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Polimorfismo cristalino

En cristalografía , el polimorfismo es un fenómeno en el que un compuesto o elemento puede cristalizar en más de una estructura cristalina . La definición de polimorfismo ha evo...

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En cristalografía , el polimorfismo es un fenómeno en el que un compuesto o elemento puede cristalizar en más de una estructura cristalina . La definición de polimorfismo ha evolucionado a lo largo de los años y, a partir de 2015,aún está en discusión. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] La discusión implica distinguir entre los tipos de transiciones y cambios estructurales que ocurren en el polimorfismo y los que ocurren en otros fenómenos.

Descripción general

Las transiciones de fase (cambios de fase) que ayudan a describir el polimorfismo incluyen transiciones polimórficas, así como transiciones de fusión y vaporización. Según la IUPAC , una transición polimórfica es "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". [ 4 ] Además, Walter McCrone describió las fases en la materia polimórfica como "diferentes en estructura cristalina pero idénticas en los estados líquido o gaseoso". McCrone también define un polimorfo como "una fase cristalina de un compuesto dado que resulta de la posibilidad de al menos dos disposiciones diferentes de las moléculas de ese compuesto en estado sólido". [ 5 ] [ 6 ] Estos hechos definitorios implican que el polimorfismo implica cambios en las propiedades físicas, pero no puede incluir cambios químicos. Algunas definiciones antiguas no hacen esta distinción.

La eliminación del cambio químico de aquellos cambios permisibles durante una transición polimórfica delimita el polimorfismo. Por ejemplo, la isomerización a menudo puede conducir a transiciones polimórficas. Sin embargo, la tautomería (isomerización dinámica) conduce a un cambio químico, no a polimorfismo. [ 1 ] Asimismo, la alotropía de los elementos y el polimorfismo se han vinculado históricamente. Sin embargo, los alótropos de un elemento no siempre son polimorfos. Un ejemplo común son los alótropos del carbono , que incluyen el grafito , el diamante y la lonsdaleíta . Si bien las tres formas son alótropos, el grafito no es un polimorfo del diamante ni de la lonsdaleíta. La isomerización y la alotropía son solo dos de los fenómenos vinculados al polimorfismo. Para obtener información adicional sobre cómo identificar el polimorfismo y distinguirlo de otros fenómenos, consulte la revisión de Brog et al. [ 2 ]

Los materiales con dos fases polimórficas pueden llamarse dimórficos , aquellos con tres fases polimórficas, trimórficos , etc. [ 7 ] El polimorfismo tiene relevancia práctica para productos farmacéuticos , agroquímicos , pigmentos , colorantes , alimentos y explosivos .

Detección

Métodos experimentales

Los primeros registros del descubrimiento del polimorfismo atribuyen a Eilhard Mitscherlich y Jöns Jacob Berzelius sus estudios sobre fosfatos y arseniatos a principios del siglo XIX. Estos estudios consistieron en medir los ángulos interfaciales de los cristales para demostrar que sales químicamente idénticas podían presentar dos formas diferentes. Mitscherlich denominó originalmente a este descubrimiento isomorfismo. [ 8 ] Wilhelm Ostwald también utilizó la medición de la densidad cristalina , que se expresó mediante la relación de Ostwald. [ 9 ]

El desarrollo del microscopio mejoró las observaciones del polimorfismo y facilitó los estudios de Moritz Ludwig Frankenheim en la década de 1830. Frankenheim logró demostrar métodos para inducir cambios de fase cristalina y resumió formalmente sus hallazgos sobre la naturaleza del polimorfismo. Poco después, se empezó a utilizar el microscopio de luz polarizada, más sofisticado , que proporcionó una mejor visualización de las fases cristalinas, permitiendo a los cristalógrafos distinguir entre diferentes polimorfos. La platina calefactora fue inventada y adaptada a un microscopio de luz polarizada por Otto Lehmann alrededor de 1877. Este invento ayudó a los cristalógrafos a determinar los puntos de fusión y observar las transiciones polimórficas. [ 8 ]

Si bien el uso de microscopios de platina caliente continuó a lo largo del siglo XX, los métodos térmicos también se generalizaron para observar el flujo de calor que se produce durante los cambios de fase, como la fusión y las transiciones polimórficas. Una de estas técnicas, la calorimetría diferencial de barrido (DSC), se sigue utilizando para determinar la entalpía de las transiciones polimórficas. [ 8 ]

