JP2021507015A - 導電性ポリ(ピラゾール) - Google Patents

導電性ポリ(ピラゾール) Download PDF

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Abstract

本開示は、導電性ポリ(ピラゾール)に関するものである。プロトン化ピラゾール環窒素のアミン塩への塩基媒介変換を含むモノマー活性化手順と組み合わせた、置換アミノピラゾール誘導体のオリゴマー化および重合の概念が開発された。本開示は、ポリマー合成で使用されるピラゾールモノマーの合成に必要な特定の化学に関する。試験用太陽電池の構築に必要な他の化合物と新規ポリピラゾールを混合するために使用される手順が開発された。本開示は、光電池におけるn型−ドーパブルまたはp型−ドーパブル電子受容体として、これらのタイプのヘテロ原子に富んだ、電子不足のオリゴマーまたはポリマーを使用するという概念に関する。本開示は、出発モノマー化合物およびポリピラゾールの合成に関する。【選択図】なし

Description

本出願は、2017年12月14日に出願された米国仮特許出願番号62/598,546の非仮出願であり、その優先権および利益を主張する。
本開示は、導電性ポリ(ピラゾール)に関するものである。
本開示は、導電性ポリ(ピラゾール)に関するものである。
プロトン化ピラゾール環窒素のアミン塩への塩基媒介変換を含むモノマー活性化手順と組み合わせた、置換アミノピラゾール誘導体のオリゴマー化および重合の概念が開発された。
本開示は、ポリマー合成で使用されるピラゾールモノマーの合成に必要な特定の化学に関する。
試験用太陽電池の構築に必要な他の化合物と新規ポリピラゾールを混合するために使用される手順が開発された。
本開示は、太陽電池におけるn型−ドーパブルまたはp型−ドーパブル電子受容体として、これらのタイプのヘテロ原子に富んだ、電子不足のオリゴマーまたはポリマーを使用するという概念に関する。
本開示は、出発モノマー化合物およびポリピラゾールの合成に関する。
世界の石油埋蔵量には限りがあり、代替可能ではないことを考えると、再生可能エネルギー源を開発することが望ましいため、本発明は、軍事上および商業上の重要な関心を持つと予想される。太陽光発電はクリーンで、すぐに利用でき、再生可能である。
シリコンベースの太陽電池は現在のところ最先端であると考えられており、比較的高い効率を有しているが、それらは製造するのに高価である。ポリマーベースの太陽電池はやや安価であるが、使用されるポリマーは合成にコストがかかることが多く、結果として生じる太陽電池の効率が低くなる。
これらのタイプの電池に組み込まれた場合、本発明は効率の向上を可能にし、実質的にすべての市販の太陽電池ポリマーよりもはるかに安価に合成できると予想される(表1)。例えば、本明細書に記載されているカルボニトリルベースのポリピラゾールの出発材料は、バルクでグラムあたりわずか〜$2.00のコストしかない。
ポリピラゾールの高い電子輸送速度、それらの多用途な還元挙動、および低コストの出発材料を使用したそれらの簡単なワンステップ合成により、材料の誘導体を簡単かつ迅速に製造および調査することができる。
本開示は、導電性ポリ(ピラゾール)を教示する。
プロトン化ピラゾール環窒素のアミン塩への塩基媒介変換を含むモノマー活性化手順と組み合わせた、置換アミノピラゾール誘導体のオリゴマー化および重合の概念が開発された。
ポリマー合成で使用されるピラゾールモノマーの1つを合成するために必要な特定の化学が開発された。
本発明はまた、新規ポリピラゾールを、試験用太陽電池の構築に必要な他の化合物と混合するために使用される手順に関する。
本開示は、太陽電池におけるn型−ドーパブルまたはp型−ドーパブル電子受容体として、これらのタイプのヘテロ原子に富んだ、電子不足のオリゴマーまたはポリマーを使用するという概念を教示する。
出発モノマー化合物とポリピラゾールを開発した。
以下の説明および図面は、本開示の様々な原理が実施され得るいくつかの例示的な方法を示しており、本開示の特定の例示的な実施形態を詳細に示している。しかしながら、図示された例は、本開示の多くの可能な実施形態を網羅するものではない。本開示の他の目的、利点および新規な特徴は、図面と関連して考慮されると、以下の詳細な説明に示される。
