CN104610975A - 负介电各向异性液晶化合物、液晶显示器、与光电装置 - Google Patents
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
- C09K19/00—Liquid crystal materials
- C09K19/04—Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit
- C09K2019/0444—Liquid crystal materials characterised by the chemical structure of the liquid crystal components, e.g. by a specific unit characterized by a linking chain between rings or ring systems, a bridging chain between extensive mesogenic moieties or an end chain group
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Abstract
本发明提供一种负介电各向异性液晶化合物,其结构如式1。在式1中,L1、L2、L3、及L4各自独立,是氢、卤素、或氰基。R1及R2各自独立,是氢、卤素、C1-12烷基、C1-12烷氧基、C1-12卤烷基、C2-12烯基、C2-12醚基、或C2-12炔基。A1及A2各自独立,是苯、环己烷、或环己烯。Z1是 –CF2O–、或–OCF2–;以及Z2是 –CF2O–、或–OCF2–。该负介电各向异性液晶化合物具有良好的介电各向异性(Δε)及双折射系数(Δn)。本发明还提供上述负介电各向异性液晶化合物在液晶显示器和光电装置中的应用。
Description
技术领域
本发明是有关于液晶化合物,更特别是有关于一种负介电各向异性液晶化合物(Liquid crystal compound with negative dielectric anisotropy),及其在液晶显示器和光电装置中的应用。
背景技术
液晶显示器(liquid crystal display,简称LCD)中,扭转向列型(twistednematic,简称TN)特别适用于平面显示器面板(Flat Panel Display,FPD)。1990年代开始,结合液晶分子与TFT阵列的笔记本电脑面世,其应用的电子组件与材料的研究工作持续至今。适用于LCD的液晶配方最好在-40℃至100℃之间为液晶相,且澄清点(clearing point)最好比操作温度高至少10℃。而液晶分子在显示器中的运作原理,乃因分子所具有的介电各向异性,使其在施加电压后会受电场影响,会转变成垂直原有的向列,例如正型液晶使用于一般的TN mode或IPS mode,在超过一定程度的电压之后(称之为驱动电压:Driving Voltage),液晶分子便受到电场影响而使分子长轴方向与电场方向平行;负型液晶则使用于VA mode中,与正型液晶相反地,分子最终方向会与电场呈垂直排列。
为了满足上述需求,已有多篇专利及论文述及液晶分子的设计,但仍需新结构的负介电各向异性的液晶分子以达更负的介电常数与更高的双折射系数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有更负的介电常数与更高的双折射系数的液晶化合物。
本发明的另一目的在于提供上述负介电各向异性液晶化合物在液晶显示器和光电装置中的应用。
本发明一实施例提供的负介电各向异性液晶化合物,其结构如下:
其中L1、L2、L3、及L4各自独立,是氢、卤素、或氰基;R1及R2各自独立,是氢、卤素、C1-12烷基、C1-12烷氧基、C1-12卤烷基、C2-12烯基、C2-12醚基、或C2-12炔基;A1及A2各自独立,是苯、环己烷、或环己烯;Z1是–CF2O–、或–OCF2–;以及Z2是 –CF2O–、或–OCF2–。
本发明一实施例提供的液晶显示器,包括:上基板;下基板;以及液晶层,是位于上基板与下基板之间;其中液晶层包括上述的负介电各向异性液晶化合物。
本发明一实施例提供的光电装置,包括上述的液晶显示器。
本发明的优点在于:本发明的负介电各向异性液晶化合物与液晶混合物Host依不同重量比例混合,混合后皆具有良好的介电各向异性(Δε)及双折射系数(Δn),其可用于液晶显示器和光电装置中。
附图说明
图1是本发明一实施例的液晶显示器的剖面图;
图2是本发明一实施例的光电装置示意图;
