一种苯并呋喃类发光液晶化合物及其合成方法和应用

1.本发明涉及发光液晶材料技术领域，具体涉及一种苯并呋喃类发光液晶化合物及其合成方法和应用。


背景技术：

2.随着液晶显示器的逐渐发展，传统的薄膜晶体液晶管显示器(tft-lcd)应用较广，但由于其工艺复杂，耗能较大等缺点被人们时刻关注。tft-lcd主要由背光源、偏振片、液晶层、薄膜晶体管、滤色片等部件组成，背光源经每一部件后，光透过率极大损失，其中偏振片和滤光层耗能最大，最终呈现在人们眼中的光透过率仅有5％，所以，耗能损失大引起了人们的注意。传统液晶本身不发光，在外光源的调制下，才能显示，在整个显示过程中，液晶起到一个电压控制的光阀作用属于被动型。
3.近年来，二向色性显示器受到了人们的青睐，其原理主要是将客体染料分子与母体液晶分子进行混合得到发光材料，在开关电场的条件下分子发生有序排列，呈现明暗区别，液晶层呈主动发光，此设备有望去掉偏振片、滤色片等部件，进而降低耗能。
4.使用发光液晶材料替换客体染料分子，成为必要的发展趋势，其中有如下优缺点：以客体染料分子配成的混晶配方虽然可以提供很强的荧光发射强度，但是大部分染料分子是带有颜色的、且溶解性一般较差导致混晶粘度增大，甚至对液晶相行为造成损失。若转换为发光液晶分子，则可以解决染料分子无法解决的很多问题，如自身颜色可实现无色，且有望提升液晶的综合性能(双折射率、介电各向异性)。
5.现有关于设计并合成发光液晶分子的文献中，表现为结构设计复杂，溶解性一般，旋转粘度也未得到表征，以及未考虑该发光液晶分子的引入对其双折射率和介电各向异性的具体影响情况，使得其应用于主-客体显示器中导致液晶性能较差。
6.现有关于发光液晶分子的文献有：
7.[1]lu h,xu c,li z,et al.high-contrast electrically switchable light-emitting liquid crystal displays based onα-cyanostilbenic derivative[j].liquid crystals,2018,45(1):32-39.
[0008]
[2]zhang d,liu y,gao h,et al.α-cyanostilbene and fluorene based bolaamphiphiles:synthesis,self-assembly,and aiee properties with potential as white-light emissive materials and light-emitting liquid crystal displays[j].journal of materials chemistry c,2020,8(48):17474-17481.
[0009]
[3]zhao d,bi w,tang b z.a light-emitting liquid crystal display device without polarizers and alignment layers[j].advanced optical materials,2021,9(19):2100489.
[0010]
[4]tan x,chang q,su f,et al.rodlike 4,6-diamino-1,3,5-triazine derivatives,effect of the core length on mesophase behavior and their application as le-lcd device[j].journal of molecular liquids,2022,346:117879.


