DE4014488A1 - Dioxaborinane und fluessigkristallines medium - Google Patents

Dioxaborinane und fluessigkristallines medium

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    • C09K19/40Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit containing elements other than carbon, hydrogen, halogen, oxygen, nitrogen or sulfur, e.g. silicon, metals
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07FACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F5/00Compounds containing elements of Groups 3 or 13 of the Periodic Table
    • C07F5/02Boron compounds
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Description

Die Erfindung betrifft neue Dioxaborinane der Formel I
worin
R Alkyl, Alkenyl, Oxaalkyl oder Halogenalkyl mit jeweils bis zu 12 C-Atomen,
A¹ trans-1,4-Cyclohexylen, 1,4-Phenylen oder eine Einfachbindung,
A² 1,4-Phenylen, 3-Fluor-1,4-phenylen, 3,5-Difluor-1,4-phenylen oder eine Einfachbindung,
X F, Cl, -CF₃, -OCF₃ oder -OCHF₂ und
Y und Z unabhängig voneinander H oder F
bedeuten.
Aus US Patent 48 53 150 sind 1,3-Dioxaborinane der Formeln
bekannt, worin R geradkettiges Alkyl mit bis zu 7 C-Atomen bedeutet.
Derartige Verbindungen werden jedoch nicht den hohen Anfor­ derungen an den elektrischen Widerstand gerecht, wie sie beispielsweise für Anzeigen mit aktiver Matrix gefordert werden.
Die Verbindungen der Formel I können wie ähnliche, z. B. aus der DE-OS 26 36 684 bekannte Verbindungen als Komponenten flüssigkristalliner Medien verwendet werden insbesondere für Anzeigen, die auf dem Prinzip der verdrillten Zelle beruhen.
Die bisher für diesen Zweck eingesetzten Substanzen be­ sitzen sämtliche gewisse Nachteile, beispielsweise zu hohe Schmelzpunkte, zu niedrige Klärpunkte, zu geringe Stabilität gegenüber der Einwirkung von Wärme, Licht oder elektrischen Feldern, zu niedriger elektrischer Widerstand, ungünstige elastische Eigenschaften, zu hohe Temperaturabhängigkeit der Schwellenspannung.
Insbesondere bei Anzeigen von Supertwisttyp (STN) mit Verdrillungswinkeln von deutlich mehr als 220°C oder bei Anzeigen mit aktiver Matrix weisen die bisher eingesetzten Materialien Nachteile auf.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, neue flüssig­ kristalline Verbindungen aufzufinden, die als Komponenten flüssigkristalliner Medien geeignet sind, insbesondere für nematische Medien mit positiver dielektrischer Anisotropie, und die die Nachteile der bekannten Verbindungen nicht oder nur in geringerem Maße zeigen. Diese Aufgabe wurde durch die Bereitstellung der neuen Verbindungen der Formel I gelöst.
Es wurde gefunden, daß die Vebindungen der Formel I vorzüglich als Komponenten flüssigkristalliner Medien geeignet sind. Insbesondere sind mit ihrer Hilfe flüs­ sigkristalline Medien mit weiten nematischen Bereichen, hervorragender Nematogenität bis zu tiefen Temperaturen, hervorragender chemischer Stabilität, herausragenden elasti­ schen Eigenschaften, ausgeprägtem ε bei positiver dielek­ trischer Anisotropie, geringer Temperaturabhängigkeit der Schwellenspannung und/oder kleiner optischer Anisotropie erhältlich. Die neuen Verbindungen zeigen außerdem eine gute Löslichkeit für andere Komponenten derartiger Medien und hohe positive dielektrische Anisotropie bei gleichzeitig günstiger Viskosität.
Die Verbindungen der Formel I ermöglichen sowohl STN-Anzei­ gen mit sehr hoher Steilheit der elektrooptischen Kennlinie als auch Anzeigen mit aktiver Matrix mit hervorragender Langzeitstabilität. Durch geeignete Wahl von rund n lassen sich bei beiden Anzeigetypen die Schwellenspannungen deut­ lich erniedrigen.
Die Verbindungen der Formel I sind in reinem Zustand farblos und bilden flüssigkristalline Mesophasen in einem für die elektrooptische Verwendung günstig gelegenen Temperaturbe­ reich.
