含氟甾體液晶研究

沈悅海 李繼響 馬亞云 聞建勛*

（1.昆明理工大學，昆明 650500；2.上海天問化學有限公司，上海 200232）

甾類化合物是最早發現的一類液晶[1]。19世紀以來，甾類化合物的化學結構與液晶性質間的關系一直受到關注，研究者們已合成了多種甾類液晶[2]。目前甾類液晶的主要用途是作為液晶配方中的添加劑，以在非手性的向列相液晶中引入手性[3]。近年來發現含有甾體結構片段的異二核液晶 （steryl-containing hetero-dimer liquid crystals）具有復雜的相變性質，常呈現多種新相態如藍相（blue phase）和TGB相（twist grain boundary phases）等，是目前較活躍的研究領域[4]。

Yang等人于1992年發現，膽甾相液晶在0電場下出現多穩定相態織構現象后，反射式膽甾相液晶顯示（Ch-LCD）已經發展成為一種新型的顯示模式[5]。它具有0電場記憶特性，能耗很小。因為不需要偏振片及背光源，具有高的反射能力及寬視角，因此能夠實現類似紙張一樣的閱讀效果，特別適用于電子書籍閱讀器、商業廣告等領域。

一般來說，甾類液晶可劃分為3個結構單元，即3β-取代基、17β-側鏈和甾核。甾核中的4個環均為剛性的反式稠合，3β-取代基和17β-側鏈位于甾核所處的平面內，使整個分子呈較規則的帶狀。甾類液晶的立體構型符合棒狀分子液晶化合物的特征，即包含1個剛性核和1個或2個柔性側鏈，其中剛性核可以是甾核本身，如膽甾烯基己酸酯，但有時3β-取代基也是剛性核的組成部分，如膽甾烯基己酸酯（Cr 99.5 N*101.5 I。Cr，晶相；N*，手性向列相；I，各向同性液體）

但有時3-取代基也是剛性核的組成部分，如膽甾烯基苯甲酸酯

在相變性質方面，甾類液晶有其獨特之處，分子間側向作用力通常較弱，而末端作用力較強，因此多呈現手性向列相（舊稱膽甾相），只有當分子中存在較長端鏈時才出現近晶相。這可能由于甾類液晶結構上的特殊性引起。首先，甾核基本上是飽和的碳氫體系，可極化性弱，削弱了分子間相互作用；其次，甾核上的18-和19-角甲基與分子平面垂直，使分子間不易形成緊密堆積；另外，與1,4-環己基和連二環己基等對稱的液晶核不同，甾核的D環一帶形狀并不規則，雖然21-甲基的存在限制了17-側鏈的自由旋轉，使其能保持在甾核所處平面內，但也在一定程度上增加了整個分子的寬度，影響了分子間的側向作用力。

甾類液晶的制備一般以天然的甾體化合物為原料，如膽甾醇

其中膽甾醇最為常用。膽甾醇本身并非液晶化合物，但經酯化等修飾后即具有良好的液晶性，因此目前對膽甾醇衍生物的認識已比較深入。另一方面，天然甾體化合物來源較為有限，且甾體的結構改造比較困難，制約了對其他結構類型的甾類液晶的研究。盡管在上世紀60和70年代因液晶逐漸實用化而掀起的研究熱潮中，甾類液晶的研究也曾有一個小高峰，涌現了一些開拓性的工作，如Pohlmann等對17-側鏈構效關系的研究[6]。但總的來說，在甾核和17-側鏈的構效關系方面仍有待深入的研究。

筆者等在甾類液晶方面的工作主要基于如下考慮：

1）甾類液晶3β-取代基的構效關系。近年來含氟液晶的研究非常活躍，筆者在這一領域也進行了大量的工作，基于這些工作，可將氟代芳基和全氟烷基等含氟官能團引入甾類液晶的3β-取代基中，以考察對構效關系的影響。

2）甾類液晶17-側鏈的構效關系。豬去氧膽酸是易得的天然甾體之一，能較為便捷地轉化為具有平面構型的3β-羥基-5-膽烯酸，通過不同的方法改造其17-側鏈，可考察不同基團對其構效關系的影響。