技术实现要素：

[0011]
为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种苯并呋喃类发光液晶化合物及其合成方法和应用，该发光液晶化合物提高了光学各向异性和介电各向异性、拓了宽液晶相区间，且化学稳定性、热稳定好。
[0012]
为实现上述目的，本发明提供了一种苯并呋喃类发光液晶化合物及其合成方法和应用，所述苯并呋喃类发光液晶化合物的化学结构式的通式如下：
[0013][0014]
其中，n代表烷基链的个数，取值范围为3-5。
[0015]
作为本发明的另一方面，本发明还提供了一种苯并呋喃类发光液晶化合物的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0016]
s1、取结构式如下通式(1)的化合物1和通式(2)的化合物2；
[0017][0018]
其中，n的取值范围为3-5；
[0019]
将化合物1和三乙胺混合，随后加入碘化亚铜和三苯基膦，升温至65℃并搅拌30min后，加入双三苯基膦二氯化钯，以及化合物2与三乙胺的混合溶液，反应12h，得到粗产物；在粗产物中加入碳酸钾、甲醇和n,n-二甲基甲酰胺，升温至50℃，反应8h，得到结构式如下通式(3)的化合物3：
[0020][0021]
其中，n的取值范围为3-5；
[0022]
s2、将化合物3和四氢呋喃混合，降温至-78℃后，缓慢滴加二异丙基氨基锂，反应3h后，加入饱和氯化铵溶液进行淬灭，得到结构式如下通式(4)的化合物4，即为苯并呋喃类发光液晶化合物：
[0023][0024]
其中，n的取值范围为3-5。
[0025]
作为本发明的进一步优选技术方案，步骤s1中的化合物1通过以下方法合成：
[0026]
s1.1、将2,2,2-三氟乙醇、三乙胺和二氯甲烷混合并置于0
‑‑
20℃的温度下，再加入甲磺酰氯与二氯甲烷的混合溶液，反应为12-24h后，加入盐酸溶液进行淬灭，并在磁力搅
拌下反应1h，得到结构式如下通式(1-1)的化合物1-1：
[0027][0028]
s1.2、将化合物1-1、邻苯二酚、碳酸钾和n,n-二甲基甲酰胺混合，升温至80-100℃，30min后加入碘化钾，反应12-24h，得到结构式如下通式(1-2)的化合物1-2：
[0029][0030]
s1.3、将无水氯化铝和二氯甲烷混合，在-30℃的条件下搅拌10-30min，再加入乙酰氯和二氯甲烷的混合溶液，以及化合物1-2和二氯甲烷的混合溶液，反应4-8h，得到结构式如下通式(1-3)的化合物1-3：
[0031][0032]
s1.4、将化合物1-3、间氯过氧苯甲酸、三氟乙酸和二氯甲烷混合，置于冰水浴中，冷却至0
‑‑
10℃，搅拌10-30min，然后放置于室温中反应24-48h，得到结构式如下通式(1-4)的化合物1-4：
[0033][0034]
s1.5、将化合物1-4、n-琥珀酰亚胺和三氟乙酸混合，升温至50-80℃，反应12-24h，得到结构式如下通式(1)的化合物1：
[0035][0036]
作为本发明的进一步优选技术方案，步骤s1中的化合物2通过以下方法合成：
[0037]
s1.6、取结构式如下通式(2-1)的化合物2-1；
[0038][0039]
其中，n的取值范围为3-5；
[0040]
将化合物2-1、对溴碘苯、无水碳酸钾、四丁基溴化铵、水、四(三苯基膦)钯和n,n-二甲基甲酰胺混合，在80-100℃的条件下搅拌，反应8-12h，得到结构式如下通式(2-2)的化合物2-2：
[0041][0042]
其中，n的取值范围为3-5；
[0043]
s1.7、将化合物2-2、2-甲基-3-丁炔-2-醇、三乙胺混合，在60-80℃下搅拌10-30min后，加入碘化亚铜、三苯基膦、四(三苯基膦)钯，得到粗产品；在粗产品中加入炔醇、氢氧化钠、乙二醇乙醚、甲苯，升温至60-80℃，反应6-10h，得到结构式如下通式(2)的化合物2：
