JP2561128B2 - 光学活性化合物及びその用途 - Google Patents

光学活性化合物及びその用途

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は新規な光学活性化合物、液晶組成物及び光ス
イツチング素子に関する。
〔従来の技術〕
液晶表示素子の表示方式として現在広く実用に供され
ているものは、ねじれネマチツク型(TN)及び動的散乱
型(DS)である。これらはネマチツク液晶を主成分とし
たネマチツク液晶セルによる表示であるが、従来のネマ
チツク液晶セルの短所の一つに応答速度が遅く、最高数
ミリ秒のオーダーの応答速度しか得られないという事実
があげられる。そしてこのことがネマチツク液晶セルの
応用範囲を制約する一因となつている。これに対して最
近スメクチツク液晶セルを用いればより高速な応答が得
られることが明らかになつてきた。
光学活性なスメクチツク液晶の中には強誘電性を示す
ものがあることが知られており、その応用に関して大き
な関心が持たれている。強誘電性液晶は、1975年、R.B.
メイヤー(R.B.Meyer)ら〔ジユルナール・ド・フイジ
ーク(J.Phys.)、第36巻、第L69頁(1975)〕により最
初に合成されたが、それは、4−(4−n−デシルオキ
シベンジリデンアミノ)−2−メチルブチルシンナメー
ト(DOBAMBC)を代表例とするシツフ塩基系の化合物で
あり、これが特定の状態、例えばカイラルスメクチツク
C相において強誘電性を示すことを特徴とするものであ
る。その後、N.A.クラーク(N.A.Clark)ら〔アプライ
ド・フイジクス・レターズ(Appl.Phys.Lett.)第36
巻、第899頁(1980)〕により、DOBAMBCの薄膜セルにお
いて、マイクロ秒オーダーの高速応答性が発見され、こ
れが契機となつて強誘電性液晶はその高速応答性やメモ
リ性を利用して、液晶テレビ等のデイスプレイ用のみな
らず、光プリンターヘツド、光フーリエ変換素子、ライ
トバルブ等のオプトエレクトロニクス関係素子の部品に
も使用可能な材料として注目を集めている。強誘電性液
晶セルにおいては、誘電率が高く、自発分極が大きい材
料を用いるほどセルを高速駆動できて有利であるため、
自発分極の大きい材料の開発が望まれている。
また実用上は、液晶化合物あるいは組成物自身が安定
であり、更には、室温を中心とする広い温度範囲で強誘
電性を示すことが必要である。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、DOBAMBCなどのシツフ塩基型の化合物は水や
光等に対する安定性の点で難点があり、また強誘電性を
示す温度範囲も室温より40℃以上高温側にあるなど、実
用に適するものではなかつた。そこで、強誘電性液晶材
料として、物理的化学的に安定で、しかも大きい自発分
極を持つ材料系の実現が強く期待されている。
本発明の目的は化学的安定性、光安定性に優れ、自発
分極が大きく、かつカイラルスメクチツクC相の温度範
囲の広い新規光学活性化合物を得ることにある。また本
発明はこのような光学活性化合物あるいは液晶組成物を
用いて高速応答性を有する表示素子等を提供しようとす
るものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明を概説すれば、本発明の第1の発明は光学活性
化合物に関する発明であつて、下記一般式I: (但し、Xは塩素あるいはフツ素を示し、mは1あるい
は2、R1は炭素数4以上のアルキル基、アルキルオキシ
基を、R2は炭素数4以上のアルキル基を示し、R1、R2
いずれか一方は光学活性基である)で表されることを特
徴とする。
また、本発明の第2の発明は液晶組成物に関する発明
であつて、第1の発明の光学活性化合物の少なくとも1
種を成分として含有することを特徴とする。
そして、本発明の第3の発明は光スイツチング素子に
関する発明であつて、第1の発明の光学活性化合物、あ
るいはこの化合物の少なくとも1種を成分として含有す
る液晶組成物を使用して構成されることを特徴とする。
一般式(I)の化合物は、分子の長軸に対して横方向
にフッ素及び塩素を含有しているほか、更にこれ以外に
不斉炭素にカルボニル基を直接結合させている場合もあ
るために、高い施光性を有している。また、中心骨格は
ビフエニルカルボン酸エステルあるいは安息香酸フエニ
ルエステル構造を有しており、更に分子の両末端に長鎖
アルキル基(炭素数4〜18が好ましい)が存在するので
それ自身が液晶性を示すものである。
また、複数のフツ素が含まれることにより表面エネル
ギーの低下が起こるため、強誘電性液晶に不可欠な薄い
セル内において、ドメインの回転に対する抵抗が非フツ
素系化合物に比較して減少することが予想され、表示素
子として使用する場合に高速応答性が期待できる。
〔化合物の製法〕
本発明における一般式(I)の光学活性液晶化合物
は、例えば次のような合成経路に従つて製造することが
できる。
上記製造過程を概説すると、始めにハロゲン化−4−
ヒドロキシ安息香酸類(II)をパーチヤルらの報告〔J.
