JP2005154436A - 新規ジアミンおよびそれを原料とするポリマー - Google Patents
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Abstract
Description
(1)液晶分子に適切なプレチルト角を付与すること。しかも該プレチルト角が、ラビング時の押込み強度や加熱時の温度の差による変化が小さいこと。
(2)液晶表示素子の配向の欠陥が発生しない配向処理が可能であること。
(3)液晶表示素子に適切な電圧保持率(Voltage Holding Ratio: VHR)を与えることができること。
(4)液晶表示素子に任意の画像を長時間表示させた後、別の画像に変えたときに前の画像が残像として残る「焼き付き」と呼ばれる現象が起きにくいこと。
特にTFT型表示素子に用いられる高品質な配向膜は、高い電圧保持率を有し、しかも焼き付き現象を起こしにくいことが要求されている。
特許文献2には式(B)の化合物を含むポリアミック酸と他のポリアミック酸溶液とを混合した配向剤を配向膜として用いることにより、配向性、消費電流、VHRおよび残留電荷の特性を改善できることが記載されている。
特許文献3には式(C)の化合物を含むポリアミック酸と他のポリアミック酸溶液とを混合した配向剤を配向膜として用いることにより、配向性を改善できることが記載されている。
本発明は、以下から構成される。
尚、本発明のポリマーはポリアミック酸とポリイミドからなり、そのうちポリイミドはポリアミック酸のアミック酸が部分的に、あるいは完全にイミド化されたポリマーを表わす。更に本発明はこれらポリマーのブレンドも包含するものであり、例え部分的であり、イミド化されたポリマーを含有するポリマーブレンドをもポリイミドと称するものである。
式(1)におけるR3およびR4は、水素およびフッ素の中から任意に選択することができる。
前述の要求特性のうちで、残留DCを低減し配向膜の削れによる表示不良を防ぐには、R1、R2、R3、およびR4にメチル、エチル、メトキシ、フッ素等の比較的小さな置換基を導入するのが好ましい。また特に配向膜のVHRを高くするためには、R1、R2、R3、およびR4にプロピル、ブチル、イソプロピル、tert−ブチル、エトキシ、プロピルオキシ、ブトキシ、イソプロポキシまたはtert−ブトキシ等のかさ高い置換基を導入すればよい。
一般式(2−1)において、Xは単結合、酸素、または硫黄を表わす。このとき液晶配向剤により高いVHRを付与させたい場合、Xが単結合もしくは酸素であることが好ましく、Xが単結合であることが最も好ましい。また例えばIPS用液晶配向膜では、焼き付き現象を抑えるため、ポリマーの体積抵抗率の小さな液晶配向膜が有用であることがSID国際シンポジウム ダイジェスト、1166ページ、2003年等に記載されている。このような目的にはXが酸素もしくは硫黄であることが好ましく、Xが硫黄であることが最も好ましい。
(1)Aが単結合である場合
(式中、Q、R1、R2、R3、およびR4は既述の通りであり、Prt.は保護基を表し、Tは炭素数が1から8の直鎖または分岐アルキレンを表す。)
第2段階;常法に従い式(1−2)で示される化合物をメチルやベンジル等の保護基で保護する。
第3段階;Organic Reaction, 22, 253 (1975)等に従い、式(1−3)で示される化合物をグリニヤール試薬とし、式(1−4)で表せる酸塩化物とカップリング反応させ、ついで酸による加水分解により、目的とする式(1−5)で示される化合物が得られる。
第4段階;式(1−5)で示される化合物をシラン還元やWolff-Kishner還元等により式(1−7)で示される化合物に変換する。
第6段階;式(1−10)で示される化合物を脱保護することで、式(1−11)で示される化合物が得られる。このものを常法に従い無水トリフルオロ酢酸等と反応させることにより、式(1−12)で示される化合物が得られる。
第7段階;Tetrahedron Lett., 38, 6367 (1997)等に従いトリフラート基をアミノ基に変換することにより目的とする式(1)で示される化合物が得られる。
(2)Aが1,4−フェニレンである場合
(式中、R5、R6、R7、R8は水素、炭素数1〜4のアルキル、アルコキシ、またはフッ素を表す。)
本発明の式(1)で表される化合物は、以下の実施例で示す方法によっても合成できる。
以下に実施例で用いた液晶表示素子の評価法を記載する。
1.プレチルト角
クリスタルローテーション法により行った。
2.焼き付き(残留DC)
