En la ciencia de los materiales , el polimorfismo describe la existencia de un material sólido en más de una forma o estructura cristalina . El polimorfismo es una forma de isomería . Cualquier material cristalino puede exhibir el fenómeno. La alotropía se refiere al polimorfismo de los elementos químicos . El polimorfismo es de importancia práctica para los productos farmacéuticos , agroquímicos , pigmentos , colorantes , alimentos y explosivos . Según IUPAC , una transición polimórficaes "Una transición reversible de una fase cristalina sólida a una determinada temperatura y presión (el punto de inversión) a otra fase de la misma composición química con una estructura cristalina diferente". [1] Los materiales con dos polimorfos se denominan dimórficos , con tres polimorfos, trimórficos, etc. [2]
Ejemplos de
Muchos compuestos exhiben polimorfismo. Se ha afirmado que "cada compuesto tiene diferentes formas polimórficas y que, en general, el número de formas conocidas de un compuesto dado es proporcional al tiempo y dinero invertidos en la investigación de ese compuesto". [3] [4] [5]
Compuestos orgánicos
- Benzamida
El fenómeno fue descubierto en 1832 por Friedrich Wöhler y Justus von Liebig . Observaron que las agujas sedosas de benzamida recién cristalizada se convertían lentamente en cristales rómbicos. [6] El análisis actual [7] identifica tres polimorfos para la benzamida: el menos estable, formado por enfriamiento rápido es la forma ortorrómbica II. A este tipo le sigue la forma monoclínica III (observada por Wöhler / Liebig). La forma más estable es la forma monoclínica I. Los mecanismos de enlace de hidrógeno son los mismos para las tres fases; sin embargo, difieren fuertemente en sus interacciones pi-pi.
- Ácido maleico
En 2006 se descubrió un nuevo polimorfo de ácido maleico , 124 años después de que se estudiara la primera forma cristalina. [8] El ácido maleico se fabrica a escala industrial en la industria química. Forma la sal que se encuentra en la medicina. El nuevo tipo de cristal se produce cuando un cocristal de cafeína y ácido maleico (2: 1) se disuelve en cloroformo y cuando se permite que el disolvente se evapore lentamente. Mientras que la forma I tiene el grupo espacial monoclínico P 2 1 / c , la nueva forma tiene el grupo espacial Pc . Ambos polimorfos consisten en láminas de moléculas conectadas a través de enlaces de hidrógeno de los grupos de ácido carboxílico ; pero, en la forma I, las hojas se alternan con respecto al momento dipolar neto , mientras que, en la forma II, las hojas están orientadas en la misma dirección.
- 1,3,5-trinitrobenceno
Después de 125 años de estudio, el 1,3,5-trinitrobenceno produjo un segundo polimorfo. La forma habitual tiene el grupo espacial Pbca , pero en 2004, se obtuvo un segundo polimorfo en el grupo espacial Pca 2 1 cuando el compuesto se cristalizó en presencia de un aditivo, trisindano . Este experimento muestra que los aditivos pueden inducir la aparición de formas polimórficas. [9]
- Otros compuestos orgánicos
La acridina se ha obtenido como ocho polimorfos [10] y el aripiprazol tiene nueve. [11] El récord del mayor número de polimorfos bien caracterizados lo tiene un compuesto conocido como ROY . [12] [13] La glicina cristaliza como cristales monoclínicos y hexagonales . El polimorfismo en compuestos orgánicos es a menudo el resultado de polimorfismo conformacional . [14]
Compuestos inorgánicos
- Óxidos de metales binarios
El polimorfismo en óxidos metálicos binarios ha atraído mucha atención porque estos materiales tienen un valor económico significativo. Un conjunto de ejemplos famosos tiene la composición SiO 2 , que forman muchos polimorfos. Los importantes incluyen: α-cuarzo , β-cuarzo , tridimita , cristobalita , moganita , coesita y stishovita . [15] [16]
