非常规棒状芳基咪唑盐离子液晶的分子设计、合成及自组装结构研究

离子液晶将液晶的自组装性能与离子液体独特的溶剂性能及导电性能完美地结合起来, 在纳米光电器件、发光材料、太阳能电池及生物模拟等领域有重要的研究价值。 本课题拟设计合成具有线形、楔形、多链形及树枝形的非常规棒状芳基咪唑盐离子液晶, 通过改变分子的形状（棒状、多链状、楔形状、树枝状）、柔性部分及刚硬部分的体积大小、对抗离子及连接基团的类型，以及在棒状核上引入噻吩基团等方式研究这类物质的自组装行为，以达到从分子水平上控制分子自组装行为、获取新型具有复杂纳米超分子液晶结构的目的，找出这类分子结构与液晶超分子自组装结构间的关系，为咪唑盐离子液晶在光电材料、太阳能电池、生物模拟等方面的广泛应用提供可靠的研究基础和实验数据。本课题对设计新型离子液晶功能材料、丰富自组装理论具有重要意义。

本项目成功完成了系列非常规棒状芳基咪唑盐离子液晶的设计合成及其液晶自组装结构与分子结构关系的研究，考察了C-端链、N-端链的长度、数目，刚硬核中的连接基团， 及刚硬核的类型及长度等结构常数的改变对液晶相结构的影响，获得了单分子、双分子层列相， 具有核壳结构的柱相及三维立方相等，对分子结构与所呈现的液晶相结构间的关系进行了深入的探讨。 其中在刚硬核上的芳香基团均为苯基的三个系列化合物-苯酯苯基咪唑盐、苄基苯基咪唑盐、苯甲酰胺苯基咪唑盐中发现的规律为：连接基团为酯键及醚键的苯酯苯基咪唑盐离子液晶及卞基苯基咪唑盐，随着C端链的增长和N端链的缩短，观察到了SmA - Colhex - CubI/Pm3n 的液晶相系列，其中的柱相和三维立方相均具有核壳结构。它们都遵守两亲性液晶分子中关于增加亲脂链的体积分数（增加C末端链的数目和长度）而核固定不变的情况下，产生亲脂、芳香核界面的曲率负值，从而引起从层列相聚集到球状体聚集的规律；而当连接基团为极性更大的酰胺基团(-CONH-)时，酰胺类咪唑盐表现出了比对应的醚、酯衍生物都更低的相态稳定性. 这是由于酰胺咪唑盐采取不同于酯、醚类咪唑盐的组装方式造成的。酰胺基与离子单元间的分子间极性相互作用，导致极性芳香核的反式平行排列和完全的交叠,形成彩虹状的聚集作用，导致芳香核与脂肪链界面曲率的减少，这样即使是在N末端链很短的情况下，也阻止形成强弯曲界面的聚集体结构. 因此在这一系列化合物中带三条链的酰胺咪唑盐仅观察到了彩虹状的柱相Col，而没有CubI相。合成了刚硬核中含1-2个噻吩的咪唑离子液晶，噻吩环的引入，增加了刚硬核的长度，利于Cub液晶相的形成， 随着C端链体积的增大，我们同样观察到了SmA - Colhex - CubI/Pm3n 液晶相系列。 最为有趣的是在化合物T3-16-4中，观察到随着温度的升高Colh-CubI-Colh相系列， 低温的六方柱相，极有可能是C烷基链在外壳的六方柱相 而高温的六方柱相，就有可能是N-端链在外的六方柱相, 这种柱相的转变首次被观察到。本项目研究成果：发表论文39 篇，其中SCI论文11 包括1篇JACS， 1篇Chem.Sci. 培养研究生19名（毕业9名），博士生6名（毕业4名）。做邀请报告5次。获2012年云南省科学技术三等奖（排名第一）。