoxy group in R 1A may independently be linear, branched or cyclic.
  • the cyclic alkoxy group may be composed only of a cyclic structure, or may have a structure in which a chain alkyl group and/or a chain alkoxy group are further bonded to the cyclic structure.
  • the number of carbon atoms in the alkoxy group is preferably 1-15, more preferably 1-8, particularly preferably 1-4.
  • Specific examples include methoxy group, ethoxy group, propoxy group, butoxy group, pentyloxy group, hexyloxy group, heptyloxy group, octyloxy group, nonyloxy group, decyloxy group, undecyloxy group, dodecyloxy group, tridecyl Examples include oxy group, tetradecyloxy group and pentadecyloxy group.
  • Each acyl group in R 1A may independently be linear, branched or cyclic.
  • the cyclic acyl group may be composed of a cyclic structure only, or may be a structure in which a chain alkyl group and/or a chain acyl group are further bonded to the cyclic structure.
  • the acyl preferably has 1 to 15 carbon atoms, more preferably 1 to 8 carbon atoms, and particularly preferably 1 to 4 carbon atoms.
  • Specific examples include acetyl group, propionyl group, butanoyl group, pentanoyl group, hexanoyl group, heptanoyl group, octanoyl group, nonanoyl group, decanoyl group, undecanoyl group, dodecanoyl group, tridecanoyl group, tetradecanoyl group and pentadecanoyl group. etc.
  • R 1A is a hydrogen atom.
  • M 1 and M 2 may be the same or different from each other. In one preferred embodiment, M 1 and M 2 are the same. M 1c and M 2c may be the same or different from each other. In one preferred embodiment, M1c and M2c are the same.
  • the alkyl groups in M 1 and M 2 and M 1c and M 2c may be linear or branched, and preferably have 1 to 12 carbon atoms. 8 is more preferred, and 1-5 is particularly preferred. In a more preferred embodiment, the alkyl group has 2 carbon atoms. If the number of carbon atoms in the alkyl group is within the preferred range, a polythiophene compound with good conductivity can be obtained.
  • Specific examples include methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group and pentadecyl group. is mentioned.
  • alkali metals in M1 and M2 and M1c and M2c in general formula ( A ) include lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium. Sodium and potassium are preferred from the standpoint of availability and operability of the starting metal compounds.
  • Alkaline earth metals in M1 and M2 and M1c and M2c in the general formula ( A ) include beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium and radium. Magnesium and calcium are preferred from the standpoint of availability and operability of the starting metal compounds.
  • M 1 or M 2 is an alkaline earth metal
  • the alkaline earth metal atom is bound to two O - in one phosphoric acid or phosphonic acid site to form M 1 or M 2 .
  • a structure in which the other of 2 does not exist, or a structure in which the alkaline earth metal atom bridges the O 2 - of two phosphoric acid or phosphonic acid sites.
  • M 1c or M 2c is an alkaline earth metal
  • the alkaline earth metal atom is bound to two O - in one phosphoric acid or phosphonic acid moiety to form M 1c or M 2c .
  • the polythiophene compound may combine with a basic substance at the hydrogen atom to form a salt.
  • a basic substance may be a basic compound or a basic ion.
  • Examples of basic substances include organic compounds having a basic nitrogen. In the case of an organic compound having a basic nitrogen, the portion of the basic nitrogen forms an ionic bond with the negatively charged oxygen atom of the phosphoric acid or phosphonic acid site of the polythiophene compound to form a salt.
  • Examples of basic nitrogens include organic amine compounds.
  • the organic amine may be an aliphatic amine, an aromatic amine, or a nitrogen-containing aromatic compound.
  • the aliphatic amine may be a primary amine, a secondary amine, a tertiary amine, or a quaternary ammonium.
  • the number of carbon atoms in the alkyl group of the aliphatic alkylamine is preferably 1-12, more preferably 1-6, still more preferably 1-4.
  • Examples of primary amines include monoalkylamines.
  • Examples of secondary amines include dialkylamines.
  • Examples of tertiary amines include trialkylamines. Further specific examples include trimethylamine, triethylamine and tributylamine.
  • Examples of quaternary amines include tetraalkylammonium salts.
  • the alkyl chain may contain a hydroxyl group, for example dimethylaminoethanol.
  • aromatic amines are aniline, toluidine, xylidine, and nitrogen-containing aromatic compounds are pyridine, picoline, lutidine, collidine, imidazole, 4-dimethylaminopyridine.
  • guanidine may be used.
  • both M 1 and M 2 may be alkyl groups, but from the viewpoint of conductivity, at least one should be a hydrogen atom, an alkali metal, an alkaline earth metal, or an organic amine. is preferred. More preferably, at least one is a hydrogen atom, and particularly preferably two are hydrogen atoms. Moreover, although both M1c and M2c may be alkyl groups, at least one of them is preferably a hydrogen atom, an alkali metal, an alkaline earth metal, or an organic amine from the viewpoint of conductivity. More preferably, at least one is a hydrogen atom, and particularly preferably two are hydrogen atoms. Specific examples of the structural unit of general formula (A) include the following formulas (9), (10), (11) and (13).
  • the structural unit of the polythiophene compound of the present invention may consist only of the structural unit of general formula (A) above. In one embodiment, the polythiophene compound of the present invention does not substantially contain structural units other than structural units of general formula (A). If the structural unit of the polymer is composed only of the structural unit of the general formula (A), its advantageous properties can be highly exhibited.
  • polythiophene compound of the present invention may contain structural units other than the structural units of general formula (A) as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • the content of structural units other than those of general formula (A) is preferably 40 mol% or less, more preferably 30 mol% or less, and 20 mol% or less of the total structural units in the polythiophene compound. More preferably 10 mol% or less, particularly preferably 5 mol% or less, particularly preferably 3 mol% or less, most preferably 1 mol% or less . Furthermore, it is possible to make it 0.1 mol % or less, and it is also possible to make it 0.01 mol % or less.
  • a conductive polythiophene compound with self-doping properties must have a hydrogen ion donating phosphoric acid or phosphonic acid site.
  • a hydrogen ion donating phosphate or phosphonate site refers to a phosphate or phosphonate site in which at least one --P--OH group is present.
  • the number of phosphorus-containing thiophene monomer residues containing hydrogen ion donating phosphate or phosphonate sites in the polythiophene compound of the present invention can be arbitrarily selected.
  • the ratio of phosphorus-containing monomer residues containing a hydrogen ion donating phosphate or phosphonic acid moiety is, for example, 10% or more, or 20% or more, with the total number of phosphorus-containing monomer residues present in the polythiophene compound being 100%. , 30% or more, 40% or more, 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, 90% or more, or 95% or more. Alternatively, it may be 100%. Also, if for some reason it is desired to control the content of hydrogen ion donating groups (-P-OH), the number of hydrogen ion donating phosphate or phosphonate sites is designed to be suppressed.
  • the ratio of hydrogen ion donating phosphate or phosphonate sites to the total number of phosphate or phosphonate sites can be designed arbitrarily. Taking the total number of phosphoric acid or phosphonic acid sites present in the polythiophene compound of the present invention as 100%, the ratio of hydrogen ion donating phosphoric acid or phosphonic acid sites is, for example, 10% or more, 20% or more, 30% or more, It can be selected from 40% or more, 50% or more, 60% or more, 70% or more, 80% or more, 90% or more, or 95% or more. Alternatively, it may be 100%.
  • the number of hydrogen ion donating phosphate or phosphonate sites can be designed to be reduced.
  • the total number of phosphoric acid or phosphonic acid sites present in the polythiophene compound of the present invention is taken as 100%, and the ratio of hydrogen ion donating phosphoric acid or phosphonic acid sites is, for example, 95% or less, or 90%. % or less, 85% or less, 80% or less, 75% or less, or 70% or less.
  • the ratio of the hydrogen ion donating phosphoric acid or phosphonic acid sites described above can be controlled, for example, by adjusting the type and amount of the thiophene compound used when producing the polythiophene compound.
  • the polythiophene compound of the present invention can be produced using the method described below.
  • the molecular weight of the polythiophene compound of the present invention is not particularly limited.
  • the weight average molecular weight of the polythiophene compound of the present invention is preferably 1,000 or more, more preferably 2,000 or more.
  • the weight average molecular weight of the polythiophene compound of the present invention is preferably 500,000 or less, more preferably 200,000 or less. More preferably, it is 100,000 or less.
  • the polythiophene compound of the present invention preferably has a phosphoric acid or phosphonic acid structural moiety [—OP(O)(OH) 2 or -P(O)(OH) 2 ], a phosphoric acid or phosphonic acid monoalkyl ester structural moiety [ —OP(O)(OH)(OR) or —P(O)(OH)(OR), where R is an alkyl group of 1 to 15 carbon atoms] or monohydrogen phosphate or phosphonate structure a monomer having the moiety [--OP(O)(OH)(OM 6 ) or -P(O)(OH)(OM 6 ), where M 6 is an alkali metal, alkaline earth metal or ammonium group] Contains residues.
  • a phosphoric acid or phosphonic acid structural site, a phosphoric acid or phosphonic acid monoalkyl ester structural site, or a phosphoric acid or phosphonic acid monohydrogen salt structural site is a hydrogen ion released from its hydrogen ion donating group (-P-OH), It is possible to dope the thiophene ring of the polythiophene compound main chain.
  • the structural site of monohydrogen phosphate or phosphonate means a site having the structure of monohydrogen phosphate or phosphonate. That is, of the two hydrogen atoms in the phosphoric acid or phosphonic acid structural site, only one hydrogen atom is substituted with a metal atom or the like to form a salt, and the other hydrogen atom remains as it is.
  • a phosphorus-containing thiophene compound is used as a monomer to produce a polythiophene compound.
  • the phosphorus-containing thiophene compound is a compound represented by the following general formula (Am).
  • L is the formula (21): wherein R 5 is independently a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and R 6 is independently a hydrogen atom or a linear or a branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, n 1 is 0 or 1, n 2 is independently an integer of 1 to 6, n 3 is independently 0 or 1, n 4 is an integer from 0 to 12, and the left end of formula (21) is attached to the carbon atom in the dioxane ring in formula (Am).
  • L is -(CH 2 ) n -, where n is 0-12.
  • M 1 and M 2 are each independently an alkyl group having 1 to 15 carbon atoms, a hydrogen atom, an alkali metal, an alkaline earth metal, or an ammonium group.
  • M 1 or M 2 is an alkaline earth metal
  • the alkaline earth metal atom is bound to two O - in one phosphoric acid or phosphonic acid site to form M 1 or M A structure in which the other of 2 does not exist, or a structure in which the alkaline earth metal atom bridges the O 2 - of two phosphate or phosphonate moieties.
  • R 1A is a hydrogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, an acyl group, or a group represented by formula (15).
  • L 1 has the formula (22): wherein R 15 is independently a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and R 16 is independently a hydrogen atom or a linear or a branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, m1 is 0 or 1 , m2 is independently an integer of 1 to 6 , m3 is independently 0 or 1, m 4 is an integer from 0 to 12, and the left end of formula (22) is attached to the carbon atom in the dioxane ring in formula (Am).
  • M 1c and M 2c are each independently an alkyl group having 1 to 15 carbon atoms, a hydrogen atom, an alkali metal, an alkaline earth metal, or an ammonium group.
  • M 1c or M 2c is an alkaline earth metal
  • the alkaline earth metal atom is bound to two O - in one phosphoric acid or phosphonic acid site to form M 1c or M A structure in which the other of 2c does not exist, or a structure in which the alkaline earth metal atom bridges the O 2 - of two phosphate or phosphonate moieties.
  • the polythiophene compound may combine with a basic substance at the hydrogen atom to form a salt.
  • a basic substance may be a basic compound or a basic ion.
  • Examples of basic substances include organic compounds having a basic nitrogen. In the case of an organic compound having a basic nitrogen, the portion of the basic nitrogen forms an ionic bond with the negatively charged oxygen atom of the phosphoric acid or phosphonic acid site of the polythiophene compound to form a salt.
  • Examples of basic nitrogens include organic amine compounds.
  • the organic amine may be an aliphatic amine, an aromatic amine, or a nitrogen-containing aromatic compound.
  • the aliphatic amine may be a primary amine, a secondary amine, a tertiary amine, or a quaternary ammonium.
  • the number of carbon atoms in the alkyl group of the aliphatic alkylamine is preferably 1-12, more preferably 1-6, still more preferably 1-4.
  • Examples of primary amines include monoalkylamines.
  • Examples of secondary amines include dialkylamines.
  • Examples of tertiary amines include trialkylamines. Further specific examples include trimethylamine, triethylamine and tributylamine.
  • Examples of quaternary amines include tetraalkylammonium salts.
  • the alkyl chain may contain a hydroxyl group, for example dimethylaminoethanol.
  • aromatic amines are aniline, toluidine, xylidine, and nitrogen-containing aromatic compounds are pyridine, picoline, lutidine, collidine, imidazole, 4-dimethylaminopyridine.
  • guanidine may be used.
  • the alkyl groups in M 1 and M 2 and M 1c and M 2c above may be either linear or branched alkyl groups. It preferably has 1 to 12 carbon atoms, more preferably 1 to 8 carbon atoms, and particularly preferably 1 to 5 carbon atoms. Most preferably it has 2 carbon atoms. Specific examples include methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group and pentadecyl group. are mentioned. Within the above range, the oxidative polymerization reaction proceeds smoothly, and in some cases it becomes easy to obtain the polythiophene compound of the present invention.
  • Alkali metals in M1 and M2 and M1c and M2c above include lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium. Sodium and potassium are preferred from the standpoint of availability and operability of the starting metal compounds.
  • Alkaline earth metals in M1 and M2 and M1c and M2c above include beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium and radium. Magnesium and calcium are preferred from the standpoint of availability and operability of the starting metal compounds.
  • M 1 or M 2 is an alkaline earth metal
  • the alkaline earth metal atom is bound to two O - in one phosphoric acid or phosphonic acid site to form M 1 or M 2 .
  • a structure in which the other of 2 does not exist, or a structure in which the alkaline earth metal atom bridges the O 2 - of two phosphoric acid or phosphonic acid sites. That is, it becomes a structure that crosslinks within a molecule or a structure that crosslinks two molecules.
  • M 1c or M 2c when one of M 1c or M 2c is an alkaline earth metal, the alkaline earth metal atom is bound to two O - of one phosphoric acid or phosphonic acid site to give M 1c or M 2c or the structure in which the alkaline earth metal atom bridges the O 2 - of two phosphate or phosphonate moieties. That is, it becomes a structure that crosslinks within a molecule or a structure that crosslinks two molecules.
  • M 1 and M 2 are hydrogen atoms.
  • M 1 and M 2 are hydrogen atoms, there is an advantage that the production of polythiophene compounds containing diacid bodies is easy.
  • the diacid form generally has better conductivity than the dialkyl and monoacid forms, so it is advantageous to be able to easily produce a polythiophene compound containing the diacid form.
  • M 1c and M 2c are hydrogen atoms. If M1c and M2c are hydrogen atoms, there is an advantage that a polythiophene compound containing a diacid can be easily produced.
  • M 1 and M 2 may be the same or different from each other. In one preferred embodiment, M 1 and M 2 are the same. Also, M 1c and M 2c may be the same or different from each other. In one preferred embodiment, M1c and M2c are the same.
  • a polythiophene compound with good conductivity may be obtained by hydrolyzing a compound obtained by oxidative polymerization of a monomer mixture containing the thiophene compound.
  • a polythiophene compound with good conductivity can be obtained by hydrolyzing a compound obtained by oxidative polymerization of a monomer mixture containing the thiophene compound. good too.
  • the alkyl group in R 1A may be linear, branched or cyclic.
  • the cyclic alkyl group may be composed only of a cyclic structure, or may have a structure in which a chain alkyl group is further bonded to the cyclic structure.
  • the number of carbon atoms in the alkyl group is preferably 1-15, more preferably 1-8, and particularly preferably 1-4.
  • Specific examples include methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, undecyl group, dodecyl group, tridecyl group, tetradecyl group and pentadecyl group. mentioned.
  • the alkoxy group in R 1A may be linear, branched or cyclic.
  • the cyclic alkoxy group may be composed only of a cyclic structure, or may have a structure in which a chain alkyl group and/or a chain alkoxy group are further bonded to the cyclic structure.
  • the number of carbon atoms in the alkoxy group is preferably 1-15, more preferably 1-8, particularly preferably 1-4.
  • Specific examples include methoxy group, ethoxy group, propoxy group, butoxy group, pentyloxy group, hexyloxy group, heptyloxy group, octyloxy group, nonyloxy group, decyloxy group, undecyloxy group, dodecyloxy group, tridecyl Examples include oxy group, tetradecyloxy group and pentadecyloxy group.
  • the acyl group in R 1A may be linear, branched or cyclic.
  • the cyclic acyl group may be composed of a cyclic structure only, or may be a structure in which a chain alkyl group and/or a chain acyl group are further bonded to the cyclic structure.
  • the acyl preferably has 1 to 15 carbon atoms, more preferably 1 to 8 carbon atoms, and particularly preferably 1 to 4 carbon atoms.
  • R 1A is an alkyl group or a hydrogen atom, more preferably a hydrogen atom.
  • Specific examples of the general formula (Am) include the following formulas (5), (9B), (10B) and (11C).
  • the phosphorus-containing thiophene compound used in the present invention can be produced, for example, by the following method when R 1A is a hydrogen atom. In particular, considering the yield and operability, it is preferable to carry out the production in the following first and second steps.
  • L is represented by formula (21): wherein R 5 is independently a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and R 6 is independently a hydrogen atom or a linear or a branched-chain alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, n 1 is 0 or 1, n 2 is independently an integer of 1 to 6, n 3 is independently 0 or 1, n4 is an integer from 0 to 12, and the left end of formula (21) is attached to the carbon atom of the dioxane ring in formula (3).
  • L is -(CH 2 ) n -. where n is 0-12. n is preferably 0-4, more preferably 0-2. 1 is particularly preferred.
  • X 1 is a halogen atom such as a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom.
  • a chlorine atom or a bromine atom is preferred from the viewpoint of availability of raw materials and operability.
  • a compound in which L is —(CH 2 ) n — in the above formula (3) can be obtained by the method described in JP-A-2014-74007.
  • the acidic catalyst examples include sulfuric acid, p-toluenesulfonic acid monohydrate and methanesulfonic acid. Preferred is p-toluenesulfonic acid monohydrate.
  • reaction temperature The heating is carried out to advance the reaction, and the heating temperature is not particularly limited as long as the reaction proceeds at an appropriate rate.
  • the above are particularly preferred. 200° C. or lower is preferable, 150° C. or lower is more preferable, and 120° C. or lower is particularly preferable.
  • reaction time The heating time is not particularly limited, but a sufficient time for the starting materials to react may be appropriately selected under each condition. As long as the reaction proceeds sufficiently, the effect of the present invention is not significantly affected by the difference in reaction time. For example, 6 hours or more is preferable, and 12 hours or more is more preferable. Three days or less is preferable, and two days or less is more preferable.
  • solvent A solvent may be used in the first step, if desired.
  • the solvent is not particularly limited as long as it has no reactivity in the oxidation polymerization reaction. Examples include aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene and mesitylene, n-hexane, cyclohexane, n-octane and n-decane.
  • halogenated hydrocarbons such as dichloromethane, dichloroethane, chloroform, carbon tetrachloride, chlorobenzene and o-dichlorobenzene
  • ethers such as tetrahydrofuran, diethyl ether, t-butyl methyl ether, dimethoxyethane, dioxane and diethylene glycol dimethyl ether etc.
  • Xylene, toluene and diethylene glycol dimethyl ether are preferred, and xylene and toluene are more preferred.
  • the product obtained in the first step may be used in the second step without post-treatment such as purification. If necessary, the product obtained in the first step may be purified by a known method and used in the second step.
  • the compound represented by the general formula (3) is reacted with tris(trialkylsilyl)phosphite or trialkylphosphite to obtain X in the compound represented by the general formula (3) 1 is substituted with a phosphonate bis(trialkylsilyl) moiety or a phosphonate diester moiety.
  • a method using tris(trialkylsilyl)phosphite is preferable in terms of reaction efficiency and the like.
  • Tris(trialkylsilyl)phosphite is represented by the following general formula (11A).
  • M 3a , M 4a and M 5a are each independently trimethylsilyl, triethylsilyl, tert-butyldimethylsilyl, triisopropylsilyl, preferably trimethylsilyl, triethylsilyl, preferably trimethylsilyl. More preferred.
  • M 3a , M 4a and M 5a may be independently selected, but are preferably the same. Specific examples include tris(trimethylsilyl)phosphite and tris(triethylsilyl)phosphite.
  • deprotection occurs by reacting the compound of general formula (2A) with a basic aqueous solution such as an aqueous solution of sodium carbonate, potassium carbonate and ammonia.
  • a basic aqueous solution such as an aqueous solution of sodium carbonate, potassium carbonate and ammonia.
  • the compound of the general formula (2C) can be obtained by hydrolyzing the general formula (2B), which will be described later, by a known method. Obtainable.
  • the trialkyl phosphite is represented by the following general formula (11B).
  • M 3b , M 4b and M 5b are each independently alkyl having 1 to 15 carbon atoms.
  • the number of carbon atoms is preferably 1-12, more preferably 1-8, and particularly preferably 1-5.
  • the alkyl group has 2 carbon atoms.
  • M3b and M4b are the same as M1 and M2 in general formula (Am), respectively .
  • M3b and M4b are selected according to the desired M1 and M2 in the compound of general formula (Am).
  • M3b and M4b may be the same or different.
  • M 5b may be independently selected from M 1 and M 2 of interest in compounds of general formula (Am), but it is preferred that M 5b is the same as either M 3b or M 4b .
  • M 3b , M 4b and M 5b are identical. Specific examples include trimethylphosphite and triethylphosphite.
  • M 3b and M 4b are each independently alkyl having 1 to 15 carbon atoms.
  • the mixing ratio (molar ratio) of the compound represented by the general formula (3) and the trialkylphosphite or tris(trialkylsilyl)phosphite is not particularly limited. However, from the viewpoint of yield, etc., the mixing ratio (molar ratio) of the compound represented by the general formula (3) and the trialkylphosphite or tris(trialkylsilyl)phosphite is represented by the general formula (3).
  • the amount of trialkylphosphite or tris(trialkylsilyl)phosphite is preferably 0.8 mol or more, more preferably 1 mol or more, relative to 1 mol of the compound.
  • trialkylphosphite or tris(trialkylsilyl)phosphite is preferably 10 mol or less, more preferably 5 mol or less, per 1 mol of the compound represented by the general formula (3), 3 mol or less is particularly preferred.
  • reaction temperature The heating is carried out to advance the reaction, and the temperature during the reaction is not particularly limited as long as the reaction proceeds at an appropriate rate. , 120° C. or higher are particularly preferred. Also, the temperature is preferably 220° C. or lower, more preferably 200° C. or lower, and particularly preferably 160° C. or lower.
  • reaction time The heating time is not particularly limited. A sufficient time for the reaction materials to react under the conditions such as the temperature may be appropriately selected. As long as the reaction proceeds sufficiently, the effect of the present invention is not greatly affected by the difference in reaction time. It is preferably 6 hours or longer, more preferably 12 hours or longer. Also, it is preferably 3 days or less, more preferably 2 days or less.
  • a solvent may be used.
  • the solvent is not particularly limited as long as it is a liquid that is not reactive in the second step and can dissolve or disperse the reaction material.
  • aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene and mesitylene; aliphatic hydrocarbons such as n-hexane, cyclohexane, n-octane and n-decane; dichloromethane, dichloroethane, chloroform carbon tetrachloride, chlorobenzene and o-dichloromethane; Halogenated hydrocarbons such as chlorobenzene, ethers such as tetrahydrofuran, diethyl ether, t-butyl methyl ether, dimethoxyethane, dioxane and diethylene glycol dimethyl ether.
  • Preferred solvents are toluene, xylene and diethylene glycol dimethyl ether
  • the compound of general formula (2B) obtained by the above reaction may be hydrolyzed if necessary.
  • ion exchange may be further carried out.
  • a compound of general formula (2B) in which M3b and M4b are a hydrogen atom, an alkali metal, or the like can be obtained.
  • the types of M3b and M4b can be converted to the desired types.
  • hydrolysis method Various known methods can be used as the hydrolysis method. Also, the methods and conditions described below for hydrolysis of polythiophene compounds can be used.
  • ion exchange method Various known methods can be used as the ion exchange method. Also, the methods and conditions described below for the ion exchange of the phosphorus-containing thiophene copolymer can be used.
  • the product obtained in the second step may be used in the polymerization step as a phosphorus-containing thiophene compound without post-treatment such as purification.
  • post-treatment such as purification by a known method may be performed.
  • Phosphorus-containing thiophene compounds can be produced by basically the same method as described above even when R 1A is other than a hydrogen atom.
  • the phosphorus-containing thiophene compound can be produced, for example, by the following method.
  • R 1A is a group represented by the following general formula (15).
  • the mixing ratio of the intermediate and the phosphite is preferably 1.6 mol or more, more preferably 2 mol or more, of the phosphite per 1 mol of the intermediate.
  • the amount of the phosphite is preferably 20 mol or less, more preferably 10 mol or less, particularly preferably 6 mol or less, relative to 1 mol of the intermediate.
  • R 1A is a hydrogen atom, an alkyl group, an alkoxy group, or an acyl group
  • the phosphorus-containing thiophene compound can be produced, for example, by the following method.
  • the polythiophene compound of the present invention can be obtained by oxidatively polymerizing the phosphorus-containing thiophene compound using an appropriate oxidizing agent, followed by appropriate purification steps.
  • an appropriate oxidizing agent for polymerizing a thiophene compound.
  • a conventionally known oxidation polymerization method for polymerizing a thiophene compound can be used. Considering the yield and operability, it is preferable to produce under the conditions described below.
  • oxidative polymerization means a reaction in which a thiophene monomer compound or a thiophene monomer mixture is polymerized using an oxidizing agent to synthesize a polythiophene compound.
  • oxidation means abstraction of hydrogen atoms at positions 2 and 5 from the thiophene monomer compound in this polymerization reaction.
  • oxidizing agent refers to a reagent that induces such an oxidation reaction.
  • oxidative polymerization is defined in the Encyclopedia of Chemistry as ⁇ a process in which a compound having a hydrocarbon residue containing a double bond is gradually polymerized in contact with oxygen. The best example is the drying of fats and oils. ” is stated. However, the polymerization of thiophene monomers generally does not use oxygen in the air as an oxidizing agent. has a slightly different meaning than
  • a polythiophene compound containing the structural unit of the general formula (A) can be obtained by oxidative polymerization using the phosphorus-containing thiophene compound of the general formula (Am) as a monomer for polymerization.
  • the oxidative polymerization may be carried out using only one kind of thiophene compound represented by the general formula (Am), or the oxidative polymerization may be carried out using two or more kinds of the thiophene compounds represented by the general formula (Am).
  • the amount of the monomer other than the general formula (Am) is preferably 40 mol% or less, more preferably 30 mol% or less, and 20 mol% or less of the total amount of monomers used in the polymerization reaction. More preferably 10 mol % or less, particularly preferably 5 mol % or less, particularly preferably 3 mol % or less, and most preferably 1 mol % or less.
  • the oxidative polymerization reaction in the present invention is carried out in the presence of an oxidizing agent.
  • an oxidizing agent generally used for oxidative polymerization reaction of thiophene compounds can be used. Specific examples include ammonium persulfate, ferric chloride, ferric p-toluenesulfonate, ferric sulfate, and ferric nitrate. Oxidizing agents containing iron atoms can be preferably used. More preferred are ferric chloride, ferric p-toluenesulfonate, ferric sulfate, and ferric nitrate. Two or more of the above oxidizing agents may be used in combination.
  • an oxidizing agent containing an iron atom is used as one of them.
  • a preferred combination when used together is a combination of ferric sulfate and ammonium persulfate.
  • the amount of oxidizing agent used is not particularly limited as long as the oxidative polymerization reaction proceeds well. It is preferably 1 equivalent or more, more preferably 2 equivalents or more, particularly preferably 3 equivalents or more, relative to the monomer used in the oxidation polymerization reaction. Also, it is preferably 100 equivalents or less, more preferably 60 equivalents or less, and particularly preferably 20 equivalents or less.
  • Oxygen in the air usually does not act as an oxidizing agent for the polymerization of the thiophene monomer, so even when the polymerization reaction is carried out in the presence of air, oxygen in the air is usually used for the polymerization reaction. not included in the amount of oxidizing agent used. That is, the term "oxidative polymerization” is sometimes used to mean a polymerization reaction that uses oxygen present in the air as an oxidizing agent, but the polymerization reaction in the present invention is not such a polymerization reaction. different.
  • solvent A solvent may be used in the polymerization reaction of the present invention, if necessary.
  • the solvent is not particularly limited as long as it can dissolve or disperse the reaction material.
