DE3742885C2 - - Google Patents

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DE3742885C2
DE3742885C2 DE3742885A DE3742885A DE3742885C2 DE 3742885 C2 DE3742885 C2 DE 3742885C2 DE 3742885 A DE3742885 A DE 3742885A DE 3742885 A DE3742885 A DE 3742885A DE 3742885 C2 DE3742885 C2 DE 3742885C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf neue organische Verbindungen, die Flüssigkristalleigenschaften aufweisen, und zwar betrifft sie 2-(4,3-disubstituiertes Phenyl)-5-alkyl-1,3,2-dioxaborinanderivate und deren Verwendung als Bestandteile flüssigkristallinen Materials, das in elektrooptischen Vorrichtungen verwendet wird.
Die Erfindung kann weitgehend in der elektronischen Industrie zur Abbildung alphanumerischer Informationen verwendet werden, beispielsweise bei elektronischen Uhren und Mikrorechnern.
Bekannt sind flüssigkristalline trans-2-[-4-(4′-Cyanophe­ nyloxycarbonyl)phenyl]-5-alkyl-1,3-dioxane der Formel
worin R für eine Alkylgruppe mit normaler Struktur und 6 bis 7 C-Atomen steht (J. für prakt. Chem., Bd. 323, Nr. 6, 1981, Leipzig; H. M. Vorbrodt, S. Deresch, H. Kresse, A. Wiegeleben, D. Demus, H. Laschke, "Synthese und Eigenschaften substituierter 1,3-Dioxane", Seiten 902-913).
Diese Verbindungen zeichnen sich durch hohe Temperaturen der Bildung der nematischen Phase (135°C) und eine Neigung zur Isomerisierung zu den entsprechenden cis-Isomeren aus. Flüssigkristalline Materialien auf ihrer Grundlage besitzen ungenügende elektrooptische Parameter und können nicht im Minustemperaturbereich angewendet werden.
Bekannt sind auch 2-(4-substituiertes Phenyl)-5-alkyl-1,3,2-dioxaborinane der Formel
worin R für eine Alkylgruppe mit normaler Struktur und 3 bis 6 C-Atomen, R′ für -OR, -CN, und
stehen (JP-A 61-83190 und JP-A 61-109792).
Diese Verbindungen haben eine ziemlich hohe Temperatur der Bildung der nematischen Phase (nicht unter 105°C) und einen geringen Wert der positiven Anisotropie der Dielektrizitätskonstante. Das führt zu hohen Schwellen- und Sättigungsspannungswerten des Twist-Effektes des flüssigkristallinen Materials, das diese Verbindungen enthält, und macht es unmöglich, dieses Material im Minustemperaturbereich einzusetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue 2-(4,3-disub­ stituiertes Phenyl)-5-alkyl-1,3,2-dioxaborinanderivate als Bestandteile flüssigkristallinen Materials zu schaffen, die geringe Temperaturwerte der Bildung der nematischen Phase und hohe Werte der positiven Anisotropie der Dielektrizitätskonstante aufweisen, sowie ein flüssigkristallines Material zu schaffen, das sich durch niedrige Schwellen- und Sättigungsspannungswerte und kleine Ein- und Ausschaltzeiten kennzeichnet.
Die Aufgabe wird wie aus den Ansprüchen 1 und 2 ersichtlich gelöst.
Bevorzugt werden 2-(4,3-disubstituiertes Phenyl)-5-alkyl- 1,3,2-dioxaborinane der Formeln
Es wird auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindung als Bestandteil eines flüssigkristallinen Materials vorgeschlagen, das mindestens zwei Bestandteile enthält und bei dem mindestens einer der genannten Bestandteile das neue 2-(4,3-disubstituiertes Phenyl)-5-alkyl-1,3,2-dioxaborinanderivat der Formeln I-VI ist.
Es ist zweckmäßig, daß der Gehalt an den erfindungsgemäßen Verbindungen der Formeln I-VI im flüssigkristallinen Material 3 bis 75 Masse-% beträgt.
