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CN110776927B - 异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物及其制备方法、液晶组合物及应用 - Google Patents

异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物及其制备方法、液晶组合物及应用 Download PDF

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CN110776927B CN201911058698.1A CN201911058698A CN110776927B CN 110776927 B CN110776927 B CN 110776927B CN 201911058698 A CN201911058698 A CN 201911058698A CN 110776927 B CN110776927 B CN 110776927B
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汪相如
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Abstract

本发明公开一种异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物及其制备方法、液晶组合物及应用，异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物的结构中同时具有四联苯结构、烷基取代基、F原子以及‑NCS等基团，四联苯结构使得所述液晶化合物具有光学各向异性大和的优点，烷基取代基能够降低液晶化合物的熔点，使得所述液晶化合物具有相对较低熔点的优势，F原子能增大液晶化合物的介电常数，‑NCS基团延长了四联苯π‑电子共轭体系的长度，能增大液晶化合物的光学各向异性，将该类液晶化合物应用到高介电各向异性液晶材料中时，由于这些基团的综合作用，有利于降低液晶微波器件的介电损耗，提高相位调制能力和提高液晶材料的品质因数。

Description

异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物及其制备方法、液晶组合 物及应用
技术领域
本发明涉及有机合成技术领域，特别涉及一种异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物及其制备方法、液晶组合物及应用。
背景技术
目前，液晶在显示领域已经得到广泛的应用，随着科技的发展，液晶的应用范围也逐渐增大，液晶用于微波器件研究始于20世纪末，高速发展于本世纪初，尤其是近几年得到了全世界的广泛关注，发展迅速，研究发现其可用于调滤波器、可重构天线、可调频率选择器及可调移相器等重要领域。但在相关关键技术，如液晶材料、取向、封装、接线、器件设计与功能表征等多方面都存在急待解决的基本问题，尤其是在液晶材料方面的研究报道较少。
微波移相器是微波K波段(毫米波，0.3～40GHz)通讯技术领域中的关键器件，在雷达系统、卫星天线、通讯系统、电子对抗系统等多个航空、军用和民事领域具有广泛的应用。但随着现代通信技术的快速发展，通讯频率拥堵现象日益突出，要求通信器件具有更高的可调频性、更宽的频带和多功能性；传统的铁氧体或者二极管移相器辐射单元天线及其微波器件因体积大、容量小和调谐速度慢、制作工艺复杂、成本高等问题已经很难满足相现代通讯发展需要。因此，近二十年来人们开始寻找新材料，研究性能更优异的低电压、快速调谐、宽调谐带、小型化和可移动的微波通信器件以弥补上述缺陷，以促进微波通讯技术的升级发展。
向列相液晶是一种既具有液体的流动性，又具有晶体的有序性和各向异性有机物，在光、电、磁等外场作用下，其分子会发生连续形变和流动，诱导介电常数和折射率发生周期性连续变化，形成强烈的光学非线性效应。这种非线性光学效应已在信息显示领域得到了广泛应用，并在微波通讯、雷达天线及相位调制、精确制导和无线宽带通信等光信息方面开始崭露头角，成为军事、车载、船载、机载、航空载等通信终端平台的共同追求，发展势头强劲。
为便于理解，对液晶材料的相关性能参数介绍如下：Δε表示介电各向异性；△n表示光学各向异性，即双折射率(589nm，20℃)；Iso.为液晶组合物的相态的清亮点温度(℃)；在微波范围内的介电各向异性定义为：△εr≡(εr||- εr⊥)；可调谐性(τ)定义为：τ≡(Δεr/εr||)；材料品质(η)定义为：η≡(τ/tanδεr max.)，最大介电损耗为：tanδεr max.≡max.{tanδεr⊥，tanδεr||}。其中，介电损耗是指微波(4～40GHz)照射或穿过液晶材料时产生的波频吸收而引起的微波波频损耗，通常叫微波插损；在液晶材料中表现为介电常数(Δεr)，介电常数分为平行液晶长轴的分量(εr//)和垂直分量(εr⊥)，介电常数值为Δεr＝εr//-εr⊥；物理上对微波“介电损耗”的量化表达是：介电损耗的正切值(tanδεr⊥，或tanδεr max)，是反映液晶材料在微波场中的主要性能指标参数，一般要求tanδεr⊥(或tanδεr max)值≤0.03左右，tanδεr||值≤0.006左右。双折射率是液晶化合物和混合液晶材料光学各向异性的表达方法，指光通过液晶材料后，经过液晶折射和散射，形成寻常光和非寻常光，寻常光折射率用“no”表示，非寻常光折射率用“ne”表示，双折射率用“Δn”表示，Δn＝ne-no，微波高频器件要求Δn值≥ 0.35以上，Δn值越高越有利于提高微波移相量。“高介低耗”液晶是指“高介电各向异性、高光学各向异性、低介电损耗”的液晶材料。微波经过液晶材料照射以后，介电损耗很小，要求tanδεr⊥(或tanδεr max)值低于0.008左右，tanδεr|| 值低于0.004。微波液晶移相器的“相位调制系数”，表示为“τ”，反映液晶材料对微波频率的相位调制能力的参数，0.15≤τ≤0.5。液晶的“品质因素”(η，或FOM)是指微波通过液晶以后的性能综合评价结果，反映出液晶材料的性能和质量，一般要求η≥15以上。
