Engenharia de cristal - Crystal engineering

A engenharia de cristal é o projeto e a síntese de estruturas moleculares de estado sólido com as propriedades desejadas, com base no entendimento e no uso de interações intermoleculares . As duas estratégias principais atualmente em uso para a engenharia de cristais são baseadas em ligações de hidrogênio e ligações de coordenação. Isso pode ser entendido com conceitos-chave, como o sínton supramolecular e a unidade de construção secundária.

Um exemplo de engenharia de cristal usando ligações de hidrogênio relatado por Wuest e colegas de trabalho em J. Am. Chem. Soc. , 2007, 4306–4322.

História do termo

O termo 'engenharia de cristal' foi usado pela primeira vez em 1955 por R. Pepinsky, mas o ponto de partida é frequentemente creditado a Gerhard Schmidt em conexão com reações de fotodimerização em ácidos cinâmicos cristalinos . Desde esse uso inicial, o significado do termo foi ampliado consideravelmente para incluir muitos aspectos da química supramolecular de estado sólido . Uma definição moderna útil é aquela fornecida por Gautam Desiraju , que em 1988 definiu a engenharia de cristal como "a compreensão das interações intermoleculares no contexto do empacotamento de cristais e a utilização de tal compreensão no projeto de novos sólidos com propriedades físicas e químicas desejadas." Uma vez que muitas das propriedades principais dos materiais moleculares são ditadas pela maneira como as moléculas são ordenadas no estado sólido, é claro que a capacidade de controlar essa ordenação proporcionaria o controle sobre essas propriedades.

Controle não covalente da estrutura

Ligações de halogênio Br ··· O observadas na estrutura cristalina de silsesquioxanos 3D.

A engenharia de cristal depende de ligações não covalentes para conseguir a organização de moléculas e íons no estado sólido. Muito do trabalho inicial em sistemas puramente orgânicos se concentrou no uso de ligações de hidrogênio, embora a coordenação e as ligações de halogênio forneçam controle adicional no design do cristal.

A automontagem molecular está no cerne da engenharia de cristal e normalmente envolve uma interação entre as faces de ligação de hidrogênio complementares ou um metal e um ligante . "Síntons supramoleculares" são blocos de construção comuns a muitas estruturas e, portanto, podem ser usados para ordenar grupos específicos no estado sólido.

Projeto de cristais multicomponentes

Um cristal de cinco componentes foi projetado por Desiraju e colaboradores por uma estratégia retrosintética racional ( IUCrJ , 2016, 3, 96-101).

A síntese intencional de cocristais é mais frequentemente alcançada com fortes interações heteromoleculares. A principal relevância dos cristais multicomponentes está focada no projeto de cocristais farmacêuticos. Os cocristais farmacêuticos são geralmente compostos de um API ( Ingrediente Farmacêutico Ativo ) com outras substâncias moleculares consideradas seguras de acordo com as diretrizes fornecidas pela OMS ( Organização Mundial de Saúde ). Várias propriedades (como solubilidade, biodisponibilidade, permeabilidade) de um API podem ser moduladas através da formação de cocristais farmacêuticos.

Em duas dimensões

As arquiteturas 2D (ou seja, arquiteturas com espessura molecular) são um ramo da engenharia de cristal. A formação (muitas vezes referida como automontagem molecular, dependendo de seu processo de deposição) de tais arquiteturas reside no uso de interfaces sólidas para criar monocamadas adsorvidas. Essas monocamadas podem apresentar cristalinidade espacial. No entanto, a ampla e dinâmica gama de morfologias de monocamada variando de amorfa a estruturas de rede fizeram do termo (2D) engenharia supramolecular um termo mais preciso. Especificamente, a engenharia supramolecular refere-se a "(O) projeto (de) unidades moleculares de tal forma que uma estrutura previsível é obtida" ou como "o projeto, síntese e automontagem de módulos moleculares bem definidos em arquiteturas supramoleculares feitas sob medida".

As técnicas microscópicas de sonda de varredura permitem a visualização de conjuntos bidimensionais.

