CN111073663A - 一种新型自配向添加剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型自配向添加剂,其结构式为:
Description
技术领域
本发明属于液晶材料技术领域,涉及一种新型自配向添加剂及其制备方法,在不含常规聚酰亚胺取向层的情况下,实现液晶介质的垂直取向。
背景技术
近年来,液晶显示装置被广泛应用于各种电子设备,如智能手机、平板电脑、汽车导航仪、电视机等。代表性的液晶显示模式有扭曲向列(TN)型、超扭曲向列(STN)型、面内切换(IPS)型、边缘场切换(FFS)型及垂直取向(VA)型。其中,VA模式由于具有快速的下降时间、高对比度、广视角和高质量的图像,而受到越来越多的关注。
在常规的VA显示器中,玻璃基板制成电极后,其表面需涂有一层聚酰亚胺(PI)取向膜,以实现液晶分子的垂直取向。但该方法存在着明显的不足:PI取向膜的涂敷过程繁琐,耗时较长,大大增加了生产成本。摩擦配向型PI取向膜在摩擦制备过程中会产生粉尘及静电,影响液晶介质的性能,甚至在摩擦工序中会损坏液晶显示元件;光配向型PI取向材料虽然避免了上述缺陷,但其对液晶分子的锚固能力较弱,且受自身材料性能的制约,其应用也受到了限制。因此,一种在不存在PI取向膜的情况下,能够实现液晶分子垂直取向的垂直自配向 (self-alignment for vertical alignment,SAVA)技术便应运而生。
为实现液晶介质的垂直自配向,需要在混晶介质中加入一定量的自配向添加剂。因此,为了SAVA技术的提高和改进,新型结构的自配向添加剂的合成及结构-性能关系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可作为SAVA技术自配向添加剂的化合物,该化合物通过 -OH与基板表面的相互作用,在不含PI取向膜的情况下可实现液晶分子的垂直取向。本发明所述的自配向添加剂,具有如下结构:
其中,P表示丙烯酸酯基、甲基丙烯酸酯基,氟代丙烯酸酯基、氯代丙烯酸酯基、乙烯氧基、氧杂环丁烷基或环氧基;
Z表示单键、-O-、-S-、-CO-、-CO-O-、-O-CO-、-O-CO-O-、-CH=N-、-N=CH-、-N=N-、-C≡C-、C1-C12的亚烷基、C1-C12的烷氧基或C2-C12的烯基,其中所述C1-C12的亚烷基或C2- C12的烯基中的一个或多个氢原子可彼此独立地被F、Cl或CN取代,并且一个或多个不相邻的-CH2-基团可以彼此独立地被-O-、-S-、-NH-、-CO-、COO-、-OCO-、-OCOO-、-SCO-、 -COS-或烯键以不相互直接相连的方式代替;
所述L1、L2、L3彼此独立地表示-F、-Cl、-CN、-NO2、-CH3、-C2H5、-C(CH3)3、-CH(CH3)2、-CH2CH(CH3)C2H5、-OCH3、-OC2H5、-COCH3、-COC2H5、-COOCH3、-COOC2H5、-CF3、 -OCF3、-OCHF2或-OC2F5;
r1、r2、r3各自独立地表示0、1、2、3或4;
R表示0~10个碳原子的烷基;
m表示0、1或2;
n表示1、2、3、4或5。优选地,在通式I中,P表示丙烯酸酯基或甲基丙烯酸酯基;
Z表示单键,-O-,C1-C5的烷基或烷氧基;
L1、L2、L3彼此独立地表示-F、-Cl、-CH3、-OCH3、-C2H5或-OC2H5;
r1、r2、r3各自独立地表示0、1、2、3或4;
R表示0~10个碳原子的烷基;
m表示0、1或2;
n表示1、2、3、4或5。
进一步优选地,在通式I中,P表示丙烯酸酯基或甲基丙烯酸酯基;
Z表示单键,-O-,C1-C5的烷基或烷氧基;
r1、r2、r3各自独立地表示0、1或2;
R表示0~10个碳原子的烷基;
L1、L2、L3彼此独立地表示-F、-Cl、-CH3、-OCH3、-C2H5或-OC2H5;
m表示0、1或2;
n表示1、2、3、4或5。
更优选的,P丙烯酸酯基或甲基丙烯酸酯基;更优选的,n为2,R表示3个碳原子的烷基;
更优选的,Z为甲基、甲氧基或单键
更优选的,m表示0、1或2。
更优选的,L2为F、-CH3、-OCF3 r2为0、1或2;
更优选的,L3为F r3为1。
优选的,所述添加剂选自如下化合物中的一种:
更优选的,所述添加剂选自如下化合物中的一种:
优选的,上述结构中,P为丙烯酸酯基或甲基丙烯酸酯基;Z为甲基、甲氧基或单键;n为2,R表示3个碳原子的烷基。
进一步优选地,选自如下化合物中的一种或多种:
更优选的,选自如下化合物中的一种,
本发明的第二目的是提供所述液晶化合物的制备方法。
合成路线如下:
具体包括以下步骤:
优选的,Z表示单键、-O-、-S-、-CO-、-CO-O-、-O-CO-、-O-CO-O-、-CH=N-、-N=CH-、-N=N-、-C≡C-、C1-C12的亚烷基或C2-C12的烯基,其中所述C1-C12的亚烷基或C2-C12的烯基中的一个或多个氢原子可彼此独立地被F、Cl或CN取代,并且一个或多个不相邻的-CH2- 基团可以彼此独立地被-O-、-S-、-NH-、-CO-、COO-、-OCO-、-OCOO-、-SCO-、-COS- 或烯键以不相互直接相连的方式代替;
所述L1、L2、L3彼此独立地表示-F、-Cl、-CN、-NO2、-CH3、-C2H5、-C(CH3)3、-CH(CH3)2、-CH2CH(CH3)C2H5、-OCH3、-OC2H5、-COCH3、-COC2H5、-COOCH3、-COOC2H5、-CF3、 -OCF3、-OCHF2或-OC2F5;
r1、r2、r3各自独立地表示0、1、2、3或4;
R表示0~10个碳原子的烷基;
m表示0、1或2;
n表示1、2、3、4或5;
R0代表H或-CH3。
优选地,反应温度可-50~-100℃;
优选地,反应温度可在60~140℃;
优选地,反应温度可在20~40℃;
优选地,反应温度可在60~140℃;
优选地,反应温度可在80~120℃;
优选地,反应温度可在40~80℃;
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化合物。
