具有不同柱状结构的苯并菲盘状液晶化合物的合成及自组装

合成了3种含有不同长度烷基链的苯并菲盘状液晶化合物; 通过1H NMR 和 MALDI-TOF MS对其结构进行了表征; 利用差示扫描量热法(DSC)、热台偏光显微镜(POM)和小角X射线散射实验(SAXS)对3种液晶化合物的自组装行为进行了研究. 结果表明, 烷基链的长度对苯并菲盘状液晶化合物自组装结构的影响显著. 柔性链为辛基的苯并菲盘状液晶化合物自组装成六方柱状液晶相; 柔性链为十二烷基的化合物自组装成倾斜柱状液晶相; 而柔性链为十六烷基的化合物则未形成液晶相.     

刚柔三嵌段共聚物的柱状结构构筑

合成了以酯键和醚键相连的苯和联苯作为刚棒B嵌段,以聚合度为7,12和17的聚环氧乙烷为A嵌段及辛基或十六烷基为C嵌段的ABC型三嵌段线团-刚棒-线团分子.通过核磁共振氢谱和基质辅助激光解吸电离时间飞行质谱(MALDI-TOF MS)对其结构进行了表征,利用偏光显微镜(POM)、示差扫描量热法(DSC)和小角X射线散射实验(SAXS)对其本体状态下的自组装行为进行了研究.结果表明,聚环氧乙烷聚合度为7、烷基链分别为辛基和十六烷基的化合物1a和2a在固相和液晶态分别自组装成倾斜柱状结构和矩形柱状结构,而具有长聚环氧乙烷链的化合物2b、2c和1c在固相都自组装成倾斜柱状结构.发现聚环氧乙烷链和烷基链的长度显著地影响线团-刚棒-线团分子体系的自组装行为.通过改变线团-刚棒-线团分子体系中柔性链长度的策略,可以精确地调控刚柔三嵌段共聚物的聚集体结构.     

新型棒状苯基咪唑苯酯类化合物的合成及其液晶性能研究

以Ullmann偶合反应为关键步骤, 合成了带端氧基链的苯基咪唑苯酯系列化合物, 采用偏光显微镜(POM)、差示扫描量热仪(DSC)及X衍射等手段研究了其液晶行为. 研究表明, 通过改变末端烷氧基链的长度及数目, 这类分子可组装形成向列相(N)和层列相(SmA)等液晶相态, 但随着烷氧基链数目的增多, 这类分子的液晶相消失, 初步找出了这类化合物结构与液晶性能间的关系, 通过对相关化合物的单晶X衍射结构及其液晶相的2D-X衍射测试结果的分析得出, 这类化合物通过分子自组装形成的层列相具有双分子层状结构(SmA₂).     

氢键稳定的苯并菲盘状液晶的合成及介晶性

盘状液晶分子能自组装成高度有序的六方柱状介晶相. 其各向异性的载流子高速迁移率使其成为较理想的有机光电子材料. 采用分子间氢键锚定柱状相, 获得介晶相温度范围宽、有序度高的苯并菲盘状液晶是本研究的目的. 本文通过分子设计, 合成了3个系列, 共18个有两种不同软链的苯并菲盘状液晶化合物C₁₈H₆(OR)₅(OCH₂COOEt), C₁₈H₆(OR)₅(OCH₂COOBu)和C₁₈H₆(OR)₅(OCH₂CONHBu), 其中R＝C_nH_2n＋1, n＝4～9. 化合物的纯度和结构通过¹H NMR和元素分析确证. 化合物热稳定性通过热重分析(TGA)测定, 并显示出较高的热稳定性. 通过偏光显微镜(POM)和差示扫描量热法(DSC)对这些化合物的热致液晶性进行了研究. 结果显示对于分子中含有酰胺基的苯并菲液晶化合物C₁₈H₆(OR)₅(OCH₂CONHBu), 与具有同样软链长度的分子中不含酰胺键的化合物系列C₁₈H₆(OR)₅(OCH₂COOBu)相比较, 前者由于柱内分子间氢键的形成, 具有更高的熔点和清亮点.     

