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新型手性液晶化合物的制备与表征

作　者: 郭璐璐
导　师: 田梅
学　校: 东北大学
专　业: 有机化学
关键词: 含氟液晶手性液晶手性核液晶臂
分类号: O753.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

手性液晶是指带有手性基团的液晶,是目前液晶研究领域的热点之一。手性液晶的特征是液晶分子结构中含有不对称手性中心的碳原子(常以“C*”表示),分子本身不具有镜象对称性。这类液晶的分子因手性中心的存在而形成螺旋结构,这些螺旋结构使手性液晶具有许多一般液晶所不具有的光学特性。本文设计合成了五中液晶单体：即10-(4’-(4-三氟甲基苯甲酸基)联苯)癸二酸(M1)、对三氟甲基苯甲酰氧基联苯羧酸(M2)、10-(4’-(4-乙氧基苯甲酸基)对苯)癸二酸(M3)、4’-(4-三氟甲基苯甲酰氧基)联苯羧酸-2-(10-十一烯酰氧基)丙基酯(M4)、4’-(4-三氟甲基苯甲酰氧基)联苯羧酸-2-(4-烯丙氧基苯甲酰氧基)丙基酯(M5),以异山梨醇为手性中心以Ml、M2、M3为液晶侧臂合成了Y系列手性液晶化合物10-(4’-(4-三氟甲基苯甲酸基)联苯)癸二酸异山梨醇双酯(YFG)、对三氟甲基苯甲酰氧基联苯羧酸异山梨醇双酯(YF)、10-(4’-(4-乙氧基苯甲酸基)对苯)癸二酸异山梨醇双酯(YYG),以1,2-丙二醇为手性中心以Ml、M2、M3为液晶侧臂合成了B系列手性液晶化合物10-(4’-(4-三氟甲基苯甲酸基)联苯)癸二酸丙二醇双酯(BFG)、对三氟甲基苯甲酰氧基联苯羧酸丙二醇双酯(BF)、10-(4’-(4-乙氧基苯甲酸基)对苯)癸二酸丙二醇双酯(BYG),以1,2,4-丁三醇为手性中心以M1、M2、M3为液晶侧臂合成了D系列手性液晶化合物10-(4’-(4-三氟甲基苯甲酸基)联苯)癸二酸丁三醇三酯(DFG)、对三氟甲基苯甲酰氧基联苯羧酸丁三醇三酯(DF)、10-(4’-(4-乙氧基苯甲酸基)对苯)癸二酸丁三醇三酯(DYG)。其中合成的四个结构不同的含氟液晶单体M1、M2、M4、M5和3个系列的相同手性中心、不同侧臂的手性液晶化合物在国内外均未见报道,具有原创性。采用红外光谱分析(IR)对单体和手型液晶化合物进行结构表征；采用X-射线衍射分析对Ml、M4、M5以及YFG、YF、BFG、BF、BYG、DFG、DF进行了液晶类型的分析；采用示差扫描量热计(DSC)和热台偏光显微镜(POM)对液晶单体和手性液晶化合物进行了液晶性能表征；采用美国PE公司的Model341比旋光度测定仪(Polarimeter)对单体M4、M5和3个系列手性液晶化合物的比旋光度进行了测试。旋光分析表明M4、M5以及以1,2-丙二醇和1,2,4-丁三醇为手性中心的手性液晶化合物BFG、BF、BYG、DFG、DF、DYG均为左旋光学活性物质。以异山梨醇为手性中心的手性液晶化合物YFG、YF、YYG为右旋光学活性物质。所有合成的单体和手性液晶化合物都符合分子设计,具有液晶性能。M1与M2为近晶相液晶,偏光呈现扇形织构与小球织构；M3与M5为向列相液晶,偏光呈现小球织构与纹影织构；M4为胆甾相液晶,偏光呈现焦锥织构和破碎焦锥织构。Y、B、D三个系列的手性液晶化合物均为热致双变型液晶。其中,侧臂为向列相液晶M3的液晶化合物YYG、BYG、DYG均为胆甾相液晶,YYG偏光呈现了油丝织构和指纹织构,BYG偏光出现指纹织构和焦锥织构,DYG偏光出现小球织构和指纹织构：侧臂为近晶相液晶M1、M2的液晶化合物多为近晶相液晶,偏光均呈现小球织构和扇形织构,而YF为胆甾相液晶,偏光呈现小球织构和焦锥织构。对于手性液晶化合物,液晶侧臂及手性中心的结构对其热性能及液晶类型会有很大影响。液晶侧臂中含氟端基及与手性中心相连的基团柔性间隔基时手性液晶化合物的熔点会升高：当向列相液晶侧臂与手性中心相连时,生成胆甾相液晶,近晶相液晶与手性中心相连时多生成近晶相液晶,手性中心的于性较强时,可能生成胆甾相液晶。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-28
  1.1 液晶简介  12-16
    1.1.1 液晶的基本概念  12-13
    1.1.2 液晶的发展和研究  13-14
    1.1.3 液晶的分类及织构  14-16
  1.2 星型液晶  16-17
  1.3 手性液晶  17-20
    1.3.1 手性液晶的分类  17-19
