Кристаллическая инженерия
Кристаллическая инженерия изучает проектирование и синтез твердотельных структур с желаемыми свойствами посредством целенаправленного контроля межмолекулярных взаимодействий . Это междисциплинарная академическая область , объединяющая химию твердого тела и супрамолекулярную химию. [1]
Основными инженерными стратегиями, используемыми в настоящее время, являются водородные и галогенные связи , а также координационные связи. [2] Их можно понять с помощью таких ключевых понятий, как супрамолекулярный синтон и вторичная строительная единица. [3]
История термина
[ редактировать ]Термин «кристаллическая инженерия» впервые был использован в 1955 году Р. Пепинским. [4] но отправную точку часто приписывают Герхарду Шмидту. [5] в связи с реакциями фотодимеризации в кристаллических коричных кислотах . С момента первого использования значение этого термина значительно расширилось и теперь включает многие аспекты супрамолекулярной химии твердого тела . Полезное современное определение дал Гаутам Десираджу , который в 1988 году определил кристаллическую инженерию как «понимание межмолекулярных взаимодействий в контексте упаковки кристаллов и использование такого понимания при создании новых твердых тел с желаемыми физическими и химическими свойствами». [6] Поскольку многие объемные свойства молекулярных материалов определяются тем, как молекулы упорядочены в твердом состоянии, ясно, что способность контролировать это упорядочение позволит контролировать эти свойства.
Нековалентный контроль структуры
[ редактировать ]Кристаллотехника основана на нековалентных связях для организации молекул и ионов в твердом состоянии. Большая часть первоначальных работ по чисто органическим системам была сосредоточена на использовании водородных связей, хотя координационные и галогенные связи обеспечивают дополнительный контроль при проектировании кристаллов. [8]
Молекулярная самосборка лежит в основе кристаллической инженерии и обычно включает взаимодействие между комплементарными гранями водородных связей или металлом и лигандом . «Супрамолекулярные синтоны» представляют собой строительные блоки, которые являются общими для многих структур и, следовательно, могут использоваться для упорядочения определенных групп в твердом состоянии. [9]
Дизайн многокомпонентных кристаллов
[ редактировать ]Намеренный синтез сокристаллов чаще всего достигается с помощью сильных гетеромолекулярных взаимодействий. Основная актуальность многокомпонентных кристаллов связана с созданием фармацевтических сокристаллов. [10] Фармацевтические сокристаллы обычно состоят из одного API ( активного фармацевтического ингредиента ) и других молекулярных веществ, которые считаются безопасными в соответствии с рекомендациями ВОЗ ( Всемирной организации здравоохранения ). Различные свойства (такие как растворимость, биодоступность, проницаемость) АФИ можно модулировать посредством образования фармацевтических сокристаллов.
В двух измерениях
[ редактировать ]2D-архитектуры (т. е. архитектуры молекулярной толщины) — это отрасль кристаллической инженерии. [11] Формирование (часто называемое молекулярной самосборкой в зависимости от процесса осаждения) таких архитектур заключается в использовании твердых границ раздела для создания адсорбированных монослоев. Такие монослои могут обладать пространственной кристалличностью. [12] [13] Однако динамичный и широкий диапазон морфологий монослоев, от аморфных до сетчатых структур, сделал термин (2D) супрамолекулярная инженерия более точным. В частности, супрамолекулярная инженерия означает «проектирование молекулярных единиц таким образом, чтобы получить предсказуемую структуру». [14] или как «проектирование, синтез и самосборка четко определенных молекулярных модулей в индивидуальную супрамолекулярную архитектуру». [15]
Методы сканирующей зондовой микроскопии позволяют визуализировать двумерные сборки.