Óxidos metálicos | Fase | Condiciones de P y T | Estructura / Grupo espacial |
---|---|---|---|
CrO 2 | fase α | Condiciones ambientales | Tetragonal tipo rutilo (P42 / mnm) |
fase β | RT y 14 GPa | Ortorrómbico de tipo CaCl 2 | |
RT y 12 ± 3 GPa | |||
Cr 2 O 3 | Fase de corindón | Condiciones ambientales | Romboédrico tipo corindón (R 3 c) |
Fase de alta presión | RT y 35 GPa | Tipo Rh 2 O 3 -II | |
Fe 2 O 3 | fase α | Condiciones ambientales | Romboédrico tipo corindón (R 3 c) |
fase β | Por debajo de 773 K | Cúbico centrado en el cuerpo (Ia 3 ) | |
fase γ | Hasta 933 K | Estructura de espinela cúbica (Fd 3 m) | |
fase ε | - | Rómbico (Pna21) | |
Bi 2 O 3 | fase α | Condiciones ambientales | Monoclínico (P21 / c) |
fase β | 603-923 K y 1 atm | Tetragonal | |
fase γ | 773-912 K o RT y 1 atm | Cúbico centrado en el cuerpo | |
fase δ | 912-1097 K y 1 atm | FCC (Fm 3 m) | |
En 2 O 3 | Fase tipo bixbyita | Condiciones ambientales | Cúbico (Ia 3 ) |
Tipo corindón | 15-25 GPa a 1273 K | Hexagonal tipo corindón (R 3 c) | |
Tipo Rh 2 O 3 (II) | 100 GPa y 1000 K | Ortorrómbico | |
Al 2 O 3 | fase α | Condiciones ambientales | Trigonal tipo corindón (R 3 c) |
fase γ | 773 K y 1 atm | Cúbico (Fd 3 m) | |
SnO 2 | fase α | Condiciones ambientales | Tetragonal tipo rutilo (P42 / mnm) |
Fase de tipo CaCl 2 | 15 KBar a 1073 K | Ortorrómbico, tipo CaCl 2 (Pnnm) | |
α-PbO 2 -type | Por encima de 18 KBar | Tipo α-PbO 2 (Pbcn) | |
TiO 2 | Rutilo | Fase de equilibrio | Tetragonal tipo rutilo |
Anatasa | Fase metaestable (no estable) [17] | Tetragonal (I41 / amd) | |
Brookita | Fase metaestable (no estable) [17] | Ortorrómbico (Pcab) | |
ZrO 2 | Fase monoclínica | Condiciones ambientales | Monoclínico (P21 / c) |
Fase tetragonal | Por encima de 1443 K | Tetragonal (P42 / nmc) | |
Fase tipo fluorita | Por encima de 2643 K | Cúbico (Fm 3 m) | |
MoO 3 | fase α | 553-673 K y 1 atm | Ortorrómbico (Pbnm) |
fase β | 553-673 K y 1 atm | Monoclínico | |
fase h | Fase de alta presión y alta temperatura | Hexagonal (P6a / mo P6a) | |
MoO 3 -II | 60 kbar y 973 K | Monoclínico | |
WO 3 | fase ε | Hasta 220 K | Monoclínico (Pc) |
fase δ | 220-300 K | Triclínico (P1) | |
fase γ | 300-623 K | Monoclínico (P21 / n) | |
fase β | 623-900 K | Ortorrómbico (Pnma) | |
fase α | Por encima de 900 K | Tetragonal (P4 / ncc) |
- Otros materiales inorgánicos
Los ejemplos clásicos de polimorfismo son el par de minerales calcita y aragonito , ambas formas de carbonato de calcio . Si bien los diamantes son tradicionalmente cúbicos, también existen diamantes hexagonales.
Factores que afectan el polimorfismo
Según la regla de Ostwald , los polimorfos generalmente menos estables cristalizan antes que la forma estable. El concepto se basa en la idea de que los polimorfos inestables se asemejan más al estado en solución y, por lo tanto, tienen ventajas cinéticas. El caso fundacional de la benzamida fibrosa vs rómbica ilustra el caso. Otro ejemplo lo proporcionan dos polimorfos de dióxido de titanio . [17]
Los polimorfos tienen estabilidades dispares. Algunos se convierten rápidamente a temperatura ambiente (o cualquier temperatura). La mayoría de los polimorfos de moléculas orgánicas solo difieren en unos pocos kJ / mol en energía reticular. Aproximadamente el 50% de los pares de polimorfos conocidos difieren en menos de 2 kJ / mol y las diferencias de estabilidad de más de 10 kJ / mol son raras. [18]
El polimorfismo se ve afectado por los detalles de la cristalización . El solvente en todos los aspectos afecta la naturaleza del polimorfo, incluida la concentración, otros componentes del solvente, es decir, especies que inhiben o promueven ciertos patrones de crecimiento. Un factor decisivo es a menudo la temperatura del disolvente a partir del cual se realiza la cristalización .
