CN103194242A - 含有氘的液晶化合物及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含有氘的液晶化合物及其制备方法与应用。该化合物的结构通式如式I所示。与非氘代液晶化合物相比,该化合物可以适当提高液晶的熔点,清亮点,适当调整液晶分子的偶极矩,并保持原有含氟液晶分子低粘度,高电阻,快速响应的优点,是一类新型的液晶分子,为配置各种性能的混合液晶材料提供了新的选则,其合成方法亦工艺简单、生产成本低,对于调配液晶混合物具有非常重要的实际意义。
Description
技术领域
本发明属于液晶化合物及应用领域,涉及一种含有氘的液晶化合物及其制备方法与应用。
背景技术
随着液晶显示器(LCD)的迅速发展,对于液晶材料的要求也越来越高,化学家们合成了很多性能优良的液晶材料,但是依然不能满足显示用液晶材料的全部要求。显示用液晶材料需要满足宽的工作温度范围,低的工作电压,快速的响应等要求。人们研究较多的氟取代液晶材料,由于氟原子取代氢原子会使液晶的许多性能发生改变,而且与其他基团相比,氟原子取代氢原子在体积上较接近氢原子。同时氟原子有较高的负电性,能保证含氟液晶结构仍有一定的偶极矩。此外由于含氟液晶具有粘度低,响应速度快,电阻大,介电常数适中等优点,从而使含氟液晶材料在液晶材料中占有了重要地位,是研究的热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种含有氘的液晶化合物及其制备方法与应用。
本发明提供的含氘的液晶化合物,其结构通式如式I所示,
式I
p为0、1或2;
Z均选自单键、-COO-、-CH2CH2-、-CHDCHD-、-CH2O-和-CF2O-中的至少一种;
L选自单键、-CHD-、-CD2-、-CH2CH2-、-CHDCHD-、-CD2CD2-和-CHDCHDCH2-中的至少一种;
R选自C1-C10的烷基和H中的至少一种,具体选自C1-C5的烷基和H中的至少一种;
具体的,所述式I所示化合物为式I1至式I8中的任一化合物:
其中,R和R′的定义与前述式I中的定义相同;
式I5和I6中,M1均选自D和F中的任意一种;M2均选自H和D中的任意一种。
上述方法中,所述催化剂选自四三苯基磷合钯、醋酸钯、三苯基膦二氯化钯和钯碳中的至少一种;
所述碱选自无水碳酸钠和无水碳酸钾中的至少一种;
所述偶联反应步骤中,温度为40-90℃,具体为80℃;时间为3-8小时,具体为6小时;
所述偶联反应在溶剂中进行;所述溶剂选自甲苯、苯、乙醇、异丙醇和水中的至少一种。
上述方法所述步骤1)中,锂试剂选自正丁基锂、甲基锂和二异丙基氨基锂中的至少一种;
所述锂氢交换反应步骤中,温度为-100℃至-40℃,具体为-80℃,时间为0.5-2小时,具体为1小时;
所述取代反应步骤中,时间为1-5小时,具体为2小时;
所述水解反应步骤中,温度可具体为-10℃;该步骤为瞬时反应,加入饱和亚硫酸钠水溶液中即立即反应;
时间为3-8小时,具体为5小时;
温度为15-40℃,具体为25℃;
所述步骤1)至步骤2)所述反应均在溶剂中进行;所述溶剂均选自四氢呋喃、甲基四氢呋喃、异丙醇、乙醇和正己烷的至少一种。
上述方法所述步骤1)中,锂试剂选自正丁基锂、甲基锂和二异丙基氨基锂中的至少一种;
所述酸为盐酸;所述酸的浓度具体为10-15mol/L,具体为12mol/L;
所述锂氢交换反应步骤中,温度为-100℃至-40℃,具体为-80℃;时间为0.5-2小时,具体为1小时;
所述加成反应步骤中,时间为1-3小时,具体为2小时;
所述水解反应步骤中,时间为1-5分钟,具体为2分钟;