Solche flüssigkristalline Materialien zeichnen sich durch optimale Eigenschaften aus.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen der Formeln I-VI weisen geringe Werte der Temperaturen zur Bildung der nematischen Phase und hohe Werte der positiven Anisotropie der Dielektrizitätskonstante auf. Diese Eigenschaften ermöglichen es, flüssigkristallines Material, das solche Verbindungen enthält, im Minustemperaturbereich anzuwenden, und auch niedrige Schwellen- und Sättigungsspannungswerte, steile Voltkontrastkennlinien sowie kurze Ein- und Ausschaltzeiten zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß erhaltene flüssigkristalline Materialien können in verschiedenen elektrooptischen Vorrichtungen mit statischem und dynamischen Steuerungstyp sowie in Vorrichtungen, die im Multiplexbetriebszustand arbeiten, verwendet werden, z. B. in elektronischen Uhren, Mikrorechnern, Fernsehschirmen, oder Personalcomputern.
Nachstehend wird eine Methode zur Synthese der Verbindungen der Formeln II-VI angeführt.
Durch Umsetzen von 2-Alkyl-1,3-propandiolen mit 4,3-disubstituierter Phenylborsäure in Aceton erhält man die Verbindungen der Formeln II und IV.
Durch Umsetzen von 2-Alkyl-1,3-propandiolen mit 4-Carboxy- 3-halogenphenylborsäure und anschließender Behandlung des Reaktionsproduktes mit Thionylchlorid wird ein Säurechlorid erhalten, das nach dem üblichen Verfahren aufeinanderfolgend in Amid und Nitril (III) umgesetzt wird, oder mittels 4-Hydroxy-benzonitrils, 4-Hydroxy-2-halogenbenzonitrils im Pyridinmedium die Verbindung der Formel VI synthetisiert wird. Die Verbindung der Formel V wird analog zur Verbindung der Formel IV unter Verwendung von 4-Carboxyl-3,2′-disubstituierter 4-Diphenylborsäure hergestellt.
Das flüssigkristalline Material wird durch Vermischen von mindestens zwei Komponenten erhalten, von denen die eine erfindungsgemäßes 2-(4,3-disubstituiertes Phenyl)-5-alkyl- 1,3,2-dioxaborinanderivat darstellt, das in einer Menge von 3 bis 75 Masse-% verwendet wird. Das Vermischen wird bei Erwärmung bis zur Entstehung der isotropen Phase mit anschließender Abkühlung durchgeführt.
Die andere Komponente des flüssigkristallinen Materials kann eine beliebige Verbindung sein, die aus folgenden Klassen gewählt ist: Biphenylderivate, Cyclohexan, Dioxane, Pyrimidin, Alkyl(alkoxy)phenyläther, 4-Alkyl(alkoxy)benzoe- und trans-4- Alkylcyclohexancarbonsäuren, Alkylphenyläther der 4-(trans-4-Alkylcyclohexyl)benzoesäuren, 4-(trans-4-Alkylcyclohexyl)-phenyläther der trans-4- Alkylcyclohexancarbonsäuren, 1,2-Diphenylethan, 1-Cyclohexyl-2-phenylethan.
Nachstehend werden einige Beispiele der konkreten Ausführung der vorliegenden Erfindung angeführt, von denen die Beispiele 1 bis 5 Herstellungsverfahren und Eigenschaften von 2-(4,3- disubstituiertes Phenyl)-5-alkyl-1,3,2-dioxaborinanderivaten der Formeln II-VI, und die Beispiele 6 bis 9 Herstellungsverfahren und Eigenschaften des flüssigkristallinen Materials beschreiben.
Beispiel 1 Herstellung von 2-(4-Pentyloxy-3-chlorphenyl)-5-pentyl-1,3,2- dioxaborinan (II)
Ein Gemisch aus 0,02 mol 2-Pentyl-1,3-propandiol und 0,02 mol 4-Pentyloxy-3-chlorphenylborsäure in 50 ml Aceton wird 1-1,5 Stunden gekocht. Das Lösungsmittel wird abdestilliert und das erhaltene Produkt aus einer minimalen Menge Aceton (durch Ausfrieren) umkristallisiert.
Die Ausbeute an der Verbindung II beträgt 53%, Schmelzp. 8°C.
Auf ähnliche Weise werden mit einer Ausbeute von 50-72% andere Verbindungen der Formel II mit 1 bis 7 C-Atomen in den Alkylgruppen erhalten, worin X H, F, Cl sind.