Polimorfismo

O polimorfismo , fenômeno em que o mesmo composto químico existe em mais de uma forma de cristal, é comercialmente relevante porque as formas polimórficas de medicamentos podem ter direito à proteção de patente independente. A importância da engenharia de cristais para a indústria farmacêutica deve crescer exponencialmente.

O polimorfismo surge devido à competição entre fatores cinéticos e termodinâmicos durante a cristalização. Enquanto fortes interações intermoleculares de longo alcance ditam a formação de cristais cinéticos, o empacotamento próximo das moléculas geralmente conduz o resultado termodinâmico. Entender essa dicotomia entre a cinética e a termodinâmica constitui o foco das pesquisas relacionadas ao polimorfismo.

As vias para cristais cineticamente favorecidos e termodinamicamente favorecidos.

Em moléculas orgânicas, três tipos de polimorfismo são observados principalmente. O polimorfismo de empacotamento surge quando as moléculas se empacotam de maneiras diferentes para dar estruturas diferentes. O polimorfismo conformacional, por outro lado, é visto principalmente em moléculas flexíveis onde as moléculas têm múltiplas possibilidades conformacionais dentro de uma pequena janela de energia. Como resultado, múltiplas estruturas cristalinas podem ser obtidas com a mesma molécula, mas em conformações diferentes. A forma mais rara de polimorfismo surge das diferenças no sínton primário e esse tipo de polimorfismo é denominado polimorfismo de sínton.

Previsão da estrutura cristalina

A previsão da estrutura cristalina (CSP) é uma abordagem computacional para gerar estruturas cristalinas energeticamente viáveis (com grupo espacial e parâmetros posicionais correspondentes) a partir de uma determinada estrutura molecular. O exercício de CSP é considerado o mais desafiador, pois as estruturas de cristal "experimentais" são, muitas vezes, estruturas cinéticas e, portanto, muito difíceis de prever. A este respeito, muitos protocolos foram propostos e são testados através de vários testes cegos organizados pelo CCDC desde 2002. Um grande avanço no CSP aconteceu em 2007, enquanto um método híbrido baseado em campos de força feitos sob medida e teoria funcional de densidade (DFT) foi introduzido . Na primeira etapa, este método emprega campos de força feitos sob medida para decidir sobre a classificação das estruturas, seguido por um método DFT com dispersão corrigida para calcular as energias da rede com precisão.

Além da capacidade de prever estruturas de cristal, o CSP também fornece paisagens de energia computada de estruturas de cristal, onde muitas estruturas ficam dentro de uma janela de energia estreita. Este tipo de paisagem computada fornece insights sobre o estudo do polimorfismo, projeto de novas estruturas e também ajuda a projetar experimentos de cristalização.

Projeto de propriedade

Uma estratégia de modelagem baseada em resorcinol descrita por Macgillivray e colaboradores para ilustrar o controle do resultado de fotodimerização, J. Am. Chem. Soc. , 2000, 122, 7817-7818.

O projeto de estruturas cristalinas com as propriedades desejadas é o objetivo final da engenharia de cristais. Os princípios da engenharia de cristal têm sido aplicados ao projeto de materiais ópticos não lineares, especialmente aqueles com propriedades de geração de segundo harmônico (SHG). Usando sintons supramoleculares, géis supramoleculares foram projetados.

Propriedades mecânicas de materiais cristalinos

Quatro propriedades mecânicas de materiais cristalinos: resistência ao cisalhamento, plasticidade, elasticidade e fragilidade. Informações adaptadas de Saha et al. 2018.

Projetar um material com propriedades mecânicas direcionadas requer o comando sobre estruturas complexas em uma variedade de escalas de comprimento.

Projetar um material cristalino com propriedades direcionadas requer uma compreensão das características moleculares e cristalinas do material em relação às suas propriedades mecânicas . Quatro propriedades mecânicas são de interesse para materiais cristalinos: plasticidade , elasticidade , fragilidade e resistência ao cisalhamento ).

