多氟四联苯类液晶化合物及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于有机合成技术领域,涉及一种多氟四联苯类液晶化合物及其制备方法与应用。
背景技术
随着信息时代的进步,液晶显示技术的发展作为信息显示的液晶应用领域,也在不断发展。人们对液晶显示器性能的要求越来越高,也激发了人们对液晶材料的研究兴趣,使得液晶技术成为热点,并持续发展。
液晶材料种类很多,其中负性液晶是指介电各向异性Δε=ε∥-ε⊥<0的一类液晶材料,主要用在VA模式的显示器中。VA模式(Vertical Alignment,垂直取向)最早由富士通公司提出,用于解决显示器的宽视角化问题。此外,负性液晶可以添加到TN和STN中用于获得较小的Δε/ε⊥,用于得到特定螺距的扭矩材料,还广泛应用于DS、ECB、GH、OCB、FLC、PDLC、IPS、MVA-TFT、FFS-VA、VAN等模式的液晶显示器中,以改善液晶显示器件中的电光特性。目前,液晶显示器正朝向大型化、宽视角、高对比度、快速响应方面发展,负性液晶的性能起到了至关重要的作用。
液晶材料中,由于氟原子具有较小的原子半径(0.135nm),与氢原子半径(0.11nm)相近,所以在分子长轴侧向上用氟原子取代氢原子一般不会因位阻效应而影响液晶的有序排列。同时,氟原子的引入将使分子的长径比产生变化,氟原子较高的电负性将影响到分子的偶极矩,这都将赋予液晶分子新的性能。侧向氟原子的引入对液晶性能的影响首先体现在介电各向异性的变化上,在苯环的不同位置引入氟原子将导致Δε增大减小,甚至Δε正负都可发生改变。随着Δε值增大,液晶材料的阈值电压也相应降低,因此,在分子适当位置上引入氟原子,可以得到低阈值电压的液晶材料;而对于一些Δε值较小的液晶分子,如在垂直于其分子长轴的方向引入氟原子,则可以得到Δε为负值的液晶材料。
在负性液晶材料中,含氟类液晶材料具有较好的电、光、热稳定性,较高的电荷保持率,适中的Δε、Δn,适中的粘度,因此侧向多氟类化合物在整个负性液晶材料中占据重要地位。
发明内容
本发明的目的是提供一种多氟四联苯类液晶化合物及其制备方法与应用。
本发明提供的多氟四联苯类液晶化合物,其结构通式如式I所示,
所述式I中,R1为H、C1-C15的烷基、C1-C15的烷氧基、C2-C15的烯基、C2-C15的烯氧基及上述含-CH2-的任意基团中的一个或多个不相邻的-CH2-被如下基团中的至少一种基团所取代:-(CO)O-、-O(CO)-、-(CO)-、-O(CO)O-、-S-、-C≡C-;
R2为H、、C1-C15的烷基、C1-C15的烷氧基、C2-C15的烯基、C2-C15的烯氧基、C2-C15的炔基、C2-C15的炔氧基。
优选的,R1为C1-C15直链烷基、C1-C15直链烷氧基、C2-C15直链烯基或C2-C15直链烯氧基;R2为C1-C15直链烷基、C1-C15直链烷氧基。
更优选的,R1为C1-C7直链烷基或C1-C7直链烷氧基;R2为C1-C5直链烷基、C1-C5直链烷氧基。
所述式I所示化合物具体可为
本发明提供的制备上述式I所示多氟四联苯类液晶化合物的方法,包括如下步骤:
1)将式II所示1,2-二氟-3-R1基苯化合物,与正丁基锂进行负离子化反应,反应完毕保持温度再加入碘进行碘化反应,1小时后升温至室温反应2小时,得到式III所示2,3-二氟-4-R1基碘苯;
2)在反应体系中的pH值为8-14和Pd(PPh3)4作为催化剂存在的条件下,将步骤1)所得式III 2,3-二氟-4-R1基碘苯与2,3-二氟苯硼酸混匀进行Suzuki交叉偶联反应,反应完毕得到所述式IV所示化合物;
