一种二胺化合物及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及液晶材料领域。具体地说，涉及一种二胺化合物及其制备方法与应用。
背景技术
在液晶显示器中，典型的是扭转向列(TN)电场效应型液晶显示器，其使用具有正介电异性向列液晶。一般而言，液晶分子置入一对含有电极的基板间，而这二个基板的配向方向相互垂直，且经由控制电场可控制液晶分子的排列方式。就此类型的液晶显示器而言，使液晶分子的长轴方向与基板表面形成具有均匀倾斜角度的配向是相当重要的。对这种使液晶分子排列成均匀预倾角配向的材料，一般称为配向膜。
目前工业界有两种典型的配向膜制备方法。第一种方法是通过蒸气沉积将无机物质制成无机膜。例如，将二氧化硅倾斜蒸镀于基板而形成薄膜，而液晶分子在蒸镀方向被配向。然而，所述方法虽然可获得均匀的配向，但不具有工业效益。第二种方法则是将有机膜涂布在基板表面上，然后利用棉布、尼龙或聚脂类的软布加以摩擦而使有机膜的表面被走向，以使液晶分子在摩擦方向被配向。由于此方法较简易且相当容易获得均匀配向，因此普遍应用于工业规模。此方法中，可形成配向膜的聚合物如聚乙烯醇(polyvinylalcohol，PVA)、聚氧乙烯(polyethylene%20oxide，PEO)、聚酰胺(polyamide，PA)或聚酰亚胺，其中聚酰亚胺由于具有化学稳定性和热稳定性等性质，因此最常被利用作为配向膜材料。
在现有技术中，当对液晶显示器施加电压时，所产生的离子性电荷会被液晶配向膜所吸附，且即使在解除所施加的电压之后，亦很难使离子性电荷从液晶配向膜脱离，因而导致画面产生残像的问题。因此，近期配向膜材料的开发皆以改善残像为首要课题。
发明内容
为了解决所述问题，本发明提供了一种具有增进液晶显示元件效能的二胺化合物及其制备方法与应用。
本发明的第一目的是提供一种二胺化合物，结构如式I所示：
其中，所述R1、R2相同或不同，彼此独立地表示-(CH2)-或-(CH2CH2)-；
所述L1、L2、L3、L4相同或不同，彼此独立地表示H或F。
优选地，在通式I中，所述R1、R2均表示-CH2-；和/或，所述L1、L3不同时为H且L2、L4不同时为H；
作为本发明的最佳实施方式，所述化合物为如下任一种：
此化合物具有增进液晶显示元件的效能，使用此二胺化合物制备得到的聚酰胺酸(polyamic acid)、聚酰亚胺(polyimide，PI)以及液晶配向剂，均具有良好的化学稳定性和热稳定性等性质，进而使得所形成的液晶配向膜具有更高的预倾角。
本发明的第二目的在于提供所述化合物的制备方法，为实现第二目的，本发明采用如下技术方案：
所述如式I所示化合物的合成路线如下：
包括如下步骤：
1)以化合物I-a原料，与氨气反应得到化合物I-b；
2)所述化合物I-b与氟化试剂反应得到化合物I。
其中，各步骤所涉及化合物中的R1、R2、L1、L2、L3、L4与所得化合物产物中R1、R2、L1、L2、L3、L4代表的基团相对应(同上)。
作为本发明的一种优选方案，步骤1)中，反应在100℃～300℃下进行；优选为150℃～250℃。
作为本发明的一种优选方案，步骤1)中反应在0.1MPa～2.0Mpa下进行；优选为0.5MPa～1.5Mpa。
作为本发明的一种优选方案，步骤1)中反应时间3～8小时。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，所述化合物I-b与所述氟化试剂的投料摩尔比为1：(2.0～5.0)。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，反应在-100℃～30℃下进行；优选为-75℃～-10℃。