    1.3.2 手性液晶的光学特性  19-20
    1.3.3 手性液晶的研究状况  20
  1.4 含氟液晶简介  20-24
    1.4.1 含氟液晶的分类  20-22
    1.4.2 常见含氟聚合物  22-24
    1.4.3 含氟液晶的研究现状及应用前景  24
  1.5 手性物质  24-26
    1.5.1 异山梨醇的转化和应用  24-25
    1.5.2 1,2-丙二醇以及1,2,4-丁三醇的应用  25-26
  1.6 本论文的意义及特色  26-28
第2章实验部分  28-46
  2.1 主要实验试剂及理化性质  28-33
  2.2 测试方法及仪器  33-34
  2.3 液晶中间体及单体的合成路线  34-36
    2.3.1 液晶单体M_1的合成路线  34
    2.3.2 液晶单体M_2的合成路线  34
    2.3.3 液晶单体M_3的合成路线  34-35
    2.3.4 液晶单体M_4的合成路线  35
    2.3.5 液晶单体M_5的合成路线  35-36
  2.4 相同手性中心、不同液晶侧臂的手性液晶化合物的合成路线  36-39
    2.4.1 以异山梨醇为手性中心的Y系列手性液晶化合物的合成路线  36-37
    2.4.2 以1,2-丙二醇为手性中心的B系列手性液晶化合物的合成路线  37-38
    2.4.3 以1,2,4-丁三醇为手性中心的D系列手性液晶化合物的合成路线  38-39
  2.5 液晶单体及其中间体的制备  39-42
    2.5.1 液晶单体10-(4'-(4三氟甲基苯甲酸基)联苯)癸二酸(M_1)的合成方法  39
    2.5.2 液晶单体对三氟甲基苯甲酰氧基联苯羧酸(M_2)的合成方法  39-40
    2.5.3 液晶单体10-(4'-(4-乙氧基苯甲酸基)对苯)癸二酸(M_3)的合成方法  40
    2.5.4 液晶单体4'-(4-三氟甲基苯甲酷氧基)联苯接酸-2-(10-十一稀酰氧基)丙基酯(M_4)的合成方法  40-41
    2.5.5 液晶单体4'-(4-三氟甲基苯甲酰氧基)联苯羧酸-2-(4-烯丙氧基苯甲酰氧基)丙基酯(M_5)的合成方法  41-42
  2.6 相同手性中心、不同液晶侧臂的手性液晶化合物的制备  42-46
    2.6.1 以异山梨醇为手性中心的Y系列手性液晶化合物及中间体的合成方法  42-43
    2.6.2 以1,2-丙二醇为手性中心的B系列手性液晶化合物及中间体的合成方法  43
    2.6.3 以1,2,4-丁三醇为手性中心的D系列手性液晶化合物及中间体的合成方法  43-46
第3章结果与讨论  46-106
  3.1 红外分析  46-61
    3.1.1 液晶单体及其中间体的红外谱图分析  46-53
    3.1.2 相同手性中心、不同液晶侧臂的手性液晶化合物的红外分析  53-61
  3.2 液晶单体及化合物的热分析  61-76
    3.2.1 单体的热分析  62-67
    3.2.2 相同手性中心不同液晶侧臂的手性液晶化合物的热分析  67-76
  3.3 液晶单体及化合物的偏光分析  76-88
    3.3.1 单体的偏光分析  77-80
    3.3.2 相同手性中心、不同液晶侧臂的手性液晶化合物的偏光分析  80-88
  3.4 单体及化合物的X射线衍射分析  88-99
    3.4.1 X射线衍射法  88
    3.4.2 液晶化合物的X射线衍射  88-89
    3.4.3 液晶单体的X射线衍射  89-91
    3.4.4 相同手性中心、不同液晶侧臂的手性液晶化合物的X射线衍射  91-99
  3.5 单体及化合物的旋光分析  99-101
    3.5.1 物质的旋光性  99-100
    3.5.2 单体的旋光性分析  100
    3.5.3 手性液晶化合物的旋光性分析  100-101
  3.6 本章小结  101-106
    3.6.1 相同手性中心、不同侧臂的手性液晶化合物的液晶性能的比较  101
    3.6.2 相同侧臂、不同手性中心的手性液晶化合物的液晶性能的比较  101-106
第4章结论  106-108
参考文献  108-114
致谢  114-116
硕士期间发表论文及参加项目  116

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