液晶化合物合成及性能研究綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

鄭敏燕 魏永生 耿薇 黃四平

摘 要:設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)“液晶化合物的合成及性能研究”,通過該實(shí)驗(yàn)的教學(xué),可使學(xué)生掌握復(fù)雜有機(jī)化合物的合成及結(jié)構(gòu)表征的一般方法和技巧,從而培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)。

關(guān)鍵詞:綜合實(shí)驗(yàn)液晶

中圖分類號:TQ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0232-01

綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)是指在化學(xué)一級學(xué)科層面上建立的全新的內(nèi)容交叉、技術(shù)綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將比較多的基本理論、基本實(shí)驗(yàn)技能融合貫通在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中,從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)、實(shí)際操作技能和創(chuàng)新能力的目的。通過綜合實(shí)驗(yàn)的開展,可以使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力得到培養(yǎng)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)“液晶化合物的合成及性能研究”,通過該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)施,可以訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的技能、查閱文獻(xiàn)的能力、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力、操作使用現(xiàn)代分析儀器的能力以及譜圖解析的能力,為學(xué)生盡快適應(yīng)今后的工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

了解液晶化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn);掌握復(fù)雜有機(jī)化合物合成的一般實(shí)驗(yàn)方法,掌握應(yīng)用類有機(jī)產(chǎn)品的合成技術(shù)和技巧;了解液晶類化合物所具有的熱性能及偏光性能特點(diǎn);理解差熱掃描量熱分析和偏光顯微技術(shù)的原理及其在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用;了解紅外、質(zhì)譜、核磁、元素分析等現(xiàn)代波譜分析技術(shù)在液晶化合物研究中的應(yīng)用。

2實(shí)驗(yàn)原理

所謂液晶態(tài)是指某類晶體受熱熔融(熱致性)或被溶劑溶解(溶致性)后,失去了固體的剛性,轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w,但仍保留晶態(tài)分子的有序排列,呈各向異性,形成兼有晶體和液體性質(zhì)的過渡狀態(tài),處于這種狀態(tài)的物質(zhì)稱為液晶。迄今為止已發(fā)現(xiàn)了數(shù)十萬種以上的液晶物質(zhì),已發(fā)現(xiàn)的液晶相也多達(dá)20余種[1]。

就形成液晶的環(huán)境條件而言,液晶可分為熱致液晶和溶致液晶。溶致液晶是由于溶液濃度的改變而形成的液晶態(tài),一般是雙親化合物與極性溶劑組成的二元或多元體系。形成溶致液晶體系的化合物除溶劑外,通常要求分子具有雙親性質(zhì),即分子一端具有親水性,另一端具有疏水性,如脂肪酸鹽、油酸鹽、烷基磺酸鹽、銨基化合物以及磷脂、糖鞘脂類化合物等。溶致液晶的形成主要依賴于雙親分子間的相互作用、極性基團(tuán)間的靜電力和疏水基團(tuán)間的范德華力。此類液晶通常不用于顯示材料[2](如圖1)。

熱致液晶是溫度變化時(shí)形成的液晶態(tài)物質(zhì),這類液晶可用于顯示材料[3]。例如:手表、液晶電視、電腦顯示器所用材料就是熱致液晶。在這類液晶分子結(jié)構(gòu)中,中心橋鍵為酯基時(shí),該類液晶稱為酯類液晶。酯類液晶主要分為二苯單酯,二苯雙酯,三苯雙酯,三苯三酯,聯(lián)苯酯,苯基環(huán)己烷聯(lián)苯酯等。酯類液晶與聯(lián)苯類液晶及苯基環(huán)己烷液晶有很好的互溶性,可用于配制混合液晶材料,酯類液晶有更好的外觀和更寬的相變范圍,品種繁多[4]。

3儀器和試劑

普通有機(jī)合成用玻璃儀器及電熱套、攪拌器等一套;差熱掃描量熱儀;偏光顯微鏡(帶顯微熱臺);紅外光譜儀;高效液相色譜儀;真空干燥箱。

對苯二酚;4-戊基苯甲酸;SOCl2(用前新蒸);二氯甲烷;苯;三乙胺;N,N-二甲基甲酰胺(DMF);無水乙醇;無水硫酸鈉;稀鹽酸(10%);氫氧化鈉溶液(5％);無水氯化鈣;四氫呋喃;甲醇(分析純)。

4實(shí)驗(yàn)參考方案

4.1 液晶化合物的合成

取100mL三頸瓶一個(gè),加干燥及氣體回收裝置。加入4-戊基苯甲酸3.8g(20mmol),干燥的苯50mL,SOCl23.0g(25mmol),加入DMF2-3滴,回流4h,減壓蒸餾除去苯及SOCl2,得棕紅色油狀液體,稱量后計(jì)算第一步產(chǎn)率,產(chǎn)品不用純化直接用于下一步反應(yīng)。

稱取對苯二酚1.3g(1.2mmol)于三頸燒瓶中,加入苯20mL,冰浴下加入吡啶4mL,攪拌至反應(yīng)液澄清,滴加由酰氯與20mL苯配成的溶液,滴加完畢后,把滴液漏斗換為溫度計(jì),回流2～3h,反應(yīng)液倒入稀HCl溶液中,分別用水洗6～7次,5%NaOH溶液洗,然后再用水洗至無堿性,濾液用無水Na2SO4干燥,減壓除去溶劑,得白色固體若干,用無水乙醇重結(jié)晶,干燥后稱量,計(jì)算總產(chǎn)率。

4.2 液晶化合物純度及結(jié)構(gòu)鑒定

視實(shí)驗(yàn)室的條件,可以采用高效液相色譜鑒定化合物的純度(甲醇為流動(dòng)相,C18色譜柱,紫外檢測器);用紅外光譜,質(zhì)譜,元素分析及核磁波譜表征化合物的結(jié)構(gòu)。

4.3 化合物液晶性質(zhì)測定

用DSC測定化合物的熔點(diǎn)及液晶相變區(qū)間,在偏光顯微鏡下觀察化合物的液晶相區(qū)間并與DSC結(jié)果進(jìn)行比較。

4.4 注意事項(xiàng)

(1)該反需在無水條件下進(jìn)行,反應(yīng)容器必須干凈干燥;(2)二氯亞砜腐蝕性極強(qiáng),且易吸水,使用時(shí)應(yīng)避免皮膚接觸。

參考文獻(xiàn)

[1] 王興久.液晶光學(xué)和液晶顯示[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[2] 彼得.J.柯林斯著.阮麗真譯.液晶[M].上海:上海科技教育出版社,2002.

[3] 李建,安忠維,楊毅.TFTLCD用液晶顯示材料進(jìn)展[J].液晶與顯示,2002,17(2):104～111.

[4] 高嬡嬡,沈?qū)?安忠維.4-烷基環(huán)己基苯甲酸酯類液晶合成工藝研究[J].合成化學(xué),2002,10(3):228～231.