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JP5392256B2 - 誘電率異方性が負の液晶性化合物、液晶組成物および液晶表示素子 - Google Patents

誘電率異方性が負の液晶性化合物、液晶組成物および液晶表示素子 Download PDF

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Description

本発明は、新規な液晶性化合物および液晶組成物に関する。更に詳しくは誘電率異方性(Δε)が負の液晶性化合物、これを含有する液晶組成物および該液晶組成物を含む液晶表示素子である。
液晶表示素子は、表示方式によってDS(Dynamic scattering)、TN(Twisted nematic)、GH(Guest host)、STN(Super twisted nematic)、IPS(In−plane switching)、VA(Vertical alignment)、OCB(Optically compensated bend)またはPSA(Polymer sustained alignment)などのモードに分類される。これら液晶表示素子に含有される液晶組成物として好ましい特性は、表示方式によって異なる点もあるが、どの表示方式で用いられるかを問わず、共通して以下の特性を有することが好ましい。
(1)水分、空気、熱、光等の外的環境因子に対して安定であること。
(2)室温を中心とした広い温度範囲で液晶相を示すこと。
(3)粘度が小さいこと。
(4)表示素子を駆動させた場合にその駆動電圧を低くすることができること。
(5)最適な誘電率異方性(Δε)を有すること。
(6)最適な屈折率異方性(Δn)を有すること。
しかし現在のところ、特性(1)から(6)を全て満たす単一の液晶性化合物は知られておらず、数種から二十数種の液晶性化合物を混合した液晶組成物として使用するのが一般的である。そのため、組成物成分として用いられる液晶性化合物は相互に良好な相溶性を示すことが必要である。特に最近では、様々な環境下、例えば極低温でも使用できる液晶表示素子が要求されており、極低温においても良好な相溶性を示す液晶性化合物が望まれている。
近年、液晶表示素子の最大の問題点である視野角の狭さを克服する表示方式として、上記表示方式の中でも、IPS、VA、OCB、PSAなどのモードが注目されている。これらモードの液晶表示素子の中でも、特にVAモードやIPSモード、PSAモードの液晶表示素子は、視野角の広さに加え応答性にも優れ、さらに高コントラストな表示が得られるため開発が盛んに行われている。これら表示方式の液晶表示素子に使用される液晶組成物の特徴は、誘電率異方性(Δε)が負である点にある。そして、負の誘電率異方性(Δε)が大きな液晶組成物は、その液晶組成物を含有する液晶表示素子の駆動電圧を低くできることが知られている(非特許文献1)。そのため、その液晶組成物の構成成分である液晶性化合物についても、より大きな負の誘電率異方性(Δε)を有することが求められている。
従来から、負の誘電率異方性(Δε)を有する液晶組成物の成分として、ベンゼン環のラテラル位の水素がフッ素で置き換えられた液晶性化合物が数多く検討されてきている(特許文献1、2)。例えば化合物(a)が報告されている。しかし、化合物(a)は、負の誘電率異方性(Δε)を有するものの、必ずしもその値が大きくない場合もあり、前記のVAモード、IPSモードなどの液晶表示素子の駆動電圧を低下させるためには十分ではない場合もあった。