如下為目標化合物的總體設計方案，以及一些具有代表性的化合物系列（Me為甲基）：

1 化合物的合成路線

目標化合物的制備通法：

甾醇羧酸酯類化合物可由相應的甾醇和羧酸經酯化反應得到。膽甾烯基碳酸酯和胺基甲酸酯可由膽甾烯基氯甲酸酯和相應的苯酚或苯胺反應得到。

試劑與條件：a.二環己基碳二亞胺（DCC），二甲基氨基吡啶，四氫呋喃（THF，羧酸酯制備）；b.三乙胺，二氯甲烷（碳酸酯和氨基甲酸酯制備）。

目標化合物制備所需關鍵中間體的合成方法：以多氟溴苯為原料，可經格氏試劑的不同反應，得到多氟苯甲酸、多氟肉桂酸和多氟苯酚等中間體：

試劑與條件：a.鎂，THF；b.二氧化碳，0℃；c.N, N-二甲基甲酰胺（DMF），0℃；d.丙二酸，哌啶，吡啶，25～115℃；e.硼酸三甲酯，-78℃；稀鹽酸；f.過氧化氫，乙醚。

含全氟烷基的苯甲酸、苯酚和苯胺等中間體則由相應的芳基碘化合物與全氟碘代烷反應得到（Rf為全氟烷基）：

試劑與條件：a.硫酸，甲醇；b.RfI，銅粉，DMF，120℃；c.氫氧化鉀，甲醇；d.乙酰氯，三乙胺，二氯甲烷。

17-側鏈全氟烷基化的甾醇的合成系由豬去氧膽酸出發，經4步反應轉化為3β-羥基-5-膽烯酸，再經脫羧和全氟烷基加成等步驟得到（Ts為對甲苯磺酰基）：

試劑與條件：a.硫酸，甲醇；b.對甲基苯甲酰氯，吡啶；c.乙酸鉀，DMF，水，110℃；d.氫氧化鉀，甲醇；e.乙酸酐，吡啶；f.四乙酸鉛，乙酸銅，苯，吡啶，回流；氫氧化鉀，甲醇；g.RfI，聯二亞硫酸鈉，碳酸氫鈉，二氯甲烷，水，40℃；氫化鋰鋁，THF。

而17-側鏈烷基化的甾醇則通過3β-羥基-5-膽烯酸17-側鏈的還原和銅催化的格氏反應獲得：

試劑與條件：a.二氫吡喃（DHP），對甲基苯磺酸，二氯甲烷；b.氫化鋰鋁，THF；c.對甲基苯磺酰氯，三乙胺，二氯甲烷；d.RMgBr，Li2CuCl4，THF；稀鹽酸。

另外，3β-羥基-5-膽烯酸的同系列直鏈烷基酯可通過酸催化酯化和羧酸鹽的烷基化反應得到：

試劑與條件：ROH，硫酸；或RBr，碳酸鉀，18-冠醚-6，DMF。

2 化合物的相變研究

通過偏光顯微觀察和差示掃描量熱法（DSC），較系統地研究了甾類化合物結構對其液晶性能的影響[7-14]。

2.1 酰基片段含氟代芳基的甾類液晶

2.1.1 甾醇多氟苯甲酸酯

甾醇多氟苯甲酸酯（化合物A）

的相變溫度列如表1。這些化合物均呈手性向列相（N*）。

對于膽甾烯基酯化合物（A1），對比A1-35與A1-345可看出，3β-苯甲酰氧基中對位氟代對化合物相變性質的影響。與A1-35相比，A1-345的熔點較高，但清亮點升高更多，液晶相溫區變寬。這可能是由于對位氟處在分子的軸向上，增大了分子的長寬比。另一方面，由化合物A1-34和A1-345則可看出間位氟代的影響。與膽甾烯基4-氟苯甲酸酯（Cr 152～154 N*227 I）相比，A1-34的熔點基本不變，清亮點有所下降；A1-345的清亮點進一步下降，熔點則有所上升。這是由于間位氟處于側向，其引入使分子的寬度增加，長寬比減小，導致液晶性下降。

表1 甾醇多氟苯甲酸酯（A）的相變性質Tab 1 Phase transition properties of sterol fluorine benzoate

進一步的分析可看出，化合物A1中對位和間位氟代影響的相對強弱。化合物A1-34同時含有對位和間位氟，其液晶性好于非氟母體膽甾烯基苯甲酸酯（Cr 145.8 N*180.7 I），說明對位氟對液晶相的穩定作用比間位氟對液晶相的抑制作用強得多。

對其他棒狀分子液晶體系的研究表明，當多氟苯環通過炔基、酰氧基、酯基和丙烯酯基與分子剛性核的其他部分連接時，氟取代位置的變化對液晶相態及其熱穩定性有較大影響。一般而言，對位取代能改善液晶相的熱穩定性，而鄰、間位取代均在不同程度上對液晶性不利，這與筆者在甾醇多氟苯甲酸酯系列中觀察到的現象一致。不同之處在于，甾醇多氟苯甲酸酯只呈現手性向列相，而在其他棒狀分子液晶體系中，氟代位置的不同有時會使相態發生改變。