含烷基柔性链的n型刚棒-线团分子的合成、表征与自组装

含多个对苯撑作为刚棒,齐聚烷基或烷氧基作为柔性链的刚棒-线团(rod-coil)分子,由于具有很强的微相分离和π-π堆积作用,可以在本体和溶液中产生有效的自组装。研究表明,刚棒嵌段的形状影响着分子排列的方式、自组装性能和微结构,因此本文设计了n型芳香嵌段、柔性链全部为烷基的n型刚棒-线团分子,通过红外光谱、NMR和MALDI-TOF-MS对其结构进行了表征,利用DSC、POM和SAXS对此化合物的自组装行为进行了研究。结果表明,含烷基柔性链的n型分子在固态时能形成双分子的层状结构。     

苯并䓛盘状液晶:合成、柱状相和光物理性质

盘状液晶分子由稠环芳核和围绕的多条柔性链构成, 具有独特的自组装有序超分子结构、半导体性质和光学性质. 其可通过溶液或喷墨打印技术加工成为光电子薄膜器件, 具有低成本优势. 通过Suzuki-Miyaura交叉偶联和Scholl氧化环化策略, 合成了一系列新的具有苯并䓛结构的非对称酸酐、羧酸酯、酰亚胺和苯并咪唑稠环衍生物, 并对其液晶性和光物理性质进行了详细研究. 通过偏振光学显微镜(POM), 差示扫描量热法(DSC)和小角度X射线散射(SAXS)测试表明, 这些极性盘状化合物自组装堆积呈六方柱状(Col_hex)液晶相, 其中, 最宽的液晶温度范围达206 ℃. 官能团和共轭体系大小决定了相变温度和液晶范围. 荧光测试结果表明, 化合物溶液中绝对量子产率高达34%, 根据官能团不同, 这些化合物发蓝、绿和红光. 借助密度泛函理论(DFT)计算, 解释了该系列极性盘状液晶分子发光性质的差异. 基于本工作的合成方法, 从萘酸酐原料出发为构建结构多变、性质丰富的π-共轭(杂环)芳烃盘状液晶化合物提供了新途径.     

含有酯基及酰胺基柔链的苯并菲盘状液晶的合成、分子间氢键对柱状介晶性的影响

合成了三个系列, 共二十四个有两种不同软链的对称和非对称苯并菲盘状液晶化合物, C₁₈H₆(OR)₃- (OCH₂COOEt)₃, C₁₈H₆(OR)₃(OCH₂COOBu)₃, C₁₈H₆(OR)₃(OCH₂CONHBu)₃, 其中R＝C₅H₁₁, C₆H₁₃, C₇H₁₅, C₈H₁₇. 化合物通过柱层析纯化, 结构通过¹H NMR, IR, 元素分析等确证. 化合物热稳定性通过TGA测定, 并显示出较高的热稳定性. 通过偏光显微镜和差视扫描量热法对这些化合物的热致液晶性进行了研究. 结果显示: 对于苯并菲液晶化合物C₁₈H₆(OR)₃(OCH₂COOEt)₃, 非对称性化合物较之对称异构体化合物有更低的熔点和更高的清亮点, 因而非对称性化合物有更宽的介晶温度范围. 对于分子中含有酰胺基的苯并菲液晶化合物C₁₈H₆(OR)₃(OCH₂CONHBu)₃, 对称化合物有比非对称异构体更高的清亮点和更有序的六方柱状介晶相, 且其与具有同样软链长度的分子中不含酰胺基的化合物系列C₁₈H₆(OR)₃(OCH₂COOBu)₃相比较, 由于柱内分子间氢键的形成, 不仅有更高的熔点和清亮点, 而且有更丰富的柱状介晶相.     

