发明内容
本发明的目的是提供一种金刚烷衍生物及其制备方法与应用。
本发明提供的金刚烷衍生物,其结构通式如式I所示,
所述式I中,R1和R2均为如下A、B或C所示基团:
A、选自H、Cl、F、-CN、-OCN、-OCF3、-CF3、-CHF2、-CH2F、-OCHF2、-SCN、-NCS、-SF5、C1-C15的烷基、C1-C15的烷氧基、C2-C15的烯基和C2-C15的烯氧基中的至少一种;
B、将所述A基团中的一个或至少两个不相邻-CH2-被如下基团中的至少一种取代而得且氧原子不直接相连的基团:-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、环丁烷基、-O-或-S-;
C、将所述A基团或B基团中至少一个氢被氟或氯取代而得的基团中的至少一种;
Z1、Z2和Z3均选自单键、-CH2-CH2-、-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、-CF2O-、-OCH2-、-CH2O-、-OCF2-、-CF2CH2-、-CH2CF2-、-C2F4-、-CF=CF-和-(CH2)4-中的任意一种;
a、b、c、d和e均为0-3的整数,且a+b+c+d+e≤5;
a、b、c、d和e为2或3时,
相同或不同,
表示的基团相同或不同,
表示的基团均相同或不同。
所述式I中,所述C1-C15的烷基具体选自C2-C15的烷基、C3-C15的烷基、C4-C15的烷基、C5-C15的烷基、C6-C15的烷基、C1-C6的烷基、C2-C6的烷基、C3-C6的烷基、C4-C6的烷基、C5-C6的烷基、C1-C5的烷基、C2-C5的烷基、C3-C5的烷基、C4-C5的烷基、C1-C4的烷基、C2-C4的烷基、C3-C4的烷基、C1-C3的烷基、C1-C10的烷基、C2-C10的烷基、C3-C10的烷基、C1-C10的烷基、C1-C2的烷基和C2-C3的烷基中的至少一种;
所述C1-C15的烷氧基具体选自C2-C15的烷氧基、C3-C15的烷氧基、C4-C15的烷氧基、C5-C15的烷氧基、C6-C15的烷氧基、C1-C6的烷氧基、C2-C6的烷氧基、C3-C6的烷氧基、C4-C6的烷氧基、C5-C6的烷氧基、C1-C5的烷氧基、C2-C5的烷氧基、C3-C5的烷氧基、C4-C5的烷氧基、C1-C4的烷氧基、C2-C4的烷氧基、C3-C4的烷氧基、C1-C3的烷氧基、C1-C10的烷氧基、C2-C10的烷氧基、C3-C10的烷氧基、C1-C10的烷氧基、C1-C2的烷氧基和C2-C3的烷氧基中的至少一种;
所述C2-C15的烯基具体选自C3-C15的烯基、C4-C15的烯基、C5-C15的烯基、C6-C15的烯基、C1-C6的烯基、C2-C6的烯基、C3-C6的烯基、C4-C6的烯基、C5-C6的烯基、C2-C5的烯基、C3-C5的烯基、C4-C5的烯基、C2-C4的烯基、C3-C4的烯基、C2-C10的烯基、C3-C10的烯基、C2-C8的烯基和C2-C3的烯基中的至少一种;
所述C2-C15的烯氧基具体选自C3-C15的烯氧基、C4-C15的烯氧基、C5-C15的烯氧基、C6-C15的烯氧基、C2-C6的烯氧基、C3-C6的烯氧基、C4-C6的烯氧基、C5-C6的烯氧基、C2-C5的烯氧基、C3-C5的烯氧基、C4-C5的烯氧基、C2-C4的烯氧基、C3-C4的烯氧基、C2-C10的烯氧基、C3-C10的烯氧基、C2-C8的烯氧基和C2-C3的烯氧基中的至少一种;
具体的,所述式I所示化合物为式I-1至式I-6所示任一化合物:
其中,所述式I-1所示化合物具体为式I-12所示化合物,
所述式I-2所示化合物具体为式I-8所示化合物,
所述式I-3所示化合物具体为式I-10所示化合物,
所述式I-4所示化合物具体为式I-7所示化合物,
所述式I-5所示化合物具体为式I-9所示化合物,
所述式I-6所示化合物具体为式I-11所示化合物,
R1为氢或C1-C10的直链烷基;