  • Specific examples of the solvent include water, aqueous ammonia, aqueous solutions such as hydrochloric acid, alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol and 2-propanol, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene, acetone, Examples include ketones such as 2-butanone, halogenated hydrocarbons such as methylene chloride, chloroform and chlorobenzene, acetonitrile, dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, tetrahydrofuran and the like.
  • Water, aqueous ammonia, hydrochloric acid, methanol, ethanol, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, acetonitrile, acetone, tetrahydrofuran and toluene are preferred, and water, methanol, acetonitrile, dimethylformamide and dimethylsulfoxide are more preferred.
  • one type of solvent may be used alone, or two or more types may be mixed and used.
  • a mixed solvent in which two or more kinds are mixed is preferable.
  • reaction temperature The reaction temperature during polymerization is not particularly limited. -20°C or higher is preferred, 0°C or higher is more preferred, 10°C or higher is even more preferred, and 20°C or higher is particularly preferred. Moreover, 80 degrees C or less is preferable and 60 degrees C or less is still more preferable.
  • reaction time The polymerization reaction time in the present invention may be appropriately selected from a time sufficient for the reaction under each condition. As long as the reaction proceeds sufficiently, the effect of the present invention is not significantly affected by the difference in reaction time.
  • the reaction time is preferably 1 hour or longer, more preferably 3 hours or longer, still more preferably 6 hours or longer, still more preferably 9 hours or longer, and particularly preferably 12 hours or longer. Yes, and can be 15 hours or longer, 18 hours or longer, 21 hours or longer, or 24 hours or longer, as required. Also, preferably 7 days or less, more preferably 5 days or less, still more preferably 3 days or less, still more preferably 2 days or less, particularly preferably 36 hours or less, If necessary, it can be 30 hours or less, 28 hours or less, or 26 hours or less.
  • the polythiophene compound obtained by the polymerization reaction may be hydrolyzed.
  • the ester bond of the phosphoric acid or phosphonic acid alkyl ester moiety in the polythiophene compound is decomposed to form the phosphoric acid or phosphonic acid structural site [-OP(O)(OH) 2 or -P(O)( OH) 2 ], phosphoric acid or phosphonic acid monoalkyl ester structural moiety [-OP(O)(OH)(OR) or -P(O)(OH)(OR), where R has 1 to 15 carbon atoms or a monohydrogen phosphate or phosphonate structural moiety [-OP(O)(OH)(OM 6 ) or -P(O)(OH)(OM 6 ), where M 6 is is an alkali metal, alkaline earth metal, or ammonium group].
  • hydrolysis can be performed by a method of treatment with a strong acid or a method of treatment with a strong alkali.
  • hydrolysis can be carried out by heating in an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution.
  • Strong acids include, for example, protonic acids such as hydrochloric acid and sulfuric acid, and Lewis acids such as trimethylsilyl bromide.
  • Lewis acids such as trimethylsilyl bromide.
  • strong alkalis include potassium hydroxide and sodium hydroxide.
  • a Lewis acid for example, a method of reacting with water after reacting with Lewis acid can be preferably used. Considering the stability of the polythiophene compound skeleton, treatment with an alkali is preferred.
  • the temperature is not particularly limited. It is preferably 30° C. or higher, more preferably 50° C. or higher. Also, it is preferably 100° C. or lower, more preferably 90° C. or lower.
  • the time for hydrolysis is not particularly limited. It is preferably 1 hour or longer, more preferably 6 hours or longer. Also, it is preferably 4 days or less, more preferably 2 days or less.
  • ion exchange may be further performed as necessary to adjust the amount of hydrogen ion donating phosphoric acid or phosphonic acid structural sites.
  • the polythiophene compound obtained by the polymerization reaction is subjected to an appropriate purification operation.
  • Any known method for purifying a polythiophene compound can be used as the purification operation.
  • operations such as centrifugation, filtration, dehydration, drying, washing, ultrafiltration, and dialysis can be performed.
  • the number and type of purification operations are not particularly limited.
  • the purification operation may be completed by performing one type of purification operation only once, but if necessary, the purification operation may be performed twice or more. For example, the purification operation may be performed three or more times, four or more times, or five or more times.
  • one type of refining operation may be repeated two or more times, or a plurality of types of refining operations may be combined to perform a total of two or more refining operations.
  • There is no particular upper limit to the number of purification operations but it is preferably 20 or less, more preferably 15 or less, and even more preferably 10 or less. If the number of times is too large, the manufacturing process as a whole will take a long time, and the manufacturing efficiency will decrease.
  • purification is performed using a chelate compound.
  • a resin having high conductivity can be obtained by performing purification using a chelate compound.
  • a chelate compound refers to a compound having multiple ligands. Any method that can bring the polythiophene compound and the chelate compound into contact can be used as the purification method using the chelate compound. A method that allows contact between the polythiophene compound and the chelate compound in a liquid is preferred.
  • the polythiophene compound can be purified by adding a solvent and a chelate compound to the polythiophene compound and stirring. A preferred solvent is water.
  • the temperature for purification is not particularly limited. It may be room temperature or may be a heated temperature. The temperature at which the mixture containing the polythiophene compound and the chelate compound can be maintained in a liquid state during purification is preferred.
  • Any conventionally known chelate compound can be used as the chelate compound.
  • bisphosphonates can be used.
  • a particularly preferred example is etidronic acid.
  • the polythiophene compound obtained by the polymerization reaction may be subjected to ion exchange to adjust the dope amount.
  • Ion exchange can be performed with an acidic aqueous solution, an ion exchange resin, or the like.
  • the hydrogen ion donating groups of phosphoric acid or phosphonic acid, monoalkyl phosphoric acid or phosphonate, or monohydrogen salt of phosphoric acid or phosphonic acid in the polythiophene compound obtained by polymerization are less than the desired amount in the polymer as a whole.
  • the effect of doping can be increased by ion-exchanging metal ions or ammonium ions bound to phosphoric acid or phosphonic acid to hydrogen ions.
  • the polythiophene compound obtained by polymerization contains too many hydrogen ion donating groups of phosphoric acid or phosphonic acid, monoalkyl phosphoric acid or phosphonic acid, or monohydrogen phosphoric acid or phosphonic acid in the polymer as a whole.
  • the effect of doping can be reduced.
  • Ion exchange can be performed after the polythiophene compound is polymerized. It can be carried out simultaneously with the above-mentioned purification operation, it may be carried out before the purification operation, or it may be carried out after the purification operation. For example, when purification is performed by filtration, ion exchange can be performed simultaneously with purification by filtration by filling an ion-exchange resin in a column for filtration.
  • a conventionally known ion exchange method can be used as the ion exchange method.
  • ion exchange can be performed by bringing the polythiophene compound product obtained by polymerization into contact with the acidic aqueous solution. Specifically, for example, the polythiophene compound product is stirred in an acidic aqueous solution to react the salt portion of the phosphoric acid or phosphonate compound present in the polythiophene compound product with hydrogen ions in the aqueous solution. , ion exchange can be carried out.
  • increasing hydrogen ions in order to increase the effect of doping, it is preferable to use an excess amount of acid relative to the acidic substituents of the polythiophene compound product.
  • the amount of acid used should be reduced. That is, the doping effect can be arbitrarily set by the amount of acid used.
  • the time for reacting the polythiophene compound product and the acid can be set arbitrarily.
  • ion exchange can be performed by a method such as bringing the polythiophene compound product into contact with the ion exchange resin in water.
  • a strongly acidic cation exchange resin When increasing hydrogen ions in order to increase the dope effect, it is preferable to use a strongly acidic cation exchange resin.
  • hydrogen ions When hydrogen ions are reduced to reduce the dope effect, it is preferable to use a strongly basic cation exchange resin. Any method can be used to bring the polythiophene compound product into contact with the ion exchange resin.
  • a column may be packed with an ion exchange resin and a solution containing the polythiophene compound product may be run through, or simply a container may be filled with the ion exchange resin and the container may be filled with a solution containing the polythiophene compound product. good too.
  • the efficiency may be improved by shaking the container or stirring the solution.
  • the time for contacting the polythiophene compound product and the ion exchange resin can be set arbitrarily.
  • the time from when the small amount of solution contacts the ion exchange resin to the top of the ion exchange resin until it leaves the bottom of the ion exchange resin is set.
  • the time from the time when the first part of the solution comes into contact with the ion exchange resin at the top until it leaves the bottom of the ion exchange resin is set as the average of the time from when the last portion of .
  • the time is set as the time during which the solution and the ion exchange resin are mixed in the container.
  • the time for performing one ion exchange operation of the polythiophene compound product is determined by the desired ion Although it is arbitrarily set according to the degree of replacement, for example, it is preferably 5 seconds or more, more preferably 10 seconds or more, still more preferably 1 minute or more, and still more preferably 10 minutes or more. is. If the contact time is too short, ion exchange tends to be insufficient. Also, it is preferably 1 day or less, more preferably 12 hours or less, and still more preferably 2 hours or less. If the contact time is too long, the entire manufacturing process will take a long time, and the manufacturing efficiency will decrease.
  • the number of times the ion exchange operation is performed is not particularly limited.
  • the ion exchange may be completed by performing only one ion exchange operation on the polythiophene compound product, or the ion exchange operation may be repeated two or more times.
  • a polythiophene compound having a high doping effect can be easily obtained by repeating the process two or more times. Specifically, it is preferably repeated three times or more, more preferably four times or more, and even more preferably five times or more.
  • the number of ion exchange operations is preferably 20 or less, more preferably 15 or less, and even more preferably 10 or less. If the number of times is too large, the manufacturing process as a whole will take a long time, and the manufacturing efficiency will decrease.
  • ion exchange operation when the ion exchange operation is performed twice or more, only the same ion exchange operation may be repeated twice or more, or two or more types of ion exchange operations may be performed.
  • the ion exchange operation can be combined with the purification operation into a series of steps. For example, after ion exchange is performed by adding an acidic aqueous solution to the polythiophene compound product, the polythiophene compound product is purified (for example, by centrifugation) to remove water and the like to obtain a polythiophene compound with increased purity. By taking out, a polymer with high doping efficiency and high purity can be obtained. Further, a series of steps in which the ion exchange operation is combined with the purification operation can be regarded as one cycle, and this cycle can be repeated multiple times.
  • the polythiophene compound product is subjected to a purification step (for example, centrifugation) to take out the polythiophene compound with increased purity.
  • a purification step for example, centrifugation
  • the number of times a cycle consisting of a series of steps including an ion exchange operation and a purification operation is repeated is not particularly limited. Specifically, it is preferably repeated three times or more, more preferably four times or more, and even more preferably five times or more. Also, it is preferably 20 times or less, more preferably 15 times or less, and still more preferably 10 times or less. If the number of times is too large, the manufacturing process as a whole will take a long time, and the manufacturing efficiency will decrease.
  • the polythiophene compound of the present invention can be used for various conventionally known uses of conductive polythiophene compounds. Specifically, for example, it can be used as an antistatic agent or a member of a conductive polymer capacitor. It can also be used as a material for the hole transport layer of solar cells.
  • Antistatic agent As a method of using the polythiophene compound of the present invention as an antistatic agent, various known methods in which a conventional conductive polythiophene compound is used as an antistatic agent can be employed. For example, by coating a substrate with a solution or dispersion of the polythiophene compound of the present invention in water or other suitable solvent, the surface of the substrate is imparted with an antistatic effect.
  • Substrates include any solid material for which antistatic action is desired. Specific examples include polymer films, polymer fibers, polymer resin moldings, and the like.
  • any method used for coating a substrate with a conventional polythiophene compound can be used for the polythiophene compound of the present invention.
  • Specific examples include spin coating and dip coating.
  • a conductive polymer capacitor is a kind of electrolytic capacitor, and a conductive polymer is used for the electrolyte, cathode, or cathode conductive layer of the electrolytic capacitor.
  • the polythiophene compound of the present invention can be used for the conductive polymer.
  • the polythiophene compounds of the present invention can be used as materials for solar cells.
  • the polythiophene compound of the present invention can be used, for example, in the hole transport layer of solar cells.
  • Conductive materials for the hole-transporting layer of solar cells require properties for the hole-transporting layer as well as having high electrical conductivity.
  • High performance for example, high photoelectric conversion efficiency
  • the polythiophene compound of the present invention is considered to have some excellent properties as a hole transport layer, such as matching the energy level with ITO .
  • a conventionally known method for manufacturing a solar cell can be used.
  • a method of laminating each layer constituting a solar cell can be used.
  • a method including a step of forming a hole transport layer containing a material containing the polythiophene compound of the present invention and a step of forming other layers constituting a solar cell can be used.
  • a material for forming the hole transport layer an aqueous solution of the polythiophene compound of the present invention may be used.
  • amines such as trimethylamine, triethylamine, tributylamine, diethylamine and dibutylamine and a base such as ammonia may be added to the aqueous solution of the polythiophene compound.
  • Substrate A circle with a diameter of 1 cm was made with polyimide tape on a non-alkali glass substrate and used as the substrate.
  • Samples were prepared according to the following procedure. Water and trimethylamine were added to and dissolved in the polythiophene compound to be measured, and the pH was adjusted to the range of 9.2 to 9.4 to prepare a 0.2 wt % polymer solution. After that, ultrasonic irradiation was performed for about 1 hour. A UV-ozone treated alkali-free glass substrate (1.3 cm ⁇ 2.6 cm) was prepared, and 35 ⁇ l of the resulting liquid was drop-cast onto this glass substrate. After that, it was allowed to stand at room temperature under the atmosphere for 2 hours to obtain a dried thin film.
  • the obtained filtrate and washing liquid of the filter residue were mixed, the solvent was distilled off, and the mixture was extracted with methylene chloride. The organic phase then obtained was dried over sodium sulphate and the solvent was distilled off.
  • the resulting black liquid was purified by column chromatography to obtain 2.23 g of a white solid compound represented by the following formula (4). 0.50 g (2.13 mmol) of the obtained compound represented by formula (4) and 5.0 g (16.75 mmol) of tris(trimethylsilyl) phosphite were added, stirred at 150°C for 24 hours, and then stirred at room temperature (20°C). ⁇ 25°C).
  • Polythiophene compound 1 was synthesized by the following procedure. (synthetic) A mixed solution was prepared by adding 0.3 g (1.27 mmol) of the thiophene monomer obtained in Synthesis Example 1, 1.28 g (3.17 mmol) of ferric nitrate nonahydrate as an oxidizing agent, and 5 ml of water to a flask. and stirred for 24 h. 1N Hydrochloric acid was added to the resulting mixed solution, and the mixture was stirred at room temperature to precipitate a solid. The solid was separated by filtration through a Kiriyama funnel, washed with several ml of acetone and dried under reduced pressure to obtain a black blue solid.
  • Polythiophene compound 2 was synthesized by the following procedure. (synthetic) A mixed solution was prepared by adding 0.3 g (1.27 mmol) of the thiophene monomer obtained in Synthesis Example 1, 2.11 g (3.75 mmol) of ferric sulfate nonahydrate as an oxidizing agent, and 4 ml of water to a flask. After stirring for 7 hours, a solution of 0.37 g (1.65 mmol) of ammonium persulfate in 3 ml of water was added dropwise over 17 hours. 1N Hydrochloric acid was added to the resulting mixed solution, and the mixture was stirred at room temperature to precipitate a solid.
  • the solid was separated by filtration through a Kiriyama funnel, washed with several ml of acetone and dried under reduced pressure to obtain a black-blue solid. (purification)
  • the resulting black blue solid was purified in the same manner as in Example 1 to obtain 0.25 g of polythiophene compound 2 as a black blue solid.
  • a test piece was prepared by the method described in "Preparation of test piece” above, and the conductivity of the test piece was measured by the method described in "Measurement of electrical conductivity” above, The absorbance of polythiophene compound 2 was measured by the method described in “Measurement of Absorbance” above, and the absorbance ratio was calculated. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
  • Polythiophene compound 3 was synthesized by the following procedure.
  • synthetic A dark blue solid was obtained by carrying out the same procedure as in Example 1 except that 0.86 g (3.18 mmol) of ferric chloride hexahydrate was used as an oxidizing agent.
  • purification The obtained black blue solid was purified in the same manner as in Example 1 to obtain 0.13 g of polythiophene compound 3 as a black blue solid.
  • a test piece was prepared by the method described in "Preparation of test piece” above, and the conductivity of the test piece was measured by the method described in "Measurement of electrical conductivity” above. was measured by the method described in “Measurement of Absorbance” above, and the absorbance ratio was calculated. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
  • Polythiophene compound 4 was synthesized by the following procedure.
  • synthetic A dark blue solid was obtained in the same manner as in Example 1 except that 2.15 g (3.18 mmol) of ferric p-toluenesulfonate hexahydrate was used as the oxidizing agent.
  • purification The obtained black blue solid was purified in the same manner as in Example 1 to obtain 0.18 g of polythiophene compound 4 as a black blue solid.
  • a test piece was prepared by the method described in "Preparation of test piece” above, and the conductivity of the test piece was measured by the method described in "Measurement of electrical conductivity” above. was measured by the method described in “Measurement of Absorbance” above, and the absorbance ratio was calculated. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
  • Polythiophene compound 5 was synthesized by the following procedure. (synthetic) Except for using 2.86 g (5.08 mmol) of ferric sulfate nonahydrate as an oxidizing agent, the same operation as in Example 1 was performed to obtain a black blue solid. (purification) The obtained black blue solid was purified in the same manner as in Example 1 to obtain 0.24 g of polythiophene compound 5 as a black blue solid.
  • a test piece was prepared by the method described in "Preparation of test piece” above, and the conductivity of the test piece was measured by the method described in "Measurement of electrical conductivity” above. was measured by the method described in “Measurement of absorbance” above, and the absorbance ratio was calculated. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
  • Example 4 of JP-A-2018-48322 it is described that the conductivity of the thiophene monomer polymer of Synthesis Example 1 was 0.27 S/m. This value is 2.7 ⁇ 10 ⁇ 3 S/cm when converted into units of cm. However, this value cannot be directly compared with the results of the above example because the measurement method is different from the present application. Therefore, polythiophene compound 6 was synthesized in the same manner as in Example 4 of JP-A-2018-48322, and a test piece was prepared using polythiophene compound 6 by the method described in "Preparation of test piece" above.
  • Polythiophene compound 7 was synthesized by the following procedure. 0.3 g of polythiophene compound 7 was obtained by the same procedure as in Example 5 without purification. Using the obtained polythiophene compound 7, a test piece was prepared by the method described in "Preparation of test piece” above, and the conductivity of the test piece was measured by the method described in "Measurement of electrical conductivity” above, The absorbance of polythiophene compound 7 was measured by the method described in "Measurement of absorbance” above, and the absorbance ratio was calculated. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
  • Polythiophene compound 8 was synthesized by the following procedure. A mixed solution was prepared by adding 0.3 g (1.27 mmol) of the thiophene monomer obtained in Synthesis Example 1, 2.86 g (5.08 mmol) of ferric sulfate nonahydrate as an oxidizing agent, and 5 ml of water to a flask. and stirred for 24 h. Several ml of diethyl ether was added to the resulting mixed solution, and the precipitated solid was filtered off to obtain 0.3 g of polythiophene compound 8 as a black-blue solid.
  • test piece was prepared by the method described in "Preparation of test piece” above, and the conductivity of the test piece was measured by the method described in “Measurement of electrical conductivity” above. was measured by the method described in “Measurement of Absorbance” above, and the absorbance ratio was calculated. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
  • Polythiophene compound 9 was synthesized by the following procedure. (synthetic) 0.3 g (0.97 mmol) of the thiophene monomer (formula (9B)) obtained in Synthesis Example 2, 2.1 g (7.8 mmol) of ferric chloride hexahydrate as an oxidizing agent, water and dimethylformamide were mixed. After creating a mixed solution by adding 1.3 ml of each and stirring for 3 hours, a mixed solution of 0.16 g (0.70 mmol) of ammonium persulfate, 1.3 ml of water and 1.3 ml of dimethylformamide was added dropwise over 4.5 hours. did.
  • Polythiophene compound 10 was synthesized by the following procedure. (synthetic) Example except that 0.3 g (1.02 mmol) of the thiophene monomer (formula 10B) obtained in Synthesis Example 3 and 2.3 g (4.09 mmol) of ferric sulfate nonahydrate as an oxidizing agent were used. A black blue solid was obtained by performing the same operation as in the synthesis of 1. (purification) Using the resulting blue-black solid, the same purification procedure as in Example 1 was performed to obtain 0.3 g of polythiophene compound 10 as a black-blue solid.
  • test piece was prepared by the method described in "Preparation of test piece” above, and the conductivity of the test piece was measured by the method described in “Measurement of electrical conductivity” above. was measured by the method described in “Measurement of absorbance” above, and the absorbance ratio was calculated. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
  • Polythiophene compound 11 was synthesized by the following procedure. (synthetic) Example except that 0.3 g (1.19 mmol) of the thiophene monomer (formula 11C) obtained in Synthesis Example 4 and 2.7 g (4.80 mmol) of ferric sulfate nonahydrate as an oxidizing agent were used. A black blue solid was obtained by performing the same operation as in the synthesis of 1. (purification) Using the resulting black-blue solid, the same purification procedure as in Example 1 was performed to obtain 0.2 g of polythiophene compound 11 as a black-blue solid.
  • test piece was prepared by the method described in "Preparation of test piece” above, and the conductivity of the test piece was measured by the method described in “Measurement of electrical conductivity” above. was measured by the method described in “Measurement of Absorbance” above, and the absorbance ratio was calculated. The results are shown in FIG. 1 and Table 1.
  • Comparative Examples 1 to 3 the absorbance ratio at a wavelength of 2000 nm was low. Since the absorbance ratio at a wavelength of 2000 nm is thought to reflect the level of the bipolaron state, it is understood that the level of the bipolaron state is low in all of Comparative Examples 1 to 3. On the other hand, in Examples 1 to 8, the absorbance ratio at a wavelength of 2000 nm was high. Therefore, in Examples 1 to 8, it is understood that the level of the state of bipolaron is high.
  • a polythiophene compound with an absorbance ratio of 1 or more at a wavelength of 2000 nm can achieve significantly higher electrical conductivity than a polythiophene compound with an absorbance ratio of less than 1 at a wavelength of 2000 nm.
  • a polythiophene compound having an absorbance ratio of 3 or more or 4 or more at a wavelength of 2000 nm can achieve extremely high electrical conductivity.
  • the polythiophene compound of the present invention achieves dramatically high conductivity.
  • compounds and conductive material compositions having extremely high electrical conductivity are provided.
  • Example 9> (Preparation of material for forming hole transport layer) (Preparation of polythiophene compound 5/DBA solution (hole transport layer forming material 1)) Polythiophene compound 5 synthesized in Example 5, n-dibutylamine and distilled water were mixed, and the resulting mixture was subjected to ultrasonic irradiation for 3 hours. At that time, polythiophene compound 5 was adjusted to 1.8 wt % and n-dibutylamine to 1.9 wt %. The remaining 96.3 wt% was water. The resulting solution was used as hole transport layer film-forming material 1 for the production of a solar cell.
  • PEDOT:PSS hole transport layer film forming material 2
  • a commercially available dispersion of polyethylenedioxyorthothiophene/polystyrenesulfonic acid association (described as “PEDOT:PSS” in this specification) (the total amount of polyethylenedioxyorthothiophene and polystyrenesulfonic acid in the dispersion is 2 .8 wt %) (manufactured by Sigma-Aldrich Co., dispersion medium: water) and distilled water were mixed and stirred for 21 hours.
  • the total amount of polyethylenedioxyorthothiophene and polystyrenesulfonic acid was adjusted to 1.1 wt % in the resulting dispersion.
  • the resulting dispersion was used as material 3 for forming a hole transport layer in the production of a solar cell.
  • a second layer (ITO electrode) is laminated on the first layer (glass substrate) with a thickness of 150 nm, a third layer (hole transport layer) is laminated on the second layer, and a third layer is laminated on the third layer.
  • Four layers (zinc phthalocyanine (ZnPc), p-type, photoelectric conversion layer) are stacked, and a fifth layer (fullerene (C 70 ), n-type, photoelectric conversion layer) is stacked on the fourth layer with a thickness of 30 nm each.
  • FIG. 2 shows the laminated structure of the obtained device.
  • the chemical structures of ZnPc and BCP are as follows. ZnPc (zinc phthalocyanine) BCP (Basocuproine) Twenty-four evaluation devices using the hole transport layer forming material 1 for the hole transport layer and 24 evaluation devices using the hole transport layer forming material 2 for the hole transport layer were produced.
  • FIG. 3 shows the structure of the device shown in FIG. 2 with a voltage applying device connected between the ITO layer and the Al layer. In the measurement of the JV characteristics, a source meter was used as the voltage application device in FIG.
  • the graph in FIG. 4 shows the relationship between the JV characteristic and each parameter.
  • the horizontal axis is voltage (V) and the vertical axis is current density J/mA cm ⁇ 2 .
  • the solid line indicates the current density when light is applied, and the dotted line indicates the current density when no light is applied (dark).
  • the arrow indicating the difference indicates the photocurrent.
  • the open circuit voltage (Voc) is the voltage at which the current density becomes zero.
  • Short circuit current density (Jsc) is the current density at which the voltage becomes zero.
  • the fill factor (FF) is calculated by the following formula from the voltage (Vmax) and current density (Jmax) at the maximum output point.
  • the graph of FIG. 5 shows typical JV characteristics during light irradiation for devices using the hole transport layers of the hole transport layer forming material 1 and the hole transport layer forming material 2.
  • the horizontal axis is voltage (V) and the vertical axis is current density J/mAcm ⁇ 2 .
  • the solid line indicates the current density when the polythiophene compound 5/DBA (hole transport layer forming material 1) is used.
  • the dotted line indicates the current density when PEDOT:PSS (hole transport layer forming material 2) is used.
  • FIG. 6 shows a typical result of the normalized (initial value set to 1) PCE change over time.
  • the horizontal axis indicates the elapsed time, and the vertical axis indicates the normalized PCE value (that is, the ratio of the PCE value after a certain period of time has elapsed to the initial PCE value).
  • the normalized PCE values for polythiophene compound 5/DBA are indicated by squares.
  • the normalized PCE values for PEDOT:PSS hole transport layer forming material 3 are indicated by triangles.
  • PCE decreased with time in any device, but the rate of decrease was faster for polythiophene compound 5/DBA (hole transport layer film forming material 1) than for PEDOT:PSS (hole transport layer film forming material 2). ) was slower than Specifically, in the material 1 for forming a hole transport layer, the PCE after storage for 45 days was about 50% of the PCE on the first day. On the other hand, in the material 2 for forming a hole transport layer, the PCE after storage for 45 days was about 20% of the PCE on the first day. Therefore, it was confirmed that the material 1 for forming a hole transport layer is significantly superior to the material 2 for forming a hole transport layer in terms of PCE stability. From the above results, it is understood that the conductive material of the present invention not only has excellent conductivity, but also has properties suitable for the hole transport layer of solar cells.
  • a polythiophene compound having excellent conductivity and a conductive material composition are provided.
  • the polythiophene compound and the conductive material composition of the present invention can be used as antistatic agents, capacitors, organic EL, secondary batteries, capacitors, antistatic agents, solar cells, electrode materials for plastic electrodes, EMI materials, organic ferromagnets, electro It can be applied to various uses such as chromic materials and various sensors.

