反應性液晶中間體(AHBA)的合成探討

1、分類號：O635.1    西安文理學院學士學位論文反應性液晶中間體（AHBA）的合成探討 系 院 名 稱 化學與化學工程學院 指 導 老 師 高嬡嬡 石 奇 學 生 姓 名 王 燕 茹 學 生 學 號 09104100234 專 業(yè)、班 級 化學工程與工藝2班 提 交 時 間 二零一四年五月 西安文理學院教務處 制目 錄1前 言21.1液晶材料的發(fā)展歷史21.2液晶材料的分類21.3幾種重要的液晶材料中間體31.4 本課題研究的目的與意義32 4-（6-（丙烯酰氧基）乙氧基）苯甲酸試驗過程32.1試驗藥品32.2儀器與設備42.3 4-（6-羥基乙氧基）苯甲酸的制備43

2、結果與討論53.1 產(chǎn)品性能53.2 試驗過程操作關鍵點53.3 原料投料數(shù)據(jù)63.4 氣相色譜分析63.5 液相色譜分析73.6 質(zhì)譜圖分析84 結論9參考文獻9致 謝11反應性液晶中間體（AHBA）的合成探討 王燕茹 （西安文理學院化學與化學工程學院，西安，710065）摘要：本論文重點討論液晶中間體4-（6-（丙烯酰氧基）乙氧基）苯甲酸的工藝。通過改變溫度、溶劑、催化劑等操作條件對反應過程進行了優(yōu)化和改進,使4-（6-（丙烯酰氧基）乙氧基）苯甲酸生產(chǎn)成本降低、可以進行大批量生產(chǎn)。通過氣相色譜、液相色譜、質(zhì)譜等檢測方法對其進行了表征，本次探討為此類反應性液晶中間體進一步的基礎研究和應用研究

3、奠定了基礎。關鍵詞：反應性液晶；重要中間體；4-（6-（丙烯酰氧基）乙氧基）苯甲酸 The synthesis of reactive liquid crystal intermediates (AHBA) discussed in this paper WANG Yanru（School of Chemistry & Chemical Engineering, Xi'an University , Xi'an ,710065）Abstract:The 4 - (6 - (acryloyloxy) ethoxy) benzoic acid of liquid cryst

4、al intermediates was studied. The temperature, solvent, catalyst and other operating conditions were in order to reduce the production cost and volume produce. It was characterized by gas chromatography, liquid chromatography, mass spectrometry analysis. The discussion for such reactive liquid cryst

5、al intermediates laid the foundation for further basic research and applied research.Keywords:Reactive liquid crystal;Important intermediates;4-(6-acryloyloxyhexyloxy) benzoic acid 1前 言1.1液晶材料的發(fā)展歷史 18541889年代，德國生理學家R.C.Virchow發(fā)現(xiàn)自然界的Myelin物質(zhì)，此是一種溶致型液晶，在適當?shù)乃莼旌厢?，會呈現(xiàn)光學異方向性之有機分子集合體。液晶材料的發(fā)現(xiàn)，正式於1988年，將膽固醇

6、的笨二甲酸或以酸加熱到145度時，有白濁稠狀液體，再加熱至178度，會變成透明液體，冷卻下來則有紫色、橙紅色、綠色等不同顏色變化。1920後時期，為液晶合成的開始及分類的確定，F(xiàn)riedel博士將液晶分類成層列型或距列型、向列型、膽固醇型。1960到1968年代，為液晶應用研究的蓬勃時期，G.H.Heilmeir博士發(fā)現(xiàn)動態(tài)散射模式(DSM)，而使應用朝向液晶平面顯示器。電控復折射(ECB)的動作模式於1971年提出，後來發(fā)明扭曲向列型液晶平面顯示器，應用在汽車儀表和電子表上。1973年後為液晶實用化和應用研究多樣化時期，日本的sharp和Seiko-EpsON改朝向向列型液晶平面顯示器，19

