CN108865174A - 一种含有薁环的液晶化合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种含有薁环的液晶化合物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种含有薁环的液晶化合物，所述液晶化合物具有如下通式：本发明的含有薁环的液晶化合物具有较好的化学和物理稳定性，具有较大的介电常数和较高的清亮点；将其作为液晶组合物中的一部分，能有效改善液晶组合物的性质，使液晶组合物具有较低的驱动电压，良好的低温互溶性，较高的清亮点，较短的响应时间；得到的液晶组合物更适用于TN、TFT、IPS、FFS和ADS模式的液晶显示器中，减少对比度差，产生残像等问题。

Description

一种含有薁环的液晶化合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及液晶材料技术领域，更具体地，涉及一种含有薁环的液晶化合物及其制备方法和应用。
背景技术
液晶材料主要应用于液晶显示器的电介质中，这是因为外加电压可以改变这类物质的光学性能。基于液晶的电光学器件主要应用于具有动态散射的液晶盒、DPA(配向相变形)液晶盒、宾/主型液晶盒、具有扭曲向列结构的TN盒、STN(超扭曲向列)液晶盒、SBE(超双折射效应)液晶盒和OMI(光膜关涉)液晶盒。其中最常见的显示器基于Schadt-Helfrich效应并具有扭曲向列结构。此外，还存在用于平行于基板和液晶面的电场操作的液晶盒，例如IPS(面内切换)液晶盒。
液晶材料一般以多种组分的混合物形式应用，必须具有良好的化学和热稳定性，较低的粘度、低阈值电压和高对比度，并在液晶盒内产生短寻址时间。而使用在液晶显示器、笔记本或者汽车仪表上的液晶组合物，除了设计对比度和响应时间有关的问题外，想要得到高电阻率也出现了困难，随着电阻率的降低，显示器的对比度会变差，并可能产生残像等问题。如果使用具有低粘度值的液晶化合物，可以实现短的响应时间，从而改善上述问题。因此，在显示器或仪表中，所述液晶介质需要具有以下优良性质：1、较宽的向列相范围，特别是低温性能；2、在极低的温度下的可切换性；3、提高抗紫外辐射性；4、低阈值电压；5、大的介电各向异性。
但是目前技术得到的液晶介质不能在保持其它参数的同时实现这些优良性质。因此需要研发一种能在保持其它参数的同时，又具有上述优良性质的液晶化合物，进而提供性质优良的液晶组合物。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种含有薁环的液晶化合物，该液晶化合物具有较好的化学和物理稳定性，具有较大的介电常数和较高的清亮点。
本发明还提供了一种包括所述液晶化合物的液晶组合物，该液晶组合物具有较低的驱动电压，良好的低温互溶性，较高的清亮点，较短的响应时间。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种含有薁环的液晶化合物，所述液晶化合物具有式Ⅰ所示的结构：
式中：R1、R2各自独立地表示H、Cl、F、CN，
或C1-C12的烷基、C1-C12的烷氧基、C2-C12的烯基、C2-C12的烯氧基，且其中的一个或多个-CH2-可以各自独立地被-CH＝CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、环丁基、-O-或-S-取代后，且取代后的基团中杂原子彼此不直接连接，
上述基团中的一个或多个氢原子可以各自独立地被氟原子或氯原子取代；
Z1、Z2各自独立地表示单键、-CH2-CH2-、-C≡C-、-CH＝CH-、-O-、-CF2-CF2-、-CF2-CH2-、-CH2-CF2-、-CF＝CF-、-CH2-、-(CH2)3-、-(CH)4-、-OCH2-、-CF2O-或-CH2O-；
A1、A2各自独立地表示单键、
m、n各自独立地表示0、1、2、3或4，且1≤m+n≤4，其中，m或n大于1时，Z1、Z2、A1和A2可以为相同或不同的基团。
