JP3865084B2 - ジアルケニルトラン誘導体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は新規液晶性化合物である、ジアルケニルトラン誘導体とそれを含有する液晶組成物に関する。これらは電気光学的液晶表示用、特にネマチック液晶表示用材料として有用である。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示素子は、時計、電卓をはじめとして、各種測定機器、自動車用パネル、ワードプロセッサー、電子手帳、プリンター、コンピューター、テレビ等に用いられるようになっている。液晶表示方式としては、その代表的なものにTN(捩れネマチック)型、STN(超捩れネマチック)型、DS(動的光散乱)型、GH(ゲスト・ホスト)型あるいはFLC(強誘電性液晶)等があり、また駆動方式としても従来のスタティック駆動からマルチプレックス駆動が一般的になり、さらに単純マトリックス方式、最近ではアクティブマトリックス方式が実用化されている。
【0003】
これらの表示方式や駆動方式に応じて、液晶材料としても種々の特性が要求されている。中でも高速応答性はほとんどの場合に共通して非常に重要である。応答を高速化するために液晶材料に求められる物性は直接的には(i)粘性を小さくするか、あるいは(ii)弾性定数を大きくすることである。しかしながら、弾性定数を大きくした場合には閾値電圧が上昇することが多い。従って、低電圧駆動が要求される場合には、弾性定数はあまり大きくせずにその粘性を小さくすることが必要である。
【0004】
さらに、液晶素子の応答を高速化するための手段としてはセル厚を薄くすることも非常に有効である。しかしながら、液晶素子においては干渉縞の発生による着色やむらを防止するために、セル厚(d)と屈折率異方性(Δn)の積(Δn・d)をある一定の値(0.5、1.0、1.6、2.2、通常前二者が用いられることが多い)に設定する必要がある。従って、セル厚を薄くするためには屈折率異方性(Δn)の大きい液晶材料が必要である。
【0005】
また、一般に粘性が小さい化合物は液晶性が低いことが多い。そのため、組成物中に充分量添加できない、あるいはその温度補償のため粘性の大きい高温液晶を同時に用いる必要があるなど、その効果が十分発揮できない場合も多い。従って、必ずしも液晶性を示す必要がないにしても、その添加によるネマチック相上限温度(TN-I)の低下度合いの小さいことが望まれる。
【0006】
以上のことから、粘性が小さく、屈折率異方性(Δn)の大きい、かつその添加によるネマチック相上限温度(TN-I)のできるだけ小さい液晶化合物が望まれている。
【0007】
現在、こうした条件を比較的よく備えている低粘性液晶としては、例えば一般式(II)
【0008】
【化2】
【0009】
(式中、Ra及びRbは直鎖状アルキル基を表わす。)
で表わされるジアルキルトラン誘導体をあげることができるが、その特性は決して満足できるものではなくなっている。
【0010】
液晶化合物において、その側鎖基として、アルキル基に換えて二重結合を導入したアルケニル基を用いることにより、上記の効果(粘性の低下、屈折率異方性の増大、TN-Iの上昇)が得られる場合があることが知られている。この知見に基づき、本発明者らはその側鎖にアルケニル基を有する一般式(III)
【0011】
【化3】
【0012】
(式中、Rcはアルキル基、Rdは水素原子又はアルキル基、lは2〜6の整数を表わす。)のトラン誘導体を初めて実際に製造し、予想通り上記効果において一般式(II)のトラン誘導体より優れた特性を有することを報告した。しかしながら、これを用いても、表示品質の向上に伴う液晶材料の粘性低下の要求には充分応え難くなってきており、より優れた減粘剤が望まれている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、以上の目的に応じるため、粘性の低下、屈折率異方性の増大及びTN-Iの上昇等の効果に優れた液晶性化合物としてアルケニルトラン誘導体及びその製造方法を提供し、さらにこれを用いて低粘性で屈折率異方性(Δn)が大きく、さらに液晶温度範囲が広い液晶組成物を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、一般式(I)
【0015】
【化4】
【0016】
(式中、R及びR’はそれぞれ独立的に水素原子あるいは炭素原子数1〜5のアルキル基を表わし、m及びnはそれぞれ独立的に2〜6の整数を表わす。)で表わされるジアルケニルトラン誘導体を提供する。
【0017】
上式において、R及びR’はそれぞれ独立的に水素原子又はメチル基が好ましく、R及びR’が共に水素原子を表わすことがより好ましい。R及び/又はR’がアルキル基を表わす場合には、二重結合の立体配置はトランス(E)が好ましい。m及びnはそれぞれ独立的に2、4又は6の偶数が好ましく、m及びnが共に2であることがより好ましい。
