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.     

三唑环修饰的苯并菲二羧酸酯和酰亚胺: 合成、液晶及凝胶性

在盘状液晶分子外围柔性链中引入功能不同的基团, 是设计和合成具有良好液晶性能化合物的常用策略. 本工作从苯并菲2,3-二甲酸和酸酐出发, 通过亲核取代和点击反应, 分别合成了两类三唑环修饰的苯并菲二羧酸酯和苯并菲酰亚胺化合物. 热重分析仪(TGA)测试表明, 新制备的主要中间产物与目标化合物失重为5%时的温度在274~389 ℃之间, 均表现出良好的热稳定性. 我们通过差示扫描量热法(DSC)、偏光显微镜(POM)和变温X射线衍射(XRD)实验对这些化合物的热力学行为和介晶性进行了研究. 除三唑环修饰的酯3a和3b无液晶性外, 主要中间产物(2和5)与三唑环修饰的酰亚胺产物(6a和6b)均有一个六方柱状液晶相. 此外, 制备的以三唑为桥联基团的酰亚胺二聚体10为室温液晶, 具有173 ℃的液晶范围. XRD证实了该二聚体中存在有序度不同的两种柱状液晶相(Col_h1和Col_h2). 另外, 由于三唑环的引入, 三唑环修饰的酯类和酰亚胺两类化合物在某些有机溶剂中都能形成有机凝胶. 其中, 二聚体10在1,2-二氯乙烷和1,4-二氧六环中表现出优异的凝胶能力, 其临界凝胶浓度(CGC)可低至1 mg/mL. 相比之下, 不含三唑环的中间产物2和5则不能形成凝胶, 表明三唑环之间的偶极-偶极作用和液晶刚性核π-π堆积的协同作用对于超分子凝胶的形成起着重要的作用. 因此, 同时表现出液晶和凝胶性质的三唑环修饰的苯并菲2,3-二酰亚胺分子具有成为一种多功能材料的潜在应用价值.     

钯催化偶联反应合成刚性桥连的苯并菲盘状液晶二聚体

盘状液晶是一类新型有机半导体材料, 盘状二聚体具有新颖的自组织特性. 合成了一系列官能化的盘状液晶单体, 再通过Pd催化端炔自身偶联反应合成了六个二苯基丁二炔桥连的苯并菲盘状液晶二聚体: (RO)₅C₁₈H₆(O₂CC₆H₄C≡C—C≡CC₆H₄CO₂)C₁₈H₆(OR)₅ (R＝C_nH_2n＋1, n＝4～9). 化合物的纯度和结构通过¹H NMR, IR和高分辨质谱表征. 二聚体的热失重分析(TGA)结果显示它们有良好的热稳定性, 在370 ℃才开始分解. 化合物的热致液晶性通过偏光显微镜和差视扫描热量法研究, 结果显示所有单体及二聚体化合物均为柱状相液晶, 在室温及以下仍处于液晶相. 单体清亮点随柔链增长呈下降趋势, 而二聚体呈相反趋势. 苯并菲柔链长度和连接基刚性对液晶性都有重要影响.     

含亚胺和胆甾烯基不对称液晶二聚体的合成及介晶性

报道含亚胺和胆甾烯基不对称液晶二聚体化合物XC₆H₄N＝CHC₆H₄OC₁₀H₂₀COOCh* [X＝OC_nH_2n＋1, (n＝1～12,14), F, Cl, Br, CH₃] (1a～1q)的合成及液晶性. 目标化合物通过600 MHz ¹H NMR和元素分析进行了结构表征. 其介晶性通过偏光显微镜(POM)和差示扫描量热计(DSC)进行了研究. 结果显示: 所有化合物都具有胆甾相(N*). 对于烷氧基系列(X＝OC_nH_2n＋1), 有部分化合物还呈现了近晶A相(S_A), 且随着末端烷氧链长度的增加, 化合物的清亮点呈现缓慢下降的趋势, 而化合物从胆甾相到各向同性液体转变的熵变(ΔS_N*→I)则呈现奇-偶效应. 同时我们对比研究了取代基X对胆甾相稳定性的影响, 发现取代基X对胆甾相的稳定性高低顺序为: MeO＞Cl＞Br＞Me＞F. 这些结果证实了末端取代基的改变对化合物的相转变温度以及介晶性质有显著的影响.     

用平均场近似研究液晶分子结构与清亮点的关系

液晶的平均场理论假设每个液晶分子都是处在其它周围所有分子的平均作用势场中, 而不考虑该分子与周围各个分子之间的单独关联, 一个分子所感受到的分子场就是所有其它分子给予这个分子的作用场对位置和对取向的平均值. 当周围分子不是完全有序排列时, 其混乱程度可以用序参量S表示(S≤1), 中央一个分子受的势能为－Sg(θ). 其中g(θ)是在排列整齐的平均场中该分子的势能函数的负值. 在此基础上, 可以解一个关于序参量和温度的积分方程, 求出清亮点. 本文采用Gay-Berne势模拟液晶分子的双体势, 用分子力学UFF方法优化液晶分子(二环辛烷和硼笼的衍生物)的单体和双体的构型和能量, 从而获得Gay-Berne势的参数, 得到液晶的清亮点. 计算结果与实验基本一致.     