Полиморфизм
[ редактировать ]Полиморфизм , явление, при котором одно и то же химическое соединение существует более чем в одной кристаллической форме, имеет коммерческое значение, поскольку полиморфные формы лекарств могут иметь право на независимую патентную защиту. Ожидается, что важность кристаллической инженерии для фармацевтической промышленности будет расти в геометрической прогрессии. [16]
Полиморфизм возникает из-за конкуренции между кинетическими и термодинамическими факторами при кристаллизации. В то время как сильные межмолекулярные взаимодействия на больших расстояниях диктуют образование кинетических кристаллов, плотная упаковка молекул обычно определяет термодинамический результат. Понимание этой дихотомии между кинетикой и термодинамикой составляет основу исследований, связанных с полиморфизмом.
В органических молекулах наблюдаются преимущественно три типа полиморфизма. Полиморфизм упаковки возникает, когда молекулы упаковываются по-разному, образуя разные структуры. С другой стороны, конформационный полиморфизм чаще всего наблюдается в гибких молекулах, где молекулы имеют множество конформационных возможностей в небольшом энергетическом окне. В результате можно получить несколько кристаллических структур с одной и той же молекулой, но в разных конформациях. Самая редкая форма полиморфизма возникает из-за различий в первичном синтоне, и этот тип полиморфизма называется синтонным полиморфизмом.
Прогнозирование кристаллической структуры
[ редактировать ]Прогнозирование кристаллической структуры (CSP) — это вычислительный подход для создания энергетически осуществимых кристаллических структур (с соответствующей пространственной группой и позиционными параметрами) из заданной молекулярной структуры. Упражнение CSP считается наиболее сложным, поскольку «экспериментальные» кристаллические структуры очень часто являются кинетическими структурами и, следовательно, их очень трудно предсказать. В этом отношении было предложено множество протоколов, которые тестируются с помощью нескольких слепых тестов, организованных CCDC с 2002 года. Большой прогресс в CSP произошел в 2007 году, когда был представлен гибридный метод, основанный на специально разработанных силовых полях и теории функционала плотности (DFT). . На первом этапе этот метод использует специально разработанные силовые поля для принятия решения о ранжировании структур, а затем метод DFT с поправкой на дисперсию для точного расчета энергий решетки. [17]
Помимо способности прогнозировать кристаллические структуры, CSP также предоставляет расчетные энергетические ландшафты кристаллических структур, где многие структуры лежат в узком энергетическом окне. [18] Этот вид компьютерных ландшафтов дает представление об исследованиях полиморфизма, разработке новых структур, а также помогает разрабатывать эксперименты по кристаллизации.
Дизайн недвижимости
[ редактировать ]Создание кристаллических структур с желаемыми свойствами является конечной целью кристаллической инженерии. Принципы кристаллической инженерии применялись при разработке нелинейных оптических материалов, особенно со свойствами генерации второй гармоники (ГВГ). С использованием супрамолекулярных синтонов созданы супрамолекулярные гели. [19] [20]
Механические свойства кристаллических материалов
[ редактировать ]Разработка кристаллического материала с заданными свойствами требует понимания молекулярных и кристаллических особенностей материала в зависимости от его механических свойств . [22] Для кристаллических материалов интерес представляют четыре механических свойства: пластичность , эластичность , хрупкость и прочность на сдвиг ). [21]
Межмолекулярные взаимодействия
[ редактировать ]Манипулирование сетью межмолекулярного взаимодействия является средством управления объемными свойствами. [23] Во время кристаллизации . межмолекулярные взаимодействия формируются в соответствии с электростатической иерархией [24] Сильные водородные связи являются основным руководителем кристаллической организации. [25] [24] [26]
Кристальная архитектура
[ редактировать ]Обычно самые сильные межмолекулярные взаимодействия образуют молекулярные слои или столбцы, а самые слабые межмолекулярные взаимодействия образуют плоскость скольжения. [27] Например, длинные цепи или слои молекул ацетаминофена образуются за счет доноров и акцепторов водородных связей, фланкирующих бензольное кольцо. Более слабые взаимодействия между цепями или слоями ацетаминофена требуют меньше энергии для разрыва, чем водородные связи. В результате плоскость скольжения образуется .
