CN106699710B - 一种侧向四氟取代联苯并杂环化合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种侧向四氟取代联苯并杂环化合物及其制备方法，该化合物的结构式为式中X代表O或S，l＝0或1，x＝0或2，y＝0或2，z＝0或1，R代表C2～C10烷基，R′代表C2～C10烷基或C2～C10烯基。本发明采用Suzuki偶联、还原、氟化、Wittig等反应合成该类化合物，产品收率和纯度高，该化合物介电各向异性大，在VA和IPS显示模式中有广泛的应用前景。

Description

一种侧向四氟取代联苯并杂环化合物及其制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种侧向四氟取代联苯并杂环化合物及其制备方法。
背景技术
VA和IPS显示模式具有宽视角、高对比度等优势，在大屏幕电视方面有着广泛的应用。具有负介电各向异性的液晶材料可用于VA和IPS显示模式中。侧向含有氰基的液晶化合物的电阻率低，难以满足VA和IPS显示模式的要求。侧向二氟取代液晶化合物的介电各向异性亦为负值，电阻率高，热性能优于含有氰基的液晶化合物，能应用于VA和IPS显示模式，大多数此类化合物包括2,3-二氟-1,4-二取代苯结构，例如下列化合物：
目前应用的具有介电各向异性的此类化合物的介电各向异性一般在-5左右，用于显示的混合液晶的介电各向异性一般在-3.5左右，介电各向异性绝对值较小，使得响应速度难以提高。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述液晶化合物的缺点，提供一种负介电各向异性大的侧向四氟取代联苯并杂环化合物，并为该化合物提供一种操作简单的制备方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：该侧向四氟取代联苯并杂环化合物的结构式如下所示：
式中X代表O或S，l＝0或1，x＝0或2，y＝0或2，z＝0或1，R代表C2～C10烷基，R′代表C2～C10烷基或C2～C10烯基。
上述化合物中，当X代表O或S时，优选l＝0或1，x＝0或2，y＝0或2，z＝0，R代表C2～C6烷基，R′代表C2～C6端烯基。
上述的R′代表C2～C10烷基时，侧向四氟取代联苯并杂环化合物的制备方法为：
1、Suzuki偶联反应
在氮气保护下，将式I所示的取代芳基硼酸、式II所示的卤代芳烃、四正丁基溴化铵、碳酸钾、溶剂加入三口烧瓶中，升温至60～70℃，固体完全溶解后，加入四(三苯基)膦合钯，取代芳基硼酸与卤代芳烃、四正丁基溴化铵、碳酸钾、四(三苯基膦)合钯的摩尔比为1:1～1.3:1:2～3:0.03～0.05，60～70℃反应1～2小时，分离纯化产物，得到中间体A，其反应方程式如下：
上述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、四氢呋喃中的任意一种与蒸馏水的体积比为3:1的混合物。
2、还原反应
将水合肼、中间体A、Pd/C加入乙醇或四氢呋喃中，中间体A与水合肼、Pd/C的质量比为1:1.5～2.5:0.05～0.2，待固体完全溶解后，升温至40～50℃，恒温反应3～5小时，分离纯化产物，得到中间体B，其反应方程式如下：
3、氟化反应
在-20～-40℃下，将中间体B溶于盐酸中，并加入NaNO2，反应1～3小时后，加入HBF4，再反应1～3小时，其中中间体B与NaNO2、HBF4的摩尔比为1:1～1.5:1～1.5，抽滤，所得固体在170～180℃下加热至固体变为液体且无气体产生，得到侧向四氟取代联苯并杂环化合物，其反应方程式如下：
上述的R′代表C2～C10烯基时，侧向四氟取代联苯并杂环化合物的制备方法为：
1、Suzuki偶联反应
在氮气保护下，将式I所示的取代芳基硼酸、式II所示的卤代芳烃、四正丁基溴化铵、碳酸钾、溶剂加入三口烧瓶中，升温至60～70℃，固体完全溶解后，加入四(三苯基)膦合钯，取代芳基硼酸与卤代芳烃、四正丁基溴化铵、碳酸钾、四(三苯基膦)合钯的摩尔比为1:1～1.3:1:2～3:0.03～0.05，60～70℃反应1～2小时，分离纯化产物，得到中间体A，其反应方程式如下：
上述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、四氢呋喃中的任意一种与蒸馏水的体积比为3:1的混合物。
2、还原反应
将水合肼、中间体A、Pd/C加入乙醇或四氢呋喃中，中间体A与水合肼、Pd/C的质量比为1:1.5～2.5:0.05～0.2，待固体完全溶解后，升温至40～50℃，恒温反应3～5小时，分离纯化产物，得到中间体B，其反应方程式如下：
3、氟化反应
在-20～-40℃下，将中间体B溶于盐酸中，并加入NaNO2，反应1～3小时后，加入HBF4，再反应1～3小时，其中中间体B与NaNO2、HBF4的摩尔比为1:1～1.5:1～1.5，抽滤，所得固体在170～180℃下加热至固体变为液体且无气体产生，得到中间体C，其反应方程式如下：