所述催化剂选自对甲苯磺酸、硫酸和硫酸氢钾中的至少一种;
所述阻聚剂选自2,6-二叔丁基对甲酚、对苯二酚和对甲氧基苯酚中的至少一种;
所述脱水反应步骤中,时间为3-8小时,具体为5小时;
时间为3-8小时,具体为5小时;
温度为15-40℃,具体为25℃;
所述步骤1)至步骤2)所述反应均在溶剂中进行;
所述溶剂均选自四氢呋喃、甲基四氢呋喃、异丙醇、乙醇和正己烷的至少一种。
另外,上述本发明提供的含有式I所示化合物中至少一种或1-5种的液晶混合物,也属于本发明的保护范围。其中,所述式I所示化合物的总重占所述液晶混合物总质量的1-95%,具体为5-60%,更具体为5-40%或12%;
所述液晶混合物具体为由如下质量百分比的各化合物组成:
上述式I所示化合物或所述液晶混合物在制备液晶显示材料或电光学显示材料或液晶显示器中的应用及含有式I化合物或液晶混合物的液晶显示材料或电光学显示材料或液晶显示器,也属于本发明的保护范围。
本发明在氟取代液晶材料的基础上,用适当的氘原子在适当的位置,进一步取代氢原子,从而提供了一种新型化合物。氘为氢的一种稳定形态同位素,也被称为重氢,元素符号一般为D或2H。它的原子核由一颗质子和一颗中子组成。在大自然的含量约为一般氢的7000分之一。由于氘是氢的同位素,所以其具有与氢原子相当的物理化学性能,引入至分子体系中,不会破坏原有的分子构型及结构,同时由于氘原子具有比氢原子大的原子量,与非氘代液晶化合物相比可以适当提高液晶的熔点,清亮点,可适当调整液晶分子的偶极矩,并保持原有含氟液晶分子低粘度、高电阻、快速响应的优点,为配置各种性能的混合液晶材料提供了新的选择,其合成方法亦工艺简单、生产成本低,对于调配液晶混合物具有非常重要的实际意义。
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。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
下面实施例中GC表示气相色谱纯度,mp表示熔点,cp表示清亮点,MS表示质谱,Δε表示介电各向异性,Δn表示光学各向异性。测定mp、cp、LC-MS、Δε和Δn的方法均为常规方法。
实施例1、式I所示化合物1-a
在250mL三口瓶中加入39.1g(0.1mol)5-溴-2-(二氟(2,6-二氘-3,4,5-三氟苯氧基)甲基)-1,3-二氟苯(反应物),丙基苯硼酸(反应物)18g(0.11mol),29.2g(0.25mol)无水碳酸钠(碱),50ml甲苯(溶剂),25ml乙醇(溶剂),25ml水(溶剂),1.15g(0.001mol)四三苯基磷合钯(催化剂),80℃进行偶联反应6小时,加入100ml甲苯,100ml水,分出下层水相用100ml×2甲苯萃取,合并有机相,用200ml×3饱和食盐水洗,蒸干甲苯,产品用硅胶柱层析脱色,用3倍乙醇和0.5倍石油醚重结晶2次,得到白色晶体(1-a)32.2g,收率75%。
mp:48.5℃
LC-MS:99.3%m/z453(M+23)
1HNMR(CDCl3/TMS):7.472~7.499(d,2H),7.337~7.364(d,2H),7.179~7.256(d,2H),2.542~2.559(t,2H),1.562~1.659(m,2H),0.924~0.973(t,3H)
由上可知,该产物结构正确,为式I所示化合物。
该化合物的液晶性能如下所示:
Δn[589nm,20℃]:0.156
Δε[KHz,20℃]:25。
实施例2、式I所示化合物2-b
步骤1