3)将步骤2)所得式IV的R1取代的四氟联苯化合物,与正丁基锂进行负离子化反应,反应完毕保持温度再加入碘进行碘化反应,1小时后升温至室温反应2小时,得到式V所示R1取代的四氟联苯碘代化合物;
4)将式II’所示1,2-二氟-3-R2基苯化合物与正丁基锂进行负离子化反应,反应完毕保持温度再加入碘进行碘化反应,1小时后升温至室温反应2小时,得到式III’所示2,3-二氟-4-R2基碘苯;
5)在反应体系中的pH值为8-14和Pd(PPh3)4作为催化剂存在的条件下,将步骤4)所得式III’所示2,3-二氟-4-R2基碘苯与2,3-二氟苯硼酸混匀进行Suzuki交叉偶联反应,反应完毕得到所述式VI所示化合物;
6)将步骤5)所得式VI所示化合物,与正丁基锂进行负离子化反应,反应完毕保持温度再加入硼酸三甲酯,1小时后升温至室温反应2小时,得到式VII所示R2取代的四氟联苯硼酸;
式VII
7)在反应体系中的pH值为8-14和Pd(PPh3)4作为催化剂存在的条件下,将步骤3)所得式V所示R1取代的四氟联苯碘代化合物与步骤6)所得式VII所示R2取代的四氟联苯硼酸混匀进行Suzuki交叉偶联反应,反应完毕得到所述式I所示化合物。
上述制备式I所示化合物方法的反应方程式如下所示:
上述方法的步骤1)中,所述式II1,2-二氟-3-R1基苯与正丁基锂的投料摩尔比为1∶1~3,具体可为1∶1、1∶1.2、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3,优选1∶1.2~1.5;所述式II 1,2-二氟-3-R1基苯与碘的投料摩尔比为1∶1~3,具体可为1∶1、1∶1.2、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3,优选1∶1.2~1.5;所述步骤1)反应步骤中,所述负离子化反应与碘化反应中,温度均为-110℃~-60℃,时间均为1小时;所述负离子化反应与碘化反应均在溶剂中进行,所述溶剂选自四氢呋喃、己烷、甲基四氢呋喃和甲基叔丁基醚中的至少一种;
步骤2)中,所述步骤1)所得式III2,3-二氟-4-R1基碘苯与2,3-二氟苯硼酸的投料摩尔比为1∶1~2,具体可为1∶1、1∶1.2、1∶1.5、1∶2,优选1∶I ;步骤1)所得式III2,3-二氟-4-R1基碘苯与Pd(PPh3)4的投料摩尔比为1∶0.002~0.05,具体可为1∶0.002、1∶0.005、1∶0.01、1∶0.02、1∶0.05,优选1∶0.02;所述反应步骤中,温度为60℃~110℃,具体可为60℃~70℃、70℃~80℃、80℃~90℃、90℃~100℃、100℃~110℃,优选90℃~110℃,时间为2~8小时,优选为4~6h;所述Suzuki交叉偶联反应均在溶剂中进行;所述溶剂选自甲苯、苯和1,4-二氧六环中的至少一种;
步骤3)中,所述步骤2)所得式IV的R1取代的四氟联苯与正丁基锂的投料摩尔比为1∶1~3,具体可为1∶1、1∶1.2、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3,优选1∶1.2~1.5;所述式IV的R1取代的四氟联苯与碘的投料摩尔比为1∶1~3,具体可为1∶1、1∶1.2、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3,优选1∶1.2~1.5;所述步骤3)反应步骤中,所述负离子化反应与碘化反应中,温度均为-110℃~-60℃,时间均为1小时;所述负离子化反应与碘化反应均在溶剂中进行;所述溶剂选自四氢呋喃、己烷、甲基四氢呋喃和甲基叔丁基醚中的至少一种;
