Language
Country/Area
No result found
Phthalocyanine và hợp chất kim loại: Làm thế nào để nghiên cứu của bạn tạo ra điều kỳ diệu?
Phthalocyanine (H2Pc) là một hợp chất hữu cơ vòng thơm lớn có công thức phân tử (C8H4N2)4H2. Hợp chất này đã thu hút sự quan tâm của giới chuyên môn trong lĩnh vực thuốc nhuộm hóa học và quang điện tử vì cấu trúc độc đáo và tính chất điện tử của nó mang lại giá trị ứng dụng tiềm năng. Phthalocyanine bao gồm bốn đơn vị isoindole được kết nối bằng một vòng nguyên tử nitơ. Nó có cấu trúc hình học hai chiều và hệ thống vòng gồm 18 electron π, khiến khả năng khử nhạy electron của nó cực kỳ tuyệt vời.
"Do sự dịch chuyển rộng rãi của các electron π, phthalocyanine có thể được ứng dụng trong thuốc nhuộm và chất tạo màu."
Các hợp chất kim loại, đặc biệt là các hợp chất có nguồn gốc từ phthalocyanine (như MPc), rất có giá trị trong xúc tác, pin mặt trời hữu cơ và liệu pháp quang động. Tính chất của các hợp chất kim loại này đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu.
Tính chất cơ bản của phthalocyanine
Phthalocyanine và các hợp chất kim loại của chúng thường kết tụ với nhau và do đó có độ hòa tan thấp trong các dung môi thông thường. Ví dụ, ở nhiệt độ 40°C, chỉ có chưa đến một miligam H2Pc hoặc CuPc có thể hòa tan trong benzen trên một lít nước. Tuy nhiên, khi ở trong axit sunfuric, độ hòa tan của H2Pc và CuPc được cải thiện đáng kể do sự proton hóa các nguyên tử nitơ. Nhiều hợp chất phthalocyanine có lợi thế về độ ổn định nhiệt. Nhiều hợp chất không nóng chảy nhưng thăng hoa. Đồng phthalocyanine thăng hoa trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ trên 500°C.
"Các phthalocyanine không thay thế hấp thụ mạnh ánh sáng trong khoảng từ 600 đến 700 nanomet, tạo cho các vật liệu này màu xanh lam hoặc xanh lục."
Sự thay đổi này có thể chuyển phạm vi hấp thụ ánh sáng sang các bước sóng dài hơn, làm thay đổi màu sắc từ xanh lam nguyên chất sang xanh lục, hoặc thậm chí không màu (khi bước sóng hấp thụ của nó đi vào phạm vi gần hồng ngoại). Những sửa đổi này cho phép điều chỉnh các tính chất điện hóa của các phân tử, ảnh hưởng đến bước sóng hấp thụ và phát xạ cũng như độ dẫn điện.
Bối cảnh lịch sửNgay từ năm 1907, các nhà khoa học đã lần đầu tiên báo cáo về một hợp chất màu xanh đặc biệt, sau đó được xác định là phthalocyanine. Năm 1927, các nhà nghiên cứu Thụy Sĩ đã tình cờ phát hiện ra đồng phthalocyanine và các hợp chất tương tự khác trong khi chuyển đổi o-dibromobenzene thành phenylureanitrile. Họ tỏ ra ngạc nhiên về tính ổn định của những hợp chất này nhưng không mô tả thêm về chúng. Vào năm 1934, Ngài Patrick Linstead cuối cùng đã xác định được tính chất hóa học và cấu trúc của sắt phthalocyanine.
Phương pháp tổng hợp
Phthalocyanine được hình thành do phản ứng cyclotetramer hóa của nhiều dẫn xuất axit phthalic, bao gồm phenylurea nitrile, diaminoisophenylene, phthalic anhydride và các hợp chất urê phthalic. Đun nóng anhydride phthalic khi có mặt urê cũng là một phương pháp hiệu quả. Sự kết hợp của các quy trình này đã tạo ra sản phẩm có giá trị khoảng 57.000 tấn hợp chất phthalocyanine khác nhau vào năm 1985. Trong nghiên cứu, việc sản xuất phthalocyanine kim loại được quan tâm nhiều hơn vì nó mang lại nhiều ứng dụng và triển vọng nghiên cứu hơn.
