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新型吡啶环液晶化合物的合成及性能
莫玲超a,b, 李建a,b, 郭兆琦a,b, 李娟利a,b, 胡明刚a,b, 安忠维a,b,c,*
a 西安近代化学研究所 氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室 西安 710065
b 西安近代化学研究所 光电材料研究中心 西安 710065
c 陕西师范大学材料科学与工程学院,应用表面与胶体化学教育部重点实验室 西安 710100
通讯联系人:安忠维,教授; Tel:029-88291846; Fax:029-88220423; E-mail:gmecazw@163.com; 研究方向:有机光电材料及液晶材料的合成及性能
摘要

以2-溴-5-吡啶甲醛和5-溴-2-吡啶甲醛为起始原料,合成出4种新型含吡啶环二联芳基和三联芳基化合物,总收率20%~30%。 热性能研究结果表明,二联芳基化合物未呈现出液晶相,而三联芳基化合物在加热和冷却过程中均表现向列相液晶态,且当氮原子位于正丁基的间位时,其与不含氮原子的三联苯化合物(2c)相比,熔点降低了11.7 ℃,清亮点升高6.3 ℃,液晶相区拓宽了18 ℃,表现出了良好的热性能。 光电性能测试结果表明,用吡啶环替代苯环后,化合物的光学各向异性值均较参比化合物(1c或2c)增大;当N原子位于正丁基的邻位的化合物,介电各向异性值较参比化合物增大,且液晶的阈值电压、饱和电压均降低。 通过对三环同分异构体化合物的不同构象能量态的计算分析,解释了介电各向异性的变化规律。

关键词: 吡啶; 合成; 介电各向异性; 液晶
中图分类号:O625 文献标志码:A 文章编号:1000-0518(2016)05-0542-07
Synthesis and Properties of Novel Liquid Crystal Compounds Containing Pyridine Ring
MO Lingchaoa,b, LI Jiana,b, GUO Zhaoqia,b, LI Juanlia,b, HU Mingganga,b, AN Zhongweia,b,c
a State Key Laboratory of Fluorine & Nitrogen Chemicals
b Center for Optic-Electronic Materials,Xi'an Modern Chemistry Research Institute,Xi'an 710065,China
c Key Laboratory of Applied Surface and Colloid Chemistry of Ministry of Education,School of Materials Science and Engineering,Shaanxi Normal University,Xi'an 710100,China
Corresponding author:AN Zhongwei, professor; Tel:029-88291846; Fax:029-88220423; E-mail:gmecazw@163.com; Research interests:synthesis and property of organic optical-eletrical materials and liquid crystals
Abstract

Four new bi-aryl and tri-aryl compounds containing pyridine ring were synthesized by using 2-bromopyridine-5-carbaldehyde and 5-bromopyridine-2-carbaldehyde as starting materials. The total yields are around 20%~30%. Thermal analysis results show that the bi-aryl compounds exhibit no mesophase, while the tri-aryl compounds exhibit nematic phase during both heating and cooling process. For the compound with nitrogen atoms located at the ortho position of n-butyl group, its melting point is decreased by 11.7 ℃ and its clearing point is increased by 6.3 ℃, and the mesophase range is broadened by 18 ℃, compared with the reference terphenyl compound(2c). Optic-electronic property analysis results show that the birefringence is improved when one of benzene ring in the reference compounds(1c or 2c) is replaced by with pyridine ring. Besides, the dielectric anisotropy values are increased when the nitrogen atoms locate at ortho position of n-butyl, and the threshold voltage and saturation voltage are decreased. The rule of the dielectric anisotropy variation is explained by conformation energy calculation of three-ring isomers.

