JP2001506582A - 液晶性を有するキラル化合物及びこれを採用した強磁性液晶装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 式(I)の化合物は、キラルスメクチックC相の範囲が広くて安定性に優れる（式中、Rは炭素原子が1〜14個の炭化水素基で、Xはハロゲン原子であり、R¹は炭素原子が3〜8個の分枝アルキル基を示す）。

Description

【発明の詳細な説明】 液晶性を有するキラル化合物及びこれを採用した強磁性液晶装置技術分野 本発明はキラルスメクチックC相[S_C*]を示す新規の化合物の合成及びこれを採 用する強磁性液晶装置に関する。背景技術 液晶相にある有機化合物は、体系的な方式で光と相互作用する電気活性媒体（ electro-active media）を提供する。この電気光学特性が表示装置の製造に用い られてきた。ここで用いられる有機化合物の構造的な要件は装置の相と類型によ って変わる。1975年、対称性に対する研究を通じてキラル分子を有してなる傾い たスメクチック相で強磁性の存在有無を調べる方法が提案されている[R．B．Mey er、L．Liebert，L．Strzelecki、及びP．Keller、J．Phys.（Paris）Lett．36 L-69.]。その後、1980年に強磁性を活用する電気光学効果が説明された[NA.Clar k and S.T.Lagerwall,Appl.Phys.Lett.36,899]。 従来のネマチック技術と比較される双安定性素子の主な長所は、スイッチング タイムが100倍乃至1000倍速いということにある。キラルスメクチックC相はこの 特性を有する最も流体的な相であるので、この相を示す化合物の合成が産業的に 重要性を有するようになった。この化合物を有用とするためには、この化合物が 広範囲なスメクチックC*相を有すること以外にも化学的、光化学的、熱的及び電 気的安定性を有すべきである。スメクチックC*相の次のスメクチックA相は配向 の質を改善することが知られているので、望ましい。 この特性及びその他の必要な特性が、定量的な方式であるものの、構造的なパ ラメータとして表現された。従って、エーテル結合を通じて共役ブリッジ基を有 する2〜3個の芳香族環を含むコアに結合されている8〜12個のメチレン単位より なるn-アルキル鎖と、側面双極性を増進することによって分子の長軸に対するキ ラル炭素の回転を阻止する作用基により度々置換された分枝アルキル鎖を有 するキラル成分が、スメクチックC*相を示す化合物における共通的な特徴を形成 する。この相を示す新規の化合物を探すために数回の実験を遂行した結果、粘度 を低める復素環式コアを有し、キラル炭素にシアノ基のような強い電気陰性基が 導入されて側面双極性を増進する構造を有する化合物を作るようになった[USP 5 ,389,290;USP 5,380,460;USP 5,486,309]。しかし、要求される特性の最適化は 、スメクチックC*相を示す種々の化合物の混合物を用いることによってさらに容 易になさ、キラル分子がドーピングされたスメクチックC相が強磁性相を示すこ とが明らかになったので[W．Kuczynski及びH．Stegemeyer、Chem．Phys．Lett. 、70、123(1980)]、この結果は他のシステムにも広範囲に適用されるようになっ た[USP 5,378,394;USP 5,439,612]。 従って、従来の化合物は完全に満足できるものではない。特に、従来のキラル 化合物は前述した全ての要件を同時に満足できなかった。発明の開示 従って、本発明の目的は、広い温度範囲に亙ってキラルスメクチックC相を示 し安定性が良い新規の化合物を提供することにある。 本発明の他の目的は、前記化合物を採用する強磁性液晶装置を提供することに ある。 本発明の第１の目的は、下記式に示す化合物により達成される。 式中、Rは炭素原子を1〜14個有する炭化水素基で、Xはハロゲン原子であり、R¹ は炭素原子を3〜8個有する分枝アルキル基を示す。 本発明の第２の目的は、二つの電極層間に配置された液晶層を有する強磁性液 晶装置であって、液晶層が上記式に示すキラル芳香族化合物を主成分として含有 する強磁性液晶装置により達成される。図面の簡単な説明 図1A、1B、1C、1D、1E、1F及び1Gは各々、化合物２、３、５、６、７、８及び ９のプロトン磁気共鳴プロットを示す。 図2A、2B及び2Cは各々、化合物７、８及び９の示差走査熱量(D.S.C)を示す。