Los polimorfos metaestables no siempre se obtienen de forma reproducible, lo que lleva a casos de "polimorfos que desaparecen". [3] [19] [20]
En productos farmacéuticos
Los medicamentos reciben aprobación regulatoria para un solo polimorfo. En una clásica disputa de patentes , GlaxoSmithKline defendió su patente del polimorfo tipo II del ingrediente activo en Zantac frente a la competencia, mientras que el del polimorfo tipo I ya había expirado. [21] El polimorfismo en las drogas también puede tener implicaciones médicas directas ya que las tasas de disolución dependen del polimorfismo. La pureza polimórfica de las muestras de fármacos se puede comprobar utilizando técnicas como la difracción de rayos X en polvo, la espectroscopia IR / Raman y utilizando las diferencias en sus propiedades ópticas en algunos casos. [22]
Estudios de caso
- Ritonavir
El fármaco antivírico ritonavir existe como dos polimorfos, que difieren mucho en eficacia. Estos problemas se resolvieron reformulando el medicamento en cápsulas de gel y tabletas, en lugar de las cápsulas originales. [23]
- Ácido acetilsalicílico
Un segundo polimorfo de ácido acetilsalicílico se informó solo en 2005. [24] [25] Se encontró un nuevo tipo de cristal después de intentar la cocristalización de aspirina y levetiracetam a partir de acetonitrilo caliente . En la forma I, los pares de moléculas de aspirina forman dímeros centrosimétricos a través de los grupos acetilo con el protón metilo (ácido) a los enlaces de hidrógeno del carbonilo . En la forma II, cada molécula de aspirina forma los mismos enlaces de hidrógeno, pero con dos moléculas vecinas en lugar de una. Con respecto a los enlaces de hidrógeno formados por los grupos ácido carboxílico , ambos polimorfos forman estructuras dímeras idénticas. Los polimorfos de aspirina contienen secciones bidimensionales idénticas y, por lo tanto, se describen con más precisión como politipos. [26]
- Paracetamol
El polvo de paracetamol tiene malas propiedades de compresión, lo que dificulta la fabricación de tabletas. Se encontró un segundo polimorfo con propiedades de compresión más adecuadas. [ cita requerida ]
- Acetato de cortisona
El acetato de cortisona existe en al menos cinco polimorfos diferentes, cuatro de los cuales son inestables en el agua y cambian a una forma estable.
- Carbamazepina
Carbamazepina , estrógeno , paroxetina , [27] y el cloranfenicol también muestran polimorfismo.
Politipismo
Los politipos son un caso especial de polimorfos, donde múltiples estructuras cristalinas compactas difieren en una sola dimensión. Los politipos tienen planos compactos idénticos, pero difieren en la secuencia de apilamiento en la tercera dimensión perpendicular a estos planos. El carburo de silicio (SiC) tiene más de 170 politipos conocidos, aunque la mayoría son raros. Todos los politipos de SiC tienen prácticamente la misma densidad y energía libre de Gibbs . Los politipos de SiC más comunes se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 : Algunos politipos de SiC. [28]
Fase | Estructura | Notación de Ramsdell | Secuencia de apilamiento | Comentario |
---|---|---|---|---|
α-SiC | hexagonal | 2H | AB | Forma de wurtzita |
α-SiC | hexagonal | 4H | ABCB | |
α-SiC | hexagonal | 6H | ABCACB | La forma más estable y común. |
α-SiC | romboédrico | 15R | ABCACBCABACABCB | |
β-SiC | cúbico centrado en la cara | 3C | A B C | Forma de esfalerita o mezcla de zinc |
Un segundo grupo de materiales con diferentes politipos son los dicalcogenuros de metales de transición , materiales estratificados como el disulfuro de molibdeno (MoS 2 ). Para estos materiales, los politipos tienen efectos más distintos sobre las propiedades del material, por ejemplo, para MoS 2 , el politipo 1T es de carácter metálico, mientras que la forma 2H es más semiconductora. [29] Otro ejemplo es el disulfuro de tantalio , donde se encuentran los politipos comunes 1T y 2H, pero también tipos más complejos de 'coordinación mixta' como 4Hb y 6R, donde se mezclan las capas de geometría prismática trigonal y octaédrica. [30] Aquí, el politipo 1T exhibe una onda de densidad de carga , con una clara influencia sobre la conductividad en función de la temperatura, mientras que el politipo 2H exhibe superconductividad .
ZnS y CdI 2 también son politípicos. [31] Se ha sugerido que este tipo de polimorfismo se debe a una cinética en la que las dislocaciones de los tornillos reproducen rápidamente secuencias parcialmente desordenadas de manera periódica.
Teoría
En términos de termodinámica , se reconocen dos tipos de comportamiento polimórfico. Para un sistema monotrópico, las gráficas de las energías libres de los diversos polimorfos frente a la temperatura no se cruzan antes de que se fundan todos los polimorfos; en otras palabras, cualquier transición de un polimorfo a otro por debajo del punto de fusión será irreversible. Para un sistema enantiotrópico , un gráfico de la energía libre frente a la temperatura muestra un umbral de punto de cruce antes de los diversos puntos de fusión. [32] También puede ser posible revertir indistintamente entre los dos polimorfos por calentamiento o enfriamiento, o por contacto físico con un polimorfo de menor energía.
Ver también
- Isomorfismo (cristalografía)
- Dimorfismo (Wikcionario)
Referencias
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enlaces externos
- "Cristalización de moléculas pequeñas" ( PDF ) en el sitio web del Instituto de Tecnología de Illinois
- "SiC y politpismo"