CN107541220A - 一种液晶化合物及其制备方法与应用 - Google Patents

一种液晶化合物及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及液晶材料领域，具体涉及一种液晶化合物及其制备方法与应用，所述化合物具有如式(I)所示结构：其中，R表示具有1‑10个碳原子的烷基或烷氧基；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；m为0或1。本发明所述化合物具有较高的负介电各向异性、良好的液晶互溶性、相对适中的旋转粘度等优点，具有重要的应用价值。

Description

一种液晶化合物及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及液晶显示材料领域，特别涉及一种新型负介电各向异性化合物及其制备方法与应用。
背景技术
近年来液晶显示装置发展越来越迅速，也发展出不同类型，如车载小型液晶显示装置，便携式液晶显示装置，超薄型液晶显示装置等等，本领域开发正在取得进展，以电视为例，其特点是重量轻、占据空间小、移动方便，还有笔记本型个人电脑、掌上电脑、手机等。
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，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，也就要求液晶材料具有低电压驱动、快速响应、宽的温度范围和良好的低温稳定性。
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Δε。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，该化合物具有较高的负介电各向异性、良好的液晶互溶性、相对适中的旋转粘度等优点，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，R表示具有1-10个碳原子的烷基或烷氧基；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；
m为0或1。
优选地，在通式I中，R表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基；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；
m为0或1。
作为更优选的技术方案，在通式I中，R表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基；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；
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，R表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基；
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,为实现这一目的，本发明采用如下技术方案：
上述结构通式(I)的化合物的合成路线如下所示：
具体包括以下步骤：
(1)与经醚化反应得到
(2)与有机锂试剂反应，再与硼酸酯反应，得到
(3)以为原料，与有机锂试剂反应，再与硼酸酯反应，得到
(4)通过氧化反应，得到
(5)以与为原料，通过Suzuki反应，得到
(6)在碱催化下进行关环，得到通式I的化合物。
其中，各步骤所涉及化合物中的R、m、环A与所得液晶化合物产物中R、m、环A代表的基团相对应(见关于通式I中各取代基的限定)。
上述方法所述步骤1)中，与的投料摩尔比为1∶0.9～1.8；
优选地，反应温度可在40～150℃；
所述步骤2)中，有机锂试剂与硼酸酯的投料摩尔比为1∶1.0～1.8∶1.0～2.0；
优选地，反应温度可在-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3)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；
优选地，反应温度可在-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4)中，与氧化剂的投料摩尔比为1∶1.0～4.0；
优选地，反应温度可在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5)中，与的投料摩尔比为1∶0.9～1.2；
优选地，反应温度可在60～120℃；
所述步骤6)中，与碱的投料摩尔比为1∶1.0～4.0；
优选地，反应温度可在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。
上述及均可以通过公开商业途径或者文献中本身已知的方法合成得到。
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较高的负介电各向异性，适中的旋转粘度，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：
Δn代表光学各向异性(25℃)；Δε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：
向反应瓶中加入39.0g 2,3-二氟苯酚，40.5g溴代甲基环丙烷，62.1g碳酸钾和300ml N，N-二甲基甲酰胺，控温80～90℃反应3小时，进行常规后处理，得到无色透明液体(化合物BYLC-01-1)48.7g，GC：99.3％，收率88.3％；
(2)化合物BYLC-01-2的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入46.0g BYLC-01-1和350ml四氢呋喃，控温-70～-80℃滴加0.3mol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36.4g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-01-2)48.7g，HPLC：98.3％，收率85.6％；
(3)化合物BYLC-01-3的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入54.7g 3-氟-4-乙氧基溴苯和350ml四氢呋喃，控温-60～-70℃滴加0.32mol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41.6g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-01-3)65.7g，HPLC：91.5％，收率100％；
(4)化合物BYLC-01-4的合成：
向反应瓶中加入65.7g化合物BYLC-01-2和100ml四氢呋喃，回流下滴加0.5mol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-01-4)56.1g，GC：92.7％，收率95.5％；
(5)化合物BYLC-01-5的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入34.2g化合物BYLC-01-2，35.5g化合物BYLC-01-4，300ml N,N-二甲基甲酰胺，90ml去离子水，25.5g无水碳酸钾，0.5g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-01-5)40.8g，GC：96.5％，收率：80.5％。
(6)化合物BYLC-01的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入35.5g化合物BYLC-01-5，200ml N,N-二甲基甲酰胺，17.2g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，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)23.9g，GC：99.6％，收率71.6％；
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-01进行分析，产物的m/z为318.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.10-0.95(m,5H)，1.15-2.10(m,3H),3.55-4.35(m,4H),6.35-7.40(m,4H)。
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-02-1的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入52.2g 3-氟-4-戊氧基溴苯和350ml四氢呋喃，控温-60～-70℃滴加0.25mol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400ml进行酸化，进行常规后处理，得到浅黄色液体(化合物BYLC-02-1)59.9g，HPLC：91.5％，收率98.2％；
(2)化合物BYLC-02-2的合成：
向反应瓶中加入59.9g化合物BYLC-02-1和280ml四氢呋喃，回流下滴加0.49mol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-02-2)50.3g，GC：93.5％，收率92.6％；