4、缩醛水解
在密闭条件下，将中间体C和酸在50℃搅拌反应5小时，用乙酸乙酯萃取后用乙醇重结晶，得到中间体D，其反应方程式如下：
上述的酸为盐酸、乙酸、三氯乙酸、三氟乙酸或甲酸。
5、Wittig反应
在氮气保护下，将膦盐、碱加入四氢呋喃中，在-10℃下搅拌反应30分钟，加入中间体D，继续反应2小时，其中中间体D与膦盐、碱的摩尔比1:1～1.1:1～1.3，分离纯化产物，得到侧向四氟取代联苯并杂环化合物，其反应方程式如下：
上述式II和中间体A、B、C中，R”代表a取0～8的整数、b取1～9的整数，且a、b之和为1～9的整数，M代表Cl、Br或I；所述的碱为正丁基锂、甲醇钠、乙醇钠或叔丁醇钾。
本发明采用偶联反应、还原、氟代反应，合成侧向四氟取代联苯并杂环化合物，操作简单，产品收率和纯度高，所得化合物具有负介电各向异性大的优点，可用于VA和IPS显示模式。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
制备结构式如下的3-(丁-3-烯基)-7-丙基-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃
1、Suzuki偶联反应
在流速为0.6mL/分钟的氮气保护下，将7.10g(21mmol)4-溴-3,5-二氟-2-硝基苯丙醛乙二醇缩醛、4.32g(20mmol)2,3-二氟-6-羟基-4-正丙基苯硼酸、6.44g(20mmol)四正丁基溴化铵、7.18g(52mmol)碳酸钾、30mL N,N-二甲基甲酰胺、10mL蒸馏水加入三口烧瓶中，升温至65℃，待固体完全溶解后，加入0.73g(0.63mmol)四(三苯基)膦合钯，65℃反应2小时，加入130mL蒸馏水，用乙酸乙酯萃取，有机相用蒸馏水洗至中性，以硅胶为固定相、乙酸乙酯为洗脱液柱色谱分离，得到5.91g结构式如下的中间体A-1，其化学命名为3-(2-(1,3-二氧戊环-2-基)乙基)-1,8,9-三氟-2-硝基-7-正丙基联苯并[b,d]呋喃，收率为60％。
2、还原反应
将8.18g质量分数为85％的水合肼、4.09g(10mmol)中间体A-1、0.41g Pd/C(Pd的负载量为8％)、40mL四氢呋喃加入三口烧瓶中，待固体完全溶解后，升温至45℃，反应4小时后，加入120mL蒸馏水，用乙酸乙酯萃取，有机相用蒸馏水洗至中性，以硅胶为固定相、乙酸乙酯为洗脱液柱色谱分离，得到3.78g结构式如下的中间体B-1，其化学命名为3-(2-(1,3-二氧戊环-2-基)乙基)-1,8,9-三氟-2-氨基-7-正丙基联苯并[b,d]呋喃，收率为95％。
3、氟化反应
在-30℃下，将1.90g(5mmol)中间体B-1溶于10g浓盐酸中，加入0.42g(6mmol)NaNO2，反应2小时后，加入1.60g质量分数为48％的HBF4水溶液反应2小时后，抽滤，固体加入三口烧瓶中，升温至180℃，反应至固体变为液体且无气体产生，得到0.96g结构式如下所示的中间体C-1，其化学命名为3-(2-(1,3-二氧戊环-2-基)乙基)-1,2,8,9-四氟-7-正丙基联苯并[b,d]呋喃，收率为80％。
4、缩醛水解
在密闭条件下，将0.76g(2mmol)中间体C-1、7.60g甲酸加入50mL单口瓶中，在50℃搅拌反应5小时，用乙酸乙酯萃取，弃去酸层，回收乙酸乙酯，得到0.66g结构式如下的中间体D-1，其化学命名为3-(丙醛-3-基)-1,2,8,9-四氟-7-正丙基联苯并[b,d]呋喃，收率为95％。
5、Wittig反应
在流速为0.6mL/分钟的氮气保护下，将0.38g(1.05mmol)溴甲基三苯基膦、0.12g(1.10mmol)叔丁醇钾、6.80g四氢呋喃加入到50mL三口瓶中，350转/分钟搅拌，降温至-10℃，反应30分钟，以4～5mL/分钟的滴加速度滴加0.34g(1mmol)中间体D-1，反应10小时后，加入20g蒸馏水，用乙酸乙酯萃取，有机相用蒸馏水洗至中性，以硅胶为固定相、乙酸乙酯为洗脱液柱色谱分离，蒸镏回收乙酸乙酯后用乙醇重结晶，得到侧向四氟取代联苯并杂环化合物——3-(丁-3-烯基)-1,2,8,9-四氟-7-正丙基联苯并[b,d]呋喃，其收率为95％。
所得3-(丁-3-烯基)-7-丙基-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃的核磁数据如下：
13C-NMR(CDCl3为溶剂，内标为TMS，75MHz，ppm)：153.8、146.0、143.6、143.4、143.2、143.0、138.3、124.9、124.5、116.4、113.8、113.0、107.9、107.5、34.4、31.4、28.6、24.1、13.7。