作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，所述氟化试剂为选自氟化氢三乙胺、氟化氢吡啶、二乙胺基三氟化硫、三氟化硫、氟化氢乙醚中的一种或一种以上混合物；优选为二乙胺基三氟化硫。
所述原料I-a均可以通过公开商业途径或者文献中本身已知的方法合成得到。
此外，值得注意的是，本发明所述制备方法中，部分未作出特别限定的各步骤所用溶剂及其用量、产物的分离提纯、反应物的滴加速度等均为本领域技术人员所理解和掌握。如本发明中，除作出特别说明的以外，溶剂的体积用量一般为反应物质量的5-15倍，具体用量可根据反应底物用量和所选择反应瓶的大小适当调整；反应物的滴加速度通常结合具体的反应速度综合控制等。在本发明公开的基础上，本领域技术人员可根据实际情况相应地选择任一种可用的技术方案来实现本发明。
本发明所述的制备方法能够稳定、高效地得到本发明所述的化合物。
本发明的第三目的在于提供所述二胺化合物在液晶显示领域的应用。
优选在如下之一方面的应用：
(1)聚酰胺酸的制备；
(2)聚酰亚胺的制备；
(3)液晶配向剂的制备；
(4)液晶保护剂的制备；
(5)液晶配向膜的制备；
(6)液晶显示元件的制备。
本发明进一步提供一种聚酰胺酸，由包括所述二胺化合物的原料制得。具体制备过程如下：将所述二胺化合物与CBDA溶解在NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，室温下反应即得。
本发明进一步提供一种聚酰亚胺，由包括所述二胺化合物的原料制得。具体制备过程如下：将所述二胺化合物与CBDA溶解在NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，室温下反应后，稀释得到聚酰胺酸溶液；将所述聚酰胺酸溶液涂布在基板表面，200℃下加热30分钟，形成聚酰亚胺薄膜。
本发明进一步提供一种液晶配向剂，含有所述聚酰胺酸或聚酰亚胺。
在所述聚酰亚胺、聚酰胺酸或液晶配向剂中，以摩尔百分比计，所述二胺化合物的含量为至少1％，优选为至少10％，更优选为至少50％。
实验证明，在液晶配向剂制备过程中，添加本发明所述的二胺化合物，所得液晶配向剂不仅具有良好的化学稳定性和热稳定性等性质，而且其形成的液晶配向膜具有更高的预倾角。
本发明进一步提供一种液晶保护剂，其由包括所述二胺化合物的原料制备而得。
本发明进一步提供一种液晶显示元件，其含有的液晶配向膜由所述液晶配向剂形成。所述液晶显示元件具有更低的残余直流电荷，因而具有更高的效能。
本发明有益效果如下：
(1)本发明提供的二胺化合物可以增进液晶显示元件的效能，制备得到的聚酰胺酸、聚酰亚胺以及液晶配向剂，均具有良好的化学稳定性和热稳定性等性质，进而使得所形成的液晶配向膜具有更高的预倾角；所制备的液晶显示元件具有更低的残余直流电荷，因而具有更高的效能。
(2)本发明中的制备方法能够稳定、高效地得到本发明所述的二胺化合物，且原料易得，制备过程简单，便于所述二胺化合物的推广。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
所述原材料如无特别说明，均能从公开商业途径获得。
按照本领域的常规检测方法，通过线性拟合得到化合物的各项性能参数，其中，各性能参数的具体含义如下：
△n代表光学各向异性(25℃)；
△ε代表介电各向异性(25℃，1000Hz)；
ε||代表平行分子轴方向的介电常数(25℃，1000Hz)；
Cp代表清亮点；
K代表弹性常数(25℃)。
