CN106318403A - 具有负介电各向异性的液晶化合物及其合成方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有负介电各向异性的通式Ⅰ的液晶化合物，所述液晶化合物具有大的介电各向异性绝对值、良好的互溶性以及良好的光稳定性和低温稳定性，并且本发明通式Ⅰ的液晶化合物的制备过程，原料易得，合成路线简单易行，适合规模化工业生产，本发明还提供了一种包含所述液晶化合物的液晶组合物，所述液晶组合物具有大介电各向异性、低的阈值电压、良好的互溶性以及良好的光稳定性和低温稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种液晶化合物，尤其是具有负介电各向异性的液晶化合物及其合成方法及应用。
背景技术
液晶显示元件可以在以钟表、电子计算器为代表的家庭用各种电器、测定机器、汽车用面板、文字处理机、电脑、打印机、电视等中使用。作为夜景显示方式，在其代表性的方式中，可以列举PC(phase change，相变)、TN(twist nematic，扭曲向列)、STN(super twisted nematic，超扭曲向列)、ECB(electrically controlledbirefringence，电控双折射)、OCB(optically compensated bend，光学补偿弯曲)、IPS(in-plane switching，共面转变)、VA(vertical alignment，垂直配向)、CSH(color superhomeotropic，彩色超垂面)等类模式。根据元件的驱动方式分为PM(passive matrix，被动矩阵)型和AM(active matrix，主动矩阵)型。PM分为静态(static)和多路(multiplex)等类型。AM分为TFT(thin filmtransistor，薄膜晶体管)、MIM(metalinsulator metal，金属-绝缘层-金属)等类型。TFT的类型有非晶硅(amorphous silicon)和多晶硅(polycrystalsilicon)。后者根据制造工艺分为高温型和低温型。液晶显示元件根据光源的类型分为利用自然光的反射型、利用背光的透过型、以及利用自然光和背光两种光源的半透过型。
在这些显示方式中，IPS模式、ECB模式、VA模式或CSH模式等与现在常用的TN模式或STN模式不同在于，前者使用具有负介电各向异性的液晶材料。在这些显示方式中，尤其是通过AM驱动的VA型显示，在要求高速且宽视角的显示元件中的应用，其中，最值得期待的是在电视等液晶元件中的应用。
无论何种显示模式均要求所使用的液晶材料具有低的驱动电压、高的响应速度、宽的操作温度范围、负介电各向异性的绝对值较大、相转移温度高以及良好的互溶性。然而，现有技术中，具有高度共轭的分子结构，存在与其他液晶材料的相容性差的倾向，而难以用作具有良好电气特性的液晶组合物的构成要素。另外，对于作为薄膜晶体管方式的液晶显示元件等的要求光稳定性的液晶组合物的构成要素而使用的液晶性化合物而言，要求高稳定性。而含有介电各向异性的绝对值大的液晶组合物的液晶显示元件能够降低基础电压值、降低驱动电压，并能进一步降低消耗电功率。
长久以来，可用于液晶显示元件的具有负介电各项异性的液晶组合物的成分，已经研究了大量的苯环上的氢被取代的液晶化合物。
Osman,M.A.在Molec.crystals liq.Crystals,82,295.公开了Ref.1结构的负介电各向异性化合物：
由于化合物Ref.1分子侧边的两个氰基，使该分子具有很大的负介电各向异性(文献值为-20)。该文献同时指出这类侧边双氰基的负介电各向异性化合物具有如下缺点：1)粘度大；2)与液晶单体互溶性差；3)光稳定性差。由于以上缺点，限制了该类负性化合物的应用。
Reiffenrath等在liquid crystals，1989，Vol.5,No.1,159-170中提出了Ref.2、Ref.3的含氟负性化合物，以避免双氰基负性化合物的缺点：
虽然Ref.2、Ref.3这类侧边含氟负性化合物避免了双氰基负性化合物的缺点，但是导致了负介电各向异性值过小(Ref.2介电各向异性文献值为-4.1，Ref.3介电各向异性文献值为-6.0)的问题。所以，具有大的负介电的侧边含氟的化合物仍然需要探索。
