CN109207160A - 一种负介电各向异性的液晶化合物及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液晶领域，具体涉及一种新型二苯并呋喃类负介电各向异性化合物及其制备方法与应用，所述液晶化合物具有通式(I)所示的结构，其中，R表示具有1‑12个碳原子的烷基或烷氧基。本发明所提供的液晶化合物，化学主体结构为二苯并呋喃，此类结构本身介电各向异性较大，本发明所提供的液晶化合物具有极高的负介电各向异性、更高的清亮点、相对更低的旋转粘度以及良好的液晶互溶性等优点。使用了所述液晶化合物的组合物能够有效降低驱动电压，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。

Description

一种负介电各向异性的液晶化合物及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于液晶化合物及其应用领域，具体涉及一种新型二苯并呋喃类负介电各向异性化合物及其制备方法与应用。
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)模式，FFS(Fringe Field 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。对于动态画面显示应用，为了实现高品质显示，消除显示画面残影和拖尾，要求液晶材料具有很快的响应速度，因此要求液晶材料具有尽量低的旋转粘度γ1。另外，为了降低液晶显示器件的能耗，需要液晶的驱动电压尽量低，因此要求提高液晶的介电各向异性△ε。
液晶材料作为液晶显示器件的核心功能材料，为满足液晶显示器件的各种性能参数的要求，适应液晶显示器件的工艺要求，需要液晶材料具有广泛的多种性能参数，尤其是降低液晶材料旋转粘度γ1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二苯并呋喃类负介电各向异性的液晶化合物，以改善现有液晶材料的不足，提升此类液晶化合物的应用价值。
本发明所述的液晶化合物，具有通式I所示结构：
所述通式I中，R表示具有1-12个碳原子的烷基或烷氧基。
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，尤其是1-5个碳原子烷氧基。
更优选地，本发明所述液晶化合物选自如下化合物的一种或几种：
上述化合物具有极高的负介电各向异性、较高的清亮点、相对更低的旋转粘度以及良好的液晶互溶性等优点，可广泛应用于液晶显示领域。
本发明的第二目的是提供上述液晶化合物的制备方法。
本发明所述的液晶化合物合成路线如下所示：
具体包括以下步骤：
(1)与通过Williamson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，在钯催化剂存在下，通过Suzuki反应，得到
(6)在碱催化下进行关环，得到通式I所示的化合物
其中，X代表Cl、Br或I，各步骤所涉及化合物中的R与所得液晶化合物产物中R代表的基团相对应。
优选地，所述步骤1)在碱存在下进行，所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠的一种或几种；
本步骤的理想反应温度在30～150℃。
优选地，所述步骤2)中，有机锂试剂与硼酸酯的投料摩尔比为1∶0.9～1.8∶1.0～2.0；
其中，所述有机锂试剂可选自正丁基锂、仲丁基锂、叔丁基锂或甲基锂中的一种或几种，和/或，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。
本步骤的理想反应温度为-60～-100℃；
优选地，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；
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。
本步骤的理想反应温度为-50～-100℃。
优选地，所述步骤4)中，与氧化剂的投料摩尔比为1∶1.0～4.0；
所述氧化剂优选为双氧水；
本步骤的理想反应温度为40～100℃。
优选地，所述步骤5)中，与的投料摩尔比为1∶0.9～1.5；
优选地，所述钯催化剂选自四三苯基膦钯、钯碳、氯化钯、醋酸钯、三(二亚苄基丙酮)二钯、二氯二四三苯基膦钯、[1,1'-双(二苯基磷)二茂铁]二氯化钯中的一种或几种。
本步骤的理想反应温度为60～150℃。
优选地，所述步骤6)中，与碱的投料摩尔比为1∶1.0～4.0；
所述“碱”可选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、叔丁醇钠或叔丁醇钾中的一种或几种，优选叔丁醇钾和/或碳酸钾。
本步骤的理想反应温度为80～150℃。
上述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。
本发明所提供的液晶化合物，化学主体结构为二苯并呋喃，此类结构本身介电各向异性较大，本发明所提供的液晶化合物在分子结构中引入环丙基甲醚基团，同时在二苯并呋喃苯基4位、6位引入氟原子，形成强大的协同作用，使液晶化合物的负介电各向异性极高，且同时具有更高的清亮点，较低的旋转粘度和液晶互溶性，低温工作效果表现优秀，良好的热稳定性、化学稳定性、光学稳定性及力学等方面的性能；而且，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，更高的清亮点，相对较低的旋转粘度，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：
△n代表光学各向异性(25℃)；△ε代表介电各向异性(25℃，1000Hz)；Cp代表清亮点。
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65.0g2,3-二氟苯酚，300ml丙酮，63.6g无水碳酸钠，控温50-55℃，滴加74.3g环丙基甲基溴，回流反应5小时。进行常规后处理，减压蒸馏得到无色透明液体(化合物BYLC-01-1)87.4g，GC：99.2％，收率95％；
(2)化合物BYLC-01-2的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入73.6g化合物BYLC-01-1，600ml四氢呋喃，控温-70～-80℃滴加0.5mol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62.4g硼酸三异丙酯，然后自然回温至-30℃。加入2M盐酸水溶液500ml进行酸化，进行常规后处理，石油醚重结晶得到白色固体(化合物BYLC-01-2)61.1g，HPLC：98.9％，收率67％；
(3)化合物BYLC-01-3的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入32.8g 3-氟-4-乙氧基溴苯和300ml四氢呋喃，控温-60～-70℃滴加0.18mol二异丙胺基锂的四氢呋喃溶液，滴毕保温反应2小时，控温-70～-80℃滴加26.0g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，得到黄色液体(化合物BYLC-01-3)39.3g，HPLC：81.2％；
(4)化合物BYLC-01-4的合成：
向反应瓶中加入39.3g化合物BYLC-01-3和80ml四氢呋喃，回流下滴加51.0g双氧水(30％浓度)，滴毕回流反应3小时。进行常规后处理，得到红棕色液体(化合物BYLC-01-4)33.0g，GC：84.3％，收率94％；
(5)化合物BYLC-01-5的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入22.8g化合物BYLC-01-2，23.5g化合物BYLC-01-4，100ml甲苯，100ml去离子水，100ml乙醇，27.6g无水碳酸钾，0.2g醋酸钯，加热回流反应10小时。进行常规后处理，经色谱纯化，得到白色固体(化合物BYLC-01-5)20.6g，GC：94.7％，收率：61％。
(6)化合物BYLC-01的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入16.9g化合物BYLC-01-5，100mlN,N-二甲基甲酰胺，13.8g无水碳酸钾，控温130-140℃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-01)11.3g，GC：99.8％，收率：71％。
化合物BYLC-01的结构表征信息如下：
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(400MHz,CDCl3):7.53–7.33(m,2H),7.04–6.84(m,2H),4.06–3.87(m,4H),1.60-1.19(m,3H)，0.76-0.32(m,5H)。
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：
其反应历程如下：
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34.9g 3-氟-4-丙氧基溴苯和300ml四氢呋喃，控温-60～-70℃滴加0.18mol二异丙胺基锂的四氢呋喃溶液，滴毕保温反应2小时，控温-70～-80℃滴加26.0g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，得到黄色液体(化合物BYLC-02-1)41.4g，HPLC：83.9％；
(2)化合物BYLC-02-2的合成：
向反应瓶中加入41.4g化合物BYLC-02-1和80ml四氢呋喃，回流下滴加51.0g双氧水(30％浓度)，滴毕回流反应3小时。进行常规后处理，得到红棕色液体(化合物BYLC-02-2)34.2g，GC：82.5％，收率92％；
(3)化合物BYLC-02-3的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入22.8g化合物BYLC-01-2，24.8g化合物BYLC-02-2，100ml甲苯，100ml去离子水，100ml乙醇，27.6g无水碳酸钾，0.2g醋酸钯，加热回流反应10小时。进行常规后处理，经色谱纯化，得到白色固体(化合物BYLC-02-3)20.7g，GC：98.9％，收率：59％。
(6)化合物BYLC-02的合成：
氮气保护下，向反应瓶中加入20.7g化合物BYLC-02-3，100mlN,N-二甲基甲酰胺，16.2g无水碳酸钾，控温130-140℃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-02)13.6g，GC：99.5％，收率：70％。
化合物BYLC-02的结构表征信息如下：
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-02进行分析，产物的m/z为332.1(M+)；
1H-NMR(400MHz,CDCl3):7.53–7.33(m,2H),7.06–6.83(m,2H),4.05–3.85(m,4H),1.61-0.95(m,5H)，0.76-0.32(m,5H)。
实施例3-5
依据实施例1、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，可以依次合成以下液晶化合物(分别为实施例3-5)。
实验例1
将实施例1所制得4、5所制得的两种化合物与对比例1(已知结构相近常见的另一类似液晶化合物)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
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化合物相比，本发明提供的液晶化合物具有极高的负介电各向异性△ε，更高的清亮点，和液晶互溶性，低温工作效果表现优秀，有效提高液晶组合物的负介电各向异性，改善响应时间，提高液晶组合物的工作温度。
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)

