La ingeniería de cristales es el diseño y síntesis de estructuras moleculares de estado sólido con las propiedades deseadas, basadas en la comprensión y el uso de interacciones intermoleculares . Las dos estrategias principales actualmente en uso para la ingeniería de cristales se basan en enlaces de hidrógeno y enlaces de coordinación. Estos pueden entenderse con conceptos clave como el sintón supramolecular y la unidad de construcción secundaria. [1]
Historia del término
El término "ingeniería de cristales" fue utilizado por primera vez en 1955 por R. Pepinsky [2], pero el punto de partida a menudo se atribuye a Gerhard Schmidt [3] en relación con las reacciones de fotodimerización en ácidos cinámicos cristalinos . Desde este uso inicial, el significado del término se ha ampliado considerablemente para incluir muchos aspectos de la química supramolecular en estado sólido . Una definición moderna útil es la proporcionada por Gautam Desiraju , quien en 1988 definió la ingeniería de cristales como "la comprensión de las interacciones intermoleculares en el contexto del empaquetamiento de cristales y la utilización de dicha comprensión en el diseño de nuevos sólidos con propiedades físicas y químicas deseadas". [4] Dado que muchas de las propiedades generales de los materiales moleculares están dictadas por la forma en que las moléculas se ordenan en el estado sólido, está claro que la capacidad de controlar este orden permitiría controlar estas propiedades.
Control de estructura no covalente
La ingeniería de cristales se basa en enlaces no covalentes para lograr la organización de moléculas e iones en estado sólido. Gran parte del trabajo inicial en sistemas puramente orgánicos se centró en el uso de enlaces de hidrógeno, aunque los enlaces de coordinación y halógenos proporcionan un control adicional en el diseño de cristales. [6]
El autoensamblaje molecular está en el corazón de la ingeniería de cristales y, por lo general, implica una interacción entre las caras de enlace de hidrógeno complementarias o un metal y un ligando . Los "sintones supramoleculares" son bloques de construcción que son comunes a muchas estructuras y, por lo tanto, pueden usarse para ordenar grupos específicos en el estado sólido. [7]
Diseño de cristales multicomponente
La síntesis intencional de cocristales se logra con mayor frecuencia con fuertes interacciones heteromoleculares. La principal relevancia de los cristales multicomponente se centra en el diseño de cocristales farmacéuticos. [8] Los cocristales farmacéuticos generalmente se componen de un API ( ingrediente farmacéutico activo ) con otras sustancias moleculares que se consideran seguras de acuerdo con las pautas proporcionadas por la OMS ( Organización Mundial de la Salud ). Varias propiedades (como solubilidad, biodisponibilidad, permeabilidad) de un API pueden modularse mediante la formación de cocristales farmacéuticos.
En dos dimensiones
Las arquitecturas 2D (es decir, arquitecturas molecularmente gruesas) son una rama de la ingeniería de cristales. [9] La formación (a menudo denominada autoensamblaje molecular dependiendo de su proceso de deposición) de tales arquitecturas radica en el uso de interfaces sólidas para crear monocapas adsorbidas. Tales monocapas pueden presentar cristalinidad espacial. [10] [11] Sin embargo, la dinámica y amplia gama de morfologías de monocapa que van desde estructuras amorfas hasta estructuras de red han hecho del término ingeniería supramolecular (2D) un término más preciso. Específicamente, la ingeniería supramolecular se refiere a "(El) diseño (de) unidades moleculares de tal manera que se obtenga una estructura predecible" [12] o como "el diseño, síntesis y autoensamblaje de módulos moleculares bien definidos en unidades supramoleculares hechas a medida". arquitecturas ". [13]
Las técnicas microscópicas de sonda de barrido permiten la visualización de conjuntos bidimensionales.
