프탈로시아닌 블루 만들기 — 세계에서 가장 많이 사용된 파란 안료가 된 구리 착물

이 합성은 암모니아와 유기 증기를 방출하는 용매에서 200 °C로 지속적인 가열을 필요로 합니다. 흄 후드 안이나 바람을 등진 실외에 설치하십시오. 화학 물질 튀김 방지 고글, 내열 장갑, 실험복, 그리고 유기 증기 카트리지가 장착된 호흡 보호구를 착용하십시오. 고온에서 용매가 가연성이므로 소화기를 쉽게 사용할 수 있는 곳에 두십시오.

프탈산 무수물 15 g을 계량하십시오. 이것은 특유의 날카롭고 자극적인 냄새를 가진 흰색 결정성 플레이크입니다. 이는 프탈로시아닌 고리의 구성 단위로, 네 개의 프탈산 단위가 고리화되어 거대고리 안료 분자를 형성합니다. 프탈산 무수물은 호흡기 감작제이므로 흄 후드에서 취급하고 분진을 흡입하지 않도록 주의하십시오.

요소 20 g을 무게 측정하십시오 — 흰색 결정성 과립입니다. 요소는 이중 역할을 합니다: 프탈로시아닌 고리의 네 개의 가교 질소 원자를 제공하는 질소 공급원이며, 130–180 °C에서의 열분해를 통해 고리화 반응을 진행시키는 암모니아를 생성합니다. 많은 과량의 요소는 네 개의 프탈산 단위 모두가 완전히 반응하도록 보장합니다.

무수 염화구리(II) 3 g을 무게 측정하세요. 이것은 황갈색 분말입니다. 이는 네 개의 프탈산 단위가 그 주위에 모이는 중심 구리 원자를 제공합니다. 구리 프탈로시아닌은 금속 프탈로시아닌 중 단연 가장 안정하고 가장 선명한 색을 띠며, 구리 이온이 대환형 고리의 공동에 완벽하게 들어맞아 매우 안정한 착물을 형성합니다.

암모늄 몰리브데이트 0.5 g을 무게 잽니다. 이는 흰색 결정성 염입니다. 이것은 고리화 반응을 극적으로 가속하는 촉매입니다. 이것이 없으면 반응에는 훨씬 높은 온도와 더 긴 시간이 필요하며, 수율은 낮아지고 불순물은 더 많이 생성됩니다. 몰리브데이트 이온은 중간체인 이소인돌린 단편에 배위하여 고리 닫힘을 촉진합니다.

프탈산 무수물, 요소, 염화구리, 몰리브덴산암모늄 네 가지 건조 분말을 모두 500 ml 둥근바닥 플라스크 또는 깊은 스테인리스강 용기에 넣으십시오. 유리 막대로 충분히 혼합하십시오. 혼합물은 균일한 연한 녹황색 분말이어야 합니다. 용기는 200 °C까지 지속적인 가열을 견딜 수 있어야 합니다.

혼합 분말에 니트로벤젠 50 ml를 추가하십시오. 니트로벤젠(bp 211 °C)은 용매와 산화제 역할을 모두 수행하며, 200 °C에서 반응 혼합물을 유동성 있게 유지하고 중간체가 완전 방향족 프탈로시아닌으로 산화되는 것을 돕습니다. 분말이 적셔지고 걸쭉한 슬러리가 될 때까지 교반하십시오. 니트로벤젠은 흡입과 피부 흡수로 독성이 있으므로 반드시 흄후드 안에서만 취급하십시오.

용기를 핫플레이트 위의 모래욕 또는 오일욕에 올리십시오. 5분마다 온도를 약 10 °C씩 올리며 점진적으로 가열하십시오. 120–130 °C에서 요소가 분해되기 시작하여 암모니아 가스가 방출됩니다. 혼합물이 격렬하게 기포를 내기 시작합니다. 암모니아는 네 개의 프탈산 단위를 연결할 질소 원자를 제공합니다. 가끔 저어 주십시오. 반응이 시작되면 혼합물이 걸쭉해집니다.

180–200 °C까지 계속 가열합니다. 이 온도에서 프탈산 단편들이 구리 이온 주위에서 고리화되어, 네 개의 단위씩 대환상 고리를 형성합니다. 프탈로시아닌 착물이 형성되면서 혼합물은 점차 녹황색에서 짙은 청록색으로 변합니다. 암모니아 발생이 잦아듭니다. 제품이 용기 바닥에 들러붙지 않도록 10분마다 저어 줍니다.