其中,符号说明:
100 液晶显示器; 101 上基板;
103 下基板; 105 液晶层;
200 光电装置; 203 电子组件。
具体实施方式
本发明提供的负介电各向异性液晶化合物,其结构如式1。
在式1中,L1、L2、L3、及L4各自独立,是氢、卤素、或氰基。R1及R2各自独立,是氢、卤素、C1-12烷基、C1-12烷氧基、C1-12卤烷基、C2-12烯基、C2-12醚基、或C2-12炔基。A1及A2各自独立,是苯、环己烷、或环己烯。
在式1中,Z1是–CF2O–、或–OCF2–。Z2是 –CF2O–、或–OCF2–。
在某些实施例中,L1与L2是氟,R1是氢、甲氧基、乙氧基、丙基、或丁基,R2是氢、甲氧基、乙氧基、丙基、或丁基,A1是苯,A2是苯或环己烯,且Z2是
上述液晶化合物的结构可为式2至式5所示:
图1是本发明一实施例的液晶显示器剖面图。液晶显示器100具有上基板101、下基板103、以及夹设于两者间的液晶层105。在本发明一实施例中,两基板中一者为彩色滤光片基板,另一者为阵列基板。在本发明一实施例中,一基板是彩色滤光片上阵列基板(array on color filter substrate,AOC)或阵列上彩色滤光片基板(color filter on array substrate,COA),另一基板为透明基板如玻璃基板或塑料基板。液晶层105包含本发明的液晶化合物。
图2是本发明一实施例的光电装置的示意图。请参照图2,本发明上述的实施例所述的液晶显示器100亦可运用于一光电装置200中,且此光电装置200更具有一与液晶显示面板100连接的电子组件203,如:控制组件、操作组件、处理组件、输入组件、存储元件、驱动组件、发光组件、保护组件、或其它功能组件、或上述的组合。而光电装置200的类型包括可携式产品(如手机、摄影机、照相机、笔记本电脑、游戏机、手表、音乐播放器、电子信件收发器、地图导航器或类似的产品)、影音产品(如影音放映器或类似的产品)、屏幕、电视、广告牌、或投影机等。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂,下文特举数实施例配合所附附图,作详细说明如下:
实施例
有机合成部份所采用原料、溶剂、管柱层析用硅胶购自各化学品供货商,包括Alfa(Lancaster)、TCI、Aldrich、Acros、Merck等厂牌。
使用的合成手法如实施例所述,根据一般常见的有机反应,经过2至5步不等的合成步骤,合成一系列化合物。
化合物光谱及液晶配方的电性、物性量测分别依所需数据采用BRUKERAVANCE DRX-400NMR、LC Vision LCAS(I)、Abbe折射度计。
实施例1
将100mmole的2,3-二氟酚(2,3-difluorophenol,化合物1)、2mL的醋酸、与200mL的二氯甲烷置于反应瓶中混合,并将温度降至-10℃。接着将110mL的溴(Bromine)缓慢加入反应瓶后,于-10℃下搅拌反应一小时。反应完成后将溴及二氯甲烷除去,以二氯甲烷再结晶纯化粗产物即得白色固体的化合物2(4-溴-2,3-二氟酚,产率82%)。
将100mmole的化合物2、200mmole的溴乙烷、200mmole的氢氧化钠、1mmole的四丁基溴化铵(Tetra-n-butylammonium bromide,TBAB)、及200mL的水置于反应瓶中,加热至70℃回流反应过夜。反应完成后将反应后的混合物回温至室温,再以乙酸乙酯及水萃取反应后的混合物并收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,再减压浓缩除水后的有机层即得淡黄色液体产物3(产率95%)。上述反应如式6所示。
将20mmole的化合物3、22mmole的(三甲基硅烷基)乙炔(Trimethylsilylacetylene)、1mmole的双(三苯基膦)二氯化钯(Bis(triphenylphosphine)palladium(II)dichloride)、2mmole的碘化亚铜(Cuprous iodide)、及2mmole的三苯基膦(Triphenylphosphine)置于反应瓶中。将20mL的三乙胺加入反应瓶中作为溶剂,并在氮气下加热反应物至回流,再回流反应12小时。以乙酸乙酯与盐酸水溶液萃取反应后的混合物三次,并收集有机层。以无水硫酸镁除有机层的水,再减压浓缩除水后的有机层得粗产物。以硅胶管柱层析法搭配乙酸乙酯与正己烷(1:10)的冲提液纯化粗产物,即得化合物4。