在现有大量研究过程中发现，目前微波用液晶材料在实际应用中主要存在以下几个问题：首先，光学各向异性Δn值偏小，不到0.22，导致移相量不充分；其次，由于液晶分子中结构基团的吸波和可极化作用，导致液晶材料的介电损耗偏大；最后，缺少高Δn值、低熔点的液晶溶剂以及向列相液晶组分，导致影响液晶材料的低温性能。以上问题使得微波用液晶材料无法满足于微波器件要求，因此，亟待研制出新型高稳定性、Δn≥0.35、低熔点、高介低耗的向列相液晶化合物及其混合物液晶材料。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物及其制备方法、液晶组合物以及微波通讯器件，旨在降低液晶微波器件的介电损耗。
为实现上述目的，本发明提出一种异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物，其特征在于，所述异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物具有如下结构式(Ⅰ) 所示的结构：
Figure BDA0002256414420000031
其中，R1为未取代的含有1～7个碳原子的烷基或含烯基的烷基，X1、 X2、X3、X4、X5及X6各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子或-CH3。
可选地，所述的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物，其特征在于，所述异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物为具有如下结构式(Ⅰ-1)所示的结构：
Figure BDA0002256414420000032
其中，R1为未取代的含有1～7个碳原子的烷基或含烯基的烷基，X1、X2、 X3、X4及X5各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子或-CH3。
可选地，所述的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物，其特征在于，所述异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物为具有如下结构式(Ⅰ-2)所示的结构：
Figure BDA0002256414420000033
其中，R1为未取代的含有1～7个碳原子的烷基或含烯基的烷基，X1、X2、 X3、X4及X5各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子或-CH3。
为实现上述目的，本发明还提出一种如上所述的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物的制备方法，包括以下步骤：
步骤S10：在氮气保护下，将第一反应物、第二反应物、钯催化剂、K2CO3、乙醇、甲苯和水在加热搅拌条件下进行Suzuki偶联反应，然后经过分离、洗涤、干燥和纯化处理，得到第一中间体；
步骤S20：在氮气保护下，将所述第一中间体、第三反应物、钯催化剂、 K2CO3、乙醇、甲苯和水在加热搅拌条件下进行Suzuki偶联反应，然后经过分离、洗涤、干燥和纯化处理，得到第二中间体；
步骤S30：将所述第二中间体、碳酸钙、水、和二氯甲烷混合均匀，降温至0～5℃，加入二氯甲烷和二氯硫化碳的混合液反应后，升温至20～25℃，充分反应后升温至45～50℃，加入乙醇，抽滤、洗涤、纯化后，得到目标化合物，所述目标化合物即为如(I)所示的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物；
其中，步骤S10中，所述第一反应物为具有如下结构式(Ⅱ)所示结构的化合物，所述第二反应物为具有如下结构式(Ⅲ)所示结构的化合物，步骤S20中的所述第三反应物为具有如下结构式(Ⅳ)所示结构的化合物：
Figure BDA0002256414420000041
其中，结构式(I)、(Ⅱ)、(Ⅲ)以及(Ⅳ)中的X1、X2、X3、X4、X5和X6各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子或-CH3，结构式(I)和(Ⅳ) 中的R1为含有1～7个碳原子的烷基或含烯基的烷基。
本发明还进一步提出一种液晶组合物，所述液晶组合物包括第一类化合物，所述第一类化合物为如上所述的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物。
可选地，所述液晶组合物还包括第二类化合物、第三类化合物、第四类化合物以及第五类化合物，其中，所述第二类化合物包括至少一种具有如下结构式(Ⅴ)所示结构的化合物，所述第三类化合物至少一种具有如下结构式(Ⅵ)所示结构的化合物、所述第四类化合物至少一种具有如下结构式(Ⅶ) 所示结构的化合物，所述第五类化合物至少一种具有如下结构式(Ⅷ)所示结构的化合物：
