一种含有手性基元薄荷醇酯功能性液晶的合成与表征

王 建 华

(沈阳大学 师范学院, 辽宁 沈阳　110044)



一种含有手性基元薄荷醇酯功能性液晶的合成与表征

王 建 华

(沈阳大学 师范学院, 辽宁 沈阳110044)

摘要:应用联苯分子与手性分子薄荷醇合成具有手性液晶性能的薄荷醇4-(4-烯丙氧基苯甲酰氧基)-4′-(5-孟氧羰基)戊酰氧基联苯,端基双键可以实现液晶单体的聚合反应,进一步实现该材料的功能化.通过红外光谱确定产物结构,用偏光显微镜和差示量热分析仪对合成产物进行了织构和热性能检测,证明其具有液晶性能并为手性液晶.

关键词:手性液晶; 光学异性; FTIR; DSC; 薄荷醇酯

液晶是介于晶体与各向同性液体间的一种中间态,其具有晶体的各向异性和液体的流动性.液晶分子是棒状分子与烷基链组成的既具有刚性又具有柔性基团的分子,其棒状结构实现了分子的各向异性,烷基链实现了分子的流动性.液晶根据分子排列结构可以分为向列液晶、手性液晶与近晶相[1-3].手性液晶具有独特的螺旋结构,其不但具有光学的各向异性,而且具有实现圆二色性和选择反射等独特光学性能[1].具有双键官能团液晶分子可进行聚合反应,用以制备高分子液晶和液晶弹性体.液晶聚合物与弹性体集合了聚合物优异性能和液晶材料的光学性能,具有重要应用价值[4-7].手性液晶具有选择反射性质,并且在外场作用下其反射光位置可调,形成一维可调赝隙光子晶体.本文合成了具有端基双键的手性液晶[4-5],实现液晶材料制备同时引进功能性烯丙氧基双键,可以进一步实现该液晶材料的功能化.文中给出该液晶材料的分子结构,红外谱图,并通过织构分析和热分析,充分证明该材料的成功制备和手性液晶性能.

1实验部分

1.1原材料及仪器

实验所用联苯酚、4-烯丙氧基苯甲酰氯、己二酰氯、癸二酸、薄荷醇、吡啶、氢氧化钠、二氯亚砜、THF、稀盐酸和乙醇,均购于沈阳国药集团,为分析纯未进行纯化.红外光谱仪(FT-IR),美国PE公司的Spectrum One红外光谱仪,固体样品采用KBr压片.差示扫描量热(DSC)分析,采用德国NETZSCH公司的DSC-204差示量热扫描仪,升温速率为10 ℃/min,降温速率为10 ℃/min,测试温度范围为0～300 ℃/min,保护气为N2.偏光显微(POM)分析,采用LEICA DMRX型偏光显微镜,带有热台,可拍摄.

1.2中间体及单体制备

放167.0 g联苯酚于三颈瓶中,加入450 mLTHF与20 mL吡啶的混合液溶解,缓慢滴加35.6 g4-烯丙氧基苯甲酰氯,最终调pH为4～5,滤液析出白色粉末4-(4-烯丙氧基苯甲酰氧基)-4′-羟基-联苯.放91.5 g己二酰氯于三颈瓶中,用400 mLTHF与20 mL吡啶溶解33.0 g4-(4-烯丙氧基苯甲酰氧基)-4′-羟基-联苯,搅拌状态下滴加进反应瓶中,得棕色沉淀5-{4-{4-[(4-烯丙氧基)苯甲酰氧基]苯基}苯基}氧羰基戊酸.放202.0 g癸二酸于三颈瓶中,加入230 mL的二氯亚砜,常温反应3 h,加热回流反应12 h后,加压除去过量的二氯亚砜,得淡黄色透明癸二酰氯.置10 g 5-{4-{4-[(4-烯丙氧基)苯甲酰氧基]苯基}苯基}氧羰基戊酸于三颈瓶中,加入40 mL二氯亚砜,常温反应3 h,回流反应5 h,得固体5-{4-{4-[(4-烯丙氧基)苯甲酰氧基]苯基}苯基}氧羰基戊酰氯密封保存.取15.0 g薄荷醇,用THF溶解加入3 mL吡啶,将其倒入所合成的5-{4-{4-[(4-烯丙氧基)苯甲酰氧基]苯基}苯基}氧羰基戊酰氯中,回流反应48 h,得产物4-(4-烯丙氧基苯甲酰氧基)-4′-(5-孟氧羰基)戊酰氧基联苯,分子结构如图1所示.