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Abstract

本発明は、優れた導電性を有する導電性ポリマーを提供する。下記一般式(A)の構造単位(式中、Lはアルキレンなどである。M及びMは各々独立してアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属又はアンモニウム基である。R1Aは水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アシル基又は式(15)で表される基である。L、M1c、M2cは夫々L、M、Mと同様である。)を含むポリチオフェン化合物において、波長2000nmにおける吸光度(A2000)および波長407nmにおける吸光度(A407)から計算式(A2000/A407)によって計算される吸光度比が高い化合物により、優れた導電性が達成される。また、本発明の導電性ポリマーは太陽電池の材料としても有用である。

Description

ポリチオフェン化合物および導電性材料組成物
 本発明は、新規なポリチオフェン化合物、導電性材料組成物およびそれらの製造方法に関する。さらに詳しくは帯電防止剤、コンデンサ、有機EL、2次電池、キャパシタ、静電気防止剤、太陽電池、プラスチック電極の電極材料、EMI材料、有機強磁性体、エレクトロクロミック材料、各種センサーとして期待できるポリチオフェン化合物、導電性材料組成物およびそれらの製造方法に関する。
 ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリンなどに代表される導電性高分子は近年“有機エレクトロニクス”分野において盛んに開発が行われている化合物群である。
 ポリチオフェンの導電性については、様々なメカニズムが研究されており、1つのメカニズムとして、ポリチオフェンの主鎖にポーラロンという状態またはバイポーラロンという状態が発生することが知られている。また、ポーラロンの状態およびバイポーラロンの状態が導電性に関連し、特に、主鎖がバイポーラロンの状態になることにより、導電性が達成されることが知られている。
 また、ポリチオフェンの側鎖に酸性の置換基を有する化合物の場合、当該酸性の置換基が主鎖の電子状態に影響を与えるため、比較的容易にバイポーラロンの状態が形成され、そしてその結果導電性が向上することが知られている。この側鎖の酸性置換基が導電性を向上させる現象は、「自己ドープ」と呼ばれる。
 導電性を有するポリチオフェン樹脂として、特許文献1においては、リン系構造単位を有するポリチオフェン化合物が開示されている。特許文献1のポリチオフェン化合物においても、その側鎖の酸性の置換基により、自己ドープの現象が生じていると考えられる。しかしながら、特許文献1の実施例において達成される導電性は、比較的小さく、高い導電性が必要となる用途に使用する場合においては充分ではないので、さらに高い導電性を有する材料が望まれていた。また、特許文献1においては、その分子における電子の状態や、バイポーラロンの状態についてはまったく不明であった。
 また、特許文献2においては、共重合を行って導電性を改良することが記載されているが、単独重合体の導電性を改良することは記載されていない。また、特許文献2においても、分子における電子の状態や、バイポーラロンの状態に関する記載はない。
 さらに、非特許文献1においては、リン系構造単位を有さないポリチオフェンが説明されているが、リン系構造単位を有するポリチオフェンは記載されていない。非特許文献1には、リン系構造単位を有するポリチオフェンの導電性を改良することは全く記載されておらず、400nm付近の吸収はポリチオフェン化合物の主鎖にバイポーラロンの状態が生じる現象の影響を大きく受けないことのみを示している。
 したがって、従来技術においては、特許文献1に開示されたポリチオフェン化合物の導電性を改良するための指針となるものがなかった。そのため、当業者は、特許文献1に開示されたポリチオフェン化合物に導電性の改良の余地があるのかどうかさえも理解できなかった。
 また、地球環境への意識の高まりから、二酸化炭素や窒素酸化物など、大気汚染・地球温暖化の原因となる物質を排出しないクリーンエネルギーに注目が集まっている。その中の1つとして太陽電池(太陽光発電)がある。近年は従来の太陽電池(シリコン系等)よりも製造コストを抑えられる有機薄膜太陽電池の研究が盛んに行われている。その有機薄膜太陽電池の正孔輸送層では導電性高分子のポリエチレンジオキシオルトチオフェン・ポリスチレンスルホン酸会合体(PEDOT:PSS)が用いられることが多い。しかしながら充分な性能が得られているとは言い難く、光電変換効率や寿命などの性能の更なる改善が望まれている。そのため、太陽電池の分野においては、有機薄膜太陽電池の正孔輸送層に用いることで、光電変換効率および寿命を改善する導電性材料組成物が望まれている。
特開2018-48322号公報 特開2020-105500号公報
Trans.Mat.Res.Soc.Japan 37[2]307-310(2012)
 本発明は、新規なポリチオフェン化合物および導電性材料組成物を提供する。本発明は、優れた導電性を有する、新規なポリチオフェン化合物および導電性材料組成物を提供することを課題とする。
 本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、上記課題は、分光光度計にて測定されるバイポーラロンに由来する吸収の相対的強度を表す吸光度比が高いポリチオフェン化合物により達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。
 吸光度は分子中に存在する電子の状態を反映するので、吸光度比も分子中に存在する電子の状態を反映する。したがって、吸光度比が相違することは、分子中の電子の状態が相違することを意味する。すなわち、吸光度比が低い化合物と、吸光度比が高い化合物とでは、分子中の電子の状態が相違する。この点で、吸光度比が低い化合物と、吸光度比が高い化合物とは、異なる化合物である。本発明においては、吸光度比が高い化合物により、上記課題が解決された。
 具体的には、本発明者らは、上記特許文献1(特開2018-48322号)に開示されたポリチオフェン化合物においては、分光光度計を用いて測定される波長2000nmにおける該化合物の吸光度(A2000)が、波長407nmにおける該化合物の吸光度(A407)と比較して低いことを見い出した。本発明者らは、この点に着目して研究を進めた結果、分光光度計を用いて測定される波長2000nmにおける該化合物の吸光度(A2000)および波長407nmにおける該化合物の吸光度(A407)から計算式(A2000/A407)によって計算される吸光度比が高い化合物によって、飛躍的に高い導電性が達成できることを見い出した。
 すなわち、本発明は以下の化合物等を提供する。
 (項1)
 下記一般式(A):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
で表される構造単位を含むポリチオフェン化合物であって、
 ここで、Lは、式(21):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000010
で表され、ここで、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、nは、0または1であり、nは、独立して1~6の整数であり、nは、独立して、0または1であり、nは、0~12の整数であり、そして式(21)の左端が式(A)中のジオキサン環中の炭素原子に結合しており、
 MおよびMは各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基であり、ただし、MまたはMの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてMまたはMの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となり、
 MおよびMのうちの少なくとも1つが水素原子である場合、該水素原子の部分において、該化合物が塩基性物質と結合して塩を形成してもよく、
 R1Aは、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アシル基、または式(15)で表される基であり、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000011
 ここで、Lは、式(22):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000012
で表され、ここで、R15は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、R16は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、mは、0または1であり、mは、独立して1~6の整数であり、mは、独立して、0または1であり、mは、0~12の整数であり、そして式(22)の左端が式(A)中のジオキサン環中の炭素原子に結合しており、
 M1cおよびM2cは各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基であり、ただし、M1cまたはM2cの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてM1cまたはM2cの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となり、
 M1cおよびM2cのうちの少なくとも1つが水素原子である場合、該水素原子の部分において、該化合物が塩基性物質と結合して塩を形成してもよく、
 ここで、分光光度計を用いて測定される波長2000nmにおける該化合物の吸光度(A2000)および波長407nmにおける該化合物の吸光度(A407)から計算式(A2000/A407)によって計算される吸光度比が1以上である、
ポリチオフェン化合物。
 (項2)
 ポリチオフェン化合物を含む導電性材料組成物であって、
 該ポリチオフェン化合物は、下記一般式(A):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000013
で表される構造単位を含み、
 ここで、Lは、式(21):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000014
で表され、ここで、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、nは、0または1であり、nは、独立して1~6の整数であり、nは、独立して、0または1であり、nは、0~12の整数であり、そして式(21)の左端が式(A)中のジオキサン環の炭素原子に結合しており、
 MおよびMは各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基であり、ただし、MまたはMの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてMまたはMの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となり、
 MおよびMのうちの少なくとも1つが水素原子である場合、該水素原子の部分において、該化合物が塩基性物質と結合して塩を形成してもよく、
 R1Aは、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アシル基、または式(15)で表される基であり、
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000015
 ここで、Lは、式(22):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000016
で表され、ここで、R15は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、R16は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、mは、0または1であり、mは、独立して1~6の整数であり、mは、独立して、0または1であり、mは、0~12の整数であり、そして式(22)の左端が式(A)中のジオキサン環中の炭素原子に結合しており、
 M1cおよびM2cは各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基であり、ただし、M1cまたはM2cの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてM1cまたはM2cの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となり、
 M1cおよびM2cのうちの少なくとも1つが水素原子である場合、該水素原子の部分において、該化合物が塩基性物質と結合して塩を形成してもよく、
 ここで、分光光度計を用いて測定される波長2000nmにおける該組成物の吸光度(A2000)および波長407nmにおける該組成物の吸光度(A407)から計算式(A2000/A407)によって計算される吸光度比が1以上である、
導電性材料組成物。
 (項3)
 前記吸光度比が2以上である、上記項1に記載の化合物または上記項2に記載の導電性材料組成物。
 (項4)
 MおよびMのうちの少なくとも1つが、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、およびアンモニウム基から選ばれる構造単位を含む、上記項1に記載の化合物または上記項2または3に記載の導電性材料組成物。
 (項5)
 R1Aが水素、アルキル基、アルコキシ基またはアシル基である、上記項1に記載の化合物または上記項2~4のいずれか1項に記載の導電性材料組成物。
 (項6)
 R1Aが水素である、上記項1に記載の化合物または上記項2~5のいずれか1項に記載の導電性材料組成物。
 (項7)
 nが0であり、nが独立して1~4の整数であり、nが1または2であり、RおよびRが各々独立して水素または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~3のアルキル基である、上記項1に記載の化合物または上記項2~6のいずれか1項に記載の導電性材料組成物。
 (項8)
 nおよびnが0であり、nおよびnが1であり、RおよびRが水素である、上記項1に記載の化合物または上記項2~7のいずれか1項に記載の導電性材料組成物。
 (項9)
 上記項1に記載の化合物または上記項2~8のいずれか1項に記載の導電性材料組成物を製造する方法であって、
 酸化剤の存在下で前記ポリチオフェン化合物に対応するチオフェンモノマーを酸化重合する工程、および
 得られた重合生成物を、キレート化合物を用いて精製を行って上記項1に記載の化合物または上記項2~8のいずれか1項に記載の導電性材料組成物を調製する工程
を含む、方法。
 (項10)
 前記酸化剤が、鉄原子を含む酸化剤を含む、上記項9に記載の方法。
 (項11)
 前記キレート化合物が、複数のホスホン酸構造部位(-P(=O)(OH))を有する化合物である、上記項9または10に記載の方法。
 (項12)
 上記項2~8のいずれか1項に記載の導電性材料組成物を含む正孔輸送層を有する有機薄膜太陽電池。
 本発明の1つの実施形態においては、上記項9~11のいずれかに記載の製造方法によって製造されるポリチオフェン化合物および導電性樹脂組成物が提供される。
 本発明のポリチオフェン化合物は、従来のポリチオフェン化合物よりも顕著に高い優れた導電性を示す。そのため、本発明のポリチオフェン化合物は、電子材料分野への応用が期待できる。
図1は、実施例1~8および比較例1~3で得られたポリチオフェン化合物の各波長における吸光度比を示したグラフである。横軸が波長(nm)を示し、縦軸が吸光度比を示す。比較例1~3の波長2000nmにおける吸光度比が1未満であることが示されている。他方、実施例1~8の波長2000nmにおける吸光度比が2.4~6であることが示されている。 図2は、太陽電池デバイスの1例の積層構造を示す。 図3は、太陽電池デバイスに電圧引加装置を接続した例を示す。矢印は、疑似太陽光の照射(100mWcm-2)を示す。 図4は、電流密度-電圧(J-V)特性とパラメータの関係を示すグラフであり、模式的なJ-V特性を示す。 図5は、太陽電池デバイスのJ-V特性を示すグラフである。 図6は、太陽電池デバイスのPCEの経時変化を示すグラフである。
 以下、本発明について詳細に説明する。
 本発明のポリチオフェン化合物は、後述するとおりの化学構造式を有するものであるが、その化学構造を厳密に正確な化学構造式で特定することは困難である。以下にその理由を説明する。
 従来技術に関して上述したとおり、ポリチオフェン化合物には、自己ドープの現象が生じるので、ポリチオフェン化合物の主鎖にはポーラロンまたはバイポーラロンの状態が生じていると考えられる。しかし、実際にポーラロンまたはバイポーラロンの状態の構造を正確に決定することは、現実的には極めて困難である。また、1つのポリチオフェン化合物の主鎖の端から端までの全長のすべてにわたってポーラロンまたはバイポーラロンの状態が生じるとは限らず、主鎖の一部分のみにポーラロンまたはバイポーラロンの状態が生じる可能性もある。さらに、複数の分子が存在する際にそのすべてにポーラロンまたはバイポーラロンの状態が生じるとは限らず、一部分の分子のみにポーラロンまたはバイポーラロンの状態が生じる可能性もある。そのため、そのように一部分のみあるいは一部の分子のみにポーラロンまたはバイポーラロンの状態が生じているポリチオフェン化合物を定量的に正確に化学構造式で記載することは不可能である。
 従って、本明細書においては、「ポリチオフェン化合物」との用語について特に限定する記載がされていない限り、その用語は、(a)ポーラロンまたはバイポーラロンのいずれの状態でもないポリチオフェン化合物、(b)ポーラロンの状態のポリチオフェン化合物、および(c)バイポーラロンの状態のポリチオフェン化合物のすべてを包含する意味を有する。また、本明細書において、ポリチオフェン化合物の化学構造式について特に限定する記載がされていない場合には、その化学構造式は、(a)ポーラロンまたはバイポーラロンのいずれの状態でもないポリチオフェン化合物、(b)ポーラロンの状態のポリチオフェン化合物、および(c)バイポーラロンの状態のポリチオフェン化合物のすべてを包含する意味を有する。
 本発明においては、特定の吸光度比を有するポリチオフェン化合物によって、高い導電性が達成される。具体的には、本発明のポリチオフェン化合物においては、分光光度計を用いて測定される波長2000nmにおける該化合物の吸光度(A2000)および波長407nmにおける該化合物の吸光度(A407)から計算式(A2000/A407)によって計算される吸光度比が1以上である。吸光度比は、好ましくは、1.5以上であり、より好ましくは、2以上であり、さらに好ましくは、2.5以上であり、特に好ましくは、3以上である。必要に応じて、吸光度比は、3.5以上であってもよく、4以上であってもよく、4.5以上であってもよい。吸光度比には上限は特にない。しかし、必要に応じて、吸光度比の上限を、例えば、10以下、または8以下、または6以下に設定してもよい。
 吸光度は分子中に存在する電子の状態を反映するので、吸光度比も分子中に存在する電子の状態を反映する。したがって、吸光度比が相違することは、分子中の電子の状態が相違することを意味する。すなわち、吸光度比が低い化合物と、吸光度比が高い化合物とでは、分子中の電子の状態が相違する。この点で、吸光度比が低い化合物と、吸光度比が高い化合物とは、異なる化合物である。
 上記非特許文献1より波長407nmにおける吸光度は、ポリチオフェン化合物の主鎖にバイポーラロンの状態が生じる現象の影響を大きく受けないと考えられる。他方、波長2000nmにおいては、バイポーラロンの状態が生じた場合に高い吸光度が測定されると考えられる。したがって、吸光度比が大きい場合には、バイポーラロンの状態の密度が高いことが理解される。例えば、主鎖においてホールが非局在化できる範囲が長くなって、主鎖の全長のうちの、ホールが非局在化できる範囲の長さの比率が大きくなるなどの現象が生じることが推測される。
 そして、吸光度比が低い化合物においては、その主鎖におけるバイポーラロンの状態のレベルが低いことが理解され、吸光度比が高い化合物においては、その主鎖におけるバイポーラロンの状態のレベルが高いことが理解される。そしてこの相違により、吸光度比が高い化合物が優れた導電性を達成することが理解される。
 〔ポリチオフェン化合物〕
 ポリチオフェン化合物は、例えば、一般式(12)で表される:
 -(A)-   (12)
 ここで、Aはそれぞれ独立してチオフェンモノマー残基である。qは重合度であって、任意の正の整数である。具体的には、例えば、3以上、6以上または10以上とすることが可能であり、また、2,000以下、1,000以下、800以下または400以下とすることが可能である。
 なお、ポリチオフェン化合物の構造を一般式で記載する場合、その両末端を省略することが一般的であるので、本明細書においても、原則として、ポリチオフェン化合物の構造を記載する際には両末端は省略する。しかしながら、例えば、上記一般式(12)に敢えて両末端基を記載すれば、以下の一般式(12A)となる。
 E-(A)-E     (12A)
 ここで、EおよびEはそれぞれ末端基である。通常は、一方が重合開始末端であって他方が重合終了末端である。
 ポリチオフェン化合物は好ましくはホモポリマーである。しかしながら、必要に応じて、ポリチオフェン化合物は、コポリマーであってもよい。コポリマーは、ブロックコポリマーであっても良く、ランダムコポリマーであっても良い。
 なお、本明細書中においては、ポリマーの繰り返し構造を構成する単位を構造単位という。すなわち、上記一般式(12A)のポリマーにおいては、「A」が構造単位であり、構造単位および末端基でポリマーが構成されている。言い換えると、ポリマーの重合開始末端および重合終了末端以外の部分は構造単位で構成されている。したがって、本明細書中において、「ポリチオフェン化合物が一般式(A)以外の構造単位を含まない」との記載は、末端基以外の部分が一般式(A)の構造単位のみで構成されることを意味する。
 本発明におけるポリチオフェン化合物は、下記一般式(A)で表される構造単位を含む。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000017
 一般式(A)において、Lは、式(21):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000018
で表される。
 ここで、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、好ましくは、水素原子または炭素原子数1~3のアルキル基であり、より好ましくは水素原子である。
 Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、好ましくは、水素原子または炭素原子数1~3のアルキル基であり、より好ましくは水素原子である。
 nは、0または1であり、好ましくは、0である。
 nは、独立して1~6の整数であり、好ましくは、1~4であり、より好ましくは、1~2であり、更に好ましくは1である。
 nは、独立して、0または1であり、好ましくは、0である。nが0である場合には、nが1または2であることが好ましく、nが1であることがより好ましい。
 nは、0~12の整数であり、好ましくは、0~6であり、より好ましくは、1または2であり、さらに好ましくは、1である。
 nとnの積が、ジオキサン環とリンとの間の合計炭素数になる。
  (ジオキサン環とリンとの間の炭素数)=n×n
 ジオキサン環とリンとの間の炭素数は、好ましくは、1~12であり、より好ましくは、1~9であり、更に好ましくは、1~6であり、特に好ましくは、1~3であり、1つの実施形態では、1または2である。
 式(21)の左端が式(A)中のジオキサン環中の炭素原子に結合しており、式(21)の右端が式(A)中のリン原子に結合している。
 1つの実施形態において、RおよびRは、水素原子であり、nは、0であり、nは、0であり、nは、1である。すなわち、この実施形態において、Lは、-(CHn2-であり、ここで、nは独立して0~12である。nは好ましくは0~4であり、より好ましくは0~2である。特に好ましくはnは1である。
 MおよびMは各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基である。1つの好ましい実施形態において、MおよびMの少なくとも1つは、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属およびアンモニウム基から選ばれる1つであり、更に好ましくは、MおよびMの両方が水素原子である。
 一般式(A)において、R1Aは、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アシル基、または式(15)で表される基である。好ましくはアルキル基または水素原子であり、更に好ましくは水素原子である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000019
 ここで、Lは、式(22):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000020
で表される。
 ここで、R15は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、好ましくは、水素原子または炭素原子数1~3のアルキル基であり、より好ましくは水素原子である。
 R16は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、好ましくは、水素原子または炭素原子数1~3のアルキル基であり、より好ましくは水素原子である。
 mは、0または1であり、好ましくは、0である。
 mは、独立して1~6の整数であり、好ましくは、1~4であり、より好ましくは、1~2であり、更に好ましくは、1である。
 mは、独立して、0または1であり、好ましくは、0である。mが0である場合には、mが1または2であることが好ましく、mが1であることがより好ましい。
 mは、0~12の整数であり、好ましくは、0~6であり、より好ましくは、1または2であり、更に好ましくは、1である。
 mとmの積が、ジオキサン環とリンとの間の合計炭素数になる。
  (ジオキサン環とリンとの間の炭素数)=m×m
 ジオキサン環とリンとの間の炭素数は、好ましくは、1~12であり、より好ましくは、1~9であり、更に好ましくは、1~6であり、特に好ましくは、1~3であり、1つの実施形態では、1または2である。
 また、Lにおけるジオキサン環とリンとの間の炭素数と、Lにおけるジオキサン環とリンとの間の炭素数との合計は、好ましくは、1~16であり、より好ましくは、1~12であり、更に好ましくは、1~8であり、特に好ましくは、1~4であり、1つの実施形態では、1または2である。
 式(22)の左端が式(A)中のジオキサン環中の炭素原子に結合しており、式(22)の右端が式(15)中のリン原子に結合している。
 1つの実施形態において、R15およびR16は、水素原子であり、mは、0であり、mは、0であり、mは、1である。すなわち、この実施形態において、Lは、-(CHm2-であり、ここで、mは独立して0~12である。M1cおよびM2cは、各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基である。ただし、M1cまたはM2cの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてM1cまたはM2cの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となる。
 なお、本明細書中において、リン酸またはホスホン酸部位とは、リン酸基もしくはその誘導体(例えば、塩もしくはエステル)、またはホスホン酸基もしくはその誘導体(例えば、塩もしくはエステル)の構造を有する部位を意味する。例えば、リン酸基またはホスホン酸基に一般式(A)のMおよびMが結合した部位、あるいはリン酸基またはホスホン酸基に式(15)のM1cおよびM2cが結合した部位も、本明細書中においては、リン酸またはホスホン酸部位という。
 一般式(A)において、R1Aにおけるアルキル基は、各々独立して、直鎖、分岐鎖状または環状のいずれでもよい。環状のアルキル基は、環状構造のみから構成されてもよく、環状構造にさらに鎖状アルキル基が結合した構造であってもよい。アルキル基の炭素原子数は1~15であることが好ましく、1~8であることが更に好ましく、1~4であることが特に好ましい。具体例として、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基およびペンタデシル基などが挙げられる。
 R1Aにおけるアルコキシ基は、各々独立して、直鎖、分岐鎖状または環状のいずれでもよい。環状のアルコキシ基は、環状構造のみから構成されてもよく、環状構造にさらに鎖状アルキル基および/または鎖状アルコキシ基が結合した構造であってもよい。アルコキシ基の炭素原子数は、1~15であることが好ましく、1~8であることが更に好ましく、1~4であることが特に好ましい。具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、ヘプチルオキシ基、オクチルオキシ基、ノニルオキシ基、デシルオキシ基、ウンデシルオキシ基、ドデシルオキシ基、トリデシルオキシ基、テトラデシルオキシ基およびペンタデシルオキシ基などが挙げられる。
 R1Aにおけるアシル基は、各々独立して、直鎖、分岐鎖状または環状のいずれでもよい。環状のアシル基は、環状構造のみから構成されてもよく、環状構造にさらに鎖状アルキル基および/または鎖状アシル基が結合した構造であってもよい。アシルの炭素原子数は1~15であることが好ましく、1~8であることが更に好ましく、1~4であることが特に好ましい。具体例としては、アセチル基、プロピオニル基、ブタノイル基、ペンタノイル基、ヘキサノイル基、ヘプタノイル基、オクタノイル基、ノナノイル基、デカノイル基、ウンデカノイル基、ドデカノイル基、トリデカノイル基、テトラデカノイル基およびペンタデカノイル基などが挙げられる。
 1つの好ましい実施形態において、R1Aは、水素原子である。
 MおよびMは、同一であってもよく、互いに異なってもよい。1つの好ましい実施形態においては、MおよびMは、同一である。M1cおよびM2cは、同一であってもよく、互いに異なってもよい。1つの好ましい実施形態においては、M1cおよびM2cは、同一である。
 上記一般式(A)中、MおよびMならびにM1cおよびM2cにおけるアルキル基は、直鎖または分岐鎖状のどちらでもよく、炭素原子数が1~12であることが好ましく、1~8であることが更に好ましく、1~5であることが特に好ましい。さらに好ましい実施形態ではアルキル基の炭素原子数が2である。アルキル基の炭素原子数が好ましい範囲内であれば導電性の良好なポリチオフェン化合物が得られる。具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基およびペンタデシル基などが挙げられる。
 上記一般式(A)中、MおよびMならびにM1cおよびM2cにおけるアルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウムおよびセシウムなどが挙げられる。原料の金属化合物の入手のし易さや操作性の観点から、好ましくはナトリウムおよびカリウムである。
 上記一般式(A)中、MおよびMならびにM1cおよびM2cにおけるアルカリ土類金属としては、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよびラジウムなどが挙げられる。原料の金属化合物の入手のし易さや操作性の観点から、好ましくはマグネシウムおよびカルシウムである。ただし、MまたはMの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてMまたはMの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となる。すなわち、分子内で架橋する構造となるか、または2分子を架橋する構造となる。また、M1cまたはM2cの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてM1cまたはM2cの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となる。すなわち、分子内で架橋する構造となるか、または2分子を架橋する構造となる。
 MおよびMならびにM1cおよびM2cのうちの少なくとも1つが水素原子である場合には、ポリチオフェン化合物は、該水素原子の部分において、塩基性物質と結合して塩を形成してもよい。塩基性物質は、塩基性化合物であってもよく、塩基性イオンであってもよい。塩基性物質の例としては、塩基性窒素を有する有機化合物が挙げられる。塩基性窒素を有する有機化合物の場合、その塩基性窒素の部分に、ポリチオフェン化合物のリン酸またはホスホン酸部位のマイナス電荷を有する酸素原子がイオン結合を形成して、塩を形成する。塩基性窒素の例としては、有機アミン化合物が挙げられる。有機アミンは、脂肪族アミンであってもよく、芳香族アミンであってもよく、また、含窒素芳香族化合物であってもよい。脂肪族アミンは第1級アミンであってもよく、第2級アミンであってもよく、第3級アミンであってもよく、また、第4級アンモニウムであってもよい。脂肪族アルキルアミンのアルキル基の炭素数は、好ましくは1~12であり、より好ましくは1~6であり、更に好ましくは1~4である。第1級アミンの例としては、モノアルキルアミンが挙げられる。第2級アミンの例としては、ジアルキルアミンが挙げられる。第3級アミンの例としては、トリアルキルアミンが挙げられる。さらなる具体例としては、トリメチルアミン、トリエチルアミンおよびトリブチルアミンが挙げられる。第4級アミンの例としては、テトラアルキルアンモニウム塩が挙げられる。アルキル鎖に水酸基が含まれていてもよく、例えば、ジメチルアミノエタノールである。芳香族アミンの例としてはアニリン、トルイジン、キシリジン、含窒素芳香族化合物の例としてはピリジン、ピコリン、ルチジン、コリジン、イミダゾール、4-ジメチルアミノピリジンである。その他、グアニジンを用いてもよい。
 上記一般式(A)中、MおよびMは全てアルキル基であっても良いが、導電性の観点から、少なくとも1つは水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属および有機アミンであることが好ましい。少なくとも1つが水素原子であることがより好ましく、2つが水素原子であることが特に好ましい。また、M1cおよびM2cは全てアルキル基であっても良いが、導電性の観点から、少なくとも1つは水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属および有機アミンであることが好ましい。少なくとも1つが水素原子であることがより好ましく、2つが水素原子であることが特に好ましい。
 上記一般式(A)の構造単位の具体例としては、下記式(9)、(10)、(11)および(13)などが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000021

