CN106811209A - 一种液晶化合物、组合物及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶化合物、组合物及其应用。本发明涉及液晶材料领域，具体涉及一种液晶化合物，所述化合物具有如通式(I)所示结构：其中，R₁表示具有1-10个碳原子的烷基或烷氧基，R₂表示具有1-10个碳原子的烷基，环A表示1,4-亚苯基、1,4-亚环己基或1-4个氢原子被氟原子取代的1,4-亚苯基，n为0、1或2，m为0或1。本发明所述化合物具有极高的负介电各向异性、良好的液晶互溶性、相对低的旋转粘度等优点，这些正是改善液晶材料所需要的，具有重要的应用价值。

Description

一种液晶化合物、组合物及其应用

技术领域

本发明涉及液晶显示材料领域，特别涉及一种液晶化合物、组合物及其应用。

背景技术

液晶材料作为环境材料在信息显示材料、有机光电子材料等领域中的应用具有极大的研究价值和美好的应用前景。液晶材料作为新型显示材料有许多优势，如功耗极低，驱动电压低。同时与其他材料相比，还具有体积小、重量轻、长寿命、显示信息量大、无电磁辐射等优点，几乎可以适应各种信息显示的要求，尤其在TFT-LCD(薄膜晶体管技术)产品方面。

在TFT有源矩阵的系统中，主要有TN(Twisted Nematic，扭曲向列结构)模式，IPS(In-Plane Switching，平面转换)，FFS(FringeField Switching，边缘场开关技术)模式和VA(Vertical Alignment，垂直取向)模式等主要显示模式。

目前，TFT-LCD产品技术已经成熟，成功地解决了视角、分辨率、色饱和度和亮度等技术难题，大尺寸和中小尺寸TFT-LCD显示器在各自的领域已逐渐占据平板显示器的主流地位。但是对显示技术的要求一直在不断的提高，要求液晶显示器实现更快速的响应，降低驱动电压以降低功耗等方面。

液晶材料本身对改善液晶显示器的性能发挥重要的作用，尤其是降低液晶材料旋转粘度和提高液晶材料的介电各向异性△ε。为了改善材料的性能使其适应新的要求，新型结构液晶化合物的合成及结构-性能关系的研究成为液晶领域的一项重要工作。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种新型的负介电各向异性的液晶化合物，该化合物具有极高的负介电各向异性、良好的液晶互溶性、相对低的旋转粘度等优点，这些正是改善液晶材料所需要的，具有重要的应用价值。

本发明所述的液晶化合物，具有如下结构：

在通式I中，R₁表示具有1-10个碳原子的烷基或烷氧基，R₂表示具有1-10个碳原子的烷基，环A表示1,4-亚苯基、1,4-亚环己基或1-4个氢原子被氟原子取代的1,4-亚苯基，n为0、1或2，m为0或1。

优选地，在通式I中，R₁表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基，R₂表示具有1-5个碳原子的烷基，环A表示1,4-亚苯基、1,4-亚环己基或1-4个氢原子被氟原子取代的1,4-亚苯基，n为0或1，m为0或1。

作为更优选的技术方案，在通式I中，R₁表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基，R₂表示具有1-5个碳原子的烷基，环A表示1,4-亚苯基、1,4-亚环己基或1-2个氢原子被氟原子取代的1,4-亚苯基，n为0或1，m为0或1。

作为进一步优选的技术方案，所述液晶化合物选自如下化合物的一种：

在I-1～I-4中，R₁表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基，R₂表示具有1-5个碳原子的烷基，m为0或1。

