Brevet FR2538804A1 — publié le 19840706

4,e 2538804 FAMILLE DE CRISTAUX LIQUIDES PRESENTANT UNE PHASE SMECTIQUE A ET SON PROCEDE DE FABRICATION L'invention concerne une famille de composés organiques du type ester de 2 hydroxy fluorène substitué, qui présente une phase mésomorphe de type smectique A L'invention concerne également le procédé de fabrication des molécules de cette famille. La famille de composés selon rl'invention répond à la formule chimique générale: R-COO X pour laquelle le radical R peut être: Cn H 2 n+ 1 Cn H 2 n+ 1 i Br F E C Hn 21 Cn H 2 n+H 2 N1 O ou F F n 2 n+ 1 avec I et X = Brou CN. On peut désigner les composés de cette famille ainsi définie sous les dénominations de: 2 alcanoyloxy 7 bromo ou cyano fluorène, 2 l 4 ' alkyl 3 ' bromobenzoyloxyl 7 bromo ou cyano-fluoréne, 2 l 4 ' alkyl benzoyloxyl 7 bromo ou cyanio fluorène, ' 2 l 4 ' alkyloxy fluorobenzoyloxyl 7 bromo ou cyano fluorène, 2 ltrans 4 ' alkylcyclohexane carbonyloxy} 7 bromo ou cyano-fluorène. La description qui va suivre portera sur le procédé général de synthèse des molécules selon l'invention ainsi que sur les propriétés mésomorphes des cristaux liquides correspondants. PROCEDE GENERAL DE SYNTHESE La famille organique selon l'invention présente un radical R qui est obtenu par des réactions chimiques assez différentes les unes des autres suivant les cas Pour des raisons de clarté dans la description du procédé général de synthèse, on commencera par décrire l'étape donnant le produit final pour remonter ensuite aux produits de base et entrer dans les détails de fabrication. 1) synthèse des esters selon l'invention: Réaction 1 La synthèse de ces esters se fait en une étape à partir du chlorure d'acide R % Cl et d'un phénol ( 2 hydroxy 7 bromo ou cyano- fluorène) HO X, à température ambiante, dans la pyridine. N R Cl+ HO O - R -O X 2) Obtention des chlorures dacide R Cl: Réaction 2 Les chlorures d'alkanoyle et de 4 alkyl-benzoyle sont des produits accessibles pour l'homme de l'art Les chlorures de 4 alkyl 3 bromoben- zoyle, de 4 alkyloxy fluorobenzoyle et de 4 alkyl cyclohexane carbo- nyle sont préparés en une étape à partir des acides correspondants par action du chlorure de thionyle, selon la réaction classique: R COOH + SOCI 2 reflux R COCI + H Cl + SO 2 3) obtention des acides 4 alkyl 3 brornob Qnso Tques's Réaction 3 Les acides 4 alkyl 3 bromobenzoîques sont préparés en une étape par un procédé connu (voir l'article de SPATH et PIHL publié dans la revue BERICHTE 62, page 2259, 1929) On fait réagir du brome sur un acide alkylbenzoique en présence de nitrate d'argent,, d'acide nitrique et d'acide acétique à 25 C. Ag NO 3 Cn H 2 N + 1 COOH + Br 2 ' HN 03, CH 30 OOH Cn H 2 N + 1 -COOH + H Br Br 4) obtention des acides 4 alkyloxy fluorobenzoiques Réaction 4 Les acides 4 alkyloxy fluorobenzoiques sont obtenus en une étape à partir de l'acide fluorobenzoique, selon un mode opératoire connu (voir BURDON, HOLLYHEAD, TATLOW, 3 ournal of Chemistry Society, p 6336, 1965) {nais modifié afin d'en augmenter le rendement La réaction consiste à faire réagir de l'alcoolate de sodium avec un acide pentafluorobenzoéque présent sous la forme d'un sel de sodium (le pentafluorobenzoate de sodium) dans un alcool qui sert de solvant puis en acidifiant le mélange réactionnel en fin de réaction. F F CH OH C ONa N 2 n+ 11 C H O Na + F C ÈO Na n n 2 n+O 1 F puis H+ F F F F Cn H 2 n+ COOH F' T 5) obtention des acides trans alkyl cyclohexane carboxyliques: Réaction 5 Ces a Cides sont préparés par hydrogénation catalytique des acides aikyl benzo Tques selon la méthode de GRAY et Mc DONNELL (publiée en 1979 dans Molecular Crystal Liquid and Crystals n 53, p 147 à 166) La réaction s'effectue en présence de nickel de Raney W 2, à C et sous une pression de 200 bars. Cn H 2 N + 1 d'inclusion avec la thiourée. 