Пресс-центр

Квантово-химические исследования фталоцианинов

Фталоцианины, представляющие собой обширный класс макрогетероциклических соединений,  применяются в качестве свето- и термостойких пигментов и красителей, катализаторов химических, электрохимических и фотохимических процессов, компонентов нелинейных оптических сред, электрохромных материалов, сенсорных устройств и преобразователей световой энергии в энергию электрическую. Они обеспечивают высокую эффективность синтеза и обогащения радиоизотопов по методу Сцилларда – Чалмерса, защиту живых организмов от радиационного поражения, могут быть перспективны в качестве препаратов для диагностирования и лечения онкологических заболеваний.

Широкое применение фталоцианинов обусловлено их ценными физико-химическими свойствами, высокой устойчивостью электрически нейтральных, катионных и анионных форм, эффективными методами получения из доступного сырья и достаточно низкой себестоимостью.

Сотрудниками Лаборатории квантовой химии НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ и Кафедры электромеханических и компьютерных систем СПбГУ выполнены квантово-химические исследования ряда фталоцианинов лантаноидов, переходных и непереходных металлов, дифталоцианинов, их фторированных производных, а также некоторых тетрафталоцианинов. В частности, методами теории функционала плотности (DFT) в версиях B3LYP и PBE0 определены структурные параметры, колебательные частоты и квадрупольные моменты дифталоцианинов тяжелых лантаноидов: Pc₂Lu, (Pc₂Lu)⁺, (Pc₂Lu)^–, Pc₂Yb, (Pc₂Yb)⁺, и (Pc₂Yb)^–. Расчеты предсказывают экзотермичность реакции образования суперкомплексов Yb(Pc₂Lu)₂ и Yb(Pc₂Yb)₂ из двух комплексов Pc₂Lu и атома Yb.

Дифталоцианины и полифталоцианины обладают высоким сродством к йоду, количество которого, поглощаемое кристаллами и пленками фталоцианинов из газовой фазы или раствора, настолько велико, что такие материалы могут быть названы «йодными губками». Иммобилизация йода обеспечивается межмолекулярным переносом электронов и силами электростатического притяжения между фталоцианиновыми катионами и полийодидными анионами, образующимися в полостях кристаллической решетки. По способности поглощать йод тонкие пленки превосходят кристаллические фталоцианины, но от кристаллов можно ожидать более надежной иммобилизации радиоактивных атомов ксенона и теллура, образующихся в межмолекулярных каналах при b-распаде радиоизотопов йода.

Пиролиз дифталоцианинов, проводящийся путем нагрева в токе инертного газа с последующем отжигом, приводит к образования различных металлуглеродных соединений. Изучение состава пиролизатов моно- и дифталоцианинов ряда переходных и редкоземельных элементов представляет значительный научный и практический интерес для получения новых наноструктурированных материалов, таких как углеродные нанотрубки, графитизированные капсулы, углеродные волокна и т. д.

В качестве гипотетических нанокомпонентов продуктов пиролиза дифталоцианинов металлов рассматривались атомы или катионы металла, заключенные в замкнутую углеродную оболочку, и неупорядоченные «двумерные» неплоские полициклические углеродные кластеры.  В равновесной структуре молекулы дифталоцианина (см. рис. 1) взаимное расположение чашеобразных фталоцианиновых фрагментов, казалось бы, исключает возможность образования межфрагментных углерод-углеродных связей, необходимых для преобразования дифталоцианина в эндоэдральный металлофуллерен. Однако синтез и результаты исследования кристаллов соли дифталоцианина ниобия [Pc₂Nb](IBr₂)I₂ [Janczak J., Kubiak R. Polyhedron, 2003, 22, 313] свидетельствуют о том, что такие связи существуют даже в образцах, не подвергавшихся пиролизу. 

Возможность прочного связывания терминальных фрагментов полициклических углеродных кластеров атомами многих металлов, например Y, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Lu и Cr не вызывает сомнения. В настоящее время выполняются квантово-химические исследования структуры и физико-химических свойств родственных металлоорганических комплексов.