Направленный синтез циклических тетрапиррольных соединений для технических изделий

Синтез дифталоцианинов лантанидов и актинидов и применение полученных веществ для решения практических задач.

Введение

   Представляемое здесь исследование обладает существенной новизной и в историческом плане прошло все три стадии: "этого не может быть, здесь что-то есть, это так и должно быть".
   Работы предшественников явились платформой (основанием) нашего исследования.
   Начиная с 30х годов XX столетия при синтезе металлофталоцианинов (и лантанидов в том числе) исследователи в Англии, Австралии, Германии и России отметили аномалии в результатах синтеза несовместимые с предполагаемой планарной структурой комплекса.

  1. Для фталоцианина олова, например, найдено было по данным элементного анализа два фталоцианина на один атом металла.
  2. В случае лантаноидов комплекс обладал и лабильной и солеобразной компонентами по отношению связи металл-лиганд.
  3. Утверждалась невозможность сульфирования продукта синтеза фталоцианинов лантанидов.
  4. Предполагалась высокая лабильность соединений лантанидов, препятствующая их соединению в обычных условиях.
  5. В то же время экспериментально наблюдалось образование микроколичеств комплекса нептуния с фталоцианином, способного к сублимации в вакууме.
   С учетом вышеизложенных аномалий мы провели в 60х годах свои исследования продуктов реакции между солями лантанидов и о-фталонитрилом.
   Использовались методы хромотографии, электрофореза, ТГА, ЭПР, ЭСП, ИК – спектроскопии, рентгенофазового и рентгеноструктурного анализов, электрофизики и электрохимии, элементного анализа и другие.
   В результате проведенных исследований было доказано, что в продуктах синтеза образуется три типа соединений лантанидов с фталоцианином:
  1. комплекс планарного типа PcMX;
  2. комплекс сэндвичевого типа PcMPcH (дифталоцианин), электронная структура которого была затем уточнена - PcMPc;
  3. биядерный комплекс PcMPcMPc, который позднее получил название "Трехпалубного сэндвича".
   Затем в Германии был получен дифталоцианин урана, а нами аналогичные соединения плутония, америция и скандия. В России же синтезированы дифталоцианины гафния и циркония.
   Сэндвичевая модель молекулы дифталоцианина лантанида была впервые обоснована нами на основании оптических спектров поглощения с использованием аппарата элементарной теории молекулярных экситонов из взаимодействия векторов дипольных моментов электронных переходов в p-электронной системе двух взаимодействующих лигандов молекулы дифталоцианина. Затем в Англии была определена рентгеновская структура дифталоцианинов олова и урана на монокристаллах. Мы установили аналогичную структуру для соединений лантанидов.
   Таким образом, независимыми исследованиями был подтвержден факт синтеза группы новых соединений металлов с фталоцианином, полученных в 1964г. сотрудниками радиохимической лаборатории Гатчинского научного центра (ныне Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН).

Некоторые аспекты фундаментальных исследований, необходимые для понимания прикладного значения соединений

   Свойства дифталоцианинов металлов в растворах определяются сложным взаимодействием двух макроциклов между собой и ионом металла, расположенным между ними.
   Электронные спектры поглощения растворов в полной мере позволяют различить и форму существования комплекса металла в растворе, и вид металла в составе комплекта, и степень его окисления. В растворах вполне надежно можно наблюдать существование PcM(IV)Pc, PcM(III)Pc, PcM(III)PcH, PcM(III)Pcs (сульфированные водорастворимые), PcM(III)Pc – медицинский поли-N-винилпирролидон (водорастворимый полимерный комплекс), PcM(III)Pc (радикал).
   Кинетическая устойчивость координационного узла дифталоцианинов лантанидов по отношению к протосольвалитическому разложению растет по направлению от лантана к лютецию как в водных, так и неводных растворителях. Аналогичная картина качественно наблюдается и в ряду актиноидов.
   Растворы веществ, ярко окрашенные в синие или зеленые цвета, хорошо сохраняются во времени и могут служить интересными объектами для решения оптических и биологических задач (создание светофильтров, оптических затворов, контрастных красителей, люминисцирующих материалов и т.п.).
   Структура частиц впервые полученных нами комплексов дифталоцианинов лантанидов с медицинским поли-N-винилпирролидоном изучена методом мало-углового рассеяния нейтронов в тяжеловодных растворах.
   В твердом состоянии набор свойств веществ существенно расширяется за счет образования молекулярных кристаллов с особыми "мягкими" свойствами. В основе кристаллической структуры веществ лежит молекулярный столбец, составленный из молекул дифталоцианина по оси "С" роста кристалла. При этом реализуется квазиодномерная проводимость вдоль столбца. Характер собственной проводимости полупроводниковый, а её величина зависит от структуры кристаллической фазы. Так для орторомбической g-фазы дифталоцианина лютеция она приближается к проводимости известных неорганических полупроводников кремния и германия (сопротивление порядка 105ом.см.). Для тетрогональной a-фазы дифталоцианина неодима проводимость существенно выше, а для моноклинной b-фазы дифталоцианина урана (IV) – ниже.
   Подвижность носителей заряда у дифталоцианидов в десятки раз выше, чем у известных органических полупроводников, а энергия термической активации зонной проводимости опускается до долей электронвольта.
   Таким образом, дифталоцианины представляют собой набор полупроводниковых материалов с различной величиной собственной проводимости, допирование которых примесями донорно-акцепторного типа может использоваться при создании элементов полупроводниковой техники.
  Вследствие "лепесткового" характера контура молекулы дифталоцианина, между столбцами в кристаллической структуре образуются пары, позволяющие в сочетании со слабой молекулярной связью между элементами столбца, легко изменять общую кристаллическую картину вещества путем слабых механических, термических и химических воздействий нейтральных паров, таких как петролейный эфир, гексан, керосин. Перечисленные воздействия на пленки дифталоцианинов позволяют задавать им желаемые оптические и электрофизические свойства, которые сохраняются после удаления действующего агента. Пленки дифталоцианинов можно готовить путем вакуумного напыления или механическим окрашиванием поверхности.
  В таких тонких слоях дифталоцианинов недавно обнаружены обратимые по температуре фазовые переходы, ступенькообразно изменяющие удельное сопротивление исследовавшихся материалов. Эти эффекты позволяют надеяться на возможное использование твердых фаз дифталоцианинов в качестве основы тиристоров.