将15mmole的化合物4与60mmole的氢氧化钾置于反应瓶中。将30mL的四氢呋喃(THF)加入反应瓶中作为溶剂,并加热反应物至回流,并回流反应12小时。反应完成后以盐酸水溶液终止反应,以乙酸乙酯与水萃取反应后的混合物三次,并收集有机层溶液。以无水硫酸镁除去有机层溶液中的水,再减压浓缩除水后的有机层溶液得粗产物。以硅胶管柱层析法搭配乙酸乙酯与正己烷(1:10)的冲提液纯化粗产物,即得化合物5。上述反应如式7所示。
将20mmole的4-溴苯甲基溴(4-Bromobenzyl bromide,化合物6)、20mmole的2,3-二氟酚(2,3-difluorophenol,化合物7)、与40mmole的氢氧化钠置于反应瓶中。将40mL的二甲基甲酰胺加入反应瓶作为溶剂,并加热至100℃后于100℃下反应12小时。反应完成后以盐酸水溶液终止反应,以乙酸乙酯与水萃取反应后的混合物三次,并收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,再减压浓缩除水后的有机层即得粗产物。以硅胶管柱层析法搭配乙酸乙酯与正己烷(1:10)作为冲提液纯化粗产物,即得化合物8。上述反应如式8所示。
将10毫摩尔化合物8、10毫摩尔化合物5、0.5毫摩尔双(三苯基膦)二氯化钯、1毫摩尔碘化亚铜及1毫摩尔三苯基膦置于反应瓶中,加入20ml的三乙胺作为溶剂,在氮气***下加热回流反应12小时,以乙酸乙酯与盐酸水溶液萃取反应后的混合物三次,并收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,减压浓缩后得到粗产物,利用硅胶管柱层析纯化,以乙酸乙酯与正己烷(1:10)作为冲提液,最后可得到ITRI-1为白色固体产物。上述反应如式9所示。化合物ITRI-1具有氢谱如下:1H NMR(400MHz,CDCl3):δ(ppm);7.57(d,2H),7.43(d,2H),7.2(t,1H),6.95(m,1H),6.81-6.70(m,3H),5.18(s,2H),4.16(q,2H),1.49(t,3H)。化合物ITRI-1的介电常数(Δε)为-7.74,而双折射系数(Δn)为0.297。液晶化合物ITRI-1的介电各向异性(Δε)与双折射系数(Δn)的计算方式,是将液晶化合物ITRI-1与后述的Host液晶混和后测量其性质,再藉由外插法推算求得。
实施例2
将50mmole的淡黄色液体3与50mL的无水THF置于氮气***的反应瓶中,再将反应瓶温度降至-78℃。于-78℃下将50mmole的正丁基锂缓慢加入反应瓶中,再于-78℃下搅拌反应物2小时。于-78℃下将60mmole的三甲基硼酸酯加入反应瓶中搅拌30分钟,将反应回温至室温后再加入盐酸水溶液终止反应。以乙酸乙酯与水萃取反应后的混合物并取有机层,以无水硫酸镁除去有机层的水,再减压浓缩除水后的有机层即得粗产物。以正庚烷与甲苯再结晶纯化粗产物,即得白色固体硼化物9。
将40mmole的硼化物9与40mmole的过一硫酸氢钾(oxone)置于反应瓶中。将40mL的水加入反应瓶中作为溶剂,于室温下搅拌反应物4小时,再加入盐酸水溶液终止反应。以乙酸乙酯与水萃取反应后的混合物并取有机层,以无水硫酸镁除去有机层的水,再减压浓缩有机层得产物10。上述反应如式10所示。
将20mmole的4-溴苯甲基溴(4-Bromobenzyl bromide,化合物6)、20mmole的化合物10、与40mmole的氢氧化钠置于反应瓶中,再加入40mL的DMF至反应瓶中作为溶剂。将上述反应物加热至100℃后于100℃下反应12小时。反应完成后以盐酸水溶液终止反应,再以乙酸乙酯与水萃取反应后的混合物三次,收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,再减压浓缩除水后的有机层即得粗产物。以硅胶管柱层析法搭配乙酸乙酯与正己烷(1:10)作为冲提液纯化粗产物,得白色固体化合物11。上述反应如式11所示。
将10mmole的化合物11、10mmole的化合物5、0.5mmole的双(三苯基膦)二氯化钯、1mmole的碘化亚铜、及1mmole的三苯基膦置于反应瓶中,再将20mL的三乙胺加入反应瓶中作为溶剂。在氮气***下加热反应物至回流,并回流反应12小时。以乙酸乙酯与盐酸水溶液萃取反应后的混合物三次,收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,再减压浓缩除水后的有机层即得粗产物。以硅胶管柱层析搭配乙酸乙酯与正己烷(1:10)作为冲提液纯化粗产物,得白色固体产物ITRI-2。上述反应如式12所示。化合物ITRI-2具有氢谱如下:1H NMR(400MHz,CDCl3):δ(ppm);7.55(d,2H),7.41(d,2H),7.20(t,1H),6.71(t,1H),6.63(m,2H),5.10(s,2H),4.15(q,2H),4.05(q,2H),1.48(t,3H),1.42(t,3H).化合物ITRI-2的介电常数(Δε)为-12.34,而双折射系数(Δn)为0.297。液晶化合物ITRI-2的介电各向异性(Δε)与双折射系数(Δn)的计算方式,是将液晶化合物ITRI-2与后述的Host液晶混和后测量其性质,再藉由外插法推算求得。
