CN104087309A

CN104087309A - 一种含氟联苯乙炔类液晶化合物及其制备方法

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Publication number: CN104087309A
Application number: CN201410347451.2A
Authority: CN
Inventors: 安忠维; 李建; 李娟利; 杨晓哲; 车昭毅; 胡明刚; 武斌; 杨志; 莫玲超
Original assignee: Xian Modern Chemistry Research Institute
Current assignee: Xian Modern Chemistry Research Institute
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2014-07-21
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2034-07-21
Also published as: CN104087309B

Abstract

本发明公开了一种含氟苯乙炔类液晶化合物及其制备方法，其结构通式如(1)所示：其中R为碳数1～9的直链烷烃，X₁，X₂，X₃，X₄＝H或F，且X₃，X₄至少其一为F。本发明具有双折射率高、熔点低、粘度低、介电各向异性大的优点，适合于液晶显示、激光通讯等应用领域。

Description

一种含氟联苯乙炔类液晶化合物及其制备方法

技术领域

本发明属于液晶材料技术领域，具体涉及一种含氟联苯乙炔类液晶化合物，主要用于液晶显示器、液晶光学器件等。

背景技术

液晶显示器按照显示模式分类，有扭曲向列式(TN)、超扭曲向列式(STN)、动态散射模式(DSP)、薄膜晶体管驱动模式(TFT)等。TFT液晶显示可以实现全彩色、高分辨率、宽视角、快速响应等，已经得到广泛应用。液晶显示所用的液晶材料在使用环境温度范围内，一般是－20℃～+70℃具有向列相；同时必须具用高度的化学稳定性，较低的粘度，以及适合用途的双折射率、介电各向异性、电阻率等液晶物理性质。用一种液晶化合物无法满足全部的使用条件，必须混合10～20种液晶化合物形成混合液晶。为实现在较宽的温度区间内使用，例如－40℃～+90℃使用，需要液晶化合物具有较宽的液晶温度范围,尤其是具有较低的熔点以改善低温相溶性；并具有较高的清亮点，才能保证高温下使用。为满足低电压驱动，降低功耗，还希望液晶化合物具有较大的介电各向异性值。为获得较快的响应速度，还需要液晶材料具有较大的双折射率和较低的粘度。对于TFT液晶显示技术，还要求所使用的液晶材料必须具备高电阻率和高电压保持率，含氟原子取代的液晶化合物可以满足上述要求，在TFT液晶得到大量应用。

在激光调制器应用领域，为获得更短的响应时间和较大的激光相位调制量，需要有超高折光率、低粘度的液晶材料。含有二苯乙炔、联苯乙炔类结构的液晶材料具有较高的双折射率。在期刊Journal of the Society for Information Display，2005，13(8):693-702，题名为"Optimization of liquid crystals for television."中公开了一些具有较高双折射率的典型液晶分子结构如下所示：

C54N(35.7)I,Δn＝0.219,Δε＝17.6,γ₁＝168mPa·s.

C111S_E135S_A213N250.2I,Δn＝0.293,Δε＝18.1,γ₁＝404mPa·s.

化合物A具有介电各向异性值较大，但只表现出单变液晶相变规律，即加热时不出现液晶相，只有冷却时出现液晶相，且有清亮点低、液晶相区窄的缺陷，且双折射率Δn偏低，约为0.2左右。

化合物B介电各向异性值较大，虽然双折射率Δn较A有所提升，约为0.3左右，但熔点大于100℃，并存在非常宽的近晶相，所以相溶性非常差，在配方应用中添加量受到极大的限制；而且与A比较，旋转粘度γ₁也大幅度上升。

在期刊Liquid Crystals，2006，33(10):1199–1206.，题名为"Synthesis andmesomorphic properties of fluoro and isothiocyanato biphenyl tolane liquid crystals."的论文中公开了如下结构的液晶材料：

其液晶相变温度为：C174.3N210.9I。测试双折射率Δn＝0.37。该液晶具有较大的双折射率，但是熔点较高，限制了其在混合液晶中的应用。

日本专利JPH107606A公开了如下结构的含氟苯乙炔类液晶：

其液晶相变温度为：C82N107I；冷却至76℃出现S_A相。

其液晶相变温度为：C118.5S_A131N168I。

虽然该液晶化合物较单氟取代的液晶材料熔点大幅下降，但是其熔点仍较高。由于通常的含氟炔类液晶具有较高的熔点，因此难以形成低共熔点的液晶混合物，低温性能无法满足使用要求。

