液晶材料的合成及其應(yīng)用

1、姓名學(xué) 號(hào)20092401198專(zhuān)業(yè)年級(jí)、班級(jí)09化教4班課程名稱(chēng)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目液晶材料的合成及其應(yīng)用試驗(yàn)時(shí)間2013年4月9、10日 課程密碼87627實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師汪朝陽(yáng)實(shí)驗(yàn)評(píng)分1刖言1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解液晶材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制備方法與應(yīng)用。 掌握DCC法合成膽固醇丙酸（苯甲酸）酯液晶材料的操作技術(shù)。 學(xué)會(huì)通過(guò)紫外光譜等手段來(lái)分析鑒定核酸的純度。1.2液晶概述1.21什么是液晶在不同的溫度和壓強(qiáng)下物體可以處于氣相、液相和固相三種不同的狀態(tài)。其中液體具有流動(dòng)性。它的物理性質(zhì)是各向同性的，沒(méi)有方向上的差別。固體（晶 體）則不然，它具有固定的形狀。構(gòu)成固體的分子或原子在固體中具有規(guī)則排列 的特

2、征，形成所謂晶體點(diǎn)陣。晶體最顯著的一個(gè)特點(diǎn)就是各向異性。由于晶體點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)在不同的方向并不相同，因此晶體內(nèi)不同方向上的物理性質(zhì)也就不同。而液晶，因?yàn)樗哂袕?qiáng)烈的各向異性物理特征，同時(shí)又像普通流體那樣具有流動(dòng)性，處于固相和液相之間，所以它是物體的一種不同于以上三種物相的特殊 狀態(tài)。由于液晶相處于固相和液相之間，因此液晶相（mesophase又稱(chēng)為中介相（介 晶相），而液晶也稱(chēng)為中介物（mesogen。1.22液晶的發(fā)現(xiàn)液晶的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1888年。據(jù)資料記載，液晶是在1888年由奧地利的植 物學(xué)家萊尼茨爾（F.Reinitzer）發(fā)現(xiàn)的。他注意到，把膽固醇苯甲酸酯晶體加熱 到145.5C，晶體

3、會(huì)熔化成為混濁粘稠的液體，145.5C就是它的熔點(diǎn)。繼續(xù)加熱， 當(dāng)溫度上升至1785C時(shí)，這混濁的液體會(huì)突然變成清亮的液體。開(kāi)始他以為這 是由于所用晶體中含有雜志引起的現(xiàn)象。但是，經(jīng)過(guò)多次的提純工作，這種現(xiàn)象仍然不變；而且這種過(guò)程是可逆的。第二年，德國(guó)物理學(xué)家萊曼（O Lehmann）發(fā)現(xiàn)，許多有機(jī)物都可以出現(xiàn)這種情況。 在這種狀態(tài)下，這些物質(zhì)的機(jī)械性能與 各向同性液體相似，但它們的光學(xué)特性卻與晶體相似，是各向異性的。這就是說(shuō)， 這時(shí)的物質(zhì)具有強(qiáng)烈的各向異性物理特征，同時(shí)又像普通流體那樣具有流動(dòng)性。 萊曼稱(chēng)之為液晶（Liquid crystal）。1.23液晶的分類(lèi)眾所周知，物質(zhì)一般有氣態(tài)、液

4、態(tài)和固態(tài)三種聚集狀態(tài)。其實(shí)，還有等離子 態(tài)、無(wú)定形固態(tài)、超導(dǎo)態(tài)、中子態(tài)、液晶態(tài)等其他聚集態(tài)結(jié)構(gòu)形式。如果一個(gè)物 質(zhì)已部分或全部地喪失了其結(jié)構(gòu)上的平移有序性，而還保留取向有序性，它即處于液晶態(tài)。根據(jù)液晶分子在空間排列的有序性不同，液晶相可分為向列型、近晶型、膽 甾型和蝶型液晶態(tài)四類(lèi)。根據(jù)液晶相形成的條件不同，可分為熱致液晶、溶致液 晶和場(chǎng)致液晶。此外，還可根據(jù)液晶分子的大小來(lái)分，分為小分子液晶和高分子 液晶。1.24液晶高聚物的應(yīng)用 顯示和記錄材料液晶高分子作為顯示和記錄材料往往與其分子結(jié)構(gòu)和狀態(tài)變化聯(lián)系在一起， 如玻璃化轉(zhuǎn)變、分子互變異構(gòu)、順?lè)串悩?gòu)、開(kāi)環(huán)閉環(huán)反應(yīng)、二聚或氧化還原反應(yīng)。 利用液晶