[0044][0045]
其中，n的取值范围为3-5。
[0046]
作为本发明的进一步优选技术方案，步骤s2中，二异丙基氨基锂和饱和氯化铵溶液均通过恒压滴液漏斗进行滴加。
[0047]
作为本发明的进一步优选技术方案，步骤s1中，化合物1与化合物2的摩尔比为1:0.5-1.5。
[0048]
作为本发明的进一步优选技术方案，步骤s2中，每克化合物3对应四氢呋喃的用量为50-100ml。
[0049]
作为本发明的又一方面，本发明还提供了一种苯并呋喃类发光液晶化合物在液晶显示器中的应用。
[0050]
作为本发明的进一步优选技术方案，所述液晶显示器为主-客体模式液晶显示器。
[0051]
本发明的苯并呋喃类发光液晶化合物及其合成方法和应用，采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：
[0052]
1)本发明的苯并呋喃类发光液晶化合物的合成方法，反应温和，无污染，操作简便、成本低廉，对设备和工艺条件的要求较低，现有条件下更容易实现工业化生产，为提升混晶的液晶性能提供了一种新的技术解决途径和新的思想，而且合成产率及纯度高；
[0053]
2)本发明的苯并呋喃类发光液晶化合物应用于混晶配方中制备成新型混晶，使得在旋转粘度几乎不受影响的情况下还增强了其二向色性、提高了光学各向异性和介电各向异性、拓了宽液晶相区间，且化学稳定性、热稳定好，在显示器件中有良好的应用，尤其是在主-客体显示器件中具有良好的应用。
附图说明
[0054]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0055]
图1为化合物5pp-ocf2在荧光发射强度及二向色性中的测试结果曲线；
[0056]
图2为化合物5pp-ocf2在清亮点测试中的测试结果曲线；
[0057]
图3为化合物3pp-ocf2的氢谱图；
[0058]
图4为化合物3pp-ocf2的碳谱图；
[0059]
图5为化合物3pp-ocf2的红外表征图。
[0060]
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0061]
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0062]
本发明提供了一种苯并呋喃类发光液晶化合物，其化学结构式的通式如下：
[0063][0064]
其中，n代表烷基链的个数，取值范围为3-5。
[0065]
本发明提供的苯并呋喃类发光液晶化合物，可应用于液晶显示器中，特别是主-客体模式液晶显示器，均能表现出优异的液晶性能。该苯并呋喃类发光液晶化合物具有良好的溶解性，良好的共轭作用，而且具有较大的荧光发射强度，明显的二向色性，提高了双折射率、介电各向异性，从而拓宽了液晶相区间。
[0066]
为了让本领域技术人员进一步理解本发明的技术方案，以下通过具体实施例对本发明的合成苯并呋喃类发光液晶化合物的技术方案做进一步地详细说明。
[0067]
实施例1
[0068]
一种苯并呋喃类发光液晶化合物的合成方法，包括以下步骤：
[0069]
1)化合物1-1的合成：
[0070]
向1000ml单口瓶中依次加入20g 2,2,2-三氟乙醇、30.6ml三乙胺和200ml二氯甲烷置于-10℃；将17ml甲磺酰氯与100ml二氯甲烷的混合溶液滴加至单口瓶中，共计反应为12h；用100ml盐酸(1m)溶液缓慢滴加入体系中淬灭，在磁力搅拌下反应1h；后处理得到35g化合物1-1，gc纯度99％，收率为90％，该化合物1-1的结构式如下通式(1-1)所示：
[0071][0072]
2)化合物1-2的合成：
[0073]
向500ml的三口烧瓶中依次加入10.00g邻苯二酚、36g化合物1-1、38g碳酸钾和200ml n,n-二甲基甲酰胺，升温至80℃，30min后加入0.31g碘化钾，反应12h后；后处理得12.15g化合物1-2，gc纯度为99％，收率为72％，该化合物1-2的结构式如下通式(1-2)所示：