発明を実施するための最良の態様 本発明の化合物は下記式で示される。 Rは炭素原子を1〜14個有する炭化水素基を示す。好ましくは、Rは炭素原子を1 〜14個有する直鎖アルキル基であり、炭素原子を6〜12個有するのがより好まし い。Xはハロゲン原子(F、Br、ClまたはI)を示し、塩素であるのが好ましい。R¹ は炭素原子を3〜8個有する分枝アルキル基を示し、炭素原子を３個、４個又は５ 個の有するのが好ましい。分枝が多数存在する場合も本発明の範囲内に属すると 考えられるが、１つの分枝が存在するのが好ましい。ある態様として、R¹は唯一 の分枝置換体としてメチル基を含む。メチル分枝基は１番目、２番目または３番 目の炭素原子(ハロゲン化した炭素原子からカウンティングする場合)に位置する のが好ましく、その中でも１番目または２番目の炭素原子に位置するのがさらに 好ましい。R¹の例としてイソプロピル基、2-メチルプロピル基及び1-メチルプロ ピル基が含まれる。 コアに存在する側面メトキシ基は、ハロゲン原子が結合されたキラル炭素に隣 接するエステルカルボニルの回転を制限する位置に存在する。本発明の化合物は 一般に、少なくとも60℃の幅、好ましくば少なくとも70℃の幅を有する温度範囲 に亙ってキラルスメクチックC相を示す。 本発明の化合物はすべて、当技術分野で公知の通常の合成方法によって過度な 試験過程なく公知の出発物質及び/または市販入手可能な出発物質より合成でき る。本発明の化合物はバニリン酸のアルコキシビフェニルエステルを含むが、こ こでフェノール基は光学的に活性がある対応するハロアルキル酸によりエステル 化している。−C(X)R¹基は1-バリン、1-ロイシン及び1-イソロイシンのような光 学的に活性があるアミノ酸のハロ-類似体より簡単に得られる。即ち、それらの アミノ基が従来からの反応、例えば塩化ジアゾニウムを用いる方法により、ハロ ゲンに置換できる。本発明の化合物を合成するための望ましい方法を、本発明の 化合物[7]〜[9]について以下に説明するが、下記実施例でより詳細に説明する。 本発明の他の化合物も類似の方法によって合成できる。 （a）Na/エタノール及びアルキルブロマイド （b）Na/エタノール及びベンジルブロマイド （c）KOH/水性エタノール （d）DMAP-pTS[4]、DCC(溶媒:塩化メチレン) （e）H₂−Pd/C(溶媒:ジオキサン) （f）DMAP−p TS、DCC及び対応する酸(溶媒:塩化メチレン) 二つのキラル炭素を有する本発明の化合物[9]は本発明の化合物[8]の異性体で あるが、化合物[7]はそれに結合されたキラル酸の低級相同体を有している。従 って、塩化メチレン溶媒中の4-N,N'-ジメチルアミノピリジニウム4'-トルエンス ルホネート及びN,N'-ジシクロヘキシルカルボジイミドの存在下でアルコキシビ フェノルとベンジルオキシバニリン酸とを縮合してエステル[5]を形成した後、 このエステルをジオキサン溶媒中でPd/C触媒存在下、水素化分解して前駆体フエ ノール[6]を形成した。Rがn-デシルであるの反応生成物を、Bruker 200MHz NMR 及び溶媒として重水素置換クロロホルム(CDCl₃)を用いて、図1A〜1Gに示すプロ トン磁気共鳴によって特性決定した。 メゾフェーズの集合組織（texture）を偏光顕微鏡で観察し、示差走査熱量計 を用いて遷移現象に対しても調べた。中間体のエステル[5]はエナンチオトロピ ックネマチック相を示すことがわかる。Rがn-デシルである最終化合物[7]〜[9] は全て望ましいキラルスメクチックC相を示す。化合物[7]及び[9]において、キ ラルスメクチックC相の次はスメクチックA相が、その次はキラルネマチック相が 従う。反面、化合物[8]はC*相以後にスメクチックA相を示し、直ちに等方性液相 に行く。偏光顕微鏡を通じて観察すれば(表面処理を全くしない状態で観察する) 、化合物[7]の場合には帯状焦点円錐状の集合組織(banded focal conictexture) が観察され、他の二種類の化合物の場合にはホメオトロピック(homeotropic)ス メクチックA相を冷却すればシュリーレン集合組織が観察された。 化合物[7]、[8]、及び[9]の示差熱量プロットを図2A〜2Cに示す。これは、加 熱及び冷却走査を各々10℃／分の速度で実施したNetzsch装置で得た。スメクチ ックC*相-スメクチックA相遷移は冷却サイクルだけでなく加熱サイクルでも存在 する。キラルスメクチックC相は、主な相であるが、平均約45℃のエナンチオト ロピック温度範囲を有し、化合物の融点より平均約40℃以下の室温まで過冷却さ れる。