液晶材料的合成及其应用

华南师范大学实验报告学生姓名学号专业化学（）年级、班级课程名称综合化学实验实验项目液晶材料的合成及其应用实验指导老师实验时间2013年月日课件密码：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(Lyotropicliquidcrystals)和热致液晶(Thermotropicliquidcrystals)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。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、N,N-二甲基苯胺、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GF254、95%乙醇、HCl溶液（1mol/L）、NaOH溶液（1mol/L）、蒸馏水、无水硫酸镁。五、实验步骤与现象；步骤现象DCC法合成胆固醇丙酸酯在干燥的带有磁力搅拌子烧瓶中，加入胆固醇(1.93g，0．005mol)、脱水剂二环己基碳二亚胺（简称DCC）(1.24g,0.0056mol)、丙酸0.4ml、催化剂（除水促进剂N,N-二甲基苯胺0.15ml）、溶剂二氯甲烷100mL、在常温下搅拌。呈浑浊白色溶液状搅拌下反应20-24h后，以30份石油醚和一份乙醚混合液为展开剂，薄层检测反应终点。在紫外灯的照射下，能观察到溶质的颜色为紫红色反应结束后抽滤，除去未反应完全的二环己基碳二亚胺（简称DCC）和生成的酰脲，用HCl溶液溶液（1mol/L）、NaOH溶液（1mol/L）、蒸馏水（各50mL）分别洗涤滤液后，然后加入无水硫酸镁干燥。用HCl溶液溶液洗涤时，静置，溶液分两层，上层澄清，下层浑浊。用NaOH溶液洗涤时，静置，溶液分两层，上层浑浊，下层澄清。用蒸馏水洗涤，刚开始时，静置，溶液分三层，上层澄清，中间有白色泡沫，下层是淡黄色液体，后来，中间白色泡沫消失，溶液分为两侧。蒸馏除去溶剂二氯甲烷后的黄色油状粗产品，加入无水乙醇重结晶，抽滤，干燥。蒸馏一段时间后，烧瓶中有白色固体出现，最后得到白色晶体，由于并没有完全干燥，得到的并不是针状晶体，而是块状产物鉴定称重，计算产率，测定熔点。称重得到产物的质量为1.36g测定熔点，刚开始熔化为133℃，完全熔化136℃。六、数据处理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Rf==0.38流动相迁移距离②熔点的测定测定熔点，刚开始熔化为133℃，完全熔化136℃。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/molm=442.72g/mol×0.005mol=2.21g产率：称量产物质量1.36g1.36g产率=*100%=61.5%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，因此这个产率是有误差的。七、结果与讨论1.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，但是在本次实验中Rf值为0.38，比理论值0.7要小很多，说明产品纯度远不够。这可能是实验过程中操作不当造成的，实验过程中在展开板上滴的样品太多、展开液的高度太高，这些因素都可能导致误差。2.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。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（133-136）比实际的要高。文献值胆固醇丙酸酯的熔点为102℃。3.实验制得产率为61.5%，比较低，说明产物中混有杂质，这也是导致Rf值偏小的原因之一。参考文献[1]王良御，廖松生.液晶化学[M].北京：科学出版社，1988[2]李全，刘复初.几种胆甾型液晶材料的合成[J].云南化工，1994,2:3-5