液晶材料的合成与应用

液晶材料的合成与应用

一、前言

随着人们对液晶的逐渐了解,发现液晶物质基本上都是有机化合物,现有的有机化合物中每200种中就有一种具有液晶相。

显示用液晶材料是由多种小分子有机化合物组成的,现已发展成很多种类,例如各种联苯腈、酯类、环己基(联) 苯类、含氧杂环苯类、嘧啶环类、二苯乙炔类、乙基桥键类和烯端基类以及各种含氟苯环类等。人们通常根据液晶形成的条件,将液晶分为溶致液晶( Lyot ropic liquid crystal s ) 和热致液晶( Thermot ropic liquid crystal s) 两大类。

将某些有机物放在一定的溶剂中,由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶,被称为溶致液晶。比如:简单的脂肪酸盐、离子型和非离子型表面活性剂等。溶致液晶广泛存在于自然界、生物体中,与生命息息相关,但在显示中尚无应用。

热致液晶是由于温度变化而出现的液晶相。低温下它是晶体结构,高温时则变为液体,这里的温度用熔点( Tm) 和清亮点( Tc ) 来标示。液晶单分子都有各自的熔点和清亮点,在中间温度则以液晶形态存在。目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液晶。在热致液晶中,又根据液晶分子排列结构分为三大类:近晶相(Smectic) 、向列相(Nematic) 和胆甾相(Cholesteric) 。

常见的甾核化合物胆固醇、胆酸是生命体内的重要成分，应用于生物材料中将会提高材料的生物相容性[1]。同时，胆固醇也是一种非常重要的液晶基元，胆甾醇羧酸酯是发现最早和研究得最多的手性液晶材料之一，在一定条件下其会随温度、磁场、电场、机械应力、气体浓度的变化而发生色彩的变化，可用于制作液晶温度计、气敏元件、电子元件、变色物质等，还可用于无损伤探伤、微波测量、治病诊断、定向反应等化学、化工、冶金、医学等领域[2]。不仅如此，某些胆甾醇酯类化合物作为乳化剂等在食品，化妆品领域有重要应用。

胆甾醇酯类化合物可由羧酸与醇直接酯化反应制得，但传统的酸催化方法酯化收率很低。因此近来国内外开发了各种新方法，如酰氯酯化法,酸酐酯化法[3]二环己基碳二亚胺（DCC）脱水酯化法,等以及最近的酶催化酯交换法、固体碱（如MgO、ZnO等）催化酯交换法。

二、实验目的

①了解液晶材料的结构特点、制备方法与应用。

②掌握DCC法合成胆固醇丙酸（苯甲酸）酯液晶材料的操作技术。

③学会通过紫外光谱等手段来分析鉴定核酸的纯度。

三、实验原理

在胆固醇酯类液晶的合成中，采用操作复杂，路线较长的酰卤路线，但传统的酰化法会产生大量的腐蚀性气体，如二氧化硫，氯化氢气体，造成环境污染以及腐蚀设备等缺点，且存在原料酰氯需要现制现用、副产物HCl去除麻烦、整体合成路线长等问题。

采用操作温和、路线短的二环己基碳二亚胺（简称DCC）缩合法已是趋势，反应原理如下：

在二环己基碳二亚胺（简称DCC）缩合法合成胆固醇酯类液晶过程中，多使用3级有机碱进行催化，特别吡啶的衍生物，如4-二甲氨基吡啶（简称DMAP）、4-吡咯烷基吡啶。不足的是，DMAP等吡啶的衍生物价格昂贵，虽可依据其催化机理用便宜的N,N-二甲基苯胺作为3级有机碱进行替代，但耗时长、产率低。

四、仪器与药品

（1）实验仪器

有机合成实验玻璃仪器一套（含蒸馏、抽滤设备等）、磁力搅拌器、显微熔点仪、载玻片、盖玻片

（2）实验试剂

胆固醇、有机碱4-二甲氨基吡啶（简称DMAP）、丙酸、二环己基碳二亚胺（简称DCC）、二氯甲烷、石油醚、乙醚、薄层检测用硅胶GF

、95%乙醇、HCl

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溶液（1mol/L）、NaOH溶液、蒸馏水、无水硫酸镁。

三、实验步骤与现象；

①Rf的测定

Rf是色谱法中表示组分移动位置的一种方法的参数。定义为溶质迁移距离与流动相迁移距离之比。在一定的色谱条件下，特定化合物的Rf值是一个常数，因此有可能根据化合物的Rf值鉴定化合物。

溶质迁移距离 2.3cm

Rf= = = 0.76

流动相迁移距离 3.0cm

②熔点的测定

测定熔点，刚开始熔化为121℃，

完全熔化130℃。这与文献中的102℃相差较远，所测温度有所提高。

③产率的计算

理论值：所用胆固醇的物质的量为0.005mol，生成0.005mol胆固醇丙酸酯胆固醇丙酸酯的摩尔质量为442.72g/mol

m=442.72g/mol×0.005mol=2.21g

产率：称量产物质量3.52g

3.52g

产率= = 159%

2.21g

由于产物没有烘干，里面含有非常多的水分，因此所称得的质量非常不准确，因此这个产率是不正确的。

五、结果与讨论

受到自身性质影响，亲脂性强的成分在流动相中分配的多一些，随流动相移动的速度就快一些；亲水性强的成分在固定相中分配的多一些，随流动相移动的速度就慢一些。在做薄层分析时，溶质中还含有未反应完全的二环己基碳二亚胺（简称DCC）和生成的酰脲，亲脂性强的成分在流动相中分配的多一些，随流动相移动的速度就快一些，因此在本次实验中溶质迁移距离2.3cm，Rf值为0.76，比理论值0.7要大一点。

起始温度对熔点的影响起始温度偏高, 升温速度又快, 热量往往来不及传递, 使熔点值偏高。起始温度过低, 预热时间过长, 升温速率对熔点的影响对熔点测定结果的影响经典的方法是通过导热介质传导到水银温度计上, 通过读取温度计读数确定熔点。这样, 读取的温度和样品的真实温度是有一定差异的。同时, 理论上纯净样品在熔化过程中的有限时间内, 温度应维持常数, 而实际上样品量是极微的, 而加热器的热容量却很大, 因此, 测量过程中加热器将继续线性上升。升温速度越快, 得到的熔点结果也越高。在本次实验过程中，由于初次接触熔点仪，掌握不住控温和升温的技巧，所以在每分钟内升温的速度非常快，这样造成了测定的熔点比实际的要高。文献值胆固醇丙酸酯的熔点为102℃。为保证测定结果的一致性, 《中国药典》规定升温速率为每分钟上升1.0~ 1.5℃ , 熔融同时分解的样品升温速率为每分钟2.5~ 3.0℃[ 6]。

DCC 法具有反应条件温和、合成路线短等优点，在胆甾醇酯合成的报道中用得最多。该方法主要是用有机酸和胆甾醇，在脱水剂DCC作用下合成胆甾醇酯，通常还加入除水促进剂。除水促进剂可大大加速反应的速度，同时提高反应的产率。DCC法中用到的除水促进剂有4-二甲基吡啶（DMAP）、4-吡咯烷基吡啶、2,4,6-三甲基吡啶盐酸盐、N,N-二甲基苯胺等。其中DMAP 最常见，但其价格昂贵。为了有利于脱水缩合，DCC法合成胆甾醇酯时一般采用无水二氯甲烷作为反应的溶剂。