CN109181712B - 一种具有二氟甲醚桥键的苯并呋喃液晶化合物及其组合物 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于液晶材料技术领域,具体涉及一种具有二氟甲醚桥键的苯并呋喃液晶化合物,主要应用于液晶显示器。
背景技术
液晶显示器是利用液晶材料的光学各向异性和介电各向异性的特性来实现显示功能。按照其显示模式可分为扭曲向列式(TN)、超扭曲向列式(STN)、超扭曲向列式(STN)、动态散射模式(DSP)、薄膜晶体管驱动模式(TFT)等。TFT液晶显示可以实现全彩色、高分辨率、宽视角、快速响应等,已经得到广泛应用。
液晶材料是液晶显示器的关键光电子材料,对显示器的性能具有十分重要的影响。在实际应用中,由于任何单一组分液晶都不能满足显示的全部要求,因此需要开发性能各异的单体液晶,然后将多种液晶化合物按适当比例混合调配形成混合液晶,以求得到各种特殊参数的最佳配比来满足各种不同显示的要求。随着液晶显示技术的不断发展,人们对液晶材料的性能提出了更高的要求。在诸多液晶性能中,更低的驱动电压和更快的响应速度始终是高性能液晶材料追求的目标。研究发现,增大液晶材料的介电各向异性有利于降低驱动电压;提高液晶材料的双折射率有利于降低液晶显示器件的盒厚,从而大幅缩短响应时间。因此,研究开发具有大介电各向异性、高双折射率的新型液晶材料,对于改善液晶显示器的性能具有十分重要的意义。
苯并呋喃环是富电子的稠杂环,具有10个π电子,共轭度高,有利于提升液晶材料的双折射率。期刊J.Mater.Chem.,2001,11,2759–2772.报道了含有氰基的苯并呋喃液晶材料及其液晶相行为。然而含有氰基的液晶化合物,其电阻率往往较低,不适宜在TFT液晶显示中应用。专利CN103058968A和CN103102887A公开报道了含有-CF2O-桥键的苯并呋喃环液晶材料,该类液晶中苯并呋喃取代位主要为2,5-位,且苯并呋喃环上并无极性取代基。
专利DE19909760A1公开了苯并呋喃环液晶材料的结构,但公开的液晶分子液晶相区较窄,介电各向异性和双折射率值均较小。专利CN1506358A公开了具有苯并呋喃环的液晶化合物。该类液晶分子中苯并呋喃取代位主要为2,5-位,且苯并呋喃环上并无极性取代基,其介电各向异性值不大。专利CN108003895A和DE102004053279A1中分别公开了5,6-二氟取代和5,6,7-三氟取代苯并呋喃环的液晶材料,然而这类材料的介电各向异性值仍然处于中等水平。
发明内容
为了克服背景技术中存在的缺陷或不足,进一步改善液晶显示的驱动电压和响应速度,本发明提供一种具有二氟甲醚桥键的苯并呋喃液晶化合物。
为了实现上述任务,本发明采取如下的技术解决方案:
一种具有二氟甲醚桥键的苯并呋喃液晶化合物,其特征在于结构通式如(1)所示:
其中,R1为碳数1~9的直链烷基、烯基或烷氧基;环A为苯环、反式-环己烷,且苯环上氢原子可以被1个或多个氟原子所取代;n=0或1;X1~X5为氢原子或氟原子;以及含有该化合物的组合物。
根据本发明,所述的R优选为碳原子数为2~5的直链烷基;
根据本发明,优选的分子结构如(1)-1~(1)-18所示:
其中R为碳数2~5的直链烷基。
本发明还提供一种液晶组合物,采用结构通式(1)所示的液晶化合物,其质量比例为1%~30%wt,优选3%-20%wt,更优选5%-15%wt。其中通式(1)液晶化合物具体结构优选结构式(1)-1~(1)-18的化合物。
本发明所述的液晶组合物,还可以包含至少一种选自结构通式(2)所示的液晶化合物作为第二组分:
其中R2,R3为直链烷基、烷氧基、烯基、或含有烯键的烷基、F、Cl,环A、环B、环C为苯环或反式-环己烷,其中苯环可以被1个或多个氟原子取代,n=0,1。本发明第二组分质量比例为0-80%wt,优选10%-75%wt,更优选20%~72%wt。
