Brevet FR2673190A1 — publié le 19920828

CRISTAUX LIQUIDES FLUORES La présente invention a pour objet des cristaux liquides chiraux fluorés incorportant un groupement cyclohexyl dans leur structure, utilisables comme dopants et conduisant à des mélanges de cristaux liquides ferroélectriques ayant une application dans les systèmes de visualisation. Actuellement, seuls les cristaux liquides nématiques ont reçu une application dans le domaine de la visualisation ce qui a conduit principalement aux afficheurs utilisant le mode nématique en hélice et plus récemment aux afficheurs nématiques super torsadés (STN). L'inconvénient de ces types d'afficheurs est leur mauvais angle de vue et leur temps de réponse élevé, de l'ordre de la dizaine de millisecondes, ce qui limite leur développement. L'invention en 1980 par N A Clark et S Lagerwall (Applied Physic Letter, Vol 36, no 89, 1980) d'un système de visualisation basé sur l'utilisation de cristaux liquides ferroélectriques a conduit à un nouvel effet électrooptique, induit par un couplage linéaire entre la polarisation électrique permanente des molécules et le champ électrique d'adressage ayant des temps de commutation de 3 ordres de grandeur inférieurs à ceux de l'affichage nématique en hélice traditionnel. Pour des raisons de symétrie, la ferroélectricité de la * phase Sc ne peut être observée que si la structure hélicoïdale est déroulée Cette condition est réalisée dans le système de visualisation proposé par Clark et Lagerwall lorsque la phase SC est introduite dans une cellule dont l'épaisseur est inférieure à 2 jm. Les performances électrooptiques de tels afficheurs dépendent en grande partie du matériau mésomorphe utilisé. En première approximation, le temps de réponse r d'un * mélange Sc est donné par la relation suivante: t X 1 PS o Xq représente la viscosité rotationnelle du cristal liquide P sa polarisation spontanée et E le champ électrique appliqué. Les mélanges SC doivent présenter un certain nombre de propriétés comme: être stable thermiquement et photochimiquement s'aligner facilement présenter la succession de phase suivante * * SC, SA A'N L posséder une large gamme en température de mésomorphie avoir un angle d'inclinaison voisin de 22,5 . Pour obtenir un mélange Sc qui remplit toutes ces conditions, on préfère actuellement doper un mélange S avec un c ou plusieurs dopants. Le mélange Sc apporte la succession des phases le domaine d'existence en température de ces phases la faible viscosité l'anisotropie diélectrique et la biréfringence. Les dopants chiraux apportent la chiralité et la polarisation Le dopant doit par ailleurs ne pas modifier les températures de transition de la matrice S et ne pas augmenter la visosité du mélange final. Afin de satisfaire toutes ces conditions, la présente invention propose une nouvelle formule de cristaux liquides chiraux fluorés, incorporant un groupement cyclohexyl dans leur structure, utilisables comme dopant d'une matrice SC. L'invention a donc pour objet une famille de cristaux li- quides chiraux f luorés incorporant un groupement cyclohexyl dans leur structure, caractérisée en ce qu'elle répond à la formule générale suivante Cn H 2 O CH 2 X O Y -CH R avec 1 S N S 14 X = -CH 2 ou -o- si Y = CH 2 - R =Cm H 2 m+l avec 5 S m S 16 si Y = C- Il *,CH 3 R = -CH C 2 H 5ou CF ou H CH 3 CH 3 Cette famille présente les avantages suivants la présence de 3 cycles dans la structure chimique des molécules de la formule conduit à l'existence de mésomorphes sur une large gamme de température. la liaison C-F qui assure la contribution la plus impor- tante à la polarisation du mélange conduit à des dérivés plus stables que les dérivés chlorés analogues enfin l'utilisation d'un radical cyclohexane éthyl trans ou cyclohexylethoxy concourent à l'obtention de mélanges de faible viscosité comparés aux dérivés benzoïques correspondants. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante et des dessins annexés parmi lesquels la figure 1 représente le schéma de synthèse d'un premier exemple de molécule selon l'invention, la figure 2 représente le schéma de synthèse d'un second exemple de molécule selon l'invention, la figure 3 représente l'évolution de la polarisation spontanée (avec la température) de mélanges obtenus avec les composés (I) et (II); la figure 4 représente l'évolution de l'angle de tilt en fonction de la température pour des mélanges obtenus avec les composés (I) et (II); la figure 5 représente l'évolution du temps de réponse électrooptique avec la température pour des mélanges obtenus avec les composés (I) et (II). Synthèse des composés selon l'invention * Synthèse du 4-ltrans-( 4 alkyl cyclohexane) methoxyl 4 ' ( 2 fluoro alkyl 1-methoxy) biphényl (composé I) La synthèse de ces composés se fait en 7 étapes à partir de l'acide 4 alkylbenzoïque et l'époxyde chiral correspondant selon le schéma réactionnel décrit en figure 1 L'acide 4 pentyl cyclo- hexyl est commercial L'hydrogénation du noyau benzénique de l'acide 4 alkylbenzoïque et la séparation des isomères cis et trans au moyen d'un composé d'inclusion avec la thiourée ne pose aucun problème à l'homme de l'art Dans ce qui suit, nous décri- rons plus en détail les étapes plus difficiles. La structure des produits obtenus a été établie par RMN 1 H sur spectromètre VARIAN T 60 (et T 80) et BRUKER AM 250 et WPSY 80 en utilisant le tétraméthylsilane (TMS) comme référence in- terne et le chloroforme deuteré (CDCI 3) comme solvant Les spectres de masse ont été effectués sur un spectromètre quadri- pole NERMAG R 10 10 C, en ionisation chimique (gaz réactant NH 3) et par impact électronique Les mesures des pouvoirs rotatoires 3 ont été effectuées à la raie jaune du sodium sur un polari- mètre Perkin-Elemer (solvant benzène). Synthèse du Trans-( 4-pentylcyclhexane) méthanol correspondant à la deuxième étape de la figure 1. Dans un tricol et sous argon, ou ajoute goutte à goutte l'acide trans-4pentylcyclohexanoïque ( 10 g soit 50,5 mmoles) dans 40 ml de tétrahydrofuranne (THF) sec à une solution de Li Al H 4 ( 2,85 g soit 75, 5 mmoles) dans 60 ml de THF à O C L'addition terminée, on porte au reflux pendant une heure. Puis on refroidit à O C, on ajoute alors 150 ml d'H 20 et enfin 20 ml de HCL 2 N On extrait alors la phase aqueuse par 2 fois 100 ml d'éther, on rassemble les phases organiques, on sèche, on filtre et l'on évapore le solvant à sec On obtient alors 7,9 g d'une huile incolore. Synthèse du trans-4-(pentylcyclohexane) bromométhane (étape III 1) On dissout dans 50 ml de chlorure de méthylène sec le tétrabromométhane ( 18,7 g soit 56,5 mmole) et l'alcool précédent (alcool 1). On ajoute alors la triphenylphosphine solide ( 14,7 g soit 56,5 mmoles) par fractions; il apparaît une coloration jaune de même qu'un échauffement Puis on ajoute 200 ml d'une solution éther/éther de pétrole 1/1, on filtre le précipité blanc obtenu et on évapore les eaux mères L'analyse