作为本发明的最佳实施方式，所述液晶化合物选自如下化合物的一种：

本发明的第二目的是提供所述液晶化合物的制备方法。

本发明根据m的取值不同，即二苯并呋喃环3位的取代基类型不同，选择不同的合成路线。

作为一种技术方案，当m为0，二苯并呋喃环3位为烷基时，即通式(I)为时，合成路线如下：

具体包括以下步骤：

(1)与有机锂试剂反应，再与硼酸酯反应，得到

(2)以为原料，与有机锂试剂反应，再与硼酸酯反应，得到

(3)通过氧化反应，得到

(4)以与为原料，通过Suzuki反应，得到

(5)在碱催化下进行关环，得到

(6)与有机锂试剂反应，再与卤代烷烃反应，得到通式I的化合物。

其中，各步骤所涉及化合物中的R₁、R₂、n、环A与所得液晶化合物产物中R₁、R₂、n、环A代表的基团相对应。

上述方法所述步骤1)中，有机锂试剂与硼酸酯的投料摩尔比为1∶1.0～1.8∶1.0～2.0，反应温度-50～-100℃；

其中，所述有机锂试剂选自正丁基锂、仲丁基锂、叔丁基锂或正丁基锂与叔丁醇钾中的一种或几种，所述硼酸酯选自硼酸三甲酯、硼酸三异丙酯、硼酸三丁酯或硼酸三异丁酯中的一种或几种。

所述步骤2)中，有机锂试剂与硼酸酯的投料摩尔比为1∶1.0～2.0∶1.0～2.0，反应温度-50～-100℃；

其中，有机锂试剂选自二异丙胺基锂或2,2,6,6-四甲基哌啶锂，所述硼酸酯选自硼酸三甲酯、硼酸三异丙酯、硼酸三丁酯或硼酸三异丁酯。

所述步骤3)中，与氧化剂的投料摩尔比为1∶1.0～4.0，反应温度40～80℃；

上述氧化剂可选自双氧水或间氯过氧苯甲酸，优选为双氧水。

所述步骤4)中，与的投料摩尔比为1∶0.9～1.2，反应温度60～120℃；

所述步骤5)中，与碱的投料摩尔比为1∶1.0～4.0，反应温度80～150℃；

所述“碱”可选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾或叔丁醇钾中的一种或几种，优选叔丁醇钾和/或碳酸钾。

所述步骤6)中，有机锂试剂与卤代烷烃的投料摩尔比为1∶1.0～2.0∶1.0～3.0，反应温度-50～-100℃；

其中，所述有机锂试剂选自仲丁基锂、叔丁基锂或正丁基锂与叔丁醇钾中的一种或几种，所述卤代烷烃选自溴代烷烃、碘代烷烃。

作为另一种技术方案，当m为1，二苯并呋喃环3位为烷氧基时，即通式(I)为时，合成路线如下：

具体包括以下步骤：

(1)与有机锂试剂反应，再与硼酸酯反应，得到

(2)通过氧化反应，得到

(3)在碱催化下，与烷基化试剂通过Williamson反应，得到通式I的化合物。

其中，各步骤所涉及化合物中的R₁、R₂、n、环A与所得液晶化合物产物中R₁、R₂、n、环A代表的基团相对应。

上述方法所述步骤1)中，有机锂试剂与硼酸酯的投料摩尔比为1∶1.0～2.0∶1.0～2.0，反应温度-50～-100℃；

其中，所述有机锂试剂选自仲丁基锂、叔丁基锂或正丁基锂与叔丁醇钾中的一种或几种，所述硼酸酯选自硼酸三甲酯、硼酸三异丙酯、硼酸三丁酯或硼酸三异丁酯。

所述步骤2)中，与氧化剂的投料摩尔比为1∶1.0～4.0，反应温度40～80℃；

上述氧化剂可选自双氧水或间氯过氧苯甲酸，优选为双氧水。

所述步骤3)中，碱、与烷基化试剂的投料摩尔比为1∶1.0～3.0∶1.0～3.0，反应温度40～130℃；

所述“碱”可选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾或叔丁醇钾中的一种或几种；所述“烷基化试剂”可选氯代烷烃、溴代烷烃、碘代烷烃、二烷基硫酸酯，优选为溴代烷烃和/或二烷基硫酸酯。

本发明所述的方法，在必要时会涉及常规后处理，所述常规后处理具体如：用二氯甲烷、乙酸乙酯或甲苯萃取，分液，水洗，干燥，真空旋转蒸发仪蒸发，所得产物用减压蒸馏或重结晶和/或色谱分离法提纯，即可。