其中通式(2)优选的具体结构如下:
其中(2)-1更优选以下结构:
其中(2)-2更优选以下具体化合物:
其中(2)-3更优选以下具体化合物:
其中(2)-4更优选以下具体化合物:
其中(2)-5更优选以下具体化合物:
本发明所述的液晶组合物,还可以包含至少一种选自结构通式(3)所示的液晶化合物作为第三组分:
其中R4为直链烷基、烯基、或含有烯键的烷基,环A、环B、环C为苯环或反式-环己烷,其中苯环可以被1个或多个氟原子取代;X6,X7=H,F;Y=F,Cl,OCF3,OCF2H,直链烷基或含有烯键的烷基等;Z=CF2O,CH2CH2,COO,单键等;n=0,1。本发明第三组分比例为0-70%wt,优选5%~55%wt,更优选10%-45%。
其中通式(3)优选以下具体结构:
其中(3)-1优选以下化合物:
其中(3)-2优选以下化合物:
其中(3)-3优选以下化合物:
其中(3)-4优选以下化合物:
其中(3)-5优选以下化合物:
其中(3)-6优选以下化合物:
其中(3)-7优选以下化合物:
其中(3)-8优选以下化合物:
其中(3)-9优选以下化合物:
其中(3)-10优选以下化合物:
其中(3)-11优选以下化合物:
其中(3)-12优选以下化合物:
其中(3)-13优选以下化合物:
其中(3)-14优选以下化合物:
其中(3)-15优选以下化合物:
其中(3)-16优选以下化合物:
本发明液晶组合物还可包含一种或多种手性添加剂,含量为0.01%~1%wt;优选0.1%~0.5%wt。所述的手性添加剂优选自以下结构:
本发明液晶组合物还可包含一种或多种受阻酚作为抗氧化稳定剂,含量为1ppm~10000ppm;优选10ppm~1000ppm。所述的抗氧化稳定剂优选自以下结构:
本发明液晶组合物还可包含一种或多种紫外光稳定剂,含量1ppm~10000ppm;优选10ppm~1000ppm。所述的抗氧化稳定剂优选自以下结构:
本发明还可包含一种或多种具有可聚合基团的液晶组分,含量1ppm~10000ppm;优选100ppm~1000ppm。所述可聚合液晶组分优选自以下结构:
本发明的优点:通过在5,6-二氟取代的苯并呋喃骨架液晶材料中引入具有大极性的-CF2O-桥键,进一步提升了液晶化合物的介电各向异性;同时该类化合物还具有较高的双折射率、较高的清亮点、较宽的向列相温度区间以及良好的光/热稳定性等优点,适合用于TFT液晶显示,特别是IPS、FFS、TN及VA等液晶显示模式。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
按照本发明的技术方案,本实施例给出一种具有二氟甲醚桥键的苯并呋喃的液晶化合物,结构通式如(1)所示:
其中,R1为碳数1~9的直链烷基、烯基或烷氧基;环A为苯环或反式-环己烷,且苯环上氢原子可以被1个或多个氟原子所取代;n=0或1;X1~X5为氢原子或氟原子。
上述具有二氟甲醚桥键的苯并呋喃液晶化合物,采用如下合成路线制备:
(1)中间体m1的合成:
(2)中间体m2的合成:
(3)目标化合物的合成:
上述含有的含氟芳基化合物及碘代苯酚均为市售产品,购自西安彩晶光电科技股份有限公司。
以下结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例中的GC表示气相色谱纯度(%),测试仪器:安捷伦公司的7890B型气相色谱分析仪;1H-NMR表示核磁共振氢谱,测试仪器:Bruker公司的Advanced500MHz核磁共振仪;GC-MS表示气质联用仪,测试仪器:安捷伦公司7000C型气质联用仪。
液晶化合物的物理性能测试方法如下:
(1)清亮点(Tni):偏光热台法:将液晶样品涂在载玻片上并置于正交偏光显微热台中,设置升温速率为2℃/min,观察液晶样品由亮态开始变黑时的温度,即为清亮点。或者采用差示扫描量热法:氮气气氛下,设置升温速率为3~5℃/min。