吡嗪衍生物在石墨表面上的自组装单层膜结构

利用扫描隧道显微镜研究了荧光液晶分子2, 5-二-[2-(3, 4-二-十二烷氧基-苯基)-乙烯基]-3, 6-二甲基吡嗪(BPDP12)在石墨表面上自组装单层膜的结构. 实验结果表明, 该化合物在石墨表面形成两种自组装结构：一种是稳定的, 分子的共轭中心相互平行, 烷基链相互交错的密排结构；另一种是不稳定的, 分子的共轭中心彼此为烷基链所分隔的非密排结构. 分子之间较强的π-π作用和分子烷基链之间的范德华作用力对分子组装的取向形成竞争, 是产生两种不同组装结构的根本原因.     

新型含氧亚甲基和亚胺桥键的液晶化合物的合成及介晶性

报道一类新的、结构通式为MeO₂CC₆H₄CH₂OC₆H₄CH＝NC₆H₄Y, Y＝OC_nH_2n＋1, Me, Cl, Br, NO₂, H 的棒状液晶化合物的合成. 通过DSC和偏光显微镜对其介晶性研究发现, 除Y＝H外, 这些化合物均具有介晶性. 当Y为非烷氧基时, 呈向列相液晶; 当Y为较短的烷氧基时(n＝1～3), 液晶化合物具有向列相(N); Y为较长烷氧基时(n＝4～16 ), 液晶化合物只有近晶B相(S_B)和近晶A相(S_A); S_A-I相变的熵变随烷氧链原子数而奇-偶变化, 但与N-I相变的“奇-偶效应”相反.     

刚棒中心含侧基的刚棒-线团分子的合成及聚集体结构分析

合成了一系列三嵌段刚棒-线团分子,这些分子由含有苯、联苯和具有侧基的苯单元与聚合度为7,12及17的不同长度烷氧基链组成.通过氢核磁共振仪(1H NMR)和质谱(MALDI-TOF MS)对其结构进行了表征,利用差示扫描量热法(DSC)、偏光显微镜(POM)和小角X射线散射实验(SAXS)对这些液晶化合物的自组装行为进行了研究.实验结果表明,侧基含酯基的分子1a~1c自组装成层状、倾斜柱状和六方穿孔层状结构;而侧基含羧基的分子2a~2c则自组装成倾斜柱状、体心四方聚集体.可见,随着烷氧基链长度的改变,刚棒中心的羧基和酯基能诱导分子的自组装行为发生变化.     

含氟链不对称苯并菲盘状液晶的合成及疏氟效应对介晶性的影响

盘状液晶分子中引入氟代烃链并利用疏氟效应（fluorophobic effect）能有效稳定分子的柱状堆积;低对称性的盘状分子有较低的熔点和宽的介晶相温度范围．基于此,本文设计并合成了一系列半氟酯链的不对称苯并菲化合物C18H6（OCnH2n＋1）4（OCH3）（O2CC2H4C6F13）（1）,及相对应的不含氟化合物C18H6（OCnH2n＋1）4（OCH3）（O2CC8H17）（2）,n=4—8．化合物结构通过核磁和质谱表征．介晶性通过差示扫描量热法和偏光显微镜进行了研究．结果显示：化合物均为柱状互变热致液晶．含氟链化合物1a—1e与相对应的化合物2a-2e比较,有更高的熔点和清亮点．合成的多数化合物为室温液晶．     

基于横向分子间氢键的棒-线型分子自组装研究进展

棒-线(Rod-Coil)型分子的合成及其自组装行为研究是当前超分子材料研究领域的重要研究方向. 与传统的柔性(Coil-Coil)型嵌段聚合物和Rod-Coil型嵌段聚合物相比, Rod-Coil型分子表现出不同的相行为、自组织特性和微结构, 可以自组装形成多种纳米结构. 研究结果显示, 横向分子间氢键是Rod-Coil型分子自组装形成液晶相和(或)有机凝胶等自组装体的主要驱动力. 主要介绍目前文献报道的横向分子间氢键驱动下的Rod-Coil型分子自组装.     