7、72年P.Brody提出主動性矩陣型模式，1980到1983年則有鐵電性液晶平面顯示器，1983到1985年發(fā)明超向列型液晶平面顯示器(STN-LCD)。1980年日立試作低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器(LTPS TFT-LCD)。1991年彩色非晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器之筆記型電腦。1996年低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器的數(shù)位相機。2000年低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器結合有機電激光顯示器成為新一代省電及高解析度的顯示器。1.2液晶材料的分類 根據(jù)液晶形成的條件可分為熱致液晶和溶致液晶；按相態(tài)分類可分為向列相，近晶相和手性相。溶致液晶，將某些有機物放在一定的溶劑中,由于溶

8、劑破壞結晶晶格而形成的液晶，被稱為溶致液晶。比如：簡單的脂肪酸鹽、離子型和非離子型表面活性劑等。溶致液晶廣泛存在于自然界、生物體中，和生命息息相關，但在顯示中尚無應用。熱致液晶，熱致液晶是由于溫度變化而出現(xiàn)的液晶相。低溫下它是晶體結構,高溫時則變?yōu)橐后w，這里的溫度用熔點( TM) 和清亮點( TC ) 來標示。液晶單分子都有各自的熔點和清亮點，在中間溫度則以液晶形態(tài)存在。目前用于顯示的液晶材料基本上都是熱致液晶。在熱致液晶中，又根據(jù)液晶分子排列結構分為三大類:近晶相(SMECTIC)、向列相(NEMATIC)和膽甾相(CHOLESTERIC)。目前，各種形態(tài)的液晶材料基本上都用于開發(fā)液晶顯示器

9、，現(xiàn)在已開發(fā)出的有各種向列相液晶、聚合物分散液晶、雙(多)穩(wěn)態(tài)液晶、鐵電液晶和反鐵電液晶顯示器等。而在液晶顯示中，開發(fā)最成功、市場占有量最大、發(fā)展最快的是向列相液晶顯示器。按照液晶顯示模式，常見向列相顯示就有TN(扭曲向列相)模式、HTN (高扭曲向列相) 模式、STN (超扭曲向列相)模式、TFT(薄膜晶體管)模式等。1.3幾種重要的液晶材料中間體 藍相液晶作為一種新型的液晶顯示材料，具有寬視角、響應速度快、制作工藝簡單等優(yōu)點，從而成為光電顯示領域的一個研究熱題。 藍相液晶由于其特有的扭曲雙螺旋結構，具有快速響應特性與宏觀上的光學各項同性。通過聚合物穩(wěn)定的方法，可以提升其熱穩(wěn)定性，但是也導致

10、了驅動性能下降，磁滯效應增強等問題。 液晶高分子分子復合材料(Molecular composite)是一種新型的高分子復合材料，其概念是由日本的Takayanagi和美國的 Helminiak等人差不多同時在20世紀80 年代初提出來的。它通常是指將纖維與樹脂基體的宏觀復合擴展到分子水平的微觀復合，也就是用剛性高分子鏈或微纖作增強劑，并以接近分子水平的分散程度分散到柔性高分子基體中的復合材料。液晶高分子分子復合材料將液晶高分子的特性如鏈剛性，大的長徑比，高取向性，優(yōu)秀的耐熱性等和其他復合成分的有用性質(zhì)結合起來，有利于改善材料的性能,擴大材料的應用領域。另外分子復合材料在加工性和性能方面也有許

11、多潛在的優(yōu)點，相信在不久的將來，液晶高分子分子復合材料將具有更加喜人的發(fā)展前景。但是，液晶高分子分子復合材料也有它的不足，例如它的壓縮強度遠遠低于碳纖維復合材料。這限制了它在高性能復合材料某些領域的應用。于是，兼用兩類纖維制造的復合材料以克服各自的缺點和發(fā)揮其優(yōu)點已成為工業(yè)界的共識和實踐。何嘉松提出的原位混雜增強復合材料的概念可謂這一思想的體現(xiàn)。它是指一個由高性能樹脂、熱致液晶聚合物和碳纖維組成的三元體系中形成的增強結構。這種復合體系就充分發(fā)揮了熱致液晶聚合物和宏觀纖維的各自優(yōu)勢?？梢?從分子增強復合材料向原位混雜增強復合材料過度是復合材料發(fā)展的又一重大趨勢。1.4 本課題研究的目的與意義 4