190–200 °C의 온도를 꼬박 3시간 동안 유지합니다. 혼합물은 청록색에서 점차 진한 거의 검은색에 가까운 파란색으로 어두워지며, 이는 농축된 구리 프탈로시아닌의 특징적인 색입니다. 3시간이 지나면 반응은 사실상 완료됩니다. 암모니아 발생이 멈추고 혼합물은 용매에 떠 있는 진한 짙은 파란-검은색 페이스트 상태가 됩니다.

용기를 열에서 분리하고 80 °C까지 식히십시오. 혼합물을 묽게 하기 위해 메탄올 100 ml를 추가하십시오. 조질 프탈로시아닌은 메탄올에 사실상 녹지 않으므로, 용매가 니트로벤젠과 모든 가용성 부산물을 씻어냅니다. 충분히 저어 주십시오. 이제 혼합물은 맑은 갈색 액체에 떠 있는 짙은 청색 현탁액입니다.

깔때기에 여과지를 놓고 현탁액을 여과합니다. 진한 파란색 안료가 여과지 위에 모입니다. 여과액은 용해된 니트로벤젠, 미반응 물질 및 부산물을 포함한 갈색 액체이며 유기 용매 폐기물로 폐기합니다. 여과 케이크는 어둡고 거의 검은 파란빛을 띠는 덩어리여야 합니다. 무기염을 제거하기 위해 200 ml의 뜨거운 물로 세척합니다.

여과 케이크를 비커에 옮기고 희석 염산(10% HCl) 200 ml를 첨가하십시오. 60 °C에서 20분 동안 교반하십시오. 이 산은 매우 내산성이 강한 프탈로시아닌 착물에는 영향을 주지 않으면서 반응하지 않은 염화구리 및 유리 구리 화합물을 용해시킵니다. 구리 프탈로시아닌은 끓는 농황산에도 견디며, 희석 HCl은 이에 해가 없습니다. 다시 여과하고 여액이 pH 중성이 될 때까지 뜨거운 물로 세척하십시오.

산 세척한 안료를 비커에 다시 넣고 5% NaOH 희석 수산화나트륨 용액 200 ml를 추가합니다. 60 °C에서 20분 동안 저어 줍니다. 이 과정에서 남아 있는 프탈산 및 기타 유기산 부산물이 용해됩니다. 다시 여과한 후 여과액이 중성이 될 때까지 뜨거운 증류수로 세척합니다. 정제된 안료는 이제 맑고 선명한 파란색이 되어야 합니다.

세척된 여과 케이크를 깨끗한 유리판 위에 펼쳐 100 °C에서 4–6시간 동안 건조합니다. 대부분의 유기 안료와 달리 프탈로시아닌 블루는 500 °C 이상까지 열적으로 안정하므로 오븐 건조에 위험이 없습니다. 건조된 안료는 단단하고 짙은 청흑색 덩어리로, 대량으로 보면 거의 검은색으로 보이지만 얇게 펴 바르면 강렬하고 선명한 파란색을 드러냅니다.

건조된 덩어리를 자기 유발로 옮겨 힘차게 분쇄하십시오. 프탈로시아닌 블루는 유기 안료치고는 매우 단단하여 미세한 분말로 줄이려면 지속적인 노력이 필요합니다. 입자 크기가 작아지면서 색상이 극적으로 변합니다. 벌크 결정은 짙은 청흑색으로 보이지만, 곱게 분쇄된 분말은 선명하고 강렬한 시안 블루가 됩니다. 아주 적은 양으로도 많은 양의 흰색 페인트를 착색할 수 있을 때 착색력이 드러납니다. 120메쉬 체에 통과시키십시오.

체에 거른 안료를 뚜껑이 꼭 맞는 유리병으로 옮기십시오. 안료명(프탈로시아닌 블루, PB15, CI 74160), 날짜, 그리고 특이한 성질에 대한 메모를 라벨에 적으십시오: 내광성 ASTM I(우수), 500 °C까지의 내열성, 산, 알칼리 및 모든 일반 용매에 대한 내성. 무수프탈산 15 g으로부터 예상 수율은 완성된 안료 약 8–12 g입니다. 이 단일 분자 — 구리 프탈로시아닌 — 는 톤수 기준으로 다른 모든 청색 안료를 합친 것보다 더 많은 청색 안료를 차지합니다.