(2)双折射率(Δn):采用阿贝折光仪,25℃恒温条件下,分别测量寻常光(no)和非寻常光(ne)的折射率,双折射率Δn=ne-no。
(3)介电常数(Δε):采用电压保持率测试仪,25℃恒温条件下,通过测试液晶电容-电压(C-V)曲线。Δε=ε∥-ε⊥,即分子长轴方向介电常数(ε∥)与分子短轴方向介电常数(ε⊥)的差值。
(4)旋转粘度(γ1):采用液晶物理常数测试仪,25℃恒温条件下,通过对液晶测试盒施加电压,测试液晶分子随电场运动偏转的瞬态电流值Ip,计算得到旋转粘度γ1。
单体液晶的性能测试,将其溶解到基础配方(Host)中进行测试。单体的性能参数,如Δn和Δε通过外推得到。基础配方(Host)由如下结构式所示的三种液晶单体按照1:1:1质量比混合而成。
代号和说明:
其中液晶相变温度:Cr代表熔点,N代表向列相,I代表液态。
以下是发明人给出的具体实施例。
实施例1:
2-(4-((3,5-二氟-4'-丙基-4-联苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃的合成
具体结构如下:
制备过程如下:
(1)中间体4‐(二氟甲基溴)‐3,5‐二氟‐4'‐丙基‐1,1'‐联苯的合成
氮气保护下,向装有机械搅拌、温度计、恒压滴液漏斗、回流冷凝管、氮气导气管的250mL三口圆底烧瓶中加入3,5-二氟-4'-丙基-1,1'-联苯(34.8g,0.15mol)、干燥的THF(250mL),液氮降温至-78℃,开始滴加正丁基锂(79.1mL,0.19mol,2.4M的正己烷溶液),滴完后保温反应1h,滴加事先冷冻好的溶有二氟二溴甲烷(63g,0.3mol)的THF(50mL)溶液,滴完后继续保温反应1.5h,反应结束后逐渐升至室温,加水进行水解,分液,正庚烷萃取水相,水洗有机相至中性,无水硫酸镁干燥,抽滤,旋干溶剂得棕色油状液体粗品。将粗品进行减压蒸馏,得到无色透明油状液体产品27.3g,GC纯度86.9%,收率50%。
(2)中间体4-(5,6-二氟苯并呋喃-2-基)-3,5-二氟苯酚的合成
制备过程如下:
步骤1:5-苄氧基-1,3-二氟-2-碘苯的合成
向装有温度计、搅拌器、回流冷凝管的1L三口圆底烧瓶中加入3,5-二氟-4-碘苯酚(69.1g,0.27mol)、苄氯(37.6g,0.297mol)、DMF(350mL),搅拌溶解完全,加入无水碳酸钾(56.0g,0.4mol),加热至回流反应,TLC监测反应无原料剩余。降至室温,过滤除去不溶物,将滤液旋干,加入正庚烷溶解,水洗至中性,无水硫酸镁干燥,抽滤,旋干后得淡黄色油状液。用乙醇重结晶,得到67.2g白色晶体产品,GC纯度98%,收率72.7%。
步骤2:((4-(苄氧基)-2,6-二氟苯基)乙炔基)三甲基硅烷的合成
氮气保护下,向1L三口圆底烧瓶中依次加入5-苄氧基-1,3-二氟-2-碘苯(62.8g,0.18mol)、三苯基膦(0.713g,2.7mmol)、碘化亚铜(0.517g,2.7mmol)、双(三苯基磷)二氯化钯(0.634g,0.9mmol),三乙胺(600mL),升温至40℃时,滴加三甲基硅基乙炔(26.6g,0.27mol)的三乙胺溶液,滴加完毕后,保温反应4h后停止反应,降至室温,过滤,滤液旋干,加入正庚烷溶解有机物,水洗至中性,无水硫酸镁干燥,抽滤,滤液旋干得到黄色油状液体。粗品进行柱层析纯化后得到40.3g白色晶体产品,GC纯度99.3%,收率70.4%。
步骤3:5-(苄氧基)-2-乙炔基-1,3-二氟苯的合成
氮气保护下,将上步得到的产品(40.3g,0.127mol)加入1L反应瓶中,加入氢氧化钾(0.7g,0.0125mol),无水乙醇(600mL)、THF(200mL),室温下搅拌反应1~2h,停止反应,加入甲苯溶解有机物,水洗至中性,无水硫酸镁干燥,抽滤,旋干后得31.0g黄色油状液体产品,GC纯度94.9%,收率99%。