En el siglo XX, la cristalografía de rayos X se popularizó para estudiar la estructura cristalina de los polimorfos. Tanto la difracción de rayos X de monocristal como la de polvo se utilizan para obtener mediciones de la celda unitaria del cristal. Cada polimorfo de un compuesto tiene una estructura cristalina única. Por consiguiente, los diferentes polimorfos producen patrones de difracción de rayos X distintos. [ 8 ]

Los métodos espectroscópicos vibracionales comenzaron a utilizarse para investigar el polimorfismo en la segunda mitad del siglo XX y se han vuelto más comunes a medida que mejoraron las tecnologías ópticas, informáticas y de semiconductores. Estas técnicas incluyen la espectroscopia infrarroja (IR) , la espectroscopia de terahercios y la espectroscopia Raman . Las espectroscopias IR y Raman de frecuencia media son sensibles a los cambios en los patrones de enlaces de hidrógeno . Dichos cambios pueden relacionarse posteriormente con diferencias estructurales. Además, las espectroscopias de terahercios y Raman de baja frecuencia revelan modos vibracionales resultantes de las interacciones intermoleculares en sólidos cristalinos. Nuevamente, estos modos vibracionales están relacionados con la estructura cristalina y pueden utilizarse para descubrir diferencias en la estructura tridimensional entre polimorfos. [ 10 ]

Métodos computacionales

La química computacional puede utilizarse en combinación con técnicas de espectroscopia vibracional para comprender el origen de las vibraciones en los cristales. [ 10 ] La combinación de técnicas proporciona información detallada sobre las estructuras cristalinas, similar a la que se puede obtener con la cristalografía de rayos X. Además de utilizar métodos computacionales para mejorar la comprensión de los datos espectroscópicos, el último avance en la identificación del polimorfismo en cristales es el campo de la predicción de la estructura cristalina . Esta técnica utiliza la química computacional para modelar la formación de cristales y predecir la existencia de polimorfos específicos de un compuesto antes de que los científicos los hayan observado experimentalmente. [ 11 ] [ 12 ]

Más allá de las posibilidades experimentales, se han empleado métodos computacionales para estudiar los cambios atómicos en las estructuras cristalinas a diferentes temperaturas y bajo distintas atmósferas. En el caso de materiales porosos, la presencia de moléculas huésped puede inducir fases estructurales específicas para cada huésped. [ 13 ]

Ejemplos

Muchos compuestos presentan polimorfismo. Se ha afirmado que "cada compuesto tiene diferentes formas polimórficas y que, en general, el número de formas conocidas para un compuesto dado es proporcional al tiempo y dinero invertidos en la investigación de dicho compuesto". [ 14 ] [ 5 ] [ 15 ]

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. [ 16 ] El análisis actual [ 17 ] 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 del ácido maleico , 124 años después de que se estudiara la primera forma cristalina. 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 se deja evaporar lentamente el disolvente. 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 mediante enlaces de hidrógeno de los grupos de ácido carboxílico : en la forma I, las láminas se alternan con respecto al momento dipolar neto , mientras que en la forma II, las láminas están orientadas en la misma dirección. [ 18 ]

1,3,5-Trinitrobenceno

Tras 125 años de estudio, el 1,3,5-trinitrobenceno presentó un segundo polimorfo. La forma habitual pertenece al grupo espacial Pbca , pero en 2004 se obtuvo un segundo polimorfo con el grupo espacial Pca 2 1 al cristalizar el compuesto en presencia de un aditivo, el trisindano . Este experimento demuestra que los aditivos pueden inducir la aparición de formas polimórficas. [ 19 ]

