DE4408170A1 - Neue polymerisierbare flüssigkristalline Verbindungen - Google Patents
Neue polymerisierbare flüssigkristalline VerbindungenInfo
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Description
Wie für formanisotrope Medien bekannt, können beim Erwärmen
flüssigkristalline Phasen, sogenannte Mesophasen, auftreten. Die
einzelnen Phasen unterscheiden sich durch die räumliche Anordnung
der Molekülschwerpunkte einerseits sowie durch die Molekülanord
nung hinsichtlich der Längsachsen andererseits (G.W. Gray,
P. A. Winsor, Liquid Crystals and Plastic Crystals, Ellis Horwood
Limited, Chichester 1974). Die nematisch flüssigkristalline Phase
zeichnet sich dadurch aus, daß lediglich eine Orientierungsfern
ordnung durch Parallellagerung der Moleküllängsachsen existiert.
Unter der Voraussetzung, daß die die nematische Phase aufbauenden
Moleküle chiral sind, entsteht eine sogenannte cholesterische
Phase, bei der die Längsachsen der Moleküle eine zu ihnen senk
rechte, helixartige Überstruktur ausbilden (H. Baessler, Fest
körperprobleme XI, 1971). Der chirale Molekülteil kann sowohl
im flüssigkristallinen Molekül selbst vorhanden sein als auch
als Dotierstoff zur nematischen Phase gegeben werden, wobei die
cholesterische Phase induziert wird. Dieses Phänomen wurde zuerst
an Cholesterolderivaten untersucht (z. B. H. Baessler, M.M. Labes,
J. Chem. Phys., 52, 631 (1970); H. Baessler, T.M. Laronge,
M. M. Labes, J. Chem. Phys., 51, 799 (1969); H. Finkelmann,
H. Stegemeyer, Z. Naturforschg. 28a, 799 (1973); H. Stegemeyer,
K.J. Mainusch, Naturwiss., 58, 599 (1971), H. Finkelmann,
H. Stegemeyer, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 78, 869 (1974)).
Die cholesterische Phase hat bemerkenswerte optische Eigen
schaften: eine hohe optische Rotation sowie einen ausgeprägten
Zirkulardichroismus, der durch Selektivreflexion von zirkular
polarisiertem Licht innerhalb der cholesterischen Schicht ent
steht. Die je nach Blickwinkel unterschiedlich erscheinenden
Farben sind abhängig von der Ganghöhe der helixartigen Über
struktur, die ihrerseits vom Verdrillungsvermögen der chiralen
Komponente abhängt. Dabei kann insbesondere durch Änderung der
Konzentration eines chiralen Dotierstoffes die Ganghöhe und damit
der Wellenlängenbereich des selektiv reflektierten Lichtes einer
cholesterischen Schicht variiert werden. Solche cholesterischen
Systeme bieten für eine praktische Anwendung interessante
Möglichkeiten. So kann durch Einbau chiraler Molekülteile in
mesogene Acrylsäureester und Orientierung in der cholesterischen
Phase, z. B. nach der Photovernetzung, ein stabiles, farbiges
Netzwerk hergestellt werden, dessen Konzentration an chiraler
Komponente dann aber nicht mehr verändert werden kann (G. Galli,
M. Laus, A. Angelon, Makromol. Chemie, 187, 289 (1986)). Durch
Zumischen von nichtvernetzbaren chiralen Verbindungen zu nemati
schen Acrylsäureestern kann durch Photovernetzung ein farbiges
Polymer hergestellt werden, welches noch hohe Anteile löslicher
Komponenten enthält (I. Heyndricks, D.J. Broer, Mol. Cryst. Liq.
Cryst. 203, 113 (1991)). Weiterhin kann durch statistische Hydro
silylierung von Gemischen aus Cholesterolderivaten und acrylat
haltigen Mesogenen mit definierten zyklischen Siloxanen und
anschließende Photopolymerisation ein cholesterisches Netzwerk
gewonnen werden, bei dem die chirale Komponente einen Anteil von
bis zu 50% an dem eingesetzten Material haben kann; diese Poly
merisate enthalten jedoch noch deutliche Mengen löslicher Anteile
(F.H. Kreuzer, R. Maurer, Ch. Müller-Rees, J. Stohrer, Vortrag
Nr. 7, 22. Freiburger Arbeitstagung Flüssigkristalle, Freiburg,
1993).