[0074][0075]
3)化合物1-3的合成：
[0076]
向500ml单口烧瓶中依次加入7.43g无水氯化铝，100ml干燥的二氯甲烷，在-30℃的低温反应浴中，搅拌10min后，加入乙酰氯5.2ml和二氯甲烷60ml的混合溶液，30min滴完，向恒压滴液漏斗中加入10g化合物1-2和二氯甲烷50m的l混合溶液，30min滴完，反应4h；后处理得9.85g化合物1-3，gc纯度为99％，收率为85％，该化合物1-3的结构式如下通式(1-3)
所示：
[0077][0078]
4)化合物1-4的合成：
[0079]
向100ml史莱克管中依次加入中5.00g化合物1-3、5.46g间氯过氧苯甲酸、2.7g三氟乙酸，30ml二氯甲烷，置于冰水浴中，冷却至0℃，搅拌30min，然后将反应体系放置室温中反应48h；后处理得4.45g化合物1-4，gc纯度为99％，收率为85％，该化合物1-4的结构式如下通式(1-4)所示：
[0080][0081]
5)化合物1的合成
[0082]
向250ml的单口烧瓶中依次加入5g化合物1-4，3.73g n-琥珀酰亚胺，0.52g三氟乙酸，升温至80℃，反应12h；后处理得3g化合物1，gc纯度为99％，收率为43％，该化合物1的结构式如下通式(1)所示：
[0083][0084]
6)化合物2-2的合成
[0085]
取结构式如下通式(2-1)的化合物2-1；
[0086][0087]
其中，n的取值范围为3-5，本实例中n＝5；
[0088]
向250ml三口瓶中加入10.00g对溴碘苯、6.50g化合物2-1、7.80g无水碳酸钾、6.00g四丁基溴化铵、20ml水、0.79g四(三苯基膦)钯和100ml n,n-二甲基甲酰胺，搅拌及加热，控温80℃，反应8小时；后处理得到9.80g化合物2-2，纯度gc＝99％，收率89％，该化合物2-2的结构式如下通式(2-2)所示：
[0089][0090]
其中，n的取值为5。
[0091]
7)化合物2的合成
[0092]
在250ml三口瓶中加入6.00g化合物2-2(4-溴-4'-戊基-1,1'-联苯)、2.36g 2-甲基-3-丁炔-2-醇、干燥的三乙胺150ml，开启搅拌及升温至65℃，搅拌30min后依次加入碘化亚铜0.03g、三苯基膦0.03g、四(三苯基膦)钯0.47g，后处理得粗产品。在250ml三口瓶中依
次加入上述产物的4.95g炔醇、4.06g氢氧化钠、40ml乙二醇乙醚、120ml甲苯，升温至80℃，反应6h。后处理得3.07g化合物2，纯度gc＝98％，收率70.3％，该化合物2的结构式如下通式(2)所示：
[0093][0094]
其中，n的取值为5。
[0095]
8)化合物3的合成
[0096]
在250ml三口烧瓶中加入2.00g化合物1和100ml干燥的三乙胺，随后加入0.02g碘化亚铜，0.06g三苯基膦，升温至65℃，搅拌30min；随后加入0.16g双三苯基膦二氯化钯，将1.2g化合物2溶于20ml干燥的三乙胺溶液中缓慢滴加，反应12h，停止反应，后处理得粗产物；将粗产物按理论当量进行下一步反应，向250ml的单口瓶中依次加入6g碳酸钾，50ml甲醇和50ml n,n-二甲基甲酰胺，升温至50℃，反应8h；后处理得1.0g化合物3，gc纯度为98％，收率43％，该化合物3的结构式如下通式(3)所示：
[0097][0098]
其中，n的取值为5。
[0099]
9)化合物4的合成
[0100]
向100ml三口烧瓶中加入0.5g化合物3、30ml干燥的四氢呋喃，降温至-78℃后，量取10ml二异丙基氨基锂置于恒压滴液漏斗中，缓慢滴加，反应至3h，加入30ml饱和氯化铵溶液于恒压滴液漏斗中进行淬灭；用无水na2so4干燥、旋干，用石油醚：乙酸乙酯＝50:1为洗脱剂经柱层析，得粗品，再用甲醇进行重结晶，得终产物为0.3g的白色固体的化合物4，即为苯并呋喃类发光液晶化合物，gc纯度为98％，收率45％，该化合物4的结构式如下通式(4)所示：