Keyword: pyridine ring; synthesis; dielectric anisotropy; liquid crystal

液晶作为一种特殊的有机光电材料已经取得了巨大的成功,其中负介电各向异性(Δ ε<0,Δ ε=ε- ε)的液晶在目前商业化的两大主流显示模式(VA模式和IPS模式)中均得到了广泛应用[1,2,3,4]。 负介电各向异性液晶化合物由于具有较大的短轴方向介电常数( ε),还可应用于正介电各向异性(Δ ε>0)液晶混合物中,以降低Δ ε/ε,从而提高超扭曲显示电光特性曲线的陡度,实现提高多路驱动能力和对比度等目的[5,6]。 大Δ ε的液晶化合物可以较大程度降低液晶的驱动电压,从而节约电池的能耗,延长电池的使用时间[7]。 较高的光学各向异性值(Δ n n=ne- no)有利于降低液晶器件的盒厚,从而提高液晶的响应速度[8]。 因此,具有大Δ ε和高Δ n的液晶化合物一直为液晶领域研究的热点课题之一。

与正性液晶相比,负性液晶的Δ ε一般偏小,导致驱动电压较高。 早期研究通过在苯环侧向引入具有一定极性基团,如氟原子、三氟甲基等[9],来提高液晶的介电各向异性值。 然而在苯环侧向引入较大基团的三氟甲基或多个氟原子会导致液晶相区变窄甚至消失,不利于液晶相的稳定;而且粘度也大幅增加。 近年来,通过在刚性母核中引入具有一定偶极矩的环结构,如四氢吡喃环[10,11,12,13]、吡啶环[14,15]等,在不降低分子长径比的情况下,既获得较宽的向列相温区,又可以提高液晶分子的Δ ε。 尽管四氢吡喃环引入液晶分子中可以提高液晶介电各向异性值、降低粘度[9],但由于其合成工艺非常复杂,总收率低[16],限制了其大规模的应用。 吡啶环不仅具有一定的偶极矩,而且可以增加分子的共轭程度,可能提高液晶化合物的清亮点、Δ ε和Δ n。 前期研究主要针对引入吡啶环后对热性能的影响,而对Δ ε和Δ n的影响研究较少,鉴于此,我们用吡啶环替代常规联苯、三联苯中的一个苯环,试图获得具有大Δ n和Δ ε的负性液晶。 引入吡啶环的分子连接次序不同,会出现两种同分异构体,对这两种同分异构体分别进行了合成,进一步探索吡啶环与苯环间连接次序对液晶性能的影响规律,为负性液晶分子设计提供新思路。 所设计化合物1a、1b、2a、2b的结构及合成路线如Scheme 1所示。

Scheme 1 Synthesis of target compounds

1 实验部分
1.1 仪器和试剂

Bruke-AV 500M Hz型核磁共振仪(德国布鲁克公司,CDCl3为溶剂,TMS为内标);GC-2014C型气相色谱仪(日本岛津公司,载气为N2气,色谱柱为Restek Rxi-1 ms毛细管柱);60SXR-FTIR型红外光谱仪(美国,Nicolet公司); DSQ型气质联用仪(美国Thermo公司,载气为He,色谱柱为HP-5 ms毛细管柱);DSC Q20型差示扫描量热仪(美国TA公司,扫描速率为5 ℃/min); BX51型偏光显微镜(日本Olympus公司);HS82型热台(瑞士Mettle公司);EC-1型电容电抗测试仪(日本TOYO公司);LCT-5076E型液晶光电参数测试仪(北方液晶工程研究中心);X-5型显微熔点测定仪(巩义市予华仪器有限责任公司)。

2-溴-5-吡啶甲醛、5-溴-2-吡啶甲醛、2,3-二氟溴苯、硼酸三正丁酯、对乙基苯硼酸、正丁基锂(2.5 mol/L)、无水碳酸钾、无水硫酸镁、2,3-二氟-4-乙氧基苯硼酸、溴丙基三苯基膦盐、叔丁醇钾、钯炭、四三苯基膦合钯、四氢呋喃、正庚烷、 N, N-二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、甲苯、乙醇、盐酸均为市售分析纯。