发明内容

为了克服背景技术的缺陷或不足，本发明提供一种既具有高双折射率、并具有大介电各向异性和低粘度，又具有较宽的液晶相区，尤其是显著降低的熔点特性的含氟联苯乙炔类液晶化合物。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种含氟联苯乙炔类液晶化合物，结构通式如(1)所示：

其中R为碳数1～9的直链烷基，X₁，X₂，X₃，X₄＝H或F，且X₃，X₄至少其一为F。

根据本发明，R优选为碳数2～7的直链烷基。

根据本发明，优选的例子是：所述的含氟联苯乙炔类液晶化合物，具体结构式如下：

本发明所述化合物按以下方法制备：

(1)采用4-烷基苯乙炔与4-溴-3-氟碘苯(或4-溴-2-氟碘苯)，在钯催化下进行选择性Sonogashira偶联反应，得到4-烷基-3′-氟-4′-溴二苯乙炔(或4-烷基-2′-氟-4′-溴二苯乙炔)。

(2)4-烷基-3′-氟-4′-溴二苯乙炔(或4-烷基-2′-氟-4′-溴二苯乙炔)与含氟苯硼酸在钯催化下进行Suzuki偶联反应得到目标产物。

第一步Sonogashira偶联反应反应温度为-20～+60℃，优选-10℃～+30℃；所述的钯催化剂包括含有机磷配体的钯催化、负载型钯催化剂，其中有机磷配体的钯催化剂优选二(三苯基膦)氯化钯、四(三苯基膦)钯；负载型钯催化剂优选钯/碳。

本发明的优点：已知的含有乙炔桥键液晶化合物熔点高的缺陷使其难以形成低共熔点的混合物配方，在低温甚至室温下易于出现结晶。而本发明同时具备熔点低、低温相溶性好、介电各向异性大、双折射率高、粘度低的优点；包含本发明化合物的配方可以适合于各种液晶显示模式以及激光相位调制器件等。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

按照本发明的技术方案，一种具有含氟联苯乙炔类液晶化合物，结构通式如(1)所示：

上述含氟联苯乙炔类液晶化合物，采用如下合成路线制备：

具体按以下步骤制备：

所使用的原料反式-4-烷基苯乙炔、含氟苯硼酸均为市售产品，购自西安彩晶光电科技股份有限公司。

实施例中液晶相变温度，C:熔点；N：向列相；I：清亮点。

用于液晶化合物物理性能测试的基础配方由如下结构式所示的三种单体液晶按照质量比1：1：1配成：

液晶配方制备方法：采用热溶解方法。首先用精密天平称取不同重量比例的单体液晶，加热至60℃～100℃，搅拌混合1～2小时使各组分溶解均匀。冷却后进行精密过滤，过滤所得液体在高真空(≤100Pa)脱气处理，最后用高纯氮气封装，得到目标混合液晶。

如无特殊说明，本发明涉及的液晶组合物均按照此方法制备。

混合好的液晶进行物理性能及光电性能测试。本发明涉及到的物理性能及光电性能详细测试方法如下：

(1)清亮点(Tcl)：

偏光热台法：将液晶样品涂在载玻片上并置于正交偏光显微热台中，设置升温速率为2℃/min。在偏光显微镜中观察液晶样品由亮态开始变黑的温度，即为清亮点。

示差扫描量热法：氮气气氛下，设置升温速率为2℃/min。

(2)低温存储温度(LTS)：将1mL左右的混合液晶装入透明的玻璃瓶中，置于低温冰箱中。温度设置-20℃、-30℃、-40℃，分别存储10天，观察有无晶体析出或近晶相。如果-30℃无晶体析出，而-40℃有晶体析出，LTS≤-30℃。