【0018】
一般式(I)においてはそのR、R’、m及びnの選択により多くの化合物を包含しうるわけであるが、それらの中では式(Ia)〜(Ic)
【0019】
【化5】
【0020】
の化合物が好ましく、特に式(Ia)が最も好ましい。
一般式(I)の化合物は以下のようにして製造することができる。
即ち、一般式(IV)
【0021】
【化6】
【0022】
で表わされるアルケニルベンゼン誘導体及び一般式(V)
【0023】
【化7】
【0024】
で表わされる(4−アルケニルフェニル)アセチレン誘導体
(式中、Xは臭素原子、ヨウ素原子、塩素原子、p−トルエンスルホニル基、メタンスルホニル基あるいはトリフルオロメタンスルホニル基等の脱離基を表わすが、臭素原子あるいはヨウ素原子が好ましく、ヨウ素原子が特に好ましい。また、R、m、R’及びnは一般式(I)におけると同じ意味を表わす。)とを遷移金属触媒存在下に反応させることにより容易に製造することができる。
【0025】
遷移金属触媒としてはパラジウム系触媒が好ましく、さらに銅(I)系化合物特にヨウ化銅(I)を併用することが効果的であり好ましい。反応は溶媒中で行われ、溶媒としてジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMA)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等のいわゆる極性溶媒が好ましく、通常トリエチルアミン等のアミン系溶媒を併用する。
【0026】
斯くして製造される本発明の一般式(I)で表わされるジアルケニルトラン誘導体において、代表的な化合物である式(Ia)
【0027】
【化8】
【0028】
はそのTN-Iが43℃であった。これを側鎖の炭素原子数が比較的類似した、先に示した一般式(II)のジアルキルトラン誘導体及び一般式(III)のアルキルアルケニルトラン誘導体と比較すると、例えば、一般式(II)で表わされる式(IIa)
【0029】
【化9】
【0030】
のジアルキルトラン誘導体及び一般式(III)で表わされる式(IIIa)
【0031】
【化10】
【0032】
のアルキルアルケニルトラン誘導体が、共に単独では液晶性を示さないことから、本発明の一般式(I)の化合物は、一般式(II)や一般式(III)の化合物に比べて、著しく改善された液晶性を有することがわかる。
【0033】
この本発明の一般式(I)で表わされる式(Ia)の化合物を、汎用の液晶組成物中に添加することにより得られる優れた効果は以下の通りである。
汎用のホスト液晶組成物(H)
【0034】
【化11】
【0035】
(式中、「%」は『重量%』を表わす。)
70重量%及び式(Ia)の化合物30重量%からなる液晶組成物(M−1)を調製した。ここでホスト液晶(H)の物性値及び電気光学的特性値は以下の通りであった。
【0036】
TN-I: 116.7℃
閾値電圧(Vth): 1.88V
粘度(20℃): 19.8cp
応答時間(τr=τd): 21.5m秒
屈折率異方性(Δn): 0.090
ここで、閾値電圧(Vth)は厚さ4.5μmのTNセルに封入して測定した値であり、粘度は20℃における測定値、応答時間は立ち上がり時間(τr)と立ち下がり時間(τd)が等しくなる電圧印加時の測定値である。
【0037】
これに対して(M−1)の物性値及び電気光学的特性値は以下の通りであった。
TN-I: 92.0℃
閾値電圧(Vth): 2.45V
粘度(20℃): 17.4cp
応答時間(τr=τd): 11.5m秒
屈折率異方性(Δn): 0.146
このようにその粘度はかなり低減され、応答時間も半分以下と大幅に改善されていることがわかる。また屈折率異方性も約1.5倍に増大した。TN-Iは約25℃低下しているが、上述のように式(Ia)の化合物は単独でもネマチック液晶性を示すので、その添加によるTN-Iの低下は後述するようにジアルキルトラン誘導体やアルキルアルケニルトラン誘導体の場合と比較すると小さい。
【0038】
これに対して、前述の式(IIa)のジアルキルトラン誘導体30重量%及びホスト液晶(H)70重量%からなる比較組成物(MR−1)を調製した。この物性値及び電気光学的特性値は以下の通りであった。
【0039】
TN-I: 81.7℃
閾値電圧(Vth): 2.41V
粘度(20℃): 16.3cp
応答時間(τr=τd): 10.5m秒
屈折率異方性(Δn): 0.143
これを(M−1)と比較すると特にそのTN-Iが約10℃も高く、大幅に改善されていることがわかる。
【0040】
