Ingeniería de cristales

La ingeniería de cristales estudia el diseño y la síntesis de estructuras de estado sólido con propiedades deseadas mediante el control deliberado de las interacciones intermoleculares . Es un campo académico interdisciplinario que une la química del estado sólido y la química supramolecular. ^{[ 1 ]}

Las principales estrategias de ingeniería que se utilizan actualmente son los enlaces de hidrógeno y halógeno y los enlaces de coordinación. ^{[ 2 ]} Estos pueden entenderse con conceptos clave como el sintón supramolecular y la unidad de construcción secundaria. ^{[ 3 ]}

El término «ingeniería de cristales» fue utilizado por primera vez en 1955 por R. Pepinsky ^{[ 4 ]} , pero el punto de partida suele atribuirse a Gerhard Schmidt ^{[ 5 ]} 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 del 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 cristalino y la utilización de dicha comprensión en el diseño de nuevos sólidos con las propiedades físicas y químicas deseadas». ^{[ 6 ]} Dado que muchas de las propiedades macroscópicas de los materiales moleculares están determinadas por la forma en que las moléculas se ordenan en el estado sólido, es evidente que la capacidad de controlar este ordenamiento permitiría controlar dichas propiedades.

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 sobre sistemas puramente orgánicos se centró en el uso de enlaces de hidrógeno, aunque los enlaces de coordinación y de halógeno proporcionan un control adicional en el diseño de cristales. ^{[ 8 ]}

El autoensamblaje molecular es fundamental en la ingeniería de cristales y, por lo general, implica una interacción entre caras complementarias que forman enlaces de hidrógeno o entre un metal y un ligando . Los "sintones supramoleculares" son bloques de construcción comunes a muchas estructuras y, por lo tanto, pueden utilizarse para ordenar grupos específicos en estado sólido. ^{[ 9 ]}

La síntesis intencional de cocristales se logra con mayor frecuencia mediante fuertes interacciones heteromoleculares. La principal relevancia de los cristales multicomponentes radica en el diseño de cocristales farmacéuticos. ^{[ 10 ]} Los cocristales farmacéuticos generalmente se componen de un API ( Ingrediente Farmacéutico Activo ) con otras sustancias moleculares consideradas seguras según las directrices de la OMS ( Organización Mundial de la Salud ). Diversas propiedades (como la solubilidad, la biodisponibilidad y la permeabilidad) de un API pueden modularse mediante la formación de cocristales farmacéuticos.

Las arquitecturas 2D (es decir, arquitecturas de espesor molecular) son una rama de la ingeniería de cristales. ^{[ 11 ]} La formación (a menudo denominada autoensamblaje molecular, según su proceso de deposición) de dichas arquitecturas radica en el uso de interfaces sólidas para crear monocapas adsorbidas. Estas monocapas pueden presentar cristalinidad espacial. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Sin embargo, la amplia gama y dinámica de morfologías de monocapas, que abarcan desde estructuras amorfas hasta reticulares, ha hecho que el término ingeniería supramolecular (2D) sea más preciso. Específicamente, la ingeniería supramolecular se refiere al "diseño de unidades moleculares de tal manera que se obtenga una estructura predecible" ^{[ 14 ]} o al "diseño, síntesis y autoensamblaje de módulos moleculares bien definidos en arquitecturas supramoleculares a medida". ^{[ 15 ]}

Las técnicas de microscopía de sonda de barrido permiten visualizar ensamblajes bidimensionales.

El polimorfismo , fenómeno por el cual un mismo compuesto químico existe en más de una forma cristalina, es relevante comercialmente porque las formas polimórficas de los fármacos pueden tener derecho a protección de patente independiente. Se espera que la importancia de la ingeniería de cristales para la industria farmacéutica crezca exponencialmente. ^{[ 16 ]}

El polimorfismo surge debido a la competencia entre factores cinéticos y termodinámicos durante la cristalización. Si bien las fuertes interacciones intermoleculares de largo alcance determinan la formación de cristales cinéticos, el empaquetamiento compacto de las moléculas generalmente impulsa el resultado termodinámico. Comprender esta dicotomía entre la cinética y la termodinámica constituye el objetivo principal de la 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 maneras, dando lugar a estructuras distintas. El polimorfismo conformacional, por otro lado, se observa sobre todo en moléculas flexibles, donde estas presentan múltiples posibilidades conformacionales dentro de un pequeño rango energético. 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 se denomina polimorfismo de sintón.