図1は、ポリ(ANP)の合成を示している。 図2は、ポリ(APCN)の合成を示している。 図3は、電子供与体としてPOTPを、電子受容体としてオリゴ(APCN)を使用した太陽電池の構造を示している。 図4は、電子供与体としてポリ(ANP)を、電子受容体としてオリゴ(APCN)を使用した太陽電池の構造を示している。 図5は、ポリ(ANP)/OAPCNベースの光電池の短絡電流を示している。
この開示は、導電性光活性ポリ(ピラゾール)を教示する。
プロトン化ピラゾール環窒素のアミン塩への塩基媒介変換を含むモノマー活性化手順と組み合わせて、ポリアニリンおよびポリアクリレート合成に使用されるものに類似した化学を使用して置換アミノピラゾール誘導体をオリゴマー化および重合の概念が開発された。
ポリマー合成で使用されるピラゾールモノマーの1つを合成するために必要な特定の化学が開発された。
試験用太陽電池の構築に必要な他の化合物と新規ポリピラゾールを混合するために使用される手順が開発された。
本明細書では、太陽電池におけるn型−ドーパブルまたはp型−ドーパブル電子受容体として、これらのタイプのヘテロ原子に富んだ、電子不足のオリゴマーまたはポリマーを使用するという概念も教示する。
出発モノマー化合物とポリピラゾールを合成した。
ポリピラゾールの高い電子輸送速度、それらの多用途な還元挙動、および低コストの出発材料を使用したそれらの簡単なワンステップ合成により、材料の誘導体を簡単かつ迅速に製造および調査することができる。
本発明は、効率の向上を可能にし、実質的にすべての市販の太陽電池ポリマー(表1)よりもはるかに安価に合成することができる。
例えば、本明細書に記載されているカルボニトリルベースのポリピラゾールの出発材料は、バルクでグラムあたりわずか〜$2.00のコストしかない。
Figure 2021507015
実施例
実施例1
太陽を模擬したランプで照らすと、本発明のポリマーを用いて構築された太陽電池は、市販のポリマーを使用して作成された同様の電池よりも最大5.1倍高い光電流を生成する。
結果として、本発明のポリマーを使用して構築された電池の応答性(アンペア/ワット)は、後者よりも2.9〜70倍高い。
図1および図2に示されるスキーム1および2は、ポリ(3−アミノ−4−ニトロピラゾール)「ポリ(ANP)」およびポリ(3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル)「ポリ(APCN)」を形成するために使用される単一ステップの合成を描写する。
実施例2
ポリ(ANP)合成では、90mLのイオン交換水を250mLの三角フラスコに加え、室温(RT)で撹拌しながら2000mgの水酸化カリウムを溶解する。
次に、4.72gの4−ニトロ3−アミノピラゾールを加え、70℃で溶解させる(鉱物油浴中で加熱)。
ポリ(APCN)については、これにより、カリウムとピラゾール環の脱プロトン化窒素との間に1:1モルの錯体を形成することができる。
次の1時間、フラスコを70℃に保ち、過硫酸ナトリウム(またはカリウム)を徐々に加えて、最終モル比が過硫酸塩1.2モルに対して4−ニトロ−3−アミノピラゾール1.0モルとした。
過硫酸ナトリウムの場合、添加量は10.8グラムであった。
70℃〜75℃でさらに2時間反応を進行させた。
この間にほとんどの生成物が沈殿し、収集された。
次にフラスコを取り外し、4℃で一晩冷却した。
この時間の間に、生成物の追加部分が沈殿し、収集された。
次に、生成物画分(赤レンガ色の粉末)を合わせた。
生成物の総収率は76%であった。
実施例3
ポリ(APCN)の場合、通常の手順では、90mLのイオン交換水を250mLの三角フラスコに加え、RTで撹拌しながら2.0gの水酸化カリウムを溶解する。
次に、4.0gの3−アミノピラゾール−4−カルボニトリルを加え、70℃で溶解させる(鉱物油浴中で加熱)。
これにより、カリウムとピラゾール環の脱プロトン化窒素との間に1:1のモル錯体が形成される。