Beispiel 2 Herstellung von 2-(4-Cyano-3-fluorphenyl)-5-pentyl-1,3,2-dioxaborinan (III)
Ein Gemisch aus 0,025 mol 4-Carboxy-3-fluorphenyl-borsäure und 0,025 mol 2-Pentyl-1,3-propandiol in 70 ml Aceton wird 5 Stunden gekocht. Das Lösungsmittel wird abdestilliert und das Produkt aus Methylethylketon auskristallisiert. Das erhaltene 2-(4-Carboxy-3-fluorphenyl)-5-pentyl-1,3,2-dioxaborinan in einer Menge von 0,02 mol wird mit 5 ml Thionylchlorid 1 Stunde gekocht. Der Rückstand wird nach dem Abdestillieren des überschüssigen Thionylchlorids mit 15 ml wäßriger Ammoniaklösung behandelt. Die ausgefallenen Kristalle werden abfiltriert, mit Wasser gewaschen, an der Luft getrocknet und in eine Lösung von 10 ml Dimethylformamid und 0,8 ml Thionylchlorid eingebracht, 1 Stunde gehalten, danach in wäßrige Natriumhydrogencarbonatlösung gegossen und mit Diethyläther extrahiert. Die ätherische Lösung wird mit Wasser gewaschen und mit wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet. Der Rückstand, der nach dem Abdestillieren des Lösungsmittels erhalten wird, wird aus Methylalkohol (durch Ausfrieren) umkristallisiert.
Die Ausbeute an der Verbindung III beträgt 45%, Schmp. 29°C.
Auf ähnliche Weise werden mit einer Ausbeute von 48-57% andere Verbindungen der Formel III mit 1 bis 7 C-Atomen in der Alkylgruppe hergestellt, wobei X F, Cl ist.
Beispiel 3 Herstellung von 2-(4-Ethyl-3-fluor-4′-diphenyl)-5-pentyl- 1,3,2-dioxaborinan (IV)
Ein Gemisch aus 0,02 mol 2-Pentyl-1,3-propandiol und 0,02 mol 4-Alkyl-3-fluor-4′-diphenylborsäure in 100 ml Aceton wird 3-4 Stunden gekocht. Das Lösungsmittel wird abdestilliert, das erhaltene Produkt aus einer minimalen Menge Aceton umkristallisiert.
Die Ausbeute an der Verbindung IV beträgt 53%, Schmp. 87°C.
Auf ähnliche Weise werden mit einer Ausbeute von 45-59% andere Verbindungen der Formel IV mit 1 bis 7 C-Atomen in den Alkylgruppen erhalten, wobei X und Y H, F und Cl sind.
Beispiel 4 Herstellung von 2-(4-Cyano-3,2′-difluor-4′-diphenyl)-5-pentyl- 1,3,2-dioxaborinan (V)
Ein Gemisch aus 0,02 mol 2-Pentyl-1,3-propandiol und 0,02 mol 4-Carboxy-3,2′-difluor-4′-diphenylsäure in 120 ml Aceton wird 10 Stunden gekocht. Das Lösungsmittel wird abdestilliert und das Produkt aus Toluol auskristallisiert. Das erhaltene 2-(4-Carboxy-3,2′-difluor-4′-diphenyl)-5-pentyl-1,3,2-dioxaborinan in einer Menge von 0,015 mol wird mit 7 ml Thionylchlorid 3 Stunden gekocht. Der Rückstand wird nach dem Abdestillieren des überschüssigen Thionylchlorids in Dioxan gelöst und mit 15 ml wäßrigem Ammoniak behandelt. Die ausgefallenen Kristalle werden abfiltriert, mit Wasser gespült, an der Luft getrocknet, danach eine Lösung von 35 ml Dimethylformamid und 3 ml Thionylchlorid eingebracht, 4 Stunden gehalten, in wäßrige Natriumhydrogencarbonatlösung gegossen und mit Diethyläther extrahiert. Die ätherische Lösung wird mit Wasser gewaschen und mit wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet. Der nach dem Abdestillieren des Lösungsmittels erhaltene Rückstand wird aus einem Gemisch von Hexan und Isopropylalkohol umkristallisiert.