La predicción de la estructura cristalina (CSP) es un método computacional para generar estructuras cristalinas energéticamente viables (con su correspondiente grupo espacial y parámetros posicionales) a partir de una estructura molecular dada. El ejercicio de CSP se considera el más desafiante, ya que las estructuras cristalinas "experimentales" suelen ser estructuras cinéticas y, por lo tanto, muy difíciles de predecir. En este sentido, se han propuesto muchos protocolos que se prueban mediante diversas pruebas a ciegas organizadas por el CCDC desde 2002. Un avance importante en la CSP se produjo en 2007 con la introducción de un método híbrido basado en campos de fuerza diseñados a medida y la teoría del funcional de la densidad (DFT). En la primera etapa, este método emplea campos de fuerza diseñados a medida para determinar la clasificación de las estructuras, seguidos de un método DFT con corrección de dispersión para calcular con precisión las energías reticulares. ^{[ 17 ]}

Además de la capacidad de predecir estructuras cristalinas, CSP también proporciona paisajes energéticos calculados de estructuras cristalinas, donde muchas estructuras se encuentran dentro de una estrecha ventana de energía. ^{[ 18 ]} Este tipo de paisajes calculados aportan información valiosa para el estudio del polimorfismo, el diseño de nuevas estructuras y también ayudan a diseñar experimentos de cristalización.

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 generación de segundo armónico (SHG). Mediante el uso de sintones supramoleculares, se han diseñado geles supramoleculares. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

El diseño de un material cristalino con propiedades específicas requiere comprender las características moleculares y cristalinas del material en relación con sus propiedades mecánicas . ^{[ 22 ]} Cuatro propiedades mecánicas son de interés para los materiales cristalinos: plasticidad , elasticidad , fragilidad y resistencia al corte . ^{[ 21 ]}

Interacciones intermoleculares

La manipulación de la red de interacción intermolecular es un medio para controlar las propiedades macroscópicas. ^{[ 23 ]} Durante la cristalización , las interacciones intermoleculares se forman según una jerarquía electrostática. ^{[ 24 ]} Los enlaces de hidrógeno fuertes son el principal director de la organización cristalina. ^{[ 25 ] [ 24 ] [ 26 ]}

Arquitectura de cristal

Por lo general, las interacciones intermoleculares más fuertes forman las capas o columnas moleculares, y las más débiles forman el plano de deslizamiento. ^{[ 27 ]} Por ejemplo, las largas cadenas o capas de moléculas de paracetamol se forman debido a los donadores y aceptores de enlaces de hidrógeno que flanquean el anillo de benceno. Las interacciones más débiles entre las cadenas o capas de paracetamol requieren 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 fases iniciales de la cristalización ; estos pares de moléculas son el motivo estructural básico que se encuentra en una red cristalina . ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

Defectos o imperfecciones

Los defectos de la red , como los defectos puntuales, los límites de inclinación o las dislocaciones, crean imperfecciones en la arquitectura y la topología del cristal. Cualquier alteración de la estructura cristalina modifica el mecanismo o el grado de movimiento molecular, cambiando así las propiedades mecánicas del material. ^{[ 31 ]} Ejemplos de imperfecciones puntuales incluyen vacantes , impurezas sustitucionales, impurezas intersticiales , defectos de Frenkel y defectos de Schottky . ^{[ 32 ]} Ejemplos de imperfecciones lineales incluyen dislocaciones de borde y de tornillo . ^{[ 32 ]}

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 átomos. ^{[ 32 ]} 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 . Los métodos microscópicos, como la microscopía óptica , electrónica , de iones de campo y de efecto túnel , se pueden utilizar para visualizar la microestructura , las imperfecciones o las dislocaciones de un material. ^{[ 32 ]} En última instancia, estos métodos profundizan en el crecimiento y el ensamblaje de cristalitos durante la cristalización , lo que puede utilizarse para racionalizar el movimiento de los cristalitos en respuesta a una carga aplicada. ^{[ 33 ]} Los métodos calorimétricos , como la calorimetría diferencial de barrido , utilizan transiciones de fase inducidas para cuantificar los cambios asociados en la entalpía , la entropía y la energía libre de Gibbs . ^{[ 34 ]} Las transiciones de fase de fusión y derretimiento dependen de la energía reticular del material cristalino, que puede utilizarse para determinar el porcentaje de cristalinidad de la muestra. La espectroscopia Raman es un método que utiliza la dispersión de la luz para interactuar con los enlaces de una muestra. ^{[ 35 ]} Esta técnica proporciona información sobre los enlaces químicos, las interacciones intermoleculares y la cristalinidad.

Evaluación de las propiedades mecánicas

La nanoindentación es un método estándar y ampliamente aceptado para medir propiedades mecánicas dentro del campo de la ingeniería de cristales. ^{[ 21 ] [ 36 ]} El método cuantifica la dureza , elasticidad , anisotropía de empaquetamiento y polimorfismo de un material cristalino. ^{[ 21 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]} Las superficies de Hirshfeld son modelos visuales de densidad electrónica en una isosuperficie específica que ayudan a visualizar y cuantificar las interacciones intermoleculares . ^{[ 41 ]} Una ventaja de usar superficies de Hirshfeld en ingeniería de cristales es que estos mapas de superficie están incrustados con información sobre una molécula y sus vecinos. ^{[ 41 ]} La comprensión de los vecinos moleculares se puede aplicar a la evaluación o predicción de propiedades moleculares. ^{[ 37 ]} Un método emergente para el análisis de topografía y plano de deslizamiento utilizando marcos de energía , que son modelos de empaquetamiento de cristales que representan las energías de interacción como pilares o vigas. ^{[ 25 ] [ 37 ] [ 40 ]}

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