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Phthalocyanin und Metallkomplexe: Wie können Sie mit Ihrer Forschung Wunder bewirken?
Phthalocyanin (H2Pc) ist eine große aromatische makrozyklische organische Verbindung mit der Summenformel (C8H4N2)4H2. Diese Verbindung hat in den Bereichen chemische Farbstoffe und Optoelektronik professionelles Interesse geweckt, da sie aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und elektronischen Eigenschaften potenziell nützlich ist. Phthalocyanin besteht aus vier Isoindoleinheiten, die über einen Stickstoffatomring verbunden sind. Es hat eine zweidimensionale geometrische Struktur und ein Ringsystem aus 18 π-Elektronen, was seine Elektronendesensibilisierung extrem verbessert.
„Phthalocyanine erleichtern Anwendungen in Farbstoffen und Pigmenten aufgrund ihrer breiten Desaktivierung von π-Elektronen.“
Metallkomplexe, insbesondere solche, die von Phthalocyaninen (wie MPc) abgeleitet sind, sind äußerst wertvoll für die Katalyse, organische Solarzellen und die photodynamische Therapie. Die Eigenschaften dieser Metallkomplexe spielen dann eine wichtige Rolle in der Forschung.
Grundlegende Eigenschaften von Phthalocyanin
Phthalocyanine und ihre Metallkomplexe aggregieren häufig und sind daher in üblichen Lösungsmitteln nur schwer löslich. Beispielsweise kann Benzol bei 40 °C weniger als ein Milligramm H2Pc oder CuPc pro Liter Wasser lösen. In Schwefelsäure wird jedoch die Löslichkeit von H2Pc und CuPc aufgrund der Wirkung der Protonierung von Stickstoffatomen deutlich verbessert. Viele Phthalocyaninverbindungen haben Vorteile in der thermischen Stabilität. Viele schmelzen nicht, sondern sublimieren in einer Inertgasumgebung.
„Unsubstituierte Phthalocyanine absorbieren stark Licht zwischen 600 und 700 Nanometern, was diesen Materialien ein blaues oder grünes Aussehen verleiht.“
Eine Modifikation kann den Lichtabsorptionsbereich zu längeren Wellenlängen verschieben und die Farbe von reinem Blau zu Grün oder sogar farblos ändern (wenn die Absorptionswellenlänge in den nahen Infrarotbereich gelangt). Diese Modifikationen tragen zur Anpassung der elektrochemischen Eigenschaften des Moleküls bei und beeinflussen Absorptions- und Emissionswellenlängen sowie die Leitfähigkeit.
Historischer Hintergrund
Bereits 1907 berichteten Wissenschaftler erstmals über eine spezielle blaue Verbindung, die später als Phthalocyanin identifiziert wurde. Im Jahr 1927 entdeckten Schweizer Forscher zufällig Kupferphthalocyanin und andere ähnliche Verbindungen, als sie o-Dibrombenzol in Phenylharnstoffnitril umwandelten. Sie zeigten sich überrascht über die Stabilität der Verbindungen, charakterisierten sie jedoch nicht weiter. Im Jahr 1934 bestimmte Sir Patrick Linstead schließlich die chemischen und strukturellen Eigenschaften von Eisenphthalocyanin.
Synthesemethode
Die Bildung von Phthalocyanin wird durch die Ringtetrapolymerisation verschiedener Phthalsäurederivate erreicht, darunter Phenylharnstoffnitril, Diaminobenzol, Phthalsäureanhydrid und Phthalharnstoffverbindungen. Auch das Erhitzen von Phthalsäureanhydrid in Gegenwart von Harnstoff ist eine wirksame Methode. Die Kombination dieser Methoden führte 1985 zur Produktion von etwa 57.000 Tonnen verschiedener Phthalocyaninverbindungen. Aus wissenschaftlicher Sicht ist die Herstellung von Metallphthalocyaninen interessanter, da sie mehr Anwendungen und Forschungsperspektiven bieten kann.