500L三口瓶中加入31.4g(0.1mol)1,1,6,7-四氟-2-(4-丙基环己基)-2,3-二氢茚满(反应物),200ml四氢呋喃(溶剂),充氮气置换空气,置于低温槽中用液氮降温,降至-80℃时,滴加2.5M正丁基锂的己烷溶液48ml(0.12mol)(反应液),15分钟加完,进行锂氢交换反应1小时后,仍在-80℃滴加19.2g(0.12mol)液溴(反应物),半小时加完,进行取代反应2小时,得到绛红色溶液,撤去低温槽,自然升温至-10℃(用时2小时)加入50ml饱和亚硫酸氢钠水溶液进行水解反应,反应完毕分液,水相用200ml石油醚提取一次,合并有机层,盐水洗至中性。减压下蒸净溶剂,得到黄色固体,石油醚溶解过硅胶柱,蒸除溶剂,得到31.4g浅黄色固体(2-a),GC:95%,收率80%。
步骤2
500mL单口瓶中加入31.4g(0.08mol)(2-a)(反应物),100ml异丙醇(溶剂),100ml甲苯(溶剂),湿重6.28g拉尼镍(50%含量催化剂)催化剂,25℃,常压氘化5小时,吸氘至理论量,小心地过滤除去拉尼镍催化剂,浓缩除净溶剂,得到微黄色固体,石油醚溶解过硅胶柱,蒸除溶剂,石油醚结晶得到白色晶体(2-b)26.7g,收率85%。mp:86℃
LC-MS:99.5%m/z338(M+23)
1HNMR(CDCl3/TMS):6.956(d,IH),2.031~3.125(m,4H),0.934~1.922(m,16H)。
由上可知,该产物结构正确,为式I所示化合物。
该化合物的液晶性能如下所示:
Δn[589nm,20℃]:0.085
Δε[KHz,20℃]:-8.6
实施例3、式I所示化合物3-b
步骤1
500L三口瓶中加入22.6g(0.1mol)(反应物),200ml四氢呋喃(溶剂),充氮气置换空气,置于低温槽中用液氮降温,降至-80℃时,滴加2.5M正丁基锂的己烷溶液40ml(0.1mol)(反应液),15分钟加完进行锂氢交换反应1小时后,仍在-80℃滴加26.4g(0.1mol)2-(4-丁基双环己基)乙醛(反应物),半小时滴毕,自然升至室温,后回流进行加成反应2小时。降温至0-4℃,倒入有10ml浓度为12mol/L的盐酸(0.12mol)的100g的冰水(溶剂)中,搅拌进行水解反应2分钟,分出水相,100ml乙酸乙酯(溶剂)提取一次,合并有机相,饱和食盐水洗两次至中性,无水硫酸钠(干燥剂)干燥,浓缩除去溶剂得到浅黄色固体。
把1.7g(0.01mol)对甲苯磺酸(催化剂),0.44g(2mmol)2,6-二叔丁基对甲酚(阻聚剂),200ml甲苯(溶剂),及上述浅黄色固体产物,置于500mL三口瓶中加热回流进行脱水反应5小时,降至室温,甲苯层依次用40ml饱和碳酸氢钠水溶液和100ml去离子水(溶剂)洗涤,甲苯层用无水硫酸钠(干燥剂)干燥4小时,过滤,蒸除溶剂得粗品,粗品用2倍异丙醇和石油醚(1∶1)重结晶两次得白色晶体28.3g(3-a)。GC:98%,收率60%。
步骤2
500mL单口瓶中加入28.3g(60mmol)(3-a)(反应物),100ml异丙醇(溶剂),100ml甲苯(溶剂),湿重5.7g拉尼镍(50%含量催化剂)催化剂,25℃,常压氘化反应5小时,吸氘至理论量,小心地过滤除去拉尼镍催化剂,浓缩除净溶剂,得到微黄色固体,石油醚溶解过硅胶柱,蒸除溶剂,石油醚结晶得到白色晶体(3-b)25.6g,收率90%。
mp:94.3℃
cp:209.5℃
LC-MS:99.6%m/z499(M+23)