In der Anmeldung DE-OS-35 35 547 wird ein Verfahren beschrieben,
bei dem eine Mischung cholesterolhaltiger Monoacrylate über eine
Photovernetzung zu cholesterischen Schichten verarbeitet werden
kann. Allerdings beträgt der Gesamtanteil der chiralen Komponente
in der Mischung ca. 94%. Als reines Seitenkettenpolymer ist ein
solches Material zwar mechanisch nicht sehr stabil, eine Erhöhung
der Stabilität kann aber durch hochvernetzende Verdünnungsmittel
erreicht werden.
Neben oben beschriebenen nematischen und cholesterischen Netz
werken sind auch smektische Netzwerke bekannt, welche ins
besondere durch Photopolymerisation/Photovernetzung von smektisch
flüssigkristallinen Materialien in der smektisch flüssig
kristallinen Phase hergestellt werden. Die hierfür verwendeten
Materialien sind in der Regel symmetrische, flüssigkristalline
Bisacrylate, wie sie z. B. D.J. Broer und R.A.M. Hikmet, Makromol.
Chem., 190, 3201-3215 (1989) beschrieben haben. Diese Materialien
weisen aber sehr hohe Klärtemperaturen von < 120°C auf, so daß
die Gefahr einer thermischen Polymerisation gegeben ist. Durch
Zumischen chiraler Materialien können beim Vorliegen einer
Sc-Phase piezoelektrische Eigenschaften erzielt werden
(R.A.M. Hikmet, Macromolecules 25, S. 5759, 1992).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Herstellung neuer
polymerisierbarer nematisch flüssigkristalliner Materialien,
die allein oder in Mischungen mit anderen polymerisierbaren
nematischen Flüssigkristallen breite nematische Phasenbereiche
und Klärtemperaturen unterhalb 120°C aufweisen oder induzieren und
die unterhalb von 120°C verarbeitet werden können.
Die Erfindung betrifft daher polymerisierbare, flüssigkristalline
Verbindungen der allgemeinen Formel I
in der die Reste
Z unabhängig voneinander eine polymerisierbare Gruppe der Struktur CH₂=CCl-, CH₂=C(CH₃)- oder Styryl,
Y unabhängig voneinander eine direkte Bindung, -O-, -COO-, -OCO- oder -S-,
A unabhängig voneinander einen Spacer mit 5 bis 30 C-Atomen, in denen jedes dritte C-Atom durch O, S, NH, N(CH₃) oder COO ersetzt sein kann und
R¹, R² und R³ unabhängig voneinander Wasserstoff, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, C₁- bis C₂₀-Alkoxy carbonyl, C₁- bis C₂₀-Monoalkylaminocarbonyl, Formyl, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbonyl, Fluor, Chlor, Brom, Cyan, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbonyloxy, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbo nylamino, Hydroxy oder Nitro bedeuten.
Z unabhängig voneinander eine polymerisierbare Gruppe der Struktur CH₂=CCl-, CH₂=C(CH₃)- oder Styryl,
Y unabhängig voneinander eine direkte Bindung, -O-, -COO-, -OCO- oder -S-,
A unabhängig voneinander einen Spacer mit 5 bis 30 C-Atomen, in denen jedes dritte C-Atom durch O, S, NH, N(CH₃) oder COO ersetzt sein kann und
R¹, R² und R³ unabhängig voneinander Wasserstoff, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, C₁- bis C₂₀-Alkoxy carbonyl, C₁- bis C₂₀-Monoalkylaminocarbonyl, Formyl, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbonyl, Fluor, Chlor, Brom, Cyan, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbonyloxy, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbo nylamino, Hydroxy oder Nitro bedeuten.
Die Polymerisation der Gruppen Z wird vorzugsweise photochemisch
initiiert. Bevorzugt sind für Z CH₂=CCl- und CH₂=C(CH₃)-.
Für Y sind neben einer direkten Bindung insbesondere Ether- und
Estergruppen zu nennen.
Als Spacer A können alle für diesen Zweck bekannten Gruppen
verwendet werden. Üblicherweise sind die Spacer über Ester- oder
Ethergruppen oder eine direkte Bindung mit Z verknüpft.
