液晶材料的合成及其應用

姓 名 蔣蘭 學 號 專 業(yè) 化 學 年級、班級 09化教4班 課程名稱 綜合化學實驗 實驗項目 液晶材料的合成及其應用試驗時間 2013年4月9、10日 課程密碼 87627 實驗指導老師 汪朝陽 實驗評分 1 前言1.1 實驗目的了解液晶材料的結(jié)構(gòu)特點、制備方法與應用。掌握DCC法合成膽固醇丙酸（苯甲酸）酯液晶材料的操作技術。學會通過紫外光譜等手段來分析鑒定核酸的純度。1.2 液晶概述1.21 什么是液晶在不同的溫度和壓強下物體可以處于氣相、液相和固相三種不同的狀態(tài)。其中液體具有流動性。它的物理性質(zhì)是各向同性的，沒有方向上的差別。固體（晶體）則不然，它具有固定的形狀。構(gòu)成固體的分子或原子在固體中具有規(guī)則排列的特征，形成所謂晶體點陣。晶體最顯著的一個特點就是各向異性。由于晶體點陣的結(jié)構(gòu)在不同的方向并不相同，因此晶體內(nèi)不同方向上的物理性質(zhì)也就不同。而液晶，因為它具有強烈的各向異性物理特征，同時又像普通流體那樣具有流動性，處于固相和液相之間，所以它是物體的一種不同于以上三種物相的特殊狀態(tài)。由于液晶相處于固相和液相之間，因此液晶相(mesophase)又稱為中介相（介晶相），而液晶也稱為中介物(mesogen)。1.22 液晶的發(fā)現(xiàn)液晶的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1888年。據(jù)資料記載，液晶是在1888 年由奧地利的植物學家萊尼茨爾（F.Reinitzer）發(fā)現(xiàn)的。他注意到，把膽固醇苯甲酸酯晶體加熱到145.5，晶體會熔化成為混濁粘稠的液體，145.5就是它的熔點。繼續(xù)加熱，當溫度上升至178.5時，這混濁的液體會突然變成清亮的液體。開始他以為這是由于所用晶體中含有雜志引起的現(xiàn)象。但是，經(jīng)過多次的提純工作，這種現(xiàn)象仍然不變；而且這種過程是可逆的。第二年，德國物理學家萊曼（OLehmann）發(fā)現(xiàn)，許多有機物都可以出現(xiàn)這種情況。在這種狀態(tài)下，這些物質(zhì)的機械性能與各向同性液體相似，但它們的光學特性卻與晶體相似，是各向異性的。這就是說，這時的物質(zhì)具有強烈的各向異性物理特征，同時又像普通流體那樣具有流動性。萊曼稱之為液晶（Liquid crystal)。1.23 液晶的分類眾所周知，物質(zhì)一般有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種聚集狀態(tài)。其實，還有等離子態(tài)、無定形固態(tài)、超導態(tài)、中子態(tài)、液晶態(tài)等其他聚集態(tài)結(jié)構(gòu)形式。如果一個物質(zhì)已部分或全部地喪失了其結(jié)構(gòu)上的平移有序性，而還保留取向有序性，它即處于液晶態(tài)。根據(jù)液晶分子在空間排列的有序性不同，液晶相可分為向列型、近晶型、膽甾型和蝶型液晶態(tài)四類。根據(jù)液晶相形成的條件不同，可分為熱致液晶、溶致液晶和場致液晶。此外，還可根據(jù)液晶分子的大小來分，分為小分子液晶和高分子液晶。