膽甾烷基和7-去氫膽甾烯基多氟苯甲酸酯（A2和A3）也具有相似的規律。對于膽甾烷基酯，由于飽和碳架的可極化性較低，與其膽甾烯基類似物相比，熔點和清亮點均下降，液晶相溫區變窄。其中，膽甾烷基3,5-二氟苯甲酸酯A2-35轉變為單變液晶。而對于7-去氫膽甾烯基酯，盡管化合物本身受熱不穩定，但7-雙鍵的引入增大了分子的可極化性，使液晶性有所提高。

17-側鏈上末端基團的變化對化合物的液晶性有很大的影響。與A1相比，A4的熔點明顯升高，而N*-I相變點變化不大，使部分化合物（A4-35，A4-345）成為單變液晶。這可能由于24-酯基體積較大，在側鏈自由旋轉時需要更大的空間，減小了分子間作用力而引起。有趣的是，氟代位置的不同對A4液晶性的影響較A1顯著得多。A4-4的液晶相溫區寬度與膽甾烯基4-氟苯甲酸酯（Cr 152～154N*227 I）相仿，但對于A4-34，1個間位氟的引入使液晶相溫區急劇收窄。

化合物A5與A4相比，熔點升高，清亮點降低，液晶性進一步下降，這同樣由于B環中雙鍵的飽和減弱了分子間作用力而致。

2.1.2 甾醇氟代肉桂酸酯

甾醇氟代肉桂酸酯（化合物B）。

也呈手性向列相，其相變溫度列如表2。

與多氟苯甲酸酯（A）相比，本系列化合物的液晶性較好，熔點降低、清亮點提高，使液晶相溫區大幅擴展。分子中剛性核較長應是這一現象的原因。

本系列中B環飽和度對液晶性的影響隨著側鏈末端基團的改變而呈現不同的趨勢。對于膽甾醇衍生物B1、B2和B3，B環飽和度的增加使化合物的熔點上升、清亮點降低、液晶相溫區變窄；但在膽酸衍生物B4和B5中，B環的飽和使熔點和清亮點同時下降，液晶相溫區寬度基本不變。

此外，與化合物A相比，本系列中氟代位置變化對液晶性的影響較不明顯。在此，由于反式雙鍵的引入增長了分子的剛性核，使氟原子的位置變化對分子長寬比的影響相對減弱。

表2 甾醇多氟肉桂酸酯（B）的相變性質Tab 2 Phase transition properties of sterol fluorine cinnamic acid ester

2.1.3 甾醇氟代4-烷氧基苯甲酸酯

對于棒狀分子液晶，在分子中引入側向氟原子一般會降低清亮點溫度，甾醇氟代4-烷氧基苯甲酸酯（化合物C）

系列亦不例外，見表3。

式中：SN為額定容量，kVA；Di為鐵心內徑，m；lt為鐵心長度，m；nN為額定轉速，r/min；C為利用系數，kVA·m3·r/min；K為常數，K=1.35×10-6；A為定子電負荷，A/cm；Bδ為氣隙磁密，T。

表3 甾醇氟代4-烷氧基苯甲酸酯（C）的相變性質Tab 3 Phase transition properties of sterol fluorine 4-alkoxy benzoate

同側二氟取代的化合物C1與非氟母體膽甾烯基4-烷氧基苯甲酸酯

（見表4）相比，清亮點均有所下降，其中短碳鏈的化合物因熔點降幅更大，液晶相溫區得以擴展，但長碳鏈的化合物則相反。此外，C1中的側向氟代也抑制了近晶相的出現。上述現象可能由于側向氟取代使分子的長寬比減小，分子間的距離增大，分子間側向作用力減弱而導致。

表4 膽甾烯基4-烷氧基苯甲酸酯的相變性質Tab 4 Phase transition propertiesofcholestery 4-alkoxy benzoate

有趣的是，苯環上的單氟取代呈現非常不同的影響。與膽甾烯基4-烷氧基苯甲酸酯相比，間位氟代的化合物C3清亮點降低、熔點升高，仍出現近晶相；而鄰位氟代的化合物C4則相變溫度相差不大，但近晶相消失。

此系列中，膽甾烷基酯C2與膽甾烯基酯C1相比，B環雙鍵的飽和降低了液晶性，熔點上升、清亮點下降，導致液晶相溫區變窄。

對于膽酸衍生物，化合物C5和C6的對比也顯示B環雙鍵的飽和使液晶相溫區變窄。這與肉桂酸酯類似物B4和B5中的現象有所區別。

值得注意的是，膽酸衍生物C5和C6的清亮點與膽甾醇衍生物C1和C2相仿，但熔點低20～40℃，使液晶相溫區比后者更寬。這一現象顯示了膽酸衍生物的特殊性，其側鏈中的酯基在本系列中比烷基更有利于化合物的液晶性。