步骤4:2-(4-(苄氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃的合成
氮气保护下,向500mL三口圆底烧瓶中依次加入化合物5-(苄氧基)-2-乙炔基-1,3-二氟苯(19g,0.078mol)、4,5-二氟-2-碘苯酚(20.0g,0.078mol)、三苯基膦(0.61g,2.3mmol)、碘化亚铜(0.45g,2.3mmol)、双(三苯基磷)二氯化钯(0.55g,0.78mmol),DMF(320mL),室温搅拌反应1h后,升温至65℃继续反应4~6h。降至室温,过滤,滤液旋干,加入甲苯溶解有机物,饱和氯化铵水溶液洗、水洗至中性,无水硫酸镁干燥,抽滤,旋干,以V(正庚烷)/V(甲苯)=9/1的混合溶剂为洗脱剂,柱层析分离纯化,洗脱液旋蒸后用乙醇和甲苯的混合溶剂进行重结晶,得到13.1g白色晶体产品,GC纯度99.4%,收率45.3%。
步骤5:4-(5,6-二氟苯并呋喃-2-基)-3,5-二氟苯酚的合成
在500mL单口圆底烧瓶中加入化合物2-(4-(苄氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃(13.1g,0.035mol)、THF(200mL),搅拌溶解完全,加入5%钯碳(1.3g),氢气置换反应体系3~4次,常温常压下加氢8h。反应结束后,滤除钯碳,溶剂旋蒸后得到白色固体产品9.7g,GC纯度98.2%,收率97.4%。
(3)目标化合物2-(4-((3,5-二氟-4'-丙基-4-联苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃的合成
氮气保护下,在250mL三口圆底烧瓶中,依次加入4-(5,6-二氟苯并呋喃-2-基)-3,5-二氟苯酚(3g,10.6mmol)、4‐(二氟甲基溴)‐3,5‐二氟‐4'‐丙基‐1,1'‐联苯(4.4g,12.2mmol)、无水碳酸钾(3g,21.7mmol)、碘化钾(0.09g,0.53mmol)、DMF(100mL),搅拌加热至120℃反应2~3h,TLC监测反应。反应结束后,降至室温,过滤固体,滤液旋干,加入甲苯溶解有机物,水洗至中性,无水硫酸镁干燥,抽滤,减压蒸馏移除溶剂,得到橙黄色固体粗品。粗品用V(正庚烷)/V(甲苯)=4/1的混合溶液洗脱,进行柱层析纯化,收集洗脱液并旋干溶剂,用乙醇和甲苯的混合溶剂重结晶2~3次得到白色晶体产品2.8g,GC纯度99.5%,收率47%。
结构鉴定数据:1H NMR(δ,CDCl3):7.497~7.481(m,2H),7.402~7.361(m,2H),7.300~7.285(m,2H),7.229~7.207(m,2H),7.107(s,1H),7.036~7.018(d,2H,J=9Hz),2.662~2.632(t,2H,J=7.5Hz),1.720~1.660(m,2H),0.986~0.957(t,3H,J=7.5Hz);MS(70eV)m/z(%):280.9(100),251.9(27.56),562(M+,6.46),252.9(5.37)。
以上结构鉴定数据表明所合成出的化合物确实是化合物2-(4-((3,5-二氟-4'-丙基-4-联苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃。用DSC以5℃/min的条件升温测试该化合物的相变温度,结果为:Cr 120.91N 203.00I。
将单体液晶按照3%的质量比例溶于基础配方中形成混合液晶,25℃下测试配方的物理性能,外推得到单体液晶的性能参数为:Δn=0.2422;Δε=32.2。
实施例2:
2-(4-((2,6-二氟-4-丙基苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃的合成