1.一种负介电各向异性的液晶化合物，其特征在于，具有如下通式(I)所示的结构：
所述通式(I)中，R表示具有1-12个碳原子的烷基或烷氧基。
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。
3.根据权利要求1所述的液晶化合物，其特征在于，所述通式(I)的化合物以下结构中的一种或多种：
4.一种制备权利要求1-3任一项所述液晶化合物的方法，其特征在于，合成路线如下：
具体包括以下步骤：
(1)与通过Williamson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)以为原料，在钯催化剂存在下，通过Suzuki反应，得到
(6)在碱催化下进行关环，得到通式I所示的化合物
其中，X代表Cl、Br或I，各步骤所涉及化合物中的R的指代同权利要求1-3任一项所述。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，有机锂试剂与硼酸酯的投料摩尔比为1∶0.9～1.8∶1.0～2.0；
优选所述有机锂试剂选自正丁基锂、仲丁基锂、叔丁基锂或甲基锂中的一种或几种，和/或，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。
6.根据权利要求4-5任一项所述的方法，其特征在于，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，和/或，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。
7.根据权利要求4-6任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中， 的投料摩尔比为1∶0.9～1.5；
优选所述钯催化剂选自四三苯基膦钯、钯碳、氯化钯、醋酸钯、三(二亚苄基丙酮)二钯、二氯二四三苯基膦钯、[1,1'-双(二苯基磷)二茂铁]二氯化钯中的一种或几种。
8.根据权利要求4-7任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中，与碱的投料摩尔比为1∶1.0～4.0；
优选所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、叔丁醇钠或叔丁醇钾中的一种或几种，更优选叔丁醇钾和/或碳酸钾。
9.含有权利要求1-3任一项所述液晶化合物的液晶组合物，优选所述液晶化合物在所述液晶组合物中的质量百分比含量为1～60％，优选为3～50％，更优选为5～25％。
10.权利要求1-3任一项所述液晶化合物或权利要求9所述液晶组合物在液晶显示装置上的应用；优选在TN、ADS、VA、PSVA、FFS或IPS液晶显示器上的应用。
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