„Chloride und sulfonierte Derivate können durch Behandlung von CuPc mit Chlor, Brom oder der Ölphase erhalten werden. Diese Derivate sind kommerziell als Farbstoffe sehr wichtig.“
Anwendungsfelder
Als Phthalocyanin erstmals entdeckt wurde, beschränkte sich seine Verwendung hauptsächlich auf Farbstoffe und Pigmente. Durch Ändern der am peripheren Ring angebrachten Substituenten können die Absorptions- und Emissionseigenschaften von Phthalocyanin angepasst werden, um Farbstoffe und Pigmente unterschiedlicher Farbe zu erhalten. Mit der Vertiefung der Forschung haben sich die Anwendungsfelder von H2Pc und MPc nach und nach auf viele Bereiche wie Photovoltaik, photodynamische Therapie, Nanostrukturherstellung und Katalyse ausgeweitet. MPc wird aufgrund seiner hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften als wirksamer Elektronendonor und -akzeptor eingesetzt, sodass der Wirkungsgrad der Energieumwandlung MPc-basierter organischer Solarzellen nicht weniger als 5 % erreicht hat.
„Silizium- und Zinkphthalocyanine wurden als Photosensibilisatoren für die nicht-invasive Krebsbehandlung entwickelt.“
Darüber hinaus haben verschiedene Metallophthalocyanine die Fähigkeit gezeigt, Nanostrukturen mit potenziellen Anwendungen in der Elektronik und Biosensoren zu bilden. Phthalocyanine werden sogar in einigen beschreibbaren DVDs verwendet.
Verwandte Verbindungen
Phthalocyanine ähneln strukturell anderen makrozyklischen Tetrapyrrolverbindungen (wie Porphyrinen und Porphyrrolen), wobei vier pyrrolähnliche Einheiten zu einem 16-gliedrigen Ring mit abwechselnden Kohlenstoff- und Stickstoffatomen verbunden sind. Verwandte Strukturvarianten von Phthalocyanin umfassen Naphthocyanin und andere. Der Pyrrolring in Phthalocyanin ist eng mit der Isoindolstruktur verwandt. Sowohl Porphyrine als auch Phthalocyanine fungieren als planare vierzähnige dianionische Liganden, die Metalle über vier nach innen gerichtete Stickstoffzentren binden. Diese Metallkomplexe sind formal Derivate konjugierter Basen von Phthalocyaninen.
Lösliches Phthalocyanin
Obwohl lösliche Phthalocyanine in praktischen Anwendungen nur begrenzten Wert haben, wurden sie erfolgreich synthetisiert. Durch den Zusatz langkettiger Alkylgruppen ist es in organischen Lösungsmitteln besser löslich. Solche löslichen Derivate können zum Spin-Coating oder Drop-Coating verwendet werden. Durch die Einführung ionischer oder hydrophiler Gruppen kann es auch wasserlöslich gemacht werden. Seine Löslichkeit kann auch durch axiale Koordination verbessert werden. Beispielsweise wurde die axiale Ligandenfunktionalisierung von Silicophthalocyanin ausführlich untersucht.
Toxizität und Gefahren
Derzeit gibt es keine Berichte über Hinweise auf akute Toxizität oder Karzinogenität von Phthalocyaninverbindungen. Sein LD50-Wert (Ratte, oral) beträgt 10 g/kg und weist eine relativ geringe biologische Toxizität auf.
Diese hervorragenden Eigenschaften und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten haben dazu geführt, dass Phthalocyanin und seine Metallverbundstoffe in der wissenschaftlichen Forschung und in der Industrie große Aufmerksamkeit erregen, und die Möglichkeiten in der Zukunft sind unbegrenzt. Kann das Potenzial von Phthalocyanin also ein neues Kapitel zukünftiger technologischer Innovation aufschlagen?