Die Ausbeute an Verbindung V beträgt 36%, Schmelzp. 62°C.
Auf ähnliche Weise werden mit einer Ausbeute von 33-42% andere Verbindungen der Formel V mit 1 bis 7 C-Atomen in den Alkylgruppen hergestellt, wobei X und Y H, F, Cl sind.
Beispiel 5 Herstellung von 2-[4′-(4-Cyano-3-fluorphenyloxycarbonyl)-3′- fluorphenyl]-5-pentyl-1,3,2-dioxaborinan (VIs)
Ein Gemisch aus 0,025 mol 4-Carboxy-3-fluorphenylborsäure und 0,025 mol 2-Pentyl-1,3-propandiol in 70 ml Aceton wird in einem Kolben mit Rückflußkühler 5 Stunden gekocht. Das Lösungsmittel wird abdestilliert und das Produkt aus Methylethylketon auskristallisiert.
Ein Gemisch aus 0,004 mol 2-(4-Carboxy-3-fluorphenyl)-5- pentyl-1,3,2-dioxaborinan, 0,32 ml Pyridin und 0,32 ml Thionylchlorid in 50 ml wasserfreiem Diethyläther wird 1 Stunde vermischt. Danach werden 0,004 mol 4-Hydroxy-2-fluorbenzonitril und 1 ml Pyridin zugegeben. Das Gemisch wird eine Nacht stehengelassen, dann wird es filtriert. Der nach dem Abdestillieren des Lösungsmittels erhaltene Rückstand wird aus einer Mischung von Hexan und Ethylalkohol auskristallisiert. Die Ausbeute an Verbindung VIs beträgt 60%, Schmelzp. 63°C.
Auf ähnliche Weise werden mit einer Ausbeute von 47-86% andere Verbindungen der Formel VIa-w hergestellt. Eigenschaften, Ausbeuten und Elementaranalysen der Verbindungen VIa-w sind in Tabelle 1 angeführt.
Alle neuen Verbindungen der Formeln I-VIa-w sind bei Raumtemperatur ein weißes kristallines Pulver.
Die Zusammensetzung und der Aufbau der Verbindungen I-VIa-w sind durch Ergebnisse der Elementaranalyse und Angaben der IR- und NMR-Spektren bestätigt.
So werden in den NMR-Spektren der 1,3,2-Dioxaborinanderivate I-VI (10%ige Lösung in Deuteroaceton, Etalon-Hexamethyldisiloxan, δ, ppm) Signale von H-Atomen des Borinanfragments im Bereich 3,4-4,3 (Zentren bei 3,54, 3,70, 3,86, 4,00, 4,10, 4,16, 4,26 oder bei 3,53, 3,63, 3,74, 3,93, 4,00, 4,13, 4,20) nachgewiesen. Signale von H-Atomen der Benzolringe werden im Bereich 7,10-8,06 ppm nachgewiesen. In den IR-Spektren der Verbindungen (0,1m-Lösungen in CCl₄, Chloroform) entsprechen die intensiven Maxima 1715 und 2215 cm-1 den Valenzschwingungen des Carbonyls des Esterfragments und der Nitrilgruppe.
Vergleichswerte für die Temperaturen der Bildung der nematischen Phase und die für die positive Anisotropie der Dielektrizitätskonstante der erfindungsgemäßen Verbindungen VIa-f, i, s und der Verbindungen nach der JP-A 61-109792 sind in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die neuen Verbindungen VI geringere Werte der Bildung der nematischen Phase und beträchtlich höhere Werte der positiven Anisotropie der Dielektrizitätskonstante haben als ähnliche in der JP-A 61-109792 beschriebenen Verbindungen.
Um die erfindungsgemäßen Verbindungen der Formeln III und VI und die Verbindungen, die in der JP-A 61-109792 und JP-A 61- 83190 beschrieben sind, zu vergleichen, wurden Gemische aufbereitet, die zu 15 Masse-% aus den genannten Verbindungen und zu 85 Masse-% aus einer Mischung der Zusammensetzung A bestehen.