1.2 合成方法

以下以化合物2a的合成为例,其它化合物的合成及表征见辅助材料。

1.2.1 2,3-二氟-4'-乙基联苯(12)的合成 参照文献[17]方法,N2气保护下,向500 mL三口烧瓶中加入对乙基苯硼酸(10)25.0 g(167 mmol)、2,3-二氟溴苯(11)30.0 g(156 mmol)、无水碳酸钾54.0 g(391 mmol)、 N, N-二甲基甲酰胺210 mL和水70 mL,搅拌均匀后加入四三苯基膦合钯1.0 g(0.86 mmol),加热至80 ℃反应8 h。 GC监测无原料剩余,停止反应。 反应液冷却至室温,加入正庚烷萃取3遍,合并有机相,水洗至中性。 减压蒸出大部分溶剂。 油泵蒸馏(≈80 Pa),收集100~105 ℃馏分,得到无色液体26.1 g,GC纯度99.7%,收率77%。

1.2.2 2,3-二氟-4'-乙基-4-联苯硼酸(13)的合成 N2气保护下,向500 mL三口烧瓶中加入2,3-二氟-4'-乙基联苯(12)20.0 g(92 mmol)和无水四氢呋喃200 mL,液氮降温至-75 ℃,开始滴加浓度为2.5 mol/L的正丁基锂正己烷溶液44 mL(110 mmol),滴完后保温反应1 h。 滴加溶有25 g(109 mmol)硼酸三正丁酯的50 mL无水四氢呋喃溶液,滴完后继续保温反应1 h,反应结束后自然回温至室温,加入10%的稀盐酸。 分液,水相用正庚烷萃取3遍,合并有机相,旋干得白色固体,加入100 mL正庚烷加热回流30 min,冷却过滤得白色固体18.0 g,收率75%。1H NMR(DMSO), δ:1.208(t, J=7.5 Hz,3H),2.641~2.686(m,2H),7.287~7.350(m,3H),7.445~7.471(t,1H),7.505~7.539(t,2H);13C NMR(DMSO,125 MHz), δ:15.9,28.4,125.1,128.6,129.1,130.2,131.9,144.6,146.4,146.5,152.7,152.8,154.7,154.8。

1.2.3 5-醛基-2-(2,3-二氟-4'-乙基-4-联苯基)吡啶(14a)的合成 N2气保护下,向250 mL三口烧瓶中加入2,3-二氟-4'-乙基-4-联苯硼酸(13)7.1 g(27 mmol)、2-溴-5-吡啶甲醛4.7 g(25 mmol)、无水碳酸钾10.5 g(76 mmol)、四氢呋喃50 mL和水50 mL,搅拌均匀后加入四三苯基膦合钯0.8 g(0.69 mmol),加热回流反应8 h后停止反应。 反应液冷却至室温,加入甲苯萃取3遍,合并有机相,水洗3遍,旋干得粗品。 加入四氢呋喃使其加热刚好溶解,迅速加入15 mL正庚烷,析出大量固体,冷却后过滤得黄色固体4.8 g。 GC纯度98%,收率72%。mp 95~96 ℃;1H NMR(,CDCl3), δ: 1.297(t, J=7.5 Hz,3H),2.704~2.750(m,2H),7.323~7.382(m,3H),7.532~7.551(m,2H),7.923~7.958(m,1H),8.040~8.056(d,1H),8.257~8.277(m,1H),9.181~9.184(d,1H),10.170(s,1H);13C NMR(CDCl3,125 MHz), δ:15.5,28.7,124.5,125.0,125.1,125.2,126.3,126.4,128.3,128.9,130.1,131.5,132.5,132.6,136.7,145.0,147.4,147.5,148.8,148.9,152.0,157.1,190.4;MS(70 eV) m/z(%):323(M 91),308(100)。