「三宅他、信学技報、EID91−111,p19」に記載の方法により、残留DCを測定した。測定は液晶セルに50mV、1kHzの交流および周波数0.0036Hzの直流の三角波を重畳させ行った。この残留DCを焼き付きの指標にした。つまり残留DCが多いほど焼き付きやすいとした。
「水嶋他、第14回液晶討論会予稿集 p78」に記載の方法により行った。測定条件は、ゲート幅69μs、周波数60Hz、波高±4.5Vであった。
4.液晶配向性、黒レベル
偏光顕微鏡を用いた目視により行った。特に黒レベルは、クロスニコル状態において、入射光とセルのラビング方向を同一にした状態で観察した。
5.削れ
顕微鏡を用いた目視により行った。
(1,3−ビス(4−アミノ−2−メチルフェニル)プロパン;化合物No.1−2の合成)
4‐ブロモ−2‐メチルベンズアルデヒド(Chem. Ber., 102, 2493 (1969))に従って合成)(10.0g、50mmol)、メチル(メチルチオ)メチルスルフォキサイド(12.4g、100mmol)、トリメチルベンジルアンモニウムヒドロキサイド 40%メタノール溶液(10ml)の混合物を5時間還流した。
冷却後、トルエン(50ml)および純水(50ml)を加え抽出操作を行った。有機層を0.5M硫酸水(50ml)および純水(50mlx2)で洗浄し、有機層を無水硫酸マグネシウムで乾燥した。ろ過および溶媒を減圧留去し、目的物の粗結晶を得た。この化合物にエタノール(20ml)および6MHCl(20ml)を加え、5時間還流した。溶媒を減圧留去した後、残さを酢酸エチル(50ml)および純水(50ml)で上記と同様な抽出操作を行った。得られた組成生物をアルコールでの再結晶を行うことにより、目的とする4‐ブロモ−2‐メチルフェニル酢酸を得た。収量7.4g(64%)。
(1,3−ビス(4−アミノ−2−フルオロフェニル)プロパン;化合物No.1−17の合成)
4‐ブロモ−2‐フルオロフェニル酢酸(8.0g、34mmol、特開昭62−252774号公報に記載の方法で合成)および鉄粉(1.9g、34mmol)を用い実施例1と同様な方法で反応させた。残さをカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン)で精製し、目的とする1,3−ビス(4−ブロモ−2フルオロフェニル)−2−プロパノンを得た。収量4.0g(58%)。
各段階の収率および精製条件を以下に示す。
Wolff-Kishner還元;精製:カラムクロマトグラフィー(シリカゲル/ヘプタン)。収率:90%。
ベンゾフェノンイミノ化;精製:カラムクロマトグラフィー(シリカゲル/ヘプタン)。
水素化分解;精製:再結晶(エタノール)。収率:64%。
(1,5−ビス(4−アミノ−2−メチルフェニル)ペンタン;化合物No.1−35の合成)
4−ブロモ−3‐メチルアニソール(25g、124mmol)およびマグネシウム(3.3g、135mmol)から常法にしたがって調製したグリニヤール試薬(溶媒THF)をヨウ化銅(24g、126mmol)のTHF(200ml)溶液に0℃以下で加えた。ここにさらにグルタル酸クロリド(10.5g、67mmol)のTHF(50ml)溶液を0℃以下で加えた。室温で30分間かくはんした後、反応物を3NHCl(100ml)中に滴下した。トルエンで上記と同様に抽出操作を行った。得られた粗生成物をカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン)で精製し、目的とする1,5−ビス(4−メトキシ−2−メチルフェニル)−1,5−ペンタジオンを得た。収量9.1g(43%)。
(1,5−ビス(4−(4−アミノフェニル)−2−メチルフェニル)ペンタン;化合物No.1−118の合成)
実施例3で合成した1,5−ビス(4−トリフルオロメタンスルホニルオキシ−2−メチルフェニル)ペンタン(4.0g、7.3mmol)、J. Am. Chem. Soc., 80, 3609 (1958)に従って合成した4−アミノフェニルボロン酸(2.0g、15mmol)、テトラキストリフェニルフォスフィノパラジウム(0)(210mg、0.18mmol)、炭酸ナトリウム(5.7g、54mmol)の混合物をトルエン/アルコール/純水=1/1/1(v/v/v、60ml)中、8時間還流させた。冷却後、トルエン−純水系で抽出操作を行った。上記と同様な操作を行い得られた粗生成物をカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン:メタノール=20:1)で精製し、目的とする1,5−ビス(4−(4−アミノフェニル)−2−メチルフェニル)ペンタンを得た。収量1.8g(57%)。