5、的相態(tài)變化的顯示和記錄方式稱(chēng)為熱感式紀(jì)錄；利用光化學(xué)反應(yīng)原理實(shí) 現(xiàn)顯示和記錄方式稱(chēng)為光感式紀(jì)錄。液晶高聚物具有較高的玻璃化溫度，可使之在室溫下保存一定工作條件下紀(jì)錄的信息，用作高分子液晶顯示材料。羅朝暉等合成出一種含膽甾側(cè)基的環(huán)狀聚硅氧烷高聚物液晶 ，并用該液晶作 為可擦存儲(chǔ)器的記錄材料，在記錄和刪除時(shí)無(wú)需外加電場(chǎng)，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的加熱 冷卻循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)，記錄的信息在玻璃態(tài)下可保存6個(gè)月不衰退。Ikeda合成出了一種側(cè)鏈僅含有偶氮液晶基元的均聚物 ，利用偶氮雙鍵異構(gòu)引 起的相轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)了光紀(jì)錄。該聚合物信息儲(chǔ)存的光記錄方法是通過(guò)其液晶態(tài)向列 相在強(qiáng)偏振激光的照射下，受照射的局部區(qū)域吸熱升溫至液晶

6、相轉(zhuǎn)變溫度。同時(shí) 偶氮基團(tuán)發(fā)生順?lè)串悩?gòu)化由棒狀的反式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢捻樖浇Y(jié)構(gòu)，從而對(duì)周?chē)囊壕喈a(chǎn)生擾動(dòng)，使其由各向異性轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲?。光源移走后受照射區(qū)域冷 至玻璃化溫度以下，所記錄的信息就被凍結(jié)起來(lái)。由于偶氮苯基團(tuán)具有很好的抗 疲勞性，因此可以實(shí)現(xiàn)信息的反復(fù)重復(fù)擦寫(xiě)。 其他方面的應(yīng)用液晶高聚物除在以上各方面得到廣泛應(yīng)用以外，還被用于制備高強(qiáng)度高模量 的有機(jī)纖維，如Kevlar纖維；色譜分離柱中的色譜固定液；鐵電性液晶高分子材 料；功能液晶分子膜等。1.3文獻(xiàn)綜述：膽固醇酯類(lèi)液晶為熱致膽甾型液晶，其在一定條件下，會(huì)隨溫度、磁場(chǎng)、電 場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力、氣體濃度的變化，而發(fā)生色彩的變化，可用于制作液

7、晶溫度計(jì)、 氣敏元件等，同時(shí)還可用于無(wú)損探傷、微波測(cè)量等。膽固醇酯類(lèi)化合物可有羧酸 與醇直接酯化反應(yīng)制得，但傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法產(chǎn)率較低，因此本實(shí)驗(yàn)采用DCC法合 成膽固醇丙酸酯。在實(shí)驗(yàn)室采用DCC法合成膽固醇丙酸酯。2實(shí)驗(yàn)部分2.1實(shí)驗(yàn)原理用DCC脫水法合成膽固醇丙酸酯，反應(yīng)式如下：基吡啶為催化劑制備膽固醇丙酸酯2.2儀器與藥品 實(shí)驗(yàn)儀器有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)玻璃儀器一套（含蒸餾、抽濾設(shè)備）、磁力攪拌器、薄層檢測(cè) 用熒光儀、水泵、熔點(diǎn)測(cè)定儀 實(shí)驗(yàn)試劑膽固醇、有機(jī)堿4-二甲胺基吡啶、丙酸、二環(huán)己基碳二亞胺（DCC）、二氯 甲烷、石油醚（3060C）、乙醚、薄層檢測(cè)用硅膠 GF254、無(wú)水乙醇、HCI溶 液（1

8、mol/L ）、NaOH 溶液（1mol/L ）、蒸餾水、無(wú)水 MgSO4 等。 2.3實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象 加料：在干燥的帶有磁力攪拌子與干燥管的250ml圓底燒瓶中，加入膽固醇（1.93g, 0.0049mol）、脫水劑二環(huán)己基碳二亞胺（1.24g, 0.0056mol）、丙酸（0.37mL, 0.0056mol）、催化劑 N,N-二甲基苯胺（0.15mL, 0.0012mol）、溶劑二 氯甲烷（100mL）,在18C下攪拌回流23h。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：攪拌中伴隨著白色沉淀完成，攪拌結(jié)束時(shí)溶液中有白色沉淀 反應(yīng)監(jiān)測(cè)：攪拌下反應(yīng)23h后，以體積比為30份石油醚和1份乙醚混合 液為展開(kāi)劑，薄層檢測(cè)反應(yīng)終點(diǎn)通