Figure 0005392256
(式中、RおよびR′はアルキルである。)
このため、2,3−ジフルオロフェニレン骨格を有する化合物の、負の誘電率異方性(Δε)の絶対値を大きくするための試みがなされてきた。例えば、2,3−ジフルオロフェニレン骨格を有する化合物に、テトラヒドロピラン−2,5−ジイル骨格を導入した化合物が報告されている(特許文献3、4)。化合物(b)は化合物(a)と比較して負に大きな誘電率異方性(Δε)を有する。
Figure 0005392256
しかし、VAモード、IPSモードなどの液晶表示素子の駆動電圧を低下させるために、さらに誘電率異方性(Δε)が負に大きな液晶性化合物、液晶組成物および液晶表示素子が望まれている。
特許第2811342号公報 特開平02−4725号公報 特開2000−8040号公報 特開2001−115161号公報 Mol. Cryst. Liq. Cryst., 12, 57 (1970)
本発明の第一の目的は、大きな負の誘電率異方性(Δε)を有するのみならず、熱、光などに対する安定性、高い透明点、適切な屈折率異方性(Δn)、および他の液晶性化合物との優れた相溶性などの特性において、少なくとも1つの特性を有する液晶性化合物を提供することである。
本発明の第二の目的は、粘度が低く、適切な屈折率異方性(Δn)、および適切な負の誘電率異方性(Δε)を有し、しきい値電圧が低く、さらに、ネマチック相の上限温度(ネマチック相−等方相の相転移温度)が高く、ネマチック相の下限温度が低いなどの特性において、少なくとも1つの特性を有し、または少なくとも2つの特性に関して適切なバランスを有する、上記化合物を含有する液晶組成物を提供することである。
本発明の第三の目的は、応答時間が短く、消費電力および駆動電圧が小さく、大きなコントラストを有し、広い温度範囲で使用可能であるなどの特性において、少なくとも1つの特性を有し、または少なくとも2つの特性に関して適切なバランスを有する、上記組成物を含有する液晶表示素子を提供することである。
上記課題に対して研究を行った結果、
1)テトラヒドロピラン環
2)末端アルケニル鎖
Figure 0005392256
の3要素を含むことの相乗効果により、特に誘電率異方性(Δε)の値が負に大きくなるという優れた効果が発現することを見出した。この効果を活用することで、さらに課題を解決できるという知見を見出すことができ、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、下記の〔1〕から〔17〕の構成を有する。
〔1〕 式(1−1)または式(1−2)で表される化合物。
Figure 0005392256
式中、Rは炭素数2から10のアルケニルであり、このアルケニルにおいて相隣接しない任意の−CH−は、−O−、−S−、−CO−、または−SiH−で置き換えられてもよく;
は炭素数1から10のアルキルであり、炭素数2から10のアルキルにおいて相隣接しない任意の−CH−は、−O−、−S−、−CO−、または−SiH−で置き換えられてもよく、任意の−(CH−は−CH=CH−、または−C≡C−で置き換えられてもよく;
環G、および環Jは独立して、1,4−シクロヘキシレン、または1,4−フェニレンであり、1,4−シクロヘキシレンにおいて任意の−CH−は、−O−、−S−、−CO−、または−SiH−で置き換えられてもよく、任意の−(CH−は−CH=CH−で置き換えられてもよく、1,4−フェニレンにおいて任意の−CH=は−N=で置き換えられてもよく;
sおよびtは独立して、0、1、2、または3であり、sとtの和は1、2、または3であり;
uは0、1、または2であり、vは1、2、または3であり、uとvの和は1、2、または3であり;
式(1−1)において、s=1、t=0のとき、環Gは任意の−CH=が−N=で置き換えられてもよい1,4−フェニレンであり、;
式(1−2)において、u=0、v=1のとき、環Jは任意の−CH−が、−O−、−S−、−CO−、または−SiH−で置き換えられてもよく、任意の−(CH−が−CH=CH−で置き換えられてもよい1,4−シクロヘキシレンである。
〔2〕式(1−1)および式(1−2)において、
が炭素数2から10のアルケニルであり、Rが炭素数1から10のアルキルであり、環G、および環Jが独立して、1,4−シクロヘキシレン、または1,4−フェニレンである項〔1〕に記載の化合物。
〔3〕式(1−1)および式(1−2)において、sとtの和が1であり、uが0であり、vが1である項〔1〕または〔2〕に記載の化合物。
〔4〕式(1−1−1)で表される化合物。
Figure 0005392256
式中、Rは炭素数2から10のアルケニルであり、Rは炭素数1から10のアルキルであり、環Jは1,4−シクロヘキシレン、または1,4−フェニレンである。
〔5〕式(1−2−1)で表される化合物。
Figure 0005392256
式中、Rは炭素数2から10のアルケニルであり、Rは炭素数1から10のアルキルである。
〔6〕成分Aとして、項〔1〕から〔5〕のいずれかに記載の化合物を少なくとも1種類含有する液晶組成物。
〔7〕成分Bとして、式(2)、式(3)、および式(4)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項〔6〕に記載の液晶組成物。
Figure 0005392256
式中、Rは炭素数1から10のアルキル、または炭素数2から10のアルケニルであり、アルキルおよびアルケニルにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、これらにおいて任意の−CH−は−O−で置き換えられてもよく;
はフッ素、塩素、−OCF、−OCHF、−CF、−CHF、−CHF、−OCFCHF、またはOCFCHFCFであり;
環A、環A、および環Aは独立して、1,4−シクロヘキシレン、1,3−ジオキサン−2,5−ジイル、ピリミジン−2,5−ジイル、1−テトラヒドロピラン−2,5−ジイル、または任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレンであり;
11、Z12、Z13、Z14、およびZ15は独立して、−(CH−、−(CH−、−COO−、−CFO−、−OCF−、−CH=CH−、−C≡C−、−CHO−、または単結合であり;
およびLは独立して、水素またはフッ素である。
〔8〕成分Cとして、式(5)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項〔6〕に記載の液晶組成物。
Figure 0005392256
式中、Rは炭素数1から10のアルキル、または炭素数2から10のアルケニルであり、アルキルおよびアルケニルにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、これらにおいて任意の−CH−は−O−で置き換えられてもよく;
は−C≡N、またはC≡C−CNであり;
環B、環B、および環Bは独立して、1,4−シクロヘキシレン、任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレン、1,3−ジオキサン−2,5−ジイル、1−テトラヒドロピラン−2,5−ジイル、またはピリミジン−2,5−ジイルであり;
16は−(CH−、−COO−、−CFO−、−OCF−、−C≡C−、−CHO−、または単結合であり;
およびLは独立して、水素またはフッ素であり;
qは0、1、または2であり、rは0または1である。
〔9〕成分Dとして、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)、および式(10)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項〔6〕に記載の液晶組成物。
Figure 0005392256
式中、RおよびRは独立して、炭素数1から10のアルキル、または炭素数2から10のアルケニルであり、アルキルおよびアルケニルにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、これらにおいて任意の−CH−は−O−で置き換えられてもよく;
環C、環C、環C、および環Cは独立して、1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレン、6−テトラヒドロピラン−2,5−ジイル、またはデカヒドロ−2,6−ナフタレンであり;
17、Z18、Z19、Z20、Z21、Z22、Z23、Z24、Z25、Z26、およびZ27は独立して、−(CH−、−COO−、−CHO−、−OCF−、−OCF(CH−、または単結合であり;
およびLは独立して、フッ素または塩素であり;
j、k、l、m、およびnは独立して、0または1であり、k、l、m、およびnの和は1または2である。
〔10〕成分Eとして、式(11)、式(12)、および式(13)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項〔6〕に記載の液晶組成物。
Figure 0005392256
式中、RおよびRは独立して、炭素数1から10のアルキル、または炭素数2から10のアルケニルであり、炭素数2から10のアルキルおよびアルケニルにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、これらにおいて任意の−CH−は−O−で置き換えられてもよく;
環D、環D、および環Dは独立して、1,4−シクロヘキシレン、ピリミジン−2,5−ジイル、1,4−フェニレン、2−フルオロ−1,4−フェニレン、3−フルオロ−1,4−フェニレン、または2,5−ジフルオロ1,4−フェニレンであり;
28、Z29、Z30、Z31、およびZ32は独立して、−C≡C−、−COO−、−(CH−、−CH=CH−、または単結合である。