(3)双折射率(Δn)：采用阿贝折光仪，25℃恒温条件下，分别测量寻常光(n_o)和非寻常光(n_e)的折射率，双折射率Δn＝n_e－n_o。

(4)介电常数(Δε)：分子长轴方向介电常数(ε_∥)与分子短轴方向介电常数(ε_⊥)的差值。

(5)阈值电压(V_th)：采用正交偏光TN测试盒，在全白模式下，测试外加驱动电压与透光率的曲线。其中对应透光率90％的电压值为阈值电压(V_th)。

(6)饱和电压(V_sat)：采用正交偏光TN测试盒，在全白模式下，测试外加驱动电压与透光率的曲线。其中对应透光率10％的电压值为阈值电压(V_sat)。

(7)响应时间(t_r，t_f)：采用正交偏光TN测试盒，在全白模式下，测试施加5V驱动电压，透光率随时间变化的曲线。t_r代表上升时间，即透光率由90％变化至10％的时间，t_f代表下降时间，即透光率由10％变化至90％的时间。

代号和说明：

(1)物理参数

代号	说明	单位
			T_ni	清亮点	℃
T_CN	低温存储温度	℃
			Δε	介电各向异性常数
Δn	双折射率
			γ1	旋转粘度	mPa·s
Vth	阈值电压	V
			Vsat	饱和电压	V
t_r	上升时间	ms
			t_f	下降时间	ms

以下是发明人给出的实施例。

实施例1：

2，3'，4'，5'-四氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯的制备：

具体结构式如下：

制备过程如下：

(1)将30.1g(0.1mol)3-氟-4-溴碘苯、100mlTHF(未干燥)、0.7g(0.001mol)二(三苯基膦)氯化钯、0.57g(0.003mol)碘化亚铜、20.2g(0.2mol)三乙胺依次加入500ml三口瓶中，高纯氮气置换空气，降温至5℃。将14.4g4-丙基苯乙炔溶于100ml THF中，滴加到反应瓶中，1hr内滴完。滴完后自然升温至室温后反应5hr。过滤除去副产物盐，滤液旋蒸至干，所得油状产物用正庚烷溶解过硅胶柱。所得溶液浓缩至干，加入60ml乙醇冷冻结晶。过滤，得到类白色晶体约29g，收率90％。

结构鉴定：

¹H NMR(δ，CDCl₃):0.94(t，J＝7.5Hz，3H)，1.61～1.68(m，2H)，2.60(t，J＝7.5Hz，2H)，7.167(d，3H)，7.244～7.277(q，1H)，7.431(d，J＝3.5Hz，2H)，7.487～7.518(dd，1H)。

MS(70eV)m/z(％)：318(31)，316(34)，289(66)，287(81)，207(100)。

(2)将4-丙基-3′-氟-4′-溴二苯乙炔3.2g(10mmol)，3，4，5-三氟苯硼酸2.1g(12mmol)、碳酸钾2.8g(20mmol)、THF20ml、水10ml、0.14g(0.2mmol)二(三苯基膦)氯化钯加入反应瓶，氮气置换空气3次。加热回流反应4hr。分出水层，旋蒸除去溶剂。加入正庚烷溶解过硅胶柱，所得溶液浓缩至干，用乙醇重结晶二次，过滤得白色粉末2.4g，收率65％。

结构鉴定：

¹H NMR(δ，CDCl₃):0.947(t，J＝7.5Hz，3H)，1.617～1.691(m，2H)，2.61(t，J＝7.5Hz，2H)，7.171～7.219(m，4H)，7.296～7.376(m，3H)，7.453(d，J＝4Hz，2H)。

MS(70eV)m/z(％)：368.2(M⁺，80)，339.1(100)，169.6(19.2)。

以上结构鉴定数据表明所合成出的化合物确实是2，3'，4'，5'-四氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯。

用DSC以5℃/min的条件升温测试2，3'，4'，5'-四氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯的液晶相变温度，结果为：C55.0N64.4I。

将其按照15％的质量比例溶于基础配方中测试其各项物理参数，外推得25℃，589nm下双折射率Δn＝0.2987，Δε＝19.10，γ₁＝73.2mPa·s。该化合物具有高双折射率、介电各向异性大、旋转粘度极低的优点。

