一种手性室温离子液晶化合物及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及液晶材料领域，具体涉及一种手性室温离子液晶化合物及其制备方 法。此类室温离子液晶材料不仅具有手性，而且能在室温下显示出液晶相，有望在液晶显 示、太阳能电池、电化学器件等方面得到广泛应用。
【背景技术】
[0002] 手性液晶因分子中手性中心的存在而形成螺旋结构，这些螺旋结构使手性液晶具 有特殊的光学特性，如旋光性、偏振光的选择性反射、圆二色性等。手性液晶因其独特的光 学、电学性质而受到广泛的重视。手性离子液晶作为一类新颖的功能材料，兼具离子液体的 特殊性质与手性液晶的组装特性。手性离子液晶在各向异性的离子导体材料、染料敏化太 阳能电池、化学传感器和纳米材料的合成模板等方面有着潜在的应用前景。从实际应用的 角度出发，低转变温度的液晶赋予手性离子液晶以极大的应用空间，在室温下可以表现出 液晶性且具有较宽液晶区间的手性离子液晶材料是实际应用中所需要的。但是，鉴于静电 相互作用的存在，离子型构筑基元之间具有较强的微相分离，大多数手性离子液晶很难在 室温条件下可以表现出液晶性。
[0003] 人们试图通过对手性离子液晶的分子结构进行化学裁剪以降低其液晶转变温度， 孟凡宝等人设计合成了含胆固醇的咪唑盐型手性离子液晶（Li X，Lan X，Ma S，Bai L，Meng FjTian M,Synthesis and characterization of imidazolium-based ionic liquid crystals bearing a cholesteryl mesogenic group,Liquid Crystals,2014,41,1843-1853.)，其液晶区间为67 - 129°C;Waraer等人报道了含镝的手性离子液晶，其液晶区间为 41.9一98°〇，不仅高于室温而且液晶区间比较窄（1^(：，0 &8 3,5斤&」1]^81^?1(3，1^ MjWarner I MjSpectral and physicochemical characterization of dysprosium-based multifunctional ionic liquid crystals ?J.Phys.Chem.A,2015,119,4780-4786.)。但是到目前为止，还未见有手性室温离子液晶材料的报道。
[0004] 考虑到离子液晶分子的微相分离，我们利用空间位阻效应，将体积较大的基团胆 固醇修饰在季铵盐分子的末端以破坏相邻分子间的紧密堆积，以达到降低液晶转变温度的 目的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种手性室温离子液晶化合物及其制备方法，制备方法简 便易行，原料易得，反应设备简单，操作条件温和，产物易分离纯化，产率高，成本低，易于工 业化生产。
[0006] 本发明提供的一种手性室温离子液晶化合物，其基本结构由季铵盐阳离子亲水头 部基团、末端含较大基团胆固醇的疏水烷基链及抗衡阴离子溴构成，其结构通式为 C30H51NO2BrRmTn，式中：匕为烷基碳链-(CH 2 )f，其中m= 5，7，9或10; Tn为烷基碳链-CJWi，其 中n = l，4,8或12。其结构式为：
[0008]本发明提供的一种手性室温离子液晶化合物的制备方法，是以胆固醇与卤代脂肪 酸为原料进行酯化反应，所得的中间产物再与三级胺进行季铵化反应，制备出能在室温条 件下表现出液晶性的手性离子化合物。反应式为：
[0010]制备方法包括以下步骤：
[0011] 1)中间体卤代脂肪酸胆固醇酯的合成
[0012]将卤代脂肪酸溶于无水的三氯甲烷中，保持浓度为8 -12毫克/毫升，再加入胆固 醇，控制二者的用量，使胆固醇与卤代脂肪酸的摩尔比为1.2 -1.6:1;在0 - 4°C下加入催化 剂4-二甲氨基吡啶和吸水剂二环己基碳二亚胺，使二环己基碳二亚胺与卤代脂肪酸的摩尔 比为1.2 -1.6:1，在氮气保护下磁力搅拌反应3 - 7小时，出现白色沉淀;常温下继续搅拌反 应17 - 21小时;过滤除去沉淀后用石油醚/二氯甲烷(体积比为2:1)为洗脱剂进行柱层析分 离，得到中间产物11-溴十一酸胆固醇酯；
[0013] 所述的卤代脂肪酸是6-溴己酸、8-溴辛酸、10-溴癸酸或11-溴十一酸。
[0014] 2)手性室温离子液晶化合物的合成
[0015] 将卤代脂肪酸胆固醇酯加热溶解在丙酮中，保持浓度为5 - 8毫克/毫升，再加入三 级胺，控制二者的用量，使三级胺与卤代脂肪酸胆固醇酯的摩尔比为6 -10:1，在氮气保护 下回流反应24 - 48小时;旋转蒸发除去溶剂，用氯仿/乙醚重结晶三次，得到含胆固醇的手 性季铵盐化合物；
[0016] 所述的三级胺是三甲胺、N，N-二甲基正丁胺、N，N-二甲基正辛胺或N，N-二甲基十 二烷基胺。
[0017] 与现有技术相比本发明的有益效果:手性室温离子液晶化合物在室温下表现出手 性液晶性，液晶区间较宽。
[0018] 本发明采用的设备简单，方法操作便利，制备条件温和，得到含有胆固醇手性基团 的离子液晶材料。通过圆二色谱、差示扫描量热法、偏光显微镜和X-射线衍射表征该材料在 室温具有手性液晶性。有望在液晶显示、太阳能电池、电化学器件等方面得到广泛应用。