R2为Cl、F、-OCF3、-CF3或-OCHF2;
L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7和L8均为氢或氟。
本发明提供的制备所述式I所示化合物的方法,包括如下步骤:
1)
与正丁基锂在-60℃至-50℃反应20-40分钟后,再加入硼酸三甲酯保持温度反应1-2小时,升温至室温加入盐酸进行反应1-2小时,反应完毕得到
2)将步骤1)所得
与
碳酸盐和四三苯基膦合钯混匀进行回流反应,反应完毕得到所述式I所示化合物;
所述步骤1)至步骤2)中,所述a、b、c、d、e、R
1、R
2、Z
1、Z
3、
的定义与权利要求1相同。
该方法的反应方程式如下所示:
上述方法的步骤1)中,与正丁基锂和硼酸三甲酯和盐酸的投料摩尔比为0.1:0.1:0.13:0.2;所述盐酸的质量百分浓度为37%;
所述步骤2)中,所述碳酸盐选自碳酸钠和碳酸钾中的至少一种;
碳酸盐和四三苯基膦合钯的用量比为0.11mol:0.1mol:15g:0.3g;
所述反应步骤中,时间为3-5小时,具体为4小时;
所述反应均在溶剂中进行;
所述溶剂具体选自四氢呋喃、甲苯、水、乙醇和石油醚中的至少一种。
另外,包含式I所示化合物的液晶组合物及包含式I所示化合物和式II至式IV所示化合物的液晶组合物;或,
由式I所示化合物和式II至式IV所示化合物组成的液晶组合物,也属于本发明的保护范围:
所述式Ⅱ至式Ⅳ中,R1、R2和R3均选自卤素、-CN、C1-C9的烷基、C1-C7的烷氧基、C2-C7的烯基、C1-C5的氟代烷基、环戊基和C1-C5的氟代烷氧基中的任意一种;
Z选自单键、-CH2-CH2-、-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、-OCH2-、-CH2O-、-CF2O-和-OCF2-中的任意一种;
Y1和Y2均为H或F;
P为0-2的整数。
具体的,所述式II至式IV中,所述式II至式IV中,所述C1-C7的烷基具体选自C2-C7的烷基、C3-C7的烷基、C4-C7的烷基、C5-C7的烷基、C6-C7的烷基、C1-C6的烷基、C2-C6的烷基、C3-C6的烷基、C4-C6的烷基、C5-C6的烷基、C1-C5的烷基、C2-C5的烷基、C3-C5的烷基、C4-C5的烷基、C1-C4的烷基、C2-C4的烷基、C3-C4的烷基、C1-C3的烷基、C1-C2的烷基和C2-C3的烷基中的至少一种;
所述C1-C7的烷氧基具体选自C2-C7的烷氧基、C3-C7的烷氧基、C4-C7的烷氧基、C5-C7的烷氧基、C6-C7的烷氧基、C1-C6的烷氧基、C2-C6的烷氧基、C3-C6的烷氧基、C4-C6的烷氧基、C5-C6的烷氧基、C1-C5的烷氧基、C2-C5的烷氧基、C3-C5的烷氧基、C4-C5的烷氧基、C1-C4的烷氧基、C2-C4的烷氧基、C3-C4的烷氧基、C1-C3的烷氧基、C1-C2的烷氧基和C2-C3的烷氧基中的至少一种;
所述C1-C5的氟代烷基选自C2-C5的氟代烷基、C3-C5的氟代烷基、C4-C5的氟代烷基、C1-C4的氟代烷基、C2-C4的氟代烷基、C3-C4的氟代烷基、C1-C3的氟代烷基、C1-C2的氟代烷基和C2-C3的氟代烷基中的至少一种;
所述C1-C5的氟代烷氧基选自C2-C5的氟代烷氧基、C3-C5的氟代烷氧基、C4-C5的氟代烷氧基、C1-C4的氟代烷氧基、C2-C4的氟代烷氧基、C3-C4的氟代烷氧基、C1-C3的氟代烷氧基、C1-C2的氟代烷氧基和C2-C3的氟代烷氧基中的至少一种;
上述液晶组合物也可只由所述式I所示化合物、式II、式III和式IV所示化合物组成。
所述式I所示化合物、式II、式III和式IV所示化合物的质量比为0-30:4-51:5-50:3-49;且所述式I所示化合物的质量不为0。
具体的,所述式I所示化合物、式II、式III和式IV所示化合物的质量比1-5:20-51:15-35:10-49、4:20-51:15-35:10-49、1-5:29-51:18-35:10-49、4:29-51:18-35:10-49、4:29-40:18-22:10-34或4:40-51:22-35:34-49。