1.2.4 5-(1-烯丁基)-2-(2,3-二氟-4'-乙基-4-联苯基)吡啶(15a)的合成 N2气保护下,向250 mL三口烧瓶中加入溴丙基三苯基膦盐3.2 g(8.3 mmol)和无水四氢呋喃100 mL,降温至-20 ℃,滴加浓度为2.5 mol/L的正丁基锂正己烷溶液3.1 mL(7.7 mmol),搅拌反应1 h后。 再降温至0 ℃,滴加15 mL溶有2.2 g(6.8 mmol) 5-醛基-2-(2,3-二氟-4'-乙基-4-联苯基)吡啶(14a)的无水四氢呋喃溶液,滴完后回温至室温,继续反应1 h后加水淬灭。 反应液用甲苯萃取3遍后,合并有机相水洗至中性,旋干得黄色固体。以 V(正庚烷): V(乙酸乙酯)=9:1为洗脱剂进行柱层析,分离得白色固体1.9 g,GC纯度99%( E Z式混合物),收率80%。 mp 43~44 ℃;1H NMR(CDCl3), δ:1.010~1.133(m,3H),1.276~1.307(t, J=7.5 Hz,3H),2.363~2.426(m,2H),2.695~2.741(m,2H),5.824~5.876(m,1H),6.372~6.433(m,1H),7.299~7.333(m,3H),7.524~7.543(m,2H),7.678~7.698(m,1H),7.814~7.868(m,2H),8.656~8.675(m,2H); m/z(%):349(M 100),334(69),319(10)。

1.2.5 化合物2a的合成 在100 mL单口烧瓶中加入5-(1-烯丁基)-2-(2,3-二氟-4'-乙基-4-联苯基)吡啶(15a)1.8 g(5.2 mmol),钯炭0.18 g和无水四氢呋喃40 mL,氢气置换3次,常温搅拌1 h。 反应液过滤后旋干,以正庚烷为洗脱剂进行柱层析分离得白色固体1.6 g,GC纯度99.4%,收率88%。 mp 42~43 ℃;1H NMR(CDCl3), δ:0.964(t, J=7.5 Hz,3H),1.291(t, J=7.5 Hz,3H),1.372~1.446(m,2H),1.630~1.691(m,2H),2.666~2.740(m,4H),7.296~7.322(m,3H),7.521~7.540(m,2H),7.615~7.635(m,1H),7.761~7.837(m,2H),8.573~8.577(d,1H);13C NMR(CDCl3,125 MHz), δ:13.9,15.5,22.3,28.7,32.5,33.2,123.9,124.0,124.7,127.7,127.8,128.2,128.8,128.9,130.7,130.8,132.0,136.4,137.3,144.5,147.4,147.5,148.3,148.4,149.4,149.5,149.7,149.8,149.8,150.0,150.3,150.4;IR(KBr), σ/cm-1:2961,2931,2873,2857,1626,1596,1566,1520,1477,1454,1408,1384,1325,1306,1204,1189,1108, 1094,1027,916,887,810;MS(70 eV) m/z(%):351(M+,100),336(34),308(92)。

2 结果与讨论
2.1 热性能测试

用DSC以5 ℃/min的升降温速率对所合成的液晶化合物进行了液晶相变温度的测试(图1为化合物2a的DSC曲线),液晶的相态经偏光显微镜(POM)确认(图2为化合物2a的POM照片)。 为了研究吡啶环中氮原子对液晶性能的影响,合成了化合物1c和2c作为参比材料,并对其性能进行了测试。 实验结果如表1所示。

图1 化合物2a的DSC曲线Fig.1 DSC trace of compound 2a

图2 化合物2a的偏光显微镜照片(×200)Fig.2 Photomicrographs(×200) of compound 2aA schlieren texture of the nematic phase at 103 ℃ on cooling of compound 2a

表1 目标化合物的相变温度及其焓变 Table 1 Phase transition temperatures and enthalpy change of target compounds

表1可以看出,对于二联芳基化合物而言,在加热或降温过程中,均未呈现液晶相,引入吡啶环后,化合物的熔点均有所升高,且化合物1a的熔点升高幅度更大,但其热焓值比参比化合物1c小,一定程度上弥补了其熔点升高后溶解性下降的问题。 三联芳基化合物2a、2b均呈现向列相,化合物2a与2c相比,熔点下降了11.7 ℃,且清亮点上升了6.3 ℃,液晶相区拓宽了18 ℃,表现出了较好的热性能;化合物2b与2c相比,熔点升高了4.2 ℃,且清亮点降低了13.8 ℃,不利于液晶相的稳定。 对比化合物2a和2b的热性质,吡啶环连接次序对液晶热性能有显著影响。

