Кіріспе
Кристаллдық инженерия молекулааралық өзара әрекеттесуді қасақана бақылау арқылы қалаулы қасиеттері бар қатты құрылымдарды жобалау мен синтездеуді зерттейді. Бұл - қатты күйдегі және молекулалық химияны біріктіретін салааралық академиялық сала. Қазіргі кезде қолданылатын негізгі инженерлік стратегиялар сутегі мен галогендік байланыстар және үйлесімділік байланыстар болып табылады. Оларды супермолекулярлы синтон және екіншілік құрылыс бірлігі сияқты негізгі ұғымдармен түсінуге болады.
Crystal engineering studies the design and synthesis of solid state structures with desired properties through deliberate control of intermolecular interactions. It is an interdisciplinary academic field, bridging solid state and supramolecular chemistry. The main engineering strategies currently in use are hydrogen and halogen bonding and coordination bonding. These may be understood with key concepts such as the supramolecular synthon and the secondary building unit.
Терминнің пайда болуы
"Кристаллдық инженерия" термині алғаш рет 1955 жылы Р. Пепинский қолданған, бірақ оның бастауыш нүктесі көбінесе Герхард Шмидтке кристалл кәндік қышқылдардағы фотодимеризациялық реакцияларға байланысты беріледі. Осы бастапқы қолданыстан бастап терминнің мағынасы қатты күйдегі супермолекулалық химияның көптеген аспектілерін қамти отырып, айтарлықтай кеңейді. Қазіргі заманғы пайдалы анықтама Гаутам Дезиражудың 1988 жылы кристаллдық инженерияны "кристаллдық буып-түюдің контекстіне байланысты молекулааралық өзара әрекеттесуді түсіну және осындай түсінікті қажетті физикалық және химиялық қасиеттері бар жаңа қатты заттарды жобалауда пайдалану" деп анықтаған. Молекулалық материалдардың көпшілік қасиеттері молекулалардың қатты күйінде реттелгеніне байланысты, бұл ретке ие болу қабілеті осы қасиеттерді бақылауға мүмкіндік беретіндігі анық.
Құрылысты ковалентті емес бақылау
Кристаллдық инженерия молекулалар мен иондардың қатты күйдегі ұйымдастырылуын қамтамасыз ету үшін ковалентті емес байланысқа сүйенеді. Нағыз органикалық жүйелердегі бастапқы жұмыстардың көп бөлігі сутекті байланыстарды қолдануға бағытталған, бірақ координация және галогендік байланыстар кристалл конструкциясында қосымша бақылау жасайды. Молекулалық өзін-өзі құрастыру кристаллдық инженерияның өзегі болып табылады және ол әдетте қосымша сутекті байланыстыру беттері немесе металл мен лиганд арасындағы өзара әрекеттестікті қамтиды. "Супрамолекулярлық синтездер" - бұл көптеген құрылымдарға ортақ құрылыс блоктары, сондықтан оларды қатты күйдегі белгілі бір топтарды реттеу үшін қолдануға болады.
Көп құрамды кристаллдарды жобалау
Кокристалдардың қасақана синтезі көбінесе күшті гетеромолекулалық өзара әрекеттесу арқылы жүзеге асырылады. Көп компонентті кристалдардың негізгі маңызы фармацевтикалық кокристалдарды жобалауға бағытталған. Фармацевтикалық кокристалдар әдетте ДДҰ (Дүниежүзілік денсаулық сақтау ұйымы) берген нұсқауларға сәйкес қауіпсіз деп саналатын басқа молекулалық заттармен бірге бір АЖИ (активті фармацевтикалық ингредиент) құрамында болады. Фармацевтикалық кокристалдар арқылы АӨК- нің әртүрлі қасиеттерін (мысалы, ерігіштігі, биожетімділігі, өткізгіштігі) модуляциялау мүмкін.
Екі өлшемде
2D архитектура (яғни молекулалық қалың архитектура) - кристаллдық инженерияның бір саласы. Мұндай архитектуралардың қалыптасуы (оның жиналу процесіне байланысты молекулалық өзін-өзі құрастыру деп аталады) адсорбцияланған моноқабаттарды құру үшін қатты интерфейстерді пайдалануда жатыр. Мұндай моноқабаттар кеңістіктік кристаллизмді көрсете алады. Алайда, бір қабатты морфологияның динамикалық және кең ауқымы аморфты желілік құрылымдарға дейін терминді (2D) супермолекулярлық инженерияны толығырақ терминге айналдырды. Нақты айтқанда, супрамолекулярлық инженерия "молекулярлық бірліктерді болжамды құрылымды алу үшін" немесе "жақсы анықталған молекулярлық модульдерді жекеленген супрамолекулярлық архитектураларға жобалау, синтездеу және өзін-өзі құрастыру" деп атайды. сканерлеу зондтарының микроскопиялық әдістері екі өлшемді жинақтарды визуализациялауға мүмкіндік береді.