1H-NMR(CDCl3为溶剂，内标为TMS，300MHz，ppm)：6.98(1H，s)、6.96(1H，s)、5.82(1H，m)、5.02-5.07(2H，m)、2.56-2.62(4H，m)、2.29(2H，m)、1.65(2H，m)、0.90(3H，t)。
实施例2
制备结构式如下的3-丁基-7-丙基-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃
在实施例1中，所用4-溴-3,5-二氟-2-硝基苯丙醛乙二醇缩醛用等摩尔的3-溴-2,4-二氟-6-正丁基硝基苯替换，按照实施例1的方法经Suzuki偶联反应、还原反应、氟化反应，得到3-丁基-1,2,8,9-四氟-7-丙基联苯并[b,d]呋喃，总收率为42％。
所得3-丁基-1,2,8,9-四氟-7-丙基联苯并[b,d]呋喃的核磁数据如下：
13C-NMR(CDCl3为溶剂，内标为TMS，75MHz，ppm)：153.8、146.0、143.6、143.4、142.3、142.0、124.1、123.5、113.7、107.9、107.2、106.9、33.4、31.4、28.9、24.1、22.3、14.1、13.7。
1H-NMR(CDCl3为溶剂，内标为TMS，300MHz，ppm)：6.98(2H，s)，2.6(4H，t)，1.59-1.65(4H，m)，1.31(2H，t)，0.90(6H，t)。
实施例3
制备结构式如下的3-(丁-3-烯基)-7-(反-4-正丙基环己基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃
在实施例1中，所用2,3-二氟-6-羟基-4-正丙基苯硼酸用等摩尔的2,3-二氟-6-羟基-4-(反-4-正丙基环己基)-苯硼酸替换，其他步骤与实施例1相同，得到3-(丁-3-烯基)-7-(反-4-正丙基环己基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃，总收率为43％。
所得3-(丁-3-烯基)-7-(反-4-正丙基环己基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃的核磁数据如下：
13C-NMR(CDCl3为溶剂，内标为TMS，75MHz，ppm)：153.8、146.0、143.6、143.4、143.2、143.0、138.3、124.9、124.5、116.4、113.8、113.0、107.9、107.5、34.4、31.4、28.6、24.1、13.7。
1H-NMR(CDCl3为溶剂，内标为TMS，300MHz，ppm)：6.98(1H，s)、6.96(1H，s)、5.82(1H，m)、5.02-5.07(2H，m)、2.56-2.62(3H，m)、2.29(2H，m)、1.65(4H，m)、0.90(5H，t)。
实施例4
制备结构式如下的3-丁基-7-(反-4-正丙基环己基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃
在实施例2中，所用2,3-二氟-6-羟基-4-正丙基苯硼酸用等摩尔的2,3-二氟-6-羟基-4-(反-4-正丙基环己基)苯硼酸替换，其他步骤与实施例2相同，得到3-丁基-7-(反-4-正丙基环己基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃，总收率为41％。
实施例5
制备结构式如下的3-(丁-3-烯基)-7-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃
在实施例1中，所用2,3-二氟-6-羟基-4-正丙基苯硼酸用等摩尔的2,3-二氟-6-羟基-4-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)-苯硼酸替换，其他步骤与实施例1相同，得3-(丁-3-烯基)-7-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃，总收率为41％。
所得3-(丁-3-烯基)-7-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃的核磁数据如下：
13C-NMR(CDCl3为溶剂，内标为TMS，75MHz，ppm)：153.7、146.1、143.6、143.5、143.3、143.0、138.3、124.9、124.4、116.3、113.8、112.9、107.8、107.5、38.3、37.1、37.0、34.4、31.4、31.0、29.3、28.6、27.4、20.1、14.7。
1H-NMR(CDCl3为溶剂，内标为TMS，300MHz，ppm)：6.98(2H，s)、5.82(1H，m)、5.02-5.07(2H，m)、2.56-2.62(4H，m)、2.29(2H，m)、1.65(6H，m)、1.21-1.31(6H，m)、0.80-0.90(7H，t)。