含全氟烃基的联苯酯类液晶的合成及其介晶性

全氟烃或半氟烃链无手性液晶化合物可能呈现铁电液晶性, 具有较大的学术及应用价值而受到研究人员的重视. 合成了全氟己基苯甲酸联苯酯类液晶化合物: ROC₆H₄C₆H₄O₂CC₆H₄C₆F₁₃ (3a～3e), C₃H₇C₆H₄C₆H₄O₂CC₆H₄C₆F₁₃ (6a)及其烃衍生物. 用差示扫描量热法(DSC)和偏光显微镜(POM)对其介晶性研究发现: 烃衍生物呈有序度较低的向列相, 熔点较高, 清亮点较低, 液晶相较窄. 全氟烃基取代的化合物出现多个有序度较高的近晶相, 熔点较低, 清亮点高, 介晶相温度范围宽.     

苯并菲盘状液晶的合成、亲氟效应及分子对称性对介晶性的影响

New symmetrical and asymmetrical triphenylene-containing discotic liquid crystals with two different peripheral alkyl chains, known as sym-TP(OC6H13)3(OR)3 and asym-TP(OC6H13)3(OR)3, were synthesized. Their thermotropic liquid crystal properties were investigated through polarizing optical microscopy (POM), differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD) analyses. The asyrranetdcal discogens are 2,6,11-rialkoxy-3,7,10-trihexyloxytriphenylenes, with the alkyl chain carbon numbers varying from 3-10, 12, and 14, while the symmetrical compounds are 2,6,10-trialkyloxy-3,7,11-trihexyloxytriphenylene. Two fluoroalkoxy substituted triphenylene discogens, 2,6,10-td(4,4,4-trifluorobutoxy)-3,7,11-trihexyloxytriphenylene and its asymmetrical isomer 2,6,11-tri(4,4,4-trifluorobutoxy)-3,7,10-trihexyloxytdphenylene were prepared. These two compounds show higher melting and clearing points than their alkoxy analogs, which implies that fluorophilic effect exists in the formation and stabilization of discotic columnar mesophase. The triphenylene derivatives TP(OC6H13)3(OR)3 with two different peripheral chains, symmetrically or asymmetrically attached on triphenylene cores, have lower melting points and clearing points than those of the higher symmetrical compounds TP(OR)6 with the same total chain carbon numbers. The mixed-chain-triphenylenes with longer alkoxy chains (n=9,10,12,14) show columnarmesophase at room temperature.     

含有长烷氧链混合醚一酯类苯并菲盘状液晶的合成及其介晶性研究

本文合成了含有不同柔链的对称和非对称苯并菲盘状液晶：sym-C18H6（OC11H23），（02CR）3和nsym-C18H6（OCIIH23）3（02CR）3，R=（CH20C2H5），CH20C3H7，CH20C4H9，CH20C5H11,C3H7，C4H9，C5Hll,C6H13，C7H15。通过偏光显微镜（POM）和差视扫描量热法（DSC）对它们的热致液晶性性进行了研究，结果显示：非对称性化合物比它们相应的对称性化合物有更高的熔点和清亮点。对于同一系列的化合物G18H6（OC11H23），（OOCR）3随取代基R的增长，其熔点下降，清高点反而升高。无论对称和非对称苯并菲衍生物G18H6（OC18H23）3（02CR）3，（R=CH20C2H5，CH20C3H7，CH20C4H9，CH20C5H11），与有同样软链长度的苯并菲衍生物G18H5（OC11H23）3（O2CR）3，（R=C4H9，CK5H11,C6H13C，H15）相比较，大都有更高的熔点和清亮点。另外，有足够长度软链的苯并菲衍生物在室温下就显示介晶相。     

二乙炔桥连苯并菲盘状液晶二聚体的合成及其介晶性

通过桥链将2个盘状介晶基元相连,不仅可以稳定盘状液晶柱状相,还有利于玻璃态柱状相的形成,提高盘状液晶作为有机半导体材料的实用性．为此,通过铜盐催化的Eglinton偶联反应合成了8个二乙炔桥连的苯并菲盘状液晶二聚体化合物[C18H6（OCnH2n＋1）4（OMe）O2C—C8H16-C--C-]2,3（n）,（n=4-8）,[C18H6（OC6H13）5O2C—C8H16-C-C-]2,（6）和[C18H6（oc6H13）5O-（CH2）m-C-=C-]2,8（m）,（m=1,3）．差示扫描量热法（DSC）和热台偏光显微镜（POM）对其介晶性进行研究发现：（1）苯并菲周边柔链长度对液晶二聚体化合物的介品性有影响;（2）二聚体化合物3（n）和6具有玻璃态柱状相,并且所有苯并菲二聚体化合物在降温至-50℃均未出现结晶现象;（3）与二聚体3（6）相比,分子对称性较高的化合物6具有较稳定的柱状相,及较宽的介晶温度范围;（4）连接基、中心桥链的长度和刚性对苯并菲盘状液晶二聚体介晶性有重要影响．     

丙基联苯酯型液晶的合成:不饱和端基及氧原子对介晶性的影响

本文以对溴苯甲醚为原料制备成格氏试剂,与4-丙基环己酮亲核加成,脱水,Pd/C催化脱氢芳基化,L iPPh2脱甲基得到了4-正丙基-4’-羟基联苯。该联苯与酰氯酯化反应合成了系列丙基联苯酯类液晶化合物C3H7-C6H4-C6H4-OC(O)R。通过差示扫描量热法和热台偏光显微镜对其介晶性研究发现,当R=CnH2n 1(n=3,4)时,化合物无液晶性;但n=5-7、10,C8H16CH=CH2,C8H16C≡CH时,化合物具有SA相;当R=CH2OCmH2m 1(m=2-5),CH2OCH2CH2OCH3时,化合物呈有序度较较高的SB相。这类化合物的液晶相较窄,多在25℃-100℃范围内。TGA测试的化合物热分解温度都高于200℃。