图1　化合物分子结构

2结果与讨论

2.1红外分析

化合物4-(4-烯丙氧基苯甲酰氧基)-4′-(5-孟氧羰基)戊酰氧基联苯结构通过红外光谱表征如图2所示.波数3 074 cm-1是不饱和C=C(包括苯环)上氢的伸缩振动峰,2 926,2 968 cm-1归属于甲基亚甲基(C-H)吸收峰,1 754 cm-1对应于薄荷基相连的羰基峰,1 730 cm-1对应于苯环相连的羰基峰,1 604～1 509 cm-1归属于苯环的伸缩振动峰,1 272 cm-1归属于碳氧碳的伸缩振动峰[1-3].

图2　化合物的红外谱图

由图2可知,3 079～2 854 cm-1处原羧酸缔合-OH伸缩振动吸收带消失,1 754、1 730 cm-1处由于叠加效应出现两个羰基伸缩振动吸收峰,为芳香酯的羰基峰,1 604～1 509 cm-1处苯环的伸缩振动峰加强,结合该化合物的理化性质可以判断,该化合物为4-(4-烯丙氧基苯甲酰氧基)-4′-(5-孟氧羰基)戊酰氧基联苯.

2.2织构分析

化合物织构分析通过配有加热装置的偏光显微镜进行观察.将化合物置于两个载玻片之间,并进行加热,加热速度设定5 ℃/min.化合物在150.5 ℃开始熔化,此时视场暗淡没有织构呈现,随着温度继续升高,视场变亮,温度升至188.3 ℃时出现手性液晶的典型油丝织构[3],如图3a所示.当继续升温到各向同性态时,无织构出现.化合物由各向同性开始降温,降温至171.6 ℃时出现小球状织构,随着温度的继续下降,小球逐渐融合长大,133.5 ℃出现色彩鲜艳的胆甾灯丝织构,如图3b所示.通过织构分析,化合物在加热和降温过程中始终出现手性液晶的典型织构,可以证明该化合物具有手性液晶性质.

图3　化合物的偏光织构

2.3热性能分析

化合物热性能分析通过差示量热分析仪进行检测,称量化合物置于铝锅内,升温速率与降温速率设定为5 ℃/min.如图4所示,化合物熔点在150.5 ℃,清亮点在216.7 ℃.化合物的液晶区间为66.2 ℃.化合物降温过程中,由各向异性转化为液晶性,171.6 ℃进入液晶态,到105.0 ℃进入结晶态,失去液晶性能.

图4　化合物的DSC曲线

3结论

制备了一种具有烯丙氧基双键的含有手性基元薄荷醇酯的化合物,并通过红外光谱确定了化合物结构,织构分析和差示量热分析仪热性能分析确定了该化合物具有手性液晶性能.织构分析中确定了该化合物具有手性液晶的典型油丝织构和灯丝织构,该两种织构均由手性基元薄荷醇诱导出现.热分析过程,该化合物升温过程中出现了两个吸热峰,第一个为熔点,第二个为清亮点,降温过程出现两个放热峰,第一个为各向同性向液晶相转变峰,第二个为化合物的结晶峰.通过热分析可知,该化合物液晶区间为66.2 ℃.

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【责任编辑: 祝颖】

Synthesis and Characterization of Chrial Liquid Crystal Containing Menthyl Units

WangJianhua

(Normal School, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:The chiral liquid crystal menthol 4-(4-allyloxy-benzoyloxy)-4′-(5-Meng oxycarbonyl) biphenyl-pivaloyloxy was synthesized by the biphenyl molecule, allyloxy and menthol. The allyloxy is important functional group for the compound to polymerizing. The structure of the compound was detected by the FTIR spectrum. The texture of the liquid crystal was analyzed by POM equip with thermal station. The thermal property of the liquid crystal was analyzed by DSC. As a result, the compound is chiral liquid crystal

Key words:chiral liquid crystal; optical anisotropy; FTIR; DSC; menthyl acrylate

文章编号:2095-5456(2016)03-0183-03

收稿日期:2015-12-16

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51472166).

作者简介:王建华(1980-),男,辽宁朝阳人,沈阳大学讲师,博士.

中图分类号:TQ 314.2

文献标志码:A