2.2 光电性能

为评价新合成出的液晶化合物物理性能,将其分别与母体混合液配方(Host)按照质量比例15:85加热混合均匀。 采用阿贝折光仪(25 ℃,589 nm)测试混合液晶的Δ n;采用电容电抗测试仪(25 ℃、1 kHz)测试混合液晶的Δ ε。 外推得到单体液晶化合物的Δ n和Δ ε,见表2

表2 目标化合物的光学各向异性和介电各向异性 Table 2 The optical anisotropies and dielectric anisotropy of target compounds

表2可以看出,吡啶环的引入均提高了液晶的Δ n,出现这一现象的原因可能是氮原子具有较大的电子云密度,从而增强了分子共轭程度,导致光学各向异性值的增加。 芳环中氮原子的取代位置对Δ ε却出现截然不同的结果。 氮原子位于正丁基的邻位的化合物1b和2b,表现出了更大的Δ ε数值,而氮原子位于正丁基的间位的化合物1a和2a,却表现出Δ ε数值的大幅度减小,甚至化合物1a还呈现出了正的Δ ε

将混合配方灌入5 μm垂直取向测试盒中,测试配方的光电参数,数据如表3所示。 从表3可以看出,用吡啶环替代苯环后,液晶的响应时间有所延长。 含有化合物1b和2b的混合液晶阈值电压( Vth)和饱和电压( Vsat)均低于参比化合物1c和2c。 对于垂直取向液晶,其阈值电压由公(1)决定:

Vth=πK11Δε·ε0(1)

式中, K11为展曲粘弹常数; ε0为真空中的介电常数。

阈值电压的变化规律与化合物的介电各向异性的变化规律相同。

表3 混合液晶的光电性能 Table 3 The electric-optical properties of the mixtures
2.3 分子构象的计算

为了进一步研究氮原子在芳环中不同位置,导致介电各向异性值产生变化的原因,采用Gaussian软件B3LYP/6-31G(d)的方法对化合物2a和2b进行了最低能量值的计算,分析其构象变化对性能的影响。 如图3所示的起始态,固定联苯基团,连续旋转吡啶环,计算每转动5°后化合物2a和2b的最低能量值。 计算结果如图4图5所示。

图3 化合物2a和2b的三维结构Fig.3 The three-dimensional structures of compounds 2a and 2b

图4 化合物2a的能量变化曲线Fig.4 The energy variation curve of compound 2a

图5 化合物2b的能量变化曲线Fig.5 The energy variation curve of compound 2b

图4图5可以看出,对于化合物2a,吡啶环旋转接近90°、180°和270°下能量最高,不利于分子的稳定性,旋转至360°时能量最低,此时吡啶环和相邻苯环氟原子的偶极矩相互抵消,导致化合物2a较2c介电各向异性值有所降低。 对于化合物2b,吡啶环旋转至90°、180°、270°和360°能量相对较高,而旋转接近35°、140°、215°和320°下能量均相对较低,此时吡啶环与相邻苯环氟原子的偶极矩相互抵消或者叠加,且吡啶环与相邻苯环氟原子的偶极矩相互叠加多于相互抵消,导致化合物2b较2c介电各向异性值有所增加。

3 结 论

设计并合成了4种新型含吡啶环液晶化合物。 通过DSC、POM的测试和观察表明,三联芳基结构的吡啶化合物在加热和冷却过程中均呈现出向列相,其中N原子位于正丁基间位时,有利于降低化合物的熔点,提高化合物的清亮点,拓宽液晶相区间。 光电性能的测试发现,N原子的引入有利于提高化合物的光学各向异性值;当N原子位于正丁基的邻位时,有利于提高液晶化合物的介电各向异性值,并降低液晶的阈值电压和饱和电压。 通过对三环化合物分子构象的最低能量态的计算发现,当N原子位于正丁基的邻位时,吡啶环与相邻氟取代苯环的偶极矩相互叠加较多,导致介电各向异性值的增加,从分子构象上解释了介电各向异性值的变化规律。

辅助材料(Supporting Information)[部分中间体和目标产物的结构表征数据]可以免费从本刊网站(http://yyhx.ciac.jl.cn/)下载。

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