优选地，R1为H、F、未取代或1-4个氢原子被氟原子取代后的C1-C5的烷基、未取代或1-4个氢原子被氟原子取代后的C2-C5的烯基；
R2为H、Cl、F、CN、OCF3、CF3、CH2F、CHF2、OCHF2、C1-C5的烷基、C1-C5的烷氧基、C2-C5的烯基或C2-C5的烯氧基。
优选地，A1、A2各自独立地表示单键、
优选地，Z1、Z2各自独立地表示单键、-CH2-、-CH2-CH2-、-(CH2)3-、-(CH2)4-、-CH＝CH-、-C≡C-、-OCH2-、-CH2O-或-CF2O-，更优选为单键或-CF2O-。
优选地，所述液晶化合物为式Ⅰ-1至式Ⅰ-28所示化合物中的一种：
其中，R1为H、F、未取代或1-4个氢原子被氟原子取代后的C1-C5的烷基、C2-C5的烯基；
R2为H、Cl、F、CN、OCF3、CF3、CH2F、CHF2、OCHF2、C1-C5的烷基、C1-C5的烷氧基、C2-C5的烯基或C2-C5的烯氧基；
(F)为H或F。
优选地，所述R1为C1-C5的烷基；R2为F。
本发明还提供一种液晶组合物，包括一种或多种上述技术方案中的液晶化合物。
所述含有薁环的液晶化合物具有较好的化学和物理稳定性，具有较大的介电常数和较高的清亮点。则将其作为液晶组合物中的一部分，能有效改善液晶组合物的性质，使所述液晶组合物具有较低的驱动电压，良好的低温互溶性，较高的清亮点，较短的响应时间。
优选地，所述液晶组合物包括一种或多种式Ⅰ-2、Ⅰ-6、Ⅰ-7、Ⅰ-8、Ⅰ-19、Ⅰ-22所示的化合物，其中R1为C1-C5的烷基，R2为F。
优选地，所述液晶化合物在所述液晶组合物中的质量百分比为1％～60％，更优选5％～40％。
所述液晶组合物中除了包括上述液晶化合物，还包括一种或多种添加剂，所述添加剂包括抗氧化剂、UV稳定剂和手性添加剂。
所述抗氧化剂为
所述UV稳定剂为 中的一种或多种。
所述手性添加剂为下列物质中的一种或多种：
所述液晶组合物的制备采用热溶解法，具体包括：按配比称量各组分，然后按各组分的熔点由低到高依次加料混合，在60～100℃下使各组分充分溶解，再经过滤、旋蒸，即得。
本发明还提供上述液晶组合物在显示元器件中的应用。优选地，所述显示元器件为TN、TFT、IPS、FFS或ADS模式液晶显示器。
本发明相对于现有技术具有的有益效果：
本发明的含有薁环的液晶化合物具有较好的化学和物理稳定性，具有较大的介电常数和较高的清亮点；将其作为液晶组合物中的一部分，能有效改善液晶组合物的性质，使液晶组合物具有较低的驱动电压，良好的低温互溶性，较高的清亮点，较短的响应时间；得到的液晶组合物更适用于TN、TFT、IPS、FFS和ADS模式的液晶显示器中，减少对比度差，产生残像等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1中的液晶化合物的核磁图谱；
图2为本发明实施例2中的液晶化合物的核磁图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
以下实施例中所用的原材料如无特别说明，均能从公开商业途径获得。
实施例1
本实施例提供一种液晶化合物，其化学式为式中n＝3。
上述液晶化合物的制备包括：
(1)
氮气保护下向1L三口瓶中依次加入300mL正己烷，113g(0.77mol)二氯乙酰氯，及41mL(0.7mol)环戊二烯，反应体系在搅拌下滴加入189mL(0.65mol)三乙胺的正己烷溶液，滴加完毕后室温反应4h，加入300mL水，搅拌静置后分层，水相用50mL正己烷萃取两次，合并有机相并于旋转蒸发仪上浓缩至无溶剂流出，得到黄色油状物，将此油状物转移至常压分馏设备，蒸馏收集b.p.66-68℃下的馏分，得到105g化合物1，GC纯度＞98％，收率85％。
(2)