Исследования прикладного плана.

  1. Разработаны три способа выделения дифталоцианинов из продуктов реакции ацетата лантанидов с 0-фталонитрилом: хроматографический, сублимационный, электрохимический.
         Хроматографический способ более приемлем для соединений начала ряда лантанидов, дифталоцианины которых сублимируются с малым выходом.
         Сублимационный способ приемлем для соединений второй половины ряда лантанидов, иттрия, скандия и урана. Способ позволяет обходиться без растворителей.
         Электрохимический способ применим для выделения дифталоцианинов всего ряда лантанидов, иттрия, скандия, плутония и америция. Этот метод наиболее технологичен и позволяет выращивать монокристаллы соединений на аноде электрохимического аппарата.
         Все три способа защищены свидетельствами на изобретения.
         Способы используются в лабораторной практике многих стран мира.

  2. Важной стадией исследования свойств и очистки веществ является перевод их в растворенное состояние.
         Дифталоцианины металлов слабо растворимы в обычно используемых органических растворителях (бензол, ДМФА и т.п.). Нами найден растворитель состава: ДМФА с 0,1-1% объемных гидразин гидрата. Растворитель позволяет в 500 раз увеличить растворимость дифталоцианинов PcM(III)Pc и упростить дальнейшие операции с ними, включая электрокристаллизацию из раствора и регенерацию растворителя. Растворитель защищен свидетельством на изобретение. Применяется в лабораторной практике.

  3. Электроуправляемый по оптической плотности и цветности светофильтр и он же электрохромный индикатор потенциала, созданный на основе обнаруженного нами электрохромного эффекта в тонких пленках дифталоцианинов редкоземельных элементов на поверхности оптически прозрачного электрода.
         Прибор предназначен для регулирования спектра и интенсивности световых потоков, а также визуализации электрических сигналов. Находится на стадии лабораторного исследования и моделирования в лабораториях многих стран мира.

  4. Разработан способ получения радиоактивных изотопов путем облучения сульфированных дифталоцианинов лантанидов и америция реакторными нейтронами. Получены изотопы америция (фактор обогащения 25) и изотопы лантанидов с фактором обогащения 105 нейтронов на см2/сек.
         Пиролизованные соединения урана и лантанидов применялись для изучения короткоживущих изотопов, образующихся в режиме on line на ускорителе протонов.
      Задача была решена в период повышенного интереса к данной проблеме.
      Имеется авторское свидетельство на изобретение.

  5. Созданы адсорбент и электрод с активным компонентом из пленки дифталоцианина лантанида для определения содержания иода в газовой и в водной фазах соответственно.
         Разработки применены для определения содержания иода-129 в отходящих газах лабораторной установки по переработке отработавших твелов энергетических реакторов типа ВВЭР и в растворах-водных конденсатах, соответственно. Адсорбент и электрод защищены авторскими свидетельствами на изобретения. Положительный эффект заключается в возможности многократного использования сорбента и электрода после их регенерации.

  6. Хемосенсоры на вредные вещества (двуокись азота и аммиак) разработаны на основе слоев и тонких пленок дифталоцианинов лантанинов с индикацией наличия в воздухе указанных газов по изменению микроамперных токов через слой при приложенном напряжении от 1 до 10 В или визуально по изменению окраски тонкой пленки вещества. Достигнутая чувствительность от 1 ppm для диоксида азота и до 10 ppm для аммиака.
      Устройство защищено свидетельством на изобретение.
      Разработка находится на стадии рекламы.

  7. Сульфированные соединения дифталоцианинов лантанидов и скандия обладают противовирусной активностью. Испытания, проведенные на куриных эмбрионах и мышах, показали индекс защиты от вируса саркомы Рауса 98% и токсичность на уровне не выше токсичности известного лекарственного средства Ремантадина.
      Защищено авторским свидетельством на изобретение.
      Разработка находится на стадии рекламы.

д.х.н.   Москалев П.Н.

На начало страницы


На главную страницу ОНИ