2.1.4 膽甾醇氟代苯基碳酸酯

膽甾醇氟代苯基碳酸酯系列（化合物D）

均呈單變的手性向列相，見表5。

表5 膽甾烯基多氟苯基碳酸酯（D）的相變性質Tab 5 Phase transition properties of cholestery fluorine phenyl carbonate

與膽甾烯基多氟苯甲酸酯（A1）相比，化合物D的液晶性明顯下降。這可能由于剛性的酯基被柔性的碳酸酯基代替，導致剛性核縮短而致。

在此系列中，氟取代對各化合物的N*—I相變溫度的影響由高到低依次為：

可以看出，在該系列中軸向上的對位氟能穩定液晶相，提高N*—I相變溫度，而側向上的間位和鄰位氟則均對液晶性不利，其中鄰位氟使液晶性下降更加明顯。

2.2 酰基片段含全氟烷基的甾類液晶

2.2.1 甾醇4-全氟烷基苯甲酸酯

甾醇4-全氟烷基苯甲酸酯（化合物E）系列均為互變液晶，見表6，且主要呈近晶相。

在膽甾烯基酯E1中，氟碳鏈較短的化合物E1-4除近晶A相外，還有一個溫區很窄的手性向列相；而氟碳鏈較長的化合物E1-6手性向列相消失，呈近晶A相和更加有序的近晶B相。化合物E1-8在DSC測定中，在熔點之上有2個熱焓較大的吸熱峰，表明有2個近晶相，但在偏光顯微觀測中難以觀察到清楚的織構，尚無法確認其具體歸屬。

表6 膽甾烯基4-全氟烷基苯甲酸酯（E）的相變性質Tab 6 Phase transition propertiesofcholestery 4-perfluoroalkyl benzoate

與膽甾烯基苯甲酸酯相比，化合物E1不僅液晶相溫區擴展，相態也發生改變。這可能由于氟碳鏈的親氟憎油特性，使分子間作用力的對比發生了變化，側向吸引力增強，有利于形成更加有序的相態。E系列中唯一的膽甾烷基酯E2-6呈近晶B相和手性向列相。與E1-6對照顯示了甾核中5-雙鍵的影響。E2-6的液晶相溫區較E1-6窄得多，且出現了1個溫區很窄的膽甾相，表明5-雙鍵的飽和減弱了分子間作用力；但同時SB相溫區變寬，可能因氟碳鏈對分子間作用力的貢獻相對增加引起。

2.2.2 膽甾烯基4-全氟烷基苯基碳酸酯和氨基甲酸酯

與含有氟碳鏈的苯甲酸酯系列（化合物E）相似，在膽甾烯基4-全氟烷基碳酸酯（化合物F）系列

氟碳鏈對液晶相的穩定作用相當明顯，見表7。

表7 膽甾烯基4-全氟烷基苯基碳酸酯（F）的相變性質Tab 7 Phase transition propertiesofcholestery4-perfluoroalkyl phenylcarbonate

含三氟甲基的碳酸酯F1-1呈單變的手性向列相，而氟碳鏈長度超過4個碳原子的化合物均為互變液晶，且氟碳鏈越長，液晶相溫區越寬。另一方面，氟碳鏈的增長也有利于形成更加有序的液晶相。化合物F1-4具有互變的近晶A相和手性向列相，而氟碳鏈更長的F1-6和F1-8呈互變的近晶A相和單變的近晶B相。這些現象也是由于氟碳鏈的特殊性質引起。

本系列中的氨基甲酸酯（化合物F2）的相變性質與其碳酸酯類似物有所區別，僅呈互變的近晶A相。這可能由于N—H鍵對分子間作用力貢獻引起。

2.3 含改造17-側鏈的甾類液晶

2.3.1 側鏈全氟烷基化氟代苯甲酸酯

17-側鏈全氟烷基化的氟代苯甲酸酯系列（化合物G）

均為互變手性向列相液晶，見表8。

表8 23-全氟烷基甾醇多氟苯甲酸酯（G）的相變性質Tab 8 Phase transition properties of 23-perfluoroalkyl sterol fluorine benzoate

與相應的膽甾烯基酯類似物（化合物A）相比，化合物G的熔點較低，清亮點較高，膽甾相溫區變寬，這說明側鏈上引入氟碳鏈有利于形成液晶相。與其他含有全氟烷基的化合物相似，氟碳鏈的增長使清亮點上升，液晶相溫區擴展。