实施例3
将30mmole的三甲基硅烷基乙炔与30mL的无水THF置于氮气***的反应瓶中,并降温至-78℃。接着将30mmole的正丁基锂(n-Butyl lithium)加入反应瓶中,并于-78℃下搅拌反应物一小时。之后将30mmole的4-丙基环己酮(4-Propylcyclohexanone,化合物12)加入反应瓶后,将反应物回温至室温后反应4小时。反应完成后以盐酸水溶液终止反应,并以乙酸乙酯与水萃取反应后的混合物三次,收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,减压浓缩除水后的有机层即得粗产物13。
将上步骤所得到的粗产物13、10mol%的对甲苯磺酸(p-Toluenesulfonicacid,PTSA)、与50mL的甲苯(Toluene)置于反应瓶中,加热反应物至回流后反应四小时。以乙酸乙酯与盐酸水溶液萃取反应后的混合物三次,收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,减压浓缩除水后的有机层即得粗产物,利用硅胶管柱层析搭配正己烷作为冲提液纯化粗产物,即得化合物14如淡黄色液体。
将10mmole的化合物14与30mmole的氢氧化钾置于反应瓶中,再将20mL的THF加入反应瓶作为溶剂。将反应物加热至回流后反应6小时,反应完成后以盐酸水溶液终止反应。以乙酸乙酯与水萃取反应后的混合物三次,收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,减压浓缩除水后的有机层即得粗产物。以硅胶管柱层析搭配正己烷作为冲提液纯化粗产物,即得化合物15如淡黄色液体。上述反应如式13所示。
将10mmole的化合物11、10mmole的化合物15、0.5mmole的双(三苯基膦)二氯化钯、1mmole的碘化亚铜、及1mmole的三苯基膦置于反应瓶中,再将20mL三乙胺加入反应瓶作为溶剂。接着在氮气***下加热反应物至回流后反应12小时,再以乙酸乙酯与盐酸水溶液萃取反应后的混合物三次,收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,减压浓缩除水后的有机层即得粗产物。以硅胶管柱层析搭配乙酸乙酯与正己烷(1:10)作为冲提液纯化粗产物,即得为白色固体产物ITRI-3。上述反应如式14所示。化合物ITRI-3具有氢谱如下:1H NMR(400MHz,CDCl3):δ(ppm);7.42(d,2H),7.34(d,2H),6.60(m,2H),6.19(s,1H),5.07(s,2H),4.5(q,2H),2.7(m,3H),1.81(m,2H),1.44(t,3H),1.40-1.25(m,5H),0.91(t,3H).化合物ITRI-3的介电常数(Δε)为-5.62,而双折射系数(Δn)为0.249。液晶化合物ITRI-3的介电各向异性(Δε)与双折射系数(Δn)的计算方式,是将液晶化合物ITRI-3与后述的Host液晶混和后测量其性质,再藉由外插法推算求得。
实施例4
将20mmole的化合物16、22mmole的(三甲基硅烷基)乙炔、1mmole的双(三苯基膦)二氯化钯、2mmole的碘化亚铜、及2mmole的三苯基膦置于反应瓶中,再将40mL的三乙胺加入反应瓶中作为溶剂,并在氮气***下加热反应物至回流后反应12小时。以乙酸乙酯与盐酸水溶液萃取反应后的混合物三次,收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,减压浓缩除水后的有机层即得粗产物。以硅胶管柱层析搭配正己烷作为冲提液纯化粗产物,即得化合物17如淡黄色液体。
将15mmole的化合物17与45mmole的氢氧化钾置于反应瓶中,再将30mL的THF加入反应瓶作为溶剂,并加热反应物至回流后反应10小时。反应完成后以盐酸水溶液中和反应,再以乙酸乙酯与水萃取反应后的混合物三次,收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,再减压浓缩除水后的有机层即得粗产物。以硅胶管柱层析搭配正己烷作为冲提液纯化粗产物,即得化合物18。上述反应如式15所示。