Polimorfismo
El polimorfismo , el fenómeno en el que el mismo compuesto químico existe en más de una forma cristalina, es relevante comercialmente porque las formas polimórficas de fármacos pueden tener derecho a una protección de patente independiente. Se espera que la importancia de la ingeniería de cristales para la industria farmacéutica crezca exponencialmente. [14]
El polimorfismo surge debido a la competencia entre factores cinéticos y termodinámicos durante la cristalización. Si bien las interacciones intermoleculares fuertes de largo alcance dictan la formación de cristales cinéticos, el empaquetamiento estrecho de moléculas generalmente impulsa el resultado termodinámico. La comprensión de esta dicotomía entre la cinética y la termodinámica constituye el foco de investigación relacionada con el polimorfismo.
En las moléculas orgánicas se observan principalmente tres tipos de polimorfismo. El polimorfismo de empaquetamiento surge cuando las moléculas se empaquetan de diferentes formas para dar estructuras diferentes. El polimorfismo conformacional, por otro lado, se ve principalmente en moléculas flexibles donde las moléculas tienen múltiples posibilidades conformacionales dentro de una pequeña ventana de energía. Como resultado, se pueden obtener múltiples estructuras cristalinas con la misma molécula pero en diferentes conformaciones. La forma más rara de polimorfismo surge de las diferencias en el sintón primario y este tipo de polimorfismo se denomina polimorfismo de sintón.
Predicción de la estructura cristalina
La predicción de la estructura cristalina (CSP) es un enfoque computacional para generar estructuras cristalinas energéticamente viables (con el grupo espacial correspondiente y los parámetros posicionales) a partir de una estructura molecular determinada. El ejercicio CSP se considera más desafiante ya que las estructuras cristalinas "experimentales" son muy a menudo estructuras cinéticas y, por lo tanto, son muy difíciles de predecir. En este sentido, se han propuesto muchos protocolos y se prueban a través de varias pruebas ciegas organizadas por la CCDC desde 2002. Un avance importante en el CSP ocurrió en 2007 mientras se introdujo un método híbrido basado en campos de fuerza hechos a medida y teoría funcional de densidad (DFT). . En el primer paso, este método emplea campos de fuerza hechos a medida para decidir la clasificación de las estructuras, seguido de un método DFT con corrección de dispersión para calcular las energías de la red con precisión. [15]
Además de la capacidad de predecir estructuras cristalinas, la CSP también proporciona paisajes de energía computada de estructuras cristalinas donde muchas estructuras se encuentran dentro de una ventana de energía estrecha. [16] Este tipo de paisajes computados brinda información sobre el estudio del polimorfismo, el diseño de nuevas estructuras y también ayuda a diseñar experimentos de cristalización.
Diseño de propiedad
El diseño de estructuras cristalinas con las propiedades deseadas es el objetivo final de la ingeniería de cristales. Los principios de la ingeniería de cristales se han aplicado al diseño de materiales ópticos no lineales, especialmente aquellos con propiedades de segunda generación armónica (SHG). Utilizando sintones supramoleculares, se han diseñado geles supramoleculares. [17] [18]
Propiedades mecánicas de materiales cristalinos.
Diseñar un material cristalino con propiedades específicas requiere una comprensión de las características moleculares y cristalinas del material en relación con sus propiedades mecánicas . [20] Cuatro propiedades mecánicas son de interés para los materiales cristalinos: plasticidad , elasticidad , fragilidad y resistencia al corte . [19]
Interacciones intermoleculares
La manipulación de la red de interacción intermolecular es un medio para controlar las propiedades a granel. [21] Durante la cristalización , las interacciones intermoleculares se forman de acuerdo con una jerarquía electrostática. [22] Los enlaces de hidrógeno fuertes son el director principal de la organización de los cristales. [23] [22] [24]
Arquitectura cristalina
Normalmente, las interacciones intermoleculares más fuertes forman las capas o columnas moleculares y las interacciones intermoleculares más débiles forman el plano de deslizamiento. [25] Por ejemplo, se forman cadenas largas o capas de moléculas de acetaminofén debido a los donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno que flanquean el anillo de benceno. Las interacciones más débiles entre las cadenas o capas de acetaminofén requirieron menos energía para romperse que los enlaces de hidrógeno. Como resultado, se forma un plano de deslizamiento .