(3)化合物BYLC-02-3的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入27.3g化合物BYLC-01-2，33.2g化合物BYLC-02-2，300ml N,N-二甲基甲酰胺，90ml去离子水，24.8g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-02-3)35.8g，GC：97.7％，收率：78.6％。
(4)化合物BYLC-02的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入32.5g化合物BYLC-02-3，200ml N,N-二甲基甲酰胺，19.5g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，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-02)22.4g，GC：99.7％，收率72.8％；
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-02进行分析，产物的m/z为360.2(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.10-1.05(m,8H)，1.15-2.10(m,6H),3.55-4.35(m,4H),6.35-7.40(m,4H)。
实施例3
液晶化合物的结构式为：
制备化合物BYLC-03的合成线路如下所示：
具体步骤如下：
(1)化合物BYLC-03-1的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入44.8g 3-氟-4-丙基环己基溴苯和350ml四氢呋喃，控温-60～-70℃滴加0.21mol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28.0g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，得到浅黄色固体(化合物BYLC-03-1)46.9g，HPLC：93.7％，收率91.2％；
(2)化合物BYLC-03-2的合成：
向反应瓶中加入40.0g化合物BYLC-03-1和280ml四氢呋喃，回流下滴加0.29mol双氧水，滴毕回流反应1小时。进行常规后处理，得到浅红色固体(化合物BYLC-03-2)32.8g，GC：98.6％，收率89.5％；
(3)化合物BYLC-03-3的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入20.6g化合物BYLC-01-2，28.5g化合物BYLC-02-2，300ml N,N-二甲基甲酰胺，90ml去离子水，18.6g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，得浅黄色固体(化合物BYLC-03-3)28.6g，GC：98.5％，收率：75.8％。
(4)化合物BYLC-03的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入25.5g化合物BYLC-03-3，200ml N,N-二甲基甲酰胺，17.0g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，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-03)16.5g，GC：99.8％，收率68.2％；
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-03进行分析，产物的m/z为398.2(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.10-1.05(m,8H)，1.15-2.10(m,13H),2.45-3.20(m,1H),3.55-4.35(m,2H),6.35-7.40(m,4H)。
实施例4
依据实施例1、实施例2和实施例3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。
实验例1
将实施例1所制得的化合物BYLC-01、实施例2所制得的化合物BYLC-02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2的BYLC-02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，具有较高的负介电各向异性Δε，更大的光学各向异性，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Δε，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3所制得的化合物BYLC-03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3的BYLC-03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，具有较高的负介电各向异性Δε，更大的光学各向异性，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Δε，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Δε，同时保持适中的旋转粘度γ1和适当的折射率各向异性Δn，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：具有如式(I)所示结构：
其中，R表示具有1-10个碳原子的烷基或烷氧基；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；m为0或1。
2.根据权利要求1所述的液晶化合物，其特征在于：R表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基；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；
m为0或1；
优选R表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基；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；
m为0或1。
3.根据权利要求1或2所述的液晶化合物，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，R表示具有1-5个碳原子的烷基或烷氧基。
4.根据权利要求1所述的液晶化合物，其特征在于：所述液晶化合物选自如下化合物的一种：
5.权利要求1-4任一项所述的液晶化合物的制备方法，其特征在于：合成路线如下：
具体包括以下步骤：
(1)与经醚化反应得到
(2)与有机锂试剂反应，再与硼酸酯反应，得到
(3)以为原料，与有机锂试剂反应，再与硼酸酯反应，得到
(4)通过氧化反应，得到
(5)以与为原料，通过Suzuki反应，得到
(6)在碱催化下进行关环，得到通式I的化合物；
其中，各步骤所涉及化合物中的环A、R、m同权利要求1-4任一项所述。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，与的投料摩尔比为1∶0.9～1.8；
优选地，反应温度可在40～150℃；
和/或，
所述步骤2)中，有机锂试剂与硼酸酯的投料摩尔比为1∶1.0～1.8∶1.0～2.0；
优选地，反应温度可在-50～-100℃；
和/或，
所述步骤3)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；
优选地，反应温度可在-50～-100℃；
和/或，
所述步骤4)中，与氧化剂的投料摩尔比为1∶1.0～4.0；
优选地，反应温度可在40～80℃；
和/或，
所述步骤5)中，与的投料摩尔比为1∶0.9～1.2；
优选地，反应温度可在60～120℃；
和/或，
所述步骤6)中，与碱的投料摩尔比为1∶1.0～4.0；
优选地，反应温度可在80～150℃。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤2)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；
和/或，
步骤3)中所述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。
8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤4)中所述氧化剂选自双氧水或间氯过氧苯甲酸，优选为双氧水；
和/或，步骤4)中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。
9.一种液晶组合物，其特征在于，包含质量百分比为1-60％的权利要求1-4任一项所述化合物，优选质量百分比为3-50％的权利要求1-4任一项所述化合物；最优选质量百分比为5～25％的权利要求1-4任一项所述化合物。
10.权利要求1-4任一项所述化合物或权利要求9所述组合物在液晶显示装置中的应用；优选所述的液晶显示装置为TN、ADS、VA、PSVA、FFS或IPS液晶显示器。
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