(1,3−ビス(4−(4−アミノフェニル)フェニル)プロパン;化合物No.1−100の合成)
WO8803134明細書に従って合成した1,3−ビス(4−ブロモフェニル)プロパン(10.0g、28mmol)、J. Am. Chem. Soc., 80, 3609 (1958)に従って合成した4−アミノフェニルボロン酸(7.7g、56mmol)、テトラキストリフェニルフォスフィノパラジウム(0)(780mg、0.67mmol)、炭酸ナトリウム(21g、200mmol)の混合物をトルエン/アルコール/純水=1/1/1(v/v/v、300ml)中、8時間還流させた。冷却後、トルエン−純水系で抽出操作を行った。上記と同様な操作を行い得られた粗生成物をカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン:メタノール=20:1)で精製し、目的とする1,3−ビス((4−(4−アミノフェニル)フェニル)プロパンを得た。収量16g(54%)。
(1,4−ビス(4−アミノ−2−t‐ブチルフェニルオキシ)ブタン;化合物No.2−19の合成)
J. Org. Chem., 33, 223, (1968)記載の方法に従って合成した4−ニトロ−2−t‐ブチルフェノール(4.8g、25mmol)および1,4−ジブロモブタン(2.6g、12mmol)を用い、J. Polym. Sci., Part A, Polym. Chem., 31, 1423 (1993)と同様な方法に従い合成した。
(ジ(2−(4−アミノフェニルスルファニル)エチル)エーテルの合成;化合物No.4−6の合成)
4−ニトロチオフェノール(20.0g、129mmol)、2−クロロエチルエーテル(9.2g、64mmol)、およびK2CO3(21g、150mmol)をDMF(100ml)中、80℃で4時間反応させた。冷却後、反応液に純水(100ml)および塩化メチレン(200ml)を加え、抽出を行った。有機層を純水(100ml)で2回洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥させた。ろ過および溶媒を減圧留去後、残さをカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/塩化メチレン)および再結晶(トルエン)により精製し、目的とするジ(2−(4−ニトロフェニルスルファニル)エチル)エーテルを得た。収量22g(91%)。
この化合物(22g、58mmol)および鉄粉(19g、340mmol)を50%エタノール水溶液(40ml)中に溶解し窒素気流下、還流した。ここに1N塩酸50%エタノール水溶液(20ml)をゆっくり滴下した。滴下後、さらに3時間還流させた。冷却後、30% NaOH水溶液を加え、pH12とした。この反応液に塩化メチレン (100ml)を加え、セライトろ過した。有機層を純水(100ml)で2回洗浄後、無水硫酸マグネシウムで乾燥した。ろ過および溶媒を減圧留去後、カラムクロマトグラフィー(シリカゲル/塩化メチレン:メタノール=1:1)および再結晶(エタノール)で精製することにより目的物を得た。収量14g(74%)。
(1,4−ビス(4’−アミノジフェニル−4−スルファニル)ブタンの合成;化合物No.3−64の合成)
4−ニトロチオフェノールに換えてJ.Am.Che.Soc.,200,122(3688)に記載の4−(4−ニトロフェニル)チオフェノールを、2−クロロエチルエーテルに換えて1,4−ジブロモブタンを用いる以外は実施例5−2と同様な方法により合成した。トータル収率54%。
(ポリアミック酸6および該ポリアミック酸6を含有する液晶配向剤6の調製)
かくはん機、窒素導入口、温度計、及び原料導入口を供えた100mlの4つ口フラスコに、実施例1で合成した1,3−ビス(4−アミノ−2−メチルフェニル)プロパン1.145g(4.500mmol)を投入し、NMP10gに溶解した。ここにピロメリット酸二無水物(以下、PMDAという。)0.4908g(2.250mmol)および1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物(以下、CBTAという。)0.4412g(2.250mmol)を加え、6時間かくはんした。その後この溶液をNMP29gで希釈することにより、ポリアミック酸濃度が約5重量%の透明溶液が得られた。このポリマーの重量平均分子量は5.6万であり、この溶液の25℃での粘度は35mPa・sであった。以下この溶液を液晶配向剤6とする。