在此系列中，3β-酰氧基中對位氟的引入能提高液晶性，而側向氟的引入則相反，這一現象與前述各系列呈現的規律相同。

2.3.2 側鏈全氟烷基化2,3-二氟代-4-烷氧基苯甲酸酯

側鏈全氟烷基化的2,3-二氟-4-烷氧基苯甲酸酯系列（化合物H）

的相變性質與其他甾類液晶系列相比非常特殊，手性向列相消失，且樣品在熔解后仍粘度很大，在偏光顯微觀測中難以觀察到清楚的織構，無法確認液晶相的具體歸屬。目前認為，該系列化合物呈近晶相，且溫區非常寬（清亮點超過分解溫度），但其具體性質尚待進一步研究，見表9。

表9 23-全氟烷基甾醇2,3-二氟-4-烷氧基苯甲酸酯（H）的相變性質Tab 9 Phase transition properties of 23-perfluoroalkyl sterol 2,3-difluoro-4-alkoxy benzoate

對比化合物H與G的相變性質，可以看出當側鏈帶有全氟烷基時，3β-酰氧基中引入烷基鏈有利于形成近晶相。這可能由于2端的烷基鏈和氟碳鏈使分子具有較強的雙親性，有利于形成層狀排列。

2.3.3 側鏈全氟烷基化直鏈烷酸酯

與化合物G和H相比，直鏈烷酸酯系列J

因分子中剛性核較短，液晶相的熱穩定性大為降低。見表10。

表10 23-全氟烷基甾醇直鏈烷酸酯（J）的相變性質Tab 10 Phase transition properties of 23-perfluoroalkyl sterol straight-chain alkyl ester

與膽甾烯基直鏈烷酸酯相似，化合物J也呈膽甾相和近晶相，但清亮點較高，液晶性更強。此外，J系列化合物更易形成近晶相，當烷基鏈較短時，化合物呈膽甾相，而長碳鏈的化合物則膽甾相消失，呈互變近晶A相，表明全氟烷基的引入明顯影響了化合物的相變性質。

2.3.4 側鏈全氟烷基化甾醇

值得一提的是，側鏈全氟烷基化的甾醇（化合物K）

本身也可能具有液晶性（表11）。

表11 23-全氟烷基甾醇（K）的相變性質Tab 11 Phase transition properties of 23-perfluoroalkyl sterol

氟碳鏈較長的化合物K6呈單變手性向列相相，表明全氟烷基的引入能促使分子形成更加有序的排列。

2.3.5 側鏈烴基化甾醇取代苯甲酸酯（化合物L）

側鏈烴基化甾醇取代苯甲酸酯系列化合物L1

系列均呈互變手性向列相，見表12。

表12 側鏈烴基化取代苯甲酸酯（L）的相變性質Tab 12 Phase transition propertiesofbenzoatewith alkyl replaced in side-chain

其中，側鏈直鏈烷基化的化合物（L1-1、L1-2、L2-1）與膽甾烯基類似物相比，熔點和清亮點降低，而液晶相溫區則變寬。另一方面，與前述側鏈全氟烷基化的化合物相比，側鏈直鏈烷基化的化合物的熔點和清亮點均較低，且不易形成近晶相，顯示了氟碳鏈和碳氫鏈對相變性質的不同影響。

L系列中，側鏈上帶有苯基的化合物（L1-3、L2-2）與膽甾烯基類似物比較，熔點上升、清亮點下降、膽甾相溫區變窄，表明側鏈上的苯基對化合物的液晶性不利。原因可能是側鏈的碳碳鍵自由旋轉時，碳鏈末端的苯環需要比烷基更大的空間，使分子間不易形成有序排列，導致液晶性下降。

2.3.6 膽酸側鏈直鏈烷基酯

與其甲基酯類似物A4-34對比，膽酸側鏈直鏈烷基酯（化合物M）

的液晶性減弱，見表13。

表13 3-3,4-二氟苯甲酰氧基-5-膽烯酸直鏈烷基酯（M）的相變性質Tab 13 Phase transition properties of 3-3,4-difluoro benzoxy-5-cholic acid straight-chain alkyl ester

但碳氫鏈長度的增加對清亮點和熔點有不同的影響，清亮點逐漸下降，無明顯的奇偶效應，而熔點則先下降，而后上升，顯示化合物的晶體結構可能有改變。與側鏈為直鏈烷基的化合物L1-1和L1-2相比，本系列中的側鏈酯基明顯削弱了化合物的液晶性。