〔11〕項[8]記載の式(5)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項〔7〕に記載の液晶組成物。
〔12〕項[10]記載の式(11)、式(12)、および式(13)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項〔7〕に記載の液晶組成物。
〔13〕項[10]記載の式(11)、式(12)、および式(13)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項〔8〕に記載の液晶組成物。
〔14〕項[10]記載の式(11)、式(12)、および式(13)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、項〔9〕に記載の液晶組成物。
〔15〕少なくとも1つの光学活性化合物をさらに含有する、項〔6〕から〔14〕のいずれか1項に記載の液晶組成物。
〔16〕少なくとも1つの酸化防止剤および/または紫外線吸収剤を含む項〔6〕から〔15〕のいずれか1項に記載の液晶組成物。
〔17〕項〔6〕から〔16〕のいずれか1項に記載の液晶組成物を少なくとも1つ含有する液晶表示素子。
本発明によれば、大きな負の誘電率異方性(Δε)を有するのみならず、熱、光などに対する安定性、高い透明点、適切な屈折率異方性(Δn)、および他の液晶性化合物との優れた相溶性といった特性を少なくとも1つ有する液晶性化合物が得られる。また本発明によれば、低粘度、適切な屈折率異方性(Δn)、適切な負の誘電率異方性(Δε)、低いしきい値電圧、およびネマチック相の上限温度が高く、ネマチック相の下限温度が低いといった特性を少なくとも1つ有する液晶組成物が得られる。さらに本発明によれば、応答時間が短く、消費電力および駆動電圧が小さく、大きなコントラストを有し、広い温度範囲で使用可能であるといった特性を少なくとも1つ有する液晶表示素子が得られる。
以下、本発明をさらに具体的に説明する。
本発明の液晶性化合物は以下の式(1−1)または式(1−2)に示す液晶性化合物である。
Figure 0005392256
式(1−1)、および式(1−2)中のRは炭素数2から10のアルケニルであり、このアルケニルにおいて相隣接しない任意の−CH−は、−O−、−S−、−CO−、または−SiH−で置き換えられてもよい。化合物の安定性を考慮して、酸素と酸素とが隣接することは好ましくない。
としては、炭素数2から10のアルケニル、炭素数2から9のアルケニルオキシ、炭素数3から9のアルケニルオキシアルキル、炭素数3から9のアルコキシアルケニルが挙げられる。これら基のアルキル鎖は、直鎖であることが好ましい。アルキル鎖が直鎖であると、液晶相の温度範囲を広くすることができ、粘度を小さくすることができる。またアルケニルとしては、その二重結合が奇数位にあり、その立体配置がトランス配置であることが好ましい。アルケニルにおいて複数の二重結合がある場合には、共役していない物が好ましい。
アルケニルとしては、−CH=CH、−CH=CHCH、−CH=CHC、−(CHCH=CH、−CH=CHC、−(CHCH=CHCH、−CH=CH(CHCH=CH、および−(CHCH=CH(CHCH=CHが挙げられ;
アルケニルオキシとしては、−OCHCH=CH、−OCHCH=CHCH、および−OCHCH=CHCが挙げられ;
アルケニルオキシアルキルとしては、−CHOCHCH=CH、−CHOCHCH=CHCH、および−(CHO(CHCH=CHが挙げられ;
アルコキシアルケニルとしては、−CH=CHCHOCH、−CH=CHCHOC、および−CHCH=CHCHOCHが挙げられる。
これらRの中でも、−CH=CH、−CH=CHCH、−CH=CHC、−(CHCH=CH、−CH=CHC、−(CHCH=CHCH、−CH=CH(CHCH=CH、および−(CHCH=CH(CHCH=CHが好ましい。
より好ましいRの例としては、−CH=CH、−CH=CHCH、−CH=CHC、−(CHCH=CH、−CH=CHC、−(CHCH=CHCHが挙げられる。
は炭素数1から10のアルキルであり、炭素数2から10のアルキルにおいて相隣接しない任意の−CH−は、−O−、−S−、−CO−、または−SiH−で置き換えられてもよく、任意の−(CH−は−CH=CH−、または−C≡C−で置き換えられてもよい。化合物の安定性を考慮して、酸素と酸素とが隣接することは好ましくない。
としては、炭素数1から10のアルキル、炭素数2から9のアルコキシアルキル、炭素数2から10のアルケニル、炭素数3から9のアルケニルオキシアルキル、炭素数3から9のアルコキシアルケニルが挙げられる。これら基のアルキル鎖は、直鎖であることが好ましい。アルキル鎖が直鎖であると、液晶相の温度範囲を広くすることができ、粘度を小さくすることができる。またアルケニルとしては、二重結合が奇数位にあるとき、その立体配置がシス配置であることが好ましく、二重結合が偶数位にあるとき、その立体配置がトランスであることが好ましい。アルケニルにおいて複数の二重結合がある場合には、共役していない物が好ましい。Rがアルコキシの場合、酸素と酸素とが隣接することとなるため、化合物の安定性上好ましくない。
アルキルとしては、−CH、−C、−C、−C、−C11、−C13、−C15、−C17、−C19、−C1021が挙げられ;
アルコキシアルキルとしては、−CHOCH、−CHOC、−(CHOCH、−(CHOCが挙げられ;
アルケニルとしては、−CH=CH、−CH=CHCH、−CHCH=CH、−CH=CHC、−CHCH=CHCH、−(CHCH=CH、−CH=CHC、−CHCH=CHC、−(CHCH=CHCH、−(CHCH=CHが挙げられ;
アルケニルオキシアルキルとしては、−CHOCHCH=CH、−CHOCHCH=CHCH、−(CHO(CHCH=CHが挙げられ;
アルコキシアルケニルとしては、−CH=CHCHOCH、−CH=CHCHOC、−CHCH=CHCHOCHが挙げられる。
これらRの中でも、−CH、−C、−C、−C、−C11、−C13、−C15、−C17、−C19、−C1021、−CHCH=CH、−CHCH=CHCH、−(CHCH=CH、−CHCH=CHC、−(CHCH=CHCH、−(CHCH=CHが好ましい。
より好ましいRは、−CH、−C、−C、−C、−C11、および−C13である。
式(1−1)、および式(1−2)中の環G、および環Jは独立して、1,4−シクロヘキシレンまたは1,4−フェニレンであり、これらの環において−CH−は、−O−、−S−、−CO−、または−SiH−で置き換えられてもよく、任意の−(CH−は−CH=CH−で置き換えられてもよく、1,4−フェニレンにおいて−CH=は−N=で置き換えられてもよい。
これらの環が1,4−シクロヘキシレンであるときには、屈折率異方性(Δn)を小さくし、粘度を小さくすることができ、さらに、この液晶性化合物を液晶組成物に添加すると、ネマチック相の上限温度を高くすることができる。
またこれらの環が1,4−フェニレンであるときには、屈折率異方性(Δn)を比較的大きくすることができるとともに、配向秩序パラメーターを大きくすることができる。
環Gおよび環Jとしては、これらの中でも、1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、1,3−ジオキサン−2,5−ジイル、1,4−フェニレン、1,3−ピリミジン−2,5−ジイルが好ましく、1,4−シクロヘキシレン、1,4−フェニレンがより好ましい。
sおよびtは独立して、0、1、2または3であり、sとtの和は1、2または3である。環の数が少なくなると他の液晶性化合物との相溶性が向上するので、sとtの和は1または2が好ましい。
uは0、1、または2であり、vは1、2または3であり、uとvの和は1、2または3である。式(1−2)においてv=0の化合物は誘電率異方性(Δε)の絶対値が小さくなるため、vは1、2または3が好ましい。環の数が少なくなると他の液晶性化合物との相溶性が向上するので、uとvの和は1または2が好ましい。
sが2または3、uが2のとき、環Gは同一であっても異なってもよく、tおよびvが2または3のとき、2つの環Jは同一であっても異なってもよい。
式(1−2)において、vが0のとき、誘電率異方性(Δε)の絶対値が低下する。これは、(A)図のような結合時において、
Figure 0005392256
安定なコンフォメーションではテトラヒドロピランの酸素と2,3−ジフルオロ−1,4−フェニレンのフッ素が逆向きとなり、双極子モーメントが相殺されるので、誘電率異方性(Δε)が小さくなるためである。以上の理由から、vは1、2、または3であることが好ましい。
式(1−1)、または式(1−2)で示される液晶性化合物は、末端基RおよびR、環Gおよび環Jを上記範囲で適宜選択することにより、屈折率異方性(Δn)、誘電率異方性(Δε)などの物性を所望の物性に調整することも可能である。
本発明の式(1−1)または式(1−2)で示される液晶性化合物は、該式中のR,R,環Gおよび環Jに所定の基を導入することにより得られるが、このような基の導入は公知の一般的な有機合成法により行い得る。代表的な合成例は、新実験化学講座 14 有機化合物の合成と反応(1978年)丸善 あるいは第四版 実験化学講座 19から26 有機合成IからVIII (1991)丸善 等に記載の方法をあげることができる。
環を結合する方法の一例に関して、最初にスキームを示し、次にスキームを説明する。このスキームにおいて、MSGまたはMSGは少なくとも一つの環を有する1価の有機基である。スキームで用いた複数のMSG(またはMSG)は、同一であってもよいし、または異なってもよい。スキーム中の化合物(1A)は、式(1−1)または式(1−2)で示される液晶性化合物に相当する。