【附图说明】
[0019]图 1: C30H51NO2BrR1OT12 的红外光谱图；
[0020] 图 2: C3QH51NO2BrR1QT12 的核磁共振波谱；
[0021] 图3: C3QH51NO2BrR1QT12的质谱图；
[0022]图 4:C3〇H51N02BrR1()T 12 的圆二色谱图；
[0023] 图5: C3QH51NO2BrR1QT12的差示扫描量热曲线；
[0024]图6: C3QH51NO2BrR1QT12 的 X-射线衍射图；
[0025] 图7 = C3QH51NO2BrR1QT12的偏光显微镜照片； 【具体实施方式】 [0026] 实施例1:
[0028] (1)取1克11-溴十一酸溶于100毫升无水的三氯甲烷中，再加入2.04克胆固醇。在3 °C下加入少许催化剂4-二甲氨基吡啶和1.09克二环己基碳二亚胺。氮气保护下磁力搅拌反 应5小时后出现白色沉淀。常温下继续搅拌反应19小时。过滤除去白色沉淀后旋干滤液，用 石油醚/二氯甲烷(体积比为2:1)为洗脱剂进行柱层析分离，得到11-溴十一酸胆固醇酯，产 率为78%。
[0029] (2)将1克11-溴^^一酸胆固醇酯加热溶解在170毫升丙酮中，再加入2.70克N，N-二 甲基十二烷基胺，在氮气保护下回流反应36小时。旋转蒸发除去溶剂，用氯仿/乙醚重结晶 三次，得到季铵盐型离子化合物C3OH51NO2BrR1QT 12，产率为79%。
[0030] 图1是C3QH51NO2BrR 1QT12的和红外光谱图，3365cm-1为0 -H反对称伸缩振动；2923， 2850CHT1为CH2反对称和对称伸缩振动；1735CHT1为C 一 0伸缩振动；1467cnf1为CH2剪切振动。 [0031 ]图 2是C3QH5INO2BrRioTi2的核磁共振波谱图，[ 1H 匪R(500MHz，CDCl3，δ): 0 · 675(s， 3Η) ,0.854-1.845(m，78H) ,1.939-2.02(m，2H)，2.262(t，J = 7Hz，2H)，2.296-2.312(d，J = 8Hz,2H),3.408(s,6H),3.506-3.533(m,4H),4.571-4.636(m,lH),5.362-5.371(m,lH)], 5.362-5.371ppm处的峰指认为胆固醇基团上不饱和双键上的质子峰，4.571-4.636ppm处的 峰指认为胆固醇基团上与酯基相邻的碳上的质子，3.408ppm、3.506-3.533ppm处的峰指认 为季铵盐头部甲基与亚甲基的质子峰，2.296-2.312ppm处的峰指认为与酯基相邻的亚甲基 上的质子峰，积分面积与质子的数目相吻合。
[0032]图3是C3QH51NO2BrR1QT 1:^质谱图，质核比m/z为766.7,与液晶化合物阳离子部分的 分子量相一致。结合红外光谱图、核磁共振波谱图与质谱图，确定成功合成了目标的离子液 晶化合物。
[0033] 实施例2:
[0035] (1)取1克11-溴十一酸溶于100毫升无水的三氯甲烷中，再加入1.75克胆固醇。在3 °C下加入少许催化剂4-二甲氨基吡啶和0.93克二环己基碳二亚胺。氮气保护下磁力搅拌反 应3小时后出现白色沉淀。常温下继续搅拌反应21小时。过滤除去白色沉淀后旋干滤液，用 石油醚/二氯甲烷(体积比为2:1)为洗脱剂进行柱层析分离，得到11-溴十一酸胆固醇酯，产 率为76%。
[0036] (2)将1克11-溴^^一酸胆固醇酯加热溶解在125毫升丙酮中，再加入2.02克N，N-二 甲基十二烷基胺，在氮气保护下回流反应24小时。旋转蒸发除去溶剂，用氯仿/乙醚重结晶 三次，得到季铵盐型离子化合物C3OH 51NO2BrR1QT12，产率为72%。
[0037] 实施例3:
[0039] (1)取1克11-溴十一酸溶于100毫升无水的三氯甲烷中，再加入2.33克胆固醇。在3 °C下加入少许催化剂4-二甲氨基吡啶和1.24克二环己基碳二亚胺。氮气保护下磁力搅拌反 应7小时后出现白色沉淀。常温下继续搅拌反应17小时。过滤除去白色沉淀后旋干滤液，用 石油醚/二氯甲烷(体积比为2:1)为洗脱剂进行柱层析分离，得到11-溴十一酸胆固醇酯，产 率为81 %。
[0040] (2)将1克11-溴^^一酸胆固醇酯加热溶解在200毫升丙酮中，再加入3.37克N，N-二 甲基十二烷基胺，在氮气保护下回流反应48小时。旋转蒸发除去溶剂，用氯仿/乙醚重结晶 三次，得到季铵盐型离子化合物C 3OH51NO2BrR1OT12，产率为83%。
[0041 ] 实施例4:
[0043] (1)取1克6-溴己酸溶于100毫升无水的三氯甲烷中，再加入2.76克胆固醇。在3°C 下加入少许催化剂4-二甲氨基吡啶和1.48克二环己基碳二亚胺。氮气保护下磁力搅拌反应 4小时后出现白色沉淀。常温下继续搅拌反应20小时。过滤除去白色沉淀后旋干滤液，用石 油醚/二氯甲烷(体积比为2:1)为洗脱剂进行柱层析分离，得到6-溴己酸胆固醇酯，产率为 82%〇
[0044] (2)将1克6-溴己酸胆固醇酯加热溶解在170毫升丙酮中，再加入3.03克N，N-二甲 基十二烷基胺，在氮气保护下回流反应36小时。旋转蒸发除去溶剂，用氯仿/乙醚重结晶三 次，得到季铵盐型离子化合物C3OH 51NO2BrR5T12，产率为71 %。
[0045] 实施例