Супрамолекулярный синтон — пара молекул, образующих относительно прочные межмолекулярные взаимодействия на ранних стадиях кристаллизации ; эти пары молекул являются основным структурным мотивом кристаллической решетки . [28] [29] [30]
Дефекты или несовершенства
[ редактировать ]Дефекты решетки , такие как точечные дефекты, границы наклона или дислокации, создают несовершенства кристаллической архитектуры и топологии. Любое нарушение кристаллической структуры изменяет механизм или степень молекулярного движения, тем самым изменяя механические свойства материала. [31] Примеры точечных дефектов включают вакансии , примеси замещения, примеси внедрения , дефекты Френкеля и дефекты Шоттки . [32] Примерами линейных дефектов являются краевые и винтовые дислокации . [32]
Оценка кристаллической структуры
[ редактировать ]Кристаллографические методы, такие как дифракция рентгеновских лучей , используются для выяснения кристаллической структуры материала путем количественного определения расстояний между атомами. [32] Метод дифракции рентгеновских лучей основан на определенной кристаллической структуре, создающей уникальный рисунок после дифракции рентгеновских лучей через кристаллическую решетку . Микроскопические методы, такие как оптическая , электронная , полевая ионная и сканирующая туннельная микроскопия , могут использоваться для визуализации микроструктуры , дефектов или дислокаций материала. [32] В конечном счете, эти методы развивают рост и сборку кристаллитов во время кристаллизации , что можно использовать для рационализации движения кристаллитов в ответ на приложенную нагрузку. [33] Калориметрические методы, такие как дифференциальная сканирующая калориметрия , используют индуцированные фазовые переходы для количественной оценки связанных с ними изменений энтальпии , энтропии и свободной энергии Гибба . [34] плавления . и плавления Фазовые переходы зависят от энергии решетки кристаллического материала, которую можно использовать для определения процента кристалличности образца Рамановская спектроскопия — это метод, который использует рассеяние света для взаимодействия со связями в образце. [35] Этот метод предоставляет информацию о химических связях, межмолекулярных взаимодействиях и кристалличности.
Оценка механических свойств
[ редактировать ]Наноиндентирование — стандартный и широко распространенный метод измерения механических свойств в области кристаллотехники. [21] [36] Метод количественно определяет твердость , эластичность упаковки , анизотропию и полиморфизм кристаллического материала. [21] [37] [38] [39] [40] Поверхности Хиршфельда представляют собой визуальные модели электронной плотности на определенной изоповерхности, которые помогают визуализировать и количественно определять межмолекулярные взаимодействия . [41] Преимущество использования поверхностей Хиршфельда в инженерии кристаллов заключается в том, что в эти карты поверхности встроена информация о молекуле и ее соседях. [41] Понимание молекулярных соседей может быть применено для оценки или предсказания молекулярных свойств. [37] Новый метод топографии и плоскости скольжения анализа с использованием энергетических моделей , которые представляют собой модели упаковки кристаллов , изображающие энергии взаимодействия в виде столбов или балок. [25] [37] [40]
См. также
[ редактировать ]- Координационные полимеры
- кристаллические сети (периодические графики)
- Кристаллография
- Рост пьедестала с лазерным нагревом
- CrystEngComm
- Кристалл Рост и Дизайн
- CrystEngСообщество
- Водородная связь
- Программное обеспечение для молекулярного дизайна
- Супрамолекулярная химия
- Самостоятельная сборка
- Молекулярная самосборка
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Брага, Д.; Десираджу, Гаутам Р.; Миллер, Джоэл С.; Орпен, А. Гай; Прайс, Сара (Салли) Л.; и др. (2002), «Инновации в области кристаллотехники», CrystEngComm , 4 (83): 500–509, doi : 10.1039/b207466b
- ^ Метранголо, П.; Ренати, Джузеппе ; Пилати, Туллио; Лиантонио, Розальба; Мейер, Франк; и др. (2007), «Разработка функциональных материалов с помощью галогенных связей», J. Polym. Sci., Часть А: Полим. хим. , 45 (1): 1–14, Бибкод : 2007JPoSA..45....1M , doi : 10.1002/pola.21725
- ^ GR Desiraju, Crystal Engineering: целостный взгляд , Angew. хим. Межд. Эд. 2007, 46 , 8342–8356.