实施例2～实施例6：

采用4-乙基苯乙炔、4-丁基苯乙炔、4-戊基苯乙炔、4-己基苯乙炔、4-庚基苯乙炔分别替代实施例1中的4-丙基苯乙炔，同样的方法合成出：

2，3'，4'，5'-四氟-4-((4-乙基苯基)乙炔基)联苯；

2，3'，4'，5'-四氟-4-((4-丁基苯基)乙炔基)联苯；

2，3'，4'，5'-四氟-4-((4-戊基苯基)乙炔基)联苯；

2，3'，4'，5'-四氟-4-((4-己基苯基)乙炔基)联苯；

2，3'，4'，5'-四氟-4-((4-庚基苯基)乙炔基)联苯。

实施例7：

2，3'，4'-三氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯的制备，具体结构式如下：

采用3，4-二氟苯硼酸替代实施例1中的3，4，5-三氟苯硼酸，与实施例1同样的方法合成出2，3'，4'-三氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯，收率64％。

用DSC以5℃/min的条件升温测试2，3'，4'-三氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯的液晶相变温度，结果为：C59.5N118.4I。

将其按照15％的质量比例溶于基础配方中测试其折光率，外推得到25℃，589nm下双折射率Δn＝0.3173，Δε＝13.10，γ₁＝109.8mPa·s。该化合物具有高双折射率、介电各向异性值较大、旋转粘度值较低的优点。

实施例8～实施例12

采用4-乙基苯乙炔、4-丁基苯乙炔、4-戊基苯乙炔、4-己基苯乙炔、4-庚基苯乙炔分别替代实施例7中的4-丙基苯乙炔，同样的方法合成出：

2，3'，4'-三氟-4-((4-乙基苯基)乙炔基)联苯；

2，3'，4'-三氟-4-((4-丁基苯基)乙炔基)联苯；

2，3'，4'-三氟-4-((4-戊基苯基)乙炔基)联苯；

2，3'，4'-三氟-4-((4-己基苯基)乙炔基)联苯；

2，3'，4'-三氟-4-((4-庚基苯基)乙炔基)联苯。

实施例13

2，4'-二氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯的制备，具体结构式如下：

采用4-氟苯硼酸替代实施例1中的3，4，5-三氟苯硼酸，与实施例1同样的方法合成出2，4'-二氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯，收率75％。

用DSC以5℃/min的条件升温测试2，4'-二氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯的液晶相变温度，结果为：C80.0N163.5I。

将其按照15％的质量比例溶于基础配方中测试其折光率，外推得到25℃，589nm下双折射率Δn＝0.3427，Δε＝8.50，γ₁＝114.5mPa·s。该化合物具有高双折射率、介电各向异性值较大、旋转粘度值较低的优点。

实施例14～实施例18

采用4-乙基苯乙炔、4-丁基苯乙炔、4-戊基苯乙炔、4-己基苯乙炔、4-庚基苯乙炔分别替代实施例13中的4-丙基苯乙炔，同样的方法合成出：

2，4'-二氟-4-((4-乙基苯基)乙炔基)联苯；

2，4'-二氟-4-((4-丁基苯基)乙炔基)联苯；

2，4'-二氟-4-((4-戊基苯基)乙炔基)联苯；

2，4'-二氟-4-((4-己基苯基)乙炔基)联苯；

2，4'-二氟-4-((4-庚基苯基)乙炔基)联苯。

实施例19

采用2-氟-4-溴碘苯替代实施例1中的3-氟-4-溴碘苯，同样的方法合成出3，3'，4'，5'-四氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯，结构式如下：

用DSC以5℃/min的条件升温测试3，3'，4'，5'-四氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯的液晶相变温度，结果为：C76.4N88.1Iso。将其按照15％的质量比例溶于基础配方中测试其折光率，外推得到25℃，589nm下双折射率Δn＝0.3133，Δε＝8.96，γ₁＝87.8mPa·s。

实施例20

采用2-氟-4-溴碘苯替代实施例1中的3-氟-4-溴碘苯，用3，4-二氟苯硼酸替代3，4，5-三氟苯硼酸，同样的方法合成出3，3'，4'-三氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯，结构式如下：

用DSC以5℃/min的条件升温测试3，3'，4'-三氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯的液晶相变温度，结果为：C54.3N135.0Iso。将其按照15％的质量比例溶于基础配方中测试其折光率，外推得到25℃，589nm下双折射率Δn＝0.3387，Δε＝5.03，γ₁＝112.5mPa·s。

实施例21

采用2-氟-4-溴碘苯替代实施例1中的3-氟-4-溴碘苯，用4-氟苯硼酸替代3，4，5-三氟苯硼酸，同样的方法合成出3，4'-二氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯，结构式如下：

