JP5958608B2 - 誘電率異方性が負の液晶性化合物、これを用いた液晶組成物および液晶表示素子 - Google Patents

誘電率異方性が負の液晶性化合物、これを用いた液晶組成物および液晶表示素子 Download PDF

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Description

本発明は液晶表示素子用の材料として有用な新規液晶性化合物およびこの化合物を含有する液晶組成物に関する。詳しくは低い粘度、他の液晶性化合物との良好な相溶性を持ち、加えて適切な大きさの光学異方性および誘電率異方性を有し、液晶表示素子に使用した場合には急峻な電気光学特性を有する新規液晶性化合物およびこの化合物を含有する液晶組成物ならびにこの液晶組成物を含有する液晶表示素子に関する。
液晶性化合物を含有した表示素子は、時計、電卓、ワ−プロなどのディスプレイに広く利用されている。これらの表示素子は液晶性化合物の光学異方性、誘電率異方性などを利用したものである。
液晶相には、ネマチック液晶相、スメクチック液晶相、コレステリック液晶相があるが、ネマチック液晶相を利用したものが最も広く用いられている。また表示方式としては動的散乱(DS)、配向相変形(DAP)、ゲスト/ホスト(GH)、ねじれネマチック(TN)、超ねじれネマチック(STN)、薄膜トランジスタ(TFT)、垂直配向(VA)、インプレ−ンスイッチング(IPS)、高分子支持配向(PSA)モードなどがある。
これらの表示方式で用いられる液晶性化合物は、室温を中心とする広い温度範囲で液晶相を示し、表示素子が使用される条件下で十分に安定であり、さらに表示素子を駆動させるに十分な特性を持たなくてはならないが、現在のところ単一の液晶性化合物でこの条件を満たすものは見いだされていない。
このため数種類から数十種類の液晶性化合物を混合することにより要求特性を備えた液晶組成物を調製しているのが実状である。これらの液晶組成物は、表示素子が使用される条件下で通常存在する水分、光、熱、空気に対して安定であり、また電場や電磁放射に対しても安定であるうえ、混合される化合物に対し化学的にも安定であることが要求される。また、液晶組成物には、その光学異方性(Δn)および誘電率異方性(Δε)などの特性が表示方式や表示素子の形状に依存して適当な値であることが必要とされる。さらに液晶組成物中の各成分は、相互に良好な溶解性を持つことが重要である。
良好な液晶表示を行うためには、それを構成する液晶表示素子のセル厚みと使用される液晶組成物の光学異方性の値は一定であることが好ましい(E.Jakemanら、Pyhs.Lett.,39A.69(1972))。また、液晶表示素子の応答速度は、用いられるセルの厚みの二乗に反比例する。それ故、動画などの表示にも応用できる高速応答可能な液晶表示素子を製造するには大きな光学異方性の値を有する液晶組成物を持たなくてはならない。大きな光学異方性の値を有する液晶性化合物として種々の化合物開発がおこなわれたが、一般に、このような大きな光学異方性を有する化合物は高度に共役した分子構造を有するが、その他の液晶性化合物との相溶性が悪い傾向があり、良好な電気特性を有する液晶組成物の構成成分として用いにくい。さらに、薄膜トランジスタ方式の液晶表示素子などの、高い絶縁性(比抵抗)を要求される液晶組成物の構成成分として用いられる液晶性化合物には、高い安定性を要求される。
また、上述した動作モードの中でもIPS、VA、PSAモードなどは、液晶分子の垂直配向性を利用した動作モードであり、TN、STNモードなどの従来の表示モードの欠点である視野角の狭さを改善可能であることが知られている。
そして、従来からこれら動作モードの液晶表示素子に使用可能な、負の誘電率異方性を有する液晶組成物の成分として、ベンゼン環上の水素がフッ素で置き換えられた液晶性化合物が数多く検討されてきている(特許文献1〜8参照。)。
例えば、特許文献1には、ベンゼン環上の水素がフッ素で置き換えられ、側鎖にアルキルを有する化合物(s−1)が、また、特許文献2には、ベンゼン環上の水素がフッ素で置き換えられ、側鎖にアルケニルを有する化合物(s−2)が検討されている。
Figure 0005958608
しかし、化合物(s−1)は、誘電率異方性が小さく、化合物(s−2)でも誘電率異方性の大きさは充分ではない。また、側鎖にアルキルを有し、側方基がハロゲンなどの極性基である化合物として特許文献3に化合物(s−3)が、特許文献4〜7には化合物(s−4)および化合物(s−5)が開示されている。
その他にも、特許文献8には、両側鎖がアルコキシであり、側方基がハロゲンなどの極性基である化合物(s−6)が開示されているが、本願のように両側鎖がアルコキシまたはアルケニルオキシである2環化合物や、中央の環に2,3−ジハロゲノ−1,4−フェニレンを有し、両側鎖がアルコキシまたはアルケニルオキシである3環化合物は開示されていない。
Figure 0005958608
Figure 0005958608
Figure 0005958608
そのうえ、化合物(s−3)は、誘電率異方性が非常に小さいため、これらを含有する液晶組成物では、液晶表示素子を駆動できない。また、化合物(s−4)および(s−5)では、誘電率異方性が充分大きくない上に、他の液晶性化合物との相溶性が低いため、液晶組成物中に少量しか含有させることができない。さらに、化合物(s−6)では、光学異方性が小さく、粘度が高いため、これらを含有する液晶組成物ではその駆動電圧を下げることができないなどの、さらに改良の求められる点がある。
特開平02−004725号公報 特開2000−053602号公報 特開平07−053432号公報 特開2004−035698号公報 特開2005−537520号公報 特開2007−007493号公報 特開2007−023071号公報 特開2001−316669号公報
したがって、IPSモード、VAモードおよびPSAモードなどの動作モードで使用される液晶表示素子であっても、CRTと比較すれば表示素子としてはいまだ問題があり、例えば、応答速度の向上、コントラストの向上、駆動電圧の低下が望まれている
上述したIPSモード、VAモードあるいはPSAモードで動作する表示素子は、主として、負の誘電率異方性を有する液晶組成物から構成されているが、上記特性などをさらに向上させるためには、液晶組成物に含まれる液晶性化合物が、以下(1)〜(8)で示す特性を有することが必要である。すなわち、
(1)化学的な安定性と物理的な安定性を有すること。
(2)高い透明点を有すること。透明点は、液晶相−等方相の転移温度である。
(3)液晶相の低い下限温度を有すること。液晶相は、ネマチック相、スメクチック相などを意味する。
(4)小さな粘度を有すること。
(5)適切な光学異方性を有すること。
(6)適切な負の誘電率異方性を有すること。大きな誘電率異方性を有する化合物は、大きな粘度を有することが多い。
(7)適切な弾性定数K33およびK11(K33:ベンド弾性定数、K11:スプレイ弾性定数)を有すること、および
(8)他の液晶性化合物との相溶性に優れること。
(1)のように化学的、物理的に安定な液晶性化合物を含む組成物を表示素子に用いると、電圧保持率を大きくすることができる。
また、(2)、(3)のように、高い透明点、あるいは液晶相の低い下限温度を有する液晶性化合物を含む組成物ではネマチック相の温度範囲を広げることが可能となり、幅広い温度領域で表示素子として使用することが可能となる。
さらに、(4)のように粘度の小さい化合物、(7)のように大きな弾性定数K33を有する化合物を含む組成物を表示素子として用いると応答速度を向上することができ、(5)のように適切な光学異方性を有する化合物を含む組成物を用いた表示素子の場合は、表示素子のコントラストの向上を図ることができる。
加えて、液晶性化合物が負の大きな誘電率異方性を有する場合には、この化合物を含む液晶組成物のしきい値電圧を低くすることができるので、(6)のように適切な負の誘電率異方性を有する化合物を含む組成物を用いた表示素子の場合には、表示素子の駆動電圧を低くし、消費電力も小さくすることができる。さらに(7)のように適切な弾性定数K33を有する化合物を含む組成物を表示素子として用いることで表示素子の駆動電圧を調整することができ、消費電力も調整することができる。
液晶性化合物は、単一の化合物では発揮することが困難な特性を発現させるために、他の多くの液晶性化合物と混合して調製した組成物として用いることが一般的である。したがって、表示素子に用いる液晶性化合物は、(8)のように、他の液晶性化合物などとの相溶性が良好であることが好ましい。また、表示素子は、氷点下を含め幅広い温度領域で使用することもあるので、低い温度領域から良好な相溶性を示す化合物であることが好ましい場合もある。
本発明の第一の目的は、従来技術の欠点を解消し、液晶性化合物に必要な一般的物性、熱、光などに対する安定性、小さな粘度、適切な大きさの光学異方性、適切な大きさの負の誘電率異方性、適切な大きさの弾性定数K33、K11および急峻な電気光学特性、ネマチック相の広い温度範囲、および他の液晶性化合物との優れた相溶性を有する液晶性化合物を提供することであり、特にネマチック相の広い温度範囲を有する液晶性化合物を提供することである。
第二の目的は、この液晶性化合物を含有し、ネマチック相の高い上限温度、ネマチック相の低い下限温度、小さな粘度、適切な光学異方性、および低いしきい値電圧を有する液晶組成物を提供することであり、特にネマチック相の高い上限温度およびネマチック相の低い下限温度を有する液晶組成物を提供することである。
第三の目的は、この組成物を含有し、使用できる広い温度範囲、短い応答時間、小さな消費電力、大きなコントラスト、および低い駆動電圧を有する液晶表示素子を提供することであり、特に、使用できる広い温度範囲を有する液晶表示素子を提供することである。
本発明者らは課題を解決するために鋭意検討した結果、側方基にハロゲンなどの極性基を有するビフェニル化合物が極めて大きな弾性定数K33(K33:ベンド弾性定数)、非常に低い粘度、高い化学的安定性、ネマチック相の広い温度範囲、大きな光学異方性、および適切な大きさの負の誘電率異方性を持つことを見出した。さらに上記化合物を含有する液晶組成物を用いると、急峻な電気光学特性、短い応答時間、広い動作温度範囲および駆動電力が小さい液晶表示素子を作製できることを見出した。従って、上記化合物は液晶表示素子、特に現在広く利用されているECB、IPS、VA、PSAモードなどの液晶表示素子に好適であることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
本発明は下記の項などである。
1. 式(i)で表される化合物。
Figure 0005958608

式中、RおよびRは独立して、炭素数1〜8のアルキルまたは炭素数2〜8のアルケニルであり;
環Aは、トランス−1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、または1,4−フェニレンであり;
環Aは、トランス−1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、2−フルオロ−1,4−フェニレン、3−フルオロ−1,4−フェニレン、2,3−ジフルオロ−1,4−フェニレン、2−フルオロ−3−クロロ−1,4−フェニレン、または2−クロロ−3−フルオロ−1,4−フェニレンであり;
およびQは独立して、フッ素または塩素であり;
hは、0、1、または2であり、hが2であるとき、環Aは同一であっても異なってもよい。
2. 式(1)で表される化合物。
Figure 0005958608

式中、RおよびRは独立して、炭素数1〜8のアルキルまたは炭素数2〜8のアルケニルであり;
環Aは、トランス−1,4−シクロヘキシレンまたは1,4−シクロヘキセニレンであり;
環Aは、トランス−1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、2−フルオロ−1,4−フェニレン、3−フルオロ−1,4−フェニレン、2,3−ジフルオロ−1,4−フェニレン、2−フルオロ−3−クロロ−1,4−フェニレン、または2−クロロ−3−フルオロ−1,4−フェニレンであり;
およびQは独立して、フッ素または塩素であり;
hは、0、1、または2であり、hが2であるとき、環Aは同一であっても異なってもよい。
3. hが0である、項2に記載の化合物。
4. hが1である、項2に記載の化合物。
5. 環Aが1,4−シクロヘキセニレンである、項2〜4のいずれか1項に記載の化合物。
6. QおよびQの一方がフッ素であり、他方が塩素である、項2〜5のいずれか1項に記載の化合物。
7. RおよびRの一方が炭素数2〜8のアルケニルである、項2〜6のいずれか1項に記載の化合物。
8. 式(1−a)で表される項2記載の化合物。
Figure 0005958608

式中、RおよびRは独立して、炭素数1〜8の直鎖アルキルまたは炭素数2〜8の直鎖アルケニルであり;
環Aは、トランス−1,4−シクロヘキシレンまたは1,4−シクロヘキセニレンであり;
およびQは独立して、フッ素または塩素である。
9. 環Aが1,4−シクロヘキセニレンである、項8に記載の化合物。
10. QおよびQの一方がフッ素であり、他方が塩素である、項8または9に記載の化合物。
11. RおよびRの一方が炭素数2〜8の直鎖アルケニルである、項8〜10のいずれか1項に記載の化合物。
12. RがCHCH=CHCH−である、項11に記載の化合物。
13. 式(1−b)で表される項2記載の化合物。

Figure 0005958608

式中、RおよびRは独立して、炭素数1〜8の直鎖アルキルまたは炭素数2〜8の直鎖アルケニルであり;
環Aおよび環Aは独立して、トランス−1,4−シクロヘキシレンまたは1,4−シクロヘキセニレンであり;
およびQは独立して、フッ素または塩素である。
14. 環Aおよび環Aが共に、トランス−1,4−シクロヘキシレンであり、QおよびQが共に、フッ素である、項13に記載の化合物。
15. 式(1−c)で表される化合物。
Figure 0005958608