氮气保护下向1L三口瓶中依次加入550mL丙酮，100g(0.56mol)化合物1，152g(2.52mol)冰醋酸和100g去离子水，搅拌同时滴加入283g(2.8mol)三乙胺，滴加完毕后加热至回流反应4h，减压蒸馏回收体系中的丙酮，而后向体系中加入200mL水，分别用200mL甲苯萃取3次，分液后合并3次有机相，50g无水MgSO4干燥后于旋转蒸发仪45℃下浓缩至无溶剂流出，再用环己烷重结晶得到52g化合物2，GC纯度＞95％，收率85％。
(3)
向1L三口瓶中依次加入500mL甲苯，50g(0.28mol)化合物2和36.6g(0.31mol)二氯亚砜，于75～80℃下保温反应2h，反应结束后降至室温，反应液水洗至中性，50g无水MgSO4干燥后于旋转蒸发仪45℃下浓缩至无溶剂流出，用正己烷重结晶得到25g化合物3，GC纯度＞98％，收率65％。
(4)
氮气保护下向1L三口瓶中依次加入500mL无水乙醇，17.5g金属钠，21g(0.15mol)化合物3和72g(0.45mol)丙二酸二乙酯，室温搅拌反应40h，反应体系变为橙色凝胶状固体，加入500mL水，充分搅拌后过滤出不溶物，将不溶物溶解于150mL冰醋酸中，并加入150mL水稀释，再用150mL二氯甲烷萃取此水相3次，合并有机相，无水MgSO4干燥后于旋转蒸发仪上浓缩至无溶剂流出，再经乙醇重结晶后得到21g化合物4，GC纯度＞95％，收率50％。
(5)
向1L三口瓶中加入500mL二氯甲烷及20g(0.07mol)化合物4，冰水浴降温至0℃后，搅拌下滴加入15g(0.084mol)溴素，滴加完毕后，自然升温至室温反应，室温反应0.5h后有橙色沉淀出现，继续反应2h，向体系中加入500mL水，分液后，水相用100mL二氯甲烷萃取，合并有机相，无水MgSO4干燥后于旋转蒸发仪上浓缩至无溶剂流出，浓缩物再经乙醇重结晶后得到16g化合物5，GC纯度＞98％，收率65％。
(6)
向1L三口瓶中加入14.7g(0.04mol)化合物5，120mL 2M KOH溶液及168mL乙醇，加热至回流反应4h后，冷却至室温，加入130mL2M盐酸，搅拌后有固体析出，过滤得到固体并水洗至中性，烘干后所得固体直接加入500mL三口瓶中，并向瓶中加入现制浓度100％的磷酸(以160g五氧化二磷与400g 85％磷酸制得)，搅拌升温至130℃下反应20min后，降至室温，将反应液倒入冰水中，并用甲苯萃取，所得有机相水洗至中性，无水MgSO4干燥后于旋转蒸发仪上浓缩至无溶剂流出，用20％乙酸乙酯：正己烷过硅胶柱，浓缩后得到6.2g化合物6，GC纯度＞95％，收率72％。
(7)
0℃下，5min内，向化合物6(1.931g，8.7mmol)的无水THF(25mL)溶液中滴加入2Mi-PrMgCl的THF(4.3mL，8.6mmol)溶液，将澄清溶液在0℃下再搅拌5min，并在5min内逐滴加入2.5M n-BuLi的己烷溶液(7.0mL，17.4mmol)，同时保持温度低于20℃，继续在该温度下搅拌0.5h，在10min内滴加化合物9(0.635g，8.7mmol)的无水DMF(5mL)溶液，将所得混合物在0.5h内升温至20℃，在20℃下搅拌混合物10分钟后，分离各相并将水相再用乙酸乙酯萃取一次，使所得悬浮液达到室温，并通过用10mL乙酸乙酯洗脱的0.5×1cm硅胶垫过滤。将滤液浓缩并通过硅胶上的灰色层析(洗脱液：石油醚/乙酸乙酯＝5:1)纯化残余物，得到化合物10，为白色固体，1.346g(产率：90％)。
(8)
向有氮气(5mL/min)保护的250mL三口烧瓶中搅拌下依次加入40mL甲苯、15mLTHF、5mL蒸馏水、1.346g化合物10、1.437g化合物11、1.12g磷酸钾、50mL二恶烷和0.2gNiCl2(dppp)，开启加热(平均加热速度2.5℃/min)，体系温度升至110℃，反应3h后每隔1h跟踪取样，当化合物11GC<5％时停止反应，反应总时间约为6h，得到3.077g化合物12，收率为93％。
(9)