聚类肽高分子材料及其结构与性能的研究

聚类肽又称为氮取代聚甘氨酸(N-聚甘氨酸),是一类具有优良生物相容性以及生物活性的可降解高分子材料.由于酰胺键的活泼氢被取代,聚类肽主链结构中消除了聚肽固有的多重氢键相互作用,其主链柔性较好,聚合物性质主要由侧链基团的种类及其物理化学性质决定.基于这种链结构特征,可以通过设计不同的侧基结构,有效地调节聚类肽高分子的热力学性能、降解性能和自组装行为等物理化学性质.合成聚类肽的方法主要有2种——开环聚合和固相合成.本文主要介绍了聚类肽高分子的本体与溶液自组装行为,系统阐明了如何通过调控聚类肽高分子的侧链结构,研究链结构与自组装行为之间的相互关系,进一步构筑具有独特相分离行为以及自组装结构的新型生物高分子,同时探讨了这些材料在生物医用和能源等领域的潜在应用.     

芳烃-氟代芳烃和氢键作用调控的树枝状分子自组装及其液晶性质

通过收敛法合成了母核为亚胺键连接的芳环与氟代芳环,外围为3,4,5-三(正十二烷氧基)苯基亚甲基的第一代树枝状亚胺分子,并对其热致液晶行为和聚集体结构进行了研究.示差扫描量热和热台偏光光学显微镜研究表明该亚胺分子在93?C到118?C的温度范围内为具有双折射的液晶相.X-射线衍射结果表明该亚胺分子的液晶相为斜柱状结构(a=4.90 nm,b=3.51 nm,γ=110?).芳环-氟代芳环的面对面交替堆积和氢键驱动亚胺分子形成了柱状聚集体,分子外围的柔性十二烷氧基链的无序伸展,与母核聚集体发生微相分离,促使了亚胺分子斜柱状液晶相的形成.     

柔性高分子/液晶体系的相平衡理论

在Flory-HugginS柔性高分子溶液理论和Lebwohl-Lasher液晶模型的基础上;导出了柔性高分子/液晶复合体系的混合自由能和化学位,并计算了相应的相图。计算结果表明,体系可出现各向同性相(Ⅰ)和各向同性相(Ⅰ),以及各向同性相(Ⅰ)和向列相(N)间的相平衡。并且发现,高分子链段与液晶分子间的各向同性相互作用对I/N的相平衡有重要影响。与实验结果的比较表明,本理论能完整、正确地描述高分子/液晶体系的相平衡。     

胆甾相小板块织构聚硅氧烷侧链液晶的合成和性能

通过硅氢加成反应将反式-4-丙烯基-反式-4’-丙基双环己烷(液晶基元)接枝到柔性的聚硅氧烷主链上,合成一种新型的胆甾相小板块织构聚硅氧烷侧链液晶(SCLCP),产率为82.5%。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和核磁共振(1 H-NMR)对两者的分子结构进行表征,用热台偏光显微镜(POM)和X射线衍射仪(XRD)对其液晶相类型和液晶相行为进行观察和分析,用差示扫描量热仪(DSC)对其相转变温度和热性能进行分析。结果表明:SCLCP呈现胆甾相的小板块织构,液晶区间为57.33K,高于液晶基元的液晶区间。     

对称柔性-半刚性-柔性三嵌段共聚物自组装行为

基于蠕虫状链模型和高斯链模型的自洽场理论研究了对称柔性-半刚性-柔性三嵌段共聚物在二维空间中的相行为. 在设定的计算参数下得到了多种该体系的热力学平衡态相结构, 包括各向同性Isotropic相、 各向异性Nematic相、 层状Smectic-C相、 四角柱状相、 斜交型冰球状相、 断层型冰球状相和稻粒状结构. 与刚-柔两嵌段共聚物相比, 对称柔性-半刚性-柔性三嵌段共聚物更容易形成Smectic-C相. 在柱状相结构中, 在柔性嵌段的牵伸作用下半刚性嵌段在液晶相区中相互穿插, 从而形成菱形和长方形液晶相区. 当取向相互作用较强时, 半刚性嵌段沿长方形液晶相区的短边方向出现2次折叠. 为进一步探索高分子折叠现象产生的原因以及液晶成核机理奠定了理论基础.     