式中、RおよびRは独立して、炭素数1〜8の直鎖アルキル、または炭素数2〜8の直鎖アルケニルであり;
環Aは、トランス−1,4−シクロヘキシレンまたは1,4−シクロヘキセニレンであり;
およびQは独立して、フッ素または塩素であり;
およびQは独立して、水素、フッ素または塩素であり、QおよびQの一方はフッ素である。
16. 環Aがトランス−1,4−シクロヘキシレンであり、Q、Q、およびQがフッ素であり、Qが水素である、項15に記載の化合物。
17. 環Aがトランス−1,4−シクロヘキシレンであり、Q、Q、Q、およびQがフッ素である、項15に記載の化合物。
18.
式(i−d)で表される請求項1記載の化合物。
Figure 0005958608

式中、RおよびRは独立して、炭素数1〜8の直鎖アルキルまたは炭素数2〜8の直鎖アルケニルであり;
およびQは独立して、フッ素または塩素であり;
およびQは独立して、水素、フッ素または塩素であり、QおよびQの一方はフッ素である。
19. 項1〜18のいずれか1項に記載の化合物を少なくとも1つ含有することを特徴とする液晶組成物。
20. 一般式(2)、(3)、および(4)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項19に記載の液晶組成物。
Figure 0005958608

式中、Rは独立して炭素数1〜10のアルキルまたは炭素数2〜10のアルケニルであり、これらにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよく;
はフッ素または塩素であり;
環A、環A、および環Aは独立して、トランス−1,4−シクロヘキシレン、トランス−1,3−ジオキサン−2,5−ジイル、ピリミジン−2,5−ジイル、トランス−1−ピラン−2,5−ジイル、または任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレンであり;
およびZは独立して、−(CH22−、−(CH24−、−COO−、−CF2O−、−OCF2−、−CH=CH−、−C≡C−、−CHO−、または単結合であり;
およびLは独立して、水素またはフッ素である。
21. 一般式(5)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項19に記載の液晶組成物。
Figure 0005958608

式中、Rは炭素数1〜10のアルキルまたは炭素数2〜10のアルケニルであり、アルキルおよびアルケニルにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよく;
は−C≡Nまたは−C≡C−C≡Nであり;
環B、環B、および環Bは独立して、トランス−1,4−シクロヘキシレン、任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレン、トランス−1,3−ジオキサン−2,5−ジイル、トランス−1−ピラン−2,5−ジイル、またはピリミジン−2,5−ジイルであり;
は、−(CH22−、−COO−、−CF2O−、−OCF2−、−C≡C−、−CHO−、または単結合であり;
およびLは独立して、水素またはフッ素であり;
qは、0、1、または2であり、rは0または1である。
22. 一般式(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、および(11)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項19に記載の液晶組成物。
Figure 0005958608

式中、Rは炭素数1〜10のアルキルまたは炭素数2〜10のアルケニルであり、これらにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、Rは炭素数1〜9のアルコキシまたは炭素数2〜9のアルケニルオキシであり、これらにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく;
環C、環C、環C、および環Cは独立して、トランス−1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレン、トランス−1−ピラン−2,5−ジイル、またはトランス−デカヒドロ−2,6−ナフタレンであり;
、Z、Z、およびZは独立して、−(CH22−、−COO−、−CHO−、−OCF−、−OCF(CH22−、または単結合であり;
およびLは独立して、フッ素または塩素であり;
j、k、l、m、n、およびpは独立して、0または1であり、k、l、m、およびnの和は、1または2である。
23. 一般式(12)、(13)、および(14)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項19に記載の液晶組成物。
Figure 0005958608

式中、RおよびRは独立して、炭素数1〜10のアルキルまたは炭素数2〜10のアルケニルであり、これらにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよく;
環D、環D、および環Dは独立して、トランス−1,4−シクロヘキシレン、ピリミジン−2,5−ジイル、1,4−フェニレン、2−フルオロ−1,4−フェニレン、3−フルオロ−1,4−フェニレン、または2,5−ジフルオロ1,4−フェニレンであり;
およびZは独立して、−C≡C−、−COO−、−(CH22−、−CH=CH−、または単結合である。
24. 項21記載の一般式(5)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項20に記載の液晶組成物。
25. 項23記載の一般式(12)、(13)、および(14)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項20に記載の液晶組成物。
26. 項23記載の一般式(12)、(13)、および(14)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項21に記載の液晶組成物。
27. 項23記載の一般式(12)、(13)、および(14)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項22に記載の液晶組成物。
28. 少なくとも1つの光学活性化合物および/または重合可能な化合物をさらに含有する、項19〜27のいずれか1項に記載の液晶組成物。
29. 少なくとも1つの酸化防止剤および/または紫外線吸収剤をさらに含有する項19〜28のいずれか1項に記載の液晶組成物。
30. 項19〜29のいずれか1項に記載の液晶組成物を含有する液晶表示素子。
本発明の化合物は、液晶性化合物に必要な一般的物性、熱、光などに対する安定性、小さな粘度、適切な大きさの光学異方性、適切な大きさの負の誘電率異方性、および他の液晶性化合物との優れた相溶性を有する。本発明の液晶組成物は、これらの化合物の少なくとも一つを含有し、そしてネマチック相の高い上限温度、ネマチック相の低い下限温度、小さな粘度、適切な大きさの光学異方性、適切な弾性定数K33(K33:ベンド弾性定数)および低いしきい値電圧を有する。本発明の液晶表示素子は、この組成物を含有し、そして使用できる広い温度範囲、短い応答時間、小さな消費電力、大きなコントラスト比、および低い駆動電圧を有する。
すなわち、本発明の化合物は、公知の同様な構造の化合物に比べ、他の液晶性化合物との相溶性に優れかつ低粘度であり、液晶温度範囲も広い。また、類似の化合物と比較し、低いしきい値電圧を有するうえ比較的低粘度を示す。さらに本発明化合物は液晶表示素子が通常使用される条件下において物理的および化学的に十分安定であり、ネマチック液晶組成物の構成成分として極めて優れ、TN、STN、TFT、VA、IPS、およびPSAモード用の液晶組成物の構成成分として好適に使用することができる。
この明細書における用語の使い方は次のとおりである。液晶性化合物は、ネマチック相、スメクチック相などの液晶相を有する化合物、および液晶相を有しないが液晶組成物の成分として有用な化合物の総称である。液晶性化合物、液晶組成物、液晶表示素子をそれぞれ化合物、組成物、素子と略すことがある。液晶表示素子は液晶表示パネルおよび液晶表示モジュールの総称である。ネマチック相の上限温度はネマチック相−等方相の相転移温度であり、そして単に上限温度と略すことがある。ネマチック相の下限温度を単に下限温度と略すことがある。式(1)で表わされる化合物を化合物(1)と略すことがある。この略記は式(2)などで表される化合物にも適用することがある。式(i)および式(1)〜(14)において、六角形で囲んだA、B、C、Dなどの記号はそれぞれ環A、環B、環C、環Dなどに対応する。複数の同じ記号を同一の式または異なった式に記載したが、これらはそれぞれが同一であってもよいし、または異なってもよい。
「任意の」は、位置だけでなく個数についても任意であることを示すが、個数が0である場合を含まない。任意のAが、B、C、またはDで置き換えられてもよいという表現は、任意のAがBで置き換えられる場合、任意のAがCで置き換えられる場合および任意のAがDで置き換えられる場合に加えて、複数のAがB〜Dの少なくとも2つで置き換えられる場合をも含むことを意味する。例えば、任意の−CH−が−O−または−CH=CH−で置き換えられてもよいアルキルには、アルキル、アルケニル、アルコキシ、アルコキシアルキル、アルコキシアルケニル、アルケニルオキシアルキルなどが含まれる。なお、本発明においては、連続する2つの−CH−が−O−で置き換えられて、−O−O−のようになることは好ましくない。そして、アルキルにおける末端の−CH−が−O−で置き換えられることも好ましくない。百分率で表した化合物の量は組成物の全重量に基づいた重量百分率(重量%)である。以下に本発明をさらに説明する。
〔本発明の化合物(i)〕
第一に、化合物(i)をさらに説明する。
Figure 0005958608

化合物(i)について後述の実施例における[表21]に記載したように、左末端基、結合基、環構造、および右末端基の構造に分けて、各構造について説明する。化合物(i)は2,3位にフッ素または塩素原子を持つベンゼン環を有する2環、3環、または4環の化合物である。この化合物は、素子が通常使用される条件下において物理的および化学的に極めて安定であり、そして他の液晶性化合物との相溶性がよい。この化合物を含有する組成物は素子が通常使用される条件下で安定である。この組成物を低い温度で保管しても、この化合物が結晶(またはスメクチック相)として析出することがない。この化合物は、化合物に必要な一般的物性、適切な光学異方性、そして適切な負の誘電率異方性を有する。
化合物(i)の末端基、環構造、および結合基を適切に選択することによって、光学異方性、誘電率異方性などの物性を任意に調整することが可能である。化合物(i)における好ましい末端基、環Aおよび環Aとそれらの種類が、化合物(i)の物性に与える効果を以下に説明する。
化合物(i)中、RおよびRにおいて、これらは直鎖であることが好ましい。直鎖であるときは液晶相の温度範囲が広くそして粘度が小さい。RおよびRのいずれかが分岐鎖であるときは他の液晶性化合物との相溶性がよい。RおよびRのいずれかが光学活性基である化合物は、キラルドーパントとして有用である。この化合物を組成物に添加することによって、素子に発生するリバース・ツイスト・ドメイン(reverse twisted domain)を防止することができる。RおよびRが光学活性基でない化合物は組成物の成分として有用である。
化合物(i)中、RおよびRは独立して、炭素数1〜8のアルキルまたは炭素数2〜8のアルケニルである。RおよびRに関しては、化合物の用途に応じて下記の具体例を参照し選択することができる。ここでアルケニルは、アルキルにおいて任意の−(CH−が−CH=CH−で置き換えられた基である。例えば、CH(CH−において任意の−(CH−を−CH=CH−で置き換えられた基の例は、HC=CH−(CH−、CH−CH=CH−CH−などである。このように「任意の」語は、「区別なく選択された少なくとも一つの」を意味する。化合物の安定性を考慮して、二重結合が隣接したCH=CH−CH=CH−CH−CH−よりも、二重結合が隣接しないCH=CH−CH−CH−CH=CH−の方が好ましい。
アルケニルにおける−CH=CH−の好ましい立体配置は、二重結合の位置に依存する。−CHCH=CHCH、−CHCH=CHC、および−CHCH=CHCのような偶数位に二重結合をもつアルケニルにおいてはトランス配置が好ましい。上述のような好ましい立体配置を有するアルケニル化合物は、液晶相の温度範囲が広く、大きな弾性定数K33を有し、化合物の粘度を小さくすることができ、さらに、この液晶性化合物を液晶組成物に添加すると、ネマチック相の上限温度(TNI)を高くすることができる。また、−CH=CHCH、−CH=CHC、−CH=CHC、および−CH=CHCのような奇数位に二重結合をもつアルケニルにおいてはシス配置が好ましい。さらに、−(CHCH=CHのように末端に二重結合をもつアルケニルよりも−CHCH=CHCHのように内部に二重結合をもつアルケニルの方が大きな弾性定数K33を有し、化合物の粘度を小さくすることができるため好ましい。
好ましいRおよびRの具体的な例は、−CH、−C、−C、−C、−C11、−C13、−C15、−C17−CH=CH、−CH=CHCH、−CHCH=CH、−CH=CHC、−CHCH=CHCH、−(CHCH=CH、−CH=CHC、−CHCH=CHC、−(CHCH=CHCH、−(CHCH=CH、−CHCH=CH(CHCH=CH、および−CHCH=CH(CHCH=CHCHである。
さらに好ましいRおよびRの具体的な例は、−CH、−C、−C、−C、−C11、−C13、−C15、−C17、−CH=CH、−CH=CHCH、−CHCH=CH、−CH=CHC、−CHCH=CHCH、−(CHCH=CH、−CH=CHC、−CHCH=CHC、−(CHCH=CHCH、および−(CHCH=CHである。
最も好ましいRおよびRの具体的な例は、−CH、−C、−C、−C13、−C17、−CH=CH、−CH=CHCH、−CHCH=CH、−CH=CHC、−CHCH=CHCH、−CHCH=CHC、−(CHCH=CHCH、および−(CHCH=CHである。
化合物(i)における環構造としては、環Aはトランス−1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、または1,4−フェニレンであり、環Aはトランス−1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、2−フルオロ−1,4−フェニレン、3−フルオロ−1,4−フェニレン、2,3−ジフルオロ−1,4−フェニレン、2−フルオロ−3−クロロ−1,4−フェニレン、または2−クロロ−3−フルオロ−1,4−フェニレンである。
1,4−シクロヘキシレンにおいてその立体配置はトランスである。このような立体配置であることにより、この液晶性化合物の液晶相のネマチック相の上限温度(TNI)を高くすることができる。
少なくとも1つの環が1,4−シクロヘキシレンであるときは、上限温度が高く、光学異方性が小さく、そして粘度が小さい。少なくとも1つの環が、1,4−フェニレン、2−フルオロ−1,4−フェニレン、3−フルオロ−1,4−フェニレン、2,3−ジフルオロ−1,4−フェニレン、2−フルオロ−3−クロロ−1,4−フェニレン、または2−クロロ−3−フルオロ−1,4−フェニレンであるときは、光学異方性が比較的大きく、そして配向秩序パラメーター(orientational order parameter)が大きい。少なくとも2つの環が、1,4−フェニレン、2−フルオロ−1,4−フェニレン、3−フルオロ−1,4−フェニレン、2,3−ジフルオロ−1,4−フェニレン、2−フルオロ−3−クロロ−1,4−フェニレン、または2−クロロ−3−フルオロ−1,4−フェニレンであるときは、光学異方性が大きく、液晶相の温度範囲が広く、そして上限温度が高い。
化合物(1)における側方基としては、QおよびQは独立して、フッ素または塩素である。
化合物(i)は、誘電率異方性が負に大きい。大きな誘電率異方性を有する化合物は、組成物のしきい値電圧を下げるための成分として有用である。
液晶性化合物が、これら化合物(i)である場合には、適切な負の誘電率異方性を有し、他の液晶性化合物との相溶性が極めてよい。さらに、熱、光などに対する安定性を有し、広い温度範囲でネマチック相となり、粘度が小さく、大きな光学異方性、および適切な弾性定数K33、K11を有している。化合物(i)が3環を有するときは粘度が小さい。化合物(i)が4環を有するときは上限温度が高い。以上のように、末端基、環構造、および結合基の種類、環の数を適当に選択することにより目的の物性を有する化合物を得ることができる。また、この化合物(i)を含有する液晶組成物は、液晶表示素子が通常使用される条件下で安定であり、低い温度で保管してもこの化合物が結晶(またはスメクチック相)として析出することがない。
したがって、化合物(i)は、PC、TN、STN、ECB、OCB、IPS、VA、PSAなどの表示モードの液晶表示素子に用いる液晶組成物に好適に適用することができ、IPS、VAもしくはPSAなどの表示モードの液晶表示素子に用いる液晶組成物に、特に好適に適用することができる。
化合物(i)は、該式中のR、R、Q、Q、Q、およびQに所定の基を選択することにより得られるが、選択した基の導入は公知の一般的な有機合成法により行い得る。代表的な合成例は、新実験化学講座 14 有機化合物の合成と反応(1978年)丸善 あるいは第四版 実験化学講座 19〜26 有機合成I〜VIII (1991)丸善 などに記載の方法をあげることができる。
次に化合物(i)の合成例を示す。なお、下記反応経路において、各式のR、R、A、A、Q、Q、Q、Q、およびhは、前記と同じ定義である。
Figure 0005958608
化合物(1a)を水に溶かし、ブロモアルキル等のハロゲン化アルキルまたはハロゲン化アルケニルを加えた後、発熱に注意しながら水酸化ナトリウムを加える。その後、80℃で1時間加熱攪拌する事により、フェノール誘導体(1b)を得る。
Figure 0005958608
化合物(1b)を得た方法と同様にして得た化合物(1b′)とn−ブチルリチウムとを反応させリチウム塩を調製し、それとホウ酸エステルとを反応させ、酸性雰囲気下で加水分解することによりジヒドロキシボラン誘導体(1c)を得る。
Figure 0005958608
化合物(1b)とn−ブチルリチウムとを反応させリチウム塩を調製し、それとシクロヘキサンジオンモノエチレンケタールを反応させ、酸性雰囲気下で加水分解する。その後、パラ−トルエンスルホン酸(以下、p−TsOHという)にて脱水反応することによりシクロヘキセン誘導体(1d)を得る。
Figure 0005958608
この化合物(1d)をPd-Cなどの触媒存在下、水素と反応させることにより、シクロヘキサン誘導体(1e)を得る。
以下、環Aがシクロヘキセンである化合物および環Aがシクロヘキサンである化合物についてまとめて説明する。
Figure 0005958608
環Aがシクロヘキセンである化合物(1d)および環Aがシクロヘキサンである化合物(1e)をそれぞれ、ギ酸存在下、加熱攪拌する事により、ケトン誘導体(1f)を得る。このケトン誘導体(1e)を水素化リチウムアルミニウム(以下、LAHという)等で還元し、アルコール誘導体(1g)を得る。
Figure 0005958608
化合物(1g)とブロモアルキル等のハロゲン化アルキルまたはハロゲン化アルケニル混合溶液に、発泡に注意しながら水素化ナトリウム(以下、NaHという)を加えることにより、環Aがシクロヘキセンである化合物(1−a−1)および環Aがシクロヘキサンである化合物(1−a−2)を合成することができる。
Figure 0005958608
化合物(1−a−1)および化合物(1−a−2)を合成した方法と同様にして、化合物(1h)を得る。化合物(1h)を、再び化合物(1−a−1)および化合物(1−a−2)を合成した方法と同様にして、化合物(1i)を得る。環Aがシクロヘキセンである化合物は、そのまま次の反応に進み、環Aがシクロヘキサンである化合物は、Pd-Cなどの触媒存在下、水素と反応させることにより、シクロヘキサン誘導体(1j)を得る。
化合物(1i)および化合物(1j)を、化合物(1−a−1)および化合物(1−a−2)を合成した方法と同様にして、環Aおよび環Aが共にシクロヘキセンである化合物(1−b−1)、環Aがシクロヘキサンであり環Aがシクロヘキセンである化合物(1−b−2)、または環Aおよび環Aが共にシクロヘキサンである化合物(1−b−3)を合成することができる。
Figure 0005958608
上記工程で得た化合物(1h)とn−ブチルリチウムとを反応させリチウム塩を調製し、それとヨウ素を反応させ、ヨウ素化誘導体(1m)を得る。この化合物(1m)と化合物(1c)とを炭酸ナトリウムなどの塩基、およびPd(PPhなどの触媒存在下反応させることにより、環Aがシクロヘキセンである化合物(1−c−1)、または環Aがシクロヘキサンである化合物(1−c−2)を合成することができる。
Figure 0005958608
上記工程と同様にして、化合物(1n)と化合物(1o)とを炭酸ナトリウムなどの塩基、およびPd(PPhなどの触媒存在下反応させることにより得られた化合物(1p)を得る。この化合物(1p)とn−ブチルリチウムとを反応させリチウム塩を調製し、それとヨウ素を反応させ、ヨウ素化誘導体(1q)を得る。この化合物(1q)と化合物(1c)とを炭酸ナトリウムなどの塩基、およびPd(PPhなどの触媒存在下反応させることにより、化合物(i−d)を合成することができる。
化合物(i)のうち、より好ましい化合物は、化合物(1−a−1)、(1−a−2)、(1−b−1)〜(1−b−3)、(1−c−1)、(1−c−2)、および(i−d)である。