Die Mischung der Zusammensetzung A enthält 66 Masse-% 4-Butyl-4-methoxyanisol und 34 Masse-% 4-Butyl-4-hexylcarboxyazoxybenzol. Die erhaltenen Ergebnisse für die positive Anisotropie der Dielektrizitätskonstante der aufbereiteten Gemische sind in den Tabellen 3 und 4 angeführt.
Tabelle 3
Tabelle 4
Beispiel 6
Man mischt 20 Masse-% 4-Cyano-4′-pentyldiphenyl (VII), 10 Masse-% 4-Ethoxyphenyläther der trans-4-Butylcyclohexancarbonsäure (VIII), 30 Masse- 2-[4′-(4-Cyanophenyloxycarbonyl)phe­ nyl]-5-pentyl-1,3-dioxan (IX), 15 Masse-% Ethylphenyläther der trans-4-Hexylcyclohexancarbonsäure (X), 10 Masse-% Ethoxyphenyläther der 4-Butylbenzoesäure (XI) und 15 Masse-% 2-(Cyano- 3-fluorphenyl)-5-propyl-1,3,2-dioxaborinan (III) und erwärmt bis zur Entstehung der isotropen Phase, rührt und kühlt auf Raumtemperatur ab. Die Eigenschaften des erhaltenen flüssigkristallinen Materials sind in Tabelle 5 angeführt.
Auf ähnliche Weise werden flüssigkristalline Materialien der Zusammensetzungen 2-54 aufbereitet, deren Eigenschaften ebenfalls in Tabelle 5 angegeben sind.
Tabelle 5
Beispiel 7
Flüssigkristallines Material der Zusammensetzung 55.1-55.2, das trans-4-Propyl-(4′-ethoxyphenyl)cyclohexan (XVIII), 4-Hexyloxyphenyläther der trans-4-Butylcyclohexancarbonsäure (LC), 2-(4-Ethoxy-3-fluorphenyl)-5-pentyl-1,3,2-dioxaborinan (II), 2-[4′-(4-Cyano-3-fluorphenyloxycarbonyl)- 3′-fluorphenyl]-5-pentyl-1,3,2-dioxaborinan (VIs) enthält, wurde analog zum flüssigkristallinen Material der Zusammensetzung 1 in Beispiel 6 aufbereitet.
Der Gehalt an Bestandteilen des flüssigkristallinen Materials der Zusammensetzung 55.1-55.2 und dessen elektrooptische Parameter, gemessen bei Raumtemperatur, sind in Tabelle 6 angeführt.
Tabelle 6
Beispiel 8
Flüssigkristallines Material der Zusammensetzung 56.1-56.5, das trans-4-Propyl-(4′-ethoxyphenyl)cyclohexan (XVIII), 4-Hexyloxyphenyläther der trans-4-Butylcyclohexancarbonsäure (LC), 2-[4′-(4-Cyano-3-fluorphenyloxycarbonyl)-3′- fluorphenyl]-5-pentyl-1,3,2-dioxaborinan (VIs) enthält, wurde analog zum flüssigkristallinen Material der Zusammensetzung 1 in Beispiel 6 aufbereitet.
Der Gehalt an Bestandteilen des flüssigkristallinen Materials der Zusammensetzung 56.1-56.5 und dessen elektrooptische Parameter, gemessen bei Raumtemperatur, sind in Tabelle 7 angeführt.
Beispiel 9
Flüssigkristallines Material der Zusammensetzung 57.1-57.8, das trans-4-Propyl-(4′-ethoxyphenyl)cyclohexan (XVIII), 4-Hexyloxyphenyläther der trans-4-Butylcyclohexancarbonsäure (LC), 4-Ethoxyphenyläther der trans-4-Butylcyclohexancarbonsäure (VIII), 2-[4′-(4-Cyano-3-fluorphenyloxycar­ bonyl)-3′-fluorphenyl]-5-pentyl-1,3,2-dioxaborinan (VIs), 2-[4′-(4-Cyano-3-fluorphenyloxycarbonyl)-3′-fluorphenyl]- 5-propyl-1,3,2-dioxaborinan (VIi), 2-[4′-(4-Cyano-3- fluorphenyloxycarbonyl)-3′-chlorphenyl]-5-pentyl-1,3,2- dioxaborinan (VIt) enthält, wurde analog zum flüssigkristallinen Material der Zusammensetzung 1 in Beispiel 6 aufbereitet.