Interações intermoleculares

A manipulação da rede de interação intermolecular é um meio de controlar as propriedades em massa. Durante a cristalização , as interações intermoleculares se formam de acordo com uma hierarquia eletrostática. Fortes ligações de hidrogênio são o principal diretor para a organização dos cristais.

Arquitetura de cristal

Normalmente, as interações intermoleculares mais fortes formam as camadas ou colunas moleculares e as interações intermoleculares mais fracas formam o plano de deslizamento. Por exemplo, longas cadeias ou camadas de moléculas de paracetamol se formam devido aos doadores e aceitadores de ligações de hidrogênio que flanqueiam o anel de benzeno. As interações mais fracas entre as cadeias ou camadas de paracetamol exigiam menos energia para quebrar do que as ligações de hidrogênio. Como resultado, um plano de deslizamento é formado.

A. Planos deslizantes associados a recursos arquitetônicos em camadas ou colunares em materiais cristalinos. As linhas pontilhadas vermelhas e pretas representam a direção das interações intermoleculares mais fracas e mais fortes, respectivamente, que influenciam o plano de deslizamento. B. Exemplo das interações mais fortes (ligações de hidrogênio) e mais fracas (van der Waals) na estrutura do acetaminofeno que influencia a estrutura do cristal.

Um sinton supramolecular é um par de moléculas que formam interações intermoleculares relativamente fortes nas fases iniciais da cristalização ; esses pares de moléculas são o motivo estrutural básico encontrado em uma rede cristalina .

Defeitos ou imperfeições

Defeitos de rede , como defeitos pontuais, limites de inclinação ou deslocamentos, criam imperfeições na arquitetura e topologia do cristal. Qualquer interrupção na estrutura do cristal altera o mecanismo ou grau de movimento molecular, alterando assim as propriedades mecânicas do material. Exemplos de imperfeições pontuais incluem vagas , impurezas de substituição, impurezas intersticiais , defeitos de Frenkel , e defeitos de Schottky . Exemplos de imperfeições de linha incluem deslocamentos de borda e parafuso .

Avaliando Estrutura Cristal

Métodos cristalográficos, como difração de raios-X , são usados para elucidar a estrutura cristalina de um material por meio da quantificação das distâncias entre os átomos. A técnica de difração de raios-X se baseia em uma estrutura de cristal particular , criando um padrão único depois que os raios-X são difratados através da rede cristalina . Métodos microscópicos, como microscopia óptica , eletrônica , íon de campo e microscopia de tunelamento de varredura , podem ser usados para visualizar a microestrutura , imperfeições ou deslocamentos de um material. Em última análise, esses métodos elaboram sobre o crescimento e montagem de cristalitos durante a cristalização , o que pode ser usado para racionalizar o movimento dos cristalitos em resposta a uma carga aplicada. Métodos calorimétricos , como calorimetria de varredura diferencial , usam transições de fase de indução para quantificar as mudanças associadas na entalpia , entropia e energia livre de Gibb . Os fusão e de fusão de transições de fase são dependentes da energia de rede do material cristalino, o qual pode ser usado para determinar a percentagem de cristalinidade da amostra. A espectroscopia Raman é um método que usa espalhamento de luz para interagir com ligações em uma amostra. Esta técnica fornece informações sobre ligações químicas, interações intermoleculares e cristalinidade.

Avaliação de propriedades mecânicas

A nanoindentação é um método padrão e amplamente aceito para medir propriedades mecânicas no campo da engenharia de cristal. O método quantifica a dureza , elasticidade , anisotropia de empacotamento e polimorfismo de um material cristalino. As superfícies de Hirshfeld são modelos visuais de densidade de elétrons em uma isosuperfície específica que ajuda a visualizar e quantificar as interações intermoleculares . Uma vantagem de usar superfícies de Hirshfeld na engenharia de cristal é que esses mapas de superfície contêm informações sobre uma molécula e seus vizinhos. O conhecimento sobre os vizinhos moleculares pode ser aplicado para avaliação ou previsão de propriedades moleculares. Um método emergente para análise de topografia e plano deslizante usando estruturas de energia , que são modelos de empacotamento de cristal que representam energias de interação como pilares ou feixes.

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