펜타센

펜타센(, )은 5개의 선형으로 융합된 벤젠() 고리로 구성된 여러 고리 방향족 탄화수소이다. 이 고도로 공액된 화합물은 유기 반도체이다. 이 화합물은 자외선(UV) 또는 가시광선(빛)을 흡수하면 엑시톤을 생성하며, 이는 산화에 매우 민감하게 만든다. 이러한 이유로 보라색 분말인 이 화합물은 공기와 빛에 노출되면 천천히 분해된다.

구조적으로 펜타센은 선형 아센 중 하나이며, 이전에는 테트라센(4개의 융합된 벤젠 고리)이었고 다음은 헥사센(6개의 융합된 벤젠 고리)이다. 2009년 8월, IBM 연구원들은 원자힘현미경을 사용하여 펜타센 단일 분자를 이미징한 실험 결과를 발표했다. 2011년 7월, 그들은 주사 터널링 현미경의 변형을 사용하여 최고 점유 및 최저 비점유 분자 궤도의 형태를 실험적으로 결정했다.

2012년에 펜타센-도핑된 p-터페닐이 상온 메이저의 증폭 매질로 효과적임이 입증되었다.

 합성 
섬네일|230px|니켈 위에 있는 펜타센 분자의 주사 터널링 현미경 이미지.
섬네일|230px|펜타센 분말
원래 나프탈렌과 안트라센의 이름을 따서 다이나프탄트라센이라고 불렸던 이 화합물(펜타센을 포함한 폴리아센에 대한 현대 명명법은 1939년에 에리히 클라에 의해 도입되었다)은 1912년 영국의 화학자 윌리엄 홉슨 밀스와 밀드레드 메이 고스틀링에 의해 처음 합성되었다. 펜타센 합성의 고전적인 방법은 엘브스 반응에 의한 것이다.

center|600px|펜타센으로의 엘브스 반응

펜타센은 또한 적절한 전구체에서 150°C에서 작은 휘발성 성분(일산화 탄소)의 압출을 통해 제조될 수 있다.

전구체 자체는 두 분자의 α,α,α',α'-테트라브로모-o-자일렌과 7-tert-부톡시바이사이클로[2.2.1]헵타-2,5-다이엔으로부터 세 단계로 제조된다. 먼저 다이메틸폼아마이드에서 아이오딘화 나트륨과 함께 가열하여 일련의 제거 반응과 딜스-알더 반응을 거쳐 고리 시스템을 형성하고, 다음으로 tert-부톡시 그룹을 알코올로 가수분해한 후 케톤으로 산화시킨다.

centre|500px|펜타센 합성

이 생성물은 클로로폼에 일부 용해되는 것으로 보고되어 스핀 코팅에 적합하다. 펜타센은 1,2,4-트라이클로로벤젠과 같은 뜨거운 염소화 벤젠에 용해되며, 이를 재결정화하여 판상 결정을 형성할 수 있다.

 펜타센 유도체 
 단량체 펜타센 유도체 
6,13-치환 펜타센은 아릴 또는 알키닐 친핵체(예: 그리냐르 또는 유기리튬 시약)와 반응한 후 환원 방향족화를 통해 펜타센퀴논으로부터 얻을 수 있다. 다른 방법은 전이 금속(지르코나사이클로펜타다이엔을 통해)에 의한 다이아인의 상동화에 기반한다. 펜타센의 기능화는 이 발색단의 고체 상태 패킹 제어를 가능하게 했다. 치환체(펜타센 치환 위치와 크기 모두)의 선택은 고체 상태 패킹에 영향을 미치며, 펜타센에서 관찰되는 헤링본 패킹과는 달리 화합물이 고체 상태에서 1차원 또는 2차원 공유 면적 파이-스태킹을 채택하는지 여부를 제어하는 데 사용될 수 있다.

펜타센의 구조는 다른 방향족 화합물인 안트라센과 유사하지만, 그 방향족성 특성은 잘 정의되어 있지 않다. 따라서 펜타센과 그 유도체는 많은 연구의 대상이다.

6-메틸렌-6,13-다이하이드로펜타센과 6-메틸펜타센 사이에는 호변 이성질체 화학 평형이 존재한다.

left|섬네일|400px|6-메틸펜타센 평형

이 평형은 완전히 메틸렌 화합물 쪽으로 기울어져 있다. 화합물 용액을 200°C로 가열해야만 소량의 펜타센이 생성되며, 이는 적자색의 출현으로 증명된다. 한 연구에 따르면 이 평형의 반응 과정은 분자 내 반응 1,5-수소화물 이동이 아니라 이분자 자유 라디칼 수소 이동에 기반한다. 대조적으로, 동일한 중심 화학적 모티프를 가진 아이소톨루엔은 쉽게 방향족화된다.