(ポリアミック酸7および該ポリアミック酸7を含有する液晶配向剤7の調製)
1,3−ビス(4−アミノ−2−メチルフェニル)プロパンに換えて実施例2で合成した1,3−ビス(4−アミノ−2−フルオロフェニル)プロパン1.1803g(4.500mmol)を用いた以外は実施例5に準拠してワニスを得た。このポリマーの重量平均分子量は5.5万であり、この溶液の25℃での粘度は32mPa・sであった。以下この溶液を液晶配向剤7とする。
(ポリイミドおよび該ポリイミドを含有する液晶配向剤8の調製)
実施例6の方法で調製したワニス1に無水酢酸4.6g(45mmol)を加え、100℃で1時間反応した。冷却後、反応液を純水100mlに加え、生じた沈殿をろ過した。沈殿を純水(25ml)およびメタノール(25ml)で洗浄し、これを真空乾燥することにより、ポリイミドを得た。物性評価にはこのポリマーをNMPに溶解し濃度5%の溶液として用いた。以下この溶液を液晶配向剤8とする。
スクリューバイアルに実施例6の方法で調製した液晶配向剤6の10gにBC6.7gを加え、濃度約3重量%の溶液を得た。片面にITO電極を設けた透明ガラス基板上に、この溶液を滴下し、スピンナー法により塗布した(2500rpm、15秒)。塗布後80℃で5分間加熱し、溶媒を蒸発させた後、オーブン中で250℃、30分間加熱処理を行い、膜厚約60nmのポリイミド樹脂薄膜を得た。該樹脂薄膜が形成されたガラス基板をラビング処理し、ラビング方向が逆平行になるようにこれらの2枚を貼り合わせ、セル厚20μmの液晶セルを組み立てた。このセルに下記の化合物からなる液晶組成物Aを注入し、110℃で30分間アイソトロピック処理を行い、室温まで冷却し液晶表示素子を得た。この液晶表示素子の残留DCは25℃で0.25Vであり、20、60、および90℃におけるVHRはそれぞれ99.6、98.9、96.7%であった。またこの表示素子を用いてプレチルト角を測定した結果、1.2度であった。さらに顕微鏡による観察の結果、液晶の配向欠陥は観察されず、黒レベルも良かった。また削れも観察されなかった(以下、これらの測定値を初期値とする)。
液晶配向剤6に換えてに液晶配向剤7を用いた以外は、実施例22に準じた方法で液晶表示素子を製作し、特性測定した。
初期値:残留DC;0.29V、VHR;99.1(20)、96.3(60)、94.9(90℃)%、プレチルト角;1.3度。配向欠陥および削れなし。黒レベル良。
加熱後値:残留DC;0.30V、VHR;99.0(20)、96.2(60)、94.7(90℃)%、プレチルト角;1.2度。配向欠陥および削れなし。黒レベル良。
実施例22および23に準じて以下の液晶表示素子を製作し、特性を測定した。
液晶配向剤6を液晶配向剤6と液晶配向剤21の混合物(液晶配向剤6:液晶配向剤21=10:1(重量比))に代えた以外は実施例22に準拠して液晶表示素子を製作し、特性測定した。
初期値:残留DC;0.48V、VHR;98.4(20)、97.4(60)、95.2(90℃)%、プレチルト角;7.5度。配向欠陥なし。黒レベル良。
加熱後値:残留DC;0.53V、VHR;98.3(20)、97.5(60)、94.5(90℃)%、プレチルト角;7.6度。配向欠陥なし。黒レベル良。
特許第1587418号に従い、化合物No.4−2および化合物No.5−13を用い実施例6の方法に準じて液晶配向剤Aを調製した。液晶配向剤6に換えて液晶配向剤Aを用いた以外は、実施例22に準じた方法で液晶表示素子を製作し、特性を測定した。その結果を表22に示す。
特開平5−43687号公報に従い、実施例6の方法に準じて以下の組成で液晶配向剤Bを調製した。液晶配向剤6に換えて液晶配向剤Bを用いた以外は、実施例22に準じた方法で液晶表示素子を製作し、特性を測定した。その結果を表23に示す。
酸無水物: 化合物No.4−1 100モル%
ジアミン: 化合物No.5−8 80モル%
化合物No.5−11 20モル%
特許第3169062号に従い、実施例6の方法に準じて以下の組成で液晶配向剤Cを調製した。液晶配向剤6に換えて液晶配向剤Cを用いた以外は、実施例22に準じた方法で液晶表示素子を製作し、特性を測定した。その結果を表10に示す。
酸無水物;化合物No.4−1(表1)、100モル%
Claims (21)
- 式(1)で表されるジアミン