1HNMR(CDCl3/TMS):7.247~7.445(m,1H),7.294~7.308(d,1H),7.276(dd,1H),4.211(q,2H),2.769~2.780(d,1H),1.835~1.900(m,1H),1.134~1.728(m,29H),0.911~0.965(t,3H)。
由上可知,该产物结构正确,为式I所示化合物。
该化合物的液晶性能如下所示:
Δn[589nm,20℃]:0.125
Δε[KHz,20℃]:-10.3
实施例4~38
参照实施例1-3,仅按照产物的结构式相应替换反应物结构式中的基团,得到如下式I所示化合物:
实施例39-73
实施例74-96
实施例97、
表1、液晶混合物a的组成
该液晶混合物a的性能如下:
cp:90℃;Δn:0.100;Δε:7.5。
由上可知,实施例1制备所得式I所示化合物具有较高的Δε,用它来调配的液晶混合物又具有相当大的应用价值,可见本发明提供的式I所示化合物在制备液晶显示器件材料或电光学显示器件材料领域具有重要的应用价值。
Claims (10)
1.式I所示化合物,
式I
选自1,4-亚环己基、1,4-亚苯基和氟代1,4-亚苯基中的至少一种;
p为0、1或2;
Z均选自单键、-COO-、-CH2CH2-、-CHDCHD-、-CH2O-和-CF2O-中的至少一种;
L选自单键、-CHD-、-CD2-、-CH2CH2-、-CHDCHD-、-CD2CD2-和-CHDCHDCH2-中的至少一种;
R选自C1-C10的烷基和H中的至少一种,具体选自C1-C5的烷基和H中的至少一种;
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:所述步骤1)中,锂试剂选自正丁基锂、甲基锂和二异丙基氨基锂中的至少一种;
所述锂氢交换反应步骤中,温度为-100℃至-40℃,具体为-80℃,时间为0.5-2小时,具体为1小时;
所述取代反应步骤中,时间为1-5小时,具体为2小时;
所述水解反应步骤中,温度为-10℃;
所述步骤2)中常压加氘反应步骤中,所用催化剂为拉尼镍,用量为质量的1-20%,具体为10%;
时间为3-8小时,具体为5小时;
温度为15-40℃,具体为25℃;
所述步骤1)至步骤2)所述反应均在溶剂中进行;所述溶剂均选自四氢呋喃、甲基四氢呋喃、异丙醇、乙醇和正己烷的至少一种。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于:所述步骤1)中,锂试剂选自正丁基锂、甲基锂和二异丙基氨基锂中的至少一种;
所述酸为盐酸;所述酸的浓度具体为10-15mol/L,具体为12mol/L;
所述锂氢交换反应步骤中,温度为-100℃至-40℃,具体为-80℃;时间为0.5-2小时,具体为1小时;
所述加成反应步骤中,时间为1-3小时,具体为2小时;
所述水解反应步骤中,时间为1-5分钟,具体为2分钟;
所述催化剂选自对甲苯磺酸、硫酸和硫酸氢钾中的至少一种;
所述阻聚剂选自2,6-二叔丁基对甲酚、对苯二酚和对甲氧基苯酚中的至少一种;
所述脱水反应步骤中,时间为3-8小时,具体为5小时;
时间为3-8小时,具体为5小时;
温度为15-40℃,具体为25℃;
所述步骤1)至步骤2)所述反应均在溶剂中进行;
所述溶剂均选自四氢呋喃、甲基四氢呋喃、异丙醇、乙醇和正己烷的至少一种。
10.权利要求1-2任一所述化合物或权利要求9所述液晶混合物在制备液晶显示材料或电光学显示材料或液晶显示器中的应用;
含有权利要求1-2任一所述化合物或权利要求9所述液晶混合物的液晶显示材料或电光学显示材料或液晶显示器。
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