JP2008174480A

JP2008174480A - イオン性化合物およびこれを含む液晶組成物

Info

Publication number: JP2008174480A
Application number: JP2007008588A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yoshizawa; 篤吉澤
Original assignee: Hirosaki University NUC
Current assignee: Hirosaki University NUC
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】Ｋｅｒｒ効果を用いた新規高速表示媒体に応用可能なキュービック相を安定化する液晶組成物を構成可能なイオン性化合物を提供すること。
【解決手段】下記一般式（化１）で表されるイオン性化合物。
【化１】

（式中、Ｉはスルホン酸ナトリウムなどのイオン性基。Ｌはエチレン基、フェニル基、シクロヘキサン基などの結合基。Ｓ１およびＳ２はエーテル、エステルおよび単結合などの結合基。Ａ１およびＡ２はそれぞれ独立した、直鎖または分枝を有し酸素を含んでも含まなくてもよい脂肪族スペーサー。Ｘ、Ｙはコアとよばれる堅い構造をもち、たとえば、ベンゼン、ピリミジン、シクロヘキサンなどからなり、その水素の一部がフッ素等のハロゲン原子で置換されているものも含む。Ｔ１、Ｔ２はシアノ基、フッ素基などの極性基、もしくはアルキル基またはアルコキシ基。）
【選択図】なし

Description

本発明はサーモトロピック液晶形成基をＵ型に組込んだ化合物にイオン性基を導入したイオン性化合物とこれを含む液晶組成物に係り、特にＫｅｒｒ効果を用いた新規高速表示媒体への応用が期待されているキュービック相の安定化を目的とした液晶組成物に関するものである。

Ｋｅｒｒ効果による電気光学特性は、次式に示すように、複屈折（Δｎ）が電界の二乗に比例することから、１ｍｓ以下の高速応答が期待される。
Δｎ＝ＫλＥ^２（Ｋ：Ｋｅｒｒ係数、λ：波長、Ｅ：電界強度）

つまり、電界無印加時には等方性であり、電界印可によって複屈折が生じる。したがって、配向膜を必要とせず、簡便な製造プロセスによって従来の液晶ディスプレイを凌駕する高速応答を得ることができる。これを可能とする媒体としてはキュービック相が挙げられ、キュービック相を用いた表示素子に係る技術が開示されている（特許文献１）。

特開２００５−２０２３９０号公報「表示素子および表示装置」

しかし、特許文献１において実施例として開示されている技術は、キュービック相を示す既知化合物であり、これらは表示媒体への応用を目的として合成されたものではない。

一方、サーモトロピックキュービック相の構造としては、双連結構造（bicontinuous cubic）やミセル構造（micellar cubic）などがある。これらの構造は光学的には等法的であるが、３次元では結晶の秩序を持ち、粘性が高いことが特徴である。したがって、これら粘性が高い既存のキュービック液晶材料では、Ｋｅｒｒ効果を用いた高速表示媒体に応用し得るような、高速応答を得ることは期待できない。

本願の目的は、かかる従来技術の限界を踏まえ、表示素子への応用のためのキュービック相発現の新しい手法を提供することにある。すなわち本発明の課題は、Ｋｅｒｒ効果を用いた新規高速表示媒体への応用が期待されているキュービック相を安定化することが可能な液晶組成物、およびその実現に必要な新規化合物を提供することである。

本願発明者は、液晶形成基をＵ型につなげた化合物がネマチック相の中に層構造をもつクラスターを誘起することを見出した(A.Yoshizawa & A.Yamaguchi, Chem.Commun.2002,2060)。さらに、フッ素基などの極性基をもつ液晶形成基をＵ型構造に組込んだ化合物を合成し、これらの化合物をネマチック液晶に添加したところ、系の誘電異方性が増幅され、液晶分子の配向変化のしきい電圧が顕著に減少することを見出した(A.Yoshizawa et al.,Jpn.J.Appl.Phys., 2004,43,L1549,A.Yoshizawa et al.,Chem.Mater.,2005,17,6442)。

一方、イオン性液晶化合物が幅広い温度でスメクチック液晶を形成することが知られており、その液晶発現の駆動力がイオン性基と疎水性基のミクロ相分離であると考えられている（氏家誠司、液晶、1999,3,85,液晶、2006,10,121）。そこで、ネマチック液晶形成基とイオン性基を併せ持つ化合物を設計・合成し、これを表示素子などに応用されているネマチック液晶と混合することによってキュービック相が発現することを見出し、本発明に至った。すなわち、本願において特許請求される発明、もしくは少なくとも開示される発明は以下の通りである。