具体结构如下:
制备过程如下:
(1)中间体2-(二氟溴甲基)-1,3-二氟-5-丙基苯的合成
采用1,3-二氟-5-丙基苯代替实施例1中间体4‐(二氟甲基溴)‐3,5‐二氟‐4'‐丙基‐1,1'‐联苯合成步骤中的3,5-二氟-4'-丙基-1,1'-联苯,按照同样的方法合成出化合物2-(二氟溴甲基)-1,3-二氟-5-丙基苯。
(2)中间体4-(5,6-二氟苯并呋喃-2-基)-3,5-二氟苯酚的合成
实验同实施例1。
(3)目标化合物2-(4-((2,6-二氟-4-丙基苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃的合成
采用2-(二氟溴甲基)-1,3-二氟-5-丙基苯代替实施例1化合物2-(4-((3,5-二氟-4'-丙基-4-联苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃的合成步骤中的4-(二氟溴甲基)-3,5-二氟-4’-丙基-1,1’-联苯,按照同样的方法合成出目标化合物2-(4-((2,6-二氟-4-丙基苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃。
结构鉴定数据:1H NMR(δ,CDCl3):7.375~7.360(m,2H),7.099(s,1H),7.007~6.986(d,2H,J=10.5Hz),6.830~6.808(d,2H,J=11Hz),2.622~2.593(t,2H,J=8Hz),1.697~1.624(m,2H),0.974~0.945(t,3H,J=7.5Hz);MS(70eV)m/z(%):205.1(100),486.2(M+,20.16),163(13.57),206.1(13.41),176(9.14)。
以上结构鉴定数据表明所合成出的化合物确实是2-(4-((2,6-二氟-4-丙基苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃。用DSC以5℃/min的条件升温测试该化合物的相变温度,结果为:Cr 123.54I。
将单体液晶按照3%的质量比例溶于基础配方中进行物理性能测试,外推得到性能参数为:Δn=0.1922;Δε=30.2。
实施例3:
2-(4-((2,6-二氟-4-(4-丙基环己基)苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃的合成
具体结构如下:
制备过程如下:
(1)中间体2-(二氟溴甲基)-1,3-二氟-5-(4-丙基环己基)苯的合成
采用1,3-二氟-5-(4-丙基环己基)苯代替实施例1中间体4‐(二氟甲基溴)‐3,5‐二氟‐4'‐丙基‐1,1'‐联苯合成步骤中的3,5-二氟-4'-丙基-1,1'-联苯,按照同样的方法合成出化合物2-(二氟溴甲基)-1,3-二氟-5-(4-丙基环己基)苯。
(2)中间体4-(5,6-二氟苯并呋喃-2-基)-3,5-二氟苯酚的合成
实验同实施例1。
(3)目标化合物2-(4-((2,6-二氟-4-(4-丙基环己基)苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃的合成
采用2-(二氟溴甲基)-1,3-二氟-5-(4-丙基环己基)苯代替实施例1化合物2-(4-((3,5-二氟-4'-丙基-4-联苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃的合成步骤中的4-(二氟溴甲基)-3,5-二氟-4’-丙基-1,1'-联苯,按照同样的方法合成出化合物2-(4-((2,6-二氟-4-(4-丙基环己基)苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃。