Figure BDA0002256414420000051
其中，结构式(Ⅴ)中的n为1或2，R1为含有1～7个碳原子的烷基， X1、X2及X3各自独立地选自H原子、F原子或Cl原子，Y为F原子或-NCS，结构式(Ⅵ)中的n为1、2、3、4、5或6，Y为F原子或-NCS，X1、X2和 X3各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子或-CH3，结构式(Ⅶ)中的m为1、2、3、4、5或6，n为2、3、4、5或6，结构式(Ⅷ)中的n为2，3，4 或5，m为0或1，X为F原子或H原子。
可选地，所述第一类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为1％～10％；和/或，
所述第二类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为 1％～15％；和/或，
所述第三类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为 1％～15％；和/或，
所述第四类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为 1％～20％；和/或，
所述第五类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为1％～15％。
可选地，所述第一类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为3％～6％；所述第二类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为5％～10％；所述第三类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为5％～10％；所述第四类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为5％～15％；所述第五类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为5％～10％。
本发明还提出上述液晶组合物的应用，可应用于微波通讯器件，所述微波通讯器件包括如上所述的液晶组合物。
可选地所述微波通讯器件为微波液晶移相器、可调谐滤波器或相控阵天线。
本发明提供的技术方案中，异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物的结构中同时具有四联苯结构、烷基取代基、F原子以及-NCS等基团，四联苯结构使得所述液晶化合物具有光学各向异性大和的优点，烷基取代基能够增加其分子的柔性，降低液晶化合物的熔点，使得所述液晶化合物具有相对较低熔点的优势，F原子能增大该类液晶化合物的介电常数，-NCS基团延长了四联苯π-电子共轭体系的长度，能增大液晶化合物的光学各向异性(即双折射率Δn 值)，将异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物应用到高介电各向异性液晶材料中时，由于这些基团的综合作用，有利于降低液晶微波器件的介电损耗，提高相位调制能力和提高液晶材料的品质因数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物的制备方法的一实施例的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明拟通过研究液晶分子结构对微波K频段的介电性能影响，尤其是介电损耗作用，开发出对微波吸收系数小、可极化性小的分子结构的液晶材料，设计合成新型高Δn值、低熔点、低介电损耗、高稳定结构的向列相液晶分子，并将这些液晶化合物混合配制成满足微波器件要求的高介低耗、低温性能稳定的向列相液晶材料。
本发明提出一种异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物，所述异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物具有如下结构式(Ⅰ)所示的结构：
Figure BDA0002256414420000071
其中，R1为未取代的含有1～7个碳原子的烷基或含烯基的烷基，X1、X2、 X3、X4、X5及X6各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子或-CH3。
本发明提供的技术方案中，异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物的结构中同时具有四联苯结构、烷基取代基、F原子以及-NCS等基团，四联苯结构使得所述液晶化合物具有光学各向异性大和的优点，烷基取代基能够增加其分子的柔性，降低液晶化合物的熔点，使得所述液晶化合物具有相对较低熔点的优势，F原子能增大该类液晶化合物的介电常数，-NCS基团延长了四联苯π-电子共轭体系的长度，能增大液晶化合物的光学各向异性(即双折射率Δn 值)，将异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物应用到高介电各向异性液晶材料中时，由于这些基团的综合作用，有利于降低液晶微波器件的介电损耗，提高相位调制能力和提高液晶材料的品质因数。
此外，结构式(Ⅰ)中的侧基X1、X2、X3、X4、X5和X6更优选为至少其中之一为F原子，如此，该异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物的光学各向异性更大、结构稳定性更佳，有利于进一步降低液晶材料的介电损耗和进一步增大液晶材料的品质因数。