将10mmole的化合物11、10mmole的化合物18、0.5mmole的双(三苯基膦)二氯化钯、1mmole的碘化亚铜、及1mmole的三苯基膦置于反应瓶中,再将20mL的三乙胺加入反应瓶作为溶剂,在氮气***下加热反应物至回流后反应12小时。以乙酸乙酯与盐酸水溶液萃取反应后的混合物三次,收集有机层。以无水硫酸镁除去有机层的水,再减压浓缩除水后的有机层即得粗产物。以硅胶管柱层析搭配乙酸乙酯与正己烷(1:10)作为冲提液纯化粗产物,即得为白色固体产物ITRI-4。上述反应如式16所示。化合物ITRI-4的氢谱如下:1H NMR(400MHz,CDCl3):δ(ppm);7.53(d,2H),7.44(d,2H),7.39(d,2H),7.17(d,2H),6.62(m,2H),5.10(s,2H),4.05(q,2H),2.62(t,2H),1.58(m,2H),1.42(t,3H),1.37(m,2H),0.94(t,3H).化合物ITRI-4的介电常数(Δε)为-7.34,双折射系数(Δn)为0.291。液晶化合物ITRI-4的介电各向异性(Δε)与双折射系数(Δn)的计算方式,是将液晶化合物ITRI-4与后述的Host液晶混和后测量其性质,再藉由外插法推算求得。
实施例5
由市售液晶化合物自行调配的液晶混合物(Host),其组成比例如表1所示。
表1
液晶混合物Host与前述的负介电各向异性液晶化合物ITRI-1、ITRI-2、ITRI-3和ITRI-4依不同重量比例混合,混合后皆具有良好介电各向异性(Δε)及双折射系数(Δn),如表2所示。
表2
Host | ITRI-1 | ITRI-2 | ITRI-3 | ITRI-4 | |
化合物添加比例(wt%) | 0 | 2.5 | 1 | 7.5 | 5 |
Δε | -2.54 | -2.67 | -2.64 | -2.77 | -2.78 |
Δn | 0.097 | 0.102 | 0.099 | 0.109 | 0.109 |
比较例1
取式17的液晶化合物C-1(自行合成,合成方法参考专利DE3906019A1)与Host液晶以5比95的重量比例混合后,得到液晶性质如表3。由表3的比较可知,添加化合物ITRI-4的液晶混合物,其介电各向异性(Δε)与双折射系数(Δn)皆优于添加液晶化合物C-1的液晶混合物。
表3
Host | ITRI-4 | C-1 | |
单体添加比例(wt%) | 0 | 5 | 5 |
Δε | -2.54 | -2.78 | -2.64 |
Δn | 0.097 | 0.109 | 0.104 |
虽然本发明已以数个较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何熟习此技艺者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作任意的更动与润饰,因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种负介电各向异性液晶化合物,其结构如下:
其中,L1、L2、L3、及L4各自独立,是氢、卤素、或氰基;
R1及R2各自独立,是氢、卤素、C1-12烷基、C1-12烷氧基、C1-12卤烷基、C2-12烯基、C2-12醚基、或C2-12炔基;
A1及A2各自独立,是苯、环己烷、或环己烯;
Z1是–CF2O–、或–OCF2–;以及
Z2是 –CF2O–、或–OCF2–。
2.如权利要求1所述的负介电各向异性液晶化合物,其中L1与L2是氟;
R1是氢、甲氧基、乙氧基、丙基、或丁基;
R2是氢、甲氧基、乙氧基、丙基、或丁基;
A1是苯;
A2是苯或环己烯;以及
Z2是
3.如权利要求1所述的负介电各向异性液晶化合物,其结构如下:
4.如权利要求1所述的负介电各向异性液晶化合物,其结构如下:
5.如权利要求1所述的负介电各向异性液晶化合物,其结构如下:
6.如权利要求1所述的负介电各向异性液晶化合物,其结构如下:
7.一种液晶显示器,包括:
一上基板;
一下基板;以及
一液晶层,是位于所述上基板与所述下基板之间;
其中所述液晶层包括权利要求1所述的负介电各向异性液晶化合物。
8.一种光电装置,包括权利要求7所述的液晶显示器。
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