Development of Synthetic Method for Polymer Semiconductors via Post-Cross Coupling Reaction

• Project/Area Number: 25620094
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Polymer chemistry
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Kanbara Takaki 筑波大学, 数理物質系, 教授 (90204809)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): KUWABARA Junpei 筑波大学, 数理物質系, 講師 (70466655)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2015: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2014: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2013: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 高分子半導体 / 導電性高分子 / クロスカップリング反応 / 原子効率 / 直接的アリール化反応 / 分子軌道計算 / グリーンケミストリー

Outline of Final Research Achievements

Polycondensation reactions using C-H direct arylation were investigated for the development of a synthetic approach to various conjugated polymers. Detailed investigation on reaction conditions of direct arylation polycondensation made it possible to prepare the corresponding polymers with high molecular weight and quality in good yields. The optimal reaction conditions can be estimated on the basis of the structures of thiophene monomers: the relationship between the thiophene structure and reaction conditions should be applicable to wide range of direct arylation polycondensation. The synthesis of conjugated polymers via sequential bromination and direct arylation was also demonstrated for giving step-economical protocol.

Research Products

• [Journal Article] Synthesis of Conjugated Polymers Possessing Diketopyrrolopyrrole (DPP) Units Bearing Phenyl, Pyridyl, and Thiazolyl Groups by Direct Arylation Polycondensation: Effects of Aromatic Groups in DPP on Physical Properties (2016)
  • Author(s): Junpei Kuwabara, Naoto Takase, Takeshi Yasuda, Takaki Kanbara
  • Journal Title: J. Polym. Sci. A Polym. Chem. Volume: 54 Issue: 15 Pages: 2337-2345
  • DOI: 10.1002/pola.28105
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effects of the Terminal Structure, Purity, and Molecular Weight of an Amorphous Conjugated Polymer on Its Photovoltaic Characteristics (2016)
  • Author(s): Junpei Kuwabara, Takeshi Yasuda, Naoto Takase, and Takaki Kanbara
  • Journal Title: ACS Appl. Mater. Interfaces Volume: 8 Issue: 3 Pages: 1752-1758
  • DOI: 10.1021/acsami.5b09482
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Direct Arylation Polycondensation of Thienothiophenes with Various Dibromoarylenes (2015)
  • Author(s): Tatsuya Kumada, Yuta Nohara, Junpei Kuwabara, and Takaki Kanbara
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn. Volume: 88 Issue: 11 Pages: 1530-1535
  • DOI: 10.1246/bcsj.20150235
  • NAID: 130005108570
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Facile Synthesis of Fluorene-based π-Conjugated Polymers via Sequential Bromination/Direct Arylation Polycondensation (2015)
  • Author(s): Hitoshi Saito, Junpei Kuwabara, and Takaki Kanbara
  • Journal Title: J. Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem. Volume: 53 Issue: 19 Pages: 2198-2201
  • DOI: 10.1002/pola.27689
  • NAID: 120007136174
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Effect of Solvent in Direct Arylation Polycondensation of Substituted Thiophenes (2015)
  • Author(s): Junpei Kuwabara, Kohtaro Yamazaki, Takuya Yamagata, Wataru, Tsuchida, and Takaki Kanbara
  • Journal Title: Polym. Chem Volume: 6 Issue: 6 Pages: 891-895
  • DOI: 10.1039/c4py01387e
  • NAID: 120007130385
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Synthesis of Bithiazole-based Crystalline Polymers via Pd-Catalyzed Direct C−H Arylation (2015)
  • Author(s): Wei Lu, Junpei Kuwabara, Masahiro Kuramochi, and Takaki Kanbara
  • Journal Title: J. Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem Volume: 53 Issue: 11 Pages: 1396-1402
  • DOI: 10.1002/pola.27611