步骤4)中,所述式II’所示1,2-二氟-3-R2基苯化合物与正丁基锂的投料摩尔比为1∶1~3,具体可为1∶1、1∶1.2、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3,优选1∶1.2~1.5;所述式II’所示1,2-二氟-3-R2基苯化合物与碘的投料摩尔比为1∶1~3,具体可为1∶1、1∶1.2、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3,优选1∶1.2~1.5;所述负离子化反应与碘化反应中,温度均为-110℃~-60℃,时间均为1小时;所述负离子化反应与碘化反应均在溶剂中进行,所述溶剂选自四氢呋喃、己烷、甲基四氢呋喃和甲基叔丁基醚中的至少一种;
步骤5)中,所述式III’所示2,3-二氟-4-R2基碘苯与2,3-二氟苯硼酸的投料摩尔比为1∶1~2,具体可为1∶1、1∶1.2、1∶1.5、1∶2,优选1∶1;R2取代的2,3-二氟碘苯与Pd(PPh3)4的投料摩尔比为1∶0.002~0.05,具体可为1∶0.002、1∶0.005、1∶0.01、1∶0.02、1∶0.05,优选1∶0.02;所述反应步骤中,温度为60℃~110℃,具体可为60℃~70℃、70℃~80℃、80℃~90℃、90℃~100℃、100℃~110℃,优选90℃~110℃,时间为2~8小时,优选为4~6h;所述Suzuki交叉偶联反应在溶剂中进行;所述溶剂选自甲苯、苯和1,4-二氧六环中的至少一种;
步骤6)中,所述步骤5)所得式VI所示化合物与正丁基锂的投料摩尔比为1∶1~3,具体可为1∶1、1∶1.2、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3,优选1∶1.2~1.5;所得式VI所示化合物与硼酸三甲酯的投料摩尔比为1∶1~3,具体可为1∶1、1∶1.2、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3,优选1∶1.2~1.5;所述负离子化反应与硼酸三甲酯化反应中,温度均为-110℃~-60℃,时间均为1小时;所述负离子化反应与硼酸三甲酯化反应均在溶剂中进行;所述溶剂均选自四氢呋喃、己烷、甲基四氢呋喃和甲基叔丁基醚中的至少一种;
步骤7)中,所述步骤3)所得式V所示R1取代的四氟联苯碘与所述步骤6)所得式VII所示R2取代的四氟联苯硼酸的投料摩尔比为1∶1~2,具体可为1∶1、1∶1.2、1∶1.5、1∶2,优选1∶1;所述式V所示R1取代的四氟联苯碘与Pd(PPh3)4的投料摩尔比为1∶0.002~0.05,具体可为1∶0.002、1∶0.005、1∶0.01、1∶0.02、1∶0.05,优选1∶0.02;所述反应步骤中,温度为60℃~110℃,具体可为60℃~70℃、70℃~80℃、80℃~90℃、90℃~100℃、100℃~110℃,优选90℃~110℃,时间为2~8小时,优选为4~6小时;所述Suzuki交叉偶联反应在溶剂中进行;所述溶剂选自甲苯、苯和1,4-二氧六环中的至少一种;
所述步骤1)至步骤7)所述反应均在惰性气氛中进行;所述惰性气氛优选氩气气氛。
含有上述本发明提供的化合物的液晶混合物及该式I所示化合物及前述液晶混合物在制备液晶材料、液晶半导体材料或OLED显示材料中的应用及含有该化合物的液晶材料、液晶半导体材料或OLED显示材料,也属于本发明的保护范围。