Gegenstand der Erfindung sind somit die Verbindungen der Formel I sowie die Verwendung der Verbindungen der Formel I als Komponenten flüssigkristalliner Medien, flüssigkristal­ line Medien mit einem Gehalt an mindestens einer Verbindung der Formel I und elektrooptische Anzeigen, die derartige Medien enthalten.
Vor- und nachstehend haben r, A, X, Y und Z die angegebene Bedeutung, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes vermerkt ist.
Der Rest
ist vorzugsweise
X ist vorzugsweise F, Cl, -CF₃ oder -OCF₃. R ist vorzugs­ weise n-Alkyl mit 2 bis 7 C-Atomen.
R ist vorzugsweise n-Alkyl mit 2 bis 7 C-Atomen (d. h. Ethyl, n-Propyl, n-Butyl, n-Pentyl, n-Hexyl oder n-Heptyl) oder Q-(CH₂)r-, worin Q CHalogen₁H₃-₁, CnH2n+1-O- oder CnH2n+1-CH=CH- (trans) bedeutet, r 1, 2, 3, 4 oder 5 ist und Halogen Fluor oder ferner auch Chlor, l 1, 2 oder 3 und n 0, 1, 2, 3, 4 oder 5 bedeutet.
In den Verbindungen der Formel I sind die Alkylengruppen (CH₂)r vorzugsweise geradkettig. Dementsprechend bedeutet (CH₂)r vorzugsweise Methylen, Ethylen, n-Propylen, n-Butylen oder n-Pentylen. m ist vorzugsweise 0 und 1, insbesondere bevorzugt 0. r ist vorzugsweise 2, 3 oder 4. Ferner bevor­ zugt ist r=1, insbesondere wenn Q=CnH2n+1-CH=CH.
Im folgenden sind bevorzugte Teilformeln der erfindungs­ gemäßen Verbindungen angegeben:
Ferner sind jedoch auch Verbindungen der folgenden Teilformeln bevorzugt:
Besonders bevorzugt sind die Verbindungen der Teilformel Ia
worin Q, r, A², X, Y und Z die oben angegebene Bedeutung haben.
Q ist vorzugsweise CF₃, CHF₂, CH₂F, CH₂Cl, CH₃O-, CH₂=CH- oder CH₃-CH=CH-(trans). Halogen ist vorzugsweise F.
Die Verbindungen der Formel I werden im übrigen nach an sich bekannten Methoden hergestellt, wie sie in der Literatur (z. B. in den Standardwerken wie Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart) beschrieben sind, und zwar unter Reaktionsbedingungen, die für die genannten Umsetzungen bekannt und geeignet sind. Dabei kann man auch von an sich bekannten, hier nicht näher erwähnten Varianten Gebrauch machen.
Die Ausgangsstoffe können gewünschtenfalls auch in situ gebildet werden, derart, daß man sie aus dem Reaktionsge­ misch nicht isoliert, sondern sofort weiter zu den Verbin­ dungen der Formel I umsetzt.
Die erfindungsgemäßen Dioxaborinane werden in an sich üblicher Weise durch Kondensation von 1,3-Diolen der Formel IIa mit Boronsäuren der Formel IIIa hergestellt:
Die Vorstufen der Formeln IIa und IIIa sind teilweise bekannt. Alle diese Verbindungen können nach Routinemethoden hergestellt werden, beispielsweise die Verbindungen der Formel IIa, worin R Q-(CH₂)r bedeutet, nach folgendem Syntheseschema:
Die Synthese einiger besonders bevorzugter Verbindungen der Formeln IIIa und IIb sind im folgenden näher erläutert
Die Boronsäuren der Formel IIIa können nach bekannten Routinemethoden aus den entsprechenden Brombenzolderivaten hergestellt werden:
Die als Ausgangsstoffe verwendete Brombenzolderivate sind zum Teil bekannt, zum Teil können sie ohne Schwierigkeiten nach Standardverfahren der organischen Chemie aus literatur­ bekannten Verbindungen hergestellt werden. Beispielsweise sind die OCF₃- oder OCHF₂-Verbindungen nach bekannten Ver­ fahren aus den entsprechenden Phenolen bzw. die CF₃- oder CN-Verbindungen aus den entsprechenden Benzoesäuren erhältlich. Verbindungen der Formel
oder auch entsprechende monofluorierte Verbindungen sind beispielsweise aus den bekannten Vorstufen mit X=H durch Lithiierung bei tiefen Temperaturen und anschließende Umsetzung mit einem geeigneten Elektrophil erhältlich.