因此，为了适应越来越高的应用需求，本领域内存在着持续改进负介电各向异性的液晶化合物的需求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供了一种液晶化合物，所述液晶化合物具有大的介电各向异性绝对值、良好的互溶性以及良好的光稳定性和低温稳定性的液晶化合物，使得包含所述液晶化合物的组合物具有大介电各向异性、低的阈值电压、高的对比度、良好的互溶性以及良好的光稳定性和低温稳定性。
本发明的另一目的是提供一种合成上述液晶组合物的合成方法。
本发明的再一目的是提供上述液晶化合物制备液晶组合物及其含有液晶组合物的显示器中的应用。
技术方案：为了完成上述发明目的，本发明提供了一种具有负介电各向异性的化合物，所述化合物具有通式Ⅰ结构：
其中，
R表示1-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连；
X表示-O-、-S-或-CH2-；
Z1表示-CH2O-、-CH2CH2-、-COO-或-CH＝CH-；
L1、L2、L3和L4相同或不同，各自独立的表示H或F；
m和n相同或不同，各自独立的表示0、1或2。
在本发明的一些实施方式中，所述X表示-O-或-CH2-。
在本发明的一些实施方式中，优选地，所述X表示-O-。
在本发明的一些实施方式中，所述Z1表示-CH2O-或-CH2CH2-。
在本发明的一些实施方式中，优选地，所述Z1表示-CH2O。
在本发明的一些实施方式中，L3和L4表示F；
在本发明的一些实施方式中，m表示1或2。
在本发明的一些实施方式中，n表示0或1。
在本发明的一些实施方式中，所述X表示-CH2-时，Z1表示-CH2O-或-CH2CH2-，m和n相同或不同，各自独立的表示0、1或2，L3和L4表示F。
在本发明的一些实施方式中，优选地，当所述X表示-CH2-时，Z1表示-CH2O-，m表示0、1或2，n表示0、1或2、L3和L4表示F。
在本发明的一些实施方式中，特别优选地，当所述X表示-CH2-时，Z1表示-CH2O-，m表示0、1或2，n表示0或1，L3和L4表示F。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ的化合物选自如下结构：
以及
其中，
R表示1-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连；
L1、L2、L3和L4相同或不同，各自独立的表示H或F；
m和n相同或不同，各自独立的表示0、1或2。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ的化合物优选自如下结构：
其中，
R表示1-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连；
L1、L2、L3和L4相同或不同，各自独立的表示H或F；
m和n相同或不同，各自独立的表示0、1或2。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-A的化合物选自如下结构：
以及
其中，
R表示1-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连；
L1、L2、L3和L4相同或不同，各自独立的表示H或F。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-A-1的化合物选自如下结构：
以及
其中，
R表示1-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-A-2的化合物选自如下结构：
以及
其中，
R表示1-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-A-3的化合物选自如下结构：
以及
其中，
R表示1-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-A的化合物优选自如下结构：
以及
其中，
R表示1-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基。
