Кіріспе

Қатты материалдың бірден көп түрде немесе кристалдық құрылымда болу қабілеті. Кристаллографияда полиморфизм – бір заттың немесе элементтің бірнеше кристалдық құрылымға кристалдануы мүмкін болатын құбылысты сипаттайды. Бұл анықтама көп жылдар бойы өзгеріп дамып келеді және бүгінгі күнге дейін талқыланып жүр. Полиморфизмнің ерекше белгілерін талқылау, полиморфизмде және басқа да құбылыстарда болатын өтулер мен құрылымдық өзгерістерді ажыратуды қамтиды. Сондай-ақ, екі полиморфты фазасы бар материалдар диморфты, үш полиморфты фазасы бар материалдар триморфты деп аталады, және т.б.

Шолу

Полиморфизмді сипаттауға көмектесетін фазалық ауысулар (фазалық өзгерістер) полиморфтық ауысулармен қатар балқу және булану ауысуларын қамтиды. IUPAC-тің мәлімдемесіне сәйкес, полиморфтық ауысу – "белгілі бір температура мен қысымдағы (инверсия нүктесі) қатты кристалдық фазаның қайтымды түрде басқа кристалдық құрылыммен, бірақ бірдей химиялық құраммен басқа фазаға өтуі". Сонымен қатар, Уолтер МакКроун полиморфты заттардағы фазаларды "кристалл құрылымымен әртүрлі, бірақ сұйық немесе газ күйінде бірдей" деп сипаттады. МакКроун полиморфты "бір заттың берілген қосылысының кристалдық фазасы, оның молекулаларының қатты күйде кем дегенде екі түрлі орналасу мүмкіндігінен туындайды" деп анықтайды. Бұл анықтамалық фактілер полиморфизмнің физикалық қасиеттердегі өзгерістерді қамтитынын, бірақ химиялық өзгерістерді қамтамайтынын көрсетеді. Кейбір ертерек анықтамалар бұл айырмашылықты нақты көрсетпейді. Полиморфтық ауысу кезінде рұқсат етілген өзгерістерден химиялық өзгерістерді жою полиморфизмді анықтайды. Мысалы, изомерлендіру жиі полиморфтық ауысуларға алып келуі мүмкін. Дегенмен, таутомеризм (динамикалық изомеризация) химиялық өзгеріске, полиморфизмге емес, әкеледі. Кристалл тығыздығын өлшеуді Вильгельм Оствальд та қолданды және оны Оствальд қатынасы арқылы білдірді. Микроскоптың дамуы полиморфизмді байқау мүмкіндігін арттырып, 1830 жылдары Мориц Людвиг Франкенхаймның зерттеулеріне көмектесті. Ол кристалл фазалық өзгерістерін тудыру әдістерін көрсетті және полиморфизмнің табиғаты туралы өз зерттеулерін ресми түрде қорытындылады. Одан кейін, полярланған жарық микроскопы пайда болды, ол кристалдық фазаларды жақсырақ визуализациялауға мүмкіндік берді, бұл кристаллографтарға әртүрлі полиморфтарды ажыратуға көмектесті. 1877 жыл шамасында Ото Леман полярланған жарық микроскопына қыздыру камерасын (hot stage) орнатты. Бұл өнертабыс кристаллографтарға балқу температураларын анықтауға және полиморфтық ауысуларды байқауға көмектесті. Техникалардың үйлесімі рентгендік кристаллография арқылы қол жеткізілетіндей кристалл құрылымдары туралы толыққанды ақпарат береді. Спектроскопиялық деректерді түсінуді жақсарту үшін есептеу әдістерін пайдаланумен қатар, кристаллдардағы полиморфизмді анықтаудағы соңғы жетістік – кристалл құрылымын болжау саласы. Бұл әдіс кристаллдардың қалыптасуын модельдеу үшін есептеу химиясын қолданады және ғалымдар оларды эксперименттік түрде байқағанға дейін қосылыстың нақты полиморфтарының болуын болжайды.

Мысалдар

Көптеген қосылыстар полиморфизмді көрсетеді. "Кез келген қосылыстың әртүрлі полиморфтық түрлері болады, және әдетте, белгілі бір қосылысқа қатысты белгілі түрлердің саны сол қосылысты зерттеуге жұмсалған уақыт пен қаржыға пропорционалды" деп айтылады.