Ferner sind derartige Brombenzolderivate durch übergangs­ metallkatalysierte Kreuzkopplungsreaktionen (E. Poetsch, Kontakte (Darmstadt) 1988 (2), S. 15) erhältlich, wie z. B.:
Die Verbindungen der Formel I, worin A 1,4-Phenylen, 3-Fluor-1,4-phenylen oder 3,5-Difluor-1,4-phenylen bedeutet, sind analog herstellbar, wobei anstelle des X,Y,Z-substitu­ ierten Brombenzols eine Verbindung
eingesetzt wird, die durch edelmetallkatalysierte Kopplungs­ reaktionen (E. Poetsch, Kontakte (Darmstadt) 1988 (2), S. 15) herstellbar ist.
Die erfindungsgemäßen flüssigkristallinen Medien enthalten vorzugsweise neben einer oder mehreren erfindungsgemäßen Verbindungen als weitere Bestandteile 2 bis 40, insbeson­ dere 4 bis 30 Komponenten. Ganz besonders bevorzugt ent­ halten diese Medien neben einer oder mehreren erfindungs­ gemäßen Verbindungen 7 bis 25 Komponenten. Diese weiteren Bestandteile werden vorzugsweise ausgewählt aus nemati­ schen oder nematogenen (monotropen oder isotropen) Sub­ stanzen, insbesondere Substanzen aus den Klassen der Biphenyle, Terphenyle, Phenyl- oder Cyclohexylbenzoate, Cyclohexan-carbonsäurephenyl- oder cyclohexyl-ester, Phenyl- oder Cyclohexylester der Cyclohexylbenzoesäure, Phenyl- oder Cyclohexylester der Cyclohexylcyclohexancarbonsäure, Cyclo­ hexylphenylester der Benzoesäure, der Cyclohexancarbonsäure, bzw. der Cyclohexylcyclohexancarbonsäure, Phenylcyclohexane, Cyclohexylbiphenyle, Phenylcyclohexylcyclohexane, Cyclo­ hexylcyclohexane, Cyclohexylcyclohexene, Cyclohexylcyclo­ hexylcyclohexene, 1,4-Bis-cyclohexylbenzole, 4,4′-Bis-cyclo­ hexylbiphenyle, Phenyl- oder Cyclohexylpyrimidine, Phenyl- oder Cyclohexylpyridine, Phenyl- oder Cyclohexyldioxane, Phenyl- oder Cyclohexyl-1,3-dithiane, 1,2-Diphenylethane, 1,2-Dicyclohexylethane, 1-Phenyl-2-cyclohexylethane, 1- Cyclohexyl-2-(4-phenyl-cyclohexyl)-ethane, 1-Cyclohexyl-2- biphenylylethane, 1-Phenyl-2-cyclohexylphenylethane und Tolane.
Die 1,4-Phenylengruppen in diesen Verbindungen können auch fluoriert sein.
Die wichtigsten als weitere Bestandteile erfindungsgemäßer Medien in Frage kommenden Verbindungen lassen sich durch die Formeln 1, 2, 3, 4 und 5 charakterisieren:
R′-L-E-R′′ (1)
R′-L-COO-E-R′′ (2)
R′-L-OOC-E-R′′ (3)
R′-L-CH₂CH₂-E-R′′ (4)
R′-L-CC-E-R′′ (5)
In den Formeln 1, 2, 3, 4 und 5 bedeuten L und E, die gleich oder verschieden sein können, jeweils unabhängig voneinander einen bivalenten Rest aus der aus -Phe-, -Cyc-, -Phe-Phe-, -Phe-Cyc-, -Cyc-Cyc-, -Pyr-, -Dio-, -G-Phe- und -G-Cyc- sowie deren Spiegelbilder gebildeten Gruppe, wobei Phe unsubstituiertes oder durch Fluor substituiertes 1,4-Pheny­ len, Cyc trans-1,4-Cyclohexylen oder 1,4-Cyclohexenylen, Pyr Pyrimidin-2,5-diyl oder Pyridin-2,5-diyl, Dio 1,3-Dioxan- 2,5-diyl und G 2-(trans-1,4-Cyclohexyl)-ethyl, Pyrimi­ din-2,5-diyl, Pyridin-2,5-diyl oder 1,3-Dioxan-2,5-diyl bedeuten.