Figure JPOXMLDOC01-appb-C000022

Figure JPOXMLDOC01-appb-C000023

Figure JPOXMLDOC01-appb-C000024
 1つの実施形態において、本発明のポリチオフェン化合物の構造単位は、上記一般式(A)の構造単位のみから構成されても良い。1つの実施形態において、本発明のポリチオフェン化合物は、一般式(A)の構造単位以外の構造単位を実質的に含まない。上記一般式(A)の構造単位のみからポリマーの構造単位が構成されれば、その有利な特性を高く発揮させることができる。
 また別の実施形態において、本発明のポリチオフェン化合物は、本発明の効果を阻害しない範囲で上記一般式(A)の構造単位以外の構造単位を含んでいても良い。
 ただし、一般式(A)以外の含有量が多すぎると、本発明の利点が損なわれることになるので、一般式(A)以外の構造単位の含有量は多すぎないことが好ましい。一般式(A)以外の構造単位の含有量が、ポリチオフェン化合物中の構造単位の合計のうちの40モル%以下であることが好ましく、30モル%以下であることがより好ましく、20モル%以下であることがさらに好ましく、10モル%以下であることがいっそう好ましく、5モル%以下であることがひときわ好ましく、3モル%以下であることが特に好ましく、1モル%以下であることが最も好ましい。さらに、0.1モル%以下とすることも可能であり、0.01モル%以下とすることも可能である。
 自己ドーピング性を有する導電性ポリチオフェン化合物においては、水素イオン供与性リン酸またはホスホン酸部位が存在することが必要である。水素イオン供与性リン酸またはホスホン酸部位とは、少なくとも1つの-P-OH基が存在するリン酸またはホスホン酸部位をいう。本発明のポリチオフェン化合物中における水素イオン供与性のリン酸またはホスホン酸部位を含む含リンチオフェンモノマー残基の数は、任意に選択することができる。水素イオン供与性リン酸またはホスホン酸部位を含む含リンチオフェンモノマー残基の比率は、ポリチオフェン化合物中に存在する含リンチオフェンモノマー残基の総数を100%として、例えば、10%以上、20%以上、30%以上、40%以上、50%以上、60%以上、70%以上、80%以上、90%以上、または95%以上から選択することが可能である。あるいは、100%としてもよい。また、何らかの理由により、水素イオン供与基(-P-OH)の含有量を制御することが所望される場合には、水素イオン供与性リン酸またはホスホン酸部位の数が抑制されるように設計することもできる。そのような場合には、本発明のポリチオフェン化合物中に存在する含リンチオフェンモノマー残基の総数を100%として、例えば、水素イオン供与性のリン酸またはホスホン酸部位を含む含リンチオフェンモノマー残基の比率を95%以下、90%以下、85%以下、80%以下、75%以下、または70%以下に設計することが可能である。
 また、リン酸またはホスホン酸部位の総数に対する水素イオン供与性のリン酸またはホスホン酸部位の比率も任意に設計することができる。本発明のポリチオフェン化合物中に存在するリン酸またはホスホン酸部位の総数を100%として、水素イオン供与性リン酸またはホスホン酸部位の比率を、例えば、10%以上、20%以上、30%以上、40%以上、50%以上、60%以上、70%以上、80%以上、90%以上、または95%以上から選択することが可能である。あるいは、100%としてもよい。また、何らかの理由により、水素イオン供与基の含有量を制御することが所望される場合には、水素イオン供与性のリン酸またはホスホン酸部位の数が抑制されるように設計することもできる。そのような場合には、本発明のポリチオフェン化合物中に存在するリン酸またはホスホン酸部位の総数を100%として、例えば、水素イオン供与性のリン酸またはホスホン酸部位の比率を95%以下、90%以下、85%以下、80%以下、75%以下、または70%以下に設計することが可能である。
 上述した水素イオン供与性のリン酸またはホスホン酸部位の比率は、例えば、ポリチオフェン化合物を製造する際に使用するチオフェン化合物の種類および量を調整することによって制御することができる。
 本発明のポリチオフェン化合物は、後述する方法を用いて製造することができる。
 (分子量)
 本発明のポリチオフェン化合物の分子量は、特に限定されない。本発明のポリチオフェン化合物の重量平均分子量は、好ましくは、1千以上であり、より好ましくは2千以上である。本発明のポリチオフェン化合物の重量平均分子量は、好ましくは、50万以下であり、より好ましくは20万以下である。さらに好ましくは10万以下である。
 本発明のポリチオフェン化合物は、好ましくは、リン酸またはホスホン酸構造部位[-OP(O)(OH)または-P(O)(OH)]、リン酸またはホスホン酸モノアルキルエステル構造部位[-OP(O)(OH)(OR)または-P(O)(OH)(OR)、ここでRは炭素原子数1~15のアルキル基である]またはリン酸またはホスホン酸一水素塩構造部位[-OP(O)(OH)(OM)または-P(O)(OH)(OM)、ここでMは、アルカリ金属、アルカリ土類金属またはアンモニウム基である]を有するモノマー残基を含む。リン酸またはホスホン酸構造部位、リン酸またはホスホン酸モノアルキルエステル構造部位またはリン酸またはホスホン酸一水素塩構造部位は、その水素イオン供与基(-P-OH)から放出される水素イオンにより、ポリチオフェン化合物主鎖のチオフェン環に対してドーピングすることが可能である。
 なお、本明細書中においてリン酸またはホスホン酸一水素塩構造部位とは、リン酸またはホスホン酸一水素塩の構造を有する部位を意味する。すなわち、リン酸またはホスホン酸構造部位の2つの水素原子のうち、1つの水素原子のみが金属原子等で置換されて塩となり、他方の水素原子がそのまま残っている部位をいう。
 〔チオフェン化合物〕
 本発明の方法においては、ポリチオフェン化合物を製造するために、モノマーとして、含リンチオフェン化合物を使用する。
 〔含リンチオフェン化合物〕
 含リンチオフェン化合物は、下記一般式(Am)で表される化合物である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000025
 上記一般式(Am)中、Lは、式(21):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000026
で表され、ここで、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、nは、0または1であり、nは、独立して1~6の整数であり、nは、独立して、0または1であり、nは、0~12の整数であり、そして式(21)の左端が式(Am)中のジオキサン環中の炭素原子に結合している。
 1つの実施形態において、Lは、-(CH-であり、ここで、nは0~12である。
 MおよびMは、各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基である。ただし、MまたはMの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてMまたはMの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となる。
 R1Aは、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アシル基、または式(15)で表される基である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000027
 Lは、式(22):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000028
で表され、ここで、R15は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、R16は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、mは、0または1であり、mは、独立して1~6の整数であり、mは、独立して、0または1であり、mは、0~12の整数であり、そして式(22)の左端が式(Am)中のジオキサン環中の炭素原子に結合している。
 ここで、M1cおよびM2cは、各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基である。ただし、M1cまたはM2cの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてM1cまたはM2cの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となる。
 MおよびMならびにM1cおよびM2cのうちの少なくとも1つが水素原子である場合には、ポリチオフェン化合物は、該水素原子の部分において、塩基性物質と結合して塩を形成してもよい。塩基性物質は、塩基性化合物であってもよく、塩基性イオンであってもよい。塩基性物質の例としては、塩基性窒素を有する有機化合物が挙げられる。塩基性窒素を有する有機化合物の場合、その塩基性窒素の部分に、ポリチオフェン化合物のリン酸またはホスホン酸部位のマイナス電荷を有する酸素原子がイオン結合を形成して、塩を形成する。塩基性窒素の例としては、有機アミン化合物が挙げられる。有機アミンは、脂肪族アミンであってもよく、芳香族アミンであってもよく、また、含窒素芳香族化合物であってもよい。脂肪族アミンは第1級アミンであってもよく、第2級アミンであってもよく、第3級アミンであってもよく、また、第4級アンモニウムであってもよい。脂肪族アルキルアミンのアルキル基の炭素数は、好ましくは1~12であり、より好ましくは1~6であり、更に好ましくは1~4である。第1級アミンの例としては、モノアルキルアミンが挙げられる。第2級アミンの例としては、ジアルキルアミンが挙げられる。第3級アミンの例としては、トリアルキルアミンが挙げられる。さらなる具体例としては、トリメチルアミン、トリエチルアミンおよびトリブチルアミンが挙げられる。第4級アミンの例としては、テトラアルキルアンモニウム塩が挙げられる。アルキル鎖に水酸基が含まれていてもよく、例えば、ジメチルアミノエタノールである。芳香族アミンの例としてはアニリン、トルイジン、キシリジン、含窒素芳香族化合物の例としてはピリジン、ピコリン、ルチジン、コリジン、イミダゾール、4-ジメチルアミノピリジンである。その他、グアニジンを用いてもよい。
 上記MおよびMならびにM1cおよびM2cにおけるアルキル基は、直鎖アルキル基または分岐鎖アルキル基のどちらでもよい。炭素原子数が1~12であることが好ましく、炭素原子数が1~8であることが更に好ましく、炭素原子数が1~5であることが特に好ましい。炭素原子数が2であることが最も好ましい。具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基およびペンタデシル基などが挙げられる。上記範囲であれば酸化重合反応の進行がスムーズとなり、本発明のポリチオフェン化合物を得ることが容易になる場合もある。
 上記MおよびMならびにM1cおよびM2cにおけるアルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウムおよびセシウムなどが挙げられる。原料の金属化合物の入手のし易さや操作性の観点から、好ましくはナトリウムおよびカリウムである。
 上記MおよびMならびにM1cおよびM2cにおけるアルカリ土類金属としては、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよびラジウムなどが挙げられる。原料の金属化合物の入手のし易さや操作性の観点から、好ましくはマグネシウムおよびカルシウムである。ただし、MまたはMの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてMまたはMの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となる。すなわち、分子内で架橋する構造となるか、または2分子を架橋する構造となる。また、M1cまたはM2cの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてM1cまたはM2cの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となる。すなわち、分子内で架橋する構造となるか、または2分子を架橋する構造となる。
 1つの実施形態においては、MおよびMが水素原子である。MおよびMが水素原子であれば、ジアシッド体を含むポリチオフェン化合物の製造が容易であるという利点がある。ポリチオフェンにおいて一般的に、ジアシッド体は、ジアルキル体およびモノアシッド体よりも導電性に優れるため、ジアシッド体を含むポリチオフェン化合物を容易に製造できることは有利である。
 また、1つの実施形態においては、M1cおよびM2cが水素原子である。M1cおよびM2cが水素原子であれば、ジアシッド体を含むポリチオフェン化合物の製造が容易であるという利点がある。
 MおよびMは、同一であってもよく、互いに異なってもよい。1つの好ましい実施形態においては、MおよびMは、同一である。また、M1cおよびM2cは、同一であってもよく、互いに異なってもよい。1つの好ましい実施形態においては、M1cおよびM2cは、同一である。
 MおよびMが両方ともアルキルである場合は、上記チオフェン化合物を含むモノマー混合物を酸化重合して得られる化合物を加水分解することで、導電性の良好なポリチオフェン化合物を得てもよい。
 同様に、M1cおよびM2cが両方ともアルキルである場合にも、上記チオフェン化合物を含むモノマー混合物を酸化重合して得られる化合物を加水分解することで、導電性の良好なポリチオフェン化合物を得てもよい。
 R1Aにおけるアルキル基は、直鎖、分岐鎖状または環状のいずれでもよい。環状のアルキル基は、環状構造のみから構成されてもよく、環状構造にさらに鎖状アルキル基が結合した構造であってもよい。アルキル基の炭素原子数は1~15であることが好ましく、1~8であることが更に好ましく、1~4であることが特に好ましい。具体例として、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基およびペンタデシル基などが挙げられる。
 R1Aにおけるアルコキシ基は、直鎖、分岐鎖状または環状のいずれでもよい。環状のアルコキシ基は、環状構造のみから構成されてもよく、環状構造にさらに鎖状アルキル基および/または鎖状アルコキシ基が結合した構造であってもよい。アルコキシ基の炭素原子数は、1~15であることが好ましく、1~8であることが更に好ましく、1~4であることが特に好ましい。具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、ヘプチルオキシ基、オクチルオキシ基、ノニルオキシ基、デシルオキシ基、ウンデシルオキシ基、ドデシルオキシ基、トリデシルオキシ基、テトラデシルオキシ基およびペンタデシルオキシ基などが挙げられる。
 R1Aにおけるアシル基は、直鎖、分岐鎖状または環状のいずれでもよい。環状のアシル基は、環状構造のみから構成されてもよく、環状構造にさらに鎖状アルキル基および/または鎖状アシル基が結合した構造であってもよい。アシルの炭素原子数は1~15であることが好ましく、1~8であることが更に好ましく、1~4であることが特に好ましい。具体例としては、アセチル基、プロピオニル基、ブタノイル基、ペンタノイル基、ヘキサノイル基、ヘプタノイル基、オクタノイル基、ノナノイル基、デカノイル基、ウンデカノイル基、ドデカノイル基、トリデカノイル基、テトラデカノイル基およびペンタデカノイル基などが挙げられる。
 1つの好ましい実施形態において、R1Aはアルキル基または水素原子であり、更に好ましくは水素原子である。)
 上記一般式(Am)の具体例としては、下記式(5)、(9B)、(10B)および(11C)などが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000029

