Phtalocyanine

La phtalocyanine et les complexes métalliques dérivés (MPc) tendent à s'agréger et, par conséquent, ont une faible solubilité dans les solvants habituels[5]. Le benzène à 40 °C dissout moins d'un milligramme de H₂Pc ou de CuPc par litre. H₂Pc et CuPc se dissolvent facilement dans l'acide sulfurique en raison de la protonation des atomes d'azote pontant les cycles pyrrole. De nombreux composés de phtalocyanine sont très stables thermiquement et ne fondent pas mais peuvent être sublimés. Le CuPc se sublime à plus de 500 °C sous gaz inertes (azote, CO₂)[6]. Les complexes de phtalocyanine substitués ont souvent une solubilité bien plus élevée[7]. Ils sont moins stables thermiquement et souvent ne peuvent pas être sublimés. Les phtalocyanines non substituées absorbent fortement la lumière entre 600 et 700 nm, ces matériaux sont donc bleus ou verts[5]. La substitution peut déplacer l'absorption vers des longueurs d'onde plus élevées, en changeant la couleur du bleu pur au vert en incolore (lorsque l'absorption est dans le proche infrarouge).

Il existe de nombreux dérivés de la phtalocyanine substitués ou analogues, dans lesquels par exemple des atomes de carbone du macrocycle sont remplacés par des atomes d'azote, ou des atomes d'hydrogène périphériques sont remplacés par des groupes fonctionnels tels que halogènes, hydroxyle, amine, alkyle, aryle, thiol, alcoxyle ou nitrosyle. Ces modifications permettent d'ajuster les propriétés électrochimiques de la molécule telles que la longueur d'onde d'absorption et d'émission et la conductance[8].

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  Microscopie électronique à balayage d'une molécule de phtalocyanine aux potentiels −2 et +1 V[9]. Noter que cette image restitue la densité électronique dans les orbitales HOMO et LUMO et non la forme des atomes.

La phtalocyanine se forme par chauffage des dérivés de l'acide phtalique qui contiennent des groupes fonctionnels azotés. Les précurseurs classiques pour la préparation des phtalocyanines sont le phtalonitrile, le diiminoisoindole (en), l'anhydride phtalique et le phtalimide[10]. Chauffer de l'anhydride phtalique en présence d'urée est également une voie efficace pour la synthèse de H₂Pc[11]. Ces réactions sont plus efficaces en présence de sels métalliques. L’o-cyanobenzamide et le phtalimide sont d'autres précurseurs. De nombreux réactifs de départ sont connus comme indiqué dans la figure ci-contre. En utilisant de telles méthodes, de l'ordre de 57 000 tonnes de dérivés de phtalocyanines avaient été produits en 1985[11].

Les dérivés halogés et sulfonatés de phtalocyanines de cuivre sont commercialement importants. Ces composés sont préparés par traitement de CuPc avec du chlore ou de l’oléum.

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  Synthèse à partir d'un dérivé d'acide phtalique en présence d'urée.
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  Voies de synthèse possibles.

Les phtalocyanines sont structurellement apparentées à d'autres macrocycles tétrapyrroles tels que les porphyrines et les porphyrazines (en). Elles présentent quatre sous-unités de type pyrrole formant un cycle intérieur à 16 atomes constitué alternativement de carbone et d'azote. Les naphtalocyanines (en) sont des analogues plus encombrants. Les cycles de type pyrrole des phtalocyanines sont étroitement apparentés à l'isoindole. Les porphyrines et les phtalocyanines se comportent comme des ligands dianioniques tétradentés qui se lient à un atomes métallique centre par leurs quatre atomes d'azote les plus internes. De tels complexes dérivent formellement de l'anion Pc²⁻, base conjuguée de H₂Pc.

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  Relations entre la phtalocyanine et le macrocycle porphyrinique.

Les phtalocyanines sont utilisées comme colorants sur des supports de données optiques (CD-R) et comme pigments pour les plastiques, les peintures et dans l'industrie papetière. Elles peuvent également être utilisées comme photoconducteurs dans les imprimantes laser ou de matériau d'électrode dans les piles à combustible. Dans la recherche en chimie, la phtalocyanine est utilisée comme modèle facile à obtenir pour les porphyrines biologiquement importantes. Des dérivés de phtalocyanine sont par ailleurs utilisés en thérapie photodynamique[12]. Cela consiste à enrichir le tissu tumoral en phtalocyanines qui sont excitées par la lumière visible, dans une gamme de longueurs d'onde de 600 à 800 nm, ce qui libère de l'oxygène singulet. Celui-ci induit la mort cellulaire en quelques heures par nécrose et apoptose, ce qui conduit idéalement à la résorption de la tumeur en quelques semaines.

« Le ciel était d'un bleu hivernal splendide, qui en paraissait presque artificiel ; un bleu de phtalocyanine. »

- Michel Houellebecq ; La Carte et le Territoire ; Flammarion 2010

De la phtalocyanine a été trouvée par la société Orion Analytical sur plus de vingt endroits du Saint Jérôme attribué à l'entourage du Parmigianino (1503-1540) lors de son expertise dans l'affaire de présumés faux tableaux d'art ancien en 2016[13].