펜타센은 1,2,4-트라이클로로벤젠에서 원소 황과 반응하여 헥사티아펜타센 화합물을 생성한다. 엑스선결정학은 모든 탄소-황 결합 길이가 대략 같다는 것(170 pm)을 보여준다. 이로부터 완전한 전하 분리를 갖는 공명 구조 B와 C가 구조 A보다 더 중요하다는 결론이 나온다.

left|섬네일|400px|헥사티아펜타센

결정상에서 분자들은 방향족 스태킹 상호작용을 나타내며, 이웃한 분자의 일부 황 원자 사이의 거리가 두 반데르발스 반지름의 합(180 pm)보다 작아질 수 있다(337 pm).

관련된 테트라티아풀발렌처럼 이 화합물은 유기 반도체 분야에서 연구된다.

아센은 평면적이고 단단한 분자로 보일 수 있지만, 사실 매우 왜곡될 수 있다. 아래에 묘사된 펜타센은:

300px|left|섬네일|비틀린 아센

끝에서 끝까지 144°의 비틀림을 가지며 6개의 페닐 그룹에 의해 입체적으로 안정화된다. 이 화합물은 9시간의 화학적 반감기로 라세미화가 일어나지만, 특이하게 높은 7400°의 광학 활성을 나타내며 두 개의 광학 이성질체로 분리될 수 있다.

 펜타센의 올리고머 및 고분자 
900px|center|섬네일|펜타센 고분자

펜타센을 기반으로 한 올리고머와 고분자는 합성적으로나 장치 응용 환경에서 모두 탐구되었다. 플루오렌과 펜타센을 포함하는 공액 공중합체(1a–b)를 사용하여 PLED가 제작되었다. 몇 가지 다른 공액 펜타센 고분자(2a–b 및 3)는 다이브로모펜타센 단량체의 소노가시라 및 스즈키 짝지음 반응을 기반으로 실현되었다. 비공액 펜타센 기반 고분자는 펜타센 다이올 단량체를 비스-염화아실과 에스터화하여 고분자 4a–b를 형성함으로써 합성되었다.

500px|center|섬네일|올리고머

다양한 합성 전략이 펜타센 공액 올리고머 5a–c를 형성하는 데 사용되었으며, 여기에는 용액 처리 가능한 공액 펜타센 다이머(5c)를 제공하는 원팟-사중 결합 형성 절차를 포함하여 광전도성 이득이 >10에 달했다. 이는 유사한 측정 기술을 사용하여 광전도성 이득이 >16을 나타낸 비기능화 펜타센의 열 증착 필름과 동일한 순서의 성능을 나타낸다. 강력한 탈수소펜타센 중간체의 호모- 및 교차-커플링 반응을 기반으로 한 공액 펜타센 다이머, 트라이머 및 테트라머(6–8)의 모듈식 합성 방법이 보고되었다. 비공액 올리고머 9–10은 펜타센을 기반으로 합성되었으며, 가장 강한 흡수에 대한 몰 흡광도가 >2,000,000 M−1•cm−1인 분자당 최대 9개의 펜타센 잔기를 가진 덴드리머 9–10을 포함한다. 덴드리머 11–12는 광검출기 맥락에서 유사한 펜타센 기반 고분자 4a–b에 비해 장치 성능이 향상된 것으로 나타났다.

 재료 연구 
펜타센은 잠재적인 이색성 염료로 연구되어 왔다. 아래에 묘사된 펜타세노퀴논은 형광성이고 액정 E7 혼합물과 혼합될 때 8의 이색성 비율에 도달한다. 더 긴 아센은 네마틱 액정 상에서 더 잘 정렬된다.

left|섬네일|400px|형광성 아세노퀴논

버크민스터풀러렌과 결합된 펜타센은 유기 태양전지 프로토타입 개발에 사용된다. 유기 태양전지는 기존 무기 전지보다 저렴하고 유연하여 새로운 시장에서 태양전지의 가능성을 열 수 있다.

펜타센은 유기 박막 트랜지스터 및 OFET 연구에 인기 있는 선택지로, 비정질 실리콘의 정공 이동도를 초과하는 OFET에서 최대 5.5 cm2/(V·s)의 높은 이동도로 인해 응용 가능성이 높은 가장 철저하게 조사된 공액 유기 분자 중 하나이다.

펜타센은 다른 유기 전도체와 마찬가지로 공기 중에서 빠르게 산화되어 상업화가 어렵다. 펜타센이 미리 산화되면 펜타센-퀴논이 잠재적인 게이트 절연체가 되며, 이때 이동도는 가장 높은 이동도를 가진 유기 반도체인 루브렌의 이동도, 즉 40 cm2/(V·s)에 근접할 수 있다. 이 펜타센 산화 기술은 실리콘 전자제품에 사용되는 실리콘 산화와 유사하다.

 같이 보기 
 퍼플루오로펜타센

 각주 

 외부 링크 
 facts about pentacene, retrieved Apr. 17, 2006
 Organic transistor improves with age, New Scientist, 2 December 2007
 Pentacene Imaged, IBM images Pentacene, the first molecule imaged in detail 29 August 2009

분류:여러 고리 방향족 탄화수소
분류:유기 반도체
분류:아센
분류:다섯고리 화합물