本发明提供的多氟四联苯类液晶化合物,是将氟原子取代基引入至苯环的侧向,使此类化合物液晶具有宽向列范围、高Δn等优点的同时,并获得了低熔点、低粘度的优势,该类化合物具有较大的光学各向异性(Δn),较高的清亮点,适合的介电各向异性(Δε)及较好的光学化学稳定性等优良的液晶物性特征。可用作液晶单体与现有已知的其他液晶化合物组成液晶组合物用作液晶显示材料,进一步调节液晶组合物的光学各向异性(Δn)和介电各向异性(Δε)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述,但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
选取石家庄诚志永华液晶显示材料公司(中国)生产的编号为SLC061022B的商品液晶化合物作为母体,将式I所示液晶化合物以2%的比例溶于母体,测试常规参数。根据母体中所添加比例线性拟合其常规参数(清亮点、Δn(20℃,589nm)、介电常数ε(20℃,1000Hz))。
实施例1
本实施例为的制备
步骤1-1:
向1000ml反应瓶内,投入0.10mol的1,2-二氟-3-丁基苯,并加入200ml的THF和60ml的甲基叔丁基醚,N2保护下用液氮/乙醇浴将体系温度降至-80℃以下。滴加0.12mol的n-BuLi的己烷溶液,滴完后保持至-80℃以下1小时。保持温度滴加0.15mol碘的THF溶液,滴加完毕后保持温度反应1小时,然后逐渐升至室温反应2小时。然后加入100ml 6N的盐酸搅拌1小时,用pH试纸检测水相pH为1。分液,有机相用30ml饱和食盐水洗3次至有机相为中性,水相用30ml乙酸乙酯萃取2次,合并有机相,旋干得到黄色油状物。过短硅胶柱脱色,用石油醚淋洗旋干后得到淡黄色油状物产品。GC:93%,收率:89%。
步骤1-2:
向250ml反应瓶内,投入步骤1-1中的0.01mol 2,3-二氟-4-丁基碘苯和0.01mol2,3-二氟苯硼酸,加入30ml甲苯、15ml水和15ml乙醇,再投入1%的Pd(PPh3)4(0.0001mol)催化剂和0.04mol的碳酸钠使反应体系的pH值为9,加热回流反应6小时,用TLC跟踪反应完后,冷却到室温,有机相用20ml饱和食盐水洗2次,水相用20ml的乙酸乙酯萃取两次,合并有机相旋干,过硅胶柱脱色,用乙醇冷冻重结晶,得到产品为白色固体。收率:66%。
步骤1-3:
向250ml反应瓶内,投入步骤1-2中的0.01mol 2,2’,3,3’-四氟-4-丁基联苯,并加入20ml的THF和6ml的甲基叔丁基醚,N2保护下用液氮/乙醇浴将体系温度降至-80℃以下。滴加0.012mol的n-BuLi的己烷溶液,滴完后保持至-80℃以下1小时。保持温度滴加0.015mol碘的THF溶液,滴加完毕后保持温度反应1小时,然后逐渐升至室温反应2小时。然后加入10ml 6N的盐酸搅拌1小时,用pH试纸检测水相pH为1。分液,有机相用30ml饱和食盐水洗3次至有机相为中性,水相用30ml乙酸乙酯萃取2次,合并有机相,旋干得到黄色油状物。过短硅胶柱脱色,用石油醚淋洗旋干后得到淡黄色油状物产品。GC:69%,收率:89%。
步骤1-4:
向250ml反应瓶内,投入步骤1-2中的0.01mol 2,2’,3,3’-四氟-4-丁基联苯,并加入20ml的THF和6ml的甲基叔丁基醚,N2保护下用液氮/乙醇浴将体系温度降至-80℃以下。滴加0.012mol的n-BuLi的己烷溶液,滴完后保持至-80℃以下1小时。保持温度滴加0.015mol B(OMe)3,滴加完毕后保持温度反应1小时,然后逐渐升至室温反应2小时。然后加入10ml 6N的盐酸搅拌1小时,用pH试纸检测水相pH为1。分液,有机相用30ml饱和食盐水洗3次至有机相为中性,水相用30ml乙酸乙酯萃取2次,合并有机相,旋干得到白色固体。加入20ml石油醚,升温至沸腾,冷却至室温,过滤,滤饼用石油醚洗,得白色固体产品,收率:84%。