Figure JPOXMLDOC01-appb-C000030

Figure JPOXMLDOC01-appb-C000031

Figure JPOXMLDOC01-appb-C000032
 〔含リンチオフェン化合物の製造方法〕
 本発明に使用される含リンチオフェン化合物は、R1Aが水素原子である場合には、例えば、以下の方法で製造することができる。特に、収率および操作性を考慮すると、下記第一工程および第二工程で製造することが好ましい。
 (第一工程)
 第一工程においては、公知の方法により、下記一般式(3)で表される化合物を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000033
 式(3)中、Lは、式(21):
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000034
で表され、ここで、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、nは、0または1であり、nは、独立して1~6の整数であり、nは、独立して、0または1であり、nは、0~12の整数であり、そして式(21)の左端が式(3)中のジオキサン環の炭素原子に結合している。
 1つの実施形態において、Lは、-(CH-である。ここで、nは0~12である。nは好ましくは0~4であり、より好ましくは0~2である。特に好ましくは1である。Xはハロゲン原子であり、フッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子などが挙げられる。原料の入手のし易さおよび操作性の観点から塩素原子または臭素原子が好ましい。
 具体的には、例えば、特開2014-74007号公報に記載されている方法で上記式(3)において、Lが-(CH-である化合物を得ることができる。
 また、n=1の実施形態、すなわち、下記一般式(3A)で表される化合物については、3-ハロゲン化-1,2-プロパンジオールと3,4-ジメトキシチオフェンを酸性触媒の存在下において加熱する方法により得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000035
 上記酸性触媒としては、硫酸、パラトルエンスルホン酸1水和物およびメタンスルホン酸などが挙げられる。好ましくはパラトルエンスルホン酸1水和物である。
 上記式(3)において、Lが-(CH-以外である化合物についても、上記方法と同様の方法によって得ることができる。
 (反応温度)
 上記加熱は反応を進行させるために行うものであり、適切な速度で反応が進行するのであれば、加熱温度に特に制限はないが、60℃以上が好ましく、70℃以上が更に好ましく、80℃以上が特に好ましい。200℃以下が好ましく、150℃以下が更に好ましく、120℃以下が特に好ましい。
 (反応時間)
 上記加熱の時間は特に制限はないが、各々の条件において、出発材料が反応するのに充分な時間を適宜選択すればよい。反応が充分に進行していれば、反応時間の違いが本発明の効果に大きな影響を及ぼすことはない。例えば、6時間以上が好ましく、12時間以上がより好ましい。3日間以下が好ましく、2日間以下がより好ましい。
 (溶媒)
 第一工程では、必要に応じて、溶媒を使用してもよい。溶媒としては酸化重合反応において反応性がないものであれば特に制限はなく、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレンおよびメシチレン等の芳香族炭化水素、n-ヘキサン、シクロヘキサン、n-オクタンおよびn-デカン等の脂肪族炭化水素、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム、四塩化炭素、クロロベンゼンおよびo-ジクロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、ジメトキシエタン、ジオキサンおよびジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル等が挙げられる。好ましくはキシレン、トルエンおよびジエチレングリコールジメチルエーテルであり、更に好ましくはキシレンおよびトルエンである。
 (精製)
 第一工程において得られた生成物については、精製等の後処理を行わずに第二工程に用いても良い。また、必要に応じて、第一工程で得られた生成物に、公知の方法による精製を行った精製物を第二工程に用いても良い。
 (第二工程)
 第二工程においては、上記一般式(3)で表される化合物とトリス(トリアルキルシリル)ホスファイトもしくはトリアルキルホスファイトとを反応させて、一般式(3)で表される化合物中のXをホスホン酸ビス(トリアルキルシリル)部位もしくはホスホン酸ジエステル部位で置換する。ホスホン酸部位を含むチオフェンすなわちジアシッド体を合成する場合は、トリス(トリアルキルシリル)ホスファイトを用いる方法が、反応の効率等において好ましい。
 トリス(トリアルキルシリル)ホスファイトは、以下の一般式(11A)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000036
 ここで、M3a、M4aおよびM5aは、それぞれ独立して、トリメチルシリル、トリエチルシリル、tert-ブチルジメチルシリル、トリイソプロピルシリルであり、トリメチルシリル、トリエチルシリルであることが好ましく、トリメチルシリルであることが更に好ましい。M3a、M4aおよびM5aは独立して選択されても良いが、同一であることが好ましい。具体例としては、例えば、トリス(トリメチルシリル)ホスファイト、およびトリス(トリエチルシリル)ホスファイトなどである。
 例えば、上記一般式(3)で表される化合物とトリス(トリアルキルシリル)ホスファイトの混合物を加熱することにより、ミカエリス-アルブゾフ転位反応が起こり、その転位生成体として、一般式(2A)の化合物が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000037
 式中、M3aおよびM4aは、それぞれ独立して、トリメチルシリル、トリエチルシリル、tert-ブチルジメチルシリル、トリイソプロピルシリルである。これらは一般的に水酸基の保護基として用いられるものであり、公知の方法で脱保護を行うことで下記一般式(2C)の化合物を得ることができる。
 例えば、上記一般式(2A)の化合物に炭酸ナトリウム、炭酸カリウムおよびアンモニアの水溶液などの塩基性水溶液を作用させることで脱保護が起こる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000038
 上記一般式(2C)の化合物は後述する一般式(2B)を公知の方法で加水分解することでも得られるが、上記のトリス(トリアルキルシリル)ホスファイトを用いた方法により、比較的容易に得ることができる。
 トリアルキルホスファイトは、以下の一般式(11B)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000039
 ここで、M3b、M4bおよびM5bは、それぞれ独立して、炭素原子数1~15のアルキルである。炭素原子数が1~12であることが好ましく、1~8であることが更に好ましく、1~5であることが特に好ましい。さらに好ましい実施形態ではアルキル基の炭素原子数が2である。M3bおよびM4bは、それぞれ一般式(Am)中のMおよびMと同じである。一般式(Am)の化合物において目的とするMおよびMに応じてM3bおよびM4bが選択される。M3bおよびM4bは、同一であってもよく、異なっても良い。M5bは、一般式(Am)の化合物において目的とするMおよびMから独立して選択されても良いが、M5bがM3bまたはM4bのいずれかと同一であることが好ましい。一つの好ましい実施形態においては、M3b、M4bおよびM5bが同一である。具体例としては、例えば、トリメチルホスファイト、およびトリエチルホスファイトなどである。
 例えば、上記一般式(3)で表される化合物とトリアルキルホスファイトの混合物を加熱することにより、ミカエリス-アルブゾフ転位反応が起こり、その転位生成体として、一般式(2B)の化合物が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000040
 式中、M3bおよびM4bは、それぞれ独立して、炭素原子数1~15のアルキルである。
 一般式(3)で表される化合物とトリアルキルホスファイトまたはトリス(トリアルキルシリル)ホスファイトの混合比率(モル比)は特に限定されない。ただし、収率などの観点から、一般式(3)で表される化合物とトリアルキルホスファイトまたはトリス(トリアルキルシリル)ホスファイトの混合比率(モル比)は、一般式(3)で表される化合物1モルに対してトリアルキルホスファイトまたはトリス(トリアルキルシリル)ホスファイトが0.8モル以上であることが好ましく、1モル以上であることがより好ましい。また、一般式(3)で表される化合物1モルに対してトリアルキルホスファイトまたはトリス(トリアルキルシリル)ホスファイトが10モル以下であることが好ましく、5モル以下であることが更に好ましく、3モル以下であることが特に好ましい。
 (反応温度)
 上記加熱は反応を進行させるために行うものであり、適切な速度で反応が進行するのであれば、特に反応の際の温度に制限はないが、100℃以上が好ましく、110℃以上が更に好ましく、120℃以上が特に好ましい。また、220℃以下が好ましく、200℃以下が更に好ましく、160℃以下が特に好ましい。
 (反応時間)
 上記加熱の時間は特に制限はない。その温度などの条件下において、反応材料が反応するのに充分な時間を適宜選択すればよい。反応が充分に進行していれば、反応時間の違いが本発明の効果に大きな影響を及ぼすことはない。好ましくは、6時間以上であり、より好ましくは、12時間以上である。また、好ましくは、3日間以下であり、より好ましくは、2日間以下である。
 (溶媒)
 第二工程では、必要に応じて、溶媒を使用してもよい。溶媒としては第二工程において反応性のない液体であって反応材料を溶解または分散できる液体であれば特に制限はない。例えば、ベンゼン、トルエン、キシレンおよびメシチレン等の芳香族炭化水素、n-ヘキサン、シクロヘキサン、n-オクタンおよびn-デカン等の脂肪族炭化水素、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム四塩化炭素、クロロベンゼンおよびo-ジクロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、t-ブチルメチルエーテル、ジメトキシエタン、ジオキサンおよびジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル等が挙げられる。好ましい溶媒は、トルエン、キシレンおよびジエチレングリコールジメチルエーテルであり、更に好ましくはキシレンおよびトルエンである。
 (加水分解)
 上記反応により得られた一般式(2B)の化合物においては、必要に応じて加水分解またはイオン交換を行ってもよい。
 例えば、上記反応により得られた一般式(2B)の化合物においては、必要に応じて加水分解を行ってもよい。一般式(2B)の化合物に加水分解を行った後にさらにイオン交換を行ってもよい。一般式(2B)の化合物に加水分解を行うことにより、一般式(2B)においてM3bおよびM4bが水素原子またはアルカリ金属などである化合物を得ることができる。また、さらにイオン交換を行うことにより、M3bおよびM4bの種類を所望の種類に変換することができる。
 加水分解の方法としては、公知各種の方法を使用することができる。また、ポリチオフェン化合物の加水分解について後述する方法および条件を使用することができる。
 イオン交換の方法としては、公知各種の方法を使用することができる。また、含リンチオフェン共重合体のイオン交換について後述する方法および条件を使用することができる。
 (精製)
 第二工程において得られた生成物については、精製等の後処理を行わずに含リンチオフェン化合物として、重合工程に用いても良い。あるいは、公知の方法による精製などの後処理を行っても良い。
 (R1Aが水素原子以外である場合の製造方法)
 含リンチオフェン化合物は、R1Aが水素原子以外である場合にも、上記方法と基本的に同様の方法で製造することができる。
 R1Aが式(15)の基である場合には、例えば、以下の方法で含リンチオフェン化合物を製造することができる。
 (第一工程)
 第一工程においては、以下の反応により、一般式(17A)のジオールと一般式(18)の3,4-ジアルコキシチオフェンを反応させて一般式(19A)で表される中間体を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000041
 ここで、RおよびRは、アルキル基(例えば、メチル基)である。
 例えば、LおよびLが-(CH)-である場合には、上記3-ハロゲン化-1,2-プロパンジオールの代わりに、式(17A)の化合物として1,4-ジハロゲン化-2,3-ブタンジオールを使用する。
 式(19A)におけるLおよびLが-(CH)-以外である化合物についても、上記方法と同様の方法によって得ることができる。
 (第二工程)
 第一工程で得られた一般式(19A)の中間体と一般式(11A)の化合物とを上記方法で反応させて、脱保護を行うことにより、または一般式(19A)の中間体と一般式(11B)の化合物とを上記方法で反応させることにより、一般式(Am)の含リンチオフェン化合物が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000042
 ここで、R1Aは、以下の一般式(15)で表される基である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000043
 中間体とホスファイトの混合比率は、中間体1モルに対してホスファイト1.6モル以上が好ましく、2モル以上がより好ましい。また、中間体1モルに対してホスファイト20モル以下が好ましく、10モル以下が更に好ましく、6モル以下が特に好ましい。
 R1Aが、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、またはアシル基である場合には、例えば、以下の方法で含リンチオフェン化合物を製造することができる。
 (第一工程)
 第一工程においては、以下の反応により、一般式(17B)のジオールと一般式(18)の3,4-ジアルコキシチオフェンを反応させて一般式(19B)で表される中間体を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000044
 (第二工程)
 第一工程で得られた一般式(19B)の中間体と一般式(11A)の化合物とを上記方法で反応させて、脱保護を行うことにより、または一般式(19B)の中間体と一般式(11B)の化合物とを上記方法で反応させることにより、一般式(Am)の含リンチオフェン化合物が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000045
 ここで、R1Aは、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、またはアシル基である。
 〔ポリチオフェン化合物の製造方法〕
 本発明のポリチオフェン化合物は、適切な酸化剤を用いて上記含リンチオフェン化合物を酸化重合し、そして適切な精製工程を行うことで得られる。酸化重合の方法としては、チオフェン化合物を重合する酸化重合方法として従来公知の方法を使用することができる。収率および操作性を考慮すると、後述する条件で製造することが好ましい。
 なお、本明細書中において「酸化重合」とは、酸化剤を用いてチオフェンモノマー化合物またはチオフェンモノマー混合物を重合してポリチオフェン化合物を合成する反応を意味する。ここで、「酸化」とは、この重合反応において、チオフェンモノマー化合物から2,5位の水素原子を引き抜くことを意味する。本明細書中において「酸化剤」とは、そのような酸化反応を引き起こす試薬をいう。チオフェンモノマーの酸化重合反応については、例えば、上記特許文献1~2などに説明されている。なお、酸化重合との用語について、化学大辞典においては、「二重結合を含む炭化水素残基をもつ化合物が酸素に触れて漸次重合する過程をいう。最もよい例は油脂の乾燥である。」と記載されている。しかし、チオフェンモノマーの重合は一般に空気中の酸素を酸化剤として使用するものではないので、その点において、本明細書中の「酸化重合」との用語は、化学大辞典等において使用される意味と若干異なる意味を有する。
 (モノマー)
 上記一般式(Am)の含リンチオフェン化合物を重合用モノマーとして用いて酸化重合を行うことにより、上記一般式(A)の構造単位を含むポリチオフェン化合物を得ることができる。
 なお、酸化重合を行う際には、一般式(Am)のチオフェン化合物を1種類のみ用いて酸化重合を行ってもよく、一般式(Am)のチオフェン化合物を2種類以上用いて酸化重合を行ってもよい。
 ただし、一般式(Am)以外のモノマーの量が多すぎると、本発明の利点が損なわれることになるので、一般式(Am)以外のモノマーの量は多すぎないことが好ましい。一般式(Am)以外のモノマーの量は、重合反応に使用されるモノマーの合計のうちの40モル%以下であることが好ましく、30モル%以下であることがより好ましく、20モル%以下であることがさらに好ましく、10モル%以下であることがいっそう好ましく、5モル%以下であることがひときわ好ましく、3モル%以下であることが特に好ましく、1モル%以下であることが最も好ましい。
 (酸化剤)
 本発明における酸化重合反応は酸化剤の存在下で行われる。酸化剤としては、チオフェン化合物の酸化重合反応に一般的に用いられている酸化剤が使用できる。具体的には、過硫酸アンモニウム、塩化第二鉄、パラトルエンスルホン酸第二鉄、硫酸第二鉄、および硝酸第二鉄などが挙げられる。
 鉄原子を含む酸化剤が好ましく使用できる。より好ましくは、塩化第二鉄、パラトルエンスルホン酸第二鉄、硫酸第二鉄、および硝酸第二鉄が挙げられる。
 上記酸化剤は2種類以上併用して用いてもよい。2種類以上を併用する場合においては、そのうちの1種類として鉄原子を含む酸化剤を用いることが好ましい。具体的には、併用する場合の好ましい組み合わせは、硫酸第二鉄と過硫酸アンモニウムの組み合わせである。
 酸化剤の使用量は、酸化重合反応が良好に進行する限り特に限定されない。酸化重合反応に使用するモノマーに対して1当量以上であることが好ましく、2当量以上であることが更に好ましく、3当量以上であることが特に好ましい。また、100当量以下であることが好ましく、60当量以下であることが更に好ましく、20当量以下であることが特に好ましい。
 使用量が上記範囲であれば反応がスムーズに進行する。
 なお、空気中の酸素は、通常、チオフェンモノマーの重合のための酸化剤とはならないので、空気の存在下で重合反応を行う場合においても、通常、空気中の酸素は、重合反応に使用される酸化剤の量に含めない。すなわち、「酸化重合」という用語は、空気中に存在する酸素を酸化剤として使用する重合反応を意味するものとして使用される場合があるが、本発明における重合反応はこのような重合反応とは異なる。
 (溶媒)
 本発明の重合反応は、必要に応じて、溶媒を用いてもよい。
 溶媒としては反応材料を溶解または分散できる液体であれば特に限定されない。溶媒の具体例としては、例えば、水、アンモニア水、塩酸などの水溶液、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノールなどのアルコール類、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類、アセトン、2-ブタノンなどのケトン類、塩化メチレン、クロロホルム、クロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素類、アセトニトリル、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン等が挙げられる。好ましくは、水、アンモニア水、塩酸、メタノール、エタノール、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、アセトン、テトラヒドロフランおよびトルエンであり、水、メタノール、アセトニトリル、ジメチルホルムアミドおよびジメチルスルホキシドが更に好ましい。
 上記溶媒については、1種類の溶媒を単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いてもよい。2種類以上を混合した混合溶媒が好ましい。
 (反応温度)
 重合の際の反応温度は、特に限定されない。-20℃以上が好ましく、0℃以上がより好ましく、10℃以上が更に好ましく、20℃以上が特に好ましい。また、80℃以下が好ましく、60℃以下が更に好ましい。
 (反応時間)
 本発明における重合の反応時間は、各々の条件において、反応するのに充分な時間を適宜選択すればよい。反応が充分に進行していれば、反応時間の違いが本発明の効果に大きな影響を及ぼすことはない。
 反応時間は、好ましくは、1時間以上であり、より好ましくは、3時間以上であり、さらに好ましくは、6時間以上であり、いっそう好ましくは、9時間以上であり、特に好ましくは12時間以上であり、必要に応じて、15時間以上、18時間以上、21時間以上、または24時間以上とすることも可能である。また、好ましくは、7日間以下であり、より好ましくは、5日間以下であり、さらに好ましくは、3日間以下であり、いっそう好ましくは、2日間以下であり、特に好ましくは36時間以下であり、必要に応じて、30時間以下、28時間以下または26時間以下とすることも可能である。
 (加水分解)
 重合反応により得られたポリチオフェン化合物は、必要に応じて、加水分解を行っても良い。加水分解を行うことにより、ポリチオフェン化合物中のリン酸またはホスホン酸アルキルエステル部分のエステル結合を分解してリン酸またはホスホン酸構造部位[-OP(O)(OH)または-P(O)(OH)]、リン酸またはホスホン酸モノアルキルエステル構造部位[-OP(O)(OH)(OR)または-P(O)(OH)(OR)、ここでRは炭素原子数1~15のアルキル基である]またはリン酸またはホスホン酸一水素塩構造部位[-OP(O)(OH)(OM)または-P(O)(OH)(OM)、ここでMは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基である]を得ることができる。
 例えば、強酸で処理する方法、または強アルカリで処理することなどの方法により、加水分解を行うことができる。例えば、酸性水溶液またはアルカリ性水溶液中で加熱するなどの方法により加水分解を行うことが出来る。強酸としては、例えば、塩酸、硫酸などのプロトン酸、およびトリメチルシリルブロマイドなどのルイス酸などが挙げられる。強アルカリとしては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどが挙げられる。ここで、ルイス酸を用いる場合は、例えば、ルイス酸と反応させた後、水と反応させる方法などが好ましく使用可能である。ポリチオフェン化合物骨格の安定性を考慮すると、アルカリで処理することが好ましい。
 加水分解の際に加熱を行う場合、その温度は特に限定されない。好ましくは30℃以上であり、より好ましくは50℃以上である。また、好ましくは100℃以下であり、より好ましくは90℃以下である。
 加水分解を行う時間も特に限定されない。好ましくは1時間以上であり、より好ましくは6時間以上である。また、好ましくは4日間以下であり、より好ましくは2日間以下である。
 加水分解をして得られたポリチオフェン化合物については、さらに、必要に応じてイオン交換を行って水素イオン供与性のリン酸またはホスホン酸構造部位の量を調整してもよい。
 (精製)
 重合反応により得られたポリチオフェン化合物には、適切な精製操作を行う。精製操作としては、ポリチオフェン化合物の精製方法として公知の任意の方法を使用することができる。例えば、遠心分離、濾過、脱水、乾燥、洗浄、限外濾過、透析などの操作を行うことができる。精製操作の回数および種類は特に限定されない。1種類の精製操作を1回行うことのみによって精製操作を終了しても良いが、必要に応じて、2回以上の精製操作を行ってもよい。例えば、精製操作を3回以上、4回以上または5回以上行ってもよい。ここで、1種類の精製操作を繰り返して2回以上行ってもよく、複数種類の精製操作を組み合わせて合計として2回以上の精製操作を行ってもよい。精製操作の回数に特に上限はないが、好ましくは20回以下であり、より好ましくは15回以下であり、さらに好ましくは10回以下である。回数が多すぎる場合には、製造プロセス全体として長時間を要することになり、製造効率が低下する。
 本発明の好ましい実施形態においては、キレート化合物を用いて精製を行う。キレート化合物を用いて精製を行うことにより、高い導電性を有する樹脂が得られる。本明細書中において、キレート化合物とは、複数の配位子を有する化合物をいう。キレート化合物を用いる精製の方法としては、ポリチオフェン化合物とキレート化合物を接触させることができる任意の方法が使用可能である。ポリチオフェン化合物とキレート化合物とが液体中で接触できる方法が好ましい。1つの実施形態においては、ポリチオフェン化合物に溶媒およびキレート化合物を加えて撹拌することにより、ポリチオフェン化合物の精製を行うことができる。好ましい溶媒は水である。精製を行う温度は特に限定されない。室温であってもよく、加熱された温度であってもよい。精製を行う際のポリチオフェン化合物とキレート化合物を含む混合物が液体の状態を保つことができる温度が好ましい。