次に、前述の式(IIIa)のアルキルアルケニルトラン誘導体30重量%及びホスト液晶(H)70重量%からなる比較組成物(MR−2)を調製した。この物性値及び電気光学的特性値は以下の通りであった。
【0041】
TN-I: 86.0℃
閾値電圧(Vth): 2.42V
粘度(20℃): 15.0cp
応答時間(τr=τd): 9.5m秒
屈折率異方性(Δn): 0.146
従って、(MR−1)と比較するとそのTN-Iは改善されているが、(M−1)にはおよばないことがわかる。
【0042】
以上のように、本発明の一般式(I)で表わされる式(Ia)の化合物は、低粘性で応答性に優れ屈折率異方性が大きくかつネマチック相温度範囲の広い液晶組成物を得る上において、式(IIa)あるいは式(IIIa)の化合物より優れた効果を示すことが明らかである。
【0043】
一般式(I)のジアルケニルトラン誘導体は、他のネマチック液晶化合物との混合物の状態で、TN型あるいはSTN型等の電界効果型表示セル用として、特に低粘性高速応答性の材料として好適に使用することができる。また一般式(I)は分子内に強い極性基を持たないので、大きい比抵抗と高い電圧保持率を得ることが容易であり、アクティブマトリックス駆動用液晶材料の構成成分として使用することも可能である。本発明はこのように一般式(I)で表わされるジアルケニルトラン誘導体の少なくとも1種類をその構成成分として含有する液晶組成物をも提供するものである。
【0044】
この組成物中において、一般式(I)と混合して使用することのできるネマチック液晶化合物の好ましい代表例としては、例えば、4−置換安息香酸4−置換フェニル、4−置換シクロヘキサンカルボン酸4−置換フェニル、4−置換シクロヘキサンカルボン酸4’−置換ビフェニリル、4−(4−置換シクロヘキサンカルボニルオキシ)安息香酸4−置換フェニル、4−(4−置換シクロヘキシル)安息香酸4−置換フェニル、4−(4−置換シクロヘキシル)安息香酸4−置換シクロヘキシル、4,4’−置換ビフェニル、1−(4−置換シクロヘキシル)−4−置換ベンゼン、4,4’−置換ビシクロヘキサン、1−[2−(4−置換シクロヘキシル)エチル]−4−置換ベンゼン、1−(4−置換シクロヘキシル)−2−(4−置換シクロヘキシル)エタン、4,4”−置換ターフェニル、4−(4−置換シクロヘキシル)−4’−置換ビフェニル、4−[2−(4−置換シクロヘキシル)エチル]−4’−置換ビフェニル、4−(4−置換フェニル)−4’−置換ビシクロヘキサン、4−[2−(4−置換シクロヘキシル)エチル]−4’−置換ビフェニル、4−[2−(4−置換シクロヘキシル)エチル]シクロヘキシル−4’−置換ベンゼン、4−[2−(4−置換フェニル)エチル]−4’−置換ビシクロヘキサン、1−(4−置換フェニルエチニル)−4−置換ベンゼン、1−(4−置換フェニルエチニル)−4−(4−置換シクロヘキシル)ベンゼン、2−(4−置換フェニル)−5−置換ピリミジン、2−(4’−置換ビフェニリル)−5−置換ピリミジン及び上記各化合物においてベンゼン環が側方置換基を有する化合物等を挙げることができる。
【0045】
このうちアクティブマトリックス駆動用としては4,4’−置換ビフェニル、1−(4−置換シクロヘキシル)−4−置換ベンゼン、4,4’−置換ビシクロヘキサン、1−[2−(4−置換シクロヘキシル)エチル]−4−置換ベンゼン、1−(4−置換シクロヘキシル)−2−(4−置換シクロヘキシル)エタン、4,4”−置換ターフェニル、4−(4−置換シクロヘキシル)−4’−置換ビフェニル、4−[2−(4−置換シクロヘキシル)エチル]−4’−置換ビフェニル、4−(4−置換フェニル)−4’−置換ビシクロヘキサン、4−[2−(4−置換シクロヘキシル)エチル]−4’−置換ビフェニル、4−[2−(4−置換シクロヘキシル)エチル]シクロヘキシル−4’−置換ベンゼン、4−[2−(4−置換フェニル)エチル]−4’−置換ビシクロヘキサン、1−(4−置換フェニルエチニル)−4−置換ベンゼン、1−(4−置換フェニルエチニル)−4−(4−置換シクロヘキシル)ベンゼン及び上記においてベンゼン環がフッ素置換されている化合物が適している。
【0046】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示し、本発明を更に説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0047】
化合物の構造は、核磁気共鳴スペクトル(NMR)、質量スペクトル(MS)及び赤外吸収スペクトル(IR)により確認した。また、組成物の「%」は『重量%』を表わす。
(参考例1) 4−ヨード−1−(3−ブテニル)ベンゼンの合成
【0048】
【化12】
【0049】