Otros compuestos orgánicos

La acridina se ha obtenido como ocho polimorfos [ 20 ] y el aripiprazol tiene nueve. [ 21 ] El récord del mayor número de polimorfos bien caracterizados lo ostenta un compuesto conocido como ROY . [ 22 ] [ 23 ] La glicina cristaliza como cristales monoclínicos y hexagonales . El polimorfismo en los compuestos orgánicos suele ser el resultado del polimorfismo conformacional . [ 24 ]

mezclas orgánicas

La manteca de cacao tiene seis polimorfos cristalinos con diferentes puntos de fusión, propiedades mecánicas y comportamiento de separación ( floración del chocolate ). Se nombran en orden creciente de punto de fusión. La forma V, la más deseada, con una combinación de crujido y brillo, se produce mediante atemperado (véase chocolate atemperado ). [ 25 ] Las formas difieren por familia (I, II: hexagonal; III, IV: ortorrómbica perpendicular; V, VI: triclínica) y por cómo se empaquetan las colas de ácidos grasos. [ 26 ]

materia inorgánica

Elementos

Los elementos, incluidos los metales, pueden presentar polimorfismo. La alotropía es el término que se utiliza para describir los elementos que tienen diferentes formas y se usa comúnmente en el campo de la metalurgia. Algunos alótropos (pero no todos) también son polimorfos. Por ejemplo, el hierro tiene tres alótropos que también son polimorfos. El hierro alfa, que existe a temperatura ambiente, tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc). Por encima de los 910 grados, existe el hierro gamma, que tiene una estructura cúbica centrada en las caras (fcc). Por encima de los 1390 grados, existe el hierro delta con una estructura bcc. [ 27 ]

Otro ejemplo metálico es el estaño, que tiene dos alótropos que también son polimorfos. A temperatura ambiente, el estaño beta existe como una forma tetragonal blanca. Cuando se enfría por debajo de 13,2 grados, se forma el estaño alfa, que es de color gris y tiene una forma cúbica de diamante. [ 27 ] El estaño alfa tiene una densidad menor, lo que provoca que la parte de estaño se separe desde el interior. Esto se conoce como peste del estaño . [ 28 ]

Un ejemplo clásico de un no metal que exhibe polimorfismo es el carbono. El carbono tiene muchos alótropos, incluyendo el grafito, el diamante y la londsdaleíta . Sin embargo, no todos son polimorfos entre sí. El grafito no es un polimorfo del diamante ni de la londsdaleíta, ya que es químicamente distinto, con enlaces hibridados sp² . El diamante y la londsdaleíta son químicamente idénticos, ambos con enlaces hibridados sp³ , y se diferencian únicamente en sus estructuras cristalinas, lo que los convierte en polimorfos. Además, el grafito tiene dos polimorfos: una forma hexagonal (alfa) y una forma romboédrica (beta). [ 27 ]

Óxidos metálicos binarios

El polimorfismo en óxidos metálicos binarios ha atraído mucha atención debido al importante valor económico de estos materiales. Un conjunto de ejemplos famosos tiene la composición SiO₂ , que forma muchos polimorfos. Entre los más importantes se incluyen: α-cuarzo , β-cuarzo , tridimita , cristobalita , moganita , coesita y estishovita . [ 29 ] [ 30 ]

Otros compuestos inorgánicos

Un ejemplo clásico de polimorfismo es el par de minerales calcita , que es romboédrica, y aragonita , que es ortorrómbica. Ambas son formas de carbonato de calcio . [ 27 ] Una tercera forma de carbonato de calcio es la vaterita , que es hexagonal y relativamente inestable. [ 32 ]

Calcita (a la izquierda) y aragonita (a la derecha), dos formas de carbonato de calcio . Nota: los colores se deben a impurezas.

El β-HgS precipita como un sólido negro cuando las sales de Hg(II) se tratan con H₂S . Con un calentamiento suave de la suspensión, el polimorfo negro se convierte en la forma roja. [ 33 ]

Factores que afectan al polimorfismo

Según la regla de Ostwald , los polimorfos menos estables suelen cristalizar antes que la forma estable. Este concepto se basa en la idea de que los polimorfos inestables se asemejan más al estado en solución y, por lo tanto, tienen una ventaja cinética. El caso fundacional de la benzamida fibrosa frente a la rómbica ilustra este caso. Otro ejemplo lo proporcionan dos polimorfos del dióxido de titanio . [ 31 ] Sin embargo, existen sistemas conocidos, como el metacetamol , donde solo una velocidad de enfriamiento estrecha favorece la obtención de la forma metaestable II. [ 34 ]