步骤1-5:
向250ml反应瓶内,投入步骤1-3中的0.01mol 2,2’,3,3’-四氟-4-碘-4-丁基联苯和步骤1-4中的0.01mol 2,2’,3,3’-四氟-4-硼酸-4-丁基联苯,加入30ml甲苯、15ml水和15ml乙醇,再投入1%的Pd(PPh3)4(0.0001mol)催化剂和0.04mol的碳酸钠使反应体系的pH值为9,加热回流反应6小时,用TLC跟踪反应完后,冷却到室温,有机相用20ml饱和食盐水洗2次,水相用20ml的甲苯萃取两次,合并有机相旋干,过硅胶柱脱色,用甲苯重结晶,得到产品为白色固体。收率:46%。
实验结果如下:
(1)液相色谱纯度:99.60%;
(2)化合物熔点:189.77℃;
(3)19F-NMR(CDCl3,300HMz):δ-172.5,-174.5,-178.3
由上可知,该化合物结构正确,为目标化合物。
按照前述方法进行光学各向异性和介电各向异性的测试及拟合参数的测定,所得结果如下表所示:
测试参数与拟合参数的数据列表
化合物 |
Δn |
ε∥ |
ε⊥ |
Δε |
母体 |
0.116 |
16.69 |
6.67 |
10.02 |
母体+2%化合物(IA) |
0.119 |
16.45 |
6.77 |
9.68 |
化合物(IA) |
0.256 |
4.69 |
11.80 |
-7.11 |
由上表可知,本实施例制备所得化合物(IA)具有作为液晶显示材料的特性,可作为液晶显示材料中的一种,用来调节液晶组合物的Δn和Δε。
实施例2
本实施例为的制备
步骤1-1:
向1000ml反应瓶内,投入0.10mol的1,2-二氟-3-丁基苯,并加入200ml的THF和60ml的甲基叔丁基醚,N2保护下用液氮/乙醇浴将体系温度降至-80℃以下。滴加0.12mol的n-BuLi的己烷溶液,滴完后保持至-80℃以下1小时。保持温度滴加0.15mol碘的THF溶液,滴加完毕后保持温度反应1小时,然后逐渐升至室温反应2小时。然后加入100ml 6N的盐酸搅拌1小时,用pH试纸检测水相pH为1。分液,有机相用30ml饱和食盐水洗3次至有机相为中性,水相用30ml乙酸乙酯萃取2次,合并有机相,旋干得到黄色油状物。过短硅胶柱脱色,用石油醚淋洗旋干后得到淡黄色油状物产品。GC:93%,收率:89%。
步骤1-2:
向250ml反应瓶内,投入步骤1-1中的0.01mol 2,3-二氟-4-丁基碘苯和0.01mol2,3-二氟苯硼酸,加入30ml甲苯、15ml水和15ml乙醇,再投入1%的Pd(PPh3)4(0.0001mol)催化剂和0.04mol的碳酸钠使反应体系的pH值为9,加热回流反应6小时,用TLC跟踪反应完后,冷却到室温,有机相用20ml饱和食盐水洗2次,水相用20ml的乙酸乙酯萃取两次,合并有机相旋干,过硅胶柱脱色,用乙醇冷冻重结晶,得到产品为白色固体。收率:66%。
步骤1-3:
向250ml反应瓶内,投入步骤1-2中的0.01mol 2,2’,3,3’-四氟-4-丁基联苯,并加入20ml的THF和6ml的甲基叔丁基醚,N2保护下用液氮/乙醇浴将体系温度降至-80℃以下。滴加0.012mol的n-BuLi的己烷溶液,滴完后保持至-80℃以下1小时。保持温度滴加0.015mol碘的THF溶液,滴加完毕后保持温度反应1小时,然后逐渐升至室温反应2小时。然后加入10ml 6N的盐酸搅拌1小时,用pH试纸检测水相pH为1。分液,有机相用30ml饱和食盐水洗3次至有机相为中性,水相用30ml乙酸乙酯萃取2次,合并有机相,旋干得到黄色油状物。过短硅胶柱脱色,用石油醚淋洗旋干后得到淡黄色油状物产品。GC:69%,收率:89%。