Der Gehalt an Bestandteilen des flüssigkristallinen Materials der Zusammensetzung 57.1-57.8 und dessen elektrooptische Parameter, gemessen bei Raumtemperatur, sind in Tabelle 8 angeführt. wobei
U₁₀ - Spannung, bei der die Zelle 10% des auf sie einfallenden Lichts durchläßt (Schwellenspannung),
U₅₀ - Spannung, bei der die Zelle 50% des auf sie einfallenden Lichts durchläßt,
U₉₀ - Spannung, bei der die Zelle 90% des auf sie einfallenden Lichts durchläßt (Sättigungsspannung),
P₅₀ - Steilheitsparameter (P₅₀ = (U₅₀-U₁₀)/U₁₀),
τ EIN - Zeit, in der der Kontrast der Zelle sich von 10% auf 90% verändert (Einschaltzeit),
t AUS - Zeit, in der der Kontrast der Zelle sich von 90% auf 10% verändert (Ausschaltzeit),
Δ n - optische Anisotropie,
- Temperaturdrift, wobei Δ U - Differenz zwischen Schwellenspannung des Gemisches bei 50°C und 10°C, Δ T - Temperaturänderung von 10°C auf 50°C ( Δ T = 50°C-10°C = 40°C) ist und U₉₀ bei 20°C gemessen wird.
Ein- und Ausschaltzeiten wurden bei U = 3 V gemessen.
Somit weisen, wie aus den Beispielen 1 bis 9 und den Tabellen 1 bis 8 ersichtlich, die erfindungsgemäßen Verbindungen der Formeln I-VI im Vergleich zu den in der JP-A 61-1 09 792 und der JP-A 61-83 190 angegebenen Verbindungen niedrigere Temperaturwerte zur Bildung der nematischen Phase und höhere Werte der positiven Anisotropie der Dielektrizitätskonstante auf. Diese Eigenschaften ermöglichen es, bei Anwendung dieser Verbindungen flüssigkristallines Material herzustellen, das geringe Schwellen- und Sättigungsspannungswerte, eine steile Volt-Kontrast- Kennlinie und geringe Ein- und Ausschaltzeiten aufweist und im Bereich von Minustemperaturen verwendet werden kann.
Die flüssigkristallinen Materialien können in verschiedenen elektrooptischen Vorrichtungen zur Abbildung von Informationen mit statischen und dynamischen Steuerungsarten, in Vorrichtungen, die im Multiplexbetrieb arbeiten, z. B. elektronische Uhren, Mikrorechner, Meldetableaus oder Personalcomputer verwendet werden.

Claims (2)

1. 2-(4,3-disubstituiertes Phenyl)-5-alkyl-1,3,2-dioxaborinanderivate der allgemeinen Formel worin A für steht,
X, Y gleich oder verschieden sind und für F, Cl, H stehen und
R, R′ für eine Alkylgruppe normaler Struktur mit 1 bis 7 C-Atomen stehen,
wobei, wenn A -OR′ oder -CN ist, X nicht die Bedeutung von H haben kann, bzw. wenn A ist, X und Y nicht gleichzeitig für H stehen dürfen.
2. Verwendung einer Verbindung nach Anspruch 1, in flüssigkristallinem Material in einer Menge von 3 bis 75 Masse-%, wobei der Rest eine Verbindung ist, ausgewählt aus den Klassen: Biphenylderivate, Cyclohexan, Dioxane, Pyrimidin, Alkyl(alkoxy)phenyläther, 4-Alkyl(alkoxy)benzoe- und trans-4- Alkylcyclohexancarbonsäuren, Alkylphenyläther der 4-(trans- 4-Alkylcyclohexyl)benzoesäuren, 4-(trans-4-Alkylcyclohexyl)- phenyläther der trans-4-Alkylcyclohexancarbonsäuren, 1,2-Diphenylethan oder 1-Cyclohexyl-2-phenylethan.
DE19873742885 1986-12-17 1987-12-17 2-(4,3-disubstituiertes phenyl)-5-alkyl-1,3,2-dioxaborinanderivate und fluessigkristallines material Granted DE3742885A1 (de)

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