基于四硫富瓦烯和氰基联苯单元的玻璃态液晶化合物的合成及介晶性能

将性能优良的介晶单元氰基联苯基元引入到四硫富瓦烯(TTF)的外围,成功合成了3种新型的液晶化合物.通过核磁共振波谱(NMR)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)对其结构进行了表征.利用示差扫描量热分析(DSC)、热台偏光显微镜(HS-POM)和小角X射线散射(SAXS)实验对3种化合物的液晶相态进行了研究.结果表明:合成的3种化合物在宽的温度范围呈现单一液晶相,在冷却过程中并没有出现结晶现象,而是转化为玻璃态.间隔基长度的变化对液晶化合物相态的影响显著,间隔基较短的化合物呈近晶A相(Sm A),而具有较长间隔基的化合物(1c)呈现六方柱状相.采用密度泛函(DFT)方法计算了化合物1a的电子结构和前线分子轨道密度分布,化合物1a的HOMO轨道上的电子云密度集中在TTF上,LUMO集中在氰基联苯上,说明此类液晶分子为典型的D-σ-A分子.     

外场对聚肽三元体系相行为影响的研究

在前期建立的溶剂、聚肽、柔性高分子三元体系的理论模型上, 引入外场作用的自由能, 推导了液晶相与非液晶相中各物质的化学位, 研究了外场作用下的聚肽三元体系的相行为. 结果表明外场的作用可使液晶相与非液晶相的两相区域变小, 两相区向低浓度方向移动, 同时柔性高分子可进入液晶相. 此外还研究了外场作用下聚肽的分子链构象、链长和温度等对体系相行为的影响, 并对理论计算与实验结果进行了比较.     

氢键缔合主链超分子液晶聚合物:间隔基及扩展介晶元长度的影响研究

采用慢挥发溶剂组装方法制备了一系列羧酸/吡啶氢键缔合的主链型超分子复合物,并采用FTIR,DSC以及偏光显微镜等对其相转变与热致液晶相行为进行了比较研究.研究表明,分别具有较短的6或10个亚甲基的烷烃间隔基的双苯甲酸衍生物4',4'-二羧酸-1,6-二酚氧基己烷(C6-2COOH)和4',4'-二羧酸-1,10-二酚氧基癸烷(C10-2COOH)的系列复合物具有较高的熔点和清亮点,一般都只出现结晶近晶相和多晶型转变现象.而具有柔顺性较好的四甘醇醚链间隔基的4,4'-二羧酸-α,ω-二酚氧基四甘醇醚(C8O4-2COOH)得到的系列复合物均在降温过程生成单致的流体近晶SA和/或向列N液晶相.可见,间隔基增长,相转变温度降低,最终导致真正的流体液晶相的产生.另一方面,对于从同一种二元羧酸得到的组装体系,从4,4'-联吡啶(4,4'-BPy)、4,4'-联吡啶乙烯撑(4,4'-BPyE)到对苯二酚二异烟酸酯(p-PhBPy),由于双键或酯基的引入,可变形性和极性增大,刚性依次减弱,尽管中心核部分持续长度增大,所得复合物的各向同性化温度降低,形成流体液晶相的趋势增强,液晶有序性降低,流动性增加.指出了早期文献报道的一些不一致甚至矛盾的结果.通过不同系列的对比研究,得出的一些规律性对氢键组装尤其对羧基/吡啶氢键缔合超分子体系设计与构筑具有一定指导意义.