Полиморфизм
Полиморфизм, яғни бір химиялық қосылыстың бірнеше кристалл түрінде болуы коммерциялық тұрғыдан маңызды, өйткені дәрі-дәрмектердің полиморфты түрлері дербес патенттік қорғауға құқылы. Фармацевтикалық индустрия үшін кристалл инженериясының маңызы экспоненциалды түрде өседі деп күтілуде. Полиморфизм кристалдану кезінде кинетикалық және термодинамикалық факторлардың арасындағы бәсекелестікке байланысты пайда болады. Ұзақ аралықтағы молекулааралық әсерлесулер кинетикалық кристаллдардың пайда болуын талап етсе, молекулалардың тығыз буыны термодинамикалық нәтижеге әсер етеді. Кинетика мен термодинамика арасындағы осы дихотомияны түсіну полиморфизмге байланысты зерттеулердің басты назарын аударады. Органикалық молекулаларда полиморфизмнің үш түрі негізінен байқалады. Пакеттеу полиморфизмі молекулалар әртүрлі құрылымды беру үшін әртүрлі жолмен жиналғанда пайда болады. Конформациялық полиморфизм, екінші жағынан, көбінесе икемді молекулаларда байқалады, онда молекулалардың шағын энергия терезесі ішінде бірнеше конформациялық мүмкіндіктері бар. Нәтижесінде, бір молекуламен бірнеше кристалл құрылымдар алынуы мүмкін, бірақ әртүрлі конформацияларда. Полиморфизмнің ең сирек түрі бастапқы синтонның айырмашылығынан туындайды және полиморфизмнің бұл түрі синтон полиморфизмі деп аталады.
Кристалдық құрылымды болжау
Кристалл құрылымын болжау (CSP) - берілген молекулалық құрылымнан энергетикалық жағынан мүмкін болатын кристалл құрылымдарды (тиісті кеңістіктік топтар мен позициялық параметрлермен) жасаудың есептеу әдісі. CSP жаттығуы ең қиын болып саналады, өйткені "эксперименттік" кристалдық құрылымдар жиі кинетикалық құрылымдар болып табылады, сондықтан оларды болжау өте қиын. Осыған байланысты көптеген протоколдар ұсынылды және олар CCDC 2002 жылдан бері ұйымдастырған бірнеше соқыр сынақтар арқылы сынақтан өткізілді. 2007 жылы CSP-де үлкен жетістік болды, өйткені арнайы жасалған күш өрістері мен тығыздық функционалдық теориясына (DFT) негізделген гибридтік әдіс енгізілді. Бірінші кезеңде бұл әдіс құрылымдардың реттілігін анықтау үшін арнайы жасалған күш өрістерін қолданады, содан кейін тораптық энергияларды дәл есептеу үшін дисперсиялық түзетілген DFT әдісі қолданылады. Кристалл құрылымдарын болжау қабілетінен басқа, CSP сонымен қатар көптеген құрылымдар тар энергетикалық терезенің ішінде жатқан кристалл құрылымдарының есептелген энергия ландшафттарын береді. Мұндай есептелген ландшафттар полиморфизмді зерттеуге, жаңа құрылымдарды жобалауға және кристалдану эксперименттерін жасауға көмектеседі.
Жылжымайтын мүліктің дизайны
Кристалл құрылымдарын қажетті қасиеттерімен жобалау - кристалл инженериясының түпкі мақсаты. Кристаллдық инженерлік принциптер сызықтық емес оптикалық материалдарды, әсіресе екінші гармониялық буын (SHG) қасиеттері бар материалдарды жобалауға қолданылды. Молекулалық синтездерді қолдана отырып, молекулалық гельдер жасалды.
Кристалдық материалдардың механикалық қасиеттері
[[Файл:Кристалл материалдардың механикалық қасиеттері. png png nicyuma nicyuma484x484px nicyuma.Ibintu bine bya kristalline: gukata, пластикалық, elasticity, na brittleness. Saha және басқалардан алынған ақпарат. 2018 жыл. Кристалдық материалдар үшін төрт механикалық қасиет қызықты: пластикалық, иілгіштік, сынықтылық және қию беріктігі).
