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Ftalocianina

La ftalocianina ( H2Pc ) es un compuesto orgánico macrocíclico , aromático y grande , con la fórmula ( C8H4N2 ) 4H2 y es de interés teórico o especializado en colorantes químicos y fotoelectricidad .

Está compuesto por cuatro unidades de isoindol [a] unidas por un anillo de átomos de nitrógeno. (C 8 H 4 N 2 ) 4 H 2 = H 2 Pc tiene una geometría bidimensional y un sistema de anillos que consta de 18  electrones π . La extensa deslocalización de los electrones π le otorga a la molécula propiedades útiles, prestándose a aplicaciones en tintes y pigmentos. Complejos metálicos derivados de Pc2−
, la base conjugada de H 2 Pc , son valiosos en catálisis , células solares orgánicas y terapia fotodinámica .

Propiedades

Imágenes STM de moléculas de ftalocianina individuales registradas con un sesgo de −2 V (izquierda) y +1 V (derecha). Nótese que el STM analiza la densidad de electrones en las bandas HOMO/LUMO en lugar de los perfiles atómicos. [2]

La ftalocianina y los complejos metálicos derivados (MPc) tienden a agregarse y, por lo tanto, tienen baja solubilidad en solventes comunes. [3] El benceno a 40 °C disuelve menos de un miligramo de H 2 Pc o CuPc por litro. H 2 Pc y CuPc se disuelven fácilmente en ácido sulfúrico debido a la protonación de los átomos de nitrógeno que unen los anillos de pirrol . Muchos compuestos de ftalocianina son, térmicamente, muy estables y no se funden, pero pueden sublimar . CuPc sublima a más de 500 °C bajo gases inertes ( nitrógeno , CO 2 ). [4] Los complejos de ftalocianina sustituidos a menudo tienen una solubilidad mucho mayor. [5] Son menos estables térmicamente y a menudo no pueden sublimar. Las ftalocianinas no sustituidas absorben fuertemente la luz entre 600 y 700  nm , por lo que estos materiales son azules o verdes. [3] La sustitución puede desplazar la absorción hacia longitudes de onda más largas, cambiando el color de azul puro a verde o incoloro (cuando la absorción es en el infrarrojo cercano ).

Existen muchos derivados de la ftalocianina original, en los que los átomos de carbono del macrociclo se intercambian por átomos de nitrógeno o los átomos de hidrógeno periféricos se sustituyen por grupos funcionales como halógenos , hidroxilo , amina , alquilo , arilo , tiol , alcoxi y grupos nitrosilo . Estas modificaciones permiten ajustar las propiedades electroquímicas de la molécula, como las longitudes de onda de absorción y emisión y la conductancia. [6]

Historia

En 1907, se informó sobre un compuesto azul no identificado, ahora conocido como ftalocianina. [7] En 1927, investigadores suizos descubrieron por casualidad ftalocianina de cobre, naftalocianina de cobre y octametilftalocianina de cobre en un intento de conversión de o -dibromobenceno en ftalonitrilo . Observaron la enorme estabilidad de estos complejos, pero no los caracterizaron más. [8] En el mismo año, se descubrió ftalocianina de hierro en Scottish Dyes de Grangemouth , Escocia (más tarde ICI ). [9] No fue hasta 1934 que Sir Patrick Linstead caracterizó las propiedades químicas y estructurales de la ftalocianina de hierro. [10]

Síntesis

La ftalocianina se forma a través de la ciclotetramerización de varios derivados del ácido ftálico , incluidos el ftalonitrilo , el diiminoisoindol , el anhídrido ftálico y las ftalimidas . [11] Alternativamente, el calentamiento del anhídrido ftálico en presencia de urea produce H 2 Pc . [12] Utilizando estos métodos, se produjeron aproximadamente 57.000 toneladas (63.000 toneladas imperiales) de varias ftalocianinas en 1985. [12] Con mayor frecuencia, se sintetiza MPc en lugar de H 2 Pc debido al mayor interés de investigación en el primero. Para preparar estos complejos, la síntesis de ftalocianina se lleva a cabo en presencia de sales metálicas. En la siguiente figura se muestran dos ftalocianinas de cobre.