 キレート化合物としては、従来公知の任意のキレート化合物を使用できる。好ましくは、リン原子および酸素原子を含むキレート化合物である。より好ましくは、複数(例えば、2つ)のホスホン酸構造部位(-P(=O)(OH))を有する化合物である。例えば、ビスホスホネートが使用可能である。特に好ましい具体例としては、エチドロン酸が挙げられる。
 (イオン交換)
 重合反応により得られたポリチオフェン化合物には、必要に応じて、イオン交換を行ってドープの量を調節しても良い。イオン交換は酸性水溶液やイオン交換樹脂などにより行うことが出来る。
 すなわち、重合により得られたポリチオフェン化合物のリン酸またはホスホン酸、リン酸またはホスホン酸モノアルキルまたはリン酸またはホスホン酸一水素塩の水素イオン供与基がポリマー全体として所望の量よりも少ない場合には、リン酸またはホスホン酸に結合している金属イオンやアンモニウムイオンを水素イオンにイオン交換することにより、ドープの効果を大きくすることができる。
 また逆に、重合により得られたポリチオフェン化合物のリン酸またはホスホン酸、リン酸またはホスホン酸モノアルキルまたはリン酸またはホスホン酸一水素塩の水素イオン供与基がポリマー全体として所望の量よりも多すぎる場合には、リン酸またはホスホン酸、リン酸またはホスホン酸モノアルキルまたはリン酸またはホスホン酸一水素塩の水素イオンを他のイオン(例えば、アルカリ金属イオン、アンモニウムイオン等)にイオン交換することにより、ドープの効果を小さくすることができる。
 イオン交換は、ポリチオフェン化合物を重合した後に行うことができる。上記精製の操作と同時に行うことも可能であり、精製の操作より前に行ってもよく、精製の操作の後に行ってもよい。例えば、ろ過により精製を行う際には、ろ過を行うカラムにイオン交換樹脂を充填しておけば、ろ過による精製と同時にイオン交換を行うことができる。
 イオン交換の方法としては、従来公知のイオン交換の方法が使用可能である。
 例えば酸性水溶液を用いる場合、重合により得られたポリチオフェン化合物生成物を酸性水溶液に接触させることにより、イオン交換を行うことができる。具体的には例えば、ポリチオフェン化合物生成物を酸性水溶液中で攪拌してポリチオフェン化合物生成物中に存在するリン酸またはホスホン酸塩化合物の塩の部分を水溶液中の水素イオンと反応させるなどの方法により、イオン交換を行うことができる。ドープの効果を大きくするために水素イオンを増やす場合には、ポリチオフェン化合物生成物の酸性置換基に対して過剰量の酸を用いることが好ましい。ドープの効果を小さくするためには用いる酸の量を少なくすればよい。つまり、用いる酸の量によりドープの効果は任意に設定できる。また、ポリチオフェン化合物生成物と酸を反応させる時間も任意に設定できる。
 例えばイオン交換樹脂を用いる場合、ポリチオフェン化合物生成物を水中でイオン交換樹脂に接触させるなどの方法により、イオン交換を行うことができる。ドープの効果を大きくするために水素イオンを増やす場合には、強酸性陽イオン交換樹脂を用いることが好ましい。ドープの効果を小さくするために水素イオンを減らす場合には、強塩基性陽イオン交換樹脂を用いることが好ましい。イオン交換樹脂にポリチオフェン化合物生成物を接触させる方法としては任意の方法が使用可能である。例えば、カラムにイオン交換樹脂を詰めて、ポリチオフェン化合物生成物を含む溶液を流してもよいし、また、単に容器にイオン交換樹脂を入れて、その容器にポリチオフェン化合物生成物を含む溶液を入れてもよい。また、ポリチオフェン化合物生成物とイオン交換樹脂とを接触させる場合には、その容器を振盪させたり、溶液を攪拌したりすることにより、その効率を向上させても良い。ポリチオフェン化合物生成物とイオン交換樹脂とを接触させる時間は任意に設定できる。例えば、カラムに少量(例えば、1滴)のポリチオフェン化合物生成物溶液を流す場合であれば、その少量の溶液がイオン交換樹脂に上部に接触した時間からイオン交換樹脂の下部から離れるまでの時間として設定される。また例えば、カラムに大量のポリチオフェン化合物生成物溶液を流す場合であれば、その溶液の最初の部分がイオン交換樹脂に上部に接触した時間からイオン交換樹脂の下部から離れるまでの時間と、その溶液の最後の部分がイオン交換樹脂に上部に接触した時間からイオン交換樹脂の下部から離れるまでの時間との平均として設定される。また、容器にイオン交換樹脂とポリチオフェン化合物生成物溶液を入れる場合であれば、その溶液とイオン交換樹脂が容器中で混合される時間として設定される。
 ポリチオフェン化合物生成物のイオン交換の1回の操作を行う時間(例えば、上述したポリチオフェン化合物生成物と酸性水溶液の接触時間あるいはイオン交換樹脂とポリチオフェン化合物生成物の接触時間)は、所望とされるイオン交換の程度に応じて任意に設定されるが、例えば、5秒間以上とすることが好ましく、10秒間以上とすることがより好ましく、いっそう好ましくは1分間以上であり、さらに好ましくは、10分間以上である。接触時間が短すぎる場合にはイオン交換が不十分になりやすい。また、1日間以下とすることが好ましく、より好ましくは12時間以下であり、さらに好ましくは、2時間以下である。接触時間が長すぎる場合には、製造プロセス全体として長時間を要することになり、製造効率が低下する。
 イオン交換の操作を行う回数は特に限定されない。ポリチオフェン化合物生成物に対して1回のみのイオン交換の操作でイオン交換を完了してもよく、イオン交換の操作を2回以上繰り返して行っても良い。2回以上繰り返して行えば、ドープ効果が高いポリチオフェン化合物を容易に得ることができる。具体的には、3回以上繰り返して行うことが好ましく、4回以上繰り返して行うことがより好ましく、5回以上繰り返して行うことがさらに好ましい。また、イオン交換の操作を行う回数は、好ましくは20回以下であり、より好ましくは15回以下であり、さらに好ましくは10回以下である。回数が多すぎる場合には、製造プロセス全体として長時間を要することになり、製造効率が低下する。
 また、イオン交換の操作を2回以上行う場合、同一のイオン交換の操作のみを2回以上繰り返してもよく、2種類以上のイオン交換の操作を行ってもよい。
 1つの好ましい実施形態においては、イオン交換の操作を精製の操作と組み合わせて一連の工程とすることができる。例えば、ポリチオフェン化合物生成物に酸性水溶液を添加してイオン交換を行った後、ポリチオフェン化合物生成物の精製工程(例えば、遠心分離)を行って水等を除去して純度が高くなったポリチオフェン化合物を取り出すことにより、ドープ効率が高く、かつ純度も高いポリマーを得ることができる。さらに、このイオン交換の操作を精製の操作と組み合わせた一連の工程を一つのサイクルとして、このサイクルを複数回繰り返して行うこともできる。例えば、ポリチオフェン化合物生成物に酸性水溶液を添加してイオン交換を行った後、ポリチオフェン化合物生成物の精製工程(例えば、遠心分離)を行って純度が高くなったポリチオフェン化合物を取り出し、その第1回精製後のポリチオフェン化合物に再度酸性水溶液を添加して2回目のイオン交換を行い、その後、再度精製工程を行って純度がさらに高くなった第2回精製後のポリチオフェン化合物を取り出す、という一連の工程を繰り返すことにより、ドープ効率が非常に高く、かつ純度も高いポリマーを効率良く得ることができる。すなわち高純度で電導性の高いポリマーを効率良く得ることができる。イオン交換の操作および精製の操作を含む一連の工程からなるサイクルを繰り返す回数は特に限定されない。具体的には、3回以上繰り返して行うことが好ましく、4回以上繰り返して行うことがより好ましく、5回以上繰り返して行うことがさらに好ましい。また、好ましくは20回以下であり、より好ましくは15回以下であり、さらに好ましくは10回以下である。回数が多すぎる場合には、製造プロセス全体として長時間を要することになり、製造効率が低下する。
 (用途)
 本発明のポリチオフェン化合物は、導電性ポリチオフェン化合物の用途として従来公知の各種用途に使用することができる。具体的には、例えば、帯電防止剤や導電性高分子コンデンサの部材として使用することができる。また、太陽電池の正孔輸送層の材料として使用することができる。
 (帯電防止剤)
 本発明のポリチオフェン化合物を帯電防止剤に使用する方法としては、従来の導電性ポリチオフェン化合物が帯電防止剤に用いられていた各種公知の方法を採用することができる。例えば、水あるいはその他適切な溶剤中に、本発明のポリチオフェン化合物を溶解または分散させたものを基材にコーティングすれば、その基材の表面に帯電防止作用が付与される。基材としては、帯電防止作用が望まれる任意の固体物質が挙げられる。具体例としては、例えば、高分子フィルム、高分子繊維、高分子樹脂成形品などが挙げられる。
 コーティング方法としては、従来のポリチオフェン化合物を基材にコーティングする方法として使用されている任意の方法が、本発明のポリチオフェン化合物においても使用可能である。具体例としては、例えば、スピンコート、ディップコートなどが挙げられる。
 (導電性高分子コンデンサ)
 導電性高分子コンデンサとは電解コンデンサの一種であり、電解コンデンサの電解質あるいは陰極または陰極導電層に導電性高分子を用いたものである。その導電性高分子に本発明のポリチオフェン化合物を使用することができる。
 (太陽電池)
 1つの実施形態において、本発明のポリチオフェン化合物は、太陽電池のための材料として使用することができる。本発明のポリチオフェン化合物は、例えば、太陽電池の正孔輸送層に使用することができる。
 太陽電池の正孔輸送層のための導電性材料は、高い導電性を有するだけでなく、正孔輸送層のための特性を必要とする。
 本発明のポリチオフェン化合物を太陽電池の正孔輸送層に使用した場合に高い性能(例えば、高い光電変換効率)を達成することができる。要因は定かではないが、本発明のポリチオフェン化合物はエネルギー準位がTOとマッチしているなど、正孔輸送層として優れた何かしらの特性を有しているものと考えられる。
 太陽電池の製造方法としては、従来公知の太陽電池の製造方法を使用することができる。例えば、太陽電池を構成する各層を積層する方法を使用することができる。より具体的には、本発明のポリチオフェン化合物を含む材料を含む正孔輸送層を形成する工程と、太陽電池を構成するその他の層を形成する工程とを含む方法などが使用可能である。正孔輸送層を形成する材料としては、本発明のポリチオフェン化合物の水溶液を用いてもよい。また、必要に応じて、ポリチオフェン化合物の水溶液にトリメチルアミン、トリエチルアミン、トリブチルアミン、ジエチルアミンおよびジブチルアミンなどのアミン類やアンモニアなどの塩基を添加して用いてもよい。
 以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定される訳ではない。
 〔導電性の測定方法〕
 本発明のポリチオフェン化合物の導電性は、その電気伝導度を下記方法で測定することで確認した。
 (試験片の作成)
 測定するポリチオフェン化合物20mgを水に加えた後、1Nトリメチルアミン水をポリチオフェン化合物が溶解するまで加え、合計1mlの水溶液とした。その水溶液20uLをドロップキャスト法で下記基板の円内に薄膜を作成し、ホットプレートで加熱し乾燥させた。
 基板:無アルカリガラス基板上にポリイミドテープで直径1cmの円を作成したものを基板として使用した。
 (電気伝導度の測定)
低抵抗率計(日東精工アナリテック社製,LORESTA-GX MCP-T700)を用いて,四探針法により測定した表面抵抗値と膜厚計(ミツトヨ製,高精度デジマチックマ
イクロメーター MDH-25MB)で測定した膜厚とで下記式にて算出した。
導電率(S/cm) = 1 /(表面抵抗値(Ω/□) × 膜厚(cm))
 [吸光度の測定]
 以下の手順で試料を調製した。
 測定するポリチオフェン化合物に水およびトリメチルアミンを添加して溶解させ、pHを9.2~9.4の範囲に調整し、0.2wt%のポリマー溶液を作製した。その後、約1時間超音波照射した。UV-オゾン処理した無アルカリガラス基板(1.3cm×2.6cm)を準備し、得られた液体のうちの35μlを、このガラス基板上にドロップキャストした。その後、大気下、常温で2時間静置して、乾燥した薄膜を得た。
 得られた薄膜の試料について、紫外可視近赤外吸収スペクトル装置(日本分光株式会社製、V-770)を用いて、350nm~2500nmの波長範囲で吸光度の測定を行った。ブランクとしては空気を用い、850nmにおいて検出器および回折格子の切り替えを行った。350nm~850nmの範囲においては、光電子増幅管、850nm~2500nmの範囲においては、冷却型PBS高導電素子を用いた。1600nmでの吸光度変動はガラス基板からの反射による戻り光の影響である。
波長Xnmにおける吸光度比は、下記式により計算した。
 波長Xnmにおける該組成物の吸光度:A
 波長407nmにおける該組成物の吸光度:A407
 波長Xnmにおける吸光度比=A/A407
 <合成例1>チオフェンモノマーの合成
フラスコ内で、パラトルエンスルホン酸・一水和物0.34g(1.79mmol)、トルエン75mL、3-ブロモ-1,2-プロパンジオール6.76g(43.6mmol)、3,4-ジメトキシチオフェン2.51g(17.4mmol)を加えた混合溶液を100℃で24時間撹拌後、室温(20~25℃)に冷却してから、固形物をセライトでろ別し、濾滓を塩化メチレンで洗浄した。得られたろ液と濾滓の洗浄液を混合し、溶媒を留去した後、塩化メチレンで抽出した。その時に得られた有機相を硫酸ナトリウムで乾燥させた後、溶媒を留去した。得られた黒色液体をカラムクロマトグラフィーで精製し、白色固体の下記式(4)で表される化合物2.23gを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000046
得られた式(4)で表される化合物0.50g(2.13mmol)および亜リン酸トリス(トリメチルシリル)5.0g(16.75mmol)を加え、150℃で24時間撹拌後、室温(20~25℃)に冷却した。その後、残存亜リン酸トリス(トリメチルシリル)などの低沸点成分を留去した。さらに、得られた反応生成物に1.5Mアンモニア水5mLおよびメタノール5mLを加え、1時間撹拌した。溶媒留去後、133Paの減圧下で乾燥し、白色固体の下記式(5)で表されるチオフェンモノマー0.51gを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000047
 <実施例1>
 以下の手順でポリチオフェン化合物1を合成した。
 (合成)
 フラスコに合成例1で得られたチオフェンモノマー0.3g(1.27mmol)、酸化剤として硝酸第二鉄・九水和物1.28g(3.17mmol)および水5mlを加えて混合溶液を作成し24h攪拌した。得られた混合溶液に1N塩酸を加え、室温で攪拌したところ、固体が析出した。桐山ろうとで固体をろ別し、アセトン数mlで洗浄して減圧下乾燥して黒青色固体を得た。
 (精製)
 得られた黒青色固体に、水5mlおよび4.2Mエチドロン酸水溶液7.6mlを加え、室温(20℃~25℃)で2時間攪拌した。その後、桐山ろうとで固体をろ別し、アセトン数mlで洗浄して、減圧下乾燥して、黒色固体のポリチオフェン化合物1を0.18g得た。得られたポリチオフェン化合物1を用いて上記「試験片の作成」に記載した方法で試験片を作成し、該試験片の導電性を上記「電気伝導度の測定」に記載した方法により測定し、ポリチオフェン化合物1の吸光度を上記「吸光度の測定」に記載した方法にて測定して吸光度比を計算した。その結果を図1および表1に示す。
 <実施例2>
 以下の手順でポリチオフェン化合物2を合成した。
 (合成)
 フラスコに合成例1で得られたチオフェンモノマー0.3g(1.27mmol)、酸化剤として硫酸第二鉄・九水和物2.11g(3.75mmol)および水4mlを加えて混合溶液を作成し7h攪拌した後、過硫酸アンモニウム0.37g(1.65mmol)を水3mlに加えた溶液を17hかけて滴下した。得られた混合溶液に1N塩酸を加え、室温で攪拌したところ、固体が析出した。桐山ろうとで固体をろ別し、アセトン数mlで洗浄して減圧乾燥し黒青色固体を得た。
 (精製)
 得られた黒青色固体を実施例1の精製と同様の操作を行い黒青色固体のポリチオフェン化合物2を0.25g得た。得られたポリチオフェン化合物2を用いて上記「試験片の作成」に記載した方法で試験片を作成し、該試験片の導電性を上記「電気伝導度の測定」に記載した方法により測定し、ポリチオフェン化合物2の吸光度を上記「吸光度の測定」に記載した方法にて測定して吸光度比を計算した。その結果を図1および表1に示す。
 <実施例3>
 以下の手順でポリチオフェン化合物3を合成した。
 (合成)
 酸化剤として塩化第二鉄・六水和物0.86g(3.18mmol)を用いる以外実施例1の合成と同様の操作を行い黒青色固体を得た。
 (精製)
 得られた黒青色固体を実施例1の精製と同様の操作を行い黒青色固体のポリチオフェン化合物3を0.13g得た。ポリチオフェン化合物3を用いて上記「試験片の作成」に記載した方法で試験片を作成し、該試験片の導電性を上記「電気伝導度の測定」に記載した方法により測定し、ポリチオフェン化合物3の吸光度を上記「吸光度の測定」に記載した方法にて測定して吸光度比を計算した。その結果を図1および表1に示す。
 <実施例4>
 以下の手順でポリチオフェン化合物4を合成した。
 (合成)
 酸化剤としてパラトルエンスルホン酸第二鉄・六水和物2.15g(3.18mmol)を用いた以外は実施例1の合成と同様の操作を行い黒青色固体を得た。
 (精製)
 得られた黒青色固体を実施例1の精製と同様の操作を行い黒青色固体のポリチオフェン化合物4を0.18g得た。ポリチオフェン化合物4を用いて上記「試験片の作成」に記載した方法で試験片を作成し、該試験片の導電性を上記「電気伝導度の測定」に記載した方法により測定し、ポリチオフェン化合物4の吸光度を上記「吸光度の測定」に記載した方法にて測定して吸光度比を計算した。その結果を図1および表1に示す。
 <実施例5>
 以下の手順でポリチオフェン化合物5を合成した。
 (合成)
 酸化剤として硫酸第二鉄・九水和物2.86g(5.08mmol)を用いた以外は、実施例1の合成と同様の操作を行い、黒青色固体を得た。
 (精製)
 得られた黒青色固体を実施例1の精製と同様の操作を行い黒青色固体のポリチオフェン化合物5を0.24g得た。ポリチオフェン化合物5を用いて上記「試験片の作成」に記載した方法で試験片を作成し、該試験片の導電性を上記「電気伝導度の測定」に記載した方法により測定し、ポリチオフェン化合物5の吸光度を上記「吸光度の測定」に記載した方法にて測定して吸光度比を計算した。その結果を図1および表1に示す。
 <比較例1>
 特開2018-48322の実施例4においては、合成例1のチオフェンモノマーの重合物の導電性が0.27S/mであったことが記載されている。この値は、cmの単位に換算すると、2.7×10-3S/cmである。しかしながら、本願と測定方法が異なるためこの値は、上記実施例の結果と直接比較することができない。
 そのため、特開2018-48322の実施例4と同様の方法でポリチオフェン化合物6を合成し、ポリチオフェン化合物6を用いて上記「試験片の作成」に記載した方法で試験片を作成し、該試験片の導電性を上記「電気伝導度の測定」に記載した方法により測定し、ポリチオフェン化合物6の吸光度を上記「吸光度の測定」に記載した方法にて測定して吸光度比を計算した。その結果を図1および表1に示す。
 <比較例2>
 以下の手順でポリチオフェン化合物7を合成した。
 実施例5の合成と同様の操作を行い、精製は行わずにポリチオフェン化合物7を0.3g得た。
 得られたポリチオフェン化合物7を用いて上記「試験片の作成」に記載した方法で試験片を作成し、該試験片の導電性を上記「電気伝導度の測定」に記載した方法により測定し、ポリチオフェン化合物7の吸光度を上記「吸光度の測定」に記載した方法にて測定して吸光度比を計算した。その結果を図1および表1に示す。
 <比較例3>
 以下の手順でポリチオフェン化合物8を合成した。
 フラスコに合成例1で得られたチオフェンモノマー0.3g(1.27mmol)、酸化剤として硫酸第二鉄・九水和物2.86g(5.08mmol)および水5mlを加えて混合溶液を作成し24h攪拌した。得られた混合溶液にジエチルエーテル数mlを加え、析出した固体をろ別し、黒青色固体のポリチオフェン化合物8を0.3g得た。
 ポリチオフェン化合物8を用いて上記「試験片の作成」に記載した方法で試験片を作成し、該試験片の導電性を上記「電気伝導度の測定」に記載した方法により測定し、ポリチオフェン化合物8の吸光度を上記「吸光度の測定」に記載した方法にて測定して、吸光度比を計算した。その結果を図1および表1に示す。
 (ポリチオフェン化合物9の合成)
 <合成例2>チオフェンモノマーの合成
 合成例1中で得られた式(4)で表される化合物4.6g(19.5mmol)、酢酸カリウム3.1g(31.6mol)、トリエチルアミン3.3g(32.6mol)、ジメチルスルホキサイド45mlの混合溶液を100℃で14時間攪拌した後、室温(20~25℃)に冷却し、トルエンおよび水を添加した後に静置分離した。分離して得られた有機層を水で洗浄した後、溶媒を除去して褐色液体の下記式(6)で表される化合物3.9gを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000048
 得られた式(6)で表される化合物3.9g(18.2mmol)、30%水酸化ナトリウム水溶液2.7g(20.2mmol)および水の混合溶液を100℃で10時間攪拌した。その後、室温(20~25℃)に冷却し、35重量%塩酸(塩化水素水溶液)2.2g、ジクロロメタンおよび水を加えて攪拌した。その後、静置分離した。分離して得られた水層に、ジクロロメタン、酢酸エチル、35重量%塩酸2.0gを添加して撹拌した後に静置分離した。分離して得られた有機層から溶媒を除去して、褐色液体の下記式(7)で表される化合物2.9gを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000049
 得られた式(7)で表される化合物1.0g(5.81mmol)、1,4-ジブロモブタン12.7g(58.8mmol)、テトラブチルアンモニウムブロミド1.0g(3.10mmol)、THF3.6mlの混合溶液に30%水酸化ナトリウム水溶液65g(487.5mmol)を氷浴下15分で滴下し、室温で2.5時間攪拌した。その後、水、酢酸エチルおよびヘキサンを加えて攪拌した後、静置分離した。分離して得られた有機層を水で洗浄し、無水硫酸ナトリウムで脱水した後、溶剤を除去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製して、白色固体の下記式(9A)で表される化合物1.7gを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000050
 得られた式(9A)で表される化合物1.5g(4.88mmol)および亜リン酸トリス(トリメチルシリル)2.0g(6.7mmol)の混合液を150℃で24時間撹拌した後、室温(20~25℃)に冷却した。その後、残存亜リン酸トリス(トリメチルシリル)などの低沸点成分を留去した。さらに、得られた反応生成物に1.5Mアンモニア水5mLおよびメタノールを加え、1時間撹拌した後、溶媒を留去した。その後、減圧乾燥して白色固体の下記式(9B)で表されるチオフェンモノマー1.0gを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000051
 <実施例6>
 以下の手順でポリチオフェン化合物9を合成した。
 (合成)
 合成例2で得られたチオフェンモノマー(式(9B))0.3g(0.97mmol)、酸化剤として塩化第二鉄・六水和物2.1g(7.8mmol)および水とジメチルホルムアミドをそれぞれ1.3ml加えた混合溶液を作成し3時間攪拌した後、過硫酸アンモニウム0.16g(0.70mmol)と水1.3mlとジメチルホルムアミド1.3mlを混合した溶液を4.5時間かけて滴下した。得られた混合溶液に1N塩酸を加え、室温で攪拌したところ、固体が析出した。桐山ろうとで固体をろ別し、アセトン数mlで洗浄して減圧乾燥し黒青色固体を得た。
 (精製)
 得られた黒青色固体を実施例1の精製と同様の操作を行い黒青色固体のポリチオフェン化合物9を0.1g得た。ポリチオフェン化合物9を用いて上記「試験片の作成」に記載した方法で試験片を作成し、該試験片の導電性を上記「電気伝導度の測定」に記載した方法により測定し、ポリチオフェン化合物9の吸光度を上記「吸光度の測定」に記載した方法にて測定して吸光度比を計算した。その結果を図1および表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000052
 (ポリチオフェン化合物10の合成)
 <合成例3>チオフェンモノマーの合成
 合成例2中で得られた式(7)で表される化合物1.0g(5.81mmol)、1,3-ジブロモプロパン15.0g(74.2mmol)、テトラブチルアンモニウムブロミド0.26g(0.81mmol)、THF3.6mlの混合溶液に30%水酸化ナトリウム水溶液15.5g(116mmol)を氷浴下15分で滴下し、9.5時間攪拌した。その後、水、酢酸エチルおよびヘキサンを加えて攪拌した後、静置分離した。分離して得られた有機層に無水硫酸ナトリウムを添加して脱水し、溶剤を除去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製して、透明液体の下記式(10A)で表される化合物0.6gを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000053