Die Spacer enthalten in der Regel 5 bis 30, vorzugsweise 5 bis
12 C-Atome und können in der Kette z. B. durch O, S, NH oder NCH₃
unterbrochen sein. Als Substituenten für die Spacer
kette kommen dabei noch Fluor, Chlor, Brom, Cyan, Methyl oder
Ethyl in Betracht. Repräsentative Spacer sind beispielsweise
(CH₂)p, (CH₂CH₂O)qCH₂CH₂, (CH₂CH₂S)qCH₂CH₂, (CH₂CH₂NH)qCH₂CH₂,
wobei q 1 bis 3 und
p 5 bis 20, vorzugsweise 5 bis 12, sind.
p 5 bis 20, vorzugsweise 5 bis 12, sind.
Die Substituenten R¹, R² und R³ können Wasserstoff oder die ange
gebenen Reste sein. Bevorzugt sind solche Reste, die die Ausbil
dung von smektischen Phasen unterdrücken und die von nematischen
Phasen fördern. Vorzugsweise ist einer der R-Reste Wasserstoff.
Von den genannten Substituenten sind Chlor, Brom, Cyan, Fluor,
Hydroxy, Methyl, Ethyl, Methoxy, Ethoxy, Methoxycarbonyl, Formyl,
Acetyl und Acetoxy sowie längerkettige mit ≧8 C-Atomen bevor
zugt.
Die Herstellung der Verbindungen der Formel I erfolgt nach an
sich bekannten Methoden. Einzelheiten zur Herstellung können den
Beispielen entnommen werden, in denen sich Angaben über Teile und
Prozente, sofern nicht anders vermerkt, auf das Gewicht beziehen.
Die Verbindungen der Formel I sind flüssigkristallin und können
in Abhängigkeit von der Struktur smektische oder nematische
Phasen ausbilden. Sie sind für alle Zwecke geeignet, bei denen
man üblicherweise flüssigkristalline Verbindungen verwendet.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen weisen allein, in Mischungen
untereinander oder gemischt mit anderen flüssigkristallinen
Verbindungen Phasenstrukturen wie niedermolekulare Flüssigkri
stalle auf, lassen sich jedoch durch radikalische oder ionische
Polymerisationsverfahren, welche durch eine photochemische Reak
tion gestartet werden können, in hochvernetzte Polymere mit ein
gefrorener flüssigkristalliner Ordnungsstruktur überführen.
Zur Einstellung gewünschter Eigenschaften kann es zweckmäßig
sein, Mischungen von Verbindungen der Formel I oder Mischungen
mit anderen Flüssigkristallen oder auch nicht flüssigkristallinen
Verbindungen zu verwenden.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen eignen sich insbesondere als
Orientierungsschichten für flüssigkristalline Materialien, als
photovernetzbare Kleber, als Monomere zur Herstellung flüssig
kristalliner Netzwerke, als Basismaterial zur Herstellung von
chiral dotierbaren polymerisierbaren Flüssigkristallsystemen, als
polymerisierbare Matrixmonomere für polymer dispergierte Displays
oder als Basismaterial für polymerisierbare, flüssigkristalline
Materialien für optische Bauelemente, wie Polarisatoren, Ver
zögerungsplatten oder Linsen. Sie sind weiterhin Ausgangs
materialien zur Herstellung flüssigkristallin geordneter Farb
mittel.
Die Schmelztemperaturen wurden polarisationsmikroskopisch aufge
nommen. Die Temperaturkontrolle erfolgte in einem Mettler Mikro
skopheiztisch FP80/82.
Im folgenden bedeuten die Abkürzungen
k kristalline Phase
n nematische Phase
i isotrope Phase.
n nematische Phase
i isotrope Phase.
Herstellung von
166 g (1 mol) 4-Hydroxybenzoesäureethylester werden in 400 ml
DMF gelöst. Zu dieser Lösung werden 150 g Kaliumcarbonat, 6 g
Kaliumjodid und 150 g 1-Chlor-6-hydroxyhexan gegeben, danach
wird 5 h bei 80 bis 90°C gerührt. Der Fortgang der Reaktion
wird dünnschichtchromatografisch verfolgt. Nach vollständigem
Umsatz wird das Reaktionsgemisch in 2 l Wasser eingerührt,
das ausgefallene Produkt abgesaugt und mit Wasser gewaschen.