M.Birchallほか、ジヤーナル・オブ・ケミカル・ソサエ
テイ(J.Chem.Soc.),1971年、第1343頁〕に記載されて
いる方法に従い、クロロフルオロベンゾニトリル類と水
酸化ナトリウムとの反応で製造する。
ここで使用する3−クロロテトラフルオロベンゾニト
リル又は3,5−ジクロロトリフルオロベンゾニトリルは
石川らの報告(高岡昭生、石川延男ほか、日本化学会
誌、1985年、第2155頁)に準じてペンタクロロペンゾニ
トリルから製造できる。次にこれらを酸触媒の存在下に
光学活性アルコール等のアルコール類と反応させてハロ
ゲン化−4−ヒドロキシ安息香酸アルキルエステル(II
I)を製造する。但し2級アルコールとの反応では、上
記の反応も適用可能であるが、より好ましくは、上記バ
ーチヤルらの報告に準じ、クロロフルオロベンゾニトリ
ル類の4−位ハロゲンをメトキシ基に変え、アルカリに
よりニトリル基を加水分解してカルボン酸とし、酸クロ
ライドとした後エステル化し、次いで脱メチル化して
(III)を製造する方が光学純度の高い目的化合物を製
造することができる。
最後に酸クロライド(IV)とヒドロキシエステル化合
物(III)とをピリジン等の塩基の存在下に反応させて
一般式(I)の化合物を製造することができる。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する
が、本発明の適用範囲はこれらの実施例によつて限定さ
れるものではない。
実施例1 化合物 4−ヒドロキシ−3−クロロトリフルオロ安息香酸23
g及び光学活性−2−メチルブタノール8.8gをp−トル
エンスルホン酸1.3g、トルエン370mlと共に加熱還流さ
せ、デイーンスターク水分離器で生成する水を系外に除
去しながら32時間反応させ、冷却後水を加えてトルエン
抽出し、希水酸化ナトリウム水溶液で抽出し、この水溶
液を塩酸で酸性にすると油状物が生成した。これをエー
テル抽出し、水で洗浄して無水硫酸マグネシウムで乾燥
し、エーテルを留去してヘキサン−クロロホルムを溶媒
としてシリカゲルのカラムを通し、3−クロロ−4−ヒ
ドロキシトリフルオロ安息香酸−(2−メチルブチル)
エステル(III)を得た。
次に4−デシルオキシ安息香酸1.5gを塩化チオニル20
mlと加熱反応させて酸クロライドとし、塩化チオニルを
留去して得られる生成物のトルエン溶液を上記化合物
(III)1.5gのピリジン40mlの溶液に徐々に加えて55〜7
1℃で8時間反応させ、一夜放置後水に注いでトルエン
で抽出し、トルエン溶液を希炭酸水素ナトリウム水溶
液、次いで水で洗浄して無水硫酸マグネシウムで乾燥
し、溶媒を減圧下に留去した残留物をシクロヘキサン−
トルエンを溶媒とするシリカゲルのカラムクロマトグラ
フイで精製し、更にヘプタンを用い低温で再結晶して、
化合物〔一般式(I)においてR1=C10H21O、R2=CH2
C*H(CH3)C2H5、m=1、X=Fの化合物〕を製造し
た。
この化合物を透明電極の間隙が約3μmのガラスセル
に封入し、±5V、1Hzの電界を印加しながら偏光顕微鏡
で観察すると、温度降下時に14℃まで電界の反転に伴い
ドメインも反転するのが認められた。その他の相転移温
度は表1に示してある。なおCryは結晶状態、SC*は強
誘電性のカイラルスメクチツクC相で、上記の電界に対
して少なくとも一部が応答する相である。SAはスメクチ
ツクA相、Iは等方性液相を示している。また・はその
相が存在することを示している。なお()はその相がモ