6) obtention des 2 hydroxy 7 bromo ou cyano fluorène: Le 2 hydroxy 7 bromo fluorène est obtenu en six étapes à partir du fluorène selon le schéma réactionnel suivant: action de l'acide nitrique sur le fluorène en présence d'acide acétique à 80 C: Réaction 6. A '+AHNO 3 N + H 20 action de l'acide chlorhydrique en présence de fer sur le composé organique obtenu par la réaction 6, dans de l'alcool éthylique à 90 %: Réaction 7. e e NO 2 Fe/H:l NH 2 Et OH À action de l'acide nitreux sur le composé obtenu à la réaction 7, en présence de pyridine Le produit final est obtenu par décomposition sous l'influence de la chaleur: Réaction 8. (NH 2 + HNO 2 H action du chlorure d'acétyle sur le produit obtenu à la réaction 8, en présence de toluène et de pyridine: Réaction 9. A CH 3 COC 1 > CH 3 C O I O OH + CH 3 COCI)CH C 3 3 It O action du brome sur le composé obtenu à la réaction 9 en présence d'acide acétique et d'anhydride acétique: Réaction 10. CH 3 c + Br 2 CH 13 Br O O +H Br action de l'hydroxyde de sodium puis de l'acide chlorhydrique sur le produit obtenu à la réaction 10: Réaction 11. CH 3-C O 2) HCI Le 2 hydroxy 7 cyano fluorène est synthétisé à partir du 2 hydroxy 7 bromo fluorène (obtenu à la réaction 11) par action du cyanure cuivreux dans le N méthyl pyrrolidone: Réaction 12. HO Br + Cu CN HO Wedemeyer Georg Thieme Verlag, Stuttgart, p 253, 1976 ". MODE OPERATOIRE DES REACTIONS 1, 4, 8 ET 10 1) préparation générale des esters: Réaction 1 Dans un erlenmeyer de 10 ml, on dissout 1,5 m M de 2 hydroxy 7 bromo ou cyano fluorène dans 3 ml de pyridine La solution obtenue est versée dans un erlenmeyer contenant 1, 5 m M de chlorure d'acide fraîchement préparé Le milieu réactionnel est ensuite agité au moyen d'un barreau aimanté On laisse-la réaction se poursuivre à tempéra- ture ambiante pendant 48 heures Le produit obtenu est alors versé sur e 1 environ 150 g d'un mélange eau-glace et on acidifie légèrement le milieu au moyen d'acide chlorhydrique titrant 25 96 Suit alors une phase d'extraction au chlorure de méthylène On lave la phase organi- que à l'eau, puis on la sèche sur du sulfate de magnésium, on filtre et on évapore sous vide Le produit brut est purifié par chromatographie liquide et soumis à l'éluant toluène 50 hexane 50, suivi par une recristallisation dans le cyclohexane. 2) synthèse d'un acide 4 alkyloxy fluorobenzoîque Réaction 4 La réaction portera sur un exemple précis: la synthèse de l'acide 4 nonyloxyfluorobenzo Tque, étant entendu que la synthèse des acides de la même famille peut être réalisée par la même méthode à partir des constituants de base correspondants. Dans un erlenmeyer d'une contenance de 1 I pourvu d'un agitateur magnétique, on introduit 350 ml de nonanol I fraîchement distillé (afin d'introduire, dans la future molécule selon l'invention, une chaîne hydrocarbonée linéaire typique des cristaux liquides possédant une phase smectique), puis 4,6 g de sodium décapé Le mélange est chauffé à 60 C sous agitation jusqu'à disparition du sodium métallique. Parallèlement, on dissout 21,2 g d'acide pentafluorobenzoïque dans ml de nonanol I porté à 4 Q O C La solution d'acide pentafluoro- benzoique est ajoutée à la solution de nonanoate de sodium Le milieu réactionnel est agité pendant 48 heures à la température de 60 C. On laisse alors le milieu réactionnel revenir à la température am- biante, puis on le verse dans 800 ml d'eau permuttée Le milieu est ensuite acidifié à Pl'acide chlorhydrique titrant 25 % jusqu'à p H = 2. La phase' organique est extraite à l'éther, lavée à l'eau jusqu'à atteindre la neutralité, séchée sur le sulfate de magnésium, filtrée et évaporée sous vide. Le nonanol en excès est éliminé par distillation sous vide On recueille dans le bouilleur de distillation un liquide brun visqueux qui cristallise dans l'hexane à I 8 C Le précipité obtenu est filtré puis lavé à l'hexane froid et enfin recristallisé dans l'hexane On obtient 4, 93 g d'acide Le rendement de la réaction est de 14,7 % Le point de fusion du produit obtenu est F = 57 C. 3) synthèse du 2 hydroxy fluorène: Réaction 8 Dans un réacteur d'une contenance de 11 o l'on crée une agitation vigoureuse, on mélange 195 ml d'acide sulfurique à 95 ml d'eau La solution d'acide sulfurique ainsi obtenue est ensuite refroidie à O C au moyen d'un mélange acétone-carboglace On ajoute par petites quanti- tés à cette solution, 19,5 g de nitrite de sodium Le produit résultant se