Figure 0005958608

Figure 0005958608


Figure 0005958608

化合物(1−a−1)および(1−a−2)は、他の液晶組成物との相溶性がよく粘度が小さい。化合物(1−b−1)〜(1−b−3)、(1−c−1)、(1−c−2)、および(i−d)は、ネマチック相の上限温度(TNI)が高い。化合物(i−d)は光学異方性が大きい。
〔本発明の液晶組成物〕
第二に、液晶組成物をさらに説明する。液晶組成物は、式(i)からなる群から選ばれた少なくとも1つの化合物を成分Aとして含有する。この成分Aのみの組成物、または成分Aと本明細書中で特に成分名を示していないその他の成分との組成物でもよいが、この成分Aに以下に示す成分B、C、D、およびEから選ばれた成分を加えることにより種々の特性を有する液晶組成物が提供できる。
成分Aに加える成分として、式(2)、(3)、および(4)からなる群から選ばれた少なくとも1つの化合物からなる成分B、式(5)からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物からなる成分C、式(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、および(11)からなる群から選ばれた少なくとも1つの化合物からなる成分D、または式(12)、(13)、および(14)からなる群から選ばれた少なくとも1つの化合物からなる成分Eを混合したものが好ましい。これらの各成分は、組成物の使用される目的により適宜組み合わされて使用することができる。
また、液晶組成物の各成分は、各元素の同位体元素からなる類縁体でもその特性に大きな差異がない。
成分Bのうち、好ましい例は、化合物(2−1)〜(2−16)、(3−1)〜(3−112)、および(4−1)〜(4−54)である。

Figure 0005958608
Figure 0005958608
Figure 0005958608
Figure 0005958608
Figure 0005958608
Figure 0005958608
Figure 0005958608

Figure 0005958608

式中、R、Xは前記と同じ定義である。
これらの化合物式(2)〜(4)、すなわち成分Bは、誘電率異方性が正であり、熱安定性や化学的安定性が非常に優れているので、TFT用およびPSA用の液晶組成物を調製する場合に用いられる。液晶組成物における成分Bの含有量は、液晶組成物の全重量に対して1〜99重量%の範囲が適するが、好ましくは10〜97重量%、より好ましくは40〜95重量%である。また化合物(12)〜(14)(成分E)をさらに含有させることにより粘度調整をすることができる。
成分Cの好ましい例は、化合物(5−1)〜(5−64)である。
Figure 0005958608
Figure 0005958608
Figure 0005958608

式中、RおよびXは前記と同じ定義である。
これらの化合物(5)、すなわち成分Cは、誘電率異方性が正でその値が非常に大きいので、STN、TN、PSAモード用の液晶組成物を調製する場合に主として用いられる。この成分Cを含有させることにより、組成物のしきい値電圧を小さくすることができる。また、粘度の調整、光学異方性の調整および液晶相温度範囲を広げることができる。さらに急峻性の改良にも利用できる。
STNまたはTNモード用の液晶組成物を調製する場合には、成分Cの含有量は0.1〜99.9重量%の範囲が適用できるが、好ましくは10〜97重量%、より好ましくは40〜95重量%である。また、後述の成分を混合することにより、しきい値電圧、液晶相温度範囲、光学異方性、誘電率異方性、粘度などを調整できる。
化合物(6)〜(11)すなわち成分Dは、垂直配向モ−ド(VAモ−ド)、高分子支持配向モード(PSAモ−ド)などに用いられる誘電率異方性が負の液晶組成物を調製する場合に、好ましい成分である。
この化合物(6)〜(11)成分Dの好適例として、化合物(6−1)〜(6−6)、(7−1)〜(7−15)、(8−1)、(9−1)〜(9−3)、(10−1)〜(10−11)、および(11−1)〜(11−10)を挙げることができる。
Figure 0005958608
Figure 0005958608

式中、R,Rは前記と同じ定義である。
成分Dの化合物は、誘電率異方性の値が負であるVAモ−ド、PSAモード用の液晶組成物に主として用いられる。その含有量を増加させると組成物のしきい値電圧が低くなるが、粘度が大きくなるので、しきい値電圧の要求値を満足している限り含有量を少なくすることが好ましい。
成分Dのうち化合物(6)は2環化合物であるので、主としてしきい値電圧の調整、粘度調整または光学異方性の調整の効果がある。また、化合物(7)および(8)は3環化合物であるので、透明点を高くする、ネマチック相の温度範囲を広くする、しきい値電圧を低くする、光学異方性を大きくするなどの効果が得られる。また、化合物(9)、(10)、および(11)はしきい値電圧を低くするなどの効果が得られる。
成分Dの含有量は、VAモ−ド、PSAモード用の組成物を調製する場合には、組成物全量に対して好ましくは40〜99重量%、より好ましくは50〜95重量%である。また、成分Dを混合することにより、弾性定数をコントロ−ルし、組成物の電圧透過率曲線を制御することが可能となる。成分Dを誘電率異方性が正である組成物に混合する場合はその含有量が組成物全量に対して30重量%以下が好ましい。
化合物(12)、(13)、および(14)(成分E)の好ましい例として、それぞれ化合物(12−1)〜(12−11)、(13−1)〜(13−19)、および(14−1)〜(14−6)を挙げることができる。