Los polimorfos presentan estabilidades dispares. Algunos se transforman rápidamente a temperatura ambiente (o a 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 superiores a 10 kJ/mol son raras. [ 35 ] La estabilidad de los polimorfos puede variar con la temperatura [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] o la presión. [ 39 ] [ 40 ] Es importante destacar que la estabilidad estructural y la termodinámica son diferentes. La estabilidad termodinámica puede estudiarse mediante métodos experimentales o computacionales. [ 41 ] [ 42 ]

El polimorfismo se ve afectado por los detalles de la cristalización . El disolvente afecta en todos los aspectos la naturaleza del polimorfo, incluyendo la concentración y otros componentes del disolvente, es decir, especies que inhiben o promueven ciertos patrones de crecimiento. [ 43 ] Un factor decisivo suele ser la temperatura del disolvente a partir del cual se lleva a cabo la cristalización . [ 44 ]

Los polimorfos metaestables no siempre se obtienen de forma reproducible, lo que da lugar a casos de " polimorfos evanescentes ", con implicaciones generalmente negativas para el derecho y los negocios. [ 14 ] [ 11 ] [ 45 ]

En productos farmacéuticos

Aproximadamente el 37 % o más de los compuestos orgánicos existen como más de un polimorfo. [ 46 ] La existencia de polimorfos tiene implicaciones legales, ya que los fármacos reciben aprobación regulatoria y se les otorgan patentes para un solo polimorfo. En una disputa de patentes clásica , GlaxoSmithKline defendió su patente para el polimorfo de tipo II del ingrediente activo de Zantac frente a sus competidores, mientras que la del polimorfo de tipo I ya había expirado. [ 47 ] El polimorfismo en los fármacos también puede tener implicaciones médicas directas, ya que las tasas de disolución dependen del polimorfo. Los casos conocidos hasta 2015 se analizan en un artículo de revisión de Bučar, Lancaster y Bernstein. [ 11 ]

Dibenzoxazepinas

La clozapina existe en 4 formas en comparación con las 60 formas de la olanzapina . [ 48 ]

Posaconazol

Las formulaciones originales autorizadas como Noxafil se formularon utilizando la forma I de posaconazol . El descubrimiento de polimorfos de posaconazol aumentó rápidamente y dio lugar a mucha investigación en la cristalografía de posaconazol . Un solvato de metanol y un cocristal de 1,4-dioxano se añadieron a la Base de Datos Estructural de Cambridge (CSD). [ 49 ]

Ritonavir

El fármaco antiviral ritonavir existe en dos polimorfos, que difieren considerablemente en su eficacia. Estos problemas se resolvieron reformulando el medicamento en cápsulas de gel y comprimidos, en lugar de las cápsulas originales. [ 50 ]

Aspirina

Un polimorfo ("Forma I") de aspirina es común. [ 11 ] La "Forma II" fue reportada en 2005, [ 51 ] [ 52 ] encontrada después de un intento de cocristalización de aspirina y levetiracetam a partir de acetonitrilo caliente .

En la forma I, pares de moléculas de aspirina forman dímeros centrosimétricos a través de los grupos acetilo con enlaces de hidrógeno entre el protón metilo (ácido) y el 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 de ácido carboxílico , ambos polimorfos forman estructuras diméricas idénticas. Los polimorfos de aspirina contienen secciones bidimensionales idénticas y, por lo tanto, se describen con mayor precisión como politipos. [ 53 ]

La aspirina de forma II pura podría prepararse añadiendo aspirina anhidra al lote en una proporción del 15% en peso. [ 11 ]

Paracetamol

El paracetamol en polvo tiene propiedades de compresión deficientes, lo que dificulta la fabricación de comprimidos. Se encontró un segundo polimorfo con propiedades de compresión más adecuadas. [ 54 ]

acetato de cortisona

El acetato de cortisona existe en al menos cinco polimorfos diferentes, cuatro de los cuales son inestables en agua y se transforman en una forma estable.