实验例及对比例中使用的MDA为4,4’二氨基二苯甲烷(4,4'methylenedianiline)，CBDA为1,2,3,4-环丁烷四羧基二酸酐(cyclobutane-1,2,3,4-tetracarboxy lie dianhydride)。
实施例1
一种二胺化合物，其结构式为：
制备化合物I-1的合成线路如下所示：
具体步骤如下：
(1)化合物I-b-1的合成
反应釜中加入28.8g化合物I-a-1，200ml四氢呋喃，室温下通氨气至压力为0.5MPa～1.0Mpa，升温至200℃反应6小时，降温减压，饱和碳酸氢钠水溶液淬灭反应，进行常规后处理，正庚烷重结晶得到类白色色固体(化合物I-b-1)28.6g，HPLC：99.6％，收率87.2％；
(2)化合物I-1的合成
氮气保护下，向反应瓶中加入25.0g I-b-1，200ml四氢呋喃，控温-70℃～-60℃滴加66.5g二乙胺基三氟化硫，控温-70℃～-60℃反应1小时，自然回温至-30℃，加入饱和氢氧化钠水溶液淬灭，然后进行常规后处理操作，经乙酸乙酯溶解分液，色谱纯化，正庚烷与甲苯的体积比为3:1的混合溶液进行重结晶，得到白色固体(化合物I-1)21.1g，HPLC:99.5％，收率:72.7％。
采用GC-MS对所得白色固体化合物I-1进行分析，产物的m/z为318.1(M+)。
元素分析：C：60.35，H：6.95，F：23.87，N：8.80。
实施例2
一种二胺化合物，其结构式为：
制备化合物I-3的合成线路如下所示：
(1)化合物I-c-1的合成
反应瓶中加入55.0g化合物I-b-1，250ml四氢呋喃，控温10℃～30℃滴加13.5g硼氢化钾水溶液，滴毕控温50℃～60℃反应3小时，加入稀盐酸淬灭反应，进行常规后处理，正庚烷重结晶得到类白色固体(化合物I-c-1)51.5g，HPLC：99.2％，收率92.8％；
(2)化合物I-3的合成
氮气保护下，向反应瓶中加入50.0g I-c-1，300ml四氢呋喃，控温-70℃～-60℃滴加86.8g二乙胺基三氟化硫，控温-70℃～-60℃反应1小时，自然回温至-30℃，加入饱和氢氧化钠水溶液淬灭，然后进行常规后处理操作，经乙酸乙酯溶解分液，色谱纯化，正庚烷与甲苯的体积比为3:1的混合溶液进行重结晶，得到白色固体(化合物I-3)38.9g，HPLC:99.8％，收率:76.8％。
采用GC-MS对所得白色固体化合物I-3进行分析，产物的m/z为282.1(M+)。
元素分析：C：68.05，H：8.55，F：13.45，N：9.91。
实验例1
将15.9克(0.05摩尔)的化合物I-1、9.8克(0.05摩尔)的CBDA溶解在92.8克的NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，于室温下反应12小时，再加入348克的NMP进行稀释，以获得聚酰胺酸溶液(比粘度为0.57dl/g)。
然后，将此聚酰胺酸溶液在3000rpm下旋转涂布于具有透明电极的玻璃基材上。
接着，在200℃下加热30分钟，以形成聚酰亚胺薄膜，并利用40微米的间隔剂，将其组装成以平行方向组立的液晶盒。灌入液晶(型号：BYLC-1000，由八亿时空液晶科技股份有限公司制造)之后，液晶盒在正交尼科尔棱晶间旋转，并呈现全暗光状态，利用预倾角量测机得到的预倾角数值为87°；经检测，残余直流电荷为93mV。
实验例2
将14.1克(0.05摩尔)的化合物I-3、9.8克(0.05摩尔)的CBDA溶解在92.8克的NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，于室温下反应12小时，再加入348克的NMP进行稀释，以获得聚酰胺酸溶液(比粘度为0.57dl/g)。
