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棒状磁性液晶的合成及性能研究

郑敏燕  
【摘要】: 液晶是具有特殊光电性能并得到广泛应用的功能材料。分子磁性材料是近年来研究的热点,如何将磁性与液晶性结合起来使液晶材料多功能化是目前学术界关注的热点课题。 如果给具有流动性的向列相液晶材料赋予磁性(也可称之为有机磁性液体,有机磁性流体),就可能使液晶分子不仅在电场作用下,也可能在磁场作用下有序排列,从而实现更大范围,更新领域的特殊应用。本论文的研究目的主要是合成集液晶性、磁性于一身的新型功能材料。主要研究内容如下: 1、以对羟基苯甲醛和一系列4-正丙基,4-正戊基取代的双环己基甲酸、联苯甲酸及环己基苯甲酸为主要原料,通过氯化、酯化等方法,合成了6个C_3和C_5烷基取代的多环单酯基苯甲醛类液晶。用元素分析、~1H NMR、IR及MS测试技术表征了产物结构,通过DSC及POM(偏光显微镜)对其液晶相进行了研究。结果表明,室温条件下羧酸的氯化可有效地抑制反式环己烷的构型转化;这类芳香醛化合物在加热过程中呈典型的向列项纹影及条纹织构,液晶相温度区间107-156℃。 2、提出了一种在无水丙酮体系中,采用KMnO_4选择性氧化芳环上醛基制备羧基的新方法。运用此法,以4-正丙基,4-正戊基取代的双环己基甲酸、联苯甲酸及环己基苯甲酸为主要原料,用一次酯化、一次氧化的方法(酯化氧化法),合成了6个单酯基芳香酸类化合物。总产率大于70%。产物结构以IR,MS,~1H NMR及元素分析进行表征,DSC及POM测定表明6个目标化合物具有热致液晶性,呈典型的向列相纹影及条纹织构。 3、以4-(4-(反-4-正丙基环己基)苯酰氧苯甲醛为原料,研究了在无水体系以高锰酸钾为氧化剂,选择性氧化制备4-(4-(反-4-正丙基环己基)苯酰氧苯甲酸,通过正交实验法对影响反应的因素进行了研究,利用红外光谱研究了氧化反应的机理,产物结构用IR,MS,~1H NMR及元素分析表征。结果表明,在无水丙酮中无任何催化剂条件下,KMnO_4具有氧化活性,可以在芳环上同时存在烷基和醛基时选择性氧化醛基,选择性达100%。最佳条件是高锰酸钾用量为芳香醛物质的量的2倍,反应时间4h,酸解时间1.5h,产率95%。 4、提出通过一次氧化,两次酯化(氧化酯化法)的方法合成双酯类芳香醛类化合物。以对羟基苯甲醛和4-正丙基,4-正戊基取代的双环己基甲酸、联苯甲酸及环己基苯甲酸为主要原料,合成了6个具有较长的刚性骨架、多环双酯基苯甲醛类液晶。产物结构经IR,MS,~1H NMR和元素分析表征,通过DSC及POM研究了化合物的液晶行为。结果表明,以此法合成产物,总产率大于60%。双酯类芳香醛类化合物液晶相温度范围超过78℃,主要呈现向列相织构。 5、利用缩合反应合成了6个具有希夫碱及单酯基结构、末端为TEMPO的磁性分子。经液相色谱、质谱、红外光谱等方法确定了化合物的纯度和结构。以DSC及POM研究化合物的液晶性质。其中端基为戊基的磁性化合物经测定具有液晶性,其液晶相区间分别达到了3.9~6.5℃,呈现出向列相纹影及丝状织构。EPR谱表明化合物在室温时具有顺磁性。 6、经过酯化及缩合反应合成了6个具有希夫碱及双酯基结构、末端为TEMPO的磁性分子。采用液相色谱、质谱、红外光谱、元素分析等确定了几个化合物的纯度和结构,DSC及POM测试表明,6个磁性化合物均具有液晶性,其液晶相温度区间在3.5~24.3℃之间。织构图呈现胆甾相油状,向列相纹影、丝状织构。EPR表明化合物在室温时具有顺磁性。 7、采用酯化反应合成了6个具有双酯基结构、末端为TEMPO的磁性分子。经质谱、红外光谱等确定了6个化合物的结构,并进行了DSC及POM测试。结果表明,6个磁性化合物均具有液晶性,其液晶相温度区间在15~24.8℃之间,织构图为向列相。EPR表明化合物在室温时具有顺磁性,并就磁性液晶对液晶材料光电性能的影响进行了初步研究。 本论文共设计合成了6个系列36个新化合物。其中三个系列18个未见报道的重要中间体,文中对他们的液晶性能进行了系统研究,提出了室温氯化法、无水体系选择性氧化法,这些方法可有效地抑制反式环己烷构型向顺式构型的转化及芳烷基的氧化,用氧化酯化的方法合成不对称双酯类化合物,有效地提高了该类反应的产率。 另外三个系列为18个未见报道的磁性液晶分子,分子中同时具有中介核及磁性基团结构,其中15个磁性分子同时具有磁性和液晶性,液晶相区间最宽已超过24℃。目前国内外报道的具有中介核、末端为TEMPO自由基的磁性分子中,尚未发现具有液晶性。首次发现了磁性液晶添加到液晶材料中,可以提高液晶材料的响应速度。


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