所述液晶组合物具体为液晶组合物a-c中的任意一种:
所述液晶组合物a包括如下各质量份的组分或由如下各质量份的组分组成:
所述液晶组合物a具体包括如下各质量份的组分或由如下各质量份的组分组成:
所述液晶组合物b包括如下各质量份的组分或由如下各质量份的组分组成:
所述液晶组合物b具体包括如下各质量份的组分或由如下各质量份的组分组成:
所述液晶组合物c包括如下各质量份的组分或由如下各质量份的组分组成:
所述液晶组合物c具体包括如下各质量份的组分或由如下各质量份的组分组成:
另外,上述本发明提供的式I所示化合物和液晶组合物在制备液晶显示材料或电光学显示材料中的应用,也属于本发明的保护范围。其中,所述液晶显示材料或电光学显示材料为显示器,具体为TN型显示器、VA型显示器、IPS型显示器或PDLC型显示器。
本发明提供的式I化合物,具有化合物所必需的一般物理性质,对光,热稳定,较宽的向列相,与其他化合物相溶性好,尤其是此化合物具有大介电各向异性(△ε>0)的特性,对于高介电各向异性△ε的单体液晶化合物的开发具有重要意义。含有该式I化合物的液晶组合物,其液晶相的温度范围广,粘度小,具有合适的折射率各向异性以及低启动电压,具有重要的应用价值。
具体实施方式
下面实施例用于解释本发明,但本发明不仅限于下面实施例。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。下面实施例中GC表示气相色谱纯度,HPLC表示液相色谱纯度,MP表示熔点,MS表示质谱,1H-NMR表示核磁氢谱,△ε表示介电各向异性,△n表示光学各向异性。
下述实施例所得式I所示产物均利用气相色谱、液相色谱、GC-MS所得质谱图和1H-NMR鉴定证实结构正确性。GC由安捷伦公司的HP6820型气相色谱分析仪进行测定,GC-MS分析测定装置为安捷伦公司的MS5975C型,1H-NMR由Bruker.Biospin公司的DRX-500分析装置进行测定,熔点测定使用WRX-1S显微热分析仪,设定升温速率为3℃/min。
下述实施例所得式I所示产物的物性均使用两种方式进行测定:将化合物本身作为试样进行测定和将化合物与母体液晶混合作为试样进行测定。将化合物与母体液晶混合作为试样测定化合物物性的方式为:首先将15%的液晶化合物与85%的母体液晶混合来制作试样,然后根据所得试样的测定值,按照下述式中所示的外推法来计算外推值,
外推值=[100×(试样的测定值)-(母体液晶的重量百分率)×(母体液晶的测定值)]/化合物的重量百分率,
从而得出单体液晶化合物的物性。
所用母体液晶由如下各质量份的化合物组成:
液晶化合物的物理性质测定方法按照本行业的规范进行,参见《液晶器件手册》航空工业出版社出版。测定值中,当以液晶化合物本身作为试样时,记录所得值作为实验值,当以液晶化合物与母液晶的组合物作为试样时,记录由外推法得到的值作为实验值。
化合物的物性测定方法:
1.相结构以及传递温度(℃)的测定
①在具备偏光显微镜熔点仪[梅特勒(Mettler)公司FP-52型],加热板上放置化合物,一边以3℃/min速度加热,一边利用偏光显微镜来观察相态变化,从而确定相态种类。
②利用梅特勒公司差示量热扭扫描仪DSC822e,以1℃/min的速度升温或降温,利用外推法求出伴随试样的相变化的吸热波峰或发热波峰的起始点,从而确定转移温度。
结晶表示为C,近晶相为S,向列相为N,液体为I。
2.粘度:γ1在20℃下测定cPa,用ToYo6254液晶综合测试仪测定。
3.光学各向异性(折射率各向异性在25℃下测定△n),测定在25℃下,用波长589nm的光,使用阿贝折射仪进行测定△n。在一个方向对主棱镜(PrI3m)的表面进行摩擦后,将试样滴加到主棱镜上。折射率(n11)是在偏光方向与摩擦方向平行时测定所得数值,折射率(n⊥)是在偏光方向与摩擦方向垂直时测定所得数值,光学各向异性(△n)的值由△n=n11-n⊥来计算。
