掌性液晶

最早拉開了立體化學的序幕的是1848年Louis Pasteur^[48]發現酒石 酸的鹽類，這化合物可出現兩種不同的結晶而且兩個不同立體結構的 同一種物質卻可呈現迥然不同的功用，合成單一立體結構化合物的高 困難性更使立體化學的不對稱合成就如同藝術般令人著迷。也因此直 到一百多年後的1980年代，Meyer等人^[49-51]才將掌性分子應用於液 晶，發展出液晶學的另一個全新的領域。不對稱化學的合成探討也是 相當有趣的領域，但由於與本研究關聯不大，礙於篇幅所限故不多加 著墨，我們將簡略的介紹掌性液晶的性質。

1.6.1 掌性分子

一、絕對組態（absolute configuration）：

當碳原子同時連接四個不同取代基我們就稱此碳原子為不對稱 碳(chiral carbon)，依所連接原子的原子序由大到小排列成A～D，如 下圖將最小的D原子置於紙後，其他三個原子置於紙上，若其排列為 順時針即稱其絕對組態為R型，反之為S型。國際上以大寫斜體示之。

圖 1-15 絕對組態判斷圖

絕對組態圖的判斷需注意相對組態（relative configuration，標示為 D 與L）是立體化學發展之初有關醣類的命名方式，與絕對組態和下一 段落的光學活性（optical activity）並無絕對的關係。

二、光學活性（optical activity）

個互為鏡像的異構物A與B，我們就稱其為鏡像異構物。當分子有兩 個掌性碳時，就有可能具有4個不同的立體異構物C～F（SS，RR，SR，

RS），其中C（SS）與D（RR），E（SR）與F（RS）互為對掌體，而

C（SS）對E（SR）、F（RS）和D（RR）對E（SR）、F（RS）的關

係並無對稱鏡面的存在，就稱其為非鏡像異構物。鏡像異構物之物性 及化性幾乎完全相同，只有光學活性有(＋)、(－)的差異而已，而非

鏡像異構物的化性與物性皆不同，較容易利用一些簡單的物理方式如 再結晶與分餾…等等方式加以分離。

其實具備光學活性中心(chiral center)並不是可促使分子呈現掌性 的唯一因素，下圖的a,b,c,d等分子就是因為不對稱軸(chiral axis)的存 在而具掌性，而e則是因不對稱面(chiral plane)的影響而具掌性。

圖1-17 無掌性中心的掌性分子

綜合以上，我們可由微觀到巨觀來分類出物質出現掌性的原因：

1. 因掌性原子及掌性中心形成的掌性。

2. 不具掌性中心亦可形成掌性的分子，亦即具不對稱軸或不對稱平 面的分子。

3. 因原子、離子或分子的長程有序排列形成的掌性。如香蕉形液晶 (banana shaped liquid crystal)之B2相。

4. 巨觀物質形成的掌性，亦即掌性結晶體。

四、掌性液晶

就液晶研究的觀點來說合成掌性液晶的困難性相較於一般非掌 性液晶要來的高，以天然的掌性分子為起始物來合成液晶是最常用與 最經濟的方式。隨著液晶學的發展，掌性液晶的重要性與應用性卻日 與遽增。下面列舉掌性液晶的應用，而這也是使液晶工業日新月異的 關鍵所在。

1. 使分子堆積產生螺旋結構(helical structure)並使分子巨觀的偶極矩

因對稱性的降低無法經由分子本身的運動來消弭而產生特殊的光電 特性，若將此特性應用於平面顯示器(SSFLCD)其應答時間可縮短至 µs等級。

2. 產生可與非掌性液晶摻混的新中間相(N*，SmC*)。

3. 產生只發生於掌性液晶的新中間相(blue phase, TGB phase)。

就掌性液晶的光電特性與應用方面來討論：掌性向列相最特別的 光學特性就屬其「選擇性反射」了(selective reflection)。若將平行於 螺旋軸入射的光源分為左旋圓偏光與右旋圓偏光時，其偏光方向與螺 旋方向相同的圓偏光將穿透而相反者將會全數反射，穿透的圓偏光之 波長若與螺距相同者亦會進一步地被「選擇性反射」，螺距又與溫度 有關。因此，若螺距在可見光的波長範圍內，反射出的顏色會隨著溫 度的變化而隨之改變，此特性被應用於色變溫度計。另外掌性液晶的 螺旋堆積方式常應用於TN或是STN型平面顯示器的助扭轉劑，使液

晶在大範圍能以同方向旋轉而不至於在螢幕上出現旋轉方向不同的 區塊。