ノトロビツクであることを示している。
この化合物を電極間隙120μmのセルに封入し、宮里
らが報告している三角波法〔K.宮里、S.アベ、H.タケゾ
エ、A.フカダ及びE.クゼ(K.Miyasato、S.Abe、H.Takez
oe、A.Fukada、E.Kuze)、ジヤパニーズ・ジヤーナル・
オブ・アプライド・フイジクス(Jpn.J.Appl.Phys.)、
1983年、第22巻、第L661頁〕で自発分極を測定したとこ
ろ、その値は15nC/cm2であつた。
実施例2 化合物 光学活性−2−メチルブタノールの代わりに光学活性
−2−オクタノールを用いる以外は実施例1と同様にし
て化合物〔一般式(I)においてR1=C10H21O、R2
C*H(CH3)C6H13、m=1、X=Fの化合物〕を製造
した。
この化合物の転移温度を表1に示す。また実施例1と
同様にして測定した自発分極の値は67nC/cm2であつた。
実施例3 化合物 4−デシルオキシ安息香酸の代わりに4′−オクチル
オキシ−4−ビフエニルカルボン酸を用いる以外は実施
例1と同様にして化合物〔一般式(I)において、R1
=C8H17O、R2=CH2C*H(CH3)C2H5、m=2、X=F
の化合物〕を製造した。この化合物の転移温度は表1に
示した通りである。また実施例1と同様にして測定した
自発分極の値は12nC/cm2であつた。
実施例4 化合物 4−デシルオキシ安息香酸の代わりに4′−デシルオ
キシ−4−ビフエニルカルボン酸および光学活性−2−
メチルブタノールの代わりに光学活性−2−ブタノール
を用いる他は実施例1と同様にして化合物〔一般式
(I)においてR1=C10H21O、R2=C*H(CH3)C2H5
m=2、X=Fの化合物〕を製造した。
この化合物の転移温度は表1に示した通りである。ま
た実施例1と同様にして測定した自発分極の値は60nC/c
m2であつた。
実施例5 化合物 4−デシルオキシ安息香酸の代わりに4′−オクチル
オキシ−4−ビフエニルカルボン酸および光学活性−2
−メチルブタノールの代わりに光学活性2−オクタノー
ルを用いる他は実施例1と同様にして化合物〔一般式
(I)においてR1=C8H17O、R2=C*H(CH3)C6H13
m=2、X=Fの化合物〕を製造した。
この化合物の転移温度は表1に示してある。
実施例6 化合物 4−ヒドロキシ−3−クロロトリフルオロ安息香酸に
代えて4−ヒドロキシ−3,5−ジクロロジフルオロ安息
香酸、光学活性−2−メチルブタノールに代えて光学活
性−2−オクタノール、4−デシルオキシ安息香酸に代
えて4′−デシルオキシ−4−ビフエニルカルボン酸を
用いる以外は実施例1と同様にして化合物〔一般式
(I)においてR1=C10H21O、R2=C*H(CH3)C
6H13、m=2、X=Clの化合物〕を製造した。
この化合物の転移温度は表1に示した通りである。
実施例7 化合物 4−デシルオキシ安息香酸の代わりに光学活性−4′
−(1−メチルヘプチル)−4−ビフエニルカルボン
酸、光学活性−2−メチルブタノールの代わりに1−オ
クタノールを用いる以外は実施例1と同様にして化合物
〔一般式(I)においてR1=C6H13C*H(CH3)、R2
=C8H17、m=2、X=Fの化合物〕を製造した。
この化合物の転移温度は表1に示してある。また実施
例1と同様にして測定した自発分極の値は54nC/cm2であ
つた。
実施例8 ≪液晶組成物≫ 実施例1における化合物の15重量部に対して、ノン