4.介电常数各向异性(△ε,在25℃下测定)由惠普公司HP4284a精密LCR测试仪进行测定。测定液晶分子在长轴方向的介电常数ε‖,测定液晶分子在短轴方向的介电常数(ε⊥),介电各向异性△ε通过△ε=ε‖-ε⊥来计算。
实施例1化合物I-13的合成
步骤1I-13-a的合成
在反应瓶中加入29.1g(0.1mol)4-(1-金刚烷)对溴苯(反应物),80ml四氢呋喃(溶剂),通氮气保护,降温至-60℃,滴加0.1mol正丁基锂(反应物)的石油醚(溶剂)溶液,1小时内滴加完毕,在-50℃搅拌反应30分钟。然后降温至-60℃,在1小时内滴加13g(0.13mol)硼酸三甲酯(反应物)的70ml四氢呋喃(溶剂)溶液,加完后,继续控温搅拌反应1小时,升温至室温,加入0.2mol盐酸搅拌1小时,加水洗涤后,乙酸乙酯50ml(溶剂)提取并分液,水洗有机相至中性,蒸干溶剂后,得化合物(I-13-1)20.5g,收率80%,液相色谱纯度97%。
步骤2化合物I-13的合成
在反应瓶中加入28.2g(0.11mol)I-13-a(反应物),38.9g(0.1mol)g P2(反应物),四三苯基膦钯0.3g(催化剂),碳酸钠15g(催化剂),甲苯100ml(溶剂),水100ml,乙醇100ml(溶剂),加热回流4小时,加入100ml水,分液,有机相蒸干,经柱层析,重结晶得产品36.4g,收率70%
测试结果如下:
GC:99.9%
MP:133.3℃
MS:m/s%520(3.7)、373(100)、252(18.3)、265(9.5)、187(71.8)
1H-NMR:δ(ppm:)1.72(t,6H)、1.87(m,3H)、1.99(d,6H)、6.89(m,2H)、7.22(d,2H)、7.38(s,4H)
由上可知,该产物结构正确,为归属式I的目标产物。
该产物的液晶性能检测结果如下:
△ε:16.0
△n:0.108
实施例2化合物I-14的合成
在反应瓶中加入28.2g(0.11mol)实施例1中的I-13-1(反应物),48.3g(0.1mol)gP3(反应物),四三苯基膦钯0.3g(催化剂),碳酸钠15g(催化剂),甲苯100ml(溶剂),水100ml,乙醇100ml(溶剂),加热回流反应4小时,加入100ml水,分液,有机相蒸干,经柱层析,重结晶得产品,43g收率70%。
测试结果如下:
GC:99.9%
MP:178℃
CP:232℃
MS:614(3.5)467(100)346(16.7)359(8.0)
1H-NMR:δ(ppm:)1.72(t,6H)、1.87(m,3H)、1.99(d,6H)、6.89(m,2H)、7.02(d,1H)、7.22(d,2H)、7.38(s,4H)7.58(d,1H)、7.83(m,1H)
由上可知,该产物结构正确,为归属式I的目标产物。
该产物的液晶性能检测结果如下:
△ε:17.0;
△n:0.188
按照前述实施例1-2的方法,仅将反应物中的取代基按照目标产物中的取代基进行相应替换,得到如下归属式I的化合物:
实施例3、制备液晶组合物a
按照如下质量百分比将各化合物混匀,得到液晶组合物a:
该液晶组合物的性能检测结果如下所示:
Cp=98℃
△n=0.105
△ε=7.5
由上可知,该液晶组合物液晶相的温度范围广,粘度小,具有合适的折射率各向异性及低启动电压,具有重要的应用价值。
实施例4、制备液晶组合物b
按照如下质量百分比将各化合物混匀,得到液晶组合物b:
该液晶组合物的性能检测结果如下所示:
Cp=94℃
△n=0.125
△ε=9.8
由上可知,该液晶组合物液晶相的温度范围广,粘度小,具有合适的折射率各向异性及低启动电压,具有重要的应用价值。
实施例5、制备液晶组合物c
按照如下质量百分比将各化合物混匀,得到液晶组合物c:
该液晶组合物的性能检测结果如下所示:
Cp=90℃
△n=0.100
△ε=4.5
由上可知,该液晶组合物液晶相的温度范围广,粘度小,具有合适的折射率各向异性及低启动电压,具有重要的应用价值。