步骤1-4:
按照与实施例2中步骤1-1和1-2相同的方法,将步骤1-1中的1,2-二氟-3-丁基苯替换为1,2-二氟-3-戊基苯,其他操作同步骤1-1和1-2。
步骤1-5:
向250ml反应瓶内,投入步骤1-3中的0.01mol 2,2’,3,3’-四氟-4-碘-4-丁基联苯和步骤1-4中的0.01mol 2,2’,3,3’-四氟-4-硼酸-4-戊基联苯,加入30ml甲苯、15ml水和15ml乙醇,再投入1%的Pd(PPh3)4(0.0001mol)催化剂和0.04mol的碳酸钠使反应体系的pH值为9,加热回流反应6小时,用TLC跟踪反应完后,冷却到室温,有机相用20ml饱和食盐水洗2次,水相用20ml的甲苯萃取两次,合并有机相旋干,过硅胶柱脱色,用甲苯重结晶,得到产品为白色固体。收率:49%。
实验结果如下:
(1)液相色谱纯度:99.50%;
(2)化合物熔点:172.21℃;
(3)19F-NMR(CDCl3,300HMz):δ-172.5,-174.5,-178.3
由上可知,该化合物结构正确,为目标化合物。该目标产物的光学各项异性和介电各向异性与实施例1无实质性差别,此处不再赘述。
实施例3
本实施例为的制备
按照与实施例1完全相同的方法,将步骤1-1中的1,2-二氟-3-丁基苯替换为1,2-二氟-3-丙基苯,其他操作同实施例1。
实验结果如下:
(1)液相色谱纯度:99.50%
(2)化合物熔点:206.2℃
(3)19F-NMR(CDCl3,300HMz):δ-172.5,-174.5,-178.3
由上可知,该化合物结构正确,为目标化合物。该目标产物的光学各项异性和介电各向异性与实施例1无实质性差别,此处不再赘述。
实施例4
本实施例为的制备
按照与实例2相同的方法,将步骤1-1中的1,2-二氟-3-丁基苯替换为1,2-二氟-3-丙基苯,将步骤1-4中的1,2-二氟-3-戊基苯替换为1,2-二氟-3-丁基苯其他操作同实施例2。
实验结果如下:
(1)液相色谱纯度:99.60%;
(2)化合物熔点:196.2℃;
(3)19F-NMR(CDCl3,300HMz):δ-172.5,-174.5,-178.3
由上可知,该化合物结构正确,为目标化合物。该目标产物的光学各项异性和介电各向异性与实施例1无实质性差别,此处不再赘述。
实施例5
本实施例为的制备
按照与实例2相同的方法,将实施例2步骤1-1的1,2-二氟-3-丁基苯替换为1,2-二氟-3-丙基苯,其他操作同实施例2。
实验结果如下:
(1)液相色谱纯度:99.60%;
(2)化合物熔点:170.8℃;
(3)19F-NMR(CDCl3,300HMz):δ-172.5,-174.5,-178.3
由上可知,该化合物结构正确,为目标化合物。该目标产物的光学各项异性和介电各向异性与实施例1无实质性差别,此处不再赘述。
实施例6
本实施例为的制备
按照与实施例1完全相同的方法,将步骤1-1中的1,2-二氟-3-丁基苯替换为1,2-二氟-3-戊基苯其他操作同实施例1。
实验结果如下:
(1)液相色谱纯度:99.50%;
(2)化合物熔点:168.7℃;
(3)19F-NMR(CDCl3,300HMz):δ-172.5,-174.5,-178.3
由上可知,该化合物结构正确,为目标化合物。该目标产物的光学各项异性和介电各向异性与实施例1无实质性差别,此处不再赘述。