Figure 0005958608

Figure 0005958608

式中、RおよびRは前記と同じ定義である。
化合物(12)〜(14)(成分E)は、誘電率異方性の絶対値が小さく、中性に近い化合物である。成分Eを混合することにより、しきい値電圧、液晶相温度範囲、光学異方性、誘電率異方性、粘度などを調整することができる。
化合物(12)は主として粘度調整または光学異方性の調整の効果があり、また化合物(13)、および(14)は透明点を高くするなどのネマチック相の温度範囲を広げる効果、または光学異方性の調整の効果がある。
成分Eである化合物の含有量を増加させると液晶組成物のしきい値電圧が高くなり、粘度が低くなるので、液晶組成物のしきい値電圧の要求値を満たす限り、含有量は多いほうが望ましい。TFT用、PSA用の液晶組成物を調製する場合に、成分Eの含有量は、組成物全量に対して好ましくは30重量%以上、より好ましくは50重量%以上である。また、TN用、STN用、またはPSA用の液晶組成物を調製する場合には、成分Eの含有量は、組成物全量に対して好ましくは30重量%以上、より好ましくは40重量%以上である。
液晶組成物は、化合物(i)の少なくとも1つを0.1〜99重量%の割合で含有することが、優良な特性を持たせるために好ましい。
液晶組成物の調製は、公知の方法、例えば必要な成分を高温度下で溶解させる方法などにより一般に調製される。また、用途に応じて当業者によく知られている添加物を添加して、例えばつぎに述べるような光学活性化合物、または重合可能な化合物、重合開始剤を含む液晶組成物、染料を添加したGHモード用の液晶組成物を調製することができる。通常、添加物は当該業者によく知られており、文献などに詳細に記載されている。
液晶組成物は、さらに少なくとも1つの光学活性化合物を含有してもよい。
光学活性化合物として、公知のキラルド−プ剤を添加する。このキラルド−プ剤は液晶のらせん構造を誘起して必要なねじれ角を調整し、逆ねじれを防ぐといった効果を有する。キラルド−プ剤の例として以下の光学活性化合物を挙げることができる。
Figure 0005958608
液晶組成物は、通常これらの光学活性化合物を添加して、ねじれのピッチを調整する。ねじれのピッチはTFT用およびTN用の液晶組成物であれば40〜200μmの範囲に調整するのが好ましい。STN用の液晶組成物であれば6〜20μmの範囲に調整するのが好ましい。また、双安定TN(bistable TN)モ−ド用の場合は、1.5〜4μmの範囲に調整するのが好ましい。また、ピッチの温度依存性を調整する目的で2種以上の光学活性化合物を添加しても良い。
液晶組成物は、メロシアニン系、スチリル系、アゾ系、アゾメチン系、アゾキシ系、キノフタロン系、アントラキノン系、テトラジン系などの二色性色素を添加すれば、GHモード用の液晶組成物として使用することもできる。
液晶組成物は、ネマチック液晶をマイクロカプセル化して作製したNCAPや、液晶中に三次元網目状高分子を形成して作製したポリマ−分散型液晶表示素子(PDLCD)例えばポリマ−ネットワ−ク液晶表示素子(PNLCD)用をはじめ、複屈折制御(ECB)やDSモード用の液晶組成物としても使用できる。
紫外線吸収剤、あるいは酸化防止剤を本発明に係る液晶組成物に添加した場合には、液晶組成物や該液晶組成物を含む液晶表示素子の劣化を防止することなどが可能となる。例えば酸化防止剤は、液晶組成物を加熱したときに比抵抗値の低下を抑制することが可能である。
紫外線吸収剤としては、ベンゾフェノン系紫外線吸収剤、ベンゾエート系紫外線吸収剤、トリアゾール系紫外線吸収剤などを挙げることができる。
ベンゾフェノン系紫外線吸収剤の具体例は、2−ヒドロキシ−4−n−オクトキシベンゾフェノンである。
ベンゾエート系紫外線吸収剤の具体例は、2,4−ジ−t−ブチルフェニル−3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンゾエートである。
トリアゾール系紫外線吸収剤の具体例は、2−(2−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)ベンゾトリアゾール、2−[2−ヒドロキシ−3−(3,4,5,6−テトラヒドロキシフタルイミド−メチル)−5−メチルフェニル]ベンゾトリアゾール、および2−(3−t−ブチル−2−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)−5−クロロベンゾトリアゾールである。
酸化防止剤としては、フェノール系酸化防止剤、有機硫黄系酸化防止剤などを挙げることができる。
特に、液晶組成物の特性を変化させずに酸化防止効果が高いという観点からは、化合物(15)である酸化防止剤が好ましい。
Figure 0005958608
式(15)中、wは1〜15の整数である。
化合物(15)において、好ましいwは、1、3、5、7、または9である。さらに好ましいwは1または7である。wが1である化合物(15)は、揮発性が大きいので、大気中での加熱による比抵抗の低下を防止するときに有効である。wが7である化合物(15)は、揮発性が小さいので、素子を長時間使用したあと、室温だけではなくネマチック相の上限温度に近い温度でも大きな電圧保持率を維持するのに有効である。
フェノール系酸化防止剤の具体例は、2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−エチルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−プロピルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−ブチルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−ペンチルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−ヘキシルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−ヘプチルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−オクチルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−ノニルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−デシルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−ウンデシルフェノール、2,
6−ジ−t−ブチル−4−ドデシルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−トリデシルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−テトラデシルフェノール、2,6−ジ−t−ブチル−4−ペンタデシルフェノール、2,2’−メチレンビス(6−t−ブチルー4−メチルフェノール)、4,4’−ブチリデンビス(6−t−ブチル−3−メチルフェノール)、2,6−ジ−t−ブチル−4−(2−オクタデシルオキシカルボニル)エチルフェノール、およびペンタエリスリトールテトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]である。
有機硫黄系酸化防止剤の具体例は、ジラウリル−3,3’−チオプロピオネート、ジミリスチル−3,3’−チオプロピオネート、ジステアリル−3,3’−チオプロピオネート、ペンタエリスリトールテトラキス(3−ラウリルチオプロピオネート)、および2−メルカプトベンズイミダゾールである。
紫外線吸収剤、酸化防止剤などに代表される添加物の添加量は、本発明の目的を損なわず、かつ添加物を添加する目的を達成できる量の範囲で添加して用いることができる。
例えば、紫外線吸収剤、あるいは酸化防止剤を添加する場合には、その添加割合は、本発明に係る液晶組成物の全重量に基づいて、通常10ppm〜500ppmの範囲、好ましくは30〜300ppmの範囲、より好ましくは40〜200ppmの範囲である。
なお、本発明に係る液晶組成物は、液晶組成物を構成する各化合物の合成工程、液晶組成物の調製工程などにおいて混入する合成原料、副生成物、反応溶媒、合成触媒などの不純物を含んでいる場合もある。
PSA(polymer sustained alignment)モードの素子に適合させるために重合可能な化合物が組成物に混合される。重合可能な化合物の好ましい例は、アクリレート、メタクリレート、ビニル、ビニルオキシ、プロペニルエーテル、エポキシ(オキシラン、オキセタン)、ビニルケトンなどの重合可能な基を有する化合物である。特に好ましい例は、アクリレートまたはメタクリレートの誘導体である。重合可能な化合物の好ましい割合は、その効果を得るために、0.05重量%以上であり、不良表示を防ぐために10重量%以下である。さらに好ましい割合は、0.1重量%から2重量%の範囲である。重合可能な化合物は、好ましくは光重合開始剤などの適切な開始剤存在下でUV照射などにより重合する。重合のための適切な条件、開始剤の適切なタイプ、および適切な量は、当業者には既知であり、文献に記載されている。例えば光重合開始剤であるIrgacure651(登録商標)、Irgacure184(登録商標)、またはDarocure1173(登録商標)(Ciba JAPAN K.K.)がラジカル重合に対して適切である。重合可能な化合物は、好ましくは光重合開始剤を0.1重量%から5重量%の範囲で含む。特に好ましくは、光重合開始剤を1重量%から3重量%の範囲で含む。
本発明に係る液晶組成物は、例えば、各成分を構成する化合物が液体の場合には、それぞれの化合物を混合し振とうさせることにより、また固体を含む場合には、それぞれの化合物を混合し、加熱溶解によってお互い液体にしてから振とうさせることにより調製することができる。また、本発明に係る液晶組成物はその他の公知の方法により調製することも可能である。
本発明に係る液晶組成物では、ネマチック相の上限温度を70℃以上とすること、ネマチック相の下限温度は−20℃以下とすることができ、ネマチック相の温度範囲が広い。したがって、この液晶組成物を含む液晶表示素子は広い温度領域で使用することが可能である。
本発明に係る液晶組成物では、組成などを適宜調整することで、0.05〜0.18の範囲の光学異方性、好ましくは、0.09〜0.13の範囲の光学異方性を有する液晶組成物を得ることができる。上記数値範囲にある液晶組成物は、TNモード、STNモード、またはTFTモードで動作する液晶表示素子として好適に使用することができる。
また、本発明に係る液晶組成物では、通常、−5.0〜−2.0の範囲の誘電率異方性、好ましくは、−4.5〜−2.5の範囲の誘電率異方性を有する液晶組成物を得ることができる。上記数値範囲にある液晶組成物は、IPSモード、VAモード、またはPSAモードで動作する液晶表示素子として好適に使用することができる。
〔本発明の液晶表示素子〕
本発明に係る液晶組成物は、PCモード、TNモード、STNモード、OCBモードなどの動作モードを有し、AM方式で駆動する液晶表示素子だけでなく、PCモード、TNモード、STNモード、OCBモード、VAモード、IPSモード、またはPSAモードなどの動作モードを有しパッシブマトリクス(PM)方式で駆動する液晶表示素子にも使用することができる。
これらAM方式、およびPM方式の液晶表示素子は、反射型、透過型、半透過型、いずれの液晶ディスプレイなどにも適用ができる。
また、本発明に係る液晶組成物は、導電剤を添加させた液晶組成物を用いたDS(dynamic scattering)モード素子や、液晶組成物をマイクロカプセル化して作製したNCAP(nematic curvilinear aligned phase)素子や、液晶組成物中に三次元の網目状高分子を形成させたPD(polymer dispersed)素子、例えばPN(polymer network)素子にも使用できる。
中でも本発明に係る液晶組成物では、上述のような特性を有するので、VAモード、IPSモード、またはPSAモードなどの負の誘電率異方性を有する液晶組成物を利用した動作モードで駆動するAM方式の液晶表示素子に好適に用いることができ、特に、VAモードで駆動するAM方式の液晶表示素子に好適に用いることができる。
なお、TNモード、VAモード、またはPSAモードなどで駆動する液晶表示素子においては、電場の方向は、ガラス基板面に対して垂直である。一方、IPSモードなどで駆動する液晶表示素子においては、電場の方向は、基板面に対して平行である。なお、VAモードで駆動する液晶表示素子の構造は、K. Ohmuro, S. Kataoka, T. Sasaki and Y. Koike, SID '97 Digest of Technical Papers, 28, 845 (1997) に報告されており、IPSモードで駆動する液晶表示素子の構造は、国際公開91/10936号パンフレット(ファミリー:US5576867)に報告されている。
〔化合物(i)の実施例〕
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施例によって制限されない。なお特に断りのない限り、「%」は「重量%」を表す。得られた化合物は、H−NMR分析で得られる核磁気共鳴スペクトル、ガスクロマトグラフィー(GC)分析で得られるガスクロマトグラムなどにより同定した。これらによる測定方法は後述する方法に従った。なお、各実施例中において、Cは結晶を、SAはスメクチックA相を、SBはスメクチックB相を、SXは相構造未解析のスメクチック相を、Nはネマチック相を、Iは等方相を示し、相転移温度の単位はすべて℃である。
H−NMR分析:測定は、DRX−500(ブルカーバイオスピン(株)製)を用いた。CDClなど重水素化されたサンプルが可溶な溶媒に溶解させた溶液を、室温にて核磁気共鳴装置を用いて測定した。なお、δ値のゼロ点の基準物質にはテトラメチルシラン(TMS)を用いた。なお、sはシングレット、dはダブレット、tはトリプレット、qはカルテット、mはマルチプレットの意味である。
ガスクロマトグラフ分析:測定には島津製作所製のGC−2014型ガスクロマトグラフを用いた。キャリアーガスはヘリウム(2ml/分)である。試料気化室を280℃に、検出器(FID)を300℃に設定した。成分化合物の分離には、Agilent Technologies Inc.製のキャピラリカラムDB−1(長さ30m、内径0.32mm、膜厚0.25μm;固定液相はジメチルポリシロキサン;無極性)を用いた。このカラムは、180℃で2分間保持したあと、5℃/分の割合で280℃まで昇温した。試料はアセトン溶液(0.1重量%)に調製したあと、その1μlを試料気化室に注入した。記録計は島津製作所製のC−R7A型Chromatopac、またはその同等品である。得られたガスクロマトグラムは、成分化合物に対応するピークの保持時間およびピークの面積を示した。
試料はトルエンに溶解して、1重量%の溶液となるように調製し、得られた溶液1μlを試料気化室に注入した。
記録計としては島津製作所製のC−R7A型Chromatopac、またはその同等品を用いた。得られたガスクロマトグラムには、成分化合物に対応するピークの保持時間およびピークの面積値が示されている。
なお、試料の希釈溶媒としては、例えば、クロロホルム、ヘキサンを用いてもよい。また、カラムとしては、Agilent Technologies Inc.製のキャピラリカラムDB−1(長さ30m、内径0.32mm、膜厚0.25μm)、Agilent Technologies Inc.製のHP−1(長さ30m、内径0.32mm、膜厚0.25μm)、Restek Corporation製のRtx−1(長さ30m、内径0.32mm、膜厚0.25μm)、SGE International Pty.Ltd製のBP−1(長さ30m、内径0.32mm、膜厚0.25μm)などを用いてもよい。
ガスクロマトグラムにおけるピークの面積比は成分化合物の割合に相当する。一般には、分析サンプルの成分化合物の重量%は、分析サンプルの各ピークの面積%と完全に同一ではないが、本発明において上述したカラムを用いる場合には、実質的に補正係数は1であるので、分析サンプル中の成分化合物の重量%は、分析サンプル中の各ピークの面積%とほぼ対応している。成分の液晶性化合物における補正係数に大きな差異がないからである。ガスクロクロマトグラムにより液晶組成物中の液晶性化合物の組成比をより正確に求めるには、ガスクロマトグラムによる内部標準法を用いる。一定量正確に秤量された各液晶性化合物成分(被検成分)と基準となる液晶性化合物(基準物質)を同時にガスクロ測定して、得られた被検成分のピークと基準物質のピークとの面積比の相対強度をあらかじめ算出する。基準物質に対する各成分のピーク面積の相対強度を用いて補正すると、液晶組成物中の液晶性化合物の組成比をガスクロ分析からより正確に求めることができる。
[実施例1]
1−(4−ブトキシシクロヘキ−1−エニル)−4−エトキシ−2,3−ジフルオロベンゼン(1−a−1−20)を下記に示す合成スキームに従って合成した。
Figure 0005958608
1−エトキシ−2,3−ジフルオロブロモベンゼン(T−2)の合成