作为本发明的优选实施例，所述异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物为具有如下结构式(I-1)所示的结构：
Figure BDA0002256414420000081
其中，R1为未取代的含有1～7个碳原子的烷基或含烯基的烷基，X1、X2、 X3、X4及X5各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子或-CH3。
此时，基团X6为F原子，异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物结构中含有两个F原子，进一步增大了该液晶化合物的介电常数。
作为本发明的另一优选实施例，所述异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物为具有如下结构式(I-2)所示的结构：
Figure BDA0002256414420000082
其中，R1为未取代的含有1～7个碳原子的烷基或含烯基的烷基，X1、X2、 X3、X4及X5各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子或-CH3。
进一步地，本发明还提出一种如上所述的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物的制备方法，其合成路线如下：
Figure BDA0002256414420000083
图1为本发明提供的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物的制备方法一实施例的流程示意图，包括以下步骤：
步骤S10：在氮气保护下，将第一反应物、第二反应物、钯催化剂、K2CO3、乙醇、甲苯和水在加热搅拌条件下进行Suzuki偶联反应，然后经过分离、洗涤、干燥和纯化处理，得到第一中间体；
所述第一反应物为具有如下结构式(Ⅱ)所示结构的化合物，所述第二反应物为具有如下结构式(Ⅲ)所示结构的化合物：
Figure BDA0002256414420000091
其中，结构式(Ⅱ)和(Ⅲ)中的X5和X6各自独立地选自H原子、F 原子、Cl原子或-CH3。
在本步骤中，分离、洗涤和纯化处理可以按照有机合成领域的常规方法进行，例如，分离可采用萃取分层，洗涤用水洗至产品为中性，纯化用重结晶等。下述分离、洗涤和纯化处理与此处情况相同，不再赘述。
在本实施例中提供了步骤S10的一具体实施步骤：在氮气保护下，在反应瓶中加入第一反应物、第二反应物、钯催化剂、碳酸钾、乙醇、甲苯和水，在加热搅拌下回流反应3.5～4.5h后停止搅拌，使反应液自然冷却至室温，然后加入盐酸中和后过滤去除不溶物，再加入甲苯萃取分离后水洗至呈中性，使用无水硫酸钠干燥后过滤，将滤液旋蒸干燥后装入层析柱中，采用石油醚洗脱，再通过旋蒸脱除洗脱液中的溶剂，得到第一中间体。其中，所述反应瓶可以选用锥形瓶、三口烧瓶或有机合成反应釜等容器，视具体操作时反应原料的用量或反应产物的产量需求而定。以下所述反应瓶与此处情况相同，不再赘述。
在本实施例中，步骤S10中的所述钯催化剂为四三苯基膦钯，所述第一反应物、第二反应物、K2CO3和钯催化剂的摩尔比为1：(1～2)：(2～5)：
(0.001～0.005)，所述Suzuki偶联反应的反应温度为40～80℃。
步骤S20：在氮气保护下，将所述第一中间体、第三反应物、钯催化剂、 K2CO3、乙醇、甲苯和水在加热搅拌条件下进行Suzuki偶联反应，然后经过分离、洗涤、干燥和纯化处理，得到第二中间体；
其中，步骤S20所示的所述第三反应物为具有如下结构式(Ⅳ)所示结构的化合物：
Figure BDA0002256414420000101
其中，结构式(Ⅳ)中的X1、X2、X3和X4各自独立地选自H原子、F 原子、Cl原子或-CH3，R1为含有1～7个碳原子的烷基或含烯基的烷基。
步骤步骤S20和步骤步骤S10同为Suzuki偶联反应，出来反应物不同外，反应的具体步骤及具体条件都相同，在此不再赘述。
步骤S30：将所述第二中间体、碳酸钙、水、和二氯甲烷混合均匀，降温至0～5℃，加入二氯甲烷和二氯硫化碳的混合液反应后，升温至20～25℃，充分反应后升温至45～50℃，加入乙醇，抽滤、洗涤、纯化后，得到目标化合物，所述目标化合物即为如(I)所示的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物；
Figure BDA0002256414420000102
其中，结构式(I)、(Ⅱ)、(Ⅲ)以及(Ⅳ)中的X1、X2、X3、X4、X5和X6各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子或-CH3，结构式(I)和(Ⅳ) 中的R1为含有1～7个碳原子的烷基或含烯基的烷基。
同样地，在本实施例中提供了步骤S30的一具体实施方式：将第二中间体、碳酸钙、水、和二氯甲烷依次加入反应瓶中并混合均匀，冰浴降温至0～5℃，缓慢滴加二氯甲烷和二氯硫化碳的混合液充分反应，撤掉冰浴，之后将反应瓶温度升温至室温20～25℃，继续反应一段时间，再升温至45～50℃，加入乙醇，防止一段时间，以破坏没有完全反应的二氯硫化碳。之后抽滤，水洗，分液，水层用二氯甲烷萃取，合并有机层，减压蒸馏除去二氯甲烷，得到异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物(I)。
