Synthesis and mesophase characterization of nonconventional polyphilic block molecules with perfluorinated chains

Abstract

Vier verschiedene Klassen von unkonventionellen Flüssigkristallen mit perfluorierten Ketten wurden synthetisiert: amphiphile Benzoylaminopropan-2,3-diolderivate, Biphenylderivate, Pentaerythritoltetrabenzoate und Bolaamphiphile mit fluorierten lateralen Ketten. Alle Grundtypen flüssigkristalliner Phasen (smektisch, kolumnar, bikontinuierlich kubisch und mizellar kubisch) wurde in den ersten drei Klassen gefunden. Bei Bolaamphiphilen mit fluorierten lateralen Ketten führt die sukzessive Vergrößerung des Volumens der lateralen Ketten in Bezug zur Länge der rigiden bolaamphiphilen Segmente zu einem Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Schichtstrukturen, d.h. von konventionellen smektischen Phasen, in denen die rigiden Segmente senkrecht zu den Schichten ausgerichtet sind zu neuen unkonventionellen Schichtstrukturen, in denen sie parallel zu den Schichten liegen. Kolumnare Mesophasen und wellenförmig deformierte Schichtstrukturen werden am Übergang zwischen diesen zwei Arten von Schichtstrukturen als intermediäre Phasen gefunden. Allgemein kann man sagen, daß semifluorierte Ketten in ganz verschiedenen Substanzklassen die Ausbildung von flüssigkristallinen Phasen begünstigen. Diese Mesophasenstabilisierung ist zu einem wesentlichen Teil auf die Erhöhung des intramolekularen Polaritätskontrastes zurückzuführen. Der Mesophasentyp wird ganz wesentlich durch den Raumbedarf der Perfluoralkylketten bestimmt.

Four different classes of nonconventional liquid crystals with perfluorinated chains were synthesized: polyhydroxy amphiphiles, amphiphilic biphenyl derivatives, pentaerythritol tetrabenzonates and bolaamphiphiles with lateral fluorinated chains. All types of mesophases (smectic, columnar, bicontinuous cubic and micellar cubic) were found in the first three classes of these liquid crystals. As for bolaamphiphiles with lateral fluorinated chains, by stepwise enlargement of the volumes of the lateral chains with respect to the length of the rigid cores, a transition between two orthogonal sets of layer structures occurs, namely from the conventional smectic phase in which the calamitic units are organized perpendicular to the layer planes, to nonconventional smectic phase in which the calamitic units are organized parallel to the layer planes. Different columnar phases are found as intermediate phases at the transition between these two layer structures. All the experimental results indicate, that the fluorophobic effect caused by the fluorinated chains can be used in combination with other incompatibilities to increase the micro-segregation of incompatible parts into different regions and can stabilize the mesophase. There are three distinct effects of the fluorinated chains in these systems: i) The fluorinated segments stabilize the mesophases due to the increased incompatibility with both aromatic and polar molecular parts; ii) simultaneously, they reduce the melting points in many cases and thus enlarge the mesomorphic regions; iii) the larger space required by the fluorinated chains increases the size of the segregated lipophilic regions and therefore, modifies the phase structure and leads to novel mesophases.