在氮气(5mL/min)保护下，室温(25℃)下，将纯化的3.077g化合物12和少量的p-TSA晶体在甲苯(43mL)中溶解并且添加化合物13(2-丙基-1,3-丙二醇，10.7mL，120.5mmol)，然后将反应物加热回流2h，同时除去通过Dean-Stark蒸馏产生的水，将甲苯蒸发，所得产物通过二氧化硅过滤，用20％乙醚-石油醚洗脱，真空浓缩，得到化合物14(其核磁图谱如图1所示，测试仪器为Bruker,500MHz)2.487g，收率约64％。
实施例2
本实施例提供一种液晶化合物，其化学式为式中n＝3。
上述液晶化合物的制备包括：
在氩气保护下向250mL三口瓶中加入60mL无水四氢呋喃，6.2g(0.028mol)化合物6，112mL 0.5M丙基溴化锌(n＝3时)及(dppf)PdCl2·CH2Cl2催化剂930mg(1.14mmol)，搅拌升温至50℃反应0.5h后，降温，甲苯萃取后水洗，有机相无水MgSO4干燥后于旋转蒸发仪上浓缩至无溶剂流出，甲苯洗脱硅胶柱层析，最后得到3.9g化合物7，GC纯度＞95％，收率75％。
向1L三口瓶中加入500mL无水甲苯和2.8g(0.015mol)化合物7，搅拌至完全溶解后，加入101g(0.375mol)三溴化磷，搅拌下升温，100℃下保温反应1.5h，降至室温后加入500mL水，静置分层，水相用100mL甲苯萃取一次，合并两次有机相，无水MgSO4干燥后于旋转蒸发仪上浓缩至无溶剂流出，甲苯洗脱硅胶柱层析，最后得到2.6g化合物8，GC纯度＞95％，收率70％。
在氮气(5mL/min)保护下，向250mL三口烧瓶中搅拌下依次加入40mL甲苯、15mLTHF(化合物15：甲苯：THF＝1g：3.5mL：1.3mL)、5mL蒸馏水、14.3g化合物8、11.37g化合物15、11.2g碳酸钾、3.0gTBAB、0.2gPd(0)，开启加热(平均加热速度2.5℃/min)，当体系温度升至80℃后计时反应，反应4h后每隔1h跟踪取样，当化合物15GC<5％时停止反应，总反应时间约需8h。当体系温度降至20℃以下，在搅拌状态下向反应液中滴加10mL盐酸酸化，pH＝3，分液，水相使用50mL甲苯(化合物15:甲苯＝1g:4.4mL)萃取两次，25mL/次，合并有机相水洗至中性，静置30min分液，所得有机相加5g无水硫酸镁干燥(搅拌2min，静置5min)，过滤，滤饼用20mL甲苯(化合物15：甲苯＝1g：1.8ml)淋洗，合并有机相使用旋转蒸发仪(-0.08MPa，60℃～65℃)浓缩至无溶剂馏出，得褐色油状物15.4g，再将所得褐色油状物用高真空蒸馏装置蒸出前馏分化合物8掉溴至化合物8掉溴<5％(磨口温度40℃～60℃，100Pa)剩余未蒸出底物12g(QCP-22：GC＝70.2％，GC化合物8掉溴＝3.07％)。过柱除焦油，用240mL新正庚烷(1g产品：20mL正庚烷)室温溶解，装柱用12g硅胶(1g产品：1g硅胶，柱径15mm，柱高300mm，20℃，常压)柱前用50mL新正庚烷(1g产品：4mL正庚烷)淋洗，将过柱的主液与柱后淋洗液50mL新正庚烷(1g产品：4mL正庚烷)合并收集，浓缩(-0.08MPa，60℃～65℃)得9.6g产品，用10mL乙醇(1g产品:1mL乙醇)和5mL正庚烷(1g产品：0.5mL正庚烷)热溶解重结晶，待温度降至30℃以下放置冰箱约4h，搅拌状态下析出晶体，过滤得滤饼6.1g(湿重)，将重结晶溶剂比例改为1g产品：2mL乙醇和1g产品：0.5mL正庚烷重复上述重结晶步骤3次，至化合物16GC>98％(三次重结晶共用乙醇33mL，正庚烷8mL)得产品湿重4.6g，过滤，烘干(50℃，24h，-0.08MPa)得产品4g(其核磁图谱如图2所示，测试仪器为Bruker,500MHz)。
在以下实施例中，为书写简单采用缩写来表示各化合物的结构式，各化合物所含基团与缩写中代码对应关系如表1所示。
表1各化合物所含基团与缩写中代码对应关系
例如：
缩写为nCAYGUF，缩写为nDPYUQUm。
在以下实施例的性能测试中，各测试项目如表2所示。
表2性能测试具体项目
实施例3
本实施例提供了一种液晶组合物，其各组分及质量百分比如表3所示。