采用上述制备方法能够稳定、高效地得到本发明所述的液晶化合物。

本发明的第三目的是保护含有所述液晶化合物的组合物。所述液晶化合物在组合物中的质量百分比为1～60％，优选为3～50％，进一步优选为5～25％。

本发明的第四目的是保护所述液晶化合物以及含有所述液晶化合物的组合物在液晶显示领域的应用，优选为在液晶显示装置中的应用。所述的液晶显示装置包括但并不限于TN、ADS、VA、PSVA、FFS或IPS液晶显示器。使用了所述液晶化合物或含有所述液晶化合物的组合物具有极高的负介电各向异性，旋转粘度低，从而有效降低驱动电压，提高了液晶显示装置的响应速度，同时具有光学各向异性数值适中、电荷保持率高等特点。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

所述原材料如无特别说明，均能从公开商业途径获得。

按照本领域的常规检测方法，通过线性拟合得到液晶化合物的各项性能参数，其中，各性能参数的具体含义如下：

△n代表光学各向异性(25℃)；△ε代表介电各向异性(25℃，1000Hz)；γ1代表旋转粘度(mPa.s，25℃)。

实施例1

液晶化合物的结构式为：

制备化合物BYLC-01的合成线路如下所示：

具体步骤如下：

(1)化合物BYLC-01-1的合成：

氮气保护下，向反应瓶中加入38.4g 3,4-二氟甲苯，40.3g叔丁醇钾和300ml四氢呋喃，控温-70～-80℃滴加0.36mol正丁基锂的正己烷溶液，滴毕保温反应1小时，控温-70～-80℃滴加41.6g硼酸三甲酯，然后自然回温至-30℃。加入2M盐酸水溶液300ml进行酸化，进行常规后处理，石油醚重结晶得到浅黄色固体(化合物BYLC-01-1)45.4g，HPLC：97.3％，收率88％；

(2)化合物BYLC-01-2的合成：

氮气保护下，向反应瓶中加入51.6g 3-氟-4-乙氧基溴苯和350ml四氢呋喃，控温-60～-70℃滴加0.45mol二异丙胺基锂的四氢呋喃溶液，滴毕保温反应1小时，控温-70～-80℃滴加52.0g硼酸三甲酯，然后自然回温至-30℃。加入2M盐酸水溶液400ml进行酸化，进行常规后处理，得到浅黄色液体(化合物BYLC-01-2)78.6g，HPLC：90.9％，收率100％；

(3)化合物BYLC-01-3的合成：

向反应瓶中加入78.6g化合物BYLC-01-2和100ml四氢呋喃，回流下滴加0.6mol双氧水，滴毕回流反应1小时。进行常规后处理，得到棕红色液体(化合物BYLC-01-3)66.2g，GC：91.3％，收率94％；

(4)化合物BYLC-01-4的合成：

氮气保护下，向反应瓶中加入34.4g化合物BYLC-01-1，46.8g化合物BYLC-01-3，300ml N,N-二甲基甲酰胺，90ml去离子水，55.2g无水碳酸钾，0.3g四三苯基膦钯，加热回流反应3小时。进行常规后处理，经色谱纯化，得浅黄色液体(化合物BYLC-01-4)46.2g，GC：95.6％，收率：82％。

(5)化合物BYLC-01-5的合成：

氮气保护下，向反应瓶中加入42.3g化合物BYLC-01-4，200mlN,N-二甲基甲酰胺，33.6g叔丁醇钾，控温130-140℃反应3小时，TLC跟踪反应完全。进行常规后处理，乙醇重结晶得到浅黄色固体(化合物BYLC-01-5)27.9g，GC：97.9％，收率：71％。

(6)化合物BYLC-01的合成：

氮气保护下，向反应瓶中加入20.9g BYLC-01-5，11.2g叔丁醇钾和200ml四氢呋喃，控温-80～-90℃滴加0.1mol正丁基锂的正己烷溶液，滴毕保温反应1小时，控温-80～-90℃滴加13.1g溴乙烷，然后自然回温至-20℃。加入2M盐酸水溶液50ml进行酸化，进行常规后处理，经色谱纯化，正己烷洗脱，乙醇重结晶得到白色固体(化合物BYLC-01)15.8g，GC：99.7％，收率68％；