 得られた式(10B)で表される化合物を用いて、合成例2の式(9A)の化合物から式(9B)の化合物を得た方法と同様の方法を行い、式(10B)で表される化合物を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000054
 <実施例7>
 以下の手順でポリチオフェン化合物10を合成した。
 (合成)
 合成例3で得られたチオフェンモノマー(式10B)0.3g(1.02mmol)、酸化剤として硫酸第二鉄・九水和物2.3g(4.09mmol)を用いた以外は、実施例1の合成と同様の操作を行い、黒青色固体を得た。
 (精製)
 得られた黒青色固体を用いて、実施例1の精製と同様の操作を行い黒青色固体のポリチオフェン化合物10を0.3g得た。ポリチオフェン化合物10を用いて上記「試験片の作成」に記載した方法で試験片を作成し、該試験片の導電性を上記「電気伝導度の測定」に記載した方法により測定し、ポリチオフェン化合物10の吸光度を上記「吸光度の測定」に記載した方法にて測定して吸光度比を計算した。その結果を図1および表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000055
 (ポリチオフェン化合物11の合成)
 <合成例4>チオフェンモノマーの合成
 合成例2中で得られた式(7)で表される化合物0.6g(3.48mmol)、トリエチルアミン0.5g(4.95mmol)、シクロペンチルメチルエーテル12mlの混合溶液中に、オキシ塩化リン0.7g(4.76mmol)およびシクロペンチルメチルエーテル4mlの混合溶液を、氷浴下10分かけて滴下し、その後2.5時間攪拌した。その後、反応溶液中のトリエチルアミン塩酸塩をろ過で取り除き、ろ液に1Mアンモニア水溶液20mlを加え2.5時間攪拌した後、水およびシクロペンチルメチルエーテルを追加し、静置分離した。分離して得られた水層に水酸化カルシウム0.26g(3.51mmol)、水を加え、白色沈殿を得て、ろ過で回収し水で洗浄した。その後、陽イオン交換樹脂によりカルシウムイオンを取り除き、減圧脱水して下記式(11C)で表される乳白色の固体0.2gを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000056
 <実施例8>
 以下の手順でポリチオフェン化合物11を合成した。
 (合成)
 合成例4で得られたチオフェンモノマー(式11C)0.3g(1.19mmol)、酸化剤として硫酸第二鉄・九水和物2.7g(4.80mmol)を用いた以外は、実施例1の合成と同様の操作を行い、黒青色固体を得た。
 (精製)
 得られた黒青色固体を用いて、実施例1の精製と同様の操作を行い黒青色固体のポリチオフェン化合物11を0.2g得た。ポリチオフェン化合物11を用いて上記「試験片の作成」に記載した方法で試験片を作成し、該試験片の導電性を上記「電気伝導度の測定」に記載した方法により測定し、ポリチオフェン化合物11の吸光度を上記「吸光度の測定」に記載した方法にて測定して吸光度比を計算した。その結果を図1および表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000057
 上記結果を以下の表にまとめる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000058