3 典型中間體和目標化合物的合成

3.1 3,4-二氟苯甲酸

在一干燥100 mL三頸瓶上裝置恒壓滴液漏斗，氮氣保護下加入鎂屑385 mg（16.0 mmol）、無水THF15mL和1粒碘，滴液漏斗中加入3,4-二氟溴苯3.00 g（1.76 mL，15.5 mmol）和無水THF 15 mL。攪拌下將大約1/3的3,4-二氟溴苯溶液加入瓶中，待反應引發后，于20min內滴入剩余溶液。室溫攪拌2 h，鎂屑消失，生成淺棕黃色格氏試劑溶液。將所得溶液以冰鹽浴冷卻至約-15℃，通入經濃硫酸干燥的二氧化碳氣體，控制氣體流量使反應液溫度低于0℃。30 min后，加入稀鹽酸，乙酸乙酯萃取，有機層以飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得到白色晶體5.935 g，產率85%。

1H NMR（CDCl3，TMS）δ：11.86（s，1H），7.89（m，2H），7.24（m，1H）；19F NMR（CDCl3，TFA）δ：52.0（m，1F），59.6（m，1F）。

3.2 4-全氟己基苯甲酸甲酯

對-碘苯甲酸甲酯1.00 g（3.82 mmol）溶于10.0 mL無水DMF中，氮氣保護下加入活性銅粉0.97 g（15.3 mmol）和全氟碘己烷0.87 mL（1.79 g，4.02 mmol），加熱至125℃反應10 h。反應液冷卻后過濾，濾液加入乙酸乙酯，以水洗滌2次，有機層以飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得白色固體1.59 g，產率92%。

3.3 4-全氟己基苯甲酸

對-全氟己基苯甲酸甲酯1.43 g（3.15 mmol）、氫氧化鉀0.70 g（12.5mmol）、甲醇20mL和THF 10 mL混合，室溫攪拌1 d后傾入稀鹽酸中，乙酸乙酯提取3次，有機層合并，以飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑得淡黃色固體。乙醇重結晶得白色片狀晶體1.02 g，產率74%。

MS（m/z）：440（M+）。

3.4 膽甾烯基4-全氟己基苯甲酸酯

膽甾醇70 mg（0.181mmol）、對-全氟己基苯甲酸78 mg（0.177 mmol）、DCC 50 mg（0.242 mmol）和二甲基氨基吡啶2mg共溶于4.0mL鄰氯三氟甲基苯中，加熱至120～130℃攪拌2 d。反應液加入乙酸乙酯，過濾，有機層以飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得白色固體84mg，產率59%。

1H NMR（CDCl3，TMS）δ：8.19（d，2H，J=8.1 Hz），7.68（d，2H，J=8.1 Hz），5.55（d，1H，J=4.5 Hz），4.94（m，1H）；19F NMR （CDCl3，TFA）δ：3.5（m，3F），34.0（m，2F），44.5（m，4F），48.5（m，4F）；C40H49F13O2元素分析（EA）：計算值，C 59.40%，H 6.11%，F 30.54%；實際值，C 59.47%，H 6.21%，F 30.40%。

3.5 3β-羥基-5-膽烯酸

豬去氧膽酸甲酯35.0 g（85.7mmol）和對甲基苯甲酰氯（TsCl）75.0 g（396 mmol）溶于130 mL吡啶中，室溫攪拌2 d。反應液傾入冰冷的稀鹽酸中，攪拌3min后抽濾，冰水洗滌后干燥。所得淺棕色3α，6α-二對甲苯磺酰氧基豬去氧膽酸甲酯粗品和碳酸鉀80 g與500 mL DMF-H2O（體積比10:1）混合，加熱至110℃反應5 h。反應液冷卻后傾入冰冷的水中，抽濾，冰水洗滌后干燥。所得白色3β-乙酰氧基-5-膽烯酸甲酯粗品與氫氧化鉀20.0 g溶于300 mL甲醇中，室溫攪拌1 d。反應液傾入冰冷的稀鹽酸中，濾出固體，冰水洗滌后干燥。所得固體以乙酸乙酯重結晶2次得到淡黃色3β-羥基-5-膽烯酸純品18.0 g。3步總產率56.1%。

MS（m/z）：374（M+）；IR（KBr）（σ/cm-1）：3 352、2 938、1 697。

3.6 3β-乙酰氧基-5-膽烯酸

3 β-羥基-5-膽烯酸10.0 g（26.7 mmol）溶于15 mL吡啶中，加入乙酸酐15mL，室溫攪拌1 d。反應液傾入冰冷的稀鹽酸中，抽濾，冰水洗滌后干燥得淡黃色固體10.9 g，產率98.0%。