（１）下記一般式（化１）で表されるイオン性化合物。

（式中、Ｉはスルホン酸ナトリウムなどのイオン性基。Ｌはエチレン基、フェニル基、シクロヘキサン基などの結合基。Ｓ１およびＳ２はエーテル、エステルおよび単結合などの結合基。Ａ１およびＡ２はそれぞれ独立した、直鎖または分枝を有し酸素を含んでも含まなくてもよい脂肪族スペーサー。Ｘ、Ｙはコアとよばれる堅い構造をもち、たとえば、ベンゼン、ピリミジン、シクロヘキサンなどからなり、その水素の一部がフッ素等のハロゲン原子で置換されているものも含む。Ｔ１、Ｔ２はシアノ基、フッ素基などの極性基、もしくはアルキル基またはアルコキシ基。）
（２）一般式（化１）で表される化合物を含有することを特徴とする液晶組成物。
（３）一般式（化１）で表される化合物を０．０５ｗｔ％以上７５ｗｔ％以下含有することを特徴とする液晶組成物。

本発明のイオン性化合物およびこれを含む液晶組成物は上述のように構成されるため、これによればキュービック相を有効に安定化することができ、Ｋｅｒｒ効果を用いた新規高速表示媒体へのキュービック相の応用を促進することができる。つまり本発明に係るイオン性化合物は、液晶テレビジョンやパソコンモニターなどのディスプレイ用、光プリンターヘッド、ライトバルブ等のオプトエレクトロニクス関連素子を構成する液晶組成物を作製する上で、極めて有効なものである。

イオン性基Ｉとしては、他にもたとえば、スルホン酸塩、カルボン酸塩、アンモニウム塩、ピリジニウム塩およびホスホニウム塩など、結合基Ｌとしては、他にもたとえば、直鎖または分枝をもつアルキル基あるいはアルケニル基など、結合基Ｓ１、Ｓ２としては、他にもたとえば、アミド基やスルホニル基など、脂肪族スペーサーＡ１、Ａ２としては、たとえば、−（ＣＨ_２）_ｎ−（Ｏ）_ｍ−（ここでｎは０または１以上の整数、ｍは０または１）などを用いてもよい。

また同様に、コア（堅い構造）Ｘ、Ｙとしては、他にもたとえば、ビフェニル基、ターフェニル基、ピリジン基、ピリダジン基、シクロヘキシル基、ジシクロヘキシル基、キノリン基、ナフチル基、チオフェン基、ジオキサン基、フェニル安息香酸エステル基、フェニルシクロヘキサンカルボキシレート基、シクロヘキシル安息香酸エステル基およびシクロヘキシルシクロヘキサンカルボキシレート基など、そして極性基、アルキル基またはアルコキシ基Ｔ１、Ｔ２としては、たとえば、ニトロ基、アミノ基、メトキシ基、トリフルオロメチル基、トリフルオロメトキシ基、フッ素などのハロゲン、さらには、直鎖または分枝をもつアルキル基あるいはアルケニル基などを用いてもよい。

なおまた、結合基Ｌや、スペーサーＡ１、Ａ２、さらにはコア（堅い構造）Ｘ、Ｙは、その炭素数は特に限定されない。ただし、原料入手の容易さ、製造工程、コスト等を考慮すると、炭素数は、たとえばスペーサーＡ１、Ａ２では０から２０の範囲であることが望ましい。

上記一般式（化１）で示される化合物のうち、代表的な化合物の理化学的性質を以下に示す。
Sodium bis{6-[4-(4-cyanophenyl)phenyloxy]hexyloxy}sulfosuccinate, SBCPHS（化２）

つまりSBCPHS（化２）においては、一般式（化１）中のイオン性基ＩとしてNaO₃S- が用いられている。同様に、結合基Ｌとしてエチレン基（-CH2-CH2-)、結合基Ｓ１、Ｓ２としてエステル結合(-COO-)、堅い構造Ｘ、Ｙとしてhexyloxybiphenyl、そして極性基、アルキル基またはアルコキシ基Ｔ１、Ｔ２としてシアノ基(-CN)が用いられている。