采用GC-MS对所得白色固体BYLC-01进行分析，产物的m/z为290.1(M+)。

¹H-NMR(300MHz,CDCl₃):1.3-2.8(m,11H)，4.1-4.3(m,2H),6.6-7.2(m,3H)。

液晶化合物的各项性能参数：△ε：-13.4；γ1：10.6；△n：0.116。

由上述可知，所得产物为本发明所述BYLC-01结构。

实施例2

液晶化合物的结构式为：

制备化合物BYLC-02的合成线路如下所示：

具体步骤如下：

(1)化合物BYLC-02-2的合成：

氮气保护下，向反应瓶中加入44.7g化合物BYLC-02-1和350ml四氢呋喃，控温-60～-70℃滴加0.23mol二异丙胺基锂的四氢呋喃溶液，滴毕保温反应1小时，控温-70～-80℃滴加31.2g硼酸三甲酯，然后自然回温至-30℃。加入2M盐酸水溶液150ml进行酸化，进行常规后处理，得到浅黄色固体(化合物BYLC-02-2)45.1g，HPLC：96.9％，收率88％；

(2)化合物BYLC-02-3的合成：

向反应瓶中加入45.1g化合物BYLC-02-2和100ml四氢呋喃，回流下滴加0.3mol双氧水，滴毕回流反应1小时。进行常规后处理，得到黄色固体(化合物BYLC-02-3)38.1g，GC：97.7％，收率92％；

(3)化合物BYLC-02-4的合成：

氮气保护下，向反应瓶中加入27.5g化合物BYLC-01-1，47.1g化合物BYLC-02-3，300ml N,N-二甲基甲酰胺，80ml去离子水，41.4g无水碳酸钾，0.4g四三苯基膦钯，加热回流反应3小时。进行常规后处理，经色谱纯化，得浅黄色固体(化合物BYLC-02-4)46.7g，GC：98.3％，收率：86％。

(5)化合物BYLC-02-5的合成：

氮气保护下，向反应瓶中加入36.2g化合物BYLC-01-4，200mlN,N-二甲基甲酰胺，22.4g叔丁醇钾，控温130-140℃反应3小时，TLC跟踪反应完全。进行常规后处理，乙醇重结晶得到浅黄色固体(化合物BYLC-02-5)26.3g，GC：96.5％，收率：77％。

(6)化合物BYLC-02的合成：

氮气保护下，向反应瓶中加入27.3g BYLC-02-5，11.2g叔丁醇钾和200ml四氢呋喃，控温-80～-90℃滴加0.1mol正丁基锂的正己烷溶液，滴毕保温反应1小时，控温-80～-90℃滴加13.1g溴乙烷，然后自然回温至-20℃。加入2M盐酸水溶液50ml进行酸化，进行常规后处理，经色谱纯化，正己烷洗脱，乙醇+乙酸乙酯重结晶得到白色固体(化合物BYLC-02)21.9g，GC：99.9％，收率74％；

采用GC-MS对所得白色固体BYLC-02进行分析，产物的m/z为370.2(M+)。

¹H-NMR(300MHz,CDCl₃):0.95-2.6(m,25H)，6.9-7.3(m,3H)。

液晶化合物的各项性能参数：△ε：-14.7；γ1：97；△n：0.154。由上述可知，所得产物为本发明所述BYLC-02结构。

实施例3

依据实施例1和实施例2的技术方案，只需要简单替换对应的原料，不改变任何实质性操作，可以合成以下液晶化合物。

实施例4

液晶化合物的结构式为：

制备化合物BYLC-04的合成线路如下所示：

具体步骤如下：

(1)化合物BYLC-04-1的合成：

氮气保护下，向反应瓶中加入39.3g BYLC-01-5(具体合成参见实施例1)，21.8g叔丁醇钾和400ml四氢呋喃，控温-80～-90℃滴加0.2mol正丁基锂的正己烷溶液，滴毕保温反应1小时，控温-80～-90℃滴加23.4g硼酸三甲酯，然后自然回温至-30℃。加入2M盐酸水溶液200ml进行酸化，进行常规后处理，石油醚重结晶得到浅黄色固体(化合物BYLC-04-1)37.2g，HPLC：93.6％，收率81％；