进一步地，在步骤S30中，所述第二中间体、碳酸钙和二氯硫化碳的摩尔比为1：(2～3)：(2～3)。
在本实施例中，为了提高所制得的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物的纯度，采用电场吸附法进一步对得到的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物进行精制，利用高活性的吸附材料，将吸附法和外加电场法两种方法结合一起，深度提纯精制液晶材料，减少液晶材料中微量杂质离子的含量。采用本实施例中的制备方法，制备出一系列性能优良的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物，其结构式如下：
Figure BDA0002256414420000111
Figure BDA0002256414420000121
本发明还提出一种液晶组合物，所述液晶组合物包括第一类化合物，所述第一类化合物为如上所述的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物，所述第一类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为1％～10％，优选3％～6％，即本发明上述提供的具有结构式(Ⅰ)所示结构的异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物，可以将该异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物与任意已有液晶化合物组合得到所述液晶组合物，均具有由所述液晶化合物的结构特点而带来的介电损耗较低、品质因数较高的优点。
可选地，所述液晶组合物还包括第二类化合物、第三类化合物、第四类化合物以及第五类化合物，其中，所述第二类化合物包括至少一种具有如下结构式(Ⅴ)所示结构的化合物，所述第二类化合物中每一种化合物在液晶组分中的重量百分含量为1％～15％，优选5％～10％，所述第三类化合物至少一种具有如下结构式(Ⅵ)所示结构的化合物，所述第三类化合物中每一种化合物在液晶组分中的重量百分含量为1％～15％，优选5％～10％，所述第四类化合物至少一种具有如下结构式(Ⅶ)所示结构的化合物，所述第四类化合物中每一种化合物在液晶组分中的重量百分含量为1％～20％，优选 5％～15％，所述第五类化合物至少一种具有如下结构式(Ⅷ)所示结构的化合物，所述第五类化合物中每一种化合物在液晶组分中的重量百分含量为 1％～15％，优选5％～10％：
Figure BDA0002256414420000122
Figure BDA0002256414420000131
其中，结构式(Ⅴ)中的n为1或2，R1为含有1～7个碳原子的烷基， X1、X2及X3各自独立地选自H原子、F原子或Cl原子，Y为F原子或-NCS，结构式(Ⅵ)中的n为1、2、3、4、5或6，Y为F原子或-NCS，X1、X2和 X3各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子或-CH3，结构式(Ⅶ)中的m为1、2、3、4、5或6，n为2、3、4、5或6，结构式(Ⅷ)中的n为2，3，4 或5，m为0或1，X为F原子或H原子。
优选地，第二类化合物选自以下化合物中的一种或多种：
Figure BDA0002256414420000132
Figure BDA0002256414420000141
第三类化合物选自以下化合物中的一种或多种：
Figure BDA0002256414420000142
Figure BDA0002256414420000151
可以理解的是，在所述液晶组合物中，所述第一类化合物可以选自具有如结构式(Ⅰ)所示结构的化合物中的至少一种，所述第二类化合物可以选自具有如结构式(Ⅴ)所示结构的化合物中的至少一种，所述第三类化合物可以选自具有如结构式(Ⅵ)所示结构的化合物中的至少一种，所述第四类化合物可以选自具有如结构式(Ⅶ)所示结构的化合物中的至少一种，所述第五类化合物至少一种具有如下结构式(Ⅷ)所示结构的化合物中的至少一种。较优地，所述第一类化合物、第二类化合物、第三类化合物、第四类化合物和第五类化合物均选自具有其对应结构式所示结构的化合物中的2～5种的混合物，组合得到的液晶组合物在应用时的光学各向异性较大、介质损耗较低、品质因数较大。
此外，为了提高液晶组合物中各组分的纯度，优选地，采用电场吸附法进一步对每一类化合物进行精制，利用高活性的吸附材料，将吸附法和外加电场法两种方法结合一起，深度提纯精制各组分，减少各组分中微量杂质离子的含量，可以提高液晶组合物的电阻率、电荷保持率和其稳定性的目的。
本发明提供的所述液晶组合物可进一步提高已有惯用液晶组合物的光学各向异性和在微波下的稳定性，具有可降低介电损耗的效果，可应用于微波通讯器件领域。
进一步地，本发明还提出上述液晶组合物的应用，其可应用于微波通讯器件，所述微波通讯器件包括如上所述的液晶组合物。
优选地，所述微波通讯器件可以是可调滤波器、可重构天线、可调频率选择器或者可调移相器等等可以通过施加磁场和/或电场进行调谐的组件或器件，在本发明提供的所述微波通讯器件的一实施例中，所述微波通讯器件为微波液晶移相器、可调谐滤波器或相控阵天线，本发明提供的所述液晶组合物在应用在上述三种微波通讯器件中时，液晶材料的介电损耗更低、品质因数更高。
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为便于区分液晶组合物中的所述第一类化合物(具有结构式(Ⅰ)所示结构的液晶化合物)、第二类化合物(具有结构式(Ⅴ)所示结构的化合物)、第三类化合物(具有结构式(Ⅵ)所示结构的化合物)、第四类化合物(具有结构式(Ⅶ)所示结构的化合物)的结构、第五类化合物(具有结构式(Ⅷ) 所示结构的化合物)，按照下述表1中的要素分类规则进行命名。