Un sintón supramolecular es un par de moléculas que forman interacciones intermoleculares relativamente fuertes en las primeras fases de cristalización ; estos pares de moléculas son el motivo estructural básico que se encuentra en una red cristalina . [26] [27] [28]
Defectos o imperfecciones
Los defectos de celosía , como defectos puntuales, límites de inclinación o dislocaciones, crean imperfecciones en la topología y la arquitectura del cristal. Cualquier alteración de la estructura cristalina altera el mecanismo o el grado de movimiento molecular, cambiando así las propiedades mecánicas del material. [29] Los ejemplos de imperfecciones puntuales incluyen vacantes , impurezas de sustitución, las impurezas intersticiales , defectos de Frenkel , y defectos de Schottky . [30] Ejemplos de imperfecciones de líneas incluyen dislocaciones de bordes y tornillos . [30]
Evaluación de la estructura cristalina
Los métodos cristalográficos, como la difracción de rayos X , se utilizan para dilucidar la estructura cristalina de un material cuantificando las distancias entre los átomos. [30] La técnica de difracción de rayos X se basa en una estructura cristalina particular que crea un patrón único después de que los rayos X se difractan a través de la red cristalina . Se pueden usar métodos microscópicos, como microscopía óptica , electrónica , de iones de campo y de barrido de túnel , para visualizar la microestructura , imperfecciones o dislocaciones de un material. [30] En última instancia, estos métodos se basan en el crecimiento y ensamblaje de cristalitos durante la cristalización , que se pueden utilizar para racionalizar el movimiento de cristalitos en respuesta a una carga aplicada. [31] calorimétricas métodos, tales como calorimetría diferencial de barrido , el uso inducen transiciones de fase con el fin de cuantificar los cambios asociados en la entalpía , la entropía y la energía libre de Gibb . [32] Los fusión y fusión transiciones de fase son dependientes de la energía reticular del material cristalino, que se puede utilizar para determinar el porcentaje de cristalinidad de la muestra. La espectroscopia Raman es un método que utiliza la dispersión de luz para interactuar con los enlaces en una muestra. [33] Esta técnica proporciona información sobre enlaces químicos, interacciones intermoleculares y cristalinidad.
Evaluación de propiedades mecánicas
La nanoindentación es un método estándar y ampliamente aceptado para medir las propiedades mecánicas dentro del campo de la ingeniería de cristales. [19] [34] El método cuantifica la dureza , elasticidad , anisotropía de empaquetamiento y polimorfismo de un material cristalino. [19] [35] [36] [37] [38] Las superficies de Hirshfeld son modelos visuales de densidad electrónica en una isosuperficie específica que ayudan a visualizar y cuantificar las interacciones intermoleculares . [39] Una ventaja de utilizar superficies de Hirshfeld en la ingeniería de cristales es que estos mapas de superficies están incrustados con información sobre un molecular y sus vecinos. [39] El conocimiento de los vecinos moleculares se puede aplicar a la evaluación o predicción de propiedades moleculares. [35] Un método emergente para el análisis de la topografía y el plano de deslizamiento utilizando marcos de energía , que son modelos de empaquetamiento de cristales que representan las energías de interacción como pilares o vigas. [23] [35] [38]
Ver también
- Polímeros de coordinación
- redes de cristal (gráficos periódicos)
- Cristalografía
- Crecimiento de pedestal calentado por láser
- CrystEngComm
- Crecimiento y diseño de cristales
- CrystEngComunidad
- Enlace de hidrógeno
- Software de diseño molecular
- Química supramolecular
- Autoensamblaje
- Autoensamblaje molecular
enlaces externos
- Crecimiento y diseño de cristales
- CrystEngComm
- Acta Crystallographica Sección B
- Base de datos estructural de Cambridge
Referencias
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