マグネシウム16.4gを乾燥したTHF20mL中に懸濁させ、これに参考例で得られた4−ブロモ−1−(3−ブテニル)ベンゼン150gのTHF600mL溶液を溶媒が穏やかに還流を続ける速度で滴下した。滴下終了後、2時間攪拌し、室温まで放冷した。ヨウ素162gをTHF480mLに溶解し10℃で1時間で滴下した。滴下終了後、1時間攪拌した後、水次いで亜硫酸水素ナトリウム水溶液を加え、トルエンで抽出した。有機層を水、次いで飽和食塩水で洗滌し無水硫酸ナトリウムで乾燥した。溶媒を溜去して得られた粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘキサン)で精製して4−ヨード−1−(3−ブテニル)ベンゼン171gを得た。
(参考例2) 4−エチニル−1−(3−ブテニル)ベンゼンの合成
【0050】
【化13】
【0051】
参考例1で得た4−ヨード−1−(3−ブテニル)ベンゼン86.4g、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)2.35g及びヨウ化銅(I)637mgをDMF120mL及びトリエチルアミン90mLに溶解した。これに30℃以下で2−メチル−3−ブチン−2−オール42.2gのDMF60mL溶液を滴下し、さらに室温で2時間攪拌した。
【0052】
稀塩酸及びトルエンを加え、水層はトルエンで抽出して有機層をあわせ、水、次いで飽和食塩水で洗滌した。無水硫酸水素ナトリウムで脱水乾燥後、減圧下に溶媒を溜去して4−[4−(3−ブテニル)フェニル]−2−メチル−3−ブチン−2−オールの粗生成物73.7gを得た。
【0053】
この全量に水酸化ナトリウム670mgを加え、生成するアセトンを溜去しながら、80℃で2時間攪拌した。減圧下に蒸留(165℃/15mmHg)して4−エチニル−1−(3−ブテニル)ベンゼン39.3gを得た。
(実施例1) ビス[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン(式(Ia)の化合物)の合成
【0054】
【化14】
【0055】
1−(3−ブテニル)−4−ヨードベンゼン8.76gをDMF15ml及びトリエチルアミン5mlに溶解し、ジクロロビストリフェニルホスフィンパラジウム(II)370mg及びヨウ化銅(I)55mgを加えた。4−エチニル−1−(3−ブテニル)ベンゼン5.0gのDMF15ml溶液を内温30℃以下で滴下し、さらに室温で3時間撹拌させた。水及び10%塩酸を加え、水層を分離後、ヘキサンで抽出し、有機層をあわせ、10%塩酸、水次いで飽和食塩水で洗滌した。無水硫酸ナトリウムで脱水乾燥させた後、溶媒を溜去してビス[4−(3−ブテニル)フェニル]エチンの粗結晶9gを得た。これをシリカゲルカラムクロマトグラフィー(ヘキサン)を用いて精製し、さらにエタノールから再結晶させて精製物2.1gを得た。この化合物は等方性液体相からの冷却時43℃以下でネマチック相を示し、その融点は45℃であった。
【0056】
4−エチニル−1−(3−ブテニル)ベンゼンあるいは1−(3−ブテニル)−4−ヨードベンゼンに換えて、他の1−アルケニル−4−エチニルベンゼンあるいは1−アルケニル−4−ハロゲノベンゼンを用いることにより、同様にして以下の化合物を得た。
【0057】
ビス[4−(4−ペンテニル)フェニル]エチン
ビス[4−(5−ヘキセニル)フェニル]エチン(式(Ic)の化合物)
ビス[4−(6−ヘプテニル)フェニル]エチン
ビス[4−(7−オクテニル)フェニル]エチン
ビス[4−(3−ペンテニル)フェニル]エチン
ビス[4−(3−ヘキセニル)フェニル]エチン
ビス[4−(3−ヘプテニル)フェニル]エチン
ビス[4−(3−オクテニル)フェニル]エチン
1−[4−(3−ペンテニル)フェニル]−2−[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン
1−[4−(4−ペンテニル)フェニル]−2−[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン
1−[4−(3−ヘキセニル)フェニル]−2−[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン
1−[4−(4−ヘキセニル)フェニル]−2−[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン
1−[4−(5−ヘキセニル)フェニル]−2−[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン(式(Ib)の化合物)
1−[4−(3−ヘプテニル)フェニル]−2−[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン
1−[4−(4−ヘプテニル)フェニル]−2−[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン
1−[4−(5−ヘプテニル)フェニル]−2−[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン
1−[4−(6−ヘプテニル)フェニル]−2−[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン
1−[4−(3−オクテニル)フェニル]−2−[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン
1−[4−(7−オクテニル)フェニル]−2−[4−(3−ブテニル)フェニル]エチン
(実施例2) 液晶組成物の調製
汎用のホスト液晶(H)
【0058】
【化15】
【0059】
を調製した。このホスト液晶(H)は116.7℃以下でネマチック相を示し、その融点は11℃であった。この組成物の20℃における粘度、これを用いて作成したセル厚4.5μmのTNセルの閾値電圧(Vth)、そのときの応答時間及び屈折率異方性(Δn)は以下の通りであった。
【0060】
閾値電圧(Vth): 1.88V
粘度(20℃): 19.8cp
応答時間(τr=τd): 21.5m秒
屈折率異方性(Δn): 0.090
ここで、応答時間は立ち上がり時間(τr)と立ち下がり時間(τd)が等しくなる電圧印加時の測定値である。
【0061】
次にこのホスト液晶(H)70重量%及び本発明の化合物である式(Ia)
【0062】
【化16】
【0063】
の化合物30重量%からなる液晶組成物(M−1)を調製した。この組成物の物性値及び電気光学的特性は以下の通りであった。
TN-I: 92.0℃
閾値電圧(Vth): 2.45V
粘度(20℃): 17.4cp
応答時間(τr=τd): 11.5m秒
屈折率異方性(Δn): 0.146
このようにその粘度はかなり低減され、応答時間が半分以下と大幅に改善されていることがわかる。また屈折率異方性も約1.5倍に増大した。TN-Iは約25℃低下しているが、上述のように式(Ia)の化合物は単独でもネマチック液晶性を示すので、その添加によるのTN-Iの低下は後述するようにジアルキルトラン誘導体やアルキルアルケニルトラン誘導体の場合と比較すると小さい。
(比較例1)
これに対して、一般式(Ia)と同様にトラン骨格を有するが、両側鎖が共に直鎖状アルキル基である式(IIa)
【0064】
【化17】
【0065】
の化合物30重量%及びホスト液晶(H)70重量%からなる比較組成物(MR−1)を調製した。同様にして測定したこの組成物の物性値は以下の通りであった。
【0066】
TN-I: 81.7℃
閾値電圧(Vth): 2.41V
粘度(20℃): 16.3cp
応答時間(τr=τd): 10.5m秒
屈折率異方性(Δn): 0.143
このように(MR−1)のネマチック相上限温度は(M−1)より約10゜も低くなってしまった。従って、本発明の一般式(I)で表わされる式(Ia)の化合物は、低粘性で屈折率異方性が大きく高速応答性に優れた液晶組成物であって、かつTN-Iが高く温度範囲の広い液晶材料を調製する上において、式(IIa)の化合物よりかなり優れていることがわかる。
(比較例2)
次に、一般式(Ia)と同様にトラン骨格を有するが、アルキルアルケニル誘導体である式(IIIa)
【0067】
【化18】
【0068】
の化合物30重量%及びホスト液晶(H)70重量%からなる比較組成物(MR−2)を調製した。
同様にして測定したこの組成物の物性値は以下の通りであった。
【0069】
TN-I: 86.0℃
閾値電圧(Vth): 2.42V
粘度(20℃): 15.0cp
応答時間(τr=τd): 9.5m秒
屈折率異方性(Δn): 0.146
従って、(MR−1)と比較するとそのTN-Iは改善されているが、(M−1)にはおよばないことが明らかである。
【0070】
以上のように、本発明の一般式(I)で表わされる式(Ia)の化合物は、低粘性で屈折率異方性が大きく高速応答性に優れた液晶組成物であって、かつTN-Iが高く温度範囲の広い液晶材料を調製する上において、本発明の化合物と類似構造を有する式(IIa)あるいは式(IIIa)の化合物よりかなり優れていることが理解できる。
【0071】
【発明の効果】
本発明により提供される、ジアルケニルトラン誘導体は、実施例にも示したように工業的にも容易に製造することができる。得られたジアルケニルトラン誘導体は、従来用いらている同様あるいは類似骨格を有する減粘性液晶性化合物と比較して、ネマチック相上限温度の低下度合いが少なく、その減粘効果及び応答性の改善効果にも優れるため、それ含有する液晶組成物は実用的液晶として特に高速応答を必要とする液晶表示用として極めて有用である。
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