du spectre RMN à 60 MHZ du produit brut montre qu'il demeure de l'oxyde de triphenylphosphine, celui-ci est purifié par filtration sur silice avec comme éluant de l'heptane On obtient alors 9,8 g d'une huile incolore. Synthèse du 2 (+) fluoro octane -1-ol correspond à la 5 ème étape (V 1) On refroidit dans un bécher en polyéthylène 30 ml d'acide fluorhydrique (HF)/pyridine sous argon On ajoute alors goutte à goutte l'époxyde ( 8,4 g soit 65 mmoles) dans 20 ml d'éther On laisse agiter 2 heures à température ambiante On ajoute 100 ml d'eau puis on neutralise le milieu réactionnel par une solution de soude 5 N On obtient 8,4 g d'une huile légèrement jaune qui cristallise Le produit brut est purifié par chromatographie liquide haute pression (HPLC) sur silice On isole deux fractions possédant un e D) non nul. Les mesures sont les suivantes: fraction a = 8,9 O fraction b D = 12,5 (a = 13,1 littérature) la fraction B correspond à l'alcool chiral attendu (alcool 3). Synthèse du 2 (-) fluoro-1-octane ( 4-méthyl phényl sulfonyl) 4 correspondant à la 6 ème étape (VI 1) On ajoute goutte à goutte à O C le chlorure de tosyle TSCI ( 2 g soit 10,5 mmoles) dans 100 ml de chloroforme à une solution de l'alcool 3 ( 1,1 g soit 7,6 mmoles) et de pyridine ( 1,4 g soit 17,3 mmoles) dans 20 ml de chloroforme (CHC 13) On laisse 2 heures à température ambiante et on contrôle en chromatographie couche mince (CCM) l'évolution de la réaction; il demeure de l'alcool fluoré; on rajoute 0,4 équivalent de pyridine et de tosyle On laisse 24 heures à température ambiante On ajoute 30 ml d'eau et 30 ml d'éther On lave par 10 ml d'HCL 2 N, on neutra- lise par 2 fois 10 ml d'une solution saturée de Na HCO 3 et on lave avec 10 ml d'eau On extrait puis on sèche la phase organique sur Mg 504, on filtre et on concentre Après purification par HPLC sur silice on récupère 1,66 g d'une huile légèrement jaune. Synthèse du 4-(trans-( 4-pentyl cyclohexane) méthoxy, 4 '- hydroxybiphenyl 5 (étape IV 1) On porte au reflux le dihydroxy-4, 4 '- biphenyl ( 10 g soit 53,7 mmoles) et le carbonate de potassium ( 28,6 g soit 0,27 mmoles) dans 400 ml d'acétonitrile pendant 1 heure On revient à la température ambiante puis on ajoute le dérivé bromé dans 30 ml d'acétonitrile On porte au reflux Après 24 heures il y a peu de produit formé On ajoute alors 100 ml de toluène et l'on porte à nouveau 24 heures à 80 C Le suivi CCM montre qu'il n'y a pas d'évolution On ajoute alors 3 fois 3 ml de 1,5 diazobicyclo ( 3-4-0) nonène 5 (DBN). On filtre, on évapore On reprend par 300 ml de dichlorométhane, on lave par 40 ml d'acide sulfurique 1 N, puis ml d'eau, on extrait les phases aqueuses par 2 fois 50 ml de dichlorométhane On rassemble les phases organiques, on les sèche sur Mg SO 4 puis on les filtre et on les concentre On récupère 1,8 g de brut On purifie par filtration sur silice. Synthèse du 4-ltrans-( 4 pentyl cyclohexane) methoxyl, 4 '( 2 fluoro heptane 1 méthoxy) biphenyl 6 (étape VII 1) On sèche un tricol de 100 ml à la flamme sous argon On lave par 10 ml de pentane l'hydrure de sodium, ce toujours sous argon, puis on reprend par 20 ml de THF sec et on ajoute goutte à goutte le phénol monoétherifié 5 ( 1 g soit 2, 8 mmoles) dans 40 ml de 1 HF On porte au reflux une heure On revient à la température ambiante et on ajoute le dérivé tosylé ( 0,86 g soit 2,8 mmoles) dans 20 ml de THF On porte à reflux pendant 5 heures la réaction n'évoluant plus On hydrolyse par 50 ml