式(1)において、Qは−(CH2)n−または−((CH2)2O)m(CH2)2−であり、nは3から10の整数であり、mは1から3の整数であり;Aは独立に単結合またはベンゼン環の任意の水素がフッ素、炭素数1〜4のアルキル若しくは炭素数1〜4のアルコキシで置き換えられもよい1,4−フェニレンであり;R1およびR2は独立に水素、フッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシであり;R3およびR4は独立に水素またはフッ素であり;Xは独立に単結合、酸素、または硫黄であり;ただし、Qが−(CH2)n−であり、Aが単結合でXが単結合または硫黄のとき、R1またはR2のどちらか一方はフッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシであり、Aが単結合、かつXが酸素のとき、R1〜R4の少なくとも1つはフッ素である。 - 式(1)において、R1およびR2が独立にフッ素、水素またはtert−ブチルであり、R3およびR4が水素であり、Aが単結合または1,4−フェニレンである、請求項1または2に記載のジアミン。
- 式(1)においてXが単結合である請求項1または3に記載のジアミン。
- 式(1)においてXが酸素である請求項1または3に記載のジアミン。
- 式(1)においてXが硫黄である請求項1または3に記載のジアミン。
- 式(2−1)で表わされる構成単位が10〜100モル%と、式(2−2)で表される構成単位が90〜0モル%からなるポリアミック酸。
式(2−1)及び(2−2)において、Qは−(CH2)n−または−((CH2)2O)m(CH2)2−であり、nは3から10の整数であり、mは1から3の整数であり;Aは独立に単結合またはベンゼン環の任意の水素がフッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシで置き換えられてもよい1,4−フェニレンであり;R1およびR2は独立に水素、フッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシであり;R3およびR4は独立に水素またはフッ素であり;Xは独立に単結合、酸素または硫黄であり;R5は独立に炭素数4〜30の4価の有機基であり;R6は炭素数2〜60の2価の有機基であり;ただし、Qが−(CH2)n−であり、Aが単結合でXが単結合または硫黄原子のとき、R1またはR2のどちらか一方はフッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシであり、Aが単結合、かつ、Xが酸素のとき、R1、R2、R3およびR4の少なくとも1つはフッ素である。 - 式(2−1)及び(2−2)において、R5が独立に式(3)〜(11)で表される基から選ばれる4価の基の少なくとも1つである請求項7に記載のポリアミック酸。
これらの式において、G1は単結合、炭素数1〜12のアルキレン、1,4−フェニレンまたは1,4−シクロヘキシレンであり;G2は単結合、−CH2−、−CH2CH2−、−O−、−CO−、−S−、−C(CH3)2−または−C(CF3)2−であり;X1は独立に単結合またはCH2−であり;R32、R33、R34およびR35は独立に水素、メチル、エチルまたはフェニルであり;R36は水素またはメチルであり;R37は水素、メチル、エチルまたはフェニルであり;A3はシクロヘキサン環またはベンゼン環であり;qは1または2であり;式(11)で示される基は2個の結合手が互いにα−位に位置する2組の結合手よりなる。 - 式(2−1)において、R1およびR2が独立にフッ素、水素またはtert−ブチルであり、R3およびR4が水素であり、Aが単結合または1,4−フェニレンである、請求項7〜10の何れか1項に記載のポリアミック酸。
- 式(2−1)においてXが単結合である請求項7〜11の何れか1項に記載のポリアミック酸。
- 式(2−1)においてXが酸素である請求項7〜11の何れか1項に記載のポリアミック酸。
- 式(2−1)においてXが硫黄である請求項7〜11の何れか1項に記載のポリアミック酸。
- 重量平均分子量が5,000〜500,000である請求項7〜15の何れか1項に記載のポリアミック酸。
- 請求項7〜16の何れか1項に記載のポリアミック酸を脱水して得られるポリイミド。
- 請求項7〜16の何れか1項に記載のポリアミック酸を含有する液晶配向剤。
- 請求項17に記載のポリイミドを含有する液晶配向剤。
- 請求項18または19に記載の液晶配向剤から得られた液晶配向膜。
- 請求項20に記載の液晶配向膜を用いた液晶表示素子。
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