用DSC以5℃/min的条件升温测试3，4'-二氟-4-((4-丙基苯基)乙炔基)联苯的液晶相变温度，结果为：C79.7N182.3Iso。将其按照15％的质量比例溶于基础配方中测试其折光率，外推得到25℃，589nm下双折射率Δn＝0.3693，Δε＝3.10，γ₁＝131.2mPa·s。

应用例：

实施例22：

按照下表比例称取化合物，搅拌加热至清亮，冷却后形成混合液晶。

物理性能数据如下：

熔点≤0℃；清亮点：112℃；

Δn(589nm，25℃)＝0.3162；

Δε＝13.34。

该配方具有超高折光率，宽液晶相范围，介电各向异性大，可以用于激光相位调制、3D液晶显示等领域。

实施23：

物理性能数据如下：

熔点≤0℃；清亮点：65℃

Δn(589nm，25℃)＝0.258。

该配方具有超高折光率，可以用于激光相位调制、3D液晶显示等领域。

实施例24：

物理性能数据如下：

熔点≤0℃；清亮点：69℃。

Δn(589nm，25℃)＝0.119；Δε＝2.64；γ₁＝35.1mPa·s。

在4μm90度扭曲TN液晶盒中测试响应时间为：上升时间t_r＝1.9ms，下降时间t_f＝5.7ms。

该配方具有适中的折光率和极低的旋转粘度，和极快的响应速度，可以用于液晶显示等领域。

对比例1：

其液晶相变温度为：C174.3N210.9I。

本发明实施例13的化合物：

其液晶相变温度为：C80.0N163.5I。

本发明实施例13的化合物熔点降低约94.3℃。可以看出，本实施例的含氟联苯乙炔类液晶化合物的熔点大幅降低。

对比例2：

日本专利JPH107606A公开了如下结构的含氟苯乙炔类液晶：

其液晶相变温度为：C82N107I；冷却至76℃出现S_A相。

本发明实施例1化合物：

其液晶相变温度为：C55.0N64.4I，与对比例1化合物相比熔点降低27℃。可以看出，本实施例的含氟联苯乙炔类液晶化合物的熔点大幅降低。

Claims

1.一种含氟苯乙炔类液晶化合物，其特征在于，结构通式如(1)所示：

其中R为碳数1～9的直链烷烃，X₁，X₂，X₃，X₄＝H或F，且X₃，X₄至少其一为F。

2.如权利要求1所述的含氟苯乙炔类液晶化合物，其特征在于，X₁＝F，X₂＝H，X₃＝F，X₄＝H。

3.如权利要求1所述的含氟苯乙炔类液晶化合物，其特征在于，X₁＝F，X₂＝F，X₃＝F，X₄＝H。

4.如权利要求1所述的含氟苯乙炔类液晶化合物，其特征在于，X₁＝H，X₂＝H，X₃＝F，X₄＝H。

5.如权利要求1所述的含氟苯乙炔类液晶化合物，其特征在于，X₁＝F，X₂＝H，X₃＝H，X₄＝F。

6.如权利要求1所述的含氟苯乙炔类液晶化合物，其特征在于，X₁＝F，X₂＝F，X₃＝H，X₄＝F。

7.一种权利要求1所述通式(1)的液晶化合物的制备方法，其特征在于步骤如下：

a.采用4-烷基苯乙炔与4-溴-3-氟碘苯或4-溴-2-氟碘苯，在钯催化下进行选择性Sonogashira偶联反应，得到4-烷基-3′-氟-4′-溴二苯乙炔或4-烷基-2′-氟-4′-溴二苯乙炔；

b.4-烷基-3′-氟-4′-溴二苯乙炔或4-烷基-2′-氟-4′-溴二苯乙炔与含氟苯硼酸在钯催化下进行Suzuki偶联反应得到目标产物。

8.根据权利要求7所述通式(1)的液晶化合物的制备方法，其特征在于Sonogashira偶联反应反应温度为-20～+60℃；所述的钯催化剂为含有机磷配体的钯催化剂或负载型钯催化剂。

9.根据权利要求8所述通式(1)的液晶化合物的制备方法，其特征在于所述有机磷配体的钯催化剂为二(三苯基膦)氯化钯或四(三苯基膦)钯。

10.根据权利要求8所述通式(1)的液晶化合物的制备方法，其特征在于所述负载型钯催化剂为钯/碳。