偶氮类分枝状液晶大分子的合成与性能研究

作     者：胡继文 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚丹姝

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：偶氮苯 液晶大分子 分枝状 合成 

摘      要：随着对液晶化学不断深入的研究,设计并合成分枝状液晶大分子已经成为了领域内人们关注的一个主流研究方向。分枝状液晶化合物是将多个液晶臂连接到中心原子或基团上,成为一种新型的液晶材料。偶氮类分枝状液晶化合物作为一种非常规结构的液晶,随着中心基团和液晶臂柔性间隔长度的变化会表现出良好稳定的液晶性能和规律性变化的液晶区间。同时,因含有偶氮基团,当受热或者受到不同波长的光照射时,该类化合物会拥有光学活性,产生光致异构现象。在查阅国内外相关文献的基础上,本篇论文设计并合成了对甲氧基偶氮苯液晶臂,它们是刚性强度不同的3种偶氮液晶基元。将其通过反应分别连接到不同的中心基团上,制备了二臂棒状偶氮液晶大分子6个,三臂分枝状偶氮液晶大分子6个,四臂分枝状偶氮液晶大分子12个。本论文分为以下三大部分:第一部分是对甲氧基偶氮苯液晶臂的合成与性能研究,通过重氮化反应和偶联反应合成了对甲氧基苯酚,将其分别与己二酸、辛二酸、癸二酸反应制备3种柔性链长度不同的液晶臂,即对甲氧基偶氮苯氧甲酰基某酸LCA-O-n(n=6,8,10)。通过红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(1H-NMR)进行分析,结果显示所合成的化合物符合分子设计,利用差示扫描量热仪(DSC)、偏光显微镜(POM)、紫外-可见光分光光度计(UV-Vis)对化合物的性能测试,结果表明:对甲氧基偶氮苯氧甲酰基某酸(LCA-O-n)属于光敏热致互变向列相液晶。它们的熔点、升温时的清亮点,以及降温时的各向同性—液晶相/晶体的转变温度随着柔性链长度的增加而降低。第二部分设计合成了以乙二醇、丙三醇、对羟基苯甲酸、3,5-二羟基苯甲酸为中心基团的液晶大分子,通过对比二臂传统棒状液晶和三臂分枝状液晶的性能,从而分析结构对液晶性能的影响。乙二醇和丙三醇与液晶臂通过酯化反应分别生成二臂棒状和三臂分枝状液晶大分子,而对羟基苯甲酸和3,5-二羟基苯甲酸通过酯化反应将液晶臂接到中心基团上,生成中间产物,再与单酚反应,生成二臂棒状和三臂分枝状液晶大分子。结构分析显示所合成的液晶化合物符合分子设计,利用DSC、POM、UV-Vis对二臂棒状和三臂分枝状液晶大分子的性能进行测试,结果表明:12组液晶大分子均属于光敏热致互变向列相液晶化合物。在紫外照射下,同系列化合物不随柔性链碳数增加而发生红移或蓝移。乙二醇(YEC-n)、丙三醇(GY-n)、对羟基苯甲酸(DJJ-n)和3,5-二羟基苯甲酸(EJJ-n)系列化合物升降温时的液晶区间随着液晶臂柔性链碳数的增加而缩短。柔性链n=6的时候拥有最好的液晶性能,升温液晶区间和降温时可达最高值。第三部分设计合成了以季戊四醇、没食子酸、酒石酸、柠檬酸为中心基团的四臂分枝状液晶大分子。其中季戊四醇与液晶臂通过酯化反应生成四臂分枝状液晶大分子,而没食子酸、酒石酸、柠檬酸先通过酯化反应将液晶臂接到中心基团上,生成中间产物,再与单酚反应,生成四臂分枝状液晶大分子。结构分析显示所合成的液晶大分子符合分子设计,利用DSC和POM对液晶大分子的性能进行测试,结果表明:四个系列分枝状液晶大分子均属于光敏热致互变向列相液晶化合物。随着柔性间隔长度的增加,该系列表现出熔点降低的趋势。同时随着柔性间隔碳数的增加,升降温过程中的清亮点(Ti)均降低,升温和降温过程中液晶区间呈现变短趋势。柔性链的刚性越大,液晶性能越优异,升温液晶区间和降温时可达最高值。其中,MSZS-n系列化合物升降温时的液晶区间随着液晶臂柔性链碳数的增加而缩短,光诱导的影响随着柔性链变长而减弱。MSZS-6拥有最好的液晶性能,升温液晶区间可达78.7℃,降温时可达119.0℃。