次の1時間で、フラスコを70℃に保ち、過硫酸ナトリウム(またはカリウム)を徐々に加えて、最終モル比が過硫酸塩1.2モルに対して3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル1.0モルとした。
過硫酸ナトリウムの場合、添加量は10.8グラムであった。
70℃〜75℃でさらに2時間反応を進行させた。
次にフラスコを取り外し、−20℃で一晩冷却した。
この時間の間に、生成物の大部分が沈殿し、収集ができる。以前に合成した暗赤色のオリゴ(3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル)とは対照的に、それは暗紫色であった。
乾燥させ、予想される生成物であるポリ(3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル)の重量を測定した後、収率は一般に約85%であることが判明している。
実施例4
365nmのUV励起下で、ポリマーはDMFまたはN−メチルピロリドンに溶解すると緑色に発光した。これは、同じ条件下において水色に発光した、以前に合成されたオリゴ(3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル)とは対照的である。
ポリマー鎖の長さは、以前に合成され、我々のグループによる以前の特許出願に記載されているものよりも大幅に長くなっている(質量スペクトルデータを参照)。
したがって、それらの活用の程度はより高いかもしれない。
これは、発光色とバルク色の変化を説明できる。
上澄みも暗紫色で、85℃のオーブンにおいて窒素気流下で乾燥した。
これにより、おそらく硫酸ナトリウムの副産物である明るい色の塩の斑点を含む追加の暗紫色の生成物が生成される。
実施例5
ポリマーの集光能力を試験するために、標準的なアーキテクチャを使用して、2つの主に有機の太陽電池を構築した(図3および4)。
それらの性能は、オリゴ(3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル)「オリゴ(APCN)」を電子受容体として、ポリ(3−オクチルチオフェン)(POTP)を電子供与体として、および、インジウムスズ酸化物(ITO)上のPEDOT−PSSを正孔輸送体として用いた、我々が開発した以前の電池と比較された(図3)。
POTP/オリゴ(APCN)とPEDOT/PSSの界面は、イオン液体である1−エチル−2−メチルイミダゾリウムビストリフラート(EMIM−bT)とプロピレンカーボネート(PC)溶媒との50/50 v/v混合物で構成されていた。
その目的は、オリゴ(APCN)/POTP混合物とPEDOT−PSS層の間の正孔輸送を促進することであった。入射光がPOTP内で励起子形成を引き起こすため、電子はオリゴ(APCN)と金の支持層を通過する輸送を介して電池の外に排出された。
図4は、POTPの代わりに電子供与体としてポリ(ANP)を使用する非常に類似した電池の構成を示している。
実施例6
図5〜8は、ゼロ、−0.2、および−0.6Vのバイアスで照明されたときに、ポリANP)/オリゴ(APCN)電池から生じる光電流を示している。
使用された最大のバイアスが、オリゴ(APCN)/POTPベースの以前の電池よりも約5倍大きい光電流を生成することが示されている。
さらに、電流は、表1に示す供与体−受容体の組み合わせに基づく最高性能のポリマー光電池の電流のほぼ3倍である。
図5は、ゼロボルトバイアスの照明下で到達したベースライン以上の電流値、4.82×10−3Aに等しいポリ(ANP)/オリゴ(APCN)ベースの光電池の光誘起電流を示す。
図6は、−0.2ボルトのバイアスを使用した場合の光電流生成を示している。電流はベースラインより1.4×10−3Aであり、照明に対して比較的速い応答を示す(増加率=2.5×10−5A/秒)。
図7は、−0.6ボルトのバイアスを使用した場合の光電流生成を示している。電流はベースラインより1.72×10−2A(図6の10倍以上)であり、照明に対して比較的速い応答を示す(増加率=1.46×10−4A/秒)。