1.24 液晶高聚物的應用顯示和記錄材料液晶高分子作為顯示和記錄材料往往與其分子結(jié)構(gòu)和狀態(tài)變化聯(lián)系在一起，如玻璃化轉(zhuǎn)變、分子互變異構(gòu)、順反異構(gòu)、開環(huán)閉環(huán)反應、二聚或氧化還原反應。利用液晶的相態(tài)變化的顯示和記錄方式稱為熱感式紀錄;利用光化學反應原理實現(xiàn)顯示和記錄方式稱為光感式紀錄。液晶高聚物具有較高的玻璃化溫度,可使之在室溫下保存一定工作條件下紀錄的信息,用作高分子液晶顯示材料。羅朝暉等合成出一種含膽甾側(cè)基的環(huán)狀聚硅氧烷高聚物液晶,并用該液晶作為可擦存儲器的記錄材料,在記錄和刪除時無需外加電場,只需要一個簡單的加熱冷卻循環(huán)即可實現(xiàn),記錄的信息在玻璃態(tài)下可保存6個月不衰退。Ikeda合成出了一種側(cè)鏈僅含有偶氮液晶基元的均聚物,利用偶氮雙鍵異構(gòu)引起的相轉(zhuǎn)變實現(xiàn)了光紀錄。該聚合物信息儲存的光記錄方法是通過其液晶態(tài)向列相在強偏振激光的照射下,受照射的局部區(qū)域吸熱升溫至液晶相轉(zhuǎn)變溫度。同時偶氮基團發(fā)生順反異構(gòu)化由棒狀的反式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢捻樖浇Y(jié)構(gòu),從而對周圍的液晶相產(chǎn)生擾動,使其由各向異性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲?。光源移走后受照射區(qū)域冷至玻璃化溫度以下,所記錄的信息就被凍結(jié)起來。由于偶氮苯基團具有很好的抗疲勞性,因此可以實現(xiàn)信息的反復重復擦寫。其他方面的應用液晶高聚物除在以上各方面得到廣泛應用以外，還被用于制備高強度高模量的有機纖維, 如Kevlar纖維；色譜分離柱中的色譜固定液；鐵電性液晶高分子材料；功能液晶分子膜等。1.3 文獻綜述：膽固醇酯類液晶為熱致膽甾型液晶，其在一定條件下，會隨溫度、磁場、電場、機械應力、氣體濃度的變化，而發(fā)生色彩的變化，可用于制作液晶溫度計、氣敏元件等，同時還可用于無損探傷、微波測量等。膽固醇酯類化合物可有羧酸與醇直接酯化反應制得，但傳統(tǒng)的試驗方法產(chǎn)率較低，因此本實驗采用DCC法合成膽固醇丙酸酯。在實驗室采用DCC法合成膽固醇丙酸酯。2 實驗部分2.1 實驗原理用DCC脫水法合成膽固醇丙酸酯，反應式如下：本法用二氯甲烷為溶劑，二環(huán)己基碳二亞胺（DCC）為脫水劑，4-二甲基胺基吡啶為催化劑制備膽固醇丙酸酯。2.2 儀器與藥品實驗儀器有機合成實驗玻璃儀器一套（含蒸餾、抽濾設備）、磁力攪拌器、薄層檢測用熒光儀、水泵、熔點測定儀實驗試劑膽固醇、有機堿4-二甲胺基吡啶、丙酸、二環(huán)己基碳二亞胺（DCC）、二氯甲烷、石油醚（3060）、乙醚、薄層檢測用硅膠GF254、無水乙醇、HCl溶液（1mol/L）、NaOH溶液（1mol/L）、蒸餾水、無水MgSO4等。2.3 實驗步驟與現(xiàn)象 加料：在干燥的帶有磁力攪拌子與干燥管的250ml圓底燒瓶中，加入膽固醇（1.93g, 0.0049mol）、脫水劑二環(huán)己基碳二亞胺（1. 24g, 0.0056mol）、丙酸（0.37mL, 0.0056mol）、催化劑N,N-二甲基苯胺（0.15mL, 0.0012mol）、溶劑二氯甲烷（100mL），在18下攪拌回流23h。