Бензамид

Бұл құбылысты 1832 жылы Фридрих Вёлер мен Юстус фон Либиг ашқан. Олар жаңадан кристалдасқан бензамидтің жібектей инелері біртіндеп ромб тәрізді кристалдарға айналып жатқанын байқады. Қазіргі талдаулар бензамидтің үш полиморфын анықтайды: ең тұрақсыз, жылдам салқындату арқылы түзілетін II орторомбтық форма. Одан кейін III моноклиникалық форма (Вёлер/Либиг байқаған). Ең тұрақты формасы – I моноклиникалық форма. Үш фазаның барлығындағы сутекті байланыс механизмдері бірдей, алайда олардың пи-пи өзара әрекеттесулері күрт ерекшеленеді.

Малеин қышқылы

2006 жылы алғашқы кристалдық түрі зерттелгеннен кейін 124 жыл өткен соң, малеин қышқылының жаңа полиморфы ашылды. Малеин қышқылы химия өнеркәсібінде өндірістік көлемде шығарылады. Ол медицинада қолданылатын тұздардың құрамына кіреді. Жаңа кристалдық түр кофеин мен малеин қышқылының (2:1) кокристаллын хлороформда ерітіп, еріткіштің баяу булануына мүмкіндік берген кезде пайда болады. I формасы моноклиндық P21/c кеңістіктік тобына ие болса, жаңа форма Pc кеңістіктік тобына ие. Екі полиморфтың да құрамында карбоксилдік қышқыл топтарының сутекті байланысы арқылы біріккен молекулалардың қабаттары бар: I түрінде қабаттар таза диполь моментіне қатысты кезектесіп орналасса, II түрінде қабаттар бір бағытта бағытталған.

1,3,5-тринитробензол

125 жылдық зерттеулерден кейін 1,3,5 тринитробензол екінші полиморфтық түрді көрсетті. Көбінесе кездесетін түрі Pbca кеңістіктік тобына ие, бірақ 2004 жылы трисиндан қоспасының қатысуымен кристалдағанда Pca21 кеңістіктік тобында екінші полиморфтық түр алынды. Бұл тәжірибе қоспалардың полиморфтық түрлердің пайда болуына ықпал ететінін көрсетеді.

Басқа органикалық қосылыстар

Акридин сегіз полиморф түрде, ал арипипразол тоғыз полиморф түрде алынған. Ең көп сандағы жақсы сипатталған полиморфтар бойынша рекордты ROY деп аталатын зат иеленеді. Глицин моноклиндық және гексагондық кристалдар түрінде кристалданады. Органикалық қосылыстардағы полиморфизм көбінесе конформациялық полиморфизмнің салдары болып табылады.

Полиморфизмге әсер ететін факторлар

Оствальд ережесіне сәйкес, көбінесе тұрақсыз полиморфтар тұрақты формадан бұрын кристалданады. Бұл ұғым тұрақсыз полиморфтар ерітіндідегі күйге жақындығымен және осылайша кинетикалық артықшылыққа ие болуымен байланысты. Талшықты және ромбтық бензамид мысалы осыны көрсетеді. Титан диоксидінің екі полиморфы да басқа бір мысал. Дегенмен, метацетамол сияқты жүйелерде, тар салқындату жылдамдығы ғана метастабильді II форманы алуға мүмкіндік береді. Полиморфтардың тұрақтылығы әртүрлі. Кейбіреулері бөлме температурасында (немесе кез келген температурада) жылдам түрленеді. Көптеген органикалық молекулалардың полиморфтары тор энергиясы бойынша бірнеше кДж/моль ғана ерекшеленеді. Белгілі полиморф жұптарының шамамен 50% 2 кДж/моль-ден аз айырмашылықты көрсетеді, ал 10 кДж/моль-ден жоғары тұрақтылық айырмашылықтары сирек кездеседі. Полиморфтың тұрақтылығы температура мен қысымға байланысты өзгеруі мүмкін екенін атап өту қажет. Құрылымдық және термодинамикалық тұрақтылықтың ерекшелігін ескеру маңызды. Термодинамикалық тұрақтылықты эксперименталдық немесе есептеу әдістерімен зерттеуге болады. Полиморфизм кристалдану процесінің ерекшеліктеріне тәуелді. Еріткіштің барлық жақтары полиморфтың сипатына әсер етеді, оның ішінде концентрациясы, еріткіштің басқа компоненттері, яғни белгілі бір өсу үлгілерін тежейтін немесе күшейтетін заттар. Кристалдану жүргізілетін еріткіштің температурасы маңызды фактор болып табылады. Метастабильді полиморфтар әрқашан қайта өндірілмейді, бұл "жоғалып бара жатқан полиморфтар" жағдайларына алып келеді, бұл заң мен бизнес үшін көбінесе жағымсыз салдарға ие.