本发明的第三目的是保护含有所述该化合物的组合物。所述化合物在组合物中的质量百分比为0.01~15%,优选为0.1~10%,进一步优选为0.1~5%。
本发明的第四目的是保护所述化合物以及含有所述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VA、TN、STN、 FFS或IPS液晶显示器。
本发明具有如下有益效果:
1)向液晶组合物中添加本发明所述的添加剂,能够实现在不含聚酰亚胺取向层的情况下,液晶分子的垂直自配向。液晶化合物的负介电各向异性极高,且同时具有比较高的清亮点,比较高的光学各向异性,适中的旋转粘度和液晶互溶性,且其低温工作效果表现优秀,具有良好的热稳定性、化学稳定性、光学稳定性及力学等的性能;进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。
2)而且本发明的化合物价格低廉、性能稳定,可广泛用于液晶显示领域,具有重要的应用价值。
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);ε||代表平行分子轴方向的介电常数(25℃,1000Hz);Cp代表清亮点;K代表弹性常数(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45g(0.288mol),150ml四氢呋喃,控温-70~-80℃滴加0.35mol正丁基锂的正己烷溶液,滴毕控温反应1小时,控温-60~-70℃滴加43.7g硼酸三甲酯(0.41mol),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,石油醚重结晶得到浅黄色固体(化合物BYLC-01-1,0.272mol)54.3g, HPLC:99.7%,收率:94.3%。
(2)化合物BYLC-01-2的合成:
氮气保护下,向反应瓶中加入54.3g化合物BYLC-01-1(0.272mol),59.8g化合物(0.272mol),200ml N,N-二甲基甲酰胺,100ml去离子水,72.8g无水碳酸钾(0.53mol),0.5g四三苯基膦钯,加热至70℃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-01-2,0.209mol)51.9g,GC:99.7%,收率:76.9%。
(3)化合物BYLC-01-3的合成:
氮气保护下,向反应瓶中加入51.9g化合物BYLC-01-2(0.209mol),81.5g化合物(0.209mol),0.4g三苯基膦,100mlDEAD,室温反应2h。进行常规后处理,经色谱纯化,正庚烷洗脱,甲苯+正庚烷(1:3)重结晶得到白色固体(化合物BYLC- 01-3,0.206mol)127.5g,GC:99.6%,收率:98.4%。
(4)化合物BYLC-01-4的合成:
氮气保护下,向反应瓶中加入12.8g化合物B(OH)3(0.206mol),127.5g化合物(0.206mol),200ml N,N-二甲基甲酰胺,100ml去离子水,51.9g无水碳酸钾(0.38mol),0.3g四三苯基膦钯,加热至70℃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-01-4,0.162mol) 90.6g,GC:99.8%,收率:78.8%。
(5)化合物BYLC-01-5的合成:
室温下向反应瓶中加入90.6g化合物BYLC-01-4(0.162mol),13.9g化合物 (0.162mol),300mlDCM,搅拌下加入1.5g DMAP。降温,控温0~10℃,滴加45gDCC+100ml DCM,室温搅拌下反应过夜。进行常规后处理,经色谱纯化,正己烷洗脱,乙腈重结晶得到白色固体(化合物BYLC-01-5,0.151mol)94.8g,GC:99.7%,收率:93.4%。
(6)化合物BYLC-01的合成:
氮气保护下,向反应瓶中加入94.8g化合物BYLC-01-5(0.151mol),11.5g碳酸铵,200ml 去离子水,控温70~80℃,反应2h。加入甲苯分层,萃取。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-01,0.133mol)52.8g,GC:99.9%,收率:87.9%。
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-01进行分析,产物的m/z为398.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,3H),3.35-4.15(m,6H),5.45- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,8H)。
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:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-02进行分析,产物的m/z为384.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,2H),3.35-4.15(m,6H),5.45-6.26 (m,3H),6.35-7.55(m,8H)。
实施例3
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-03进行分析,产物的m/z为412.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,5H),3.35-4.15(m,6H),5.35-6.26 (m,3H),6.35-7.55(m,9H)。
实施例4