实施例6
制备结构式如下的3-丁基-7-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃
在实施例2中，所用2,3-二氟-6-羟基-4-正丙基苯硼酸用等摩尔的2,3-二氟-6-羟基-4-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)苯硼酸替换，其他步骤与实施例2相同，得3-丁基-7-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]呋喃，总收率为41％。
实施例7
制备结构式如下的3-(丁-3-烯基)-7-丙基-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩
在实施例1中，所用2,3-二氟-6-羟基-4-正丙基苯硼酸用等摩尔的2,3-二氟-6-巯基-4-正丙基苯硼酸替换，其他步骤与实施例1相同，得到3-(丁-3-烯基)-7-丙基-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩，总收率为42％。
所得3-(丁-3-烯基)-7-丙基-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩核磁数据如下(Avance 300MHz型核磁共振仪)：
13C-NMR(CDCl3为溶剂，内标为TMS，75MHz，ppm)：144.7、144.5、144.3、144.1、138.2、137.3、126.9、125.7、125.5、124.4、123.8、118.0、117.9、116.7、34.4、31.4、28.6、24.1、13.7。
1H-NMR(CDCl3为溶剂，内标为TMS，300MHz，ppm)：7.47(1H,s)、7.40(1H,s)、5.82(1H,m)、5.02-5.07(2H,m)、2.56-2.62(4H,m)、2.29(2H,m)、1.65(2H,m)、0.90(3H,t)。
实施例8
制备结构式如下的3-丁基-7-丙基-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩
在实施例2中，所用2,3-二氟-6-羟基-4-正丙基苯硼酸用等摩尔的2,3二氟-6-巯基-4-正丙基苯硼酸替换，其他步骤与实施例2相同，得到3-丁基-7-丙基-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩，总收率为41％。
实施例9
制备结构式如下的3-(丁-3-烯基)-7-(反-4-正丙基环己基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩
在实施例3中，所用2,3-二氟-6-羟基-4-(反-4-正丙基环己基)-苯硼酸用等摩尔的2,3-二氟-6-巯基-4-(反-4-正丙基环己基)苯硼酸替换，其他步骤与实施例3相同，得到3-(丁-3-烯基)-7-(反-4-正丙基环己基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩，总收率为43％。
实施例10
制备结构式如下的3-丁基-7-(反-4-正丙基环己基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩
在实施例4中，所用2,3-二氟-6-羟基-4-(反-4-正丙基环己基)苯硼酸用等摩尔的2,3-二氟-6-巯基-4-(反-4-正丙基环己基)苯硼酸替换，其他步骤与实施例4相同，得到3-丁基-7-(反-4-正丙基环己基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩，总收率为40％。
实施例11
制备结构式如下的3-(丁-3-烯基)-7-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩
在实施例5中，所用2,3-二氟-6-羟基-4-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)苯硼酸用等摩尔的2,3-二氟-6-巯基-4-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)苯硼酸替换，其他步骤与实施例5相同，得到3-(丁-3-烯基)-7-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩，总收率为41％。
实施例12
制备结构式如下的3-丁基-7-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩
在实施例6中，所用2,3-二氟-6-羟基-4-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)苯硼酸用等摩尔的2,3-二氟-6-巯基-4-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)苯硼酸替换，其他步骤与实施例6相同，得到3-丁基-7-(2-(反-4-正丙基环己基)乙基)-1,2,8,9-四氟联苯并[b,d]噻吩，总收率为42％。
发明人分别将实施例1～12化合物分别按85％的质量比加入到化合物A中，进行介电性能测试，测试条件为：25℃，1kHz，VA液晶盒，盒厚为4μm，测试仪器：IV-Cast(Instec)，结果见表1[参照文献：(a)H.Q.Xianyu,S.Gauza,Q.Song and S.T.Wu.High birefringence and large negative dielectricanisotropy phenyl-tolane liquid crystals[J].Liq.Cryst.,2007,34(12):1473-1478.(b)J.Dziaduszek,P.Kula,R.W.Drzewiński,K.Garbat,S.Urban andS.Gauza.General synthesis method of alkyl–alkoxy multi-fluorotolanes fornegative high birefringence nematic mixtures[J].Liq.Cryst.,2012,39(2):239-247]。
表1化合物A及实施例1～12化合物的介电各向异性(Δε)
Δε -0.23 -9.5 -9.6 -8.8 -8.7 -8.2 -8.3 -11.2 -11.3 -10.5 -10.4 -10.1 -10.2
化合物 a 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
由表1可见，本申请化合物的介电各向异性从-8.2至-10.2，介电各向异性明显优于目前常用化合物的介电各向异性(-2.5～-6.5)。

Claims (4)

1.一种侧向四氟取代联苯并杂环化合物的制备方法，其中所述的侧向四氟取代联苯并杂环化合物的结构式如下所示：
式中X代表O或S，l＝0或1，x＝0或2，y＝0或2，z＝0或1，R代表C2～C10烷基，R′代表C2～C10烯基，其特征在于它由下述步骤组成：
(1)Suzuki偶联反应
在氮气保护下，将式I所示的取代芳基硼酸、式II所示的卤代芳烃、四正丁基溴化铵、碳酸钾、溶剂加入三口烧瓶中，升温至60～70℃，固体完全溶解后，加入四(三苯基)膦合钯，取代芳基硼酸与卤代芳烃、四正丁基溴化铵、碳酸钾、四(三苯基膦)合钯的摩尔比为1:1～1.3:1:2～3:0.03～0.05，60～70℃反应1～2小时，分离纯化产物，得到中间体A；
(2)还原反应
将水合肼、中间体A、Pd/C加入乙醇或四氢呋喃中，中间体A与水合肼、Pd/C的质量比为1:1.5～2.5:0.05～0.2，待固体完全溶解后，升温至40～50℃，恒温反应3～5小时，分离纯化产物，得到中间体B；
(3)氟化反应
在-20～-40℃下，将中间体B溶于浓盐酸中，并加入NaNO2，反应1～3小时后，加入HBF4水溶液，再反应1～3小时，其中中间体B与NaNO2、HBF4的摩尔比为1:1～1.5:1～1.5，抽滤，所得固体在170～180℃下加热至固体变为液体且无气体产生，得到中间体C；
(4)缩醛水解
在密闭条件下，将中间体C和酸在50℃搅拌反应5小时，用乙酸乙酯萃取后用乙醇重结晶，得到中间体D；
(5)Wittig反应
在氮气保护下，将膦盐、碱加入四氢呋喃中，在-10℃下搅拌反应30分钟，加入中间体D，继续反应2小时，其中中间体D与膦盐、碱的摩尔比1:1～1.1:1～1.3，分离纯化产物，得到侧向四氟取代联苯并杂环化合物；
上述的膦盐为
上述结构式中，R”代表a取0～8的整数，膦盐结构式中b取1～9的整数，且a、b之和为1～9的整数，M代表Cl、Br或I。
2.根据权利要求1所述的侧向四氟取代联苯并杂环化合物的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、四氢呋喃中的任意一种与蒸馏水的体积比为3:1的混合物。
3.根据权利要求1所述的侧向四氟取代联苯并杂环化合物的制备方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述的酸为盐酸、乙酸、三氯乙酸、三氟乙酸或甲酸。
4.根据权利要求1所述的侧向四氟取代联苯并杂环化合物的制备方法，其特征在于：在步骤(5)中，所述的碱为正丁基锂、甲醇钠、乙醇钠或叔丁醇钾。
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