然后，将此聚酰胺酸溶液在3000rpm下旋转涂布于具有透明电极的玻璃基材上。
接着，在200℃下加热30分钟，以形成聚酰亚胺薄膜，并利用40微米的间隔剂，将其组装成以平行方向组立的液晶盒。灌入液晶(型号：BYLC-1000，由八亿时空液晶科技股份有限公司制造)之后，液晶盒在正交尼科尔棱晶间旋转，并呈现全暗光状态，利用预倾角量测机得到的预倾角数值为90°；经检测，残余直流电荷为86mV。
实验例3
将3.18克(0.01摩尔)的化合物I-1、14.8克(0.04摩尔)的MDA与9.8克(0.05摩尔)的CBDA溶解在110.2克NMP中，于室温下反应12小时，再加入413.4克的NMP进行稀释，以获得聚酰胺酸溶液(比粘度为0.72dl/g)。
然后，将此聚酰胺酸溶液在3000rpm下旋转涂布于具有透明电极的玻璃基材上。
接着，在200℃下加热30分钟，以形成聚酰亚胺薄膜。
将此聚酰亚胺薄膜冷却后，以刷毛进行走向摩擦，并利用40微米的间隔剂，将其组装成以平行方向组立的液晶盒。灌入液晶(型号：BYLC-1000，由八亿时空液晶科技股份有限公司制造)之后，利用预倾角量测机得到的预倾角数值为6.1°；经检测，残余直流电荷为292mV。
实验例4
将2.82克(0.01摩尔)的化合物I-3、14.8克(0.04摩尔)的MDA与9.8克(0.05摩尔)的CBDA溶解在110.2克NMP中，于室温下反应12小时，再加入413.4克的NMP进行稀释，以获得聚酰胺酸溶液(比粘度为0.72dl/g)。
然后，将此聚酰胺酸溶液在3000rpm下旋转涂布于具有透明电极的玻璃基材上。
接着，在200℃下加热30分钟，以形成聚酰亚胺薄膜。
将此聚酰亚胺薄膜冷却后，以刷毛进行走向摩擦，并利用40微米的间隔剂，将其组装成以平行方向组立的液晶盒。灌入液晶(型号：BYLC-1000，由八亿时空液晶科技股份有限公司制造)之后，利用预倾角量测机得到的预倾角数值为6.3°；经检测，残余直流电荷为273mV。
对比例
将9.7克(0.05摩尔)的MDA与9.8克(0.05摩尔)的CBDA溶解在78克的NMP中，于室温下反应12小时，再加入292.5克的NMP进行稀释，以获得聚酰胺酸溶液(比粘度为0.81dl/g)。
然后将此聚酰胺酸溶液在3000rpm下旋转涂布于具有透明电极的玻璃基材上。
接着，在200℃下加热30分钟，以形成聚酰亚胺薄膜。
将此聚酰亚胺薄膜冷却后，以刷毛进行走向摩擦，并利用40微米的间隔剂，将其组装成以平行方向组立的液晶盒。灌入液晶(型号：BYLC-1000，由八亿时空液晶科技股份有限公司制造)之后，利用预倾角量测机得到的预倾角数值为2.1°；经检测，残余直流电荷为533mV。
表1实验例与对比例的预倾角比较
由表1可知，在制备液晶配向剂时，添加了本发明的二胺化合物，所形成的液晶配向膜的预倾角得到显著提高。
表2实验例与对比例的残余直流电荷比较
由表2可知，在制备液晶配向剂时，添加了本发明的二胺化合物，所得液晶显示元件具有较低的残余直流电荷。
综上所述，液晶配向剂中含有由本发明的二胺化合物与四羧酸或其二酸酐化合物经聚合反应而获得的聚酰亚胺或聚酰胺酸，由此液晶配向剂形成的液晶配向膜具有较高的预倾角，所得液晶显示元件具有较低的残余直流电荷，从而可增进液晶显示元件的效能。
虽然本发明以实施例揭示如上，但其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作任意改动或等同替换，故本发明的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。