以下均结合以上述命名的简称做进一步说明。
表1要素分类
Figure BDA0002256414420000161
实施例1异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物5PGPUS的合成，结构式为：
Figure BDA0002256414420000162
制备过程为：
(1)在装有100℃温度计，冷凝管和搅拌磁子的500ml四口烧瓶内依次加入20.1g(0.1mol)对溴苯硼酸(第一反应物)，25.5g(0.1mol)的2,6-二氟-4-碘苯胺(第二反应物)，55.2g(0.4mol)碳酸钾，再加入150ml无水乙醇和 100ml甲苯以及30ml去离子水；氮气置换4次，在氮气保护下加入0.116g四三苯基膦钯(0.1％mol比)，加热，控制体系温度70℃～75℃；搅拌5～6h。TLC 跟踪监测，待反应完全后，停止搅拌和加热；反应液自然降温至室温，将反应液抽滤后，后过滤掉不溶物；滤液用150ml二氯甲烷萃取三次，用100ml 去离子水洗涤有机层至中性，无水硫酸钠干燥，抽滤，旋蒸除掉二氯甲烷溶剂，得棕褐色固体；用乙醇和石油醚进行重结晶，得到22.5g中间化合物产品 (第一中间体)，产率为79.5％。
(2)在装有100℃温度计，冷凝管和搅拌磁子的500ml四口烧瓶内依次加入5.7g(0.02mol)3-氟-4’-戊基联苯硼酸(第三反应物)，5.7g(0.02mol)的第一中间体，11.0g(0.08mol)碳酸钾，再加入120ml无水乙醇和100ml甲苯以及4ml去离子水，氮气置换4次，在氮气保护下加入0.086g四三苯基膦钯，加热，控制体系温度72℃搅拌5h。TLC跟踪监测，待反应完全后，停止搅拌和加热，将反应液抽滤后，滤液用150ml二氯甲烷萃取三次，用100ml去离子水洗至中性，无水硫酸钠干燥，抽滤，旋蒸，得黄褐色固体。用60℃-90℃石油醚重结晶，得6.8g的第二中间体固体，产率为76.5％。熔点：149℃-151℃
(3)将6.8g(0.0153mol)第二中间体，3.9g(0.0383mol)碳酸钙，6ml去离子水和150ml二氯甲烷依次投入250ml三口烧瓶中，冰水浴降温至0℃后，在恒压漏斗内加入5.28g(0.0459mol)的二氯硫化碳(CSCl2)和10ml干燥的二氯甲烷，调节好滴加速度，缓慢加入三口烧瓶内，使烧瓶内温度不要超过 5℃，30min内滴加完，恒温反应1.5h，自然升温至25℃后再反应0.5h，加热至45℃回流搅拌0.5h，TLC跟踪监测至反应完全。再加入15ml无水乙醇回流加热搅拌0.5h，待温度降至室温后过滤反应液，加入适量水，水层用二氯甲烷萃取，合并有机层，用去离子水水洗至中性后再用无水硫酸钠干燥有有机层，抽滤旋蒸有机溶剂，得浅黄色固体。将粗产品用200-300目硅胶粉柱层析(淋洗剂为60℃-90℃的石油醚)，用少量石油醚重结晶得白色固体5.4g，产率为72.4％。熔点：104℃左右，清亮点：240℃左右。其分子结构鉴定如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.63(d,J＝5.5Hz,2H),7.61–7.43(m,8H), 7.40–7.21(m,3H),2.88–2.63(t,J＝7.5Hz,2H),1.94–1.55(m,4H),1.53– 1.18(m,3H),0.97(dd,J＝9.0,4.5Hz,3H)。
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ159.58,144.95,142.52,141.93,140.80,139.29,138.25,136.23,130.35,128.90,127.48,126.56,124.41,117.50，110.38,110.15, 77.38,77.06,76.74,35.65,31.63,26.35,22.63,15.82。
19F NMR(376MHz,CDCl3)δ-116.80,-117.05。
说明制得的目标化合物的结构与上述结构式所示结构一致。
实施例2异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物4PGPUS的合成，结构式为：
Figure BDA0002256414420000181
步骤与实施例1相同，不同之处在于，将步骤(2)中的3-氟-4’-戊基联苯硼酸替换成3-氟-4’-丁基联苯硼酸，步骤(3)中冰水浴降温至5℃，自然升温至20℃后再反应0.5h，加热至50℃回流搅拌0.5h。其分子结构鉴定如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.72(d,J＝7.6Hz,2H),7.68–7.42(m,3H), 7.42–7.18(m,8H),2.72(t,J＝7.7Hz,2H),1.84–1.65(m,2H),1.56–1.36(m, 2H),1.02(t,J＝7.3Hz,3H)。
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ161.35,158.88,156.99,145.04,142.89, 142.81,140.48,136.88,136.23,130.66,129.68,128.15,126.88,125.74,122.89, 114.37,110.29,109.70,77.41,35.38,33.63,22.48,14.04。