図8は、両方のバイアス電圧での光電流をまとめ、POTP/オリゴ(APCN)ベースの我々の元の電池の値と比較している。−0.2Vバイアスでは、ポリ(ANP)電池の光電流はPOTP電池の光電流よりも〜1.4倍高く、−0.6Vバイアスでは、ポリ(ANP)電池の光電流はPOTP電池の光電流より〜5.1倍高くなる。
これらの比較的大きな光電流は、高い値の電池応答性(ベースライン(Amps)を超える光電流/ランプ照明電力(W/cm)として定義される)につながる。これは、太陽電池およびフォトダイオード構造の重要なパラメーターである。
これらの値は、POTP/オリゴ(APCN)ベースの我々の元の電池の値、およびC60フラーレン/ポリ(2−メトキシ−5−(2−エチルヘキシロキシ)−1,4−フェニレンビニレン)(MEH−PPV)、およびポリ(3−ヘキシルチオフェン)/フェニルC61 BM(表2)に基づく文献で報告されている類似のデバイスの値の両方と比較して非常に優れている。
応答性について、ポリ(ANP)/オリゴ(APCN)電池は、−0.2および−0.6Vの印加電圧でそれぞれ0.144および1.13A/Wの値を示す。後者の値は、他の3つの電池構造の値よりもはるかに高い(2.9倍〜70倍)。参照の電池タイプでは、出発材料のコストは、我々のポリ(ANP)/オリゴ(APCN)電池よりも劇的に高い(表1)。
Figure 2021507015
実施例7
この時点で、電気化学的挙動と導電率の観点から、ポリ(ANP)をオリゴ(ANP)と比較できる。
図9は、0.1Mテトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレートを含む電解質アセトニトリル中でのポリ(ANP)のサイクリックボルタンメトリーを示しており、スキャン速度は50mV/秒である。トレースの形状は、ポリ(ANP)が有効な電子供与体であることを示しており、1.0ボルトのバイアスで高い酸化電流を示している。
また、電気化学インピーダンス分光法を使用して材料を分析した。このタイプの特性評価では、サンプルが広い周波数範囲にわたって小さな正弦波電圧(振幅が〜5mV)にさらされ、静電容量と抵抗に関する材料の応答が記録される。
実施例8
図10は、1.2Vバイアスでのポリ(ANP)の分光から得られたナイキストプロットを示している。このタイプのプロットでは、ACインピーダンス(Z")の容量性成分と抵抗性成分(Z’)の関係をプロットしている。その抵抗範囲は、10〜1Hzの最も関連する周波数範囲にわたって、〜1.0×10から〜1.3×10オームである。図11は、以前に私たちが合成したオリゴ(ANP)の構造を示している。図12は、1.2Vバイアスでのオリゴ(ANP)の対応するナイキストプロットを示している。抵抗(Z’)の範囲は、同じ周波数範囲で〜4.0×10から〜5.0×10オームである。この比較は、ポリ(ANP)の導電率がオリゴ(ANP)の4倍であることを示している。
図13は、スキーム2図2で与えられた合成方法であるポリ(APCN)のサイクリックボルタンモグラムを示す。
トレースの形状は、ポリ(APCN)が効果的な電子受容体および輸送体であることを示している。−1.0ボルトのバイアスで高い還元電流が見られる。
ピーク電流は、同じ条件下でサイクリックボルタンメトリーを行ったオリゴ(APCN)の2.7倍である。インピーダンス分光法は、その抵抗(Z’)が10〜1Hzの最も関連する周波数範囲にわたって、〜4.0×10から〜5.0×10オームの範囲であることを示している(図14)。オリゴ(APCN)抵抗(Z’)は、同じ周波数範囲で〜8.0×10から〜9.5×10オームの範囲である(図15)。したがって、ポリ(APCN)の導電率は、オリゴ(APCN)の約2倍である。
図16および17に、ポリ(ANP)およびポリ(APCN)のFTIRスペクトルを示す。前者について、図16は、共役におけるニトロ基(1519および1398cm−1のピーク)と二級アミン(3451および3125cm−1)の存在を示している。ポリ(APCN)について、図17は、共役(2229cm−1のピーク)と第2級アミン(3316cm−1)におけるカルボニトリル基の存在を示している。これは、ピラゾール環の4位の官能基が重合プロセス中に維持される証拠を提供する。