従って、試料が冷却される時、キラルスメクチックC相が室温に過冷却さ れることによって、全体相の範囲が化合物[7]と[8]の場合には75℃以上、化合物 [9]の場合には約95℃以上になる。 デシル相同体の調製例を以下に詳述する。しかし、この特定な例は、本発明の 好ましい態様であるが、単に例示のためのものであって、本発明の範囲を限定す るものと認識してはいけない。 工程[A] 純粋エタノール（200ml）にナトリウム（0.05g原子）を添加して調製したナト リウムエトキシドの攪拌溶液に、4,4'-ビフェノール（0.05モル）を添加し、反 応混合物を１時間還流した。その後、この暗色溶液を室温に冷却し、そこに1-ブ ロモデカン（0.055モル）を添加した。攪拌下で24時間還流し続けた。次いで、 エタノールを減圧留去し、残留する反応混合物を氷冷10％HCl水溶液（50ml）に 入れた。有機層を酢酸エチル（2×100ml）で抽出した。酢酸エチル層に浮遊する 不溶性固体物質をろ過して除去した。集めた清澄有機層を水（3×100ml）で洗浄 し、無水硫酸ナトリウム上で乾燥させ、ろ過して溶媒を除去した。 こうして得た固体物質を冷却石油エーテルに入れて攪拌した後、エーテル層を除 去した。ここで得た固体物質をアセトンを用いて結晶化した後、エタノールを用 いて２回再結晶化して、所望の純粋な生成物[1]を得た(52%)m.p．147℃(報告値m .p．149℃)[V．Vill、Liquid Crystals，Landolt-Bornstein New Series，Group IV，Vol．7a〜7d，Ed．J．Thiem，Springer-Verlag 1992〜4]。 工程[B] 純粋エタノール（150ml）にナトリウム（0.043g原子）を添加して調製したナ トリウムエトキシドを攪拌溶液に、4-ヒドロキシ-3-メトキシベンゾエート（0.0 4モル）を添加し、反応混合物を１時間還流した。この溶液を室温に冷却した後 、その清澄溶液にベンジルブロマイド（0.044モル）を添加した。その後、反応 混合物を８時間還流した。反応完了後、エタノールを減圧留去し、残留物を氷冷 した水（60ml）に入れた。有機部分を塩化メチレンで２回洗浄した後、集めた有 機層（200ml）を５％水酸化ナトリウム水溶液（5×60ml）、水（1×75ml）、希H Cl（2×60ml）及び水（2×60ml）で連続的に洗浄した。その後、溶液を無水硫酸 ナトリウム上で乾燥し、ろ過した。溶媒を除去し白色固体物質を得た後、これを 冷却石油エーテルに入れて攪拌した。エーテル層を除去して得た生成物[2]をエ タノールを用いて結晶化した(83%)m.p．80℃。 工程[C] エチル4-ベンジルオキシ-3-メトキシベンゾエート（0.028モル）、水酸化カリ ウム（0.041モル）、水（4ml）及びエタノール（20ml）の混合物を４時間激しく 還流した。この反応混合物を過剰量の水（200ml）に入れて冷たい希HClで酸性化 して白色の沈殿物を得た後、アセトンで結晶化しエタノールで再結晶化して所望 の酸[3]を得た(90%)m.p．172℃。 4-N,N-ジメチルアミノピリジニウム-4'-トルエンスルホネートの調製 4-N,N-ジメチルアミノピリジン（0.1モル）の乾燥ベンゼン温溶液を、攪拌し たp-トルエンスルホン酸（0.11モル）の乾燥ベンゼン温溶液に加えて、即座に白 色粉状物の沈殿を得た。その後、反応混合物を冷却し、生成物[4]をろ過し、乾 燥した（95％）m.p．168℃[Moore，J．S.及びStupp S．I.，Macromolecules 199 0，23，65]。 工程[D] 塩化メチレン（60ml）中に4(4'-デシルオキシフェニル)フェノール（0.015モ ル）、4-ベンジルオキシ-3-メトキシ安息香酸（0.0155モル）及び4-N,N-ジメチ ルアミノピリジニウム-4'-トルエンスルホンネート（0.076モル）が攪拌された 混合物に、N,N'-ジシクロヘキシルカルボジイミド（0.025モル）の塩化メチレン （10ml）溶液を添加した。反応混合物を室温で36時間攪拌し続けた。その後ろ過 し、溶媒（50ml）を添加して希釈した後、５％水酸化ナトリウム（3×50ml）、 水（1×50ml）、希HCl（1×50ml）及び水（2×50ml）で連続的に洗浄した。次い で、無水硫酸ナトリウム上で乾燥させ溶媒を除去した後得た固体物質に対して、 シリカゲル上でクロマトグラフィーを実施し、30％クロロホルムのヘキサン混合 物で溶出した。