Los derivados halogenados y sulfonados de las ftalocianinas de cobre son colorantes importantes desde el punto de vista comercial. Dichos compuestos se preparan tratando el CuPc con cloro , bromo u óleum .

Aplicaciones

Muestra de ftalocianina de cobre, que ilustra el color intenso característico de los derivados de ftalocianina.

En el descubrimiento inicial de Pc, sus usos se limitaban principalmente a tintes y pigmentos. [13] La modificación de los sustituyentes unidos a los anillos periféricos permite ajustar las propiedades de absorción y emisión de Pc para producir tintes y pigmentos de diferentes colores. Desde entonces, ha habido una importante investigación sobre H 2 Pc y MPc que resultó en una amplia gama de aplicaciones en áreas que incluyen energía fotovoltaica , terapia fotodinámica , construcción de nanopartículas y catálisis. [14] Las propiedades electroquímicas de MPc los convierten en donantes y aceptores de electrones efectivos. Como resultado, se han desarrollado células solares orgánicas basadas en MPc con eficiencias de conversión de energía iguales o inferiores al 5%. [15] [16] Además, MPcs se han utilizado como catalizadores para la oxidación de metano, fenoles, alcoholes, polisacáridos y olefinas; MPcs también se puede utilizar para catalizar la formación de enlaces C–C y varias reacciones de reducción. [17] Las ftalocianinas de silicio y zinc se han desarrollado como fotosensibilizadores para el tratamiento no invasivo del cáncer. [18]

Varios MPcs también han demostrado la capacidad de formar nanoestructuras que tienen aplicaciones potenciales en electrónica y biodetección . [19] [20] [21] La ftalocianina también se utiliza en algunos DVD grabables. [22]

Toxicidad y peligros

No se ha informado de evidencia de toxicidad aguda o carcinogenicidad de los compuestos de ftalocianina. La DL50 ( ratas, oral) es de 10 g/kg. [12]

Compuestos relacionados

Las ftalocianinas están relacionadas estructuralmente con otros macrociclos tetrapirrol , incluidas las porfirinas y las porfirazinas . Presentan cuatro subunidades similares al pirrol unidas para formar un anillo interno de 16 miembros compuesto por átomos de carbono y nitrógeno alternados. Los análogos estructuralmente más grandes incluyen las naftalocianinas . Los anillos similares al pirrol dentro de H 2 Pc están estrechamente relacionados con el isoindol . Tanto las porfirinas como las ftalocianinas funcionan como ligandos dianiónicos tetradentados planos que unen metales a través de cuatro centros de nitrógeno que se proyectan hacia adentro. Dichos complejos son formalmente derivados de Pc 2− , la base conjugada de H 2 Pc .

Relación de la ftalocianina con el macrociclo de la porfirina. Se omiten dos grupos N- H intramacrocíclicos.

Notas al pie

  1. ^ Una " unidad isoindol " es C 8 H 4 N 2 ; cuatro en una configuración de anillo de nitrógeno se abrevian como el símbolo Pc = (C 8 H 4 N 2 ) 4  .

Referencias

  1. ^ "Pigmento azul 16". pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Pubchem. Instituto Nacional de Salud de EE. UU . . Archivado desde el original el 7 de noviembre de 2017 . Consultado el 8 de abril de 2018 .
  2. ^ Iannuzzi, Marcella; Tran, Fabien; Widmer, Roland; Dienel, Thomas; Radican, Kevin; Ding, Yun; Hutter, Jürg; Gröning, Oliver (2014). "Adsorción selectiva de sitio de ftalocianina en nanomalla h-BN/Rh(111)". Química física Química Física . 16 (24): 12374–12384. Bibcode :2014PCCP...1612374I. doi : 10.1039/C4CP01466A . PMID  24828002.
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