在本发明的一些实施方式中，R表示1-6个碳原子的烷基。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-A-1-3的化合物优选自如下结构：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-A-2-3的化合物优选自如下结构：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-A-3-3的化合物优选自如下结构：
以及
本发明的再一方面提供一种包含本发明的通式Ⅰ的液晶化合物的液晶组合物及包含该液晶组合物的显示器。
有益效果：本发明所提供的具有通式Ⅰ的液晶化合物与现有技术其它负性液晶化合物相比，具有更大的介电各向异性绝对值、良好的互溶性以及良好的光稳定性和低温稳定性，包含所述液晶化合物的组合物具有大介电各向异性、低的阈值电压、高的对比度、良好的互溶性以及良好的光稳定性和低温稳定性；并且本发明通式Ⅰ的液晶化合物的制备过程，原料易得，合成路线简单易行，适合规模化工业生产。
具体实施方式
以下将结合具体实施方案来说明本发明。需要说明的是，下面的实施例为本发明的示例，仅用来说明本发明，而不用来限制本发明。在不偏离本发明主旨或范围的情况下，可进行本发明构思内的其它组合和各种改良。
以下实施例中测试项目的简写代号如下：
Δn 折射率各向异性(589nm，20℃)
Δε 介电各向异性(1KHz，25℃)
I(UV) UV光照后的电流值(μI)
LTS(-10℃) 低温存储时间(h)
其中，折射率各向异性使用阿贝折光仪在钠光灯(589nm)光源下、25℃测试得；介电测试盒为TN90型，盒厚7μm。
Δε＝ε‖-ε⊥，其中，ε‖为平行于分子轴的介电常数，ε⊥为垂直于分子轴的介电常数，测试条件：25℃、1KHz、测试盒为TN90型，盒厚7μm。
I(UV)表示500毫焦UV光照后的电流值。
LTS(-10℃)表示低温-10℃下存贮时间。
下述实施例制备所得的通式Ⅰ所示液晶化合物均按照如下方法进行光学各向异性和清亮点的测试以及外推参数的测定：
选取江苏和成显示科技股份有限公司生产的编号为TS023的商品液晶作为母体，将通式Ⅰ所示液晶化合物以10％的重量比例溶解于母体液晶(host)中，测试混合物的光学各向异性、清亮点和介电各向异性，并根据母体中所添加比例依照线性关系外推出通式Ⅰ所示液晶化合物的液晶性能数据。
母体液晶(host)为下述化合物按照20％：40％：40％的比例混合所得：
以及
母体液晶其性能参数测试结果如下：
Cp：112Δn：0.08Δε：5.0。
实施例1
化合物Ⅰ-A-1-3-2合成路线如下所示：
其中，化合物A、四氢糠醇、4-碘-2,3-二氟苯乙醚均来自江苏和成新材料有限公司。
1)合成化合物B
500ml三口瓶中加入13g化合物A、10.2g四氢糠醇、31.4g三苯基膦、250ml二氯甲烷，氮气保护下，降温至0℃，滴加由20.9g偶氮二羧酸二乙酯(DEAD)和500ml二氯甲烷组成的混合液，滴加完毕后，自然升温至室温，继续搅拌12h，后处理，柱层析提纯得白色固体化合物B：17.9g，收率：84％，GC>97％。
2)合成化合物C
500ml三口瓶中加入17.9g化合物B，200ml无水THF，氮气保护下，降温至-78℃，滴加35ml n-BuLi的正己烷溶液(2.4mol/L)，滴加完毕后，-78℃保温搅拌1h，然后滴加由20g B(i-BuO)3和50ml无水TFT组成的混合物，滴加完毕后，-78℃保温搅拌1h，自然升温至室温，将反应液倒入100ml 5％稀盐酸和200g冰的混合物中，搅拌，分液，乙酸乙酯提取水层，合并油层，蒸除溶剂后，加入150ml 90-120℃石油醚打浆，过滤，得到白色固体化合物C：12.5g，收率：58％，HPLC>95％。
3)合成化合物Ⅰ-A-1-3-2
500ml三口瓶中加入12.5g化合物C，13.7g 4-碘-2,3-二氟苯乙醚，100ml甲苯，50ml乙醇，50ml水，20.5g碳酸钠，氮气保护下，加入0.3g Pd(PPh3)4，加热回流6h，冷却至室温，加入100ml水后，分液，100ml甲苯提取水层，合并油层，蒸除溶剂后，柱层析提纯，得到白色固体化合物Ⅰ-A-1-3-2：8.8g，收率：49％，GC>99％，DSC：C 70.1I