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of Synthetic Method for π-Conjugated Polymers via Direct Arylation Polycondensation (2014)
  • Author(s): Junpei Kuwabara and Takaki Kanbara
  • Journal Title: Journal of Synthetic Organic Chemistry, Japan Volume: 72 Issue: 11 Pages: 1271-1278
  • DOI: 10.5059/yukigoseikyokaishi.72.1271
  • NAID: 130004749125
  • ISSN: 0037-9980, 1883-6526
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Direct Arylation Polycondensation of Bithiazole Derivatives with Various Acceptors (2014)
  • Author(s): Masahiro Kuramochi, Junpei Kuwabara, Wei Lu, and Takaki Kanbara
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 42 Issue: 21 Pages: 7378-7385
  • DOI: 10.1021/ma5014397
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Direct Arylation Polycondensation: A Promising Method for the Synthesis of Highly Pure, High-Molecular-Weight Conjugated Polymers Needed for Improving the Performance of Organic Photovoltaics (2014)
  • Author(s): Junpei Kuwabara, Takeshi Yasuda, Seong Jib Choi, Wei Lu, Koutarou Yamazaki, Shigehiro Kagaya, Liyuan Han, and Takaki Kanbara
  • Journal Title: Adv. Funct. Mater Volume: 24 Issue: 21 Pages: 3226-3233
  • DOI: 10.1002/adfm.201302851
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-Step Direct Arylation for Synthesis of Naphthalenediimide-Based Conjugated Polymer (2014)
  • Author(s): Yuta Nohara, Junpei Kuwabara, Takeshi Yasuda, Liyuan Han, and Takaki Kanbara
  • Journal Title: J. Polym. Sci.: Part A: Polym. Chem Volume: 52 Issue: 10 Pages: 1401-1407
  • DOI: 10.1002/pola.27140
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Facile synthesis of fluorene-based conjugated polymers via direct arylation polycondensation (2015)
  • Author(s): Takaki Kanbara, Hitoshi Saito, Junpei Kuwabara
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015
  • Place of Presentation: Mid-Pacific Center (Hilton Hawaiian Village),USA
  • Year and Date: 2015-12-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 新しい高分子半導体合成法の開発研究―有機デバイスの実用化に向けて― (2015)
  • Author(s): 神原貴樹
  • Organizer: 第13回環境研究シンポジウム
  • Place of Presentation: 一橋大学一橋講堂（東京都千代田区）
  • Year and Date: 2015-11-10
• [Presentation] ジクロロアリーレンを基質とした直接アリール化重縮合反応 (2015)
  • Author(s): 土田 渉、桑原 純平、神原 貴樹
  • Organizer: 第30回高分子学会関東支部茨城地区若手の会
  • Place of Presentation: つくばセミナーハウス（茨城県つくばみらい市）
  • Year and Date: 2015-10-29
• [Presentation] Practical synthetic method of conjugated polymer materials for organic photovoltaics (2015)
  • Author(s): Junpei Kuwabara, Takaki Kanbara
  • Organizer: TGSW2015
  • Place of Presentation: EPOCAL TSUKUBA,Tsukuba,Ibaraki
  • Year and Date: 2015-09-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ジクロロアリーレンを基質とした直接アリール化重縮合反応 (2015)
  • Author(s): 土田 渉、桑原 純平、神原 貴樹
  • Organizer: 第64回高分子討論会
  • Place of Presentation: 東北大学 川内キャンパス（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] 直接的アリール化反応を利用した共役高分子の合成と機能 (2015)
  • Author(s): 神原 貴樹
  • Organizer: ポリマーフロンティア21
  • Place of Presentation: 東工大蔵前会館ロイアルブルーホール（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2015-06-12
  • Invited
• [Presentation] 直接アリール化反応によるベンゾジピロリドンユニットを有するポリマーの合成と物性評価 (2015)
  • Author(s): 王 志安、桑原 純平、安田 剛、神原 貴樹
  • Organizer: 第64回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2015-05-29
• [Presentation] Synthesis of Highly Pure, High-Molecular-Weight Conjugated Polymers by Direct Arylation Polycondensation for Improving the Performance of Organic Photovoltaics (2014)
  • Author(s): Junpei Kuwabara, Takeshi Yasuda, Seong Jib Choi, Wei Lu, Koutarou Yamazaki, Shigehiro Kagaya, Liyuan Han, Takaki Kanbara
  • Organizer: The 10th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2014)
  • Place of Presentation: Tsukuba International CongressCenter (EPOCHAL TSUKUBA)（茨城県・つくば市）
  • Year and Date: 2014-12-04
• [Presentation] Synthesis of Fluorene-based π-Conjugated Polymers via Sequential Bromination and Direct Arylation Polycondensation (2014)