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-04进行分析,产物的m/z为428.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,5H),3.35-4.15(m,6H),5.35-6.26 (m,2H),6.35-7.55(m,10H)。
实施例5
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-05进行分析,产物的m/z为416.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,2H),3.35-4.15(m,6H),5.45- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,8H)。
实施例6
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-06进行分析,产物的m/z为412.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,5H),3.35-4.15(m,6H),5.45- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,8H)。
实施例7
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-07进行分析,产物的m/z为428.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,5H),3.35-4.15(m,6H),5.45- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,8H)。
实施例8
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-08行分析,产物的m/z为434(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,3),3.35-4.15(m,4),5.45- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,8H)。
实施例9
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-09行分析,产物的m/z为416.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,3),3.35-4.15(m,5),5.45- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,8H)。
实施例10
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-10析,产物的m/z为471(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,5H),3.35-4.15(m,6H),5.45- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,12H)。
实施例11
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-11进行分析,产物的m/z为460.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,2H),3.35-4.15(m,4H),5.45-6.26 (m,3H),6.35-7.55(m,8H)。
实施例12
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-12进行分析,产物的m/z为510.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,3H),3.35-4.15(m,6H),5.45- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,12H)。
实施例13
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-13进行分析,产物的m/z为480.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.65(m,9H),1.85-2.65(m,7H),3.35-4.15(m,10H),5.45- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,12H)。
实施例14
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-14进行分析,产物的m/z为548.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.64(m,9H),1.65-2.65(m,5H),3.35-4.75(m,8H),4.85- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,16H)。
实施例15
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-15进行分析,产物的m/z为554.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.64(m,9H),1.65-2.65(m,9H),3.35-4.75(m,10H),4.85- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,16H)。
实施例16
液晶化合物的结构式为:
采用GC-MS对所得白色固体BYLC-16进行分析,产物的m/z为560.1(M+)。
1H-NMR(300MHz,CDCl3):0.95-1.64(m,9H),1.65-2.65(m,11H),3.35-4.75(m,14H),4.85- 6.25(m,2H),6.35-7.55(m,16H)。