MS：M+370(80％)286(50％)258(78％)85(96％)70(100％)
依据上述合成方法，可以利用下表1所示化合物替换4-碘-2,3-二氟苯乙醚，从而得到目标化合物：
表1
上述目标化合物的液晶性能如下所示：
Ⅰ-A-1-3-1 DSC：C 99.4I Δn：0.106 Δε：-13.8；
Ⅰ-A-1-3-2 DSC：C 70.1I Δn：0.107 Δε：-13.3；
Ⅰ-A-1-3-3 DSC：C 68.3I Δn：0.106 Δε：-13；
Ⅰ-A-1-3-4 DSC：C 73.8I Δn：0.104 Δε：-12.6；
Ⅰ-A-3-3-2 DSC：C111.5I Δn：0.183 Δε：-15.8；
Ⅰ-A-3-3-4 Δn：0.199 Δε：-15.1。
实施例1中提供了通式Ⅰ-A-1-3和Ⅰ-A-3-3中具有代表性的化合物数据，通过实施例1中液晶化合物Ⅰ-A-1-3-1、Ⅰ-A-1-3-2、Ⅰ-A-1-3-3、Ⅰ-A-1-3-4、Ⅰ-A-3-3-2和Ⅰ-A-3-3-4的数据可以看出，通式Ⅰ-A-1-3和Ⅰ-A-3-3中包含的液晶化合物具有大的介电各向异性绝对值，并且实验对比结果表明Ⅰ-A-3-3比Ⅰ-A-1-3液晶化合物具有更大的介电各向异性绝对值。
实施例2
化合物Ⅰ-A-2-3-3合成路线如下所示：
1)合成化合物E
500ml三口瓶中加入13g化合物A、15.6g丙基环己基甲醇、31.4g三苯基膦、250ml二氯甲烷，氮气保护下，降温至0℃，滴加由20.9g偶氮二羧酸二乙酯(DEAD)和500ml二氯甲烷组成的混合液，滴加完毕后，自然升温至室温，继续搅拌12h，后处理，柱层析提纯得白色固体化合物E：22g，收率：82％，GC>97％。
2)合成化合物F
500ml三口瓶中加入22g化合物E，200ml无水THF，氮气保护下，降温至-78℃，滴加35ml n-BuLi的正己烷溶液(2.4mol/L)，滴加完毕后，-78℃保温搅拌1h，然后滴加由21g I2和100ml无水TFT组成的混合物，滴加完毕后，-78℃保温搅拌1h，自然升温至室温，将反应液倒入100ml 5％稀盐酸和200g冰的混合物中，搅拌，分液，乙酸乙酯提取水层，合并油层，硫代硫酸钠水溶液洗油层，然后水洗至中性，蒸除溶剂，柱层析提纯，得到淡黄色固体化合物F：19.9g，收率：61％，GC>97％。
3)合成化合物Ⅰ-A-2-3-3
500ml三口瓶中加入13g化合物C，19.9g化合物F，120ml甲苯，60ml乙醇，60ml水，21.4g碳酸钠，氮气保护下，加入0.35g Pd(PPh3)4，加热回流6h，冷却至室温，加入100ml水后，分液，100ml甲苯提取水层，合并油层，蒸除溶剂后，柱层析提纯，得到白色固体化合物Ⅰ-A-2-3-3：11g，收率：45％，GC>99％
MS：M+480(16％)342(23％)258(35％)85(100％)
依据上述合成方法，可以利用下表3所示化合物替换丙基环己基甲醇，从而得到目标化合物：
表2
上述目标化合物Ⅰ-A-2-3-3的液晶性能如下所示：
Ⅰ-A-2-3-3 DSC：C 77I Δn：0.101 Δε：-11.5
实施例2中提供了通式Ⅰ-A-2-3中具有代表性的化合物数据，通过实施例2中液晶化合物Ⅰ-A-2-3-3的数据可以看出，通式Ⅰ-A-2-3中包含的液晶组合物具有大的介电各向异性绝对值。
实施例3
将化合物Ⅰ-A-1-3-2、化合物Ⅰ-A-2-3-3、化合物Ⅰ-A-3-3-2分别与母体液晶(host)按照质量比为10:90比例混合，外推法测试化合物Ⅰ-A-1-3-2、化合物Ⅰ-A-2-3-3和化合物Ⅰ-A-3-3-2的液晶参数如下表3所示：
表3
| Δn | Δε | I(UV) | LTS(-10℃) | |
| Ⅰ-A-1-3-2 | 0.107 | -13.3 | 0.03 | >168h |
| Ⅰ-A-2-3-3 | 0.101 | -11.5 | 0.03 | >168h |
| Ⅰ-A-3-3-2 | 0.183 | -15.8 | 0.03 | >168h |
| host | 0.08 | 5.0 | 0.02 |
对比例
将化合物Ref.2、化合物Ref.3分别与母体液晶(host)按照质量比为10:90比例混合，外推法测试化合物Ref.2、化合物Ref.3的液晶参数如下表4所示：