実施例9
オリゴ(APCN)およびポリ(APCN)誘導体は蛍光性である。前者と後者のスペクトルを図18および19に示す。320nm〜400nmの励起波長を使用すると、オリゴ(APCN)の場合、最大発光波長が440nm〜460nmの範囲に現れることが判明した。ポリ(APCN)について、それらは470nm〜490nmの範囲で出現することが判明した。ポリ(APCN)に特徴的なより長い波長は、そのより高いMWの証拠である。
図20〜29に、ポリ(ANP)およびポリ(APCN)の質量スペクトルデータを示す。陰イオンモードを使用した。データは、ポリマーが異なる鎖長の混合物として存在することを示している。高MWフラグメントは、最長のポリマーの長さを明確に示す。ポリ(ANP)の場合、表示される最大長は13merである(スキーム1図1)。ポリ(APCN)の場合、最大は15merである。検出された分子量に対応する化学構造がリストされる。
他の例は、4位に電子吸引基を有する3−アミノピラゾール誘導体を含む。そのような基は、カルボキシレート、トリフルオロメタン、ハロゲン、またはスルホネートであり得る。これらの誘導体は、ポリ(ANP)およびポリ(APCN)に非常に類似した構造を持ち、類似の光活性特性を持つポリマーの出発材料として使用できる。
上記の例は、本開示の様々な態様のいくつかの可能な実施形態の単なる例示であり、本明細書および添付の図面を読み、理解することにより、当業者は同等の変更および/または修正を思い付くであろう。さらに、本開示の特定の特徴は、いくつかの実施形態のうちの1つのみに関して図示および/または説明されているかもしれないが、そのような特徴は、任意の所与のまたは特定の適用にとって所望であり有利であるかもしれないように、他の実施形態の1つまたは複数の他の特徴と組み合わせてもよい。また、用語「含む(including)」、「含む(includes)」、「有する(having)」、「有する(has)」、「と共に(with)」、またはその変形の用語が詳細な説明および/または特許請求の範囲で使用される限り、これらの用語は、用語「有する(comprising)」と同様の方法で包括的であることが意図されている。

Claims (10)

  1. ポリ(3−アミノ−4−ニトロピラゾール)を製造する方法であって、前記方法は、
    フラスコに水を加える工程と、
    前記フラスコ内の水に水酸化カリウムを加える工程と、
    前記水酸化カリウムおよび前記フラスコ内の水を撹拌する工程と、
    前記フラスコ内の水に水酸化カリウムを溶解し、第1の溶液を製造する工程と、
    前記第1の溶液に4−ニトロ3−アミノピラゾールを加える工程と、
    前記第1の溶液中の前記4−ニトロ3−アミノピラゾールを加熱する工程と、
    前記4−ニトロ3−アミノピラゾールを前記第1の溶液に溶解し、第2の溶液を形成する工程と、
    前記第2の溶液に過硫酸ナトリウムまたは過硫酸カリウムを加える工程と、
    導電性ポリ(ピラゾール)を形成する工程と
    を有し、
    前記導電性ポリ(ピラゾール)は、ポリ(3−アミノ−4−ニトロピラゾール)を有する、方法。
  2. 請求項1記載のポリ(3−アミノ−4−ニトロピラゾール)を製造する方法において、前記4−ニトロ3−アミノピラゾールを前記第1の溶液に溶解し、第2の溶液を形成する工程は70℃の温度であり、カリウムとピラゾール環の脱プロトン化窒素は1:1のモル錯体を形成する、方法。
  3. 請求項2記載のポリ(3−アミノ−4−ニトロピラゾール)を製造する方法において、前記第2の溶液に過硫酸ナトリウムまたは過硫酸カリウムを加える工程が、過硫酸塩1.2モルに対して4−ニトロ−3−アミノピラゾール1.0モルの最終モル比を与える、方法。
  4. ポリ(3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル)を製造する方法であって、前記方法は、
    フラスコに水を加える工程と、
    前記フラスコ内の水に水酸化カリウムを加える工程と、
    前記水酸化カリウムおよび前記フラスコ内の水を撹拌する工程と、