4−ブロモ−2,3−ジフルオロフェノール(T−1)(195.0g)、ブロモエタン(196.2g)およびテトラブチルアンモニウムブロミド(以下、TBABという)(24.2g)の水(400ml)溶液に、水酸化ナトリウム(75.9g)を加え、窒素雰囲気下80℃で6時間加熱撹拌した。反応終了後ヘプタンにて抽出し、有機層を水および飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して黒色油状物を得た。このものを蒸留にて精製することにより、1−エトキシ−2,3−ジフルオロブロモベンゼン(T−2)を無色油状物として(230.0g、収率97%)得た。
化合物(T−4)の合成
上記工程で得られた化合物(T−2)(142.2g)を乾燥テトラヒドロフラン(以下、DryTHFという)(500ml)に溶解させ、−70℃まで冷却した。窒素雰囲気下n−BuLi(364ml)を滴下し、−70℃で2時間撹拌した。その後シクロヘキサンジオンモノエチレンケタール(T−3)(93.6g)のDryTHF溶液を−70℃でゆっくりと滴下し、室温まで昇温して16時間撹拌した。反応終了後2N−HCl(200ml)を加え、トルエンにて抽出し、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをトルエン(400ml)に溶解させ、p−TsOH(4.74g)を加えて、脱水しながら4時間加熱還流した。反応終了後トルエンにて抽出し、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、(T−4)を無色結晶として(126.1g、収率71%)得た。
化合物(T−5)の合成
上記工程で得られた化合物(T−4)(29.6g)をトルエン(300ml)に溶解させ、ギ酸(30ml)を加えて、4時間加熱還流した。反応終了後トルエンにて抽出し、水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものを再結晶(ソルミックス)することにより、(T−5)を無色結晶として(22.7g、収率90%)得た。
化合物(T−6)の合成
LAH(1.71g)のジメチルホルムアミド(以下、DMFという)(100ml)懸濁溶液に、上記工程で得られた化合物(T−5)(22.7g)のDMF溶液を氷冷下、発泡に注意しながら滴下した。滴下終了後室温まで昇温し、5時間撹拌した。反応終了後氷冷した2N−HCl(100ml)を加え、酢酸エチルにて抽出し、水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものを再結晶(ソルミックス)することにより、(T−6)を無色結晶として(22.7g、収率99%)得た。
1−(4−ブトキシシクロヘキ−1−エニル)−4−エトキシ−2,3−ジフルオロベンゼン(1−a−1−20)の合成。
NaH(1.06g)のDMF(100ml)懸濁溶液に、上記工程で得られた化合物(T−6)(10.2g)のDMF溶液を発泡に注意しながら滴下した。その後、ブロモブタン(6.05g)のDMF溶液を滴下し、100℃で12時間加熱撹拌した。反応終了後トルエン抽出し、水、飽和塩化アンモニウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、1−(4−ブトキシシクロヘキ−1−エニル)−4−エトキシ−2,3−ジフルオロベンゼン(1−a−1−20)を無色結晶として(7.44g、収率60%)得た。
物性は下記組成例の項に記載した様に、15重量%の化合物および85重量%の母液晶Aを混合することによって試料を調製し、測定によって得られた値から外挿法によって算出した。外挿値=(試料の測定値−0.85×母液晶Aの測定値)/0.15。この化合物の物性は、NI=−35.4℃,Δε=−5.29, Δn=0.080, η=38.7mPa・s, K33/K11=1.148, C 6.2 Iso であった。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);6.87(t,1H)、6.64(t,1H)、5.82(s,1H)、4.10(q,2H)、3.64−3.59(m,1H)、3.55−3.49(m,2H)、2.55−2.43(m,3H)、2.22−2.15(m,1H)、2.05−2.01(m,1H)、1.78−1.70(m,1H)、1.61−1.55(m,2H)、1.45(t,3H)、1.44−1.35(m,2H)、0.93(t,3H).
[実施例2]
1−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4−エトキシ−2,3−ジフルオロベンゼン(1−a−2−22)を下記に示す合成スキームに従って合成した。
Figure 0005958608
化合物(T−7)の合成
実施例1で得られた化合物(T−4)(88.8g)をイソプロピルアルコール(以下、IPAという)(400ml)に溶解させ、Pd−Cを加えて、水素雰囲気下室温にて6時間撹拌した。反応終了後Pd−Cをろ別し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、(T−5)を無色結晶として(87.6g、収率99%)得た。
化合物(T−8)の合成
上記工程で得られた化合物(T−7)(87.6g)をトルエン(300ml)に溶解させ、ギ酸(100ml)を加えて、4時間加熱還流した。反応終了後トルエンにて抽出し、水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものを再結晶(ソルミックス)することにより、(T−8)を無色結晶として(67.2g、収率89%)得た。
化合物(T−9)の合成
LAH(5.1g)のDMF(400ml)懸濁溶液に、上記工程で得られた化合物(T−8)(67.2g)のDMF溶液を氷冷下、発泡に注意しながら滴下した。滴下終了後室温まで昇温し、5時間撹拌した。反応終了後氷冷した2N−HCl(100ml)を加え、酢酸エチルにて抽出し、水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものを再結晶(ソルミックス)することにより、(T−9)を無色結晶として(65.7g、収率97%)得た。
1−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4−エトキシ−2,3−ジフルオロベンゼン(1−a−2−22)の合成。
NaH(1.06g)のDMF(100ml)懸濁溶液に、上記工程で得られた化合物(T−9)(10.3g)のDMF溶液を発泡に注意しながら滴下した。その後、ブロモブタン(6.05g)のDMF溶液を滴下し、100℃で12時間加熱撹拌した。反応終了後トルエン抽出し、水、飽和塩化アンモニウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、1−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4−エトキシ−2,3−ジフルオロベンゼン(1−a−2−22)を無色結晶として(9.41g、収率75%)得た。
この化合物の物性は、NI=−16.1℃,Δε=−7.62, Δn=0.065, η=44.6mPa・s, K33/K11=1.144, C 40.3 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);6.81(t,1H)、6.66(t,1H)、4.08(q,2H)、3.84(t,2H)、3.29−3.23(m,1H)、2.78−2.74(m,1H)、2.15(d,2H)、1.89(d,2H)、1.59−1.34(m,8H)、1.43(t,3H)、0.93(t,3H).
[実施例3]
1−(4−エトキシシクロヘキシル)−4−エトキシ−2,3−ジフルオロベンゼン(1−a−2−4)を実施例2に示した方法と同様にして、化合物(T−9)(10.3g)、NaH(1.06g)、およびブロモエタン(4.81g)より、無色結晶として(7.82g、収率63%)得た。
この化合物の物性は、NI=−26.1℃,Δε=−7.57, Δn=0.067, η=42.7mPa・s, K33/K11=1.260, C 64.7 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);6.94(t,1H)、6.66(t,1H)、4.09(t,2H)、3.90(t,2H)、3.15−3.20(m,1H)、2.75−2.69(m,1H)、2.07(d,2H)、1.86(d,2H)、1.55−1.23(m,4H)、1.32(t,3H)、1.10(t,3H).
[実施例4]
(E)−1−(4−(ブト−2−エニルオキシ)シシクロヘキシル)−4−エトキシ−2,3−ジフルオロベンゼン(1−a−2−60)を実施例2に示した方法と同様にして、化合物(T−9)(10.3g)、NaH(1.06g)、およびクロチルブロミド(5.91g)より、無色結晶として(7.17g、収率57%)得た。
この化合物の物性は、NI=−13.4℃,Δε=−7.38, Δn=0.083, η=48.6mPa・s, K33/K11=1.286, C 60.8 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);6.94(d,1H)、6.66(d,1H)、5.69−5.67(m,2H)、4.09(q,2H)、4.04(d,2H)、2.79−2.72(m,2H)、2.05(d,3H)、1.86−1.45(m,8H)、1.32(t,3H).
[実施例5]
1−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4−(4−エトキシシクロヘキシル)−2,3−ジフルオロベンゼン(1−b−3−6)を下記に示す合成スキームに従って合成した。
Figure 0005958608
化合物(T−11)の合成
2,3−ジフルオロブロモベンゼン(T−10)(115.2g)をDryTHF(600ml)に溶解させ、−70℃まで冷却した。窒素雰囲気下n−BuLi(364ml)を滴下し、−70℃で2時間撹拌した。その後シクロヘキサンジオンモノエチレンケタール(T−3)(93.6g)のDryTHF溶液を−70℃でゆっくりと滴下し、室温まで昇温して16時間撹拌した。反応終了後2N−HCl(200ml)を加え、トルエンにて抽出し、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをトルエン(400ml)に溶解させ、p−TsOH(4.74g)を加えて、脱水しながら4時間加熱還流した。反応終了後トルエンにて抽出し、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、(T−11)を無色結晶として(121.0g、収率80%)得た。
化合物(T−12)の合成
上記工程で得られた化合物(T−11)(60.5g)をIPA(200ml)に溶解させ、Pd−Cを加えて、水素雰囲気下室温にて6時間撹拌した。反応終了後Pd−Cをろ別し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、(T−12)を無色結晶として(59.2g、収率97%)得た。
化合物(T−13)の合成
上記工程で得られた化合物(T−12)(59.2g)をトルエン(200ml)に溶解させ、ギ酸(50ml)を加えて、4時間加熱還流した。反応終了後トルエンにて抽出し、水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものを再結晶(ソルミックス)することにより、(T−13)を無色結晶として(40.6g、収率83%)得た。
化合物(T−14)の合成
LAH(3.7g)のDMF(50ml)懸濁溶液に、上記工程で得られた化合物(T−13)(40.6g)のDMF溶液を氷冷下、発泡に注意しながら滴下した。滴下終了後室温まで昇温し、5時間撹拌した。反応終了後氷冷した2N−HCl(50ml)を加え、酢酸エチルにて抽出し、水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものを再結晶(ソルミックス)することにより、(T−14)を無色結晶として(40.6g、収率99%)得た。
化合物(T−15)の合成。
NaH(10.1g)のDMF(100ml)懸濁溶液に、上記工程で得られた化合物(T−14)(40.6g)のDMF溶液を発泡に注意しながら滴下した。その後、ブロモブタン(28.9g)のDMF溶液を滴下し、100℃で12時間加熱撹拌した。反応終了後トルエン抽出し、水、飽和塩化アンモニウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)することにより、(T−15)を無色液体として(36.3g、収率71%)得た。
化合物(T−16)の合成
上記工程で得られた化合物(T−15)(12.1g)をDryTHF(100ml)に溶解させ、−70℃まで冷却した。窒素雰囲気下n−BuLi(41ml)を滴下し、−70℃で2時間撹拌した。その後シクロヘキサンジオンモノエチレンケタール(T−3)(7.80g)のDryTHF溶液を−70℃でゆっくりと滴下し、室温まで昇温して16時間撹拌した。反応終了後2N−HCl(50ml)を加え、トルエンにて抽出し、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをトルエン(100ml)に溶解させ、p−TsOH(0.11g)を加えて、脱水しながら4時間加熱還流した。反応終了後トルエンにて抽出し、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、(T−16)を無色結晶として(10.1g、収率55%)得た。
化合物(T−17)の合成
上記工程で得られた化合物(T−16)(10.1g)をIPA(100ml)に溶解させ、Pd−Cを加えて、水素雰囲気下室温にて6時間撹拌した。反応終了後Pd−Cをろ別し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、(T−17)を無色結晶として(9.8g、収率96%)得た。
化合物(T−18)の合成
上記工程で得られた化合物(T−17)(9.8g)をトルエン(100ml)に溶解させ、ギ酸(20ml)を加えて、4時間加熱還流した。反応終了後トルエンにて抽出し、水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものを再結晶(ソルミックス)することにより、(T−18)を無色結晶として(7.5g、収率86%)得た。
化合物(T−19)の合成
LAH(0.39g)のDMF(40ml)懸濁溶液に、上記工程で得られた化合物(T−18)(7.5g)のDMF溶液を氷冷下、発泡に注意しながら滴下した。滴下終了後室温まで昇温し、5時間撹拌した。反応終了後氷冷した2N−HCl(50ml)を加え、酢酸エチルにて抽出し、水、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものを再結晶(ソルミックス)することにより、(T−19)を無色結晶として(6.7g、収率89%)得た。
1−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4−(4−エトキシシクロヘキシル)−2,3−ジフルオロベンゼン(1−b−3−6)の合成。
NaH(0.27g)のDMF(50ml)懸濁溶液に、上記工程で得られた化合物(T−19)(3.5g)のDMF溶液を発泡に注意しながら滴下した。その後、ブロモブタン(11.9g)のDMF溶液を滴下し、100℃で12時間加熱撹拌した。反応終了後トルエン抽出し、水、飽和塩化アンモニウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して無色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、1−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4−(4−エトキシシクロヘキシル)−2,3−ジフルオロベンゼン(1−b−3−6)を無色結晶として(1.79g、収率48%)得た。
この化合物の物性は、NI=62.6℃,Δε=−5.13, Δn=0.092, η=64.8mPa・s, K33/K11=1.346, C 65.1 N 99.9 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);6.86(d,2H)、3.55(q,2H)、3.49(t,2H)、3.31−3.24(m,2H)、2.83−2.77(m,2H)、2.15(d,4H)、1.89(d,4H)、1.58−1.35(m,12H)、1.21(t,3H)、0.93(t,3H).
[実施例6]
4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニルボロン酸(T−20)の合成。
Figure 0005958608
上記に示す合成スキームに従って、実施例1の中間体として得られた化合物(T−2)(129.5g)をDryTHF(500ml)に溶解させ、−70℃まで冷却した。窒素雰囲気下n−BuLi(500ml)を滴下し、−70℃で2時間撹拌した。その後ホウ酸トリメチル(129.5g)のDryTHF溶液を−70℃でゆっくりと滴下し、室温まで昇温して16時間撹拌した。反応終了後2N−HCl(200ml)を加えた後、トルエンにて抽出し、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものを再結晶(容量比で、ヘプタン:トルエン=4:1)することにより、(T−20)を無色結晶として(117.2g、収率71%)得た。