19F NMR(376MHz,CDCl3)δ-116.88,-117.50。
说明制得的目标化合物的结构与上述结构式所示结构一致。
实施例3异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物5PWPUS的合成，结构式为：
Figure BDA0002256414420000182
步骤与实施例1相同，不同之处在于，将步骤(2)中的3-氟-4’-戊基联苯硼酸替换成3-氯-4’-丁基联苯硼酸，步骤(3)中冰水浴降温至3℃，自然升温至23℃后再反应0.5h，加热至48℃回流搅拌0.5h。其分子结构鉴定如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.61(d,J＝8.5Hz,4H),7.49–7.25(m,5H), 7.18(t,J＝6.7Hz,4H),2.33–2.56(t,J＝7.5Hz,2H),1.53–1.36(m,4H),1.21～ 1.10(m,2H),0.95～1.03(dd,J＝9.0,4.5Hz,3H)。
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ159.53,157.00,144.97,141.26,140.64, 138.47,137.71,136.54,129.75,127.64,127.44,127.33,127.22,126.69,110.25, 110.03,77.38,77.07,76.75,43.02,36.72,29.28,19.04,11.57。
19F NMR(376MHz,CDCl3)δ-116.63。
说明制得的目标化合物的结构与上述结构式所示结构一致。
实施例4异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物3GPPUS的合成，结构式为：
Figure BDA0002256414420000191
步骤与实施例1相同，不同之处在于，将步骤(2)中的3-氟-4’-戊基联苯硼酸替换成2’-氟-4’-丙基联苯硼酸，步骤(3)中冰水浴降温至4℃，自然升温至22℃后再反应0.5h，加热至46℃回流搅拌0.5h。其分子结构鉴定如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.88–7.57(m,6H),7.56–7.37(m,3H),7.26 (d,J＝8.6Hz,2H),7.06(dd,J＝15.8,9.9Hz,2H),2.96–2.50(t,2H),2.0–1.52(m, 2H),1.03(t,J＝7.1Hz,3H)。
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ160.35,159.88,158.56,156.99,144.34, 143.31,142.87,142.70,140.58,136.84,136.38,136.03,130.68,130.37,129.48, 127.74,127.24,127.03,77.65，37.53,24.27,13.82。
19F NMR(376MHz,CDCl3)δ-117.04,-108.66。
说明制得的目标化合物的结构与上述结构式所示结构一致。
实施例5异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物5GPGUS的合成，结构式为：
Figure BDA0002256414420000192
步骤与实施例1相同，不同之处在于，将步骤(1)中的对溴苯硼酸替换成1-溴-2-氟-4-苯硼酸，将步骤(2)中的3-氟-4’-戊基联苯硼酸替换成2’-氟-4’- 戊基联苯硼酸，步骤(3)中冰水浴降温至2℃，自然升温至24℃后再反应0.5h，加热至49℃回流搅拌0.5h。经氢-核磁共振光谱和氟-核磁共振光谱检测，证明制得的目标化合物的结构与上述结构式所示结构一致。
实施例6异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物5UPPUS的合成，结构式为：
Figure BDA0002256414420000201
步骤与实施例1相同，不同之处在于，将步骤(2)中的3-氟-4’-戊基联苯硼酸替换成2’-氟-4’-丁基-6’-氟联苯硼酸，步骤(3)中冰水浴降温至1℃，自然升温至21℃后再反应0.5h，加热至47℃回流搅拌0.5h。经氢-核磁共振光谱和氟-核磁共振光谱检测，证明制得的目标化合物的结构与上述结构式所示结构一致。
实施例7异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物5UPGUS的合成，结构式为：
Figure BDA0002256414420000202
步骤与实施例1相同，不同之处在于，将步骤(1)中的对溴苯硼酸替换成1-溴-2-氟-4-苯硼酸，将步骤(2)中的3-氟-4’-戊基联苯硼酸替换成2’-氟-4’- 戊基-6’-氟联苯硼酸。经氢-核磁共振光谱和氟-核磁共振光谱检测，证明制得的目标化合物的结构与上述结构式所示结构一致。
实施例8异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物5PWGUS的合成，结构式为：
Figure BDA0002256414420000203
步骤与实施例1相同，不同之处在于，将步骤(1)中的对溴苯硼酸替换成1-溴-2-氟-4-苯硼酸，将步骤(2)中的3-氟-4’-戊基联苯硼酸替换成3-氯-4’- 戊基联苯硼酸。经氢-核磁共振光谱和氟-核磁共振光谱检测，证明制得的目标化合物的结构与上述结构式所示结构一致。