3.7 24-降-5,22-膽二烯-3β-醇乙酸酯

在500mL三頸瓶上接蒸餾裝置，瓶中加入3β-乙酰氧基-5-膽烯酸9.96 g（23.9 mmol）、二水合乙酸銅（II）1.2 g（6.0 mmol）、吡啶25 mL和苯400 mL，加熱蒸出部分溶劑至餾出液澄清。稍冷后將蒸餾裝置改為回流冷凝管，氮氣保護下加熱回流，分2次加入四乙酸鉛22.0 g（49.7 mmol），之間間隔12 h，反應24 h后中止。反應液稍冷，以一粗短硅膠柱過濾，乙酸乙酯洗滌。濾液以稀鹽酸和飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得產物5.70 g，回收原料2.87 g，轉化率71.2%，產率90.4%。

IR（KBr）（σ/cm-1）：1 733；1H NMR（CDCl3，TMS）δ：5.67（m，1H），5.37（d，1H，J=4.94 Hz），4.86（m，2H），4.60（m，1H）；C25H38O2EA：計算值，C 81.03%，H 1 0.34%；實際值，C 80.96%，H 10.62%；旋光度[α：-69.0（ρ=1.025 g/mL，CHCl3）。

3.8 24-降-5,22-膽二烯-3β-醇

24-降-5,22-膽二烯-3β-醇乙酸酯5.70 g（15.4 mmol）溶于150mL甲醇中，加入氫氧化鉀3.50 g（62.5 mmol），室溫攪拌1 d后傾入水和乙酸乙酯中。有機層以飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得24-降-5,22-膽二烯-3β-醇4.94 g，產率98%。乙醇重結晶得到鱗片狀白色晶體。

1H NMR（CDCl3，TMS）δ：5.67（octa，1H，J1=17.01 Hz，J2=10.00 Hz，J3=8.29 Hz），5.35 （d，1H，J=5.29 Hz），4.87（m，2H），3.53（m，1H）。

3.9 17β-（1-甲基-2-碘-3-全氟己基）丙基-5-雄甾烯-3β-醇

24-降-5,22-膽二烯-3β-醇1.046 g（3.18mmol）溶于10mL氯仿中，加入水50mL，氮氣保護下加熱至40℃。取質量分數88%的連二硫酸鈉5.20 g（26.3 mmol）和碳酸氫鈉2.60 g（30.9 mmol）混合均勻，與0.75 mL全氟碘己烷（1.547 g，3.35 mmol）一起分3次加入，之間間隔8 h，共反應24 h。冷卻，補加氯仿和水，分出有機層，以飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得白色固體1.242 g，產率50.4%。

MS（m/z）：774（M+）；19F NMR（CDCl3，TFA）δ：3.8（m，3F），36.2（m，2F），44.9（s，2F），45.9（m，2F），46.6（m，2F），49.3（m，2F）。

3.10 17β-（1-甲基-3-全氟己基）丙基-5-雄甾烯-3β-醇

17β-（1-甲基-2-碘-3-全氟己基）丙基-5-雄甾烯-3β-醇1.242 g（1.60mmol）溶于20mL無水THF中，常溫下滴入氫化鋰鋁200 mg（5.27 mmol）與10 mL無水TH的混合物中，反應5 h后緩慢加入稀鹽酸中止反應。乙酸乙酯提取2次，有機層合并，以飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得白色固體0.963 g，產率93%。

MS（m/z）：649（M++1）；IR（KBr）（σ/cm-1）：3 378，2 940，1 467，1 237，1 193；1H NMR（CDCl3，TMS）（δ/ ppm）：5.35（d，1H，J=4.55 Hz），3.73（m，1H），3.54（m，1H）；19F NMR（CDCl3，TFA）δ：3.86（m，3F），37.64（m，2F），45.08（s，2F），46.02（s，2F），46.51（m，2F），49.29（m，2F）。

3.11 3β-（2-四氫吡喃氧基）-5-膽烯-24-醇

3 β-羥基-5-膽烯酸7.00 g（18.7 mmol）溶于50 mL二氯甲烷中，冰浴冷卻下加入DHP 5.5 mL和對甲基苯磺酸TsOH 200mg。反應結束后，反應液以質量分數5%的NaHCO3溶液和飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑。所得白色固體溶于80mL無水THF中，常溫下滴入氫化鋰鋁2.00 g（52.7 mmol）與無水THF 60 mL的混合物中，反應5 h后緩慢加入飽和氯化銨溶液中止反應。乙酸乙酯提取2次，有機層以飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得白色固體 7.73 g，2步產率92.0%。

