Введение
Проектирование твердых структур с индивидуальными свойствами Кристальная инженерия изучает проектирование и синтез твердотельных структур с желаемыми свойствами посредством преднамеренного контроля межмолекулярных взаимодействий. Это междисциплинарная научная область, соединяющая твердотельную и сверхмолекулярную химию. Основными инженерными стратегиями, используемыми в настоящее время, являются водородная и галогенная связь и координационная связь. Их можно понять с помощью ключевых концепций, таких как надна молекулярный синтон и вторичная строительная единица.
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.
История использования термина
Термин "кристаллическая инженерия" впервые был использован в 1955 году Р. Пепинским, но исходной точкой часто считается Герхард Шмидт в связи с реакциями фотодимеризации в кристаллических коричневых кислотах. С момента первого использования термин значительно расширился, включая многие аспекты супрамолекулярной химии в твердом состоянии. Полезным современным определением является то, которое дает Гаутам Дезирагу, который в 1988 году определил кристаллическую инженерию как "понимание межмолекулярных взаимодействий в контексте упаковки кристалла и использование такого понимания в разработке новых твердых веществ с желаемыми физическими и химическими свойствами". Поскольку многие из основных свойств молекулярных материалов диктуются тем, как молекулы упорядочены в твердом состоянии, ясно, что способность контролировать этот порядок позволила бы контролировать эти свойства.
Нековалентный контроль структуры
Кристаллическая инженерия опирается на нековалентные связи для достижения организации молекул и ионов в твердом состоянии. Большая часть первоначальной работы по чисто органическим системам была сосредоточена на использовании водородных связей, хотя координация и галогенные связи обеспечивают дополнительный контроль в конструкции кристалла. Молекулярная самосборка лежит в основе кристаллической инженерии, и она обычно включает взаимодействие между взаимодополняющими водородными связующими поверхностями или металлом и лигандом. "Супрамолекулярные синтены" - это строительные блоки, которые являются общими для многих структур и, следовательно, могут использоваться для упорядочения конкретных групп в твердом состоянии.
Конструкция многокомпонентных кристаллов
Умышленный синтез кокристаллов чаще всего достигается с помощью сильных гетеромолекулярных взаимодействий. Основная значимость многокомпонентных кристаллов сосредоточена на разработке фармацевтических кокристаллов. Фармацевтические кокристаллы обычно состоят из одного активного фармацевтического ингредиента (API) с другими молекулярными веществами, которые считаются безопасными в соответствии с руководящими принципами ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения). Различные свойства (такие как растворимость, биодоступность, проницаемость) АПИ могут быть модулированы путем образования фармацевтических кокристаллов.
В двух измерениях
2D архитектуры (т. е. молекулярно толстые архитектуры) является отраслью кристаллической инженерии. Формирование (часто называемое молекулярной самосборкой в зависимости от процесса осаждения) таких архитектур заключается в использовании твердых интерфейсов для создания адсорбированных монослоев. Такие монослои могут иметь пространственную кристалличность. Однако динамичность и широкий спектр однослойных морфологий, начиная от аморфных и заканчивая сетевыми структурами, сделали термин (2D) супермолекулярной инженерии более точным термином. В частности, супрамолекулярная инженерия относится к "проектированию молекулярных единиц таким образом, чтобы была получена предсказуемая структура" или как "проектирование, синтез и самосборка хорошо определенных молекулярных модулей в индивидуально разработанные супрамолекулярные архитектуры". микроскопические методы сканирования позволяют визуализировать двухмерные сборки.
Полиморфизм
Полиморфизм, явление, при котором одно и то же химическое соединение существует в нескольких кристаллических формах, имеет коммерческое значение, поскольку полиморфные формы лекарственных средств могут иметь право на