- ^ Р. Пепински, Кристаллотехника - новая концепция в кристаллографии , Physical Review , 1955, 100 , 971.
- ^ GMJ Шмидт, Фотодимеризация в твердом состоянии , Pure Appl. хим. , 1971, 27 , 647.
- ^ GR Desiraju, Crystal Engineering: дизайн органических твердых тел , Elsevier, 1989, Амстердам.
- ^ Джанета, Матеуш; Шаферт, Славомир (01 октября 2017 г.). «Синтез, характеристика и термические свойства амидо-POSS типа Т8 с концевой п-галогенфенильной группой». Журнал металлоорганической химии . 847 : 173–183. дои : 10.1016/j.jorganchem.2017.05.044 . ISSN 0022-328X .
- ^ П. Метранголо, Х. Нойкирх, Т. Пилати и Г. Реснати, Процессы распознавания на основе галогенных связей: мир, параллельный водородным связям , Акк. хим. Рез. 2005, 38 , 386-395.
- ^ GR Desiraju, Супрамолекулярные синтоны в кристаллической инженерии — новый органический синтез , Ангью. хим. Межд. Эд. 1995, 34 , 2311-2327.
- ^ О. Альмарссон и М. Дж. Заворотко, Кристаллическая инженерия состава фармацевтических фаз. Являются ли фармацевтические сокристаллы новым путем к улучшению лекарств? , хим. Коммун. 2004, 1889-1896 гг.
- ^ Дж. В. Барт, Г. Константини, К. Керн, Инженерные атомные и молекулярные наноструктуры на поверхности, Nature , 2005, 437 , 671–679.
- ^ К. А. Пальма, М. Бонини, Т. Брейнер, П. Самори, Супрамолекулярная кристаллическая инженерия на границе твердого тела и жидкости из первых принципов: на пути к разгадке термодинамики двумерной самосборки, Adv. Мат. , 2009, 21 , 1383–1386
- ^ JAAW Элеманс, С.Б. Лей С. Де Фейтер, Молекулярные и супрамолекулярные сети на поверхностях: от двумерной кристаллической инженерии к реакционной способности, Ангью. хим. Межд. Эд. , 2009, 48 , 7298–7332
- ^ Дж. Саймон, П. Бассул, Дизайн молекулярных материалов: супрамолекулярная инженерия , 2000 WileyVCH
- ^ А. Цесельский, К. А. Пальма, М. Бонини, П. Самори, На пути к супрамолекулярной инженерии функциональных наноматериалов: предварительное программирование многокомпонентной 2D-самосборки на границах твердого тела и жидкости, Adv. Мат. , 2010, 22 , 3506–3520.
- ^ Д. Брага, Ф. Грепиони, Л. Майни и М. Полито в книге « Кристаллический полиморфизм и множественные кристаллические формы» , Vol. (Ред. В.М. Хоссейни), Springer Berlin Heidelberg, Берлин, Гейдельберг, 2009, стр. 87-95.
- ^ М. А. Нейман, Ф. Дж. Лейзен и Дж. Кендрик, Большой прогресс в предсказании кристаллической структуры , Ангью. хим. Межд. Эд. 2008, 47 , 2427-2430.
- ^ SL Price, Вычисленные ландшафты кристаллической энергии для понимания и прогнозирования органических кристаллических структур и полиморфизма , Acc. хим. Рез. 2009, 42 , 117–126.
- ^ П. Дастидар, Супрамолекулярные гелеобразователи: можно ли их создать? хим. Соц. Ред. 2008, 37, 2699.