(2)化合物BYLC-04-2的合成：

向反应瓶中加入37.2g BYLC-04-1和80ml四氢呋喃，回流下滴加0.3mol双氧水，滴毕回流反应1小时。进行常规后处理，得到棕红色液体(化合物BYLC-04-2)33.1g，GC：95.8％，收率92％；

(3)化合物BYLC-04的合成：

向反应瓶中加入27.8g BYLC-04-2，27.6g碳酸钾和100mlN,N-二甲基甲酰胺，控温50～60℃滴加21.8g溴乙烷，滴毕保温反应3小时。进行常规后处理，经色谱纯化，正己烷洗脱，乙醇重结晶得到白色固体(化合物BYLC-04)25.7g，GC：99.8％，收率84％；

采用GC-MS对所得白色固体BYLC-04进行分析，产物的m/z为306.1(M+)。

¹H-NMR(300MHz,CDCl₃):1.3-2.7(m,9H)，4.1-4.3(m,4H),6.9-7.3(m,3H)。

液晶化合物的各项性能参数：△ε：-16.5；γ1：12.1；△n：0.124。

由上述可知，所得产物为本发明所述BYLC-04结构。

实施例5

液晶化合物的结构式为：

制备化合物BYLC-05的合成线路如下所示：

具体步骤如下：

(1)化合物BYLC-05-1的合成：

氮气保护下，向反应瓶中加入51.3g BYLC-02-5(具体合成参见实施例2)，21.8g叔丁醇钾和400ml四氢呋喃，控温-80～-90℃滴加0.2mol正丁基锂的正己烷溶液，滴毕保温反应1小时，控温-80～-90℃滴加23.4g硼酸三甲酯，然后自然回温至-30℃。加入2M盐酸水溶液200ml进行酸化，进行常规后处理，石油醚重结晶得到浅黄色固体(化合物BYLC-05-1)48.6g，HPLC：96.2％，收率84％；

(2)化合物BYLC-05-2的合成：

向反应瓶中加入48.6g BYLC-05-1和150ml四氢呋喃，回流下滴加0.32mol双氧水，滴毕回流反应1小时。进行常规后处理，得到黄色固体(化合物BYLC-05-2)41.91g，GC：98.9％，收率93％；

(3)化合物BYLC-05的合成：

向反应瓶中加入17.9g BYLC-05-2，13.8g碳酸钾和80mlN,N-二甲基甲酰胺，控温50～60℃滴加10.9g溴乙烷，滴毕保温反应3小时。进行常规后处理，经色谱纯化，正己烷洗脱，乙醇+乙酸乙酯重结晶得到白色固体(化合物BYLC-05)15.4g，GC：99.9％，收率80％；

采用GC-MS对所得白色固体BYLC-05进行分析，产物的m/z为386.2(M+)。

¹H-NMR(300MHz,CDCl₃):0.96-2.7(m,23H)，4.0-4.3(m,2H),6.9-7.3(m,3H)。

液晶化合物的各项性能参数：△ε：-17.5；γ1：106；△n：0.161。

由上述可知，所得产物为本发明所述BYLC-05结构。

实施例6

依据实施例4和实施例5的技术方案，只需要简单替换对应的原料，不改变任何实质性操作，可以合成以下液晶化合物。

对比例1

本对比例提供了一种传统的负介电各向异性化合物，其具体结构式如下：

液晶化合物的各项性能参数：△ε：-7.2；γ1：13.6；△n：0.113。

对比例2

本对比例提供了另一种传统的负介电各向异性化合物，其具体结构式如下：

液晶化合物的各项性能参数：△ε：-5.6；γ1：120；△n：0.156。

实验例1

将实施例1所制得的化合物BYLC-01、实施例4所制得的化合物BYLC-04和对比例1的液晶化合物性能参数数据进行对比整理，检测结果如表1所示：

表1：液晶化合物的性能检测结果

实施例1的BYLC-01、实施例4的BYLC-04和对比例1化学结构相似，由表1的检测结果可以明显看出，本发明提供的液晶化合物与传统的相似化学结构的负介电各向异性化合物相比，具有极高的负介电各向异性△ε，旋转粘度γ1相对小些，这些正是改善液晶材料所需要的，可以有效提高液晶组合物的介电各向异性△ε，降低驱动电压，得到响应速度更快的液晶组合物。