Zur Reinigung wird aus ca. 2,5 l Cyclohexan umkristallisiert.
Ausbeute: 201 g (75,5% d.Th.)
Ausbeute: 201 g (75,5% d.Th.)
199 g (0,75 mol) 4-(ω-Hydroxyhexyloxy)-benzoesäureethylester
und 56 g (1 mol) Kaliumhydroxid werden in 1 l Ethanol gelöst
und 4 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Zur Aufarbeitung wird
das Reaktionsgemisch mit konzentrierter Salzsäure angesäuert
und der ausgefallene Feststoff abfiltriert, mit Wasser gewa
schen und getrocknet. Anschließend wird aus Toluol/Ethanol
(4/1) umkristallisiert.
Ausbeute: 165 g ( 92% d.Th.).
Ausbeute: 165 g ( 92% d.Th.).
160 g (0,67 mol) 4-(ω-Hydroxyhexyloxy)-benzoesäure, 108 g
(1,5 mol) Acrylsäure und 5 g Paratoluolsulfonsäure werden in
900 ml Toluol gelöst und bis zur Beendigung der Wasser
abscheidung zum Rückfluß erhitzt. Zur Aufarbeitung wird das
Reaktionsgemisch auf Wasser gegeben, der ausgefallene Fest
stoff abfiltriert und mit Wasser von Acrylsäure frei gewa
schen, anschließend getrocknet, und aus Ethanol um
kristallisiert.
Ausbeute: 182 g ( 92% d.Th.).
Ausbeute: 182 g ( 92% d.Th.).
180 g 4-(ω-Acryloxyhexyloxy)-benzoesäure werden in 700 ml
Oxalylchlorid gelöst und mit 1 ml Dimethylformamid versetzt.
Die Reaktionsmischung wird dann über Nacht bei Raumtemperatur
gerührt und danach zunächst unter Wasserstrahlvakuum und an
schließend unter Ölpumpenvakuum bei Raumtemperatur eingeengt.
Ausbeute: 189 g.
Ausbeute: 189 g.
In 100 ml Pyridin werden 11,4 g (0,1 mol) Hydrochinon gelöst.
Bei Raumtempertur wird langsam eine Lösung von 72,2 g
(0,21 mol) 4-(ω-Chloracryloxyhexoxy)-benzoesäurechlorid in
100 ml Toluol zugetropft. Nach vollständiger Zugabe wird die
Reaktionsmischung auf 60°C erhitzt und bei dieser Temperatur
4 h gerührt. Der Fortgang der Reaktion wird dünnschichtchro
matografisch verfolgt. Nach Beendigung der Reaktion wird wie
üblich aufgearbeitet.
Ausbeute: 54,1 g ( 82% d.Th.)
Phasenverhalten: k 86 n 104 i.
Ausbeute: 54,1 g ( 82% d.Th.)
Phasenverhalten: k 86 n 104 i.
Claims (8)
1. Polymerisierbare, flüssigkristalline Verbindungen der allge
meinen Formel I
in der die Reste
Z unabhängig voneinander eine polymerisierbare Gruppe der Struktur CH₂=CCl-, CH₂=C (CH₃)- oder Styryl,
Y unabhängig voneinander eine direkte Bindung, -O-, -COO-, -OCO- oder -S-,
A unabhängig voneinander einen Spacer mit 5 bis 30 C-Atomen, in denen jedes dritte C-Atom durch O, S, NH, N(CH₃) oder COO ersetzt sein kann und
R¹,R² und R³ unabhängig voneinander Wasserstoff, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, C₁- bis C₂₀-Alkoxy carbonyl, C₁- bis C₂₀-Monoalkylaminocarbonyl, Formyl, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbonyl, Fluor, Chlor, Brom, Cyan, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbonyloxy, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbonylamino, Hydroxy oder Nitro bedeu ten.