    前記フラスコ内の水に水酸化カリウムを溶解し、第1の溶液を製造する工程と、
    前記第1の溶液に3−アミノピラゾール−4−カルボニトリルを加える工程と、
    前記第1の溶液中の前記3−アミノピラゾール−4−カルボニトリルを加熱する工程と、
    前記3−アミノピラゾール−4−カルボニトリルを前記第1の溶液に溶解し、第2の溶液を形成する工程と、
    前記第2の溶液に過硫酸ナトリウムまたは過硫酸カリウムを加える工程と、
    導電性ポリ(ピラゾール)を形成する工程と
    を有し、
    前記導電性ポリ(ピラゾール)は、ポリ(3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル)を有する、方法。
  5. 請求項4記載のポリ(3−アミノ−4−ニトロピラゾール)を製造する方法において、前記3−アミノピラゾール−4−カルボニトリルを前記第1の溶液に溶解し、第2の溶液を形成する工程は70℃の温度であり、カリウムとピラゾール環の脱プロトン化窒素は1:1のモル錯体を形成する、方法。
  6. 請求項5記載のポリ(3−アミノ−4−ニトロピラゾール)を製造する方法において、前記第2の溶液に過硫酸ナトリウムまたは過硫酸カリウムを加える工程が、過硫酸塩1.2モルに対して3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル1.0モルの最終モル比を与える、方法。
  7. 式:
    Figure 2021507015
    によって表される、ポリ(3−アミノ−4−ニトロピラゾール)化合物。
  8. 式:
    Figure 2021507015
    によって表される、ポリ(3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル)化合物。
  9. フラスコに水を加える工程と、
    前記フラスコ内の水に水酸化カリウムを加える工程と、
    前記水酸化カリウムおよび前記フラスコ内の水を撹拌する工程と、
    前記フラスコ内の水に水酸化カリウムを溶解し、第1の溶液を製造する工程と、
    前記第1の溶液に4−ニトロ3−アミノピラゾールを加える工程と、
    前記第1の溶液中の前記4−ニトロ3−アミノピラゾールを加熱する工程と、
    前記4−ニトロ3−アミノピラゾールを前記第1の溶液に溶解し、第2の溶液を形成する工程と、
    前記第2の溶液に過硫酸ナトリウムまたは過硫酸カリウムを加える工程と、
    導電性ポリ(ピラゾール)を形成する工程と
    を有する工程から製造されるポリ(3−アミノ−4−ニトロピラゾール)であって、
    前記導電性ポリ(ピラゾール)は、ポリ(3−アミノ−4−ニトロピラゾール)を有する、ポリ(3−アミノ−4−ニトロピラゾール)。
  10. フラスコに水を加える工程と、
    前記フラスコ内の水に水酸化カリウムを加える工程と、
    前記水酸化カリウムおよび前記フラスコ内の水を撹拌する工程と、
    前記フラスコ内の水に水酸化カリウムを溶解し、第1の溶液を製造する工程と、
    前記第1の溶液に3−アミノピラゾール−4−カルボニトリルを加える工程と、
    前記第1の溶液中の前記3−アミノピラゾール−4−カルボニトリルを加熱する工程と、
    前記3−アミノピラゾール−4−カルボニトリルを前記第1の溶液に溶解し、第2の溶液を形成する工程と、
    前記第2の溶液に過硫酸ナトリウムまたは過硫酸カリウムを加える工程と、
    導電性ポリ(ピラゾール)を形成する工程と
    を有する工程から製造されるポリ(3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル)であって、
    前記導電性ポリ(ピラゾール)は、ポリ(3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル)を有する、ポリ(3−アミノピラゾール−4−カルボニトリル)。
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