首都大,高機能導電性ポリマーの精密合成法を開発

首都大学東京は,JST戦略的創造研究推進事業において,優れた光機能を発現するπ共役ポリマーの精密な合成法を開発した(ニュースリリース)。

優れた光や電子機能を持つ高分子半導体であるπ共役ポリマーの特性は,繰り返し単位(主鎖)の種類や長さ(共役長)のみならず末端の化学状態の影響を受けることが知られている。特に,有機エレクトロニクスの中でも分子を組み上げることで回路を構築する分子エレクトロニクスでは,ポリマー末端が特性に与える影響が顕著となる。従って,高い光機能の発現や新しい高機能材料の設計や開発には,末端の均質化や特定の官能基の導入といった末端官能基の制御が重要となる。

この種の高分子材料の合成には,従来脱ハロゲン化重縮合やカップリング反応が使用されてきたが,構造欠陥が問題となっていた。さらに,副生物である分離困難な不純物の混在も解決が必要だった。構造欠陥のいくつかの問題はリン化合物とアルデヒドによる手法などで解決できるが,より構造欠陥が少なく,副生物を削減可能な環境負荷の低い手法の開発が求められていた。

研究グループらは,オレフィンメタセシス反応によるポリマーの合成手法に注目し,ルテニウム触媒を用いたオレフィンメタセシス重合法の開発に成功している。この手法は不純物の混在も少ないため,環境負荷の低い合成手法としても有用。また,合成した後に別の触媒反応を用いることで,ポリマーの両末端に目的の官能基を高効率で導入できる。しかし,π共役ポリマーの2つの末端にそれぞれ異なる官能基を導入する手法はなかった。

研究グループは,モリブデン触媒を用いたオレフィンメタセシス重合法を詳細に検討した。オレフィンメタセシス重合法を用いて合成したπ共役ポリマーに対して,ポリエチレングリコールを結合させる反応(グラフト化)や,異なる2種類の高分子を組み合わせたトリブロッコポリマーの合成反応を用いることで,末端の状態を特定した。

その結果,ルテニウム触媒を用いた場合の上述の優位性はそのままに,π共役ポリマーの2つの末端の片側のみにモリブデンと炭素の2重結合(触媒活性種)が導入されることが分かった。この触媒活性種は,続く反応で容易に目的の官能基に置き換えることができるため,この手法により,π共役ポリマー末端の片方のみに目的の官能基をほぼ100%の確率で導入することが可能になった。

残ったもう一方の末端は反応しやすい芳香族ビニル基であるため,既存の反応によって容易に官能基の変換および導入ができる。実際に,この方法によってπ共役ポリマーの2つの末端に異なる官能基をほぼ100%の確率で導入することに成功した。また,合成したポリマーの発光特性を測定した結果,末端官能基の種類によって光の強度や色が異なることが分かった。末端官能基とπ共役ポリマーとの相互作用により,π共役ポリマー単独では見られない,興味深い発光特性を示すことを明らかにした。

この合成法の開発により,光機能などのポリマーの特性と末端官能基との関係をより詳細に解明および制御できるだけでなく,他の材料との接合,固定化,複合化や集積化も含めたより緻密な材料設計が広く可能になる。特に,有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子や有機太陽電池などの有機エレクトロニクスの発展に向けた研究開発や,高機能化や集積化などの特徴を生かした新しい高機能材料の設計に役立つ重要な基盤技術となることが期待されるとしている。

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