Colorants phtalocyanines — Les bleus et les verts d'une stabilité remarquable
Colorants phtalocyanines — Les bleus et les verts d'une stabilité remarquable
Le chromophore de la phtalocyanine
Les colorants et pigments à base de phtalocyanine sont construits autour de l'un des chromophores les plus stables et les plus intensément colorés jamais découverts. Le composé parent, la phtalocyanine sans métal, est constitué de quatre unités isoindole liées par des atomes d'azote pour former un grand macrocycle aromatique plan. Dans la quasi-totalité des colorants commerciaux, un ion métallique – le plus souvent le cuivre(II) – occupe la cavité centrale, formant la phtalocyanine de cuivre, un composé d'un bleu turquoise d'une brillance exceptionnelle. D'autres métaux, tels que le cobalt ou le nickel, peuvent également être introduits, modifiant la teinte vers des nuances plus vertes ou plus neutres. Le système π aromatique étendu du cycle de phtalocyanine confère à ces composés une forte absorption dans le visible, avec des coefficients d'extinction molaire dépassant souvent 100 000 L·mol⁻¹·cm⁻¹, ce qui en fait des colorants extrêmement puissants, même à très faible concentration. Du point de vue structural, la phtalocyanine de cuivre non substituée est totalement insoluble dans l'eau et constitue l'un des pigments organiques les plus importants (Pigment Bleu 15) utilisés dans le monde. Pour créer des colorants à base de phtalocyanine solubles dans l'eau et adaptés aux textiles, des groupements acide sulfonique ou sulfonamide sont introduits sur les cycles aromatiques, ce qui permet d'obtenir des composés présentant une bonne solubilité dans l'eau sans altérer l'intégrité du chromophore.
Propriétés de stabilité et de couleur exceptionnelles
La caractéristique déterminante des colorants à base de phtalocyanine est leur stabilité quasi légendaire. Le macrocycle large, plan et entièrement aromatique est intrinsèquement résistant à la dégradation thermique, aux attaques photochimiques et à l'oxydation ou à la réduction chimique. Les matériaux teints ou pigmentés à la phtalocyanine présentent une excellente résistance à la lumière, atteignant couramment les grades 7 à 8 sur l'échelle de résistance à la lumière de la laine bleue (8 grades). Ils résistent également aux hautes températures (nombre d'entre eux sont stables bien au-delà de 400 °C), aux acides forts, aux bases et aux agents de blanchiment, bien mieux que les colorants azoïques ou anthraquinoniques classiques. Les couleurs sont d'une brillance et d'une pureté exceptionnelles : le turquoise de la phtalocyanine de cuivre est une nuance presque impossible à obtenir avec tout autre colorant organique, et ses dérivés halogénés — obtenus par l'introduction d'atomes de chlore ou de brome — donnent des verts jaunâtres éclatants qui constituent la norme dans l'industrie pour les peintures, les encres et les plastiques écologiques. Un inconvénient pratique réside dans le fait que les colorants à base de phtalocyanine, en raison de leur grande taille moléculaire et de leur forte tendance à l'agrégation, peuvent être difficiles à dissoudre ou à disperser uniformément et peuvent présenter de mauvaises propriétés d'égalisation sur les textiles. De plus, les pigments non substitués sont extrêmement difficiles à éliminer des équipements et de la peau, un problème bien connu dans les usines d'encre et de peinture d'imprimerie.
Formulaires et applications commerciales
Les phtalocyanines occupent une place prépondérante dans le monde des colorants et des pigments. En tant que pigments insolubles dans l'eau (notamment PB15:0, PB15:3, PG7 et PG36), elles dominent le marché des encres d'imprimerie bleues et vertes, des peintures architecturales et automobiles, des plastiques et des couleurs pour artistes. Ces mêmes composés, sulfonés à différents degrés, deviennent des colorants phtalocyanines directs ou réactifs, produisant de magnifiques nuances turquoise et vertes sur le coton et la viscose. Les colorants phtalocyanines à complexe métallique, où le cuivre central est remplacé par du cobalt ou du nickel et où la molécule porte des groupements réactifs aux fibres, sont essentiels pour obtenir des bleus à haute résistance à la lumière sur la laine et le nylon. Ces dernières décennies, une application très différente a émergé pour certains dérivés de phtalocyanine : leur utilisation comme photosensibilisateurs en thérapie photodynamique du cancer et comme couches actives dans les cellules solaires organiques et la photocatalyse. Cette diversité d'applications — allant d'un jouet vert vif pour enfant à un traitement de pointe contre le cancer — fait du chromophore de phtalocyanine l'une des structures moléculaires les plus importantes de la chimie appliquée moderne.