de NH 4 CI puis on lave par ml d'eau en contrôlant le p H On extrait les phases aqueuses par 3 fois 20 ml d'éther, on sèche sur Mg SO 4, on filtre, on con- centre On récupère alors 1,4 g de produit brut. Après purification par HPLC on récupère 510 mg d'un solide blanc. * Synthèse du 4-ltrans-( 4 alkyl cyclohexyl) ethyl 4 ' ( 2 fluoro alcanoyloxyl biphényle dont le schéma réactionnel est indiqué à la figure 2 (composé II) La synthèse de ces composés se fait en 8 étapes à partir de l'acide 4 alkylbenzoïque et de l'acide aminé correspondant (leucine, isoleucine, valine) (figure n 2). La synthèse du 4 hydroxy 4 ' alkyltrans cyclohexyléthyl biphényle est décrite dans le Brevet 89 12026 déposé par la Demanderesse. La synthèse de l'acide 2 fluoro 3 méthyl pentanoïque s'est faite selon un mode opératoire décrit par R Buchecker, S M. Kelly and J Fuenfschilling (Liq Cryst 8 ( 2) 217-227 ( 1990). Synthèse de l'acide 2 fluoro 3 methyl pentanoïque (étape VII 2) Dans un bécher en téflon, on introduit 5,24 g ( 0,04 mole) d'isoleucine puis 100 ml de HF pyridine 70 %. On refroidit à 15 C et on ajoute 44 ml de pyridine distillée, par petites quantités On observe la formation de fumées blanches. On refroidit à O C et on ajoute 4,1 g ( 0,06 mole) de nitrite de sodium On agite en laissant revenir à la température ambiante, puis on continue d'agiter pendant 5 jours. On coule la solution dans un mélange de 400 ml d'eau et 400 g de glace. On extrait à l'éther. Le produit brut (environ 2 g) est purifié par distillation sous vide E 7 = 80 C. On obtient 400 mg d'acide. Rendement p = 7,5 %. Synthèse du 4-ltrans-( 4 heptyl cyclohexyl) éthyl 4 ' ( 2 fluoro 3 methyl pentanoyloxy) biphenyle (étape VIII 2) Dans un erlenmneyer on introduit 0,23 g ( 0,6 mmole) de 4- ltrans-( 4 heptyl cyclohexyl) ethyl 4 ' hydroxy biphenyl, 0,4 g ( 3 mmole) d'acide 2 fluoro 3 methyl pentanoïque, 5 ml de chlorure de méthylène, 0,74 g ( 3,6 mmole) de dicyclohexylcarbodiimide DCCI et 0,148 g ( 1 mmole) de piperidinopyridine On agite à température ambiante pendant 36 heures. Le précipité d'urée est éliminé par filtration Le filtrat est évaporé à sec. Le produit brut est purifié par chromatographie sur Si O 2 éluant hexane 60 Toluène 40 suivie d'une recristallisation dans l'hexane On obtient 0,18 g de produit. Rendement 60 %. Propriétés des corps synthétisés Les composés selon l'invention ont été étudiés par analyse enthalpique différentielle et par microscopie optique Les résultats sont rassemblés dans le tableau n 1. Index N x R y Propriétés Propriétés Indelx N xR '' mésomorphes (I) 5 O C 6 H 13 O 5385,2 SB 145 SA 175,5 L (II) 7 CH 2 C 2 H 5CH COO C 56,5 S 137 L CH 3 TABLEAU 1 Le composé (I) ne cristallise pas. Les phases 53 et S sont des phases smectiques très ordonnées. Les composés selon l'invention ont été introduits à titre de dopants dans un mélange M présentant une phase Sc (mélange Merck référencée ZLI 3234 B) et possédant la succession de phases suivantes SC 76 SA 80 N 96 L Les propriétés suivantes ont été mesurées températures de transition du mélange final, polarisation en fonction de la température, angle de tilt en fonction de la température, mesure du temps de réponse. Pour obtenir un mélange homogène après incorporation du dopant on a procédé de la manière suivante Après pesée du dopant et du mélange M dans un même récipient, on réalise une solution homogène par ajout d'un solvant purifié à bas point d'ébullition (CH 2 C 12 ou CHCI 3) Cette