MS（m/z）：342，327，255，213，147，85；1HNMR（CDCl3，TMS）δ：5.46（d，1H，J=6.3 Hz），4.72（m，1H），4.04（t，2H，J=6.3 Hz），3.50（m，1H）；IR（KBr）（σ/cm-1）：3 397， 2 939，1 467。

3.12 3β-（2-四氫吡喃氧基）-5-膽烯-24-醇對甲苯磺酸酯

3 β-（2-四氫吡喃氧基）-5-膽烯-24-醇2.00 g（4.50mmol）溶于10mL二氯甲烷中，加入對甲基苯環酰氯TsCl 1.20 g（6.29mmol）和三乙胺1.00 mL（0.726 g，7.17mmol），室溫攪拌1 d。反應液以水和飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得白色固體2.57 g，產率95%。

MS（m/z）：496，481，374，255，213，145；IR（KBr）（σ/cm-1）：2 941，1 598，1 467，1 361，1 177。

3.13 24-戊基-5-膽烯-3β-醇

正溴戊烷0.37mL（451mg，2.98mmol）溶于5.0 mL無水THF中，滴入鎂屑80 mg（3.29 mmol）與無水THF 5.0mL的混合物中，室溫反應2 h。所得格氏試劑溶液以冰鹽浴冷至約-10℃，加入2.0mL的Li2CuCl4-THF溶液（0.1 mol/L），攪拌15 min后滴入3β-（2-四氫吡喃基）-5-膽烯-24-醇對甲苯磺酸酯300mg（0.501mmol）的無水THF溶液5.0mL。保溫反應2 h，升至室溫反應3 h。加入稀鹽酸中止反應，乙酸乙酯萃取，有機層以飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得白色固體163mg，產率79%。

MS（m/z）：415（M++1）；1H NMR（CDCl3，TMS）（δ/ ppm）：5.36（d，1H，J=4.5 Hz），3.54（m，1H）。

3.14 3β-羥基-5-膽烯酸甲酯

3 β-羥基-5-膽烯酸2.254 g（6.02 mmol）與甲醇80mL和濃硫酸5.0mL混合，室溫攪拌1 d。反應液傾入水中，乙酸乙酯提取2次，有機層以飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得產物2.292 g，產率98%。

MS（m/z）：388（M+）；IR（KBr）（σ/cm-1）：3 364.7，2 936.2，1 739.6。

3.15 3β-羥基-5-膽烯酸辛酯

3 β-羥基-5-膽烯酸400mg（1.07 mmol）溶于3.0mL的DMF中，加入正溴辛烷0.45mL（500 mg，2.59mmol）、碳酸鉀400mg（2.89mmol）和18-冠醚-6 5mg，室溫攪拌2 d。反應液傾入水中，乙酸乙酯提取，有機層以飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥后蒸除溶劑，柱層析得白色固體473mg，產率91%。MS（m/z）：486（M+）。

4 結束語

本研究以易于到手的甾體——豬去氧膽酸為原料。研究的膽甾相與常見文獻報道的膽甾相液晶不相同，人工合成的膽甾相液晶分子，手性碳原子是處在末端基短鏈上，液晶核中一般沒有手性碳原子。而甾體的4個手性碳原子中有3個在甾體核上。甾體液晶的結構單元分為3部分，即3取代基，17末端側鏈與剛性甾體核。

合成路線方面：

1）從豬去氧膽酸為原料轉化為3β-羥基-5-膽烯酸，再脫羧后與碘代氟烴反應，生成甾醇的17-側鏈氟烷基衍生物；

2）17-側鏈烷基化甾醇的合成。

結構與液晶相的關系：

1）甾醇多氟苯甲酸酯（化合物A）B環飽和的化合物液晶性差，可能是因為分子間引力比較小，B為Δ5,7的化合物液晶性最好，但是對熱不穩定。一般來說Δ5最好；

2）甾醇的氟代肉桂酸酯（化合物B）結構與液晶性的關系，與化合物A相同；

3）甾醇氟代4-烷氧基苯甲酸酯（C）中的C1-3、C1-4、C1-5、C1-8這4個化合物中，B環為Δ5液晶性最好，是負性液晶，B環飽和時，液晶性略差，但是由于2個氟取代的緣故，化學穩定；羧基的2位有氟取代基的化合物，不出現近晶相，但是在3位氟取代的場合不僅膽甾相不穩定，而且出現近晶相；2,3-二氟取代的化合物，是穩定的負性液晶，有應用價值；

4）化合物E與F苯甲酸的苯環上沒有氟原子取代，非常容易出現近晶相。說明2位的氟原子取代基對抑制近晶相十分有效；

5）17-位的取代基異丁基比甲氧基羰基有利于產生穩定液晶相。

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