9、過(guò)觀察以上的展開(kāi)版推測(cè)反應(yīng)已經(jīng)完全。 后處理：檢測(cè)反應(yīng)終點(diǎn)后，進(jìn)行抽濾。除去未反應(yīng)完全的二環(huán)己基碳二亞胺和生成的酰脲。用 HCI溶液（1mol/L ）、NaOH溶液（1mol/L ）、蒸餾水各 30mL于分液漏斗中洗滌濾液。然后再錐形瓶中用MgSO4干燥。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：棄去白色濾渣，取無(wú)色澄清濾液。依次洗滌后靜置分層，取下層 反應(yīng)物。干燥時(shí)加入CaCl2后震蕩，直到CaCl2連結(jié)成塊并且不隨液體晃動(dòng)時(shí)過(guò) 濾，取濾液。 將步驟3中所得的反應(yīng)物轉(zhuǎn)入圓底燒瓶中，加入磁子，搭建蒸餾反應(yīng)裝 置。通冷凝水，調(diào)節(jié)加熱器溫度為 65C。待溶劑二氯甲烷完全去除后，加入無(wú) 水乙醇（4ml），加裝冷凝回流管，進(jìn)行重結(jié)晶

10、。抽濾，干燥，得到白色塊狀晶體。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：除去二氯甲烷后，燒瓶底部凝結(jié)白色塊狀固體，通過(guò)重結(jié)晶后有 白色針狀固體析出。 產(chǎn)物鑒定：稱(chēng)量，計(jì)算年產(chǎn)率，測(cè)熔點(diǎn)3結(jié)果與討論 薄層檢測(cè)Rf值為0.718,理論Rf值為0.70，說(shuō)明我們產(chǎn)物純度還是較高的。 蒸餾后得到黃色油狀粗產(chǎn)品，當(dāng)重結(jié)晶、抽濾干燥后，得到大量白色針狀晶 體 最終得到產(chǎn)物1.5g，理論產(chǎn)量為2.21g,產(chǎn)率為67.9% 制得產(chǎn)物后測(cè)定熔點(diǎn)，白色結(jié)晶于110C開(kāi)始少量溶解，在114C完全溶解。 經(jīng)查理論熔點(diǎn)是102C，實(shí)測(cè)值與理論值有些許偏差，說(shuō)明我們制得膽固醇苯甲 酸酯含有雜質(zhì)，但純度還是較好。 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)我們知道要使產(chǎn)物析出好晶型，

11、一是加入溶劑不能過(guò)多，提高產(chǎn)物析出產(chǎn)率。另外可以在結(jié)晶停止時(shí)，停止加熱，但是不把反應(yīng)裝置移出浴鍋外， 讓反應(yīng)瓶?jī)?nèi)的溶液隨著浴鍋的降溫而降溫。 此過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，但是有利于晶體的 成長(zhǎng)。因?yàn)楫?dāng)結(jié)晶速度足夠慢時(shí)，可以保證分子鏈的規(guī)整排列和堆砌。至于膽固醇丙酸酯的熔點(diǎn)測(cè)定，文獻(xiàn)值為102C。而測(cè)定結(jié)果為110114C。 這與產(chǎn)品的純度及測(cè)定熔點(diǎn)時(shí)儀器的升溫速度有關(guān)。在測(cè)定過(guò)程中明顯觀察到產(chǎn)物的融化過(guò)程，產(chǎn)物中混有乙醇溶液，在顯微鏡觀測(cè)下，可見(jiàn)透明帶棱狀晶體， 在液滴中浸泡。加熱一段時(shí)間后，晶體開(kāi)始溶解，但是同時(shí)，乙醇對(duì)于晶體也有 促進(jìn)溶解作用。本次實(shí)驗(yàn)制得產(chǎn)物，只是粗略測(cè)定熔點(diǎn)來(lái)鑒定產(chǎn)物。 限于實(shí)驗(yàn)室

12、條件，并沒(méi) 有進(jìn)行材料性能測(cè)試。參考文獻(xiàn)：1 汪朝陽(yáng)液晶材料化工時(shí)刊，2002, 16 (11): 252 吳大誠(chéng)，謝新光，徐建軍高分子液晶成都：四川教育出版社，19883 李維諟，郭 強(qiáng)液晶顯示應(yīng)用技術(shù)北京：電子工業(yè)出版社，20004 何天白，胡漢杰.功能高分子與新技術(shù)北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001:2425 吳奕光，陳榮禮，司徒丘山.深圳大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),1997,14(4):64-676 Weber N,Weitkamp P,Mukherjee K D.Thermamyoes lanuginosuslipaee-catalyzedtransesterification of ster by methyl deeteJ.European Journal of