solution est ensuite filtrée sur filtre Millipore 1 Mm en environnement dépoussiéré Enfin, le solvant est éliminé par évaporation lente sous courant d'azote à 40 'C, puis sous vide. Tous les dopants selon l'invention sont solubles à une concentration de 10 '4 en poids dans le mélange. Les températures de transition des mélanges dopés (à raison de 10 'e en poids de dopant dans le mélange final obtenu) ont été déterminées par analyse enthalpique différentielle et par microscopie optique Les résultats sont rassemblés dans le tableau 2. dopant Sc SA N L () 71,5 85,5 O 103 O (II) O 68,8 87,8 O 98,5 a TABLEAU 2 La mesure de polarisation, du temps de réponse et de l'angle de tilt nécessite la réalisation de cellules de mesures Les cellules sont faites à partir de lames de verre rectangulaires ( 2 x 3 cm) de 1 mm d'épaisseur, recouvertes d'ITO (oxyde mixte d'indium et d'étain) non recuit La fabrication des cellules se fait en 5 étapes. On définit d'abord sur chaque lame de verre une bande conductrice de 1 cm de largeur. Puis on enduit ces lames d'un film d'alcool polyvinylique (Rhodoviol 4,125) par dépôt à la tournette d'une solution aqueuse à 3 % Après séchage à 100 'C pendant une heure, le film de PVA est frotté au moyen d'une machine de frottement (par exemple de la marque Asulab) afin d'induire une orientation planaire non dégénérée Les cellules sont ensuite scellées au moyen d'une colle araldite Les contacts entre un fil électrique et une lame sont réalisés à l'aide de points de colles à l'argent Enfin le matériau est introduit par capillarité. La mesure de polarisation a été faite en utilisant un signal triangulaire Le champ d'excitation utilisé est de 15 V/lim Les mesures ont été faites à 100 Hz. La figure 3 représente la polarisation spontanée des mélanges obtenus avec les composés (I) et (II). La mesure de l'angle de tilt est faite en utilisant une méthode électrooptique Un champ continu (+ E) est appliqué aux bornes de la cellule qui est observée au microscope entre polariseur et analyseur croisés Les dipôles s'alignent dans le sens du champ et on détermine la position d'extinction Ensuite le sens du champ est inversé ( E), ce qui inverse le sens des dipôles Les molécules ont alors tourné d'un angle 2 e Il faut tourner l'échantillon d'un angle 2 O pour retrouver une position d'extinction Le sens dans lequel il faut faire tourner l'échantillon pour retrouver une position d'extinction fournit également le signe de la polarisation Le champ électrique appliqué est de 15 V/^m. La figure 4 représente l'angle de tilt en fonction de la température des mélanges obtenus avec les composés (I) et (II). Le temps de réponse électrooptique des matériaux a été mesuré en appliquant une tension en forme de créneaux aux bornes d'une cellule de mesure, correspondant à un champ électrique de V/Pm. La figure 5 représente l'évolution du temps de réponse r en fonction de la température pour les mélanges obtenus avec les composés (I) et (II). R E V E N D ICATIONS 1 Molécule chirale, cristal liquide caractérisée en ce qu'elle répond à la formule générale suivante: Cn H 2 n+l CH 2-X O-Y-CH- R F avec i X = -CH 2 ou -O- si Y = -CH 2- R = Cm H 2 m+l avec 5 S m si y = -C- il I OCH 3 R = CH-C 2 H 5 ou C C CH 3 CH 33 ou C 4 H 9 2 Molécule selon la revendication 1, caractérisée en ce que X = O et Y = CH 2 avec R = Cm H 2 m+l 3 Molécule selon la revendication 1, caractérisée en ce que X = CH 2 et Y = C avec * O CH 3 R = -CH-C 2 H 5 ou -CH