[发明专利]一种小角∧形含氟侧链铁电性液晶化合物及其合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种小角∧形含氟侧链铁电性液晶化合物及其合成方法。

背景技术

新型显示器的研制作为中国重大高新技术产业化专项的第一项，连续出现在2008年与 2009年的《政府工作报告》中。作为新型显示器的核心技术，铁电性液晶材料与液晶显示技 术的研究显得极为迫切。目前市场上的铁电性液晶显示器普遍存在响应速度慢与视角窄的缺 点，解决措施主要是从工艺方面改进显示器内液晶材料配向膜的性能并增加光补偿作用，而 关于铁电性液晶材料的研究较少。

铁电性液晶材料研究可追溯到1975年，法国物理学家Meyer在液晶相结构的理论研究中， 独创地利用对称性破缺的观点预测出手性分子构成的倾斜层状(构成C₂点阵结构)液晶相具 有铁电性(Meyer et al.，J.Phys.Lett.，36，69(1975))。Meyer认为实现液晶材料铁电性的必要条件是 分子中必须含有手性中心，外加电场下，铁电性液晶材料响应时间与自发极化值成反比，要 获得更高的响应速度，从分子设计角度，应在手性中心导入大的永久双偶极矩。这一思想一 直持续了十几年，期间虽有五万余种铁电性液晶材料被合成出来，但所有的分子结构中都含 有手性中心，其合成方法的复杂性以及高成本等问题，是制约此类材料发展与应用的一大因 素。

1996年，日本Watanabe研究小组合成了世界上第一例非手性铁电性液晶材料(Niori et al.，J. Mater.Chem.，6，1231(1996))。该材料与经典的棒状铁电性液晶不同，由弯曲刚硬的中心核、两刚 性侧链及末端柔性端基3部分组成，不存在手性中心，却显示优良的铁电性能，被称为香蕉 形液晶。由于此类液晶分子具有特殊的自组装行为(B1-B7相)、大自发极化值Ps(200nC/cm²～ 1000nC/cm²)、短的电场响应时间，以及方便低廉的合成路线等特点，立即在液晶界兴起了一 股香蕉形液晶热，被认为是“更高级、更快速”新一代液晶显示器的发展方向。然而迄今未 止，此类液晶的铁电性能与分子结构间的本构关系尚未阐明，分子结构设计具有随机性。

研究最多的是以120°角的1，3-二取代苯作为中心环结构的一类分子，同时研究者在中 心苯环的2-，4-，5-或6-位引入各种取代基团如甲基、卤素原子或硝基等，研究材料相行为 和电光性能；其次，120°角的2，7-二取代萘和3，4′-二取代联苯也是一类常采用的中心环 结构；少数研究者也采用略小于120°角的吡啶杂环如噁二唑合成出具备双轴向列相的香蕉形 液晶分子。尽管中心环上取代基与侧链基团不同会导致香蕉形液晶分子中心环角度略有差别， 但该差异较小。目前普遍认为：当分子中心环角度中心环角度处于105°到140°之间时，典 型的铁电性香蕉形液晶相(B2或B7)才会出现。然而，此结论仅基于对历史数据的归纳总结， 其分子模型构建和铁电性理论均基于120°的中心环结构，关于小角度中心环(小于105°)的 香蕉形铁电性液晶研究鲜有人涉及。

本申请者在从事铁电性液晶研究的基础上，首先提出：国际上“香蕉形液晶”的名称不 准确，因为(1)香蕉的形状为弧形，不能反映此类液晶分子中心环的角度；(2)香蕉为多瓣多层 次从根部相连的立体结构，而此类液晶分子结构为两侧链连接到中心环，单分子呈∧形，且 其基本自组装形式为肩并肩，相邻分子头尾并不相连。因此申请者将“香蕉形液晶” (Banana-shaped liquid crystals)改为“∧形液晶”(∧-shaped liquid crystals)。

其次，液晶分子的自组装行为是决定铁电性能的关键因素。只有液晶分子形成紧密排列， 且表现出宏观的不对称性，才能使液晶材料具备铁电性。本申请者在对∧形液晶分子进行动 力学和热力学模拟的基础上，得出侧链末端苯环的2位取代基团以及端基种类对∧形液晶的 铁电性有重要影响。在侧链末端苯环的2位引入极性较大的基团，可提高分子自发极化值。 同时柔性长端基的引入使分子自组装时更难实现宏观对称性，材料表现出铁电性能。