结构鉴定数据:1H NMR(δ,CDCl3):7.401~7.358(m,2H),7.101(s,1H),7.006~6.988(m,2H),6.856~6.835(d,2H,J=10.5Hz),2.505~2.461(m,1H),1.900~1.878(m,4H),1.431~1.308(m,5H),1.237~1.178(m,2H),1.075~1.000(m,2H),0.917~0.888(t,3H,J=7.5Hz);MS(70eV)m/z(%):287.2(100),163(41.53),288.1(18.58),568.5(M+,16.29),189(13.99)。
以上结构鉴定数据表明所合成出的化合物确实是2-(4-((2,6-二氟-4-(4-丙基环己基)苯基)二氟甲氧基)-2,6-二氟苯基)-5,6-二氟苯并呋喃。用DSC以5℃/min的条件升温测试该化合物的相变温度,结果为:Cr 123.19N 205.04I。
将单体液晶按照3%的质量比例溶于基础配方中进行物理性能测试,外推得到性能参数为:Δn=0.2189;Δε=26.8。
实施例4:
2-(4-((2,6-二氟-4-丙基苯基)二氟甲氧基)苯基)-5,6-二氟苯并呋喃的合成
具体结构如下:
制备过程如下:
(1)中间体2-(二氟溴甲基)-1,3-二氟-5-丙基苯的合成
实验同实施例1。
(2)中间体4-(5,6-二氟苯并呋喃-2-基)苯酚的合成
按照实施例1中间体4-(5,6-二氟苯并呋喃-2-基)-3,5-二氟苯酚的合成步骤,将步骤1中的3,5-二氟-4-碘苯酚替换为4-碘苯酚,产物依次向下投料反应,同样方法合成得到中间体4-(5,6-二氟苯并呋喃-2-基)苯酚。
(3)目标化合物2-(4-((2,6-二氟-4-丙基苯基)二氟甲氧基)苯基)-5,6-二氟苯并呋喃的合成
采用2-(二氟溴甲基)-1,3-二氟-5-丙基苯替代实施例1步骤7中的4-(二氟溴甲基)-3,5-二氟-4’-丙基-1,1’-联苯,用4-(5,6-二氟苯并呋喃-2-基)-苯酚替代4-(5,6-二氟苯并呋喃-2-基)-3,5-二氟苯酚,按照同样方法合成出化合物2-(4-((2,6-二氟-4-丙基苯基)二氟甲氧基)苯基)-5,6-二氟苯并呋喃。
结构鉴定数据:1H NMR(δ,CDCl3):7.800~7.782(m,2H),7.355~7.309(m,4H),6.924(s,1H),6.804~6.791(d,2H,J=10.4Hz),2.601~2.581(t,2H,J=8Hz),1.671~1.625(m,2H),0.958~0.939(t,3H,J=7.2Hz);MS(70eV)m/z(%):205.1(100),450.1(M+,22.43),163(19.18),206.1(12.61),176(11.14)。
以上结构鉴定数据表明所合成出的化合物确实是2-(4-((2,6-二氟-4-丙基苯基)二氟甲氧基)苯基)-5,6-二氟苯并呋喃。用DSC以5℃/min的条件升温测试该化合物的相变温度,结果为:Cr 91.00(N 81.71)I。
将单体液晶按照3%的质量比例溶于基础配方中进行物理性能测试,外推得到性能参数为:Δn=0.2256;Δε=21.4。
组合物实施例1
组分如下表所示。
组合物实施例2
组分如下表所示。
Claims (5)
2.根据权利要求1所述液晶化合物,其特征在于n=0,且X1、X2其中至少一个为氟原子。
3.根据权利要求1所述液晶化合物,其特征在于n=1,环A为反式-环己烷,且X1、X2其中至少一个为氟原子。
4.根据权利要求1所述液晶化合物,其特征在于n=1,环A为苯环,且X1、X2其中至少一个为氟原子。
5.一种液晶组合物,其特征在于包含质量百分含量为1%~30%的结构通式如权利要求1中 式 (1) 所示的化合物作为第一组分。
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