  • Author(s): Hitoshi Saito Junpei Kuwabara, Takaki Kanbara
  • Organizer: The 10th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2014)
  • Place of Presentation: Tsukuba International CongressCenter (EPOCHAL TSUKUBA)（茨城県・つくば市）
  • Year and Date: 2014-12-04
• [Presentation] 直接的アリール化反応を利用した高分子半導体の合成 (2014)
  • Author(s): 神原貴樹
  • Organizer: 高分子学会関東支部第58回湘北地区懇話会講演会
  • Place of Presentation: 神奈川大学 横浜キャンパス（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-21
  • Invited
• [Presentation] 連続的な臭素化－直接的アリール化反応に基づくフルオレン骨格を有するπ共役系高分子の合成 (2014)
  • Author(s): 齋藤仁志、桑原純平、神原貴樹
  • Organizer: 第29回 高分子学会関東支部茨城地区若手の会交流会
  • Place of Presentation: つくばセミナーハウス（茨城県・つくばみらい市）
  • Year and Date: 2014-10-30
• [Presentation] 高純度なπ共役高分子の合成と太陽電池特性の評価 (2014)
  • Author(s): 桑原 純平、野原 雄太、神原 貴樹
  • Organizer: 第63回高分子討論会
  • Place of Presentation: 長崎大学文教キャンパス（長崎県・長崎市）
  • Year and Date: 2014-09-26
• [Presentation] Direct Arylation Polycondensation of Bithiazole Derivative with Various Acceptors (2014)
  • Author(s): Masahiro Kuramochi, Junpei Kuwabara, Wei Lu, Takaki Kanbara
  • Organizer: KJF-ICOMEP 2014
  • Place of Presentation: International Congress Center (Epochal tsukuba)（茨城県・つくば市）
  • Year and Date: 2014-09-23
• [Presentation] 各種置換基を導入したチオフェンをモノマーとする直接アリール化重縮合の最適化 (2014)
  • Author(s): 桑原純平、山崎光太郎、神原貴樹
  • Organizer: 第63回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2014-05-29
• [Presentation] 連続的な臭素化－直接的アリール化反応に基づくπ 共役系高分子合成法の開発 (2014)
  • Author(s): 齋藤仁志、桑原純平、神原貴樹
  • Organizer: 第63回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2014-05-29
• [Presentation] 直接アリール化重縮合における複素5員環化合物の反応性の評価 (2014)
  • Author(s): 志水大和、野原雄太、桑原純平、神原貴樹
  • Organizer: 第63回 高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2014-05-28
• [Presentation] 有機薄膜太陽電池材料の高純度化と製造コスト低減を可能にする合成法の開拓 (2014)
  • Author(s): 桑原純平、神原貴樹
  • Organizer: 第3回 JACI/GSCシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京国際フォーラム （東京都）
  • Year and Date: 2014-05-23
• [Presentation] EDOT の直接アリール化反応を用いて合成した共役高分子の特性評価 (2013)
  • Author(s): 桑原純平、野原雄太、山崎光太郎、崔星集、神原貴樹、安田剛、韓礼元
  • Organizer: 第62回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 京都国際会館
• [Presentation] 直接アリール化反応を用いたビチアゾールと種々のアクセプターの重縮合反応 (2013)
  • Author(s): 倉持政宏、盧葦、桑原純平、神原貴樹
  • Organizer: 第62回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 京都国際会館
• [Presentation] 直接的アリール化反応を用いたチエノチオフェン骨格を有するD-A型ポリマーの合成 (2013)
  • Author(s): 熊田達也、野原雄太、桑原純平、神原貴樹
  • Organizer: 第62回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 京都国際会館
• [Presentation] 直接アリール化重縮合による共役高分子材料の高純度化と高分子量化 －光電変換効率向上への寄与－ (2013)
  • Author(s): 桑原純平、崔星集、山崎光太郎、安田剛、韓礼元、加賀谷重浩、神原貴樹
  • Organizer: 第62回高分子討論会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
• [Presentation] マイクロウェイブを用いた直接アリール化重合による含色素共役高分子の合成 (2013)
  • Author(s): 高瀬直人、崔星集、桑原純平、神原貴樹
  • Organizer: 第62回高分子討論会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
• [Presentation] 直接アリール化反応によるチエノピロールジオンの重縮合反応 (2013)
  • Author(s): 山崎光太郎、桑原純平、神原貴樹
  • Organizer: 第62回高分子討論会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
• [Presentation] C-H結合の直接アリール化反応を利用した共役系高分子材料の効率的合成 (2013)
  • Author(s): 野原雄太、桑原純平、安田剛、韓礼元、神原貴樹
  • Organizer: 第62回高分子討論会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
• [Presentation] 直接アリール化反応を用いた各種複素5員環化合物の重縮合 (2013)
  • Author(s): 志水大和、野原雄太、桑原純平、神原貴樹
  • Organizer: 第62回高分子討論会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
• [Presentation] 直接的アリール化反応を利用した共役高分子の合成と機能 (2013)
  • Author(s): 神原貴樹
  • Organizer: 東京工業大学物質科学講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • Invited
• [Presentation] 直接的アリール化反応を利用した高分子半導体の合成 (2013)
  • Author(s): 神原貴樹
  • Organizer: 有機系太陽電池に関するワークショップ
  • Place of Presentation: 筑波大学筑波キャンパス
  • Invited
• [Presentation] 直接的アリール化重縮合法における芳香族モノマーの反応性の理論的予測 (2013)
  • Author(s): 關 康裕、下位幸弘、桑原純平、神原貴樹
  • Organizer: 第28回 高分子学会関東支部茨城地区「若手の会」交流会
  • Place of Presentation: つくばセミナーハウス（茨城県）