[0101][0102]
其中，n的取值为5，该化合物4简称为5pp-ocf2。
[0103]
由实施例1可知，本发明的合成路线产率较好，其合成过程中涉及醚化、酰化、b-v氧化、碘代、sonogashira偶联、碱条件下的关环，lda脱hf等反应。在此需要说明的是，本发明的合成路线中所涉及的后处理为化学领域中的常规操作手段，其包括且不限定为洗涤、过滤、干燥、柱层析中的一种或几种，实际应用中可根据需求合理选择。
[0104]
将实施例1所得最终产物(以下简称5pp-ocf2)掺入5536母体液晶(δn＝0.0995、δε＝5.453,主要成分为3hhv和烷基环己烷类化合物)中，分别对5536母体液晶中掺杂不同质量分数的5pp-ocf2进行以下各项性能测试，各测试项目如表1所示。
[0105]
表1.性能测试具体项目
[0106][0107]
1、荧光发射强度测试：测试结果如图1所示，5pp-ocf2在一定质量分数下，液晶盒内(厚度为5μm)的平行(pl//)和垂直(pl
⊥
)取向下的荧光发射强度呈上升趋势，该材料呈现出明显的二向色性，并且随着5pp-ocf2浓度的增加，荧光发射强度也随之增强，其中，5pp-ocf2在5536母体液晶中wt％＝2.0％表现出最强的荧光发射强度。
[0108]
2、荧光量子产率测试：其测试结果如表2所示。
[0109]
2.荧光量子产率测试结果
[0110][0111]
表2中，5536(//)指掺杂5pp-ocf2的5536母体液晶的荧光量子产率，分析表2可知，荧光量子产率在wt％＝3％处最高。
[0112]
3、光学各向异性测试：其测试结果如表3所示。
[0113]
3.光学各向异性测试结果
[0114][0115]
分析表3可知，随着客体分子的增加，光学各向异性呈上升趋势，说明该化合物自身具有正向的光学各向异性。
[0116]
4、介电各向异性测试：其测试结果如表3所示。
[0117]
4.介电各向异性测试结果
[0118][0119]
分析表4可知，随着客体分子的增加，介电各向异性呈上升趋势，说明该化合物自身具有正向的介电各向异性。
[0120]
5、清亮点测试：测试结果如图2所示。分析图2可知，随着客体分子的增加，清亮点在客体分子为3％时，比纯5536母体液晶提高近1℃。
[0121]
6、粘度测试：其测试结果如表5所示。
[0122]
5.粘度测试结果
[0123][0124]
分析表5可知，随着客体分子的增加，由于具有良好的互溶性，5536混晶配方的粘度几乎不受影响。
[0125]
综上，本发明提供的混晶配方具有较强的荧光发射强度、良好的二向色性、提高了光学各向异性和介电各向异性、拓宽了液晶相区间，粘度影响较小。将该化合物制成混晶配方应用于液晶显示器中，尤其是主-客体模式的显示器件中，其优异的液晶性能可明显改善显示效果。
[0126]
为了进一步研究，本发明合成方法中，当化合物2-1中烷基链数n的取值为3时，则化合物3的结构式如下：
[0127][0128]
(简称为3pp-ocf3)；
[0129]
采用与实施例1相同的方法，由该化合物3(3pp-ocf3)合成得到最终产物化合物4的结构式如下：
[0130]
(简称为3pp-ocf2)。
[0131]
对化合物4(3pp-ocf2)测得其氢谱、碳谱和红外表征图，分别如图3、4和5所示，由图可知，该化合物结构确认正确，具有可重复操作性。
[0132]
本发明苯并呋喃类发光液晶化合物，其烷基链的个数为3-5，通过对不同烷基链数的苯并呋喃类发光液晶化合物的液晶性能和发光性能综合比较，其中，5pp-ocf2为最优，即在保证荧光发射强度的前提下，5pp-ocf2的熔点为最低。
[0133]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。