实验例2

将实施例2所制得的化合物BYLC-02、实施例5所制得的化合物BYLC-05和对比例2的液晶化合物性能参数数据进行对比整理，检测结果如表2所示：

表2：液晶化合物的性能检测结果

实施例2的BYLC-02、实施例5的BYLC-05和对比例2化学结构相似，由表2的检测结果可以明显看出，本发明提供的液晶化合物与传统的相似化学结构的负介电各向异性化合物相比，具有极高的负介电各向异性△ε，旋转粘度γ1相对小些，这些正是改善液晶材料所需要的，可以有效提高液晶组合物的介电各向异性△ε，降低驱动电压，得到响应速度更快的液晶组合物。

此外，将本申请所述化合物具体应用在常规体系的液晶组合物中后发现，其可以显著提高液晶组合物的介电各向异性△ε，同时保持较低的旋转粘度γ1和适当的折射率各向异性△n，所得液晶组合物具有显著的快速响应特点和低电压驱动特点。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种液晶化合物，其特征在于：所述化合物具有如通式(I)所示结构：

其中，R₁表示具有1-10个碳原子的烷基或烷氧基，R₂表示具有1-10个碳原子的烷基，环A表示1,4-亚苯基、1,4-亚环己基或1-4个氢原子被氟原子取代的1,4-亚苯基，n为0、1或2，m为0或1。

2.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于：所述R₁表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基，R₂表示具有1-5个碳原子的烷基，环A表示1,4-亚苯基、1,4-亚环己基或1-4个氢原子被氟原子取代的1,4-亚苯基，n为0或1，m为0或1。

3.根据权利要求2所述的化合物，其特征在于：所述R₁表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基，R₂表示具有1-5个碳原子的烷基，环A表示1,4-亚苯基、1,4-亚环己基或1-2个氢原子被氟原子取代的1,4-亚苯基，n为0或1，m为0或1。

4.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于：所述液晶化合物选自如下化合物的一种：

在I-1～I-4中，R₁表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基，R₂表示具有1-5个碳原子的烷基，m为0或1。

5.根据权利要求4所述的化合物，其特征在于：所述液晶化合物选自如下化合物的一种：

6.权利要求1-5任一项所述化合物的制备方法，其特征在于：当m为0时，即通式(I)为时，合成路线如下：

具体包括以下步骤：

(1)与有机锂试剂反应，再与硼酸酯反应，得到

(2)以为原料，与有机锂试剂反应，再与硼酸酯反应，得到

(3)通过氧化反应，得到

(4)以与为原料，通过Suzuki反应，得到

(5)在碱催化下进行关环，得到

(6)与有机锂试剂反应，再与卤代烷烃反应，得到通式I的化合物；

其中，各步骤所涉及化合物中的R₁、R₂、n、环A同权利要求1-5任一项。

7.权利要求1-5任一项所述化合物的制备方法，其特征在于：当m 为1时，即通式(I)为时，合成路线如下：

具体包括以下步骤：

(1)与有机锂试剂反应，再与硼酸酯反应，得到

(2)通过氧化反应，得到

(3)在碱催化下，与烷基化试剂通过Williamson反应，得到通式I的化合物；

其中，各步骤所涉及化合物中的R1、R2、n、环A同权利要求1-5任一项。

8.一种含有权利要求1-5任一项所述液晶化合物的液晶组合物，其特征在于，所述液晶化合物在组合物中的质量百分比为1～60％，优选为3～50％，进一步优选为5～25％。

9.权利要求1-5任一项所述化合物或权利要求8所述组合物在液晶显示装置中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述的液晶显示装置为TN、ADS、VA、PSVA、FFS或IPS液晶显示器。