- ^ П. Саху, Д.К. Кумар, С.Р. Рагхаван, П. Дастидар. Супрамолекулярные синтоны в разработке низкомолекулярных гелеобразователей: соли циннамата метилового эфира L-аминокислот и их химия мгновенного гелеобразования, индуцированного антирастворителем . Азиатский Дж. 2011, 6, 1038–1047.
- ^ Jump up to: а б с д Саха, Субханкар; Мишра, Маниш Кумар; Редди, К. Малла; Десираджу, Гаутам Р. (20 ноября 2018 г.). «От молекул к взаимодействиям и кристаллической инженерии: механические свойства органических твердых тел» . Отчеты о химических исследованиях . 51 (11): 2957–2967. doi : 10.1021/acs.accounts.8b00425 . ISSN 0001-4842 . ПМИД 30351918 . S2CID 53028955 .
- ^ Фанг, Цанг-Це (25 января 2018 г.). Элементы структур и дефекты кристаллических материалов . Эльзевир. ISBN 978-0-12-814269-1 .
- ^ Аакерой, Кристер Б.; Седдон, Кеннет Р. (1993). «Водородная связь и кристаллотехника» . хим. Соц. Преподобный . 22 (6): 397–407. дои : 10.1039/CS9932200397 . ISSN 0306-0012 .
- ^ Jump up to: а б Десираджу, Гаутам Р. (2002). «Водородные мосты в кристаллотехнике: взаимодействия без границ» . Отчеты о химических исследованиях . 35 (7): 565–573. дои : 10.1021/ar010054t . ISSN 0001-4842 . ПМИД 12118996 .
- ^ Jump up to: а б Гупта, Пунам; Вернее, Сумаир А.; Саха, Биной К.; Панда, Тамас; Кароту, Дурга Прасад; Нат, Наба К. (06 мая 2020 г.). «Механическая гибкость молекулярных кристаллов, достигаемая за счет замены синтонов водородных связей» . Рост и дизайн кристаллов . 20 (5): 2847–2852. дои : 10.1021/acs.cgd.9b01530 . ISSN 1528-7483 . S2CID 216290100 .
- ^ Аакерой, Кристер Б.; Чопаде, Прашант Д.; Деспер, Джон (4 сентября 2013 г.). «Установление иерархии галогенных связей с помощью инженерных кристаллов без беспорядка» . Рост и дизайн кристаллов . 13 (9): 4145–4150. дои : 10.1021/cg400988m . ISSN 1528-7483 .
- ^ Ван, Чэньгуан; Сунь, Чанцюань Кальвин (апрель 2019 г.). «Вычислительные методы прогнозирования механических свойств органических кристаллов: систематическая оценка» . Молекулярная фармацевтика . 16 (4): 1732–1741. doi : 10.1021/acs.molpharmaceut.9b00082 . ISSN 1543-8384 . ПМИД 30835128 . S2CID 73502360 .
- ^ Мукерджи, Ариджит (3 июня 2015 г.). «Опираясь на супрамолекулярные синтоны: некоторые аспекты кристаллической инженерии» . Рост и дизайн кристаллов . 15 (6): 3076–3085. дои : 10.1021/acs.cgd.5b00242 . ISSN 1528-7483 .
- ^ Дуниц, доктор медицинских наук; Гавецотти, А. (5 декабря 2012 г.). «Супрамолекулярные синтоны: проверка и ранжирование энергий межмолекулярного взаимодействия» . Рост и дизайн кристаллов . 12 (12): 5873–5877. дои : 10.1021/cg301293r . ISSN 1528-7483 .
- ^ Десираджу, Гаутам Р. (1997). «Дизайнерские кристаллы: межмолекулярные взаимодействия, сетчатые структуры и супрамолекулярные синтоны» . Химические коммуникации (16): 1475–1482. дои : 10.1039/a607149j .