依据以上实施例的技术方案,只需要简单替换对应的原料,不改变任何实质性操作,可以合成发明内容中提及的液晶化合物。
对比例
实验例
将化合物BYLC-01以3wt%的比例添加于液晶组合物M中,均匀混合,得到混合物BM-1;
将化合物BYLC-03以3wt%的比例添加于液晶组合物M中,均匀混合,得到混合物BM-2;
将化合物BYLC-04以3wt%的比例添加于液晶组合物M中,均匀混合,得到混合物BM-3;
将化合物BYLC-05以3wt%的比例添加于液晶组合物M中,均匀混合,得到混合物BM-4;
将化合物BYLC-06以3wt%的比例添加于液晶组合物M中,均匀混合,得到混合物BM-5;
将化合物BYLC-10以3wt%的比例添加于液晶组合物M中,均匀混合,得到混合物BM-6;
将化合物BYLC-12以3wt%的比例添加于液晶组合物M中,均匀混合,得到混合物BM-7;
将比较物CM以3wt%的比例添加于液晶组合物M中,均匀混合,得到混合物BM- 8;
所述液晶组合物M的组成如表1所示,所述液晶组合物M的性质如表2所示。
表1:液晶组合物M组成表
表2:混晶M性质汇总表
性质 | Cp | Δn | Δε | ε<sub>||</sub> | K<sub>3</sub>/K<sub>1</sub> | γ1 |
数值 | 75.1 | 0.098 | -3.0 | 3.4 | 1.02 | 113 |
在100℃载热台上将所述混合物注入两片玻璃基板的间隔为4μm的不具有取向膜的元件中。将所述元件置于偏光显微镜中,自下方对元件照射光,观察有无漏光。在液晶分子充分取向、光不透过元件的情形时,将垂直取向性判断为“良好”。在观察到通过元件的光的情形时,将垂直取向性判断为“不良”。
对上述两种元件在60℃下施加脉冲电压(1V且60微秒)进行充电。利用高速电压计在2秒(0.5HZ)的期间中测定衰减的电压,求出单位周期的电压曲线与横轴之间的面积A。面积B为为衰减时的面积。电压保持率是以面积A与面积B的比值来表示。
具体结果列于表3中
表3:混合物性质汇总表
由上述混合物实验可以看出,本发明所提供的自配向化合物能够在少量添加,且不存在聚酰亚胺取向层的情况下,实现液晶分子的垂直自配向。与比较物CM相比,能够在保证液晶分子良好垂直取向性的同时,不降低其电压保持率。
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)
1.一种新型自配向添加剂,其结构式为:
其中,P表示丙烯酸酯基、甲基丙烯酸酯基,氟代丙烯酸酯基、氯代丙烯酸酯基、乙烯氧基、氧杂环丁烷基或环氧基;
Z表示单键、-O-、-S-、-CO-、-CO-O-、-O-CO-、-O-CO-O-、-CH=N-、-N=CH-、-N=N-、-C≡C-、C1-C12的亚烷基、C1-C12的烷氧基或C2-C12的烯基,其中所述C1-C12的亚烷基或C2-C12的烯基中的一个或多个氢原子可彼此独立地被F、Cl或CN取代,并且一个或多个不相邻的-CH2-基团可以彼此独立地被-O-、-S-、-NH-、-CO-、COO-、-OCO-、-OCOO-、-SCO-、-COS-或烯键以不相互直接相连的方式代替;
所述L1、L2、L3彼此独立地表示-F、-Cl、-CN、-NO2、-CH3、-C2H5、-C(CH3)3、-CH(CH3)2、-CH2CH(CH3)C2H5、-OCH3、-OC2H5、-COCH3、-COC2H5、-COOCH3、-COOC2H5、-CF3、-OCF3、-OCHF2或-OC2F5;
r1、r2、r3各自独立地表示0、1、2、3或4;
R表示0~10个碳原子的烷基;
m表示0、1或2;
n表示1、2、3、4或5。
5.一种化合物的制备方法,其制备路线为:
Z表示单键、-O-、-S-、-CO-、-CO-O-、-O-CO-、-O-CO-O-、-CH=N-、-N=CH-、-N=N-、-C≡C-、C1-C12的亚烷基或C2-C12的烯基,其中所述C1-C12的亚烷基或C2-C12的烯基中的一个或多个氢原子可彼此独立地被F、Cl或CN取代,并且一个或多个不相邻的-CH2-基团可以彼此独立地被-O-、-S-、-NH-、-CO-、COO-、-OCO-、-OCOO-、-SCO-、-COS-或烯键以不相互直接相连的方式代替;
所述L1、L2、L3彼此独立地表示-F、-Cl、-CN、-NO2、-CH3、-C2H5、-C(CH3)3、-CH(CH3)2、-CH2CH(CH3)C2H5、-OCH3、-OC2H5、-COCH3、-COC2H5、-COOCH3、-COOC2H5、-CF3、-OCF3、-OCHF2或-OC2F5;
r1、r2、r3各自独立地表示0、1、2、3或4;
R表示0~10个碳原子的烷基;
m表示0、1或2;
n表示1、2、3、4或5;
R0代表H或-CH3。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,
反应温度为-50~-100℃;
所述有机锂试剂选自仲丁基锂、叔丁基锂或正丁基锂中的一种或几种;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;
反应温度为60~140℃;
反应温度为20~40℃;
反应温度为60~140℃;
反应温度为80~120℃;
反应温度为40~80℃。
8.权利要求5~7任一项方法制备得到的化合物。
9.包括权利要求1~4所述的自配向添加剂或权利要求8所述化合物组合物,优选的,所述的自配向添加剂或化合物在组合物中的质量百分比为0.01~15%,优选为0.1~10%,进一步优选为0.1~5%。
10.权利要求1~4所述的添加剂,权利要求8所述的化合物以及权利要求9所述的组合物在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VA、TN、STN、FFS或IPS液晶显示器。
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