Vorzugsweise ist einer der Reste L und E Cyc, Phe oder Pyr. E ist vorzugsweise Cyc, Phe oder Phe-Cyc. Vorzugsweise enthalten die erfindungsgemäßen Medien eine oder mehrere Komponenten ausgewählt aus den Verbindungen der Formeln 1, 2, 3, 4 und 5, worin L und E ausgewählt sind aus der Gruppe Cyc, Phe und Pyr und gleichzeitig eine oder mehrere Kompo­ nenten ausgewählt aus den Verbindungen der Formel 1, 2, 3 4 und 5, worin einer der Reste L und E ausgewählt ist aus der Gruppe Cyc, Phe und Pyr und der andere Rest ausgewählt ist aus der Gruppe -Phe-Phe-, -Phe-Cyc-, -Cyc-Cyc-, -G-Phe- und -G-Cyc-, und gegebenenfalls eine oder mehrere Komponen­ ten ausgewählt aus den Verbindungen der Formeln 1, 2, 3, 4 und 5, worin die Reste L und E ausgewählt sind aus der Gruppe -Phe-Cyc-, -Cyc-Cyc-, -G-Phe- und -G-Cyc-.
R′ und R′′ bedeuten in den Verbindungen der Teilformeln 1a, 2a, 3a, 4a und 5a jeweils unabhängig voneinander Alkyl, Alkenyl, Alkoxy, Alkenyloxy oder Alkanoyloxy mit bis zu 8 Kohlenstoffatomen. Bei den meisten dieser Verbindungen sind R′ und R′′ voneinander verschieden, wobei einer dieser Reste meist Alkyl oder Alkenyl ist. In den Verbindungen der Teilformeln 1b, 2b, 3b, 4b und 5b bedeutet R′′ -CN, -CF₃, -OCF₃, F, Cl oder -NCS; R hat dabei die bei den Verbindungen der Teilformeln 1a bis 5a angegebene Bedeutung und ist vorzugsweise Alkyl oder Alkenyl. Besonders bevorzugt ist R′′ ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus -F, Cl, CF₃ und -OCF₃. Aber auch andere Varianten der vorgesehenen Substitu­ enten in den Verbindungen der Formeln 1, 2, 3, 4 und 5 sind gebräuchlich. Viele solcher Substanzen oder auch Gemische davon sind im Handel erhältlich. Alle diese Substanzen sind nach literaturbekannten Methoden oder in Analogie dazu erhältlich.
Die erfindungsgemäßen Medien enthalten vorzugsweise neben Komponenten aus der Gruppe der Verbindungen 1a, 2a, 3a, 4a und 5a (Gruppe 1) auch Komponenten aus der Gruppe der Verbindungen 1b, 2b, 3b, 4b und 5b (Gruppe 2), deren An­ teile vorzugsweise wie folgt sind:
Gruppe 1: 20 bis 90%, insbesondere 30 bis 90%,
Gruppe 2: 10 bis 80%, insbesondere 10 bis 50%,
wobei die Summe der Anteile der erfindungsgemäßen Verbin­ dungen und der Verbindungen aus den Gruppen 1 und 2 bis zu 100% ergeben.
Die erfindungsgemäßen Medien enthalten vorzugsweise 1 bis 40%, insbesondere vorzugsweise 5 bis 30% an erfindungs­ gemäßen Verbindungen. Weiterhin bevorzugt sind Medien, enthaltend mehr als 40%, insbesondere 45 bis 90% an erfindungsgemäßen Verbindungen. Die Medien enthalten vor­ zugsweise drei, vier oder fünf erfindungsgemäße Verbindun­ gen.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Medien erfolgt in an sich üblicher Weise. In der Regel werden die Komponenten ineinander gelöst, zweckmäßig bei erhöhter Temperatur. Durch geeignete Zusätze können die flüssigkristallinen Phasen nach der Erfindung so modifiziert werden, daß sie in allen bisher bekannt gewordenen Arten von Flüssigkristallanzeigeelementen verwendet werden können. Derartige Zusätze sind dem Fachmann bekannt und in der Literatur ausführlich beschrieben (H. Kelker/R. Hatz, Handbook of Liquid Crystals, Verlag Chemie, Weinheim, 1980). Beispielsweise können pleochroitische Farbstoffe zur Herstellung farbiger Guest-Host-Systeme oder Substanzen zur Veränderung der dielektrischen Anisotropie, der Viskosität und/oder der Orientierung der nematischen Phasen zugesetzt werden.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie zu begrenzen. mp.=Schmelzpunkt, cp.=Klärpunkt. Vor- und nachstehend bedeuten Prozentangaben Gewichtsprozent; alle Temperaturen sind in Grad Celsius angegeben. "Übliche Aufarbeitung" bedeutet: man gibt Wasser hinzu, extrahiert mit Methylenchlorid, trennt ab, trocknet die organische Phase, dampft ein und reinigt das Produkt durch Kristallisa­ tion und/oder Chromatographie.