Figure 0005392256
アリールホウ酸(21)と公知の方法で合成される化合物(22)とを、炭酸塩水溶液とテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムのような触媒の存在下で反応させて化合物(1A)を合成する。この化合物(1A)は、公知の方法で合成される化合物(23)にn−ブチルリチウムを、次いで塩化亜鉛を反応させ、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウムのような触媒の存在下で化合物(22)を反応させることによっても合成される。
次に式(1−1)で表されるテトラヒドロピラン化合物を合成する方法の一例を下記のスキームに示す。初めにラクトン骨格を有する合成中間体(27)を合成するスキームを説明し、次いで(27)を出発物質としたテトラヒドロピラン化合物(30)を合成する方法の一例を述べる。

Figure 0005392256
化合物(24)から(27)において、Qは式(1−1)の構造単位である。構造単位はスキームに示した。これらの化合物におけるR、Jおよびtの記号の意味は、式(1−1)または(1−2)に記載した記号の意味と同一である。
すなわち、化合物(25)は、化合物(24)とシクロヘキシルアミンとの反応によって合成する。これらの反応は、好ましくはジエチルエーテル等の溶媒中、炭酸カリウムなどの塩基の存在下、室温から溶媒の沸点までの間の温度で行う。化合物(26)は、化合物(25)にアクリル酸エチルを付加させた後、脱保護することにによって合成する。この反応は、アクリル酸エチル自身を溶媒として用いるのが好ましいが、化合物(25)やアクリル酸エチルと反応しないトルエンなどを溶媒として使用しても良い。アクリル酸エチルの重合を防ぐため、ヒドロキノンなどの重合禁止剤を共存させることが好ましい。この反応は、通常のガラス反応器を用いる場合は室温から溶媒の沸点までの間の温度で行うが、ステンレス製オートクレーブなどの耐圧反応器を用いて溶媒の沸点以上の温度で反応を行うこともできる。付加反応が十分に進行した後、シュウ酸などの酸を添加することにより、シクロヘキシルアミンを脱離させ、化合物(26)を得る。化合物(27)は、化合物(26)の環化反応によって合成する。この反応は、好ましくはイソプロパノールなどの溶媒中、シアノ水素化ホウ素ナトリウムの存在下、室温程度の温度で行う。反応を促進させるために塩酸などの酸を添加してもよい。
出発物である化合物(24)は有機合成化学の方法に従って容易に合成することができる。
次に、化合物(30)に関する合成法の一例を示す。
Figure 0005392256
化合物(27)から(30)において、QまたはQは式(1−1)の構造単位である。構造単位はスキームに示した。これらの化合物におけるR、R、G、J、sおよびtの記号の意味は、式(1−1)または式(1−2)に記載した記号の意味と同一である。
すなわち、化合物(29)は、化合物(27)と化合物(28)との反応によって合成する。この反応は、好ましくはテトラヒドロフラン等の溶媒中、−30℃の温度で行う。化合物(30)は、化合物(29)をジクロロメタンなどの溶媒中、トリエチルシラン、三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体の共存下、−50℃以下の温度で反応させることによって合成する。
化合物(28)は有機合成化学の方法に従って容易に合成することができる。
式(1−2)で表されるテトラヒドロピラン化合物についても、同様の方法で合成することができる
本発明の液晶組成物は、本発明の式(1−1)または式(1−2)で示される化合物を成分Aとして含む必要がある。この成分Aのみの組成物、または成分Aと本明細書中で特に成分名を示していないその他の成分との組成物でもよいが、式(2)、式(3)、および式(4)より選ばれた少なくとも1種の化合物を含む成分B、式(5)より選ばれた少なくとも1種の化合物を含む成分C、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)、式(10)より選ばれた少なくとも1種の化合物を含む成分D、式(11)、式(12)および式(13)から選ばれた少なくとも1種の化合物を含む成分Eを加えることにより、種々の特性を有する本発明の液晶組成物が提供できる。
これらの成分は、目的の物性や用途に応じて任意に組み合わせることが可能であるが、好適な組み合わせとしては、成分A+成分B、成分A+成分C、成分A+成分D、成分A+成分B+成分E、成分A+成分C+成分E、成分A+成分D+成分Eを挙げることが出来る。
また、本発明に使用される液晶組成物の各成分は、各元素の同位体元素からなる類縁体でもその物理特性に大きな差異がない。
成分Bのうち、式(2)で示される化合物の好適例として式(2−1)から式(2−16)、式(3)で示される化合物の好適例として式(3−1)から式(3−112)、式(4)で示される化合物の好適例として式(4−1)から式(4−52)で表される化合物をそれぞれ挙げることができる。

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256
(式中、R、Xは前記と同じ意味を表す)
これらの式(2)から式(4)で示される化合物すなわち成分Bは、誘電率異方性(Δε)が正であり、熱安定性や化学的安定性が非常に優れているので、TFT用の液晶組成物を調製する場合に用いられる。本発明の液晶組成物における成分Bの含有量は、液晶組成物の全重量に対して1から99重量%の範囲が適するが、好ましくは10から97重量%、より好ましくは40から95重量%である。また式(11)から(13)で表される化合物(成分E)をさらに含有させることにより粘度調整をすることができる。
式(5)で示される化合物すなわち成分Cのうちの好適例として、式(5−1)から(5−64)で表される化合物を挙げることができる。

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256
(式中、RおよびXは前記と同じ意味を表す)
これらの式(5)で示される化合物すなわち成分Cは、誘電率異方性(Δε)が正でその値が非常に大きいのでSTN,TN用の液晶組成物を調製する場合に主として用いられる。この成分Cを含有させることにより、組成物のしきい値電圧を小さくすることができる。また、粘度の調整、屈折率異方性(Δn)の調整および液晶相温度範囲を広げることができる。さらに急峻性の改良にも利用できる。
STNまたはTN用の液晶組成物を調製する場合には、成分Cの含有量は0.1から99.9重量%の範囲が適用できるが、好ましくは10から97重量%、より好ましくは40から95重量%である。また、後述の成分を混合することによりしきい値電圧、液晶相温度範囲、屈折率異方性(Δn)、誘電率異方性(Δε)、及び粘度などを調整できる。
式(6)から式(10)より選ばれた少なくとも一種の化合物を含む成分Dは、垂直配向モ−ド(VAモ−ド)などに用いられる誘電率異方性(Δε)が負の本発明の液晶組成物を調製する場合に、好ましい成分である。
この式(6)から式(10)で示される化合物(成分D)の好適例として、それぞれ式(6−1)から式(6−5)、式(7−1)から式(7−11)、式(8−1)、式(9−1)から式(9−3)、および式(10−1)から(10−11)で表される化合物を挙げることができる。

Figure 0005392256
(式中、R,Rは前記と同じ意味を表す)
これら成分Dの化合物は主として誘電率異方性(Δε)の値が負であるVAモ−ド用の液晶組成物に用いられる。その含有量を増加させると、組成物のしきい値電圧が低くなるが、粘度が大きくなるので、しきい値電圧の要求値を満足している限り含有量を少なくすることが好ましい。しかしながら、誘電率異方性(Δε)の絶対値が5程度であるので、含有量が40重量%より少なくなると電圧駆動ができなくなる場合がある。
成分Dのうち式(6)で表される化合物は2環化合物であるので、主としてしきい値電圧の調整、粘度調整または屈折率異方性(Δn)の調整の効果がある。また、式(7)および式(8)で表される化合物は3環化合物であるので透明点を高くする、ネマチックレンジを広くする、しきい値電圧を低くする、屈折率異方性(Δn)を大きくするなどの効果が得られる。
成分Dの含有量は、VAモ−ド用の組成物を調製する場合には、組成物全量に対して好ましくは40重量%以上、より好ましくは50重量%から95重量%である。また、成分Dを混合することにより、弾性定数をコントロ−ルし、組成物の電圧透過率曲線を制御することが可能となる。成分Dを誘電率異方性(Δε)が正である組成物に混合する場合はその含有量が組成物全量に対して30重量%以下が好ましい。
式(11)、式(12)および式(13)で表わされる化合物(成分E)の好適例として、それぞれ式(11−1)から式(11−11)、式(12−1)から式(12−18)および式(13−1)から式(13−6)を挙げることができる。

Figure 0005392256

Figure 0005392256
(式中、RおよびRは前記と同じ意味を表す)
式(11)から式(13)で表される化合物(成分E)は、誘電率異方性(Δε)の絶対値が小さく、中性に近い化合物である。式(11)で表される化合物は主として粘度調整または屈折率異方性(Δn)の調整の効果があり、また式(12)および式(13)で表される化合物は透明点を高くするなどのネマチックレンジを広げる効果、または屈折率異方性(Δn)の調整の効果がある。
成分Eで表される化合物の含有量を増加させると液晶組成物のしきい値電圧が高くなり、粘度が低くなるので、液晶組成物のしきい値電圧の要求値を満たす限り、含有量は多いほうが望ましい。TFT用の液晶組成物を調製する場合に、成分Eの含有量は、組成物全量に対して好ましくは60重量%以下、より好ましくは40重量%以下である。また、STNまたはTN用の液晶組成物を調製する場合には、成分Eの含有量は、組成物全量に対して好ましくは70重量%以下より好ましくは60重量%以下である。
本発明の液晶組成物は、本発明の式(1−1)または(1−2)で示される化合物の少なくとも1種類を0.1から99重量%の割合で含有することが、優良な特性を発現せしめるために好ましい。
本発明の液晶組成物の調製は、公知の方法、例えば必要な成分を高温度下で溶解させる方法などにより一般に調製される。また、用途に応じて当業者によく知られている添加物を添加して、例えばつぎに述べるような光学活性化合物を含む本発明の液晶組成物(f)、二色性色素を添加したGH型用の液晶組成物を調製することができる。通常、添加物は当該業者によく知られており、文献などに詳細に記載されている。また、PSAモードの素子に適合させるため、重合可能な化合物、重合開始剤なども添加することが可能である。
本発明の液晶組成物(f)は、前述の本発明の液晶組成物にさらに1種以上の光学活性化合物を含有する。
光学活性化合物として、公知のキラルド−プ剤を添加する。このキラルド−プ剤は液晶のらせん構造を誘起して必要なねじれ角を調整し、逆ねじれを防ぐといった効果を有する。キラルド−プ剤の例として以下の光学活性化合物を挙げることができる。