"Xử lý CuPc bằng clo, brom hoặc dầu tạo ra clorua và các dẫn xuất sulfonat có tầm quan trọng về mặt thương mại như thuốc nhuộm."
Lĩnh vực ứng dụng
Khi phthalocyanine lần đầu tiên được phát hiện, công dụng của nó chủ yếu chỉ giới hạn ở thuốc nhuộm và chất màu. Bằng cách thay đổi các chất thế gắn vào vòng ngoại vi, tính chất hấp thụ và phát xạ của phthalocyanine có thể được điều chỉnh để thu được thuốc nhuộm và sắc tố có màu sắc khác nhau. Với việc nghiên cứu ngày càng sâu rộng, các lĩnh vực ứng dụng của H2Pc và MPc đã dần được mở rộng sang quang điện, liệu pháp quang động, sản xuất cấu trúc nano, xúc tác và các lĩnh vực khác. MPc được sử dụng như một chất cho và nhận electron hiệu quả nhờ các đặc tính điện hóa tuyệt vời của nó, do đó hiệu suất chuyển đổi điện năng của pin mặt trời hữu cơ dựa trên MPc đạt không dưới 5%.
"Silic và kẽm phthalocyanine đã được phát triển như chất nhạy sáng để điều trị ung thư không xâm lấn."
Ngoài ra, nhiều loại metallophthalocyanine đã cho thấy khả năng tạo thành các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng trong điện tử và cảm biến sinh học. Phthalocyanine thậm chí còn được sử dụng trong một số đĩa DVD có thể ghi.
Các hợp chất liên quan
Phthalocyanine có cấu trúc tương tự như các vòng tetrapyrrolic khác như porphyrin và porphyrrol, với bốn đơn vị giống pyrrole liên kết với nhau để tạo thành một vòng 16 cạnh với các nguyên tử carbon và nitơ xen kẽ. Các biến thể cấu trúc liên quan của phthalocyanine bao gồm naphthalocyanine và các chất tương tự. Vòng pyrrole trong phthalocyanine có liên quan chặt chẽ với cấu trúc isoindole. Cả porphyrin và phthalocyanine đều có thể hoạt động như các phối tử dianionic tetradentate phẳng liên kết kim loại thông qua bốn trung tâm nitơ hướng vào trong. Các hợp chất kim loại này về mặt hình thức là dẫn xuất của chất nền liên hợp phthalocyanine.
Phthalocyanine hòa tan
Mặc dù phthalocyanine hòa tan có giá trị hạn chế trong các ứng dụng thực tế, nhưng chúng đã được tổng hợp thành công. Bằng cách thêm các nhóm alkyl chuỗi dài, nó trở nên dễ hòa tan hơn trong dung môi hữu cơ. Các dẫn xuất hòa tan như vậy có thể được sử dụng để tráng quay hoặc tráng nhỏ giọt. Bằng cách đưa vào các ion hoặc nhóm ưa nước, nó cũng có thể hòa tan trong nước. Sự phối hợp trục cũng có thể được sử dụng để cải thiện độ hòa tan; ví dụ, chức năng hóa silicon phthalocyanine với các phối tử trục đã được nghiên cứu rộng rãi.
Độc tính và các mối nguy hiểm
Hiện tại không có bằng chứng nào được báo cáo về độc tính cấp tính hoặc khả năng gây ung thư của hợp chất phthalocyanine. LD50 (ở chuột, đường uống) là 10 g/kg, cho thấy độc tính sinh học tương đối thấp.
Những tính chất tuyệt vời và ứng dụng rộng rãi này đã khiến phthalocyanine và các hợp chất kim loại của nó được quan tâm rộng rãi trong nghiên cứu khoa học và công nghiệp, và khả năng trong tương lai là vô hạn. Vậy, liệu tiềm năng của phthalocyanine có thể mở ra một chương mới trong đổi mới công nghệ trong tương lai không?