4−(4−ブトキシシクロヘキ−1−エニル)−4′−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロビフェニル(1−c−1−52)を下記に示す合成スキームに従って合成した。
Figure 0005958608
化合物(T−23)の合成
実施例5において化合物(T−15)を合成した方法と同様にして、上記に示す合成スキームに従い、化合物(T−11)(60.5g)から、化合物(T−23)を無色液体として(12.7g、収率41%)得た。
化合物(T−24)の合成
上記工程で得られた化合物(T−23)(12.7g)をDryTHF(100ml)に溶解させ、−70℃まで冷却した。窒素雰囲気下n−BuLi(43ml)を滴下し、−70℃で2時間撹拌した。その後ヨウ素(4.40g)のDryTHF溶液を−70℃でゆっくりと滴下し、室温まで昇温して16時間撹拌した。反応終了後トルエンにて抽出し、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、(T−24)を無色結晶として(14.2g、収率76%)得た。
4−(4−ブトキシシクロヘキ−1−エニル)−4′−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロビフェニル(1−c−1−52)の合成
上記工程で得た化合物(T−24)(7.10g)と化合物(T−20)(4.02g)をIPAに溶解させ、Pd(PPh(0.21g)および炭酸ナトリウム(5.76g)を加えて6時間加熱還流した。反応終了後酢酸エチルにて抽出し、2N−NaOH水溶液、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(容量比で、ヘプタン:エタノール=1:1)することにより、4−(4−ブトキシシクロヘキ−1−エニル)−4′−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロビフェニル(1−c−1−52)を無色結晶として(4.05g、収率53%)得た。
この化合物の物性は、NI=73.9℃,Δε=−8.31, Δn=0.172, η=87.6mPa・s, K33/K11=1.132, C 51.2 N 70.5 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);7.06−7.02(m,3H)、6.81(t,1H)、5.95(s,1H)、4.17(q,2H)、3.68−3.63(m,1H)、3.57−3.48(m,2H)、2.61−2.49(m,3H)、2.25−2.20(m,1H)、2.08−2.05(m,1H)、1.82−1.76(m,1H)、1.62−1.54(m,2H)、1.49(t,3H)、1.44−1.37(m,2H)、0.94(t,3H).
[実施例7]
4−エトキシ−3−フルオロフェニルボロン酸(T−27)の合成。
Figure 0005958608
4−ブロモ−2−フルオロフェノール(T−25)(76.4g)、ブロモエタン(52.3g)、およびTBAB(6.44g)の水(400ml)溶液に、水酸化ナトリウム(20.2g)を加え、窒素雰囲気下80℃で6時間加熱撹拌した。反応終了後ヘプタンにて抽出し、有機層を水および飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して黒色油状物を得た。このものを蒸留にて精製することにより、1−エトキシ−2,3−ジフルオロブロモベンゼン(T−26)を無色油状物として(78.0g、収率90%)得た。
この化合物(T−26)(43.8g)をDryTHF(400ml)に溶解させ、−70℃まで冷却した。窒素雰囲気下n−BuLi(133ml)を滴下し、−70℃で2時間撹拌した。その後ホウ酸トリメチル(64.8g)のDryTHF溶液を−70℃でゆっくりと滴下し、室温まで昇温して16時間撹拌した。反応終了後2N−HCl(200ml)を加えた後、トルエンにて抽出し、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものを再結晶(容量比で、ヘプタン:トルエン=4:1)することにより、(T−27)を無色結晶として(23.9g、収率65%)得た。
4−(4−ブトキシシクロヘキ−1−エニル)−4′−エトキシ−2,3,3′−トリフルオロビフェニル(1−c−1−51)を実施例6に示した方法と同様にして、化合物(T−24)(7.10g)、4−エトキシ−3−フルオロフェニルボロン酸(T−27)(3.67g)、Pd(PPh(0.21g)、および炭酸ナトリウム(5.76g)より、無色結晶として(3.83g、収率52%)得た。
この化合物の物性は、NI=87.9℃,Δε=−5.17, Δn=0.192, η=78.1mPa・s, K33/K11=1.05, C 35.9 C 46.6 SA 81.8 N 97.5 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);7.31−7.24(m,2H)、7.10−7.02(m,3H)、5.94(s,1H)、4.16(q,2H)、3.67−3.62(m,1H)、3.57−3.48(m,2H)、2.60−2.49(m,3H)、2.25−2.20(m,1H)、2.08−2.04(m,1H)、1.82−1.75(m,1H)、1.62−1.56(m,2H)、1.48(t,3H)、1.44−1.36(m,2H)、0.94(t,3H).
[実施例8]
4−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4′−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロビフェニル(1−c−2−52)を下記に示す合成スキームに従って合成した。
Figure 0005958608
化合物(T−28)の合成
実施例5の中間体として得られた化合物(T−15)(24.2g)をDryTHF(100ml)に溶解させ、−70℃まで冷却した。窒素雰囲気下n−BuLi(82ml)を滴下し、−70℃で2時間撹拌した。その後ヨウ素(13.8g)のDryTHF溶液を−70℃でゆっくりと滴下し、室温まで昇温して16時間撹拌した。反応終了後トルエンにて抽出し、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、(T−24)を無色結晶として(24.2g、収率68%)得た。
4−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4′−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロビフェニル(1−c−2−52)の合成
上記工程で得た化合物(T−28)(6.10g)と化合物(T−20)(3.72g)をIPAに溶解させ、Pd(PPh(0.18g)および炭酸ナトリウム(4.92g)を加えて6時間加熱還流した。反応終了後酢酸エチルにて抽出し、2N−NaOH水溶液、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(容量比で、ヘプタン:エタノール=1:1)することにより、4−(4−ブトキシシクロヘキ−1−エニル)−4′−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロビフェニル(1−c−2−52)を無色結晶として(3.74g、収率57%)得た。
この化合物の物性は、NI=92.6℃,Δε=−9.45, Δn=0.148, η=95.3mPa・s, K33/K11=1.323, C 62.9 N 108.3 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);7.06−6.99(m,3H)、6.80(t,1H)、4.17(q,2H)、3.50(t,2H)、3.31−3.27(m,1H)、2.91−2.87(m,2H)、2.20(d,2H)、1.96(d,2H)、1.61−1.52(m,4H)、1.48(t,3H)、1.45−1.36(m,3H)、0.93(t,3H).
[実施例9]
4−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4′−エトキシ−2,3,3′−トリフルオロビフェニル(1−c−2−51)を実施例8に示した方法と同様にして、化合物(T−28)(6.10g)、4−エトキシ−3−フルオロフェニルボロン酸(T−27)(3.42g)、Pd(PPh(0.18g)、および炭酸ナトリウム(4.92g)より、無色結晶として(3.21g、収率51%)得た。
この化合物の物性は、NI=105.3℃,Δε=−5.78, Δn=0.160, η=83.7mPa・s, K33/K11=1.388, C 49.8 C 58.2 SA 72.8 N 124.6 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);7.29−7.23(m,2H)、7.07(t,1H)、7.03−6.99(m,2H)、4.15(q,2H)、3.49(t,2H)、3.32−3.26(m,1H)、2.90−2.85(m,2H)、2.18(d,2H)、1.94(d,2H)、1.59−1.51(m,4H)、1.48(t,3H)、1.45−1.35(m,3H)、0.94(t,3H).
[実施例10]
4−(4−エトキシシクロヘキシル)−4′−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロビフェニル(1−c−2−8)を実施例8に示した方法と同様にして、4−(4−エトキシシクロヘキシル)−2,3,−ジフルオロヨードベンゼン(5.67g)、4−エトキシ−3−フルオロフェニルボロン酸(T−27)(3.72g)、Pd(PPh(0.17g)、および炭酸ナトリウム(4.92g)より、無色結晶として(3.56g、収率58%)得た。
この化合物の物性は、NI=90.6℃,Δε=−10.22, Δn=0.149, η=92.1mPa・s, K33/K11=1.707, C 99.5 N 114.0 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);7.06−6.98(m,3H)、6.80(t,1H)、4.17(q,2H)、4.15(q,2H)、3.31−3.27(m,1H)、2.20(d,2H)、1.96(d,2H)、1.59−1.51(m,2H)、1.48(t,3H)、1.45(t,3H)1.45−1.36(m,3H).
[実施例11]
4″−ブトキシ−4−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロ−1,1′:4′,1″−ターフェニル(i−d−52)を下記に示す合成スキームに従って合成した。
Figure 0005958608
4−ブロモフェノール(T−29)(34.6g)、ブロモブタン(30.1g)、およびTBAB(3.22g)の水(200ml)溶液に、水酸化ナトリウム(10.1g)を加え、窒素雰囲気下80℃で6時間加熱撹拌した。反応終了後ヘプタンにて抽出し、有機層を水および飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して黒色油状物を得た。このものを蒸留にて精製することにより、1−ブトキシブロモベンゼン(T−30)を無色油状物として(39.4g、収率86%)得た。
4−(4−ブトキシフェニル)−2,3−ジフルオロベンゼン(T−32)の合成
上記工程で得た化合物(T−30)(39.4g)および2,3−ジフルオロフェニルボロン酸(T−31)(28.5g)をIPAに溶解させ、Pd(PPh(1.04g)および炭酸ナトリウム(27.3g)を加えて6時間加熱還流した。反応終了後酢酸エチルにて抽出し、2N−NaOH水溶液、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(容量比で、ヘプタン:エタノール=1:1)することにより、4−(4−ブトキシフェニル)−2,3−ジフルオロベンゼン(T−32)を無色結晶として(34.7g、収率77%)得た。
4−(4−ブトキシフェニル)−2,3−ジフルオロヨードベンゼン(T−33)の合成
上記工程で得られた化合物(T−32)(34.7g)をDryTHF(300ml)に溶解させ、−70℃まで冷却した。窒素雰囲気下n−BuLi(132ml)を滴下し、−70℃で2時間撹拌した。その後ヨウ素(16.6g)のDryTHF溶液を−70℃でゆっくりと滴下し、室温まで昇温して16時間撹拌した。反応終了後トルエンにて抽出し、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(ソルミックス)することにより、(T−33)を無色結晶として(38.0g、収率74%)得た。
上記工程で得た化合物(T−33)(3.88g)と化合物(T−20)(2.02g)をIPAに溶解させ、Pd(PPh(0.12g)および炭酸ナトリウム(1.59g)を加えて6時間加熱還流した。反応終了後酢酸エチルにて抽出し、2N−NaOH水溶液、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水、飽和塩化ナトリウム水溶液にて洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧濃縮して淡茶色固体を得た。このものをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(容量比で、ヘプタン:酢酸エチル=20:1)、及び再結晶(容量比で、ヘプタン:エタノール=1:1)することにより、4″−ブトキシ−4−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロ−1,1′:4′,1″−ターフェニル(i−d−52)を無色結晶として(2.80g、収率67%)得た。
この化合物の物性は、NI=148.6℃,Δε=−9.32, Δn=0.247, η=85.6mPa・s, K33/K11=1.633, C 102.8 N 170.4 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);7.56(d,2H)、7.23(t,1H)、7.15(t,1H)、7.09(t,1H)、7.00(d,2H)、6.85(t,1H)、4.18(q,2H)、4.03(t,2H)、1.85−1.77(m,2H)、1.56−1.50(m,2H)、1.48(t,3H)、1.10(t,3H).
[実施例12]
4″−ブトキシ−4−エトキシ−2′,3,3′−トリフルオロ−1,1′:4′,1″−ターフェニル(i−d−51)を実施例11に示した方法と同様にして、4−(4−ブトキシフェニル)−2,3−ジフルオロヨードベンゼン(T−33)(3.88g)、4−エトキシ−3−フルオロフェニルボロン酸(T−27)(1.84g)、Pd(PPh(0.12g)、および炭酸ナトリウム(1.59g)より、無色結晶として(2.48g、収率62%)得た。
この化合物の物性は、NI=162.6℃,Δε=−4.93, Δn=0.281, η=79.6mPa・s, K33/K11=1.739, C 88.8 N 183.2 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);7.56(d,2H)、7.40−7.15(m,4H)、7.04(t,1H)、6.99(d,2H)、4.17(q,2H)、4.02(t,2H)、1.85−1.76(m,2H)、1.56−1.47(m,2H)、1.49(t,3H)、1.00(t,3H).
[実施例13]
4″−ブトキシ−3−クロロ−4−エトキシ−2,2′,3′−トリフルオロ−1,1′:4′,1″−ターフェニル(i−d−57)を実施例11に示した方法と同様にして、4−(4−ブトキシフェニル)−2,3−ジフルオロヨードベンゼン(T−33)(3.88g)、3−クロロ−4−エトキシ−2−フルオロフェニルボロン酸(2.18g)、Pd(PPh(0.12g)、および炭酸ナトリウム(1.59g)より、無色結晶として(3.08g、収率71%)得た。
この化合物の物性は、NI=132.6℃,Δε=−9.02, Δn=0.235, η=106.6mPa・s, K33/K11=1.702, C 131.3 N 156.1 Iso であった。物性は[実施例1]と同様にして測定した。
H−NMR(CDCl):δ(ppm);7.53(d,2H)、7.29−7.20(m,2H)、7.14(t,1H)、7.00(d,2H)、6.82(d,2H)、4.18(q,2H)、4.03(t,2H)、1.85−1.76(m,2H)、1.56−1.47(m,2H)、1.52(t,3H)、1.00(t,3H).
[実施例1]〜[実施例13]に記載した合成法をもとに、下記の[表1]〜[表15]に示した化合物を合成する。なお、[実施例1]〜[実施例13]で得られる化合物(1−a−1−20)、(1−a−2−4)、(1−a−1−22)、(1−a−1−60)、(1−b−3−6)、(1−c−1−51)、(1−c−1−52)、(1−c−2−51)、(1−c−2−52)、(i−d−51)、(i−d−52)、および(i−d−57)も再掲した。
Figure 0005958608
[表1]
Figure 0005958608