*APS;過硫酸アンモニウム
 Fe(SO;硫酸鉄(III)九水和物
 FeCl;塩化鉄(III)六水和物
 Fe(OTs);パラトルエンスルホン酸鉄(III)六水和物
 Fe(NO;硝酸鉄(III)九水和物
 比較例1~3においては、いずれも、波長2000nmにおける吸光度比が低かった。波長2000nmにおける吸光度比はバイポーラロンの状態のレベルを反映していると考えられるため、比較例1~3においては、いずれも、バイポーラロンの状態のレベルが低いことが理解される。他方、実施例1~8においては、いずれも、波長2000nmにおける吸光度比が高かった。そのため、実施例1~8においては、いずれも、バイポーラロンの状態のレベルが高いことが理解される。
 実施例1~8と比較例1~3を比較すると、比較例1~3においては、導電率が、2.5~3.6×10-4S/cmであったのに対して、実施例1~8では、導電率が、5.0×10-1~1.3×10S/cmであった。特に、実施例3~8では、導電率が、7.3~1.3×10S/cmであった。
 すなわち、実施例における導電率は、比較例における導電率の約1000倍以上であった。特に、波長2000nmにおける吸光度比が3以上の実施例3~8における導電率は、比較例における導電率の約20000倍以上であった。
 したがって、波長2000nmにおける吸光度比が1以上のポリチオフェン化合物は、波長2000nmにおける吸光度比が1未満のポリチオフェン化合物よりも顕著に高い導電率を達成できる。そして特に、波長2000nmにおける吸光度比が3以上または4以上のポリチオフェン化合物は、極めて高い導電率を達成することができる。
 以上から、本発明のポリチオフェン化合物により、飛躍的に高い導電性が達成されることがわかる。本発明によれば、極めて高い導電性を有する化合物および導電性材料組成物が提供される。
 <実施例9>
 (正孔輸送層製膜用材料の調製)
 (ポリチオフェン化合物5/DBA溶液(正孔輸送層製膜用材料1)の調製)
 実施例5で合成したポリチオフェン化合物5、n-ジブチルアミンおよび蒸留水を混合して、得られた混合物に3時間超音波照射を行った。その際、ポリチオフェン化合物5が1.8wt%、n-ジブチルアミンが1.9wt%となるようにした。残りの96.3wt%が水であった。得られた溶液を正孔輸送層製膜用材料1として太陽電池の作製に使用した。
 <比較例4>
 (PEDOT:PSS分散液(正孔輸送層製膜用材料2)の調製)
 ポリエチレンジオキシオルトチオフェン・ポリスチレンスルホン酸会合体(本明細書中で「PEDOT:PSS」と記載する)の市販の分散液(ポリエチレンジオキシオルトチオフェンおよびポリスチレンスルホン酸の合計量が分散液中の2.8wt%)(シグマアルドリッチ社製、分散媒:水)および蒸留水を混合して21時間攪拌した。その際、ポリエチレンジオキシオルトチオフェンおよびポリスチレンスルホン酸の合計量が得られた分散液中の1.1wt%となるようにした。得られた分散液を正孔輸送層製膜用材料3として太陽電池の作製に使用した。
 (太陽電池(評価用デバイス)の作製)
 ガラス基板の上にITO電極を積層した。実施例9で得られた正孔輸送層製膜用材料1または比較例4で得られた正孔輸送層製膜用材料2を用いて、ITO(+)電極上にスピンコート法で製膜し、150℃で加熱して正孔輸送層を積層した。その後、真空蒸着法で亜鉛フタロシアニン(ZnPc)、フラーレン(C70)、バソクプロイン(BCP)、アルミニウム(Al)をこの順に積層した。第1層(ガラス基板)の上に第2層(ITO電極)が150nmの厚さで積層され、第2層の上に第3層(正孔輸送層)が、第3層の上に第4層(亜鉛フタロシアニン(ZnPc)、p型、光電変換層)が、第4層の上に第5層(フラーレン(C70)、n型、光電変換層)が各々30nmの厚さで積層され、第5層の上に第6層(バソクプロイン(BCP)、電子輸送層)が12nmの厚さで積層され、第6層の上に第7層(アルミニウム(Al))が60nmの厚さで積層されたデバイスを得た。得られたデバイスの積層構造を図2に示す。
 ZnPcおよびBCPの化学構造は以下のとおりである。
ZnPc(亜鉛フタロシアニン)
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000059

BCP(バソクプロイン)
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000060

 正孔輸送層に正孔輸送層製膜用材料1を用いた評価用デバイス24個および正孔輸送層に正孔輸送層製膜用材料2を用いた評価用デバイス24個を作製した。
 (太陽電池(評価用デバイス)の評価)
 (電流密度-電圧(J-V)特性の評価)
 最初に、上記作成した評価用デバイスについて、暗時におけるJ-V特性をソースメーター(ケースレー社製、型式:2400)で測定して電極間が明らかに導通しているもの、および逆バイアス印加時に漏れ電流が大きいものに関しては不良セルとして除外した。残った正孔輸送層製膜用材料1を用いたデバイス21個および正孔輸送層製膜用材料2を用いたデバイス23個に、疑似太陽光(AM1.5G、100mW cm-2)を照射した。その照射下におけるJ-V特性をソースメーターで測定した。測定結果から、短絡光電流(Jsc)、開放電圧(Voc)、曲線因子(FF)、そして光電変換効率(PCE)(%)を算出した。その結果を下記表に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000061
 比較例4の正孔輸送層製膜用材料2を用いた場合と比べて、実施例9の正孔輸送層製膜用材料1を用いた場合に、光電変換効率(PCE)の平均値および最高値が共に、顕著に高くなった。
 図2に示されたデバイスのITO層とAl層との間に電圧引加装置を接続した構造を図3に示す。上記J-V特性の測定においては、図3中の電圧引加装置として、ソースメーターを使用した。
 J-V特性と各パラメータの関係を図4のグラフに示す。図4のグラフにおいて、横軸は、電圧(V)であり、縦軸は、電流密度J/mA cm-2である。光照射時の電流密度が実線で示されており、光を照射しない時(暗時)の電流密度が点線で示されている。その差を示す矢印が光電流を示す。
 開放電圧(Voc)は、電流密度が0になる電圧である。短絡電流密度(Jsc)は、電圧が0になる電流密度である。
 曲線因子(FF)は、最大出力点における電圧(Vmax)および電流密度(Jmax)から、以下の式で計算される。
 FF= (Jmax×Vmax)/(Jsc×Voc)
光電変換効率(PCE)は、以下の式で計算される。
 PCE=(Jmax×Vmax)/照射光エネルギー
    =(Voc×Jsc×FF)/照射光エネルギー
 上記正孔輸送層製膜用材料1および正孔輸送層製膜用材料2の正孔輸送層を用いたデバイスについての、光照射時の典型的なJ-V特性を図5のグラフに示す。図5のグラフにおいて、横軸は電圧(V)であり、縦軸は電流密度J/mAcm-2である。ポリチオフェン化合物5/DBA(正孔輸送層製膜用材料1)を用いた場合の電流密度が実線で示されている。PEDOT:PSS(正孔輸送層製膜用材料2)を用いた場合の電流密度が点線で示されている。
 (PCEの経時変化の評価)
 上記のデバイスを遮光し、窒素置換したグローブボックス内で保管した。その間、光照射時のJ-V特性の経時変化を追跡することで、保管中のデバイスの特性が低下する様子を調べた。
 規格化した(初期値を1とした)PCEの経時変化を表した結果のうち、典型的なものを図6に示す。横軸が経過時間を示し、縦軸が規格化したPCEの値(すなわち、一定時間経過した後のPCEの値の、初期のPCEの値に対する比)を示す。ポリチオフェン化合物5/DBA(正孔輸送層製膜用材料1)についての規格化したPCEの値が四角で示されている。PEDOT:PSS(正孔輸送層製膜用材料3)についての規格化したPCEの値が三角で示されている。
 いずれのデバイスでもPCEは時間とともに低下したが、低下の速さはポリチオフェン化合物5/DBA(正孔輸送層製膜用材料1)の方が、PEDOT:PSS(正孔輸送層製膜用材料2)よりも緩やかであった。具体的には、正孔輸送層製膜用材料1においては、45日保管した後におけるPCEが、初日のPCEの約50%程度であった。他方、正孔輸送層製膜用材料2においては、45日保管した後のPCEが、初日のPCEの約20%程度であった。従って、正孔輸送層製膜用材料1は、PCEの安定性の点で正孔輸送層製膜用材料2よりも顕著に優れていることが確認された。
 上記結果から、本発明の導電性材料は、導電性に優れるだけでなく、太陽電池の正孔輸送層に適切な特性を有することが理解される。
 本発明によれば、優れた導電性を有するポリチオフェン化合物および導電性材料組成物が提供される。本発明のポリチオフェン化合物および導電性材料組成物は、帯電防止剤、コンデンサ、有機EL、2次電池、キャパシタ、静電気防止剤、太陽電池、プラスチック電極の電極材料、EMI材料、有機強磁性体、エレクトロクロミック材料、各種センサー等の様々な用途に適用することができる。
 以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

Claims (12)

  1.  下記一般式(A):
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
    で表される構造単位を含むポリチオフェン化合物であって、
     ここで、Lは、式(21):
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
    で表され、ここで、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、nは、0または1であり、nは、独立して1~6の整数であり、nは、独立して、0または1であり、nは、0~12の整数であり、そして式(21)の左端が式(A)中のジオキサン環中の炭素原子に結合しており、
     MおよびMは各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基であり、ただし、MまたはMの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてMまたはMの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となり、
     MおよびMのうちの少なくとも1つが水素原子である場合には、該化合物が、該水素原子の部分において塩基性物質と結合して塩を形成してもよく、
     R1Aは、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アシル基、または式(15)で表される基であり、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
     ここで、Lは、式(22):
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
    で表され、ここで、R15は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、R16は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、mは、0または1であり、mは、独立して1~6の整数であり、mは、独立して、0または1であり、mは、0~12の整数であり、そして式(22)の左端が式(A)中のジオキサン環中の炭素原子に結合しており、
     M1cおよびM2cは各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基であり、ただし、M1cまたはM2cの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてM1cまたはM2cの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となり、
     M1cおよびM2cのうちの少なくとも1つが水素原子である場合には、該水素原子の部分において該化合物が塩基性物質と結合して塩を形成してもよく、
     ここで、分光光度計を用いて測定される波長2000nmにおける該化合物の吸光度(A2000)および波長407nmにおける該化合物の吸光度(A407)から計算式(A2000/A407)によって計算される吸光度比が1以上である、
    ポリチオフェン化合物。
  2.  ポリチオフェン化合物を含む導電性材料組成物であって、
     該ポリチオフェン化合物は、下記一般式(A):
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
    で表される構造単位を含み、
     ここで、Lは、式(21):
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
    で表され、ここで、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、Rは、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、nは、0または1であり、nは、独立して1~6の整数であり、nは、独立して、0または1であり、nは、0~12の整数であり、そして式(21)の左端が式(A)中のジオキサン環の炭素原子に結合しており、
     MおよびMは各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基であり、ただし、MまたはMの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてMまたはMの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となり、
     MおよびMのうちの少なくとも1つが水素原子である場合、該水素原子の部分において、該化合物が塩基性物質と結合して塩を形成してもよく、
     R1Aは、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アシル基、または式(15)で表される基であり、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
     ここで、Lは、式(22):
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
    で表され、ここで、R15は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、R16は、独立して、水素原子または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~5のアルキル基であり、mは、0または1であり、mは、独立して1~6の整数であり、mは、独立して、0または1であり、mは、0~12の整数であり、そして式(22)の左端が式(A)中のジオキサン環中の炭素原子に結合しており、
     M1cおよびM2cは各々独立して、炭素原子数1~15のアルキル基、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、またはアンモニウム基であり、ただし、M1cまたはM2cの一方がアルカリ土類金属である場合には、1つのリン酸またはホスホン酸部位中の2つのOに該アルカリ土類金属原子が結合していてM1cまたはM2cの他方が存在しない構造となるか、または、2つのリン酸またはホスホン酸部位のOを該アルカリ土類金属原子が架橋する構造となり、
     M1cおよびM2cのうちの少なくとも1つが水素原子である場合には、該水素原子の部分において該化合物が塩基性物質と結合して塩を形成してもよく、
     ここで、分光光度計を用いて測定される波長2000nmにおける該組成物の吸光度(A2000)および波長407nmにおける該組成物の吸光度(A407)から計算式(A2000/A407)によって計算される吸光度比が1以上である、
    導電性材料組成物。
  3.  前記吸光度比が2以上である、請求項2に記載の導電性材料組成物。
  4.  MおよびMのうちの少なくとも1つが、水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、およびアンモニウム基から選ばれる構造単位を含む、請求項2または3に記載の導電性材料組成物。
  5. 1Aが水素、アルキル基、アルコキシ基またはアシル基である、請求項2または3に記載の導電性材料組成物。
  6.  R1Aが水素である、請求項2または3に記載の導電性材料組成物。
  7.  nが0であり、nが独立して1~4の整数であり、nが1または2であり、RおよびRが各々独立して水素または直鎖もしくは分岐鎖状の炭素原子数1~3のアルキル基である、請求項2または3に記載の導電性材料組成物。
  8.  nおよびnが0であり、nおよびnが1であり、RおよびRが水素である、請求項2または3に記載の導電性材料組成物。
  9.  請求項2または3に記載の導電性材料組成物を製造する方法であって、
     酸化剤の存在下で前記ポリチオフェン化合物に対応するチオフェンモノマーを酸化重合する工程、および
     得られた重合生成物を、キレート化合物を用いて精製を行って請求項2または3に記載の導電性材料組成物を調製する工程
    を含む、方法。
  10.  前記酸化剤が、鉄原子を含む酸化剤を含む、請求項9に記載の方法。
  11.  前記キレート化合物が、複数のホスホン酸構造部位(-P(=O)(OH))を有する化合物である、請求項9に記載の方法。
  12.  請求項2または3に記載の導電性材料組成物を含む正孔輸送層を有する有機薄膜太陽電池。
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