上記化合物SBCPHS（化２）の理化学的性質を表１に示す。

化合物SBCPHS（化２）の合成スキーム例を、下記（化３）に示す。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明がかかる実施例に限定されるものではない。
＜実施例１＞
Sodium bis{6-[4-(4-cyanophenyl)phenyloxy]hexyloxy}sulfosuccinate, SBCPHS の合成
＜１−１＞(Z)-But-2-ene-1, 4-dioic acid bis{6-[4-(4-cyanophenyl)phenyloxy]hexyloxy}ester の合成
4-cyano-4'-hydroxybiphenyl (983 mg, 5.0 mmol) と 1, 6-dibromohexane (1.83 g, 7.5 mmol) をcyclohexanone (20 ml)に溶解した溶液に、炭酸カリウム (709 mg, 5.1 mmol) を加えた。得られた反応混合物を70℃ で７時間撹拌した。沈殿物を濾別後、溶媒を留去した。残った混合物をトルエンを展開溶媒としてカラムクロマトグラフィーで精製し、4-cyano-4'-(6-bromohexyloxy)biphenyl を得た。収量は、982 mg (2.7 mmol, 55%)であった。

4-cyano-4'-(6-bromohexyloxy)biphenyl (1.5 g, 5.0 mmol) とmaleic acid (o.23 g, 2.3 mmol) を toluene (100 ml)に溶解した溶液に、p-toluenesulfonic acid monohydrate (0.19 g, 1.0 mmol)を加えた。その反応混合物を105 ℃ で20 時間加熱撹拌した。その反応混合物を水で洗った後、有機層を無水硫酸マグネシウムで乾燥した。乾燥剤を濾別し、溶媒を留去した。残った混合物をトルエン−酢酸エチル（７：１）の混合溶液を展開溶媒としてカラムクロマトグラフィーで精製し、エタノールから再結晶して目的化合物であるジエステルを得た。収量は 1.2 g (76 %)であった。得られた目的化合物の理化学的性質を、表２に示す。

＜１−２＞Sodium bis{6-[4-(4-cyanophenyl)phenyloxy]hexyloxy}sulfosuccinate, SBCPHS の合成
上記のジエステル (0.58 g, 0.86 mmol) をdioxane (60 ml)に溶解し、その混合溶液を50 ℃まで加熱した。その混合物を、sodium disulfite (0.64g) を水 (20 ml)に溶かした溶液に加えた。その反応混合物を還流下100時間加熱撹拌した。溶媒を留去した後、反応混合物をジクロロメタンで抽出した。有機層を濃縮後、残留物をジクロロメタン−メタノール（４：１）の混合溶液を展開溶媒としてカラムクロマトグラフィーで精製し、ヘキサンから再結晶して目的化合物を得た。収量は、 0.31 g (46 %)であった。得られた目的化合物の理化学的性質を、表３に示す。

合成された化合物SBCPHSの相転移挙動を偏光顕微鏡で観察したところ、液体から冷却時182℃で液晶相へ転移し、40℃でガラス転移した。加熱時は70℃で液晶相へ転移し、187℃で液体となった。

＜実施例２＞
液晶組成物の作製
本化合物と、ネマチック液晶Host A（4-cyanophenyl 6-octyloxynaphthalene 2-carboxylate）との等重量混合物を作製し、その相転移を調べた。冷却時には液体から125℃でキュービック相を発現し、109℃でネマチック相へと変わった。また、このキュービック−ネマチック相転移においてエンタルピー変化が観測されなかったことから、このキュービック相ではネマチック相と同様な微視的秩序があると推定された。

本発明のイオン性化合物およびこれを含む液晶組成物によればキュービック相を有効に安定化することができ、Ｋｅｒｒ効果を用いた新規高速表示媒体へのキュービック相の応用を促進でき、たとえば、液晶テレビジョンなどのディスプレイ用、光プリンターヘッド、ライトバルブ等のオプトエレクトロニクス関連素子を構成する液晶組成物を作製する上で、極めて有効であり、産業上利用価値が高い発明である。

Claims

下記一般式（化１）で表されるイオン性化合物。

（式中、Ｉはスルホン酸ナトリウムなどのイオン性基。Ｌはエチレン基、フェニル基、シクロヘキサン基などの結合基。Ｓ１およびＳ２はエーテル、エステルおよび単結合などの結合基。Ａ１およびＡ２はそれぞれ独立した、直鎖または分枝を有し酸素を含んでも含まなくてもよい脂肪族スペーサー。Ｘ、Ｙはコアとよばれる堅い構造をもち、たとえば、ベンゼン、ピリミジン、シクロヘキサンなどからなり、その水素の一部がフッ素等のハロゲン原子で置換されているものも含む。Ｔ１、Ｔ２はシアノ基、フッ素基などの極性基、もしくはアルキル基またはアルコキシ基。）
一般式（化１）で表される化合物を含有することを特徴とする液晶組成物。
一般式（化１）で表される化合物を０．０５ｗｔ％以上７５ｗｔ％以下含有することを特徴とする液晶組成物。