實驗現(xiàn)象：攪拌中伴隨著白色沉淀完成，攪拌結(jié)束時溶液中有白色沉淀 反應監(jiān)測：攪拌下反應23h后，以體積比為30份石油醚和1份乙醚混合液為展開劑，薄層檢測反應終點 通過觀察以上的展開版推測反應已經(jīng)完全。 后處理：檢測反應終點后，進行抽濾。除去未反應完全的二環(huán)己基碳二亞胺和生成的酰脲。用HCl溶液（1mol/L）、NaOH溶液（1mol/L）、蒸餾水各30mL于分液漏斗中洗滌濾液。然后再錐形瓶中用MgSO4干燥。實驗現(xiàn)象：棄去白色濾渣，取無色澄清濾液。依次洗滌后靜置分層，取下層反應物。干燥時加入CaCl2后震蕩，直到CaCl2連結(jié)成塊并且不隨液體晃動時過濾，取濾液。 將步驟3中所得的反應物轉(zhuǎn)入圓底燒瓶中，加入磁子，搭建蒸餾反應裝置。通冷凝水，調(diào)節(jié)加熱器溫度為65。待溶劑二氯甲烷完全去除后，加入無水乙醇（4ml），加裝冷凝回流管，進行重結(jié)晶。抽濾，干燥，得到白色塊狀晶體。實驗現(xiàn)象：除去二氯甲烷后，燒瓶底部凝結(jié)白色塊狀固體，通過重結(jié)晶后有白色針狀固體析出。 產(chǎn)物鑒定：稱量，計算年產(chǎn)率，測熔點3 結(jié)果與討論 薄層檢測Rf值為0.718，理論Rf值為0.70，說明我們產(chǎn)物純度還是較高的。 蒸餾后得到黃色油狀粗產(chǎn)品，當重結(jié)晶、抽濾干燥后，得到大量白色針狀晶體 最終得到產(chǎn)物1.5g，理論產(chǎn)量為2.21g，產(chǎn)率為67.9% 制得產(chǎn)物后測定熔點，白色結(jié)晶于110開始少量溶解，在114完全溶解。經(jīng)查理論熔點是102，實測值與理論值有些許偏差，說明我們制得膽固醇苯甲酸酯含有雜質(zhì)，但純度還是較好。 通過本實驗我們知道要使產(chǎn)物析出好晶型，一是加入溶劑不能過多，提高產(chǎn)物析出產(chǎn)率。另外可以在結(jié)晶停止時，停止加熱，但是不把反應裝置移出浴鍋外，讓反應瓶內(nèi)的溶液隨著浴鍋的降溫而降溫。此過程耗時較長，但是有利于晶體的成長。因為當結(jié)晶速度足夠慢時，可以保證分子鏈的規(guī)整排列和堆砌。至于膽固醇丙酸酯的熔點測定，文獻值為102。而測定結(jié)果為110114。這與產(chǎn)品的純度及測定熔點時儀器的升溫速度有關。在測定過程中明顯觀察到產(chǎn)物的融化過程，產(chǎn)物中混有乙醇溶液，在顯微鏡觀測下，可見透明帶棱狀晶體，在液滴中浸泡。加熱一段時間后，晶體開始溶解，但是同時，乙醇對于晶體也有促進溶解作用。本次實驗制得產(chǎn)物，只是粗略測定熔點來鑒定產(chǎn)物。限于實驗室條件，并沒有進行材料性能測試。參考文獻：1 汪朝陽.液晶材料.化工時刊，2002，16（11）：252 吳大誠，謝新光，徐建軍.高分子液晶.成都：四川教育出版社，19883 李維諟，郭 強.液晶顯示應用技術.北京：電子工業(yè)出版社，20004 何天白，胡漢杰.功能高分子與新技術.北京：化學工業(yè)出版社，2001:2425 吳奕光，陳榮禮，司徒丘山.深圳大學學報（理工版），1997,14（4）：64-676 Weber N,Weitkamp P,Mukherjee K D.Thermamyoes lanuginosuslipaee-catalyzed transesterification of ster by methyl deeteJ.European Journal o