Figure 0005958608
[表2]

Figure 0005958608

[表3]

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[表4]

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[表5]

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[表6]

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[表7]

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[表8]

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[表9]

Figure 0005958608



[表10]

Figure 0005958608


Figure 0005958608

[表11]

Figure 0005958608


[表12]

Figure 0005958608


[表13]

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[表14]

Figure 0005958608


[表15]

Figure 0005958608


Figure 0005958608

[表16]


Figure 0005958608


[表17]

Figure 0005958608



[表18]

Figure 0005958608


[表19]

Figure 0005958608


[表20]


Figure 0005958608



本発明の代表的組成の一例を以下に示す。物性の測定方法は後述する方法に従った。
液晶性化合物の物性を測定する試料としては、化合物そのものを試料とする場合、化合物を母液晶と混合して試料とする場合の2種類がある。
化合物を母液晶と混合した試料を用いる後者の場合には、以下の方法で測定を行う。まず、得られた液晶性化合物15重量%と母液晶85重量%とを混合して試料を作製する。そして、得られた試料の測定値から、下記式に示す式に示す外挿法にしたがって、外挿値を計算する。この外挿値をこの化合物の物性値とする。
〈外挿値〉=(100×〈試料の測定値〉−〈母液晶の重量%〉×〈母液晶の測定値〉)/〈液晶性化合物の重量%〉
液晶性化合物と母液晶との割合がこの割合であっても、スメクチック相、または結晶が25℃で析出する場合には、液晶性化合物と母液晶との割合を10重量%:90重量%、5重量%:95重量%、1重量%:99重量%の順に変更をしていき、スメクチック相、または結晶が25℃で析出しなくなった組成で試料の測定値を得てから、上記式にしたがって外挿値を求めて、これを液晶性化合物の物性値とする。
上記測定に用いる母液晶としては様々な種類が存在するが、例えば、母液晶Aの組成は以下のとおりである。
母液晶A:

Figure 0005958608
母液晶Aの物性は次のとおりであった。上限温度(NI)=74.6℃;光学異方性(Δn)=0.087;誘電率異方性(Δε)=−1.3。
この母液晶Aに実施例1に記載の1−(4−ブトキシシクロヘキ−1−エニル)−4−エトキシ−2,3−ジフルオロベンゼン(1−a−1−20)を15重量%添加して物性を測定した。その結果、光学異方性(Δn)=0.080;誘電率異方性(Δε)=−5.29であった。
母液晶Aに実施例2に記載の1−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4−エトキシ−2,3−ジフルオロベンゼン(1−a−2−22)を15重量%添加して物性を測定した。その結果、光学異方性(Δn)=0.070;誘電率異方性(Δε)=−7.50であった。
[比較例1]
1−エトキシ−2,3−ジフルオロ−4−(ペンチルシクロヘキシル)ベンゼン(s−1)を合成し、この化合物の15重量%と母液晶Aの85重量%とからなる組成物を調製し、[実施例1]と同様にして物性を測定した。その結果、この化合物の光学異方性の値は0.072、誘電率異方性の値は−4.76となり、本願化合物(1−a−1−20)および(1−a−1−22)の方が負に大きな誘電率異方性を有し、さらに本願化合物(1−a−1−20)は大きな光学異方性を有することが分かった。
母液晶Aに実施例4に記載の(E)−1−(4−(ブト−2−エニルオキシ)シシクロヘキシル)−4−エトキシ−2,3−ジフルオロベンゼン(1−a−2−60)を15重量%添加して物性を測定した。その結果、誘電率異方性(Δε)は−7.38であった。
[比較例2]
(E)−1−4−エトキシ−2,3−ジフルオロ−4−(4−(ペント−3−エニル)シクロヘキシル)ベンゼン(s−2)を合成し、この化合物の15重量%と母液晶Aの85重量%とからなる組成物を調製し、[実施例1]と同様にして物性を測定した。その結果、この化合物の誘電率異方性の値は−5.81となり、本願化合物の方が負に大きな誘電率異方性を有することが分かった。
母液晶Aに実施例5に記載の1−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4−(4−エトキシシクロヘキシル)−2,3−ジフルオロベンゼン(1−b−3−6)を15重量%添加して物性を測定した。その結果、光学異方性(Δn)=0.92;粘度(η)=64.8mPa・s;弾性定数比(K33/K11)=1.346であった。
[比較例3]
4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−4′−プロポキシビ(シクロヘキサン)(s−6)を合成し、この化合物の15重量%と母液晶Aの85重量%とからなる組成物を調製し、[実施例1]と同様にして物性を測定した。その結果、この化合物のΔnは0.084、ηは130.8mPa・s、K33/K11は1.020となり、本願化合物(1−b−3−6)の方が大きな光学異方性と小さな粘度および大きな弾性定数比を有することが分かった。
母液晶Aに実施例6に記載の4−(4−ブトキシシクロヘキ−1−エニル)−4′−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロビフェニル(1−c−1−52)を15重量%添加して物性を測定した。その結果、光学異方性(Δn)=0.172;誘電率異方性(Δε)=−8.31であった。
母液晶Aに実施例8に記載の4−(4−ブトキシシクロヘキシル)−4′−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロビフェニル(1−c−2−52)を15重量%添加して物性を測定した。その結果、光学異方性(Δn)=0.148;誘電率異方性(Δε)=−9.45であった。
[比較例4]
4−エトキシ−2,2′,3,3′−テトラフルオロ−4′−(4−ペンチルシクロヘキシルビフェニル(s−5)を合成し、この化合物は母液晶Aに15重量%まで溶けなかったため、この化合物の10重量%と母液晶Aの90重量%とからなる組成物を調製し、[実施例1]と同様にして物性を測定した。その結果、この化合物の光学異方性の値は0.167、誘電率異方性の値は−8.09となり、本願化合物(1−c−1−52)および(1−c−2−52)の方が負に大きな誘電率異方性を有し、他の液晶性化合物との相溶性が良く、さらに本願化合物(1−c−1−52)は大きな光学異方性を有することが分かった。
[比較例5]
4′−エトキシ−2−フルオロ−4−(4−ペンチルシクロヘキシル)ビフェニル(s−3)を合成し、この化合物の15重量%と母液晶Aの85重量%とからなる組成物を調製し、[実施例1]と同様にして物性を測定した。その結果、この化合物の誘電率異方性の値は−1.46となり、本願化合物の方が負に大きな誘電率異方性を有することが分かった。
さらに本発明の代表的な組成物を[組成物例1]〜[組成物例14]にまとめた。最初に、組成物の成分である化合物とその量(重量%)を示した。化合物は[表21]の取り決めに従い、左末端基、結合基、環構造、および右末端基の記号によって表示した。1,4−シクロヘキシレンの立体配置はトランスである。末端基の記号がない場合は、末端基が水素であることを表す。次に組成物の物性値を示した。