Figure 0005392256
本発明の液晶組成物(f)は、通常これらの光学活性化合物を添加して、ねじれのピッチを調整する。ねじれのピッチはTFT用およびTN用の液晶組成物であれば40から200μmの範囲に調整するのが好ましい。STN用の液晶組成物であれば6から20μmの範囲に調整するのが好ましい。また、双安定TN(Bistable TN)モ−ド用の場合は、1.5から4μmの範囲に調整するのが好ましい。また、ピッチの温度依存性を調整する目的で2種以上の光学活性化合物を添加しても良い。
本発明の液晶組成物は、メロシアニン系、スチリル系、アゾ系、アゾメチン系、アゾキシ系、キノフタロン系、アントラキノン系、テトラジン系などの二色性色素を添加すれば、GH型用の液晶組成物として使用することもできる。
また、本発明の液晶組成物は、ネマチック液晶をマイクロカプセル化して作製したNCAPや、液晶中に三次元網目状高分子を形成して作製したポリマ−分散型液晶表示素子(PDLCD)例えばポリマ−ネットワ−ク液晶表示素子(PNLCD)用をはじめ、複屈折制御(ECB)型やDS型用の液晶組成物としても使用できる。
PSA(Polymer sustained alignment)モードの素子に適合させるために重合可能な化合物が組成物に混合される。重合可能な化合物の好ましい例は、アクリレート、メタクリレート、ビニル、ビニルオキシ、プロペニルエーテル、またはエポキシなどの重合可能な基を有する化合物である。特に好ましい例は、アクリレート、またはメタクリレートの誘導体である。重合可能な化合物の好ましい割合は、その効果を得るために、0.05重量%以上であり、不良表示を防ぐために10重量%以下である。さらに好ましい割合は、0.1重量%から2重量%の範囲である。重合可能な化合物は、好ましくは光重合開始剤などの適切な開始剤存在下でUV照射などにより重合される。重合のための適切な条件、開始剤の適切なタイプ、および適切な量は、当業者には既知であり、文献に記載されている。例えば光開始剤であるIrgacure651(登録商標)、Irgacure184(登録商標)、またはDarocure1173(登録商標)(チバ・ジャパン株式会社)がラジカル重合に対して適切である。重合可能な化合物は、好ましくは光重合開始剤を0.1重量%から5重量%の範囲で含む。特に好ましくは、光重合開始剤を1重量%から3重量%の範囲で含む。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例によっては制限されない。なお特に断りのない限り、「%」は「重量%」を意味する。
得られた化合物は、H−NMR分析で得られる核磁気共鳴スペクトル、ガスクロマトグラフィー(GC)分析で得られるガスクロマトグラムなどにより同定したので、まず分析方法について説明をする。
H−NMR分析
測定装置は、DRX−500(ブルカーバイオスピン(株)社製)を用いた。測定は、実施例等で製造したサンプルを、CDCl等のサンプルが可溶な重水素化溶媒に溶解し、室温で、500MHz、積算回数24回の条件で行った。化学シフトδ値のゼロ点の基準物質としてはテトラメチルシラン(TMS)を用いた。
GC分析
測定装置は、島津製作所製のGC−14B型ガスクロマトグラフを用いた。カラムは、島津製作所製のキャピラリーカラムCBP1−M25−025(長さ25m、内径0.22mm、膜厚0.25μm;固定液相はジメチルポリシロキサン;無極性)を用いた。キャリアーガスとしてはヘリウムを用い、流量は1ml/分に調整した。試料気化室の温度を280℃、検出器(FID)部分の温度を300℃に設定した。
試料はトルエンに溶解して、1重量%の溶液となるように調製し、得られた溶液1μlを試料気化室に注入した。
記録計としては島津製作所製のC−R6A型Chromatopac、またはその同等品を用いた。得られたガスクロマトグラムには、成分化合物に対応するピークの保持時間およびピークの面積値が示されている。
なお、試料の希釈溶媒としては、例えば、クロロホルム、ヘキサンを用いてもよい。また、カラムとしては、Agilent Technologies Inc.製のキャピラリカラムDB−1(長さ30m、内径0.32mm、膜厚0.25μm)、Agilent Technologies Inc.製のHP−1(長さ30m、内径0.32mm、膜厚0.25μm)、Restek Corporation製のRtx−1(長さ30m、内径0.32mm、膜厚0.25μm)、SGE International Pty. Ltd製のBP−1(長さ30m、内径0.32mm、膜厚0.25μm)などを用いてもよい。
ガスクロマトグラムにおけるピークの面積比は成分化合物の割合に相当する。一般には、分析サンプルの成分化合物の重量%は、分析サンプルの各ピークの面積%と完全に同一ではないが、本発明において上述したカラムを用いる場合には、実質的に補正係数は1であるので、分析サンプル中の成分化合物の重量%は、分析サンプル中の各ピークの面積%に対応をしている。
〔液晶性化合物等の物性値の測定試料〕
液晶性化合物の物性値を測定する試料としては、化合物そのものを試料とする場合、化合物を母液晶と混合して試料とする場合の2種類がある。
化合物を母液晶と混合した試料を用いる後者の場合には、以下の方法で測定を行う。まず、得られた液晶性化合物15重量%と母液晶85重量%とを混合して試料を調整する。そして、得られた試料の測定値から、下記式に示す式に示す外挿法にしたがって、外挿値を計算する。この外挿値をこの化合物の物性値とする。
〈外挿値〉=(100×〈試料の測定値〉−〈母液晶の重量%〉×〈母液晶の測定値〉)/〈液晶性化合物の重量%〉
液晶性化合物と母液晶との割合がこの割合であっても、25℃でスメクチック相である場合、または結晶が25℃で析出する場合には、液晶性化合物と母液晶との割合を10重量%:90重量%、5重量%:95重量%、1重量%:99重量%の順に変更をしていき、25℃でスメクチック相でなくなった組成、または結晶が25℃で析出しなくなった組成で試料の物性値を測定し上記式にしたがって外挿値を求めて、これを液晶性化合物の物性値とする。
上記測定に用いる母液晶としては様々な種類が存在するが、例えば、母液晶Aの組成は以下のとおりである。