实施例9
液晶组合物的各组分质量分数(Wt％)及性能参数如表2所示。
表2实施例9中液晶组合物中各组分的质量分数及性能参数
Figure BDA0002256414420000211
实施例10
液晶组合物的各组分质量分数(Wt％)及性能参数如表3所示。
表3实施例10中液晶组合物中各组分的质量分数及性能参数
Figure BDA0002256414420000221
由上述各实施例中液晶组合物的性能参数结果可知，本发明实施例提供的液晶组合物在微波下具有较大的光学各向异性、较低的介电损耗以及较大的品质因数，可作为微波微波通讯器件中的液晶材料使用，尤其可作为微波移相器用向列液晶材料，是一种高Δn值、低熔点、低介电损耗、高稳定结构的向列相液晶材料。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种液晶组合物，其特征在于，所述液晶组合物包括第一类化合物，所述第一类化合物为异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物，所述异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物具有如下结构式(Ⅰ)所示的结构：
Figure FDA0003197743400000011
其中，R1为未取代的含有1～7个碳原子的烯基，X1、X2、X3、X4、X5及X6各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子，X1、X2、X3、X4、X5和X6至少其中之一为F原子，m＝1；
所述液晶组合物还包括第二类化合物、第三类化合物、第四类化合物以及第五类化合物，其中，所述第二类化合物包括至少一种具有如下结构式(Ⅴ)所示结构的化合物，所述第三类化合物至少一种具有如下结构式(Ⅵ)所示结构的化合物、所述第四类化合物至少一种具有如下结构式(Ⅶ)所示结构的化合物，所述第五类化合物至少一种具有如下结构式(Ⅷ)所示结构的化合物：
Figure FDA0003197743400000012
Figure FDA0003197743400000021
其中，结构式(Ⅴ)中的n为1或2，R1为含有1～7个碳原子的烷基，X1、X2及X3各自独立地选自H原子、F原子或Cl原子，Y为F原子或-NCS，结构式(Ⅵ)中的n为1、2、3、4、5或6，Y为F原子或-NCS，X1、X2和X3各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子或-CH3，结构式(Ⅶ)中的m为1、2、3、4、5或6，n为2、3、4、5或6，结构式(Ⅷ)中的n为2，3，4或5，m为0或1，X为F原子或H原子；
所述第一类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为1％～10％；所述第二类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为1％～15％；所述第三类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为1％～15％；所述第四类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为1％～20％；所述第五类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为1％～15％。
2.如权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物为具有如下结构式(Ⅰ-1)所示的结构：
Figure FDA0003197743400000022
其中，R1为未取代的含有1～7个碳原子的烯基，X1、X2、X3、X4及X5各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子。
3.如权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述异硫氰基含氟四联苯类液晶化合物为具有如下结构式(Ⅰ-2)所示的结构：
Figure FDA0003197743400000023
其中，R1为未取代的含有1～7个碳原子的烯基，X1、X2、X3、X4及X5各自独立地选自H原子、F原子、Cl原子，X1、X2、X3、X4、X5和X6至少其中之一为F原子。
4.如权利要求1所述的液晶组合物，其特征在于，所述第一类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为3％～6％；所述第二类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为5％～10％；所述第三类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为5％～10％；所述第四类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为5％～15％；所述第五类化合物中的每一种化合物在液晶组合物中的重量百分含量为5％～10％。
5.一种微波通讯器件，其特征在于，所述微波通讯器件包括如权利要求1至4任意一项所述的液晶组合物。
6.如权利要求5所述的微波通讯器件，其特征在于，所述微波通讯器件为微波液晶移相器、可调谐滤波器或相控阵天线。
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