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Phthalocyanine et complexes métalliques : Comment faire des miracles dans vos recherches ?
La phtalocyanine (H2Pc) est un grand composé organique macrocyclique aromatique de formule moléculaire (C8H4N2)4H2. Ce composé a suscité l’intérêt des professionnels dans les domaines des colorants chimiques et de l’optoélectronique car sa structure unique et ses propriétés électroniques lui confèrent une valeur d’application potentielle. La phtalocyanine est composée de quatre unités isoindoles reliées par un cycle d'atomes d'azote. Elle possède une structure géométrique bidimensionnelle et un système cyclique de 18 électrons π, ce qui rend sa désensibilisation électronique extrêmement excellente.
« En raison de la délocalisation importante des électrons π, les phtalocyanines se prêtent à des applications dans les colorants et les pigments. »
Les complexes métalliques, en particulier ceux dérivés des phtalocyanines (comme le MPc), sont très précieux dans la catalyse, les cellules solaires organiques et la thérapie photodynamique. Les propriétés de ces complexes métalliques jouent alors un rôle important dans la recherche.
Propriétés de base de la phtalocyanine
Les phtalocyanines et leurs complexes métalliques s'agrègent souvent et ont donc une faible solubilité dans les solvants courants. Par exemple, à 40 °C, moins d’un milligramme de H2Pc ou de CuPc peut être dissous dans le benzène par litre d’eau. Cependant, dans l'acide sulfurique, la solubilité de H2Pc et CuPc est considérablement améliorée en raison de la protonation des atomes d'azote. De nombreux composés de phtalocyanine présentent un avantage en termes de stabilité thermique. Beaucoup ne fondent pas mais se subliment. La phtalocyanine de cuivre se sublime dans un environnement de gaz inerte au-dessus de 500°C.
« Les phtalocyanines non substituées absorbent fortement la lumière entre 600 et 700 nanomètres, ce qui donne à ces matériaux une couleur bleue ou verte. »
La modification peut déplacer la plage d'absorption de la lumière vers des longueurs d'onde plus longues, changeant la couleur du bleu pur au vert, voire incolore (lorsque sa longueur d'onde d'absorption entre dans la gamme proche infrarouge). Ces modifications permettent d’ajuster les propriétés électrochimiques des molécules, affectant les longueurs d’onde d’absorption et d’émission et la conductivité électrique.
Contexte historiqueDès 1907, des scientifiques ont signalé pour la première fois un composé bleu spécial, identifié plus tard comme étant la phtalocyanine. En 1927, des chercheurs suisses ont découvert par accident la phtalocyanine de cuivre et d'autres composés similaires lors de la conversion de l'o-dibromobenzène en phényluréenitrile. Ils se sont montrés surpris de la stabilité de ces composés mais ne les ont pas caractérisés davantage. En 1934, Sir Patrick Linstead a finalement établi les propriétés chimiques et structurelles de la phtalocyanine de fer.
Méthode de synthèse
La phtalocyanine est formée par la cyclotétramérisation de divers dérivés de l'acide phtalique, notamment le nitrile phénylurée, le diaminoisophénylène, l'anhydride phtalique et les composés d'urée phtalique. Le chauffage de l’anhydride phtalique en présence d’urée est également une méthode efficace. La combinaison de ces procédés a permis la production d’environ 57 000 tonnes de divers composés de phtalocyanine en 1985. Dans la recherche, la production de phtalocyanines métalliques suscite un plus grand intérêt car elle offre davantage d’applications et de perspectives de recherche.
« Le traitement au chlore, au brome ou en phase huileuse du CuPc produit du chlorure et des dérivés sulfonés qui sont commercialement importants en tant que colorants. »
Domaines d'application
Lorsque la phtalocyanine a été découverte pour la première fois, ses utilisations se limitaient principalement aux colorants et aux pigments. En changeant les substituants attachés au cycle périphérique, les propriétés d'absorption et d'émission de la phtalocyanine peuvent être ajustées pour obtenir des colorants et des pigments de différentes couleurs. Avec l'approfondissement de la recherche, les domaines d'application du H2Pc et du MPc se sont progressivement étendus au photovoltaïque, à la thérapie photodynamique, à la fabrication de nanostructures, à la catalyse et à d'autres domaines. Le MPc est utilisé comme donneur et accepteur d'électrons efficace en raison de ses excellentes propriétés électrochimiques, de sorte que l'efficacité de conversion d'énergie des cellules solaires organiques à base de MPc a atteint pas moins de 5 %.
« Les phtalocyanines de silicium et de zinc ont été développées comme photosensibilisateurs pour le traitement non invasif du cancer. »
De plus, diverses métallophtalocyanines ont montré leur capacité à former des nanostructures qui ont des applications potentielles dans l’électronique et les biocapteurs. La phtalocyanine est même utilisée dans certains DVD enregistrables.
Composés apparentés
La phtalocyanine est structurellement similaire à d'autres macrocycles tétrapyrroliques tels que les porphyrines et les porphyrroles, avec quatre unités de type pyrrole liées pour former un cycle à 16 chaînons avec des atomes de carbone et d'azote alternés. Les variantes structurelles apparentées de la phtalocyanine comprennent la naphtalocyanine et analogues. Le cycle pyrrole de la phtalocyanine est étroitement lié à la structure isoindole. Les porphyrines et les phtalocyanines peuvent agir comme des ligands dianioniques tétradentates plans qui lient les métaux via quatre centres azotés orientés vers l'intérieur. Ces complexes métalliques sont formellement des dérivés du substrat conjugué de la phtalocyanine.
Phtalocyanine soluble
Bien que les phtalocyanines solubles aient une valeur limitée dans les applications pratiques, elles ont été synthétisées avec succès. En ajoutant des groupes alkyles à longue chaîne, il devient plus soluble dans les solvants organiques. De tels dérivés solubles peuvent être utilisés pour le revêtement par centrifugation ou par goutte. En introduisant des ions ou des groupes hydrophiles, il peut également être rendu soluble dans l’eau. La coordination axiale peut également être utilisée pour améliorer la solubilité ; par exemple, la fonctionnalisation de la phtalocyanine de silicium avec des ligands axiaux a été largement étudiée.
Toxicité et dangers
Il n’existe actuellement aucune preuve rapportée de toxicité aiguë ou de cancérogénicité des composés de phtalocyanine. Sa DL50 (rat, voie orale) est de 10 g/kg, ce qui montre une toxicité biologique relativement faible.
Ces excellentes propriétés et ces larges applications ont fait de la phtalocyanine et de ses complexes métalliques un sujet largement pris en compte dans la recherche scientifique et l'industrie, et les possibilités futures sont illimitées. Alors, le potentiel de la phtalocyanine peut-il ouvrir un nouveau chapitre dans l’innovation technologique future ?