- ^ Уильямс, Джо; Томас, Дж. М. (1967). «Несовершенства решетки в органических твердых телах. Часть 1. Антрацен» . Пер. Фарадей Соц . 63 : 1720–1729. дои : 10.1039/TF9676301720 . ISSN 0014-7672 .
- ^ Jump up to: а б с д Гупта, К.М. (2015). Перспективные электротехнические и электронные материалы: процессы и применение . Гупта, Нишу. Хобокен: Уайли. ISBN 978-1-118-99858-8 . OCLC 904405330 .
- ^ Чоу, Эрнест Х.Х.; Бучар, Деян-Крешимир; Джонс, Уильям (2012). «Новые возможности в кристаллотехнике – роль атомно-силовой микроскопии в исследовании молекулярных кристаллов» . Химические коммуникации . 48 (74): 9210–9226. дои : 10.1039/c2cc32678g . ISSN 1359-7345 . ПМИД 22822481 .
- ^ Конг, Ю.; Хэй, JN (1 июня 2002 г.). «Измерение кристалличности полимеров методом ДСК» . Полимер . 43 (14): 3873–3878. дои : 10.1016/S0032-3861(02)00235-5 . ISSN 0032-3861 .
- ^ «Анализ кристаллического полиморфизма методом рамановской спектроскопии для развития медицины» (PDF) . Примечание по применению Jasco . Архивировано (PDF) из оригинала 3 марта 2022 г. Проверено 23 февраля 2021 г.
- ^ С. Варугезе, MSRN Киран, У. Рамамурти и Г. Р. Десираджу, Наноиндентирование в кристаллотехнике: количественная оценка механических свойств молекулярных кристаллов , Ангью. хим. Межд. Эд. 2013, 52 , 2701-2712.
- ^ Jump up to: а б с Раджу, К. Бал; Ранджан, Субхам; Вишну, В.С.; Бхаттачарья, Манджима; Бхаттачарья, Бисваджит; Мухопадьяй, Ануп К.; Редди, К. Малла (5 июля 2018 г.). «Рационализация различных механических свойств трех полиморфов аддукта лекарственного средства с помощью наноиндентирования и анализа энергетических каркасов: роль топологии слоя скольжения и слабых взаимодействий» . Рост и дизайн кристаллов . 18 (7): 3927–3937. дои : 10.1021/acs.cgd.8b00261 . ISSN 1528-7483 . S2CID 102536532 .
- ^ Варугезе, Сунил; Киран, MSRN; Рамамурти, Упадраста; Десираджу, Гаутам Р. (4 марта 2013 г.). «Наноиндентирование в кристаллотехнике: количественная оценка механических свойств молекулярных кристаллов» . Angewandte Chemie, международное издание . 52 (10): 2701–2712. дои : 10.1002/anie.201205002 . ПМИД 23315913 .
- ^ Мишра, Маниш Кумар; Рамамурти, Упадраста; Десираджу, Гаутам Р. (2016). «Расчет механических свойств молекулярных твердых тел» . Современное мнение в области твердого тела и материаловедения . 20 (6): 361–370. Бибкод : 2016COSSM..20..361M . дои : 10.1016/j.cossms.2016.05.011 .
- ^ Jump up to: а б Ван, Чэньгуан; Сунь, Чанцюань Кальвин (2019). «Вычислительные методы прогнозирования механических свойств органических кристаллов: систематическая оценка» . Молекулярная фармацевтика . 16 (4): 1732–1741. doi : 10.1021/acs.molpharmaceut.9b00082 . ISSN 1543-8384 . ПМИД 30835128 . S2CID 73502360 .
- ^ Jump up to: а б Маккиннон, Джошуа Дж.; Джаятилака, Дилан; Спэкман, Марк А. (2007). «К количественному анализу межмолекулярных взаимодействий с поверхностями Хиршфельда» . Химические коммуникации (37): 3814–3816. дои : 10.1039/b704980c . ISSN 1359-7345 . ПМИД 18217656 .