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Mysteriöse blaue Chemikalien: Warum sind blaue Phthalocyaninverbindungen so besonders?
Phthalocyanin (Pc) ist eine große aromatische zyklische organische Verbindung mit der Molekülstruktur (C8H4N2)4H2 und wird daher in den Bereichen der chemischen Farbstoffe und Optoelektronik sehr geschätzt. Diese Verbindung besteht aus vier Isoindoleinheiten, die durch einen Stickstoffatomring verbunden sind. Aufgrund ihrer umfassenden π-Elektronen-Delokalisierung weisen Phthalocyanine viele nützliche Eigenschaften auf und haben daher ein großes Anwendungspotenzial in Farbstoffen und Pigmenten. Aus Metallkomplexen gewonnene Phthalocyaninverbindungen werden häufig in der Katalyse, in Solarzellen und der photodynamischen Therapie eingesetzt. Zweifellos haben diese blauen Verbindungen das Interesse der Wissenschaftler geweckt. Wie viele unbekannte Geschichten verbergen sich hinter ihnen?
Eigenschaften von Phthalocyanin
Phthalocyanin und seine abgeleiteten Metallkomplexe (MPc) sind üblicherweise aggregiert und weisen daher eine geringe Löslichkeit in üblichen Lösungsmitteln auf. Bei der Analyse seiner Eigenschaften stellten die Forscher Folgendes fest:
„Bei 40 °C kann Benzol weniger als 1 mg H2Pc oder CuPc lösen.“
Im Gegenteil, die Löslichkeit von H2Pc und CuPc in Schwefelsäure wird deutlich verbessert, was auf die Protonierung von Stickstoffatomen zurückzuführen ist, die die Bindung des Pyrrolrings in ihrer Struktur stabiler macht. Die meisten unsubstituierten Phthalocyanine haben eine sehr hohe thermische Stabilität und schmelzen nicht, können aber sublimieren. Unter ihnen kann CuPc in einer Inertgasumgebung bei über 500 °C sublimieren. Substituierte Phthalocyaninkomplexe neigen dazu, eine höhere Löslichkeit zu besitzen, allerdings ist ihre thermische Stabilität reduziert.
Historischer Kontext
Die Geschichte der Phthalocyaninverbindungen reicht bis ins Jahr 1907 zurück, als erstmals eine blaue Verbindung beschrieben wurde. Erst 1927 entdeckten Schweizer Forscher zufällig Kupferphthalocyanin bei der Umwandlung von o-Dibrombenzol in Benzylcyanid. Cyanin und seine Derivate. Sie waren sich der Stabilität dieser Verbindungen bewusst, untersuchten sie jedoch nicht eingehend. Erst 1934 charakterisierte Sir Patrick Linstead erstmals die chemischen und strukturellen Eigenschaften von Eisenphthalocyanin. Die Entdeckung dieser Verbindungen und ihrer potenziellen Anwendungen haben eine große Zahl von Folgestudien ausgelöst.
Synthesemethode
Phthalocyanin wird üblicherweise durch die Cyclotetramerisierungsreaktion verschiedener Phthalsäurederivate synthetisiert, darunter Benzylcyanid, Diaminoisoindol, Phthalsäureanhydrid und Phthalsäureamid. Alternativ kann H2Pc durch Erhitzen von Phthalsäureanhydrid und Harnstoff erzeugt werden. Im Jahr 1985 betrug die weltweite Produktion verschiedener Phthalocyanintypen etwa 57.000 Tonnen, was auf eine erhebliche Nachfrage schließen lässt. Da Metallphthalocyanine (MPcs) für die Forschung attraktiver sind, wird ihre Synthese üblicherweise in einer Umgebung durchgeführt, die Metallsalze enthält.
Anwendungsbereich
Ursprünglich war die Verwendung von Phthalocyanin auf Farbstoffe und Pigmente beschränkt. Mit der Vertiefung der Forschung hat sich der Anwendungsbereich von H2Pc und MPc auf Photovoltaik, photodynamische Therapie, Nanopartikelkonstruktion und Katalysatoren ausgeweitet. Aufgrund ihrer elektrochemischen Eigenschaften sind MPcs effiziente Elektronendonatoren und -akzeptoren, was die Entwicklung organischer Solarzellen auf MPc-Basis mit einem Wirkungsgrad von höchstens 5 % ermöglicht. Darüber hinaus wurde MPc auch zur Oxidationskatalyse von Methan, Phenol, Alkohol, Polysacchariden und Olefinen verwendet und kann sogar die Bildung von C-C-Bindungen und verschiedene Reduktionsreaktionen katalysieren.
„Einige Metallphthalocyanine wurden als Photosensibilisatoren für die nicht-invasive Krebsbehandlung entwickelt.“
Verwandte Verbindungen
Die Struktur von Phthalocyanin ist eng mit anderen tetrapyrrolischen makrozyklischen Verbindungen wie Porphyrinen und Porphyrinoxinen verwandt, die durch vier pyrrolähnliche Untereinheiten gekennzeichnet sind, die zu einem 16-gliedrigen Innenring verbunden sind, der abwechselnd aus Kohlenstoff und Stickstoff besteht. . Darüber hinaus gibt es auch größere Analoga wie Naphthalocyanine. Der Pyrrol-ähnliche Ring in Phthalocyaninverbindungen ist dem Isoindol sehr ähnlich, und sowohl Porphyrin als auch Phthalocyanin sind planare, vierzähnige, dianionische Liganden, die über vier nach innen ragende Stickstoffzentren mit Metallen interagieren.
Lösliches Phthalocyanin
Obwohl der Forschungswert von löslichem Phthalocyanin grundlegend ist, seine praktische Anwendung jedoch begrenzt ist, entwickeln Forscher dennoch lösliches Phthalocyanin, indem sie lange Alkylketten hinzufügen, um seine Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln zu verbessern, oder indem sie ionische oder hydrophile Gruppen einführen, um Wasserlöslichkeit zu verleihen. Darüber hinaus kann Löslichkeit auch durch axiale Koordination erreicht werden, und Optimierungsstudien in dieser Hinsicht, wie etwa die axiale Ligandenfunktionalisierung von Siliziumphthalocyanin, wurden umfassend untersucht.Toxizität und Gefahren
Derzeit liegen keine Hinweise darauf vor, dass Phthalocyaninverbindungen akut toxisch oder krebserregend sind. Ihr LD50-Wert (für Ratten, oral) beträgt 10 g/kg, was auf eine relative Sicherheit hinweist.
Mit dem zunehmenden Verständnis von Phthalocyaninverbindungen erlangte die Anwendung ihrer verschiedenen Derivate in unterschiedlichen Bereichen zunehmende Aufmerksamkeit. Welche unerwarteten Entdeckungen und Anwendungen werden diese mysteriösen blauen Chemikalien Ihrer Meinung nach in der Zukunft haben?