présente sous l'aspect d'un lait On le chauffe au bain-marie, à une température de l'ordre de 40 à 50 C, jusqu'à obtention d'une solution limpide jaune Le milieu réactionnel est alors refroidi à O' C au moyen d'un mélange acétone-carboglace et on lui ajoute goutte à goutte en agitant, une solution de 23,5 g ( 0,13 mole) du produit obtenu à la réaction 7 (c 2 Ä H 2) dans 130 ml de pyridine L'agita- tion est poursuivie à O' C pendant 1 heure Le contenu du réacteur est ensuite transvasé dans un ballon de 41 qui a été préalablement refroidi à 18 C et on y ajoute la quantité suffisante d'eau pour obtenir un volume total de 2,5 L Puis on ajoute une solution aqueuse de 13 g d'urée et on poursuit l'agitation magnétique pendant 1 heure sous une température de O' C. Parallèllement, on fait bouillir 5 1 d'eau dans un réacteur de 10 1, puis on y ajoute rapidement le mélange réactionnel Lensemble est alors chauffé à reflux pendant 1 heure Après retour à la température ambiante, un précipité apparaît que l'on filtre. Le phénol brut que l'on obtient est dissous dans 21 de soude (de concentration 10 %) portée à ébullition Il se forme une substance de couleur marron, insoluble, que l'on filtre à chaud Le filtrat chaud est acidifié à l'acide chlorhydrique (titrant 37 %) sous agitation Le phénol précipite Il est filtré, lavé à l'eau puis séché sous vide sur l'anhydride phosphorique P 4 010 On obtient 15 g de phénol Le rende 2538804- ment de la réaction est de 63,5 % Le point de fusion du produit obtenu est F = 167 C. 4) synthèse du 2 acétoxy 7 bromofluorène: Réaction 10 Dans un erlenmeyer de 500 ml o l'on réalise l'agitation magnétique et muni d'un réfrigérant à reflux et d'une ampoule à brome, on introduit g de 2 acétyloxy-fluorène ( 89,3 m M) obtenu à l'issue de la réaction précédente, 110 ml d'acide acétique et 55 ml d'anhydride acétique. L'erlenmeyer est chauffé à 60 C au moyen dun bain d'huile afin de dissoudre l'ester, puis on ajoute 4,9 mg d'iode On coupe le chauffage et on ajoute goutte à goutte 43 g de brome tout en agitant pendant 30 mn. Après retour à la température amrnbiante, la solution se décolore. L'erlenmeyer est ensuite plongé dans un bain constitué d'eau et de glace Un précipité apparaît alors Il est filtré et la partie insoluble est lavé à l'hexane puis à l'eau On obtient 18,17 hng de dérivé brome blanc De l'eau est ajoutée au filtrat et un précipité apparaît Il est filtré, lavé à l'eau et séché Le second précipité est purifié par recristallisation dans l'éther à -18 C, suivie d'une filtration sur la silice avec du benzène comme éluant On obtient ainsi 1,56 g de 2 acétoxy 7 bromofluorène Le rendement de la réaction est de 72,9 %. Le point de fusion du produit obtenu est F = 128 PROPRIETES DES CORPS SYNTHETISES Les tableaux I et 2 ci-dessous rassemblent les résultats de l'étude calorimétrique effectuée sur quelques composés de la famille des esters de 2 bromo-ou cyano fluorène selon l'invention Suivant les radicaux R et X affectés aux molécules, on peut ainsi connaître à quelles température s'effectuent les transitions entre les différentes phases: de la phase cristalline (K) à la phase liquide (L) en passant par la phase smectique A (SA) et éventuellement par la phase nématique (N) Les températures de transi- tion sont exprimées en degrés Celsius Les valeurs entre parenthèses -sont des températures correspondant à des phases monotropiques Les valeurs entre crochets sont les enthalpies de transition exprimées en kcal/mole. La nature des mésophases a été déterminée par l'étude de l'isomor- phisme au microscope optique des composés étudiés avec des substances connues. Tous les esters figurés dans les tableaux présentent une mésophase smectique A, parfois monotropique, et dans certains cas une phase némati- que. La lecture du tableau 1 montre que l'ester n I (correspondant à R = C 7 H 515 et X = Br) présente une phase smectique A monotropique. Lorsque la température de ce cristal s'élève, il passe directement de la phase cristalline à la phase liquide, la transition de phase s'effectuant à 1010 C En se refroidissant, le cristal revient à la phase cristalline en