Z unabhängig voneinander eine polymerisierbare Gruppe der Struktur CH₂=CCl-, CH₂=C (CH₃)- oder Styryl,
Y unabhängig voneinander eine direkte Bindung, -O-, -COO-, -OCO- oder -S-,
A unabhängig voneinander einen Spacer mit 5 bis 30 C-Atomen, in denen jedes dritte C-Atom durch O, S, NH, N(CH₃) oder COO ersetzt sein kann und
R¹,R² und R³ unabhängig voneinander Wasserstoff, C₁- bis C₂₀-Alkyl, C₁- bis C₂₀-Alkoxy, C₁- bis C₂₀-Alkoxy carbonyl, C₁- bis C₂₀-Monoalkylaminocarbonyl, Formyl, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbonyl, Fluor, Chlor, Brom, Cyan, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbonyloxy, C₁- bis C₂₀-Alkylcarbonylamino, Hydroxy oder Nitro bedeu ten.
2. Polymerisierbare flüssigkristalline Verbindungen gemäß An
spruch 1, bei denen die Reste Y unabhängig voneinander eine
direkte Bindung, -O-, -COO- oder -OCO- sind.
3. Polymerisierbare flüssigkristalline Verbindungen gemäß An
spruch 1, bei denen die Reste A unabhängig voneinander gege
benenfalls durch Ethersauerstoff oder Estergruppen unterbro
chenes C₅- bis C₂₀-Alkylen sind, wobei die Sauerstoffatome
oder Estergruppen in der Kette dritte C-Atome ersetzen kön
nen.
4. Polymerisierbare flüssigkristalline Verbindungen gemäß An
spruch 1, bei denen R¹, R² und R³ unabhängig voneinander Was
serstoff, C₁ bis C₁₅-Alkyl, C₁- bis C₁₅-Alkoxy, C₁- bis
C₁₅-Alkoxycarbonyl, C₁- bis C₁₅-Monoalkylaminocarbonyl,
Formyl, C₁- bis C₁₅-Alkylcarbonyl, Fluor, Chlor, Brom, Cyan,
C₁- bis C₁₅-Alkylcarbonyloxy, C₁- bis C₁₅-Alkylcarbonylamino,
Hydroxy oder Nitro bedeuten.
5. Polymerisierbare flüssigkristalline Verbindungen gemäß An
spruch 4, bei denen R¹, R² und R³ unabhängig voneinander Was
serstoff, Methyl, Ethyl, C₈ bis C₁₅-Alkyl, Methoxy, Ethoxy,
C₈- bis C₁₅-Alkoxy, Methoxycarbonyl, Ethoxycarbonyl, C₈- bis
C₁₅-Alkoxycarbonyl, Formyl, Acetyl, C₈- bis C₁₅-Alkylcarbonyl,
Fluor, Chlor, Brom, Cyan, Acetoxy, Hydroxy oder Nitro sind.
6. Polymerisierbare flüssigkristalline Verbindungen gemäß An
spruch 5, bei denen R¹, R² und R³ unabhängig voneinander Was
serstoff, Methyl, Ethyl, Methoxy, Ethoxy, Methoxycarbonyl,
Formyl, Acetyl, Fluor, Chlor, Brom, Cyan, Acetoxy, Hydroxy
oder Nitro sind.
7. Verwendung der Verbindungen gemäß Anspruch 1 bis 6 als Orien
tierungsschichten für flüssigkristalline Materialien, als
photovernetzbare Kleber, als Monomere zur Herstellung
flüssigkristalliner Polymere, als Basismaterial zur Herstel
lung von chiral dotierbaren polymerisierbaren Flüssig
kristallsystemen, als polymerisierbare Matrixmonomere für
polymer dispergierte Displays oder als Basismaterial für po
lymerisierbare, flüssigkristalline Materialien für optische
Bauelemente.
8. Verwendung der Verbindungen gemäß Anspruch 1 bis 6 zur Her
stellung cholesterisch flüssigkristallin geordneter Farb
mittel.
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|---|---|---|---|
| DE19944408170 DE4408170A1 (de) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | Neue polymerisierbare flüssigkristalline Verbindungen |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19944408170 DE4408170A1 (de) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | Neue polymerisierbare flüssigkristalline Verbindungen |
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|---|---|
| DE4408170A1 true DE4408170A1 (de) | 1995-09-14 |
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ID=6512462
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|---|---|---|---|
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