溶媒を蒸発させた後得た純粋な固体物質をアセトンで結晶化して エステル[5]を得た(78％)m.p．132℃[K 132 N 146 I]。 工程[E] ５％Pd/C（2g）を含む、4',4''-デシルオキシビフェニル4-ベンジルオキシ-3- メトキシベンゾエート（0.011モル）の1,4-ジオキサン（60ml）溶液を室温で水 素雰囲気下で24時間激しく攪拌した。その後、ろ過して溶媒を減圧留去した。こ うして得た固体物質をエタノールで２回結晶化して所望の生成物[6]を得た（90% ）m.p．133℃。 工程[F] 化合物[5]に対して記載した手順と類似の手順を用いて、4',4”-デシルオキシ ビフェニル4-ヒドロキシ-3-メトキシベンゾエートを[S]-2-クロロ-3-メチルブタ ノン酸でエステル化して[S]-4',4”--デシルオキシビフェニル4-(2'''-クロロ-3 '''-メチルブタノイルオキシ)-3-メトキシベンゾエート[7]を合成した後、これ をカラムクロマトグラフィー法で精製しエタノールを用いて結晶化した(収率:75 %)m.p．67.0℃。メゾフェーズ遷移温度(℃)と遷移熱量(J/g)。K 67.0(40.3)S_C* 110.8（0.3）S_A 133.8（1.2）N* 139.1(1.4)I。 他の二種類のターゲットのエステル、即ち[S]-4',4”-デシルオキシビフェニ ル4-(2'''-クロロ-4'''-メチルペンタノイルオキシ)-3-メトキシベンゾエート[8 ]と[2S、3S]-4',4”-デシルオキシビフェニル4-(2'''-クロロ-3'''-メチルペン タ ノイルオキシ)-3-メトキシベンゾエート[9]に対しても前述した方法と同じ方法 で調製した。それに対して得た物理的な実験データは次の通りである。 化合物[8] 収率78%、m.p．69.5℃。メゾフェーズ遷移温度(℃)と遷移熱量(J/g)。K 69.3( 46.8)S_C* 109.0（1.1）S_A 117.8（5.7）I． 化合物[9] 収率76%、m.p．67.7℃．メゾフェーズ遷移温度(℃)と遷移熱量(J/g)．K 67.7( 54.5)S_C* 116.5（0.3）S_A 129.5（0.6）N* 133.7（1.9）I． 前述したように合成された全ての化合物において、スメクチックA相が、優勢 な相であるキラルスメクチックC相に後続する。また、このスメクチックC相のエ ナンチオトロピック温度範囲は約45℃であり、その化合物の融点より約45℃低い 室温に過冷却された。 以上、本発明を詳細に説明したが、これに対する様々な変形ができる。そのよ うな変形例は発明の精神と範囲を逸脱しないものと見なされるべきであり、当技 術分野の当業者にとって明白である変形例は全て添付された請求の範囲内に含ま れるものと解釈される。産業上の利用可能性 本発明の化合物は強磁性液晶表示装置に用いられるに適している。特に、従来 のキラルスメクチックC相化合物を本発明の化合物に置換するか又は従来の化合 物に加えて本発明の化合物を補充剤として用いることによって、実用的かつ広い 作動温度範囲を有する強磁性表示装置を得ることができる。また、本発明の表示 装置は、本発明の化合物の優れた安定性により安定性が良くて寿命が長い。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1．下記式で示されるキラル芳香族化合物（式中、Rは炭素原子が1〜14個の炭化 水素基で、Xはハロゲン原子であり、R¹は炭素原子が3〜8個の分枝アルキル基 を示す。）。 2．R¹が一つの分枝基を有するアルキル基である請求項１記載のキラル芳香族化 合物。 3．R¹が炭素原子を3〜5個有する請求項２記載のキラル芳香族化合物。 4．R¹にある一つの分枝基がメチル基である請求項３記載のキラル芳香族化合物 。 5．R¹がイソプロピル基である請求項１記載のキラル芳香族化合物。 6．R¹が2-メチルプロピル基である請求項１記載のキラル芳香族化合物。 7．R¹が1-メチルプロピル基である請求項１記載のキラル芳香族化合物。 8．Rが炭素原子を6〜12個の有するn-アルキル鎖である請求項１記載のキラル芳 香族化合物。 9．Xが塩素である請求項１記載のキラル芳香族化合物。 10.R¹がイソプロピル基、2-メチルプロピル基及び1-メチルプロピル基よりなる 群から選択される基である請求項９記載のキラル芳香族化合物。 11.二つの電極間に配置された液晶層を有する強磁性液晶装置であって、前記液 晶層が請求項１記載のキラル芳香族化合物を主成分として含有する強磁性液 晶装置。