Figure 0005392256
なお、液晶組成物の物性値を測定する試料としては、液晶組成物そのものを用いた。
〔液晶性化合物等の物性値の測定方法〕
物性値の測定は後述する方法で行った。これら測定方法の多くは、日本電子機械工業会規格(Standardsof Electric Industries Association of Japan)EIAJ・ED−2521Aに記載された方法、またはこれを修飾した方法である。また、測定に用いたTN素子またはVA素子には、TFTを取り付けなかった。
測定値のうち、液晶性化合物単体そのものを試料として得られた値と、液晶組成物そのものを試料として得られた値は、そのままの値を実験データとして記載した。化合物を母液晶に混合し試料として得られた場合には、外挿法で得られた値を外挿値とした。
相構造および転移温度(℃)
以下(1)、および(2)の方法で測定を行った。
(1)偏光顕微鏡を備えた融点測定装置のホットプレート(メトラー社FP−52型ホットステージ)に化合物を置き、3℃/分の速度で加熱しながら相状態とその変化を偏光顕微鏡で観察し、相の種類を特定した。
(2)パーキンエルマー社製走査熱量計DSC−7システム、またはDiamond DSCシステムを用いて、3℃/分速度で昇降温し、試料の相変化に伴う吸熱ピーク、または発熱ピークの開始点を外挿により求め(on set)、転移温度を決定した。
以下、結晶はCと表した。結晶の区別がつく場合は、それぞれCまたはCと表した。また、スメクチック相はS、ネマチック相はNと表した。液体(アイソトロピック)はIsoと表した。スメクチック相の中で、スメクチックB相、またはスメクチックA相の区別がつく場合は、それぞれS、またはSと表した。転移温度の表記として、例えば、「C 50.0 N 100.0 Iso」とは、結晶からネマチック相への転移温度(CN)が50.0℃であり、ネマチック相から液体への転移温度(NI)が100.0℃であることを示す。他の表記も同様である。
ネマチック相の上限温度(TNI;℃)
偏光顕微鏡を備えた融点測定装置のホットプレート(メトラー社FP−52型ホットステージ)に、試料(液晶組成物、または液晶化性合物と母液晶との混合 物)を置き、1℃/分の速度で加熱しながら偏光顕微鏡を観察した。試料の一部がネマチック相から等方性液体に変化したときの温度をネマチック相の上限温度とした。以下、ネマチック相の上限温度を、単に「上限温度」と略すことがある。
低温相溶性
母液晶と液晶性化合物とを、液晶性化合物が、20重量%、15重量%、10重量%、5重量%、3重量%および1重量%の量となるように混合した試料を作製し、試料をガラス瓶に入れる。このガラス瓶を、−10℃または−20℃のフリーザー中に一定期間保管したあと、結晶もしくはスメクチック相が析出しているかどうか観察をした。
粘度(バルク粘度;η;20℃で測定;mPa・s)
バルク粘度が小さいと応答時間が小さくなるという特徴がある。
E型回転粘度計を用いて測定した。
粘度(回転粘度;γ1;25℃で測定;mPa・s)
回転粘度が小さいと応答時間が小さくなるという特徴がある。
測定はM. Imai et al., Molecular Crystals and Liquid Crystals, Vol. 259, 37 (1995) に記載された方法に従った。2枚のガラス基板の間隔(セルギャップ)が20μmのVA素子に試料(液晶組成物、または液晶性化合物と母液晶との混合物)を入れた。この素子に30ボルトから50ボルトの範囲で1ボルト毎に段階的に印加した。0.2秒の無印加のあと、ただ1つの矩形波(矩形パルス;0.2 秒)と無印加(2秒)の条件で印加を繰り返した。この印加によって発生した過渡電流(transient current)のピーク電流(peak current)とピーク時間(peak time)を測定した。これらの測定値とM. Imaiらの論文、40頁の計算式(8)とから回転粘度の値を得た。なお、この計算に必要な誘電率異方性(Δε)は、下記誘電率異方性(Δε)で測定した値を用いた。
屈折率異方性(Δn;25℃で測定)
測定は、25℃の温度下で、波長589nmの光を用い、接眼鏡に偏光板を取り付けた
アッベ屈折計により行なった。主プリズムの表面を一方向にラビングしたあと、試料(液晶組成物、または液晶性化合物と母液晶との混合物)を主プリズムに滴下した。屈折率(n‖)は偏光の方向がラビングの方向と平行であるときに測定した。屈折率(n⊥)は偏光の方向がラビングの方向と垂直であるときに測定した。屈折率異方性(Δn)の値は、(Δn)=(n‖)−(n⊥)
の式から算出した。
誘電率異方性(Δε;25℃で測定)
よく洗浄したガラス基板にオクタデシルトリエトキシシラン(0.16ml)のエタノール(20ml)溶液を塗布した。ガラス基板をスピンナーで回転させたあと、150℃で1時間加熱した。2枚のガラス基板から、間隔(セルギャップ)が20μmであるVA素子を組み立てた。
同様の方法で、ガラス基板にポリイミドの配向膜を調製した。得られたガラス基板の配向膜にラビング処理をした後、2枚のガラス基板の間隔が9μmであり、ツイスト角が80度であるTN素子を組み立てた。
得られたVA素子に試料(液晶組成物、または液晶性化合物と母液晶との混合物)を入れ、0.5ボルト(1kHz、サイン波)を印加して、液晶分子の長軸方向における誘電率(ε‖)を測定した。
また、得られたTN素子に試料(液晶組成物、または液晶性化合物と母液晶との混合物)を入れ、0.5ボルト(1kHz、サイン波)を印加して、液晶分子の短軸方向における誘電率(ε⊥)を測定した。
誘電率異方性(Δε)の値は、(Δε)=(ε‖)−(ε⊥)の式から算出した。
<液晶性化合物の合成例>
[実施例1]
5−[4−(エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)シクロヘキシル]−2−ビニルテトラヒドロピランの合成(化合物No.7)
Figure 0005392256
第一工程
窒素雰囲気化の反応器中でメトキシメチルトリフェニルホスホニウムクロリド7.7gにTHF25mlをくわえ、−20℃に冷却し、t−BuOK2.5gを加え1時間撹拌した。ここへ4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキサンカルボアルデヒド5.0gのTHF50ml溶液を滴下し、1時間撹拌した。反応混合物を室温まで昇温し、水100mlを加えトルエン100mlで3回抽出した。得られた有機層を水洗した後、無水硫酸マグネシウム上で乾燥し、減圧下にて溶媒を約100mlまで濃縮し、濃縮した溶液をトルエン500mlに投入し、析出した固体をろ別し除いた。得られた溶液は減圧下溶媒を留去し、残留物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにて精製し、4.9gの1−エトキシ−2,3−ジフルオロ−4−[4−(2−メトキシビニル)−シクロヘキシル]−ベンゼンを得た。
第二工程
第一工程で得られた1−エトキシ−2,3−ジフルオロ−4−[4−(2−メトキシビニル)−シクロヘキシル]−ベンゼン4.9gをアセトン100mlに溶解させ、塩酸(4M)8mlを加え、室温で1時間撹拌した。水100mlを加え、トルエン50mlで3回抽出し、有機層をあわせて水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下にて溶媒を留去することにより、4.6gの[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−アセトアルデヒドを得た。
第三工程
第二工程で得られた[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−アセトアルデヒド4.6gをTHF100mlに溶解させ、氷冷下ピロリジン1.2gを加えた。炭酸カリウム2.0gを加え、室温で5時間撹拌した後、ろ過し、減圧下にて溶媒を留去することにより、5.5gの1−{2−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−ビニル}−ピロリジンを得た。
第四工程
窒素雰囲気化の反応器中で第三工程で得られた1−{2−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−ビニル}−ピロリジン5.5gをトルエン20mlに溶解させ、アクリル酸エチル5.7gおよびヒドロキノン0.3gを加えた。反応液を80℃で5時間撹拌した後、室温に冷却し、飽和シュウ酸水溶液50mlを加えた。この混合物をジエチルエーテル30mlで3回抽出し、有機層をあわせて水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下にて溶媒を留去した。残留物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにて精製し、5.7gの4−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−5−オキソ−ペンタン酸エチルエステルを得た。
第五工程
窒素雰囲気化の反応器中で第四工程で得られた4−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−5−オキソ−ペンタン酸エチルエステル5.7gにエタノール20mlとナトリウムシアノボロハイドライド0.4gを加え、塩酸(2M)でPHが約3になるよう調整し、室温で15時間撹拌した。水30mlを加え、トルエン20mlで3回抽出し、有機層をあわせて水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下にて溶媒を留去した。残留物をディーンスタークを備えたフラスコに入れ、トルエン100mlとp−トルエンスルホン酸一水和物0.1gを加え、ディーンスタークで溶媒を留去しながら1時間還流した。溶液を室温に冷却し、水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下にて溶媒を留去した。残留物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにて精製し、4.2gの5−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−テトラヒドロピラン−2−オンを得た。
第六工程
窒素雰囲気化の反応器中でトリメチルシリルアセチレン1.3gにTHF20mlを加え−70℃に冷却し、n−ブチルリチウム(約1.6mmol)8.5mlを滴下し、−70℃で1時間撹拌した。−70℃で第五工程で得られた5−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−テトラヒドロピラン−2−オン4.2gのTHF50ml溶液を滴下し、−70℃で1時間撹拌した後室温まで昇温し、飽和塩化アンモニウム水溶液50mlを加え分液した。水層をジエチルエーテル30mlで3回抽出し、有機層をあわせて水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下にて溶媒を留去した。残留物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにて精製し、4.8gの5−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−2−トリメチルシラニルエチニルテトラヒドロピラン−2−オールを得た。
第七工程
窒素雰囲気化の反応器中で第六工程で得られた5−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−2−トリメチルシラニルエチニルテトラヒドロピラン−2−オール4.8gにジクロロメタン100mlをアセトニトリル20mlを加え、−20℃に冷却した後、トリエチルシラン3.5mlを滴下し、続けて三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体1.8mlを滴下した。反応液を0℃まで昇温し、氷水50mlを加え、ジエチルエーテル30mlで3回抽出し、有機層をあわせて水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下にて溶媒を留去した。残留物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにて精製し、3.7gの{5−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−テトラヒドロピラン−2−イルエチニル}−トリメチルシランを得た。
第八工程
第七工程で得られた{5−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−テトラヒドロピラン−2−イルエチニル}−トリメチルシラン3.7gにメタノール40mlとジクロロメタン30mlを加え、0℃に冷却し、水酸化ナトリウム水溶液(1M)5mlを加えた。室温まで昇温し2時間撹拌した後、塩酸で中和し、減圧下にて溶媒を約30mlに濃縮した。残留物をジエチルエーテル20mlで3回抽出し、有機層をあわせて水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧下にて溶媒を留去した。残留物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにて精製し、2.6gの5−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−2−エチニルテトラヒドロピランを得た。
第九工程
第八工程で得られた5−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−2−エチニルテトラヒドロピラン2.6gにn−ヘプタン100ml、トルエン100ml、キノリン0.5mlおよびLindlar触媒0.05gを加えた。真空ポンプで反応容器を減圧にした後、水素を常圧で導入し、常温で90分撹拌した。反応液をろ過し、触媒を取り除いた後、減圧下に濃縮した。残留物ををシリカゲルカラムクロマトグラフィー、再結晶にて精製し、1.9gの5−[4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキシル]−2−ビニルテトラヒドロピランを得た。第一工程で用いた4−(4−エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)−シクロヘキサンカルボアルデヒドからの収率は29%であった。
H−NMR分析の化学シフトδ(ppm)は以下の通りであり、得られた化合物が、5−[4−(エトキシ−2,3−ジフルオロフェニル)シクロヘキシル]−2−ビニルテトラヒドロピランであることが同定できた。なお、測定溶媒はCDClである。
化学シフトδ(ppm);6.82(m,1H)、6.65(m,1H)、5.86(m,1H)、5.24(d,1H)、5.10(d,1H)、4.09(m,3H)、3.73(m,1H)、3.24(t,1H)、2.72(m,1H)、2.0−1.7(m,6H)、1.5−1.1(m,11H)。
得られた化合物(No.7)の相転移温度は以下の通りであった。
相転移温度:C 103.0 N 156.0 Iso。
[実施例2]
実施例1と同様な方法により、以下の化合物が製造できる。