Figure 0005958608
特性の測定は下記の方法にしたがって行うことができる。それらの多くは、日本電子機械工業会規格(Standard of Electric Industries Association of Japan)EIAJ・ED−2521Aに記載された方法、またはこれを修飾した方法である。測定に用いたTN素子には、TFTを取り付けなかった。
転移温度(℃):次のいずれかの方法で測定した。1)偏光顕微鏡を備えた融点測定装置のホットプレート(メトラー社FP−52型ホットステージ)に試料を置き、1℃/分の速度で加熱した。試料が相変化したときの温度を測定した。2)パーキンエルマー社製走査熱量計DSC−7システムを用い3℃/分速度で測定した。
結晶はCと表した。結晶の区別がつく場合は、それぞれCまたはCと表した。スメクチック相はSと表した。結晶はNと表した。液体(アイソトロピック)はIsoと表した。ネマチック相はNと表した。スメクチック相の中で、スメクチックB相、スメクチックC相またはスメクチックA相の区別がつく場合は、それぞれS、S、またはSと表した。転移温度の表記として、「C 50.0 N 100.0 Iso」とは、結晶からネマチック相への転移温度(CN)が50.0℃であり、ネマチック相から液体への転移温度(NI)が100.0℃であることを示す。他の表記も同様である。
ネマチック相の上限温度(NI;℃):偏光顕微鏡を備えた融点測定装置のホットプレートに試料を置き、1℃/分の速度で加熱した。試料の一部がネマチック相から等方性液体に変化したときの温度を測定した。ネマチック相の上限温度を「上限温度」と略すことがある。
ネマチック相の下限温度(T;℃):ネマチック相を有する試料を0℃、−10℃、−20℃、−30℃、および−40℃のフリーザー中に10日間保管したあと、液晶相を観察した。例えば、試料が−20℃ではネマチック相のままであり、−30℃では結晶(またはスメクチック相)に変化したとき、Tを<−20℃と記載する。ネマチック相の下限温度を「下限温度」と略すことがある。
化合物の相溶性:類似の構造を有する幾つかの化合物を混合してネマチック相を有する母液晶を調製した。測定する化合物とこの母液晶とを混合した組成物を得た。混合する割合の一例は、15重量%の化合物と85重量%の母液晶である。この組成物を−20℃、−30℃のような低い温度で30日間保管した。この組成物の一部が結晶(またはスメクチック相)に変化したか否かを観察した。必要に応じて混合する割合と保管温度とを変更した。このようにして測定した結果から、結晶(またはスメクチック相)が析出する条件および結晶(またはスメクチック相)が析出しない条件を求めた。これらの条件が相溶性の尺度である。
粘度(バルク粘度;η;20℃で測定;mPa・s):測定にはE型回転粘度計を用いた。
粘度(回転粘度;γ1;25℃で測定;mPa・s):
測定はM. Imai et al., Molecular Crystals and Liquid Crystals, Vol. 259, 37 (1995) に記載された方法に従った。2枚のガラス基板の間隔(セルギャップ)が20μmのVA素子に試料を入れた。この素子に30ボルト〜50ボルトの範囲で1ボルト毎に段階的に印加した。0.2秒の無印加のあと、ただ1つの矩形波(矩形パルス;0.2秒)と無印加(2秒)の条件で印加を繰り返した。この印加によって発生した過渡電流(transient current)のピーク電流(peak current)とピーク時間(peak time)を測定した。これらの測定値とM. Imaiらの論文、40頁の計算式(8)とから回転粘度の値を得た。この計算に必要な誘電率異方性は、下記の誘電率異方性で測定した値を用いた。
光学異方性(屈折率異方性;Δn;25℃で測定):測定は、波長589nmの光を用い、接眼鏡に偏光板を取り付けたアッベ屈折計により行なった。主プリズムの表面を一方向にラビング(rubbing)したあと、試料を主プリズムに滴下した。屈折率(n‖)は偏光の方向がラビングの方向と平行であるときに測定した。屈折率(n⊥)は偏光の方向がラビングの方向と垂直であるときに測定した。光学異方性の値は、Δn=n‖−n⊥、の式から計算した。試料が組成物のときはこの方法によって光学異方性を測定した。試料が化合物のときは、化合物を適切な組成物に混合したあと光学異方性を測定した。化合物の光学異方性は外挿値である。
誘電率異方性(Δε;25℃で測定):試料が化合物のときは、化合物を適切な組成物に混合したあと誘電率異方性を測定した。化合物の誘電率異方性は外挿値である。
よく洗浄したガラス基板にオクタデシルトリエトキシシラン(0.16mL)のエタノール(20mL)溶液を塗布した。ガラス基板をスピンナーで回転させたあと、150℃で1時間加熱した。2枚のガラス基板から、間隔(セルギャップ)が20μmであるVA素子を組み立てた。
同様の方法で、ガラス基板にポリイミドの配向膜を調製した。得られたガラス基板の配向膜にラビング処理をした後、2枚のガラス基板の間隔が9μmであり、ツイスト角が80度であるTN素子を組み立てた。
得られたVA素子に試料(液晶組成物、または液晶性化合物と母液晶との混合物)を入れ、0.5V(1kHz、サイン波)を印加して、液晶分子の長軸方向における誘電率(ε‖)を測定した。
また、得られたTN素子に試料(液晶組成物、または液晶性化合物と母液晶との混合物)を入れ、0.5V(1kHz、サイン波)を印加して、液晶分子の短軸方向における誘電率(ε⊥)を測定した。
誘電率異方性の値は、Δε=ε‖−ε⊥の式から計算した。
この値が負である組成物が、負の誘電率異方性を有する組成物である。
しきい値電圧(Vth;25℃で測定;V):試料が化合物のときは、化合物を適切な組成物に混合したあとしきい値電圧を測定した。化合物のしきい値電圧は外挿値である。
2枚のガラス基板の間隔(ギャップ)が約9μmであり、ホメオトロピック配向に処理したノーマリーブラックモード(normally black mode)の液晶表示素子に試料を入れた。この素子に周波数が32Hzである矩形波を印加した。矩形波の電圧を上昇させ、素子を通過する光の透過率10%になったときの電圧の値を測定した。
電圧保持率(VHR;25℃で測定;%):測定に用いたTN素子はポリイミド配向膜を有し、そして2枚のガラス基板の間隔(セルギャップ)は6μmである。この素子は試料を入れたあと紫外線によって重合する接着剤で密閉した。このTN素子にパルス電圧(5Vで60マイクロ秒)を印加して充電した。減衰する電圧を高速電圧計で16.7ミリ秒のあいだ測定し、単位周期における電圧曲線と横軸との間の面積Aを求めた。面積Bは減衰しなかったときの面積である。電圧保持率は面積Bに対する面積Aの百分率である。
[組成例1]
4O−ChB(2F,3F)B(F)−O2
(1−c−1−51) 8%
4O−ChB(2F,3F)B(2F,3F)−O2
(1−c−1−52) 7%
3−HH−O1 (12−1) 8%
3−HH−4 (12−1) 5%
3−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 5%
5−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 21%
2−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 5%
3−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 7%
3−HHB(2F,3F)−O2 (7−1) 14%
5−HHB(2F,3F)−O2 (7−1) 20%
NI=72.9℃;Δn=0.095;η=32.4mPa・s;Δε=−4.6.
[組成例2]
4O−HB(2F,3F)B(F)−O2
(1−c−2−51) 5%
4O−HB(2F,3F)B(2F,3F)−O2
(1−c−2−52) 5%
4O−HB(2F,3F)H−O2 (1−b−3−6) 3%
3−HB−O1 (12−5) 15%
3−HH−4 (12−1) 5%
3−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 12%
5−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 12%
2−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 12%
3−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 12%
3−HHB(2F,3F)−O2 (7−1) 13%
3−HHB−1 (13−1) 6%
NI=77.2℃;Δn=0.093;η=40.6mPa・s;Δε=−3.5.
[組成例3]
4O−ChB(2F,3F)−O2 (1−a−1−20) 5%
2O−HB(2F,3F)−O2 (1−a−2−4) 5%
4O−HB(2F,3F)−O2 (1−a−2−22) 5%
5−HB−O2 (12−5) 8%
3−H2B(2F,3F)−O2 (6−4) 22%
5−H2B(2F,3F)−O2 (6−4) 7%
2−HHB(2F,3CL)−O2 (7−12) 2%
3−HHB(2F,3CL)−O2 (7−12) 3%
4−HHB(2F,3CL)−O2 (7−12) 2%
5−HHB(2F,3CL)−O2 (7−12) 2%
3−HBB(2F,3CL)−O2 (7−13) 9%
5−HBB(2F,3CL)−O2 (7−13) 9%
V−HHB−1 (13−1) 6%
3−HHB−3 (13−1) 6%
3−HHEBH−3 (14−6) 3%
3−HHEBH−4 (14−6) 3%
3−HHEBH−5 (14−6) 3%
NI=84.7℃;Δn=0.097;η=38.6mPa・s;Δε=−4.3.
上記組成物100部にOp−05を0.25部添加したときのピッチは61.1μmであった。
[組成例4]
4O−HB(2F,3CL)B(2F,3F)−O2
(1−c−2−54) 5%
4O−HB(2F,3F)B(2F,3CL)−O2
(1−c−2−57) 5%
1V1O−HB(2F,3F)B(2F,3F)−O2
(1−c−2−136) 3%
3−HB−O1 (12−5) 15%
3−HH−4 (12−1) 5%
3−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 12%
5−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 12%
2−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 12%
3−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 12%
3−HHB(2F,3F)−O2 (7−1) 13%
6−HEB(2F,3F)−O2 (6−6) 6%
[組成例5]
1V1O−HB(2F,3F)−O2 (1−a−2−60) 3%
4O−HB(2F,3F)−O2 (1−a−2−22) 5%
3−HB−O2 (12−5) 17%
3−H2B(2F,3F)−O2 (6−4) 15%
5−H2B(2F,3F)−O2 (6−4) 15%
3−HHB(2F,3CL)−O2 (7−12) 5%
3−HBB(2F,3CL)−O2 (7−13) 3%
4−HBB(2F,3CL)−O2 (7−13) 9%
5−HBB(2F,3CL)−O2 (7−13) 9%
3−HHB−1 (13−1) 8%
3−HHB−3 (13−1) 8%
3−HHB−O1 (13−1) 3%
NI=74.4℃;Δn=0.102;η=33.1mPa・s;Δε=−4.6.
[組成例6]
4O−HB(2F,3F)B(F)−O2
(1−c−2−51) 3%
4O−HB(2F,3F)B(2F,3F)−O2
(1−c−2−52) 3%
3−HB−O1 (12−5) 12%
3−HH−4 (12−1) 5%
3−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 12%
5−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 12%
2−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 12%
3−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 12%
3−HHB(2F,3F)−O2 (7−1) 10%
5−HHB(2F,3F)−O2 (7−1) 13%
3−HHB−1 (13−1) 6%
NI=87.4℃;Δn=0.094;η=39.4mPa・sec;Δε=−3.7.
[組成例7]
4O−ChB(2F,3F)B(F)−O2
(1−c−1−51) 4%
4O−ChB(2F,3F)B(2F,3F)−O2
(1−c−1−52) 3%
2−BEB(F)−C (5−14) 5%
3−BEB(F)−C (5−14) 4%
4−BEB(F)−C (5−14) 12%
1V2−BEB(F,F)−C (5−15) 12%
3−HB−O2 (12−5) 11%
3−HH−4 (12−1) 3%
3−HHB−F (3−1) 3%
3−HHB−1 (13−1) 8%
3−HHB−O1 (13−1) 4%
3−HBEB−F (3−37) 4%
3−HHEB−F (3−10) 7%
5−HHEB−F (3−10) 3%
3−H2BTB−2 (13−17) 4%
3−H2BTB−3 (13−17) 4%
3−H2BTB−4 (13−17) 4%
3−HB(F)TB−2 (13−18) 5%
NI=85.2℃;Δn=0.144;Δε=24.8;η=38.9mPa・sec.
[組成例8]
4O−HB(2F,3CL)B(2F,3F)−O2
(1−c−2−54) 5%
4O−HB(2F,3F)B(2F,3CL)−O2
(1−c−2−57) 5%
1V1O−HB(2F,3F)B(2F,3F)−O2
(1−c−2−136) 4%
1V2−BEB(F,F)−C (5−15) 4%
3−HB−C (5−1) 12%
2−BTB−1 (12−10) 10%
5−HH−VFF (12−1) 30%
3−HHB−1 (13−1) 4%
VFF−HHB−1 (13−1) 8%
VFF2−HHB−1 (13−1) 5%
3−H2BTB−2 (13−17) 5%
3−H2BTB−3 (13−17) 4%
3−H2BTB−4 (13−17) 4%
[組成例9]
4O−ChB(2F,3F)−O2 (1−a−1−20) 3%
2O−HB(2F,3F)−O2 (1−a−2−4) 3%
4O−HB(2F,3F)−O2 (1−a−2−22) 3%
2−HB−C (5−1) 5%
3−HB−C (5−1) 12%
3−HB−O2 (12−5) 15%
2−BTB−1 (12−10) 3%
3−HHB−F (3−1) 4%
3−HHB−1 (13−1) 8%
3−HHB−O1 (13−1) 5%
3−HHB−3 (13−1) 10%
3−HHEB−F (3−10) 3%
2−HHB(F)−F (3−2) 7%
3−HHB(F)−F (3−2) 7%
5−HHB(F)−F (3−2) 7%
3−HHB(F,F)−F (3−3) 5%
NI=80.4℃;Δn=0.094;Δε=3.7;η=16.5mPa・sec.
[組成例10]
1V1O−HB(2F,3F)−O2 (1−a−2−60) 3%
4O−HB(2F,3F)−O2 (1−a−2−22) 7%
5−HB−CL (2−2) 13%
3−HH−4 (12−1) 12%
3−HH−5 (12−1) 4%
3−HHB−F (3−1) 4%
3−HHB−CL (3−1) 3%
4−HHB−CL (3−1) 4%
3−HHB(F)−F (3−2) 10%
4−HHB(F)−F (3−2) 9%
5−HHB(F)−F (3−2) 9%
7−HHB(F)−F (3−2) 8%
5−HBB(F)−F (3−23) 3%
1O1−HBBH−5 (14−1) 3%
3−HHBB(F,F)−F (4−6) 2%
3−HH2BB(F,F)−F (4−15) 3%
4−HH2BB(F,F)−F (4−15) 3%
NI=100.3℃;Δn=0.086;Δε=2.1;η=18.3mPa・sec.
[組成例11]
4O−HB(2F,3CL)B(2F,3F)−O2
(1−c−2−54) 5%
4O−HB(2F,3F)B(2F,3CL)−O2
(1−c−2−57) 4%
1V1O−HB(2F,3F)B(2F,3F)−O2
(1−c−2−136) 4%
5−HB−CL (2−2) 3%
7−HB(F)−F (2−3) 7%
3−HH−4 (12−1) 9%
3−HH−EMe (12−2) 23%
5−HHEB−F (3−10) 8%
3−HHEB(F,F)−F (3−12) 10%
4−HGB(F,F)−F (3−103) 5%
5−HGB(F,F)−F (3−103) 6%
2−H2GB(F,F)−F (3−106) 4%
3−H2GB(F,F)−F (3−106) 5%
5−GHB(F,F)−F (3−109) 7%
[組成例12]
4O−BB(2F,3F)B(2F,3F)−O2
(i−d−52) 5%
4O−BB(2F,3F)B(2F,3CL)−O2
(i−d−57) 3%
3−HH−O1 (12−1) 8%
3−HH−4 (12−1) 5%
3−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 12%
5−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 21%
2−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 5%
3−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 7%
3−HHB(2F,3F)−O2 (7−1) 14%
5−HHB(2F,3F)−O2 (7−1) 20%
NI=72.4℃;Δn=0.092;η=29.2mPa・s;Δε=−4.7.
[組成例13]
4O−BB(2F,3F)B(2F,3F)−O2
(i−d−52) 5%
4O−BB(2F,3F)B(F)−O2 (i−d−51) 8%
3−HB−O1 (12−5) 15%
3−HH−4 (12−1) 5%
3−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 12%
5−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 12%
2−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 12%
3−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 12%
3−HHB(2F,3F)−O2 (7−1) 13%
3−HHB−1 (13−1) 6%
NI=85.9℃;Δn=0.110;η=40.4mPa・s;Δε=−3.5.
本発明は、他の液晶性化合物との相溶性に優れ、負に大きな誘電率異方性を有する新規液晶性化合物を提供する。
また、本発明は、この液晶性化合物を成分として、その化合物を構成する環、置換基、結合基などを適当に選択することにより、望ましい特性を有する上記の特徴を備えた新たな液晶組成物を提供し、さらにこの液晶組成物を用いた液晶表示素子を提供する。

Claims (12)

  1. 式(1−a)で表される化合物。
    Figure 0005958608

    式中、RおよびRは独立して、炭素数1〜8の直鎖アルキルまたは炭素数2〜8の直鎖アルケニルであり;
    環Aは、トランス−1,4−シクロヘキシレンまたは1,4−シクロヘキセニレンであり;
    およびQ は共にフッ素である。
  2. 環Aが1,4−シクロヘキセニレンである、請求項1に記載の化合物。
  3. およびRの一方が炭素数2〜8の直鎖アルケニルである、請求項1または2に記載の化合物。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の化合物を少なくとも1つ含有することを特徴とする液晶組成物。
  5. 一般式(2)、(3)、および(4)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項4に記載の液晶組成物。
    Figure 0005958608

    式中、Rは独立して炭素数1〜10のアルキルまたは炭素数2〜10のアルケニルであり、これらにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよく;
    はフッ素または塩素であり;
    環A、環A、および環Aは独立して、トランス−1,4−シクロヘキシレン、トランス−1,3−ジオキサン−2,5−ジイル、ピリミジン−2,5−ジイル、トランス−1−ピラン−2,5−ジイル、または任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレンであり;
    およびZは独立して、−(CH22−、−(CH24−、−COO−、−CF2O−、−OCF2−、−CH=CH−、−C≡C−、−CHO−、または単結合であり;
    およびLは独立して、水素またはフッ素である。
  6. 一般式(5)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項4に記載の液晶組成物。
    Figure 0005958608

    式中、Rは炭素数1〜10のアルキルまたは炭素数2〜10のアルケニルであり、アルキルおよびアルケニルにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよく;
    は−C≡Nまたは−C≡C−C≡Nであり;
    環B、環B、および環Bは独立して、トランス−1,4−シクロヘキシレン、任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレン、トランス−1,3−ジオキサン−2,5−ジイル、トランス−1−ピラン−2,5−ジイル、またはピリミジン−2,5−ジイルであり;
    は、−(CH22−、−COO−、−CF2O−、−OCF2−、−C≡C−、−CHO−、または単結合であり;
    およびLは独立して、水素またはフッ素であり;
    qは、0、1、または2であり、rは0または1である。
  7. 一般式(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、および(11)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項4に記載の液晶組成物。
    Figure 0005958608

    式中、Rは炭素数1〜10のアルキルまたは炭素数2〜10のアルケニルであり、これらにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、Rは炭素数1〜9のアルコキシまたは炭素数2〜9のアルケニルオキシであり、これらにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく;
    環C、環C、環C、および環Cは独立して、トランス−1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレン、トランス−1−ピラン−2,5−ジイル、またはトランス−デカヒドロ−2,6−ナフタレンであり;
    、Z、Z、およびZは独立して、−(CH22−、−COO−、−CHO−、−OCF−、−OCF(CH22−、または単結合であり;
    およびLは独立して、フッ素または塩素であり;
    j、k、l、m、n、およびpは独立して、0または1であり、k、l、m、およびnの和は、1または2である。
  8. 一般式(12)、(13)、および(14)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項4に記載の液晶組成物。
    Figure 0005958608

    式中、RおよびRは独立して、炭素数1〜10のアルキルまたは炭素数2〜10のアルケニルであり、これらにおいて、任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、任意の−CH2−は−O−で置き換えられてもよく;
    環D、環D、および環Dは独立して、トランス−1,4−シクロヘキシレン、ピリミジン−2,5−ジイル、1,4−フェニレン、2−フルオロ−1,4−フェニレン、3−フルオロ−1,4−フェニレン、または2,5−ジフルオロ1,4−フェニレンであり;
    およびZは独立して、−C≡C−、−COO−、−(CH22−、−CH=CH−、または単結合である。
  9. 請求項8記載の一般式(12)、(13)、および(14)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項7に記載の液晶組成物。
  10. 少なくとも1つの光学活性化合物および/または重合可能な化合物をさらに含有する、請求項4〜9のいずれか1項に記載の液晶組成物。
  11. 少なくとも1つの酸化防止剤および/または紫外線吸収剤をさらに含有する請求項4〜10のいずれか1項に記載の液晶組成物。
  12. 請求項4〜11のいずれか1項に記載の液晶組成物を含有する液晶表示素子。
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