カイラルのスメクチツク液晶である下記構造式の4′−
(2−メチルブチル)−4−ビフエニルカルボン酸(4
−ヘキシルオキシフエニル)エステル34重量部、及び
4′−オクチルオキシ−4−ビフエニルカルボン酸(4
−ペンチルオキシフエニル)エステル51重量部を混合し
て液晶組成物を調製した。
この液晶組成物は10〜52℃の範囲でSC*相を示し、そ
の温度範囲がそれぞれ単独の化合物に比較して著しく拡
大された。
実施例9 ≪液晶組成物≫ 実施例2〜4における化合物〜のそれぞれ11、1
5、及び18重量部に対して、実施例8におけるノンカイ
ラルのスメクチツク液晶をそれぞれ30及び26重量部混合
して液晶組成物を調製した。この液晶組成物は8〜64℃
の範囲でSC*相を示し、その温度範囲がそれぞれ単独の
化合物に比較して著しく拡大された。
以上2つの実施例で示したように、構造の異なる液晶
化合物を混合することにより、単独で用いるよりも広い
温度範囲、しかも室温の上下でカイラルスメクチツクC
液晶となる液晶組成物を得ることができる。
実施例10 ≪光スイツチング素子≫ 透明電極上のポリイミド膜にラビング配向処理を施
し、アルミナ粉末により電極間隙を約3μmに保持した
ガラスセルに、実施例7で得られる化合物を加熱して
等方性液相として充填した。このセルを徐冷してSC*相
を出現させ、67℃に保持し、±20V、10Hzの方形波を印
加したときの透過光強度の変化を光電子増倍管で測定し
た結果、光強度の0〜90%変化で定義した応答時間は82
μsecであり、高速な応答性を示した。
実施例11 ≪光スイツチング素子≫ 実施例8及び9で調製した液晶組成物を用いて、実施
例10と同様にしてセルを作製した。測定温度を25℃とす
る以外は実施例10と同一条件で求めた応答時間はそれぞ
れ180及び57μsecであり、高速な応答性を示した。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、一般式(I)で
示される光学活性化合物、あるいはこの光学活性化合物
の少なくとも1種を成分として含有する液晶組成物を用
いることにより、カイラルスメクチツクC液晶相の温度
範囲が従来の非ハロゲン系材料よりも低下するため、室
温を含む広い温度範囲で動作し、また自発分極が大きい
ために表示素子として用いる場合に高速応答性が可能と
なる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G02F 1/13 500 G02F 1/13 500 // C07M 7:00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下記一般式I: (但し、Xは塩素あるいはフツ素を示し、mは1あるい
    は2、R1は炭素数4以上のアルキル基、アルキルオキシ
    基を、R2は炭素数4以上のアルキル基を示し、R1、R2
    いずれか一方は光学活性基である)で表されることを特
    徴とする光学活性化合物。
  2. 【請求項2】請求項1記載の光学活性化合物の少なくと
    も1種を成分として含有することを特徴とする液晶組成
    物。
  3. 【請求項3】請求項1記載の光学活性化合物、あるいは
    この化合物の少なくとも1種を成分として含有する液晶
    組成物を使用して構成されることを特徴とする光スイツ
    チング素子。
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