présentant une phase smectique pour une température de 98,50 C L'ester n O 4 (R = C 9 H 19, X = C N) présente également une phase smectique monotropique. Certains esters tels que-les numéros 10, 11, 12 et 13 présentent en plus de la phase smectique, une phase nématique (tableau 2). L'étude calorimétrique a démontré que les 2 alcanoyloxy 7 bromofluo- rènes Cn H 2 N + 1 C Or ne sont pas mésomorphes pour n ( 7, et que les 2 alcanoyloxy 7 cyanofluorènes Cn H 2 N + 1 COO - Par contre, les autres esters selon l'invention présentent bien une phase smectique pour des valeurs de N comprises entre 1 et 15. Il entre dans le cadre de l'invention d'utiliser les composés organiques ainsi définis comme cristaux liquides smectiques, seuls ou en mélange entre eux ou avec d'autres produits, ce mélange présentant également une phase smectique A ce titre, ils peuvent être utilisés dans des dispositifs de visualisation. x 18 zc 01 '69 T x 10 Ilzl SI/ Olx 1 q THZ O 6 x 94 Z 61 x /- l 91 çlçzlx ND - H D 1 x l 6 4 çi loi x v s y x u o N 1 nvglçivl 1-r CD Co ipn Ln Cj T CD im Ln tm z nvullavi x Il il 01 çlzçl x l osol 'Ot T 1 xl 1 ç' T il 60 T z, 2538804. REVENDICATIONS 1 Composé organique du type ester de fluorène substitué, présentant au moins une phase mésomorphe de type smectique A, caractérisé en ce qu'il répond à la formule chimique générale: R COO X pour laquelle R est soit: Cn H 2 N + 1 avec 7 x et X = Br ou CN - * Cn H 2 N + 1 avec 1 ou CN. 2 Composé organique selon la revendication 1, caractérisé en ce que: R = C 8 H 17 et X = Br. 3 Composé organique selon la revendication 1, caractérisé en ce que: R = C 9 H 19 et X = Br. cn H 2 N + 1- 2538804. 4 Composé organique selon la revendication 1, caractérisé en ce que: R = Cil H 23 et X = CN. Composé organique selon la revendication 1, caractérisé en ce que: R = C 13 H 27 et X = CN. 6 Composé organique selon la revendication 1, caractérisé en ce que: - R = C 14 H 29 et X = CN. 7 Composé organique selon la revendication 1, caractérisé en ce que: R = C 7 H 15 - B 3 r et X = Br. 8 Composé organique selon la revendication 1, caractérisé en ce que: R = C 10 H 21 -. et X = CN. 9 Compbsé organique selon la revendication 1, caractérisé en ce que: R = C 9 H 19- ( et X = CN, ledit composé présentant également une phase nématique. Composé organique selon la revendication 1, caractérisé en ce que: R = C 7 H 15- et X = CN, ledit composé présentant également une phase nématique. 11 Composé organique selon la revendication 1 caractérisé en ce que: - R =C 8 Hi 7 et' X = CN, ledit composé présentant églement une phase nématique. 12 Composé organique selon la revendication 1, caractérisé en ce que: 2538804 a R = C 9 H 190 et X = CN, $ F ledit composé présentant également une phase nématique. 13 Composé organique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il entre dans la composition d'un mélange de cristaux liquides, ledit mélange présentant au moins une phase smectique. 14 Procédé de fabrication d'un composé organique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que ledit composé est un produit de la réaction du chlorure d'acide R C CI et du phénol HO X, ladite O réaction s'effectuant à température ambiante, dans la pyridine. 15 Procédé de fabrication selon la revendication 14, caractérisé en ce que la synthèse dudit phénol a été réalisée au cours des étapes séquentielles suivantes: a) synthèse du 2 hydroxy fluorène par addition d'une solution de pyridine contenant du 2 aminofluorène dans de l'acide nitreux refroidi à O o C; b) acétylation du produit obtenu à l'étape précédente en présence de pyridine c) bromation du produit obtenu à l'étape (b) dans un mélange acide acétique-anhydride acétique d) saponification du produit obtenu à l'étape (c). 16 Procédé de fabrication selon la revendication 15, caractérisé en ce que la synthèse dudit phénol comprend en outre une étape de cyanuration du proddit obtenu à l'étape (d) dans le N méthyl pyrrolidone. 17 Dispositif de visualisation à cristal liquide smectique, caractérisé 25 en ce que ledit cristal liquide comprend au moins un composé organique selon l'une quelconque des revendications I à 13.