Es bedeuten ferner:
K: Kristallin-fester Zustand, S: smektische Phase (der Index kennzeichnet den Phasentyp), N: nematischer Zustand, Ch: cholesterische Phase, I: isotrope Phase. Die zwischen zwei Symbolen stehende Zahl gibt die Umwandlungstemperatur in Grad Celsius an. Die Werte für Δε sind aus einer dielek­ trisch neutralen Flüssigkristallmischung extrapoliert.
DAST
Diethylaminoschwefeltrifluorid
DCC Dicyclohexylcarbodiimid
DDQ Dichloridcyanobenzochinon
DIBALH Diisobutylaluminiumhydrid
DMSO Dimethylsulfoxid
KOT Kalium-tertiär-butanolat
THF Tetrahydrofuran
pTSOH p-Toluolsulfonsäure
Beispiel 1
Ein Gemisch von 0,1 m 2-(3-Fluoropropyl)-1,3-propandiol, 0,1 m p-(3,4-Difluorphenyl)-phenylboronsäure (hergestellt durch Kreuzkopplung wie oben beschrieben), 1 g p-Toluol­ sulfonsäure und 200 ml Toluol wird 1 Stunde am Wasser­ abscheider gekocht. Nach extraktiver Aufarbeitung und Aufreinigung durch Kristallisation und Chromatographie erhält man 2-(3,4-Difluorbiphenyl-4′-yl)-5-(3-fluor­ propyl)-1,3,2-dioxaborinan.
Beispiel 2
Analog Beispiel 1 erhält man durch Umsetzung von 2-(3,3,3- Trifluorpropyl)-1,3-propandiol mit p-(p-Fluorphenyl)-phenyl­ boronsäure [aus p-(p-Fluorphenyl)-brombenzol] 2-(4-Fluor­ biphenyl-4′-yl)-5-(3,3,3-trifluorpropyl)-1,3,2-dioxaborinan.
Beispiel 3
Analog Beispiel 1 erhält man durch Umsetzung von 2-(trans- 4-n-Propylcyclohexyl)-1,3-propandiol mit 3,4-Difluorphenyl­ boronsäure 2-(3,4-Difluorphenyl)-5-(trans-4-n-propylcyclo­ hexyl)-1,3,2-dioxaborinan.
Analog werden hergestellt (A¹=A²=Einfachbindung, R=CnH2n+1):
bzw. Verbindungen der Formel I, worin A¹=trans,1,4-Cyclo­ hexylen, A²=Einfachbindung, R=CnH2n+1:
bzw. Verbindungen der Formel I, worin A¹=Einfachbindung, A²=1,4-Phenylen, R=CnH2n+1:

Claims (4)

1. Dioxaborinane der Formel I worinR Alkyl, Alkenyl, Oxaalkyl oder Halogenalkyl mit jeweils bis zu 12 C-Atomen,
A¹ trans-1,4-Cyclohexylen, 1,4-Phenylen oder eine Einfachbindung,
A² 1,4-Phenylen, 3-Fluor-1,4-phenylen, 3,5-Difluor-1,4-phenylen oder eine Einfachbindung,
X F, Cl, -CF₃, -OCF₃ oder -OCHF₂ und
Y und Z jeweils unabhängig voneinander H oder Fbedeuten.
2. Verwendung der Dioxaborinane der Formel I nach Anspruch 1 als Komponenten flüssigkristalliner Medien für elek­ trooptische Anzeigen.
3. Flüssigkristallines Medium für elektrooptische Anzeigen mit mindestens zwei flüssigkristallinen Komponenten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Komponente ein Dioxaborinan der Formel I nach Anspruch 1 ist.
4. Elektrooptische Anzeige auf der Basis einer Flüssig­ kristallzelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig­ kristallzelle ein Medium nach Anspruch 3 enthält.
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