Pirazinamida

La pirazinamida tiene al menos 4 polimorfos. [ 55 ] Todos ellos se transforman en la forma α estable a temperatura ambiente tras el almacenamiento o el tratamiento mecánico. [ 56 ] Estudios recientes demuestran que la forma α es termodinámicamente estable a temperatura ambiente. [ 36 ] [ 38 ]

Ejemplos adicionales

La carbamazepina , el estrógeno , la paroxetina [ 57 ] 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. [ 58 ]

Un segundo grupo de materiales con diferentes politipos son los dicalcogenuros de metales de transición , materiales en capas como el disulfuro de molibdeno (MoS₂ ) . Para estos materiales, los politipos tienen efectos más distintivos en las propiedades del material, por ejemplo, para el MoS₂ , el politipo 1T es de carácter metálico, mientras que la forma 2H es más semiconductora. [ 59 ] Otro ejemplo es el disulfuro de tantalio , donde se presentan los politipos comunes 1T y 2H, pero también tipos de "coordinación mixta" más complejos como 4Hb y 6R, donde se mezclan capas de geometría prismática trigonal y octaédrica. [ 60 ] Aquí, el politipo 1T exhibe una onda de densidad de carga , con una influencia distintiva en la conductividad en función de la temperatura, mientras que el politipo 2H exhibe superconductividad .

El ZnS y el CdI 2 también son politípicos. [ 61 ] Se ha sugerido que este tipo de polimorfismo se debe a la cinética donde las dislocaciones helicoidales reproducen rápidamente secuencias parcialmente desordenadas de forma periódica.

Teoría

Las transiciones de fase sólida que se transforman reversiblemente sin pasar por las fases líquida o gaseosa se denominan enantiotrópicas. Por el contrario, si las modificaciones no son convertibles bajo estas condiciones, el sistema es monotrópico. Se utilizan datos experimentales para diferenciar entre transiciones enantiotrópicas y monotrópicas, y se pueden trazar diagramas semicuantitativos de energía/temperatura aplicando varias reglas, principalmente la regla del calor de transición, la regla del calor de fusión y la regla de la densidad. Estas reglas permiten deducir las posiciones relativas de las isobaras H y G en el diagrama E/T. [1]

En términos termodinámicos , se reconocen dos tipos de comportamiento polimórfico. Para un sistema monotrópico, las gráficas de las energías libres de los distintos polimorfos en función de la temperatura no se cruzan antes de que todos los polimorfos se fundan. Como resultado, cualquier transición de un polimorfo a otro por debajo del punto de fusión será irreversible. Para un sistema enantiotrópico , una gráfica de la energía libre en función de la temperatura muestra un punto de cruce antes de los distintos puntos de fusión. [ 62 ] También puede ser posible la conversión intercambiable entre los dos polimorfos mediante calentamiento o enfriamiento, o a través del contacto físico con un polimorfo de menor energía.

Un modelo simple de polimorfismo consiste en modelar la energía libre de Gibbs de un cristal en forma de bola comoGRAMO=ar2−br3{\displaystyle G=ar^{2}-br^{3}}Aquí, el primer términoar2{\displaystyle ar^{2}}es la energía superficial, y el segundo término−br3{\displaystyle -br^{3}}es la energía volumétrica. Ambos parámetrosa,b>0{\displaystyle a,b>0}. La funciónGRAMO(r){\displaystyle G(r)}sube hasta un máximo antes de caer, cruzando el cero enrdorit{\displaystyle r_{crit}}Para cristalizar, una bola de cristal debe superar la barrera energética a lar>rdorit{\displaystyle r>r_{crit}}parte del panorama energético. [ 63 ]

Figura 2

Ahora bien, supongamos que hay dos tipos de cristales, con energías diferentes.GRAMO1=a1r2−b1r3{\displaystyle G_{1}=a_{1}r^{2}-b_{1}r^{3}}yGRAMO2=a2r2−b2r3{\displaystyle G_{2}=a_{2}r^{2}-b_{2}r^{3}}y si tienen la misma forma que en la Figura 2, entonces las dos curvas se intersecan en algún punto.rdorit′>rdorit,1{\displaystyle r'_{crit}>r_{crit,1}}. Entonces el sistema tiene tres fases:

  • r<rdorit,1{\displaystyle r<r_{crit,1}}Los cristales tienden a disolverse. Fase amorfa.
  • rdorit,1<r<rdorit′{\displaystyle r_{crit,1}<r<r'_{crit}}. Los cristales tienden a crecer como la forma 1.
  • r>rdorit′{\displaystyle r>r'_{crit}}Los cristales tienden a crecer en forma 2.

Si el cristal crece lentamente, podría quedar atascado cinéticamente en la forma 1.

Véase también

Referencias

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