Молекулааралық өзара әсерлесулер
Молекулааралық өзара әрекеттесу желісін манипуляциялау - бұл жаппай қасиеттерді бақылаудың құралы. Кристалдану кезінде молекулааралық өзара әрекеттесулер электростатикалық иерархияға сәйкес қалыптасады. Күшті сутекті байланыстар кристаллдар құрылысының негізгі директоры болып табылады.
Кристалл сәулеті
Әдетте, молекулааралық өзара әрекеттесудің ең күштілері молекулалық қабаттарды немесе бағаналарды құрайды, ал молекулааралық өзара әрекеттесудің ең әлсіздері сырғанақ жазықтықты құрайды. Мысалы, ацетаминофен молекулаларының ұзын тізбектері немесе қабаттары бензол сақинасын қоршап тұрған сутекті байланыс донорлары мен акцепторларына байланысты пайда болады. Ацетаминофен тізбектері мен қабаттарының арасындағы әлсіз өзара әрекеттесулер сутекті байланыстарға қарағанда бұзылуы үшін аз энергия қажет етті. Нәтижесінде, тайғақ жазықтығы пайда болады. саусақтың өлшемі 500x500px Кристалл материалдардағы қабатты немесе бағаналы сәулеттік ерекшеліктерге байланысты слайд жазықтықтары. Қызыл нүктелі және қара сызықты сызықтар ең әлсіз және ең күшті молекулааралық өзара әрекеттесудің бағытын білдіреді, бұл сүргіш жазықтықты әсер етеді. Б . А . Ацетаминофен құрылымындағы кристалл құрылымына әсер ететін ең күшті (сутекті байланыстар) және ең әлсіз (ван дер Ваальс) өзара әрекеттесулердің мысалы. Супрамолекулалық синтон - кристалданудың алғашқы кезеңдерінде салыстырмалы түрде күшті молекулааралық өзара әрекеттесулерді құрайтын молекулалардың жұбы; бұл молекула жұптары кристалл торда кездесетін негізгі құрылымдық мотив болып табылады.
Кемшіліктер немесе кемшіліктер
Топтық ақаулар, еңіс шекаралары немесе дислокациялар сияқты тор ақаулары кристалл архитектурасы мен топологиясында кемшіліктер тудырады. Кристалдық құрылыстың кез келген бұзылуы молекулалық қозғалыстың механизмін немесе дәрежесін өзгертеді, осылайша материалдың механикалық қасиеттерін өзгертеді. Нүктелік кемшіліктердің мысалдары бос орындар, алмастырушы ластанулар, интерстициалдық ластанулар, Френкельдің ақаулары және Шотткийдің ақаулары. Сызық кемшіліктерінің мысалдары шеті мен бұранданың ығысуын қамтиды. Дифференциалдық сканерлеу калориметриясы сияқты калориметриялық әдістер энтальпия, энтропия және Гиббтің еркін энергиясының байланысты өзгерістерін өлшеу үшін индукциялық фазалық ауысуларды қолданады. Балқу және қорыту фазалық ауысулары кристалдық материалдың тор энергиясына байланысты, оны үлгідегі кристалдылықтың пайызын анықтау үшін пайдалануға болады. Раман спектроскопиясы - бұл үлгідегі байланыстармен өзара әрекеттесу үшін жарық шашырауының әдісі. Бұл әдіс химиялық байланыстар, молекулааралық өзара әсерлесулер және кристаллизм туралы ақпарат береді.
Механикалық қасиеттерді бағалау
Наноиндентация - кристалл инженерлік саласында механикалық қасиеттерді өлшеудің стандартты және кеңінен қабылданған әдісі. Бұл әдіс қаттылықты, серпімділікті, анизотропияны және кристалл материалдың полиморфизмін өлшеуге мүмкіндік береді. Хиршфельд беттері - молекулааралық өзара әрекеттесулерді визуализациялауға және сандық өлшеуге көмектесетін белгілі бір изобетіндегі электрондық тығыздықтың визуалды модельдері. Хиршфельд бетін кристалл инженериясында пайдаланудың артықшылығы - бұл бет карталары молекула мен оның көршілері туралы ақпаратпен енген. Топографиялық және тайғақ жазықтықты талдаудың жаңадан пайда болатын әдісі, энергиялық кадрларды пайдалана отырып, олар өзара әрекеттесу энергиясын бағаналар немесе сәулелер ретінде бейнелейтін кристаллдық таңбалаудың модельдері болып табылады.