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256

Figure 0005392256
[比較例1]
Figure 0005392256
化合物(b)を特許文献特開2000−8040号公報(チッソ株式会社出願)に記載の合成方法により合成した。
化合物の(b)のH−NMR分析の化学シフトδ(ppm)は以下の通りである。なお、測定溶媒はCDClである。
化学シフトδ(ppm);6.80(m,1H)、6.67(m,1H)、4.09(q,2H)、4.00(m,1H)、3.37(t,1H)、3.1−3.0(m,2H)、2.1−0.8(m,24H)。
化合物(b)の相転移温度は以下の通りであった。
相転移温度:C 65.2−65.5 N 140.0 Iso。
化合物(b)の15重量%と、母液晶Aの85重量%を含有する液晶組成物Bを調整した。得られた液晶組成物Bの物性値を測定し、測定値を外挿することで液晶性化合物(b)の物性の外挿値を算出した。その外挿値は以下のとおりであった。
上限温度(NI)=121.3℃;誘電率異方性(Δε)=−7.3;屈折率異方性(Δn)=0.107;粘度(η)=61.4mPa・s.
[実施例3]
化合物No.7の15重量%と、母液晶Aの85重量%を含有する液晶組成物Cを調整した。得られた液晶組成物Cの物性値を測定し、測定値を外挿することで液晶性化合物No.7の物性の外挿値を算出した。その外挿値は以下のとおりであった。
上限温度(NI)=131.6℃;誘電率異方性(Δε)=−7.6;屈折率異方性(Δn)=0.112;粘度(η)=61.6mPa・s
比較例1の化合物(b)と実施例1の化合物No.7を比較することにより、本発明の化合物No.7が高い上限温度および負に大きな誘電率異方性(Δε)を有している点で優れていることがわかった。
<液晶組成物の例>
本発明の代表的な組成物を実施例4から12にまとめた。最初に、組成物の成分である化合物とその量(重量%)を示した。化合物は下記の表1の取り決めに従い、左末端基、結合基、環構造、および右末端基の記号によって表示した。

Figure 0005392256
[実施例4]
V−DhHB(2F,3F)−O2 (化合物No.7) 12%

2−BB(3F)B−3 (12−6) 9%
V2−BB(3F)B−1 (12−6) 8%
3−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 18%
5−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 18%
5−HHB(2F,3F)−O2 (7−1) 12%
3−HBB(2F,3Cl)−O2 (7−9) 7%
2−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 8%
5−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 8%
NI=95.4℃;TC≦−20℃;Δn=0.140;η=35.8mPa・s.
[実施例5]
V−DhHB(2F,3F)−O2 (化合物No.7) 10%

2−BB(3F)B−3 (12−6) 8%
V2−BB(3F)B−1 (12−6) 7%
3−HB−O2 (11−5) 3%
3−HB(2F,3F)−O4 (6−1) 3%
3−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 17%
5−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 20%
3−HBB(2F,3Cl)−O2 (7−9) 10%
5−HBB(2F,3Cl)−O2 (7−9) 2%
3−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
5−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
NI=88.2℃;Δn=0.140;η=35.3mPa・s.
[実施例6]
V−DhHB(2F,3F)−O2 (化合物No.7) 12%

V2−BB(3F)B−1 (12−6) 5%
3−HBB(3F)B−3 (13−5) 3%
V2−BB−1 (11−8) 5%
1V−HBB−2 (12−4) 4%
V−HB(2F,3F)−O2 (6−1) 7%
3−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 20%
5−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 8%
3−HBB(2F,3Cl)−O2 (7−9) 10%
3−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
5−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 5%
V−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 11%
NI=93.0℃;Δn=0.141;η=36.0mPa・s.
[実施例7]
V−DhHB(2F,3F)−O2 (化合物No.7) 7%

2−BB(3F)B−3 (12−6) 3%
V2−BB(3F)B−1 (12−6) 5%
V2−BB−1 (11−8) 5%
3−HB(3F)BH−3 (13−2) 5%
3−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 18%
5−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 18%
2−HHB(2F,3Cl)−O2 (7−8) 3%
V−HHB(2F,3F)−O2 (7−1) 3%
3−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
4−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
V−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 8%
2−BB(2F,3F)B−3 (8−1) 5%
NI=90.5℃;Δn=0.140;η=36.8mPa・s.
[実施例8]
V−DhHB(2F,3F)−O2 (化合物No.7) 10%