Құқықтық аспектілер

Дәрі-дәрмектер нормативтік бекітуден өтеді және патенттер тек бір полиморфқа ғана беріледі. Классикалық патенттік дау кезінде GlaxoSmithKline компаниясы Zantac-тағы белсенді заттың II типті полиморфына берілген патентын бәсекелестерге қарсы қорғады, ал I типті полиморфқа берілген патент мерзімі бұрын баяғыда өткен еді. Дәрі-дәрмектердегі полиморфизм тікелей медициналық салдарға алып келуі мүмкін, себебі ерігіштік жылдамдығы полиморфқа байланысты. Дәрілік үлгілердің полиморфтық тазалығын ұнтақ рентгендік дифракция, ИЖ/Раман спектроскопиясы және кейбір жағдайларда олардың оптикалық қасиеттерінің айырмашылықтарын пайдалана отырып тексеруге болады.

Ритонавир

Вирусқа қарсы препарат ритонавир екі полиморфты түрде кездеседі, олардың тиімділігі күрт өзгеше. Бұл мәселелер препаратты бастапқы капсулалардың орнына гель капсулалар мен таблеткаларға қайта жасау арқылы шешілді.

Аспирин

Аспириннің тек бір дәлелденген полиморфты I түрі бар, бірақ басқа полиморфтың бар екендігі 1960 жылдан бері күмәндалып келді, ал 1981 жылғы бір хабарламада аспирин ангидридінің қатысуында кристалдағанда аспириннің дифрактограммасында әлсіз қосымша шыңдар пайда болатыны көрсетілген. Ол кезде бұл қоспа деп есептелгенімен, кейіннен бұл II формадағы аспирин екені анықталды, ол аспирин мен леветирацетамды ыстық ацетонитрилден бірге кристалдастыруға тырысқанда табылды. I формада аспирин молекулаларының жұптары ацетил топтары арқылы (қышқыл) метил протонынан карбонилге дейінгі сутекті байланыстар арқылы центросимметриялық димерлер құрайды. II формада әр аспирин молекуласы сол сутекті байланыстарды құрайды, бірақ бір молекуланың орнына екі көрші молекуламен. Карбоксилдік қышқыл топтары арқылы қалыптасқан сутекті байланыстарға қатысты, екі полиморф та бірдей димерлік құрылымды құрайды. Аспирин полиморфтарының барлығы бірдей екі өлшемді бөлімдерді қамтиды, сондықтан олар дәлірек айтқанда политиптер деп сипатталады. Таза II формадағы аспирин партияны аспирин ангидридінің 15% салмағымен себу арқылы дайындауға болады.

Кортизон ацетаты

Кортизон ацетаты кем дегенде бес түрлі полиморфтық түрінде кездеседі, олардың төртеуі суда тұрақсыз болып келіп, тұрақты түріне өзгереді.

Карбамазепин

Карбамазепин, эстроген, пароксетин және хлорамфеникол да полиморфизм танытады.

Теория

Термодинамика тұрғысынан алғанда, полиморфты мінез-құлықтың екі түрі танылады. Монотроптық жүйе үшін әртүрлі полиморфтардың температураға қарсы еркін энергияларының графиктері барлық полиморфтар балқығанға дейін қиылыспайды. Нәтижесінде, балқу нүктесінен төмен бір полиморфтан екіншісіне кез келген ауысу қайтымсыз болады. Энантиотроптық жүйе үшін температураға қарсы еркін энергияның графигі әртүрлі балқу нүктелерінен бұрын қиылысу нүктесін көрсетеді. Сондай-ақ, екі полиморфты қыздыру немесе салқындату арқылы, немесе төмен энергиялы полиморфпен физикалық контакті арқылы бір-біріне айналып өтуге болады. Полиморфизмнің қарапайым моделі – шар тәрізді кристаллдың Гиббс еркін энергиясын модельдеу болып табылады. Мұнда бірінші мүше – беттік энергия, ал екінші мүше – көлемдік энергия. Екі параметрге тәуелді функция максималды мәнге жеткен соң төмендейді және нөлден өтеді. Кристалдану үшін кристалл шар энергия ландшафтының тиісті бөлігіндегі энергетикалық тосқауылды жеңіп өтуі керек. Егер әртүрлі энергиялары бар екі кристалл болса және олар 2-суреттегідей пішінге ие болса, онда екі қисық сызық белгілі бір нүктеде қиылысады. Осы кезде жүйе үш фазаға ие болады:

Кристаллдар еріп кетуге бейім. Аморфты фаза. Кристаллдар 1-ші формада өсуге бейім. Кристаллдар 2-ші формада өсуге бейім. Егер кристалл баяу өссе, онда ол кинетикалық тұрғыдан 1-ші формада тұрып қалуы мүмкін.