表3实施例3中液晶组合物的组成及性能测试
实施例4
本实施例提供了一种液晶组合物，其各组分及质量百分比如表4所示。
表4实施例4中液晶组合物的组成及性能测试
实施例5
本实施例提供了一种液晶组合物，其各组分及质量百分比如表5所示。
表5实施例5中液晶组合物的组成及性能测试
实施例6
本实施例提供了一种液晶组合物，其各组分及质量百分比如表6所示。
表6实施例6中液晶组合物的组成及性能测试
实施例7
本实施例提供了一种液晶组合物，其各组分及质量百分比如表7所示。
表7实施例7中液晶组合物的组成及性能测试
实施例8
本实施例提供了一种液晶组合物，其各组分及质量百分比如表8所示。
表8实施例8中液晶组合物的组成及性能测试
上述实施例中的液晶组合物具有较低的驱动电压，较高的清亮点以及较短的响应时间，适用于液晶显示器件中。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含有薁环的液晶化合物，其特征在于，所述液晶化合物具有式Ⅰ所示的结构：
式中：R1、R2各自独立地表示H、Cl、F、CN，
或C1-C12的烷基、C1-C12的烷氧基、C2-C12的烯基、C2-C12的烯氧基，且其中的一个或多个-CH2-可以各自独立地被-CH＝CH-、-C≡C-、-COO-、-OOC-、环丁基、-O-或-S-取代，且取代后的基团中杂原子彼此不直接连接，
上述基团中的一个或多个氢原子可以各自独立地被氟原子或氯原子取代；
Z1、Z2各自独立地表示单键、-CH2-CH2-、-C≡C-、-CH＝CH-、-O-、-CF2-CF2-、-CF2-CH2-、-CH2-CF2-、-CF＝CF-、-CH2-、-(CH2)3-、-(CH)4-、-OCH2-、-CF2O-或-CH2O-；
A1、A2各自独立地表示单键、
m、n各自独立地表示0、1、2、3或4，且1≤m+n≤4，其中，m或n大于1时，Z1、Z2、A1和A2可以为相同或不同的基团。
2.根据权利要求1所述的一种含有薁环的液晶化合物，其特征在于，R1为H、F、未取代或1-4个氢原子被氟原子取代后的C1-C5的烷基、未取代或1-4个氢原子被氟原子取代后的C2-C5的烯基；
R2为H、Cl、F、CN、OCF3、CF3、CH2F、CHF2、OCHF2、C1-C5的烷基、C1-C5的烷氧基、C2-C5的烯基或C2-C5的烯氧基。
3.根据权利要求1所述的一种含有薁环的液晶化合物，其特征在于，A1、A2各自独立地表示单键、
4.根据权利要求1所述的一种含有薁环的液晶化合物，其特征在于，Z1、Z2各自独立地表示单键、-CH2-、-CH2-CH2-、-(CH2)3-、-(CH2)4-、-CH＝CH-、-C≡C-、-OCH2-、-CH2O-或-CF2O-，优选为单键或-CF2O-。
5.根据权利要求1所述的一种含有薁环的液晶化合物，其特征在于，所述液晶化合物为式Ⅰ-1至式Ⅰ-28所示化合物中的一种：
其中，R1为H、F、未取代或1-4个氢原子被氟原子取代后的C1-C5的烷基、C2-C5的烯基；
R2为H、Cl、F、CN、OCF3、CF3、CH2F、CHF2、OCHF2、C1-C5的烷基、C1-C5的烷氧基、C2-C5的烯基或C2-C5的烯氧基；
(F)为H或F。
6.根据权利要求5所述的一种含有薁环的液晶化合物，其特征在于，R1为C1-C5的烷基；R2为F。
7.一种液晶组合物，其特征在于，包括一种或多种权利要求1-6任一项所述的液晶化合物。
8.根据权利要求7所述的液晶组合物，其特征在于，包括一种或多种式Ⅰ-2、Ⅰ-6、Ⅰ-7、Ⅰ-8、Ⅰ-19、Ⅰ-22所示的化合物，其中R1为C1-C5的烷基，R2为F。
9.根据权利要求7或8所述的液晶组合物，其特征在于，所述液晶化合物在所述液晶组合物中的质量百分比为1％～60％，优选5％～40％。
10.权利要求9所述的液晶组合物在显示元器件中的应用。
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