2−BB(3F)B−3 (12−6) 5%
V2−BB−1 (11−8) 11%
V−HHB−1 (12−1) 3%
3−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 15%
5−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 15%
V2−HBB(2F,3Cl)−O2 (7−9) 3%
2−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
3−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
5−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 5%
V−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
1O1−HBBH−4 (13−1) 3%
NI=90.6℃;Δn=0.140;η=32.0mPa・s.
[実施例9]
V−DhHB(2F,3F)−O2 (化合物No.7) 9%

2−BB(3F)B−3 (12−6) 10%
3−HB−O2 (11−5) 3%
V2−BB−1 (11−8) 7%
3−HHEH−4 (12−12) 3%
3−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 15%
5−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 15%
2−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
3−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
4−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
V−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 5%
3−HBBH−3 (13−1) 3%
NI=92.1℃;Δn=0.141;η=34.1mPa・s.
上記組成物100部にOp05を0.25部添加したときのピッチは61.0μmであった。
[実施例10]
V−DhHB(2F,3F)−O2 (化合物No.7) 7%

2−BB(3F)B−3 (12−6) 7%
3−HB−O2 (11−5) 3%
V2−BB−1 (11−8) 14%
3−HHB−1 (12−1) 3%
3−HHEBH−4 (13−6) 3%
3−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 10%
5−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 10%
V2−HBB(2F,3Cl)−O2 (7−9) 8%
2−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
3−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 5%
4−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
5−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
NI=98.3℃;Δn=0.147;η=30.9mPa・s.
[実施例11]
V−DhHB(2F,3F)−O2 (化合物No.7) 8%

2−BB(3F)B−3 (12−6) 7%
V2−BB(3F)B−1 (12−6) 5%
3−HB−O2 (11−5) 12%
3−HHB−O1 (12−1) 3%
3−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 18%
2−HHB(2F,3F)−1 (7−1) 12%
2−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
3−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
4−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 5%
5−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
NI=98.9℃;Δn=0.141;η=34.5mPa・s.
[実施例12]
V−dhHB(2F,3F)−O2 (化合物No.77) 5%
V−DhHB(2F,3F)−O2 (化合物No.7) 5%

2−BB(3F)B−3 (12−6) 5%
V2−BB−1 (11−8) 11%
V−HHB−1 (12−1) 3%
3−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 15%
5−H2B(2F,3F)−O2 (6−3) 15%
V2−HBB(2F,3Cl)−O2 (7−9) 3%
2−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
3−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
5−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 5%
V−HBB(2F,3F)−O2 (7−5) 10%
1O1−HBBH−4 (13−1) 3%
本発明は、他の液晶材料との相溶性に優れ、負に大きなΔεの値を有する液晶性化合物を提供する。
また、本発明は、この液晶性化合物を成分として、その化合物を構成する環、置換基などを適当に選択することにより、所望の物性を有する上記の特徴を備えた新たな液晶組成物を提供し、さらにこの液晶組成物を用いて構成した液晶表示素子を提供する。

Claims (13)

  1. 式(1−1−1)で表される化合物。
    Figure 0005392256

    式中、Rは炭素数2から10のアルケニルであり、Rは炭素数1から10のアルキルであり、環Jは1,4−シクロヘキシレン、または1,4−フェニレンである。
  2. 成分Aとして、請求項1記載の化合物を少なくとも1種類含有する液晶組成物。
  3. 成分Bとして、式(2)、式(3)および式(4)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項に記載の液晶組成物。
    Figure 0005392256

    式中、Rは炭素数1から10のアルキル、または炭素数2から10のアルケニルであり、アルキルおよびアルケニルにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、これらにおいて任意の−CH−は−O−で置き換えられてもよく;
    はフッ素、塩素、−OCF、−OCHF、−CF、−CHF、−CHF、−OCFCHF、またはOCFCHFCFであり;
    環A、環A、および環Aは独立して、1,4−シクロヘキシレン、1,3−ジオキサン−2,5−ジイル、ピリミジン−2,5−ジイル、1−テトラヒドロピラン−2,5−ジイル、または任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレンであり;
    11、Z12、Z13、Z14、およびZ15は独立して、−(CH−、−(CH−、−COO−、−CFO−、−OCF−、−CH=CH−、−C≡C−、−CHO−、または単結合であり;
    およびLは独立して、水素またはフッ素である。
  4. 成分Cとして、式(5)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項に記載の液晶組成物。
    Figure 0005392256

    式中、Rは炭素数1から10のアルキル、または炭素数2から10のアルケニルであり、アルキルおよびアルケニルにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、これらにおいて任意の−CH−は−O−で置き換えられてもよく;
    は−C≡N、または−C≡C−CNであり;
    環B、環B、および環Bは独立して、1,4−シクロヘキシレン、任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレン、1,3−ジオキサン−2,5−ジイル、1−テトラヒドロピラン−2,5−ジイル、またはピリミジン−2,5−ジイルであり;
    16は−(CH−、−COO−、−CFO−、−OCF−、−C≡C−、−CHO−、または単結合であり;
    およびLは独立して、水素またはフッ素であり;
    qは0、1、または2であり、rは0または1である。
  5. 成分Dとして、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)、および式(10)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項に記載の液晶組成物。
    Figure 0005392256

    式中、RおよびRは独立して、炭素数1から10のアルキル、または炭素数2から10のアルケニルであり、アルキルおよびアルケニルにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、これらにおいて任意の−CH−は−O−で置き換えられてもよく;
    環C、環C、環C、および環Cは独立して、1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、任意の水素がフッ素で置き換えられてもよい1,4−フェニレン、6−テトラヒドロピラン−2,5−ジイル、またはデカヒドロ−2,6−ナフタレンであり;
    17、Z18、Z19、Z20、Z21、Z22、Z23、Z24、Z25、Z26、およびZ27は独立して、−(CH−、−COO−、−CHO−、−OCF−、−OCF(CH−、または単結合であり;
    およびLは独立して、フッ素または塩素であり;
    j、k、l、m、およびnは独立して、0または1であり、k、l、m、およびnの和は1または2である
  6. 成分Eとして、式(11)、式(12)、および式(13)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項に記載の液晶組成物。
    Figure 0005392256
    式中、RおよびRは独立して、炭素数1から10のアルキル、または炭素数2から10のアルケニルであり、炭素数2から10のアルキルおよびアルケニルにおいて任意の水素はフッ素で置き換えられてもよく、これらにおいて任意の−CH−は−O−で置き換えられてもよく;
    環D、環D、および環Dは独立して、1,4−シクロヘキシレン、ピリミジン−2,5−ジイル、1,4−フェニレン、2−フルオロ−1,4−フェニレン、3−フルオロ−1,4−フェニレン、または2,5−ジフルオロ−1,4−フェニレンであり;
    28、Z29、Z30、Z31、およびZ32は独立して、−C≡C−、−COO−、−(CH−、−CH=CH−、または単結合である。
  7. 請求項記載の式(5)で表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項に記載の液晶組成物。
  8. 請求項記載の式(11)、式(12)、および式(13)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項に記載の液晶組成物。
  9. 請求項記載の式(11)、式(12)、および式(13)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項に記載の液晶組成物。
  10. 請求項記載の式(11)、式(12)、および式(13)のそれぞれで表される化合物の群から選択される少なくとも1つの化合物をさらに含有する、請求項に記載の液晶組成物。
  11. 少なくとも1つの光学活性化合物をさらに含有する、請求項から1のいずれか1項に記載の液晶組成物。
  12. 少なくとも1つの酸化防止剤および/または紫外線吸収剤を含む請求項から1のいずれか1項に記載の液晶組成物。
  13. 請求項から1のいずれか1項に記載の液晶組成物を少なくとも1つ含有する液晶表示素子。
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