12、-（6-（丙烯酰氧基）乙氧基）苯甲酸這種中間體，分子式中所含的苯環(huán)、雙鍵、羥基等化學鍵使得它可以作為合成很多酯類液晶材料的原材料，它的應用十分廣泛，合成條件較溫和，生產(chǎn)過程操作簡單，對環(huán)境要求不是特別苛刻，所以有很大的發(fā)展前景。 2 4-（6-（丙烯酰氧基）乙氧基）苯甲酸試驗過程2.1試驗藥品 試驗過程中用到的一些重要試驗藥品見表1。其中的對羥基苯甲酸甲酯、6-氯-1-己醇、丙烯酰氯都是很重要的試驗藥品，對產(chǎn)品結果有很大影響。表1試驗藥品原材料名稱理論投入量實際投入量分子量對羥基苯甲酸甲酯38g38g152碳酸鉀55.2g56g138DMF180mL185mL/碘化鉀4.15g4.2g1666

13、-氯-1-己醇44.4g45.58g136.5氫氧化鈉3g3.13g40丙烯酰氯5.7g5.8g90.5N,N-二甲基苯胺6.9g7.0g121.21,2-二氯乙烷70mL75mL1012.2儀器與設備 試驗過程中用到的儀器與設備見表2，其中的旋轉蒸發(fā)儀、液相色譜儀、氣相色譜儀都是相對高級的實驗儀器，對試驗生成產(chǎn)物的處理和檢測起到重要作用。表2儀器與設備名稱型號廠家三口燒瓶250ML/500ML天玻電熱套1L山東菏澤旋轉蒸發(fā)儀/溫度計0-100/冷凝管/山東菏澤液相色譜儀/KNAUER氣相色譜儀/SHIMADZU2.3 4-（6-羥基乙氧基）苯甲酸的制備 4-（6-羥基乙氧基）苯甲酸的制備過程

14、分為三步，具體反應情況見圖1。 第一步：向裝有機械攪拌、溫度計的500mL的三口燒瓶中加入185mLDMF、緩慢攪拌下加入6-氯-1-己醇45.58g、對羥基苯甲酸甲酯38g、碳酸鉀56g、碘化鉀4.2g，攪拌升溫，溫度保持在7580。取樣送GC-C/DB-1/100-10分析，當對羥基苯甲酸甲酯 GC<2%，產(chǎn)物GC80%，保留時間min GC<1%（質(zhì)量控制點1），關閉加熱裝置，停止反應,此步反應過程需8h。 圖1 試驗過程方程式后處理：依次加入253mL甲苯、506mL水，充分攪拌后在分液漏斗中進行分液，水相中再次加入1000mL水、253mL甲苯，充分萃取三次后，合并有機相

15、，水洗三次，加入無水硫酸鎂靜置干燥2小時，抽液漏斗過濾，重結晶。 第二步：向250mL燒瓶中加入4-（6-羥基乙氧基）苯甲酸酯13g、60mL甲醇，攪拌使其溶解后，加入氫氧化鈉溶液（3.13gNAOH固體、22.8g水）。升溫至回流狀態(tài)，進行保溫反應。待回流穩(wěn)定時，三口燒瓶中加入100mL水、26mL鹽酸溶液，攪拌器攪拌，加入80mL乙醇，加熱使其溶解，待其降溫至室溫，將其放置于冰箱中進行重結晶。 第三步：向250mL三口燒瓶中加入4-（6-羥基乙氧基）苯甲酸10g、N,N-二甲基苯胺7.0g、2,6-二叔丁基對甲酚、1,2-二氯乙烷75mL，待充分攪拌，慢慢滴加丙烯酰氯5.8g。反應完畢后加

16、入30mL二氯乙烷、100mL熱水（40左右），分液漏斗分液，真空過濾，冰箱中重結晶，最后送樣檢測。3 結果與討論3.1 產(chǎn)品性能 試驗產(chǎn)品4-（6-（丙烯酰氧基）乙氧基）苯甲酸的性能見表3。3.2 試驗過程操作關鍵點 該試驗的關鍵點是反應過程中要控制好溫度，溫度過高會產(chǎn)生較多副產(chǎn)物，不利于下一步反應的順利進行；后處理溶劑量一定要足夠，在水洗時用40熱水洗以防止后處理液乳化：重結晶時間一定要足夠，不然產(chǎn)物產(chǎn)率很低。表3 產(chǎn)品性能中文名稱4-(6-(丙烯酰氧基)己氧基)苯甲酸英文名稱4-(6-acryloyloxyhexyloxy) benzoic acid簡稱AHBA結構式分子量292.333