表4
| Δn | Δε | I(UV) | LTS(-10℃) | |
| Ref.2 | 0.153 | -4.5 | 0.03 | >168h |
| Ref.3 | 0.106 | -8.0 | 0.03 | >168h |
| host | 0.08 | 5.0 | 0.02 |
对比实施例3和对比例的数据可以看出，本发明的提供的化合物具有明显大的负介电各向异性，同时也具有良好的与液晶单体的互溶性，具有非常好的光稳定性以及低温稳定性，取得了非常好的技术效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (11)
1.具有负介电各向异性的化合物，该化合物为具有通式Ⅰ结构的化合物：
其中，
R表示1-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连；
X表示-O-、-S-或-CH2-；
Z1表示-CH2O-、-CH2CH2-、-COO-或-CH＝CH-；
L1、L2、L3和L4相同或不同，各自独立的表示H或F；
m和n相同或不同，各自独立的表示0、1或2。
2.根据权利要求1所述的具有负介电各向异性的化合物，其特征在于，所述X表示-O-、-S-或-CH2-，所述Z1表示-CH2O-或-CH2CH2-。
3.根据权利要求2所述的具有负介电各向异性的化合物，其特征在于，所述通式Ⅰ的化合物选自如下结构：
其中，
R表示1-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连；
L1、L2、L3和L4相同或不同，各自独立的表示H或F；
m和n相同或不同，各自独立的表示0、1或2。
4.根据权利要求3所述的具有负介电各向异性的化合物，其特征在于，所述通式Ⅰ的化合物选自如下结构：
其中，
R表示1-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-10个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连；
L1、L2、L3和L4相同或不同，各自独立的表示H或F；
m和n相同或不同，各自独立的表示0、1或2。
5.根据权利要求4所述的具有负介电各向异性的化合物，其特征在于，所述通式Ⅰ的化合物选自如下结构：
其中，
R表示1-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连；
L1、L2、L3和L4相同或不同，各自独立的表示H或F。
6.根据权利要求5所述的具有负介电各向异性的化合物，其特征在于，所述通式Ⅰ-A-1的化合物选自如下结构：
其中，
R表示1-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连。
7.根据权利要求5所述的具有负介电各向异性的化合物，其特征在于，所述Ⅰ-A-2的化合物选自如下结构：
其中，
R表示1-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连。
8.根据权利要求5所述的具有负介电各向异性的化合物，其特征在于，所述通式Ⅰ-A-3的化合物选自如下结构：
其中，
R表示1-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基，其中，一个或多个-CH2-可以被-O-取代，其前提是氧原子不直接相连。
9.根据权利要求5所述的具有负介电各向异性的化合物，其特征在于，所述通式Ⅰ-A的化合物优选自如下结构：
其中，
R表示1-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烷基或烷氧基，2-6个碳原子的取代或未被取代的直链或支链烯基或烯氧基。
10.根据权利要求9所述的具有负介电各向异性的化合物，其特征在于，所述通式Ⅰ-A-1-3的化合物选自如下结构：
所述通式Ⅰ-A-2-3的化合物优选自如下结构：
所述通式Ⅰ-A-3-3的化合物优选自如下结构：
11.一种包含权利要求1-10中任一项所述化合物的液晶组合物及显示器。
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