17、.3 原料投料數(shù)據(jù) 試驗中原材料使用量都是小劑量的，因為本試驗過程是對產(chǎn)物的合成方法進行探討，找到最簡單、最合適、最穩(wěn)定的實驗方法，為更好的進行接下來的試驗提供穩(wěn)定的實驗數(shù)據(jù)和步驟。原料投入量見表4。表4 原料投料數(shù)據(jù)原料投料量（g）產(chǎn)品GC（%）產(chǎn)品質(zhì)量（g）收率（%）對羥基苯甲酸甲酯38g98.166625.8768.084-（6-羥基乙氧基）苯甲酸酯13g98.121310.5381.04-（6-羥基乙氧基）苯甲酸10g99.00017.1671.63.4 氣相色譜分析 圖1是第一步的氣相色譜圖，濃度達到98.1666%，雜質(zhì)含量只有1.8334%，主組分含量大于98%，符合進行下一步的

18、要求。 圖2第一步反應產(chǎn)物氣相色譜 3.5 液相色譜分析 圖3 第二步反應產(chǎn)物液相色譜 這是第二步的液相色譜圖，濃度達到98.0782%，雜質(zhì)含量只有1.9218%，主分含量達到98%以上，可以進行下一步反應。 圖4 第三步反應產(chǎn)物液相色譜 這是最終產(chǎn)品4-(6-(丙烯酰氧基)己氧基)苯甲酸（AHBA）的液相色譜圖，峰面積及峰高的數(shù)值說明反應已經(jīng)完成，濃度達到99%。3.6 質(zhì)譜圖分析 圖5 AHBA質(zhì)譜圖 本圖是由前兩個圖疊加放在一起的，從第一個圖中可以看出質(zhì)荷比為16.27的峰是離子峰。產(chǎn)物的理論分子量是292.33，重疊圖的圖中可以得出產(chǎn)物的實際分子量是292.28。圖譜中碎片離子較少，

19、表明該化合物是高穩(wěn)定性分子。質(zhì)譜圖中出現(xiàn)了系列CnH2n+1峰，化合物可能含長鏈烷基。出現(xiàn)m/z54.9883、54.98等碎片離子峰，表明化合物含有苯基。M/z93為基峰，表明化合物中含有芐基或者苯甲?；?。4 結論 （1）第一步以原料對羥基苯甲酸甲酯和6-氯-1-己醇合成了4-（6-羥基乙氧基）苯甲酸酯，對以后合成4-（6-羥基乙氧基）苯甲酸提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)及成熟的實驗步驟。 （2）在此試驗過程中產(chǎn)生的三廢得到有效的處理和利用（旋轉蒸發(fā)儀回收萃取過程中使用的甲苯），為此類試驗節(jié)約了一定的成本,為保護環(huán)境做出了巨大的貢獻。 （3）通過此類試驗驗證了文獻的真實性，并對試驗的一些工藝過程做了有效改

20、進，提高了產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量，奠定了此類產(chǎn)物在液晶化學領域的專業(yè)地位。（4）每步反應產(chǎn)品檢測的純度都達到97%以上，為其被作為成熟的液晶中間體來使用提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。色譜檢測，為反應產(chǎn)物的性能驗證提供了科學方法。參考文獻 1 倪水彬,朱吉亮,鐘恩偉,陸建鋼.藍相液晶光電特性研究J.液晶與顯示,2012,06:719-7232 李寧,鄭成武,張興,周興丹,李正強,華瑞茂.穩(wěn)定藍相液晶的研究進展J.功能材料,2012,S1:33-38+423 應根裕.藍相液晶技術的進步J.現(xiàn)代顯示,2011,03:5-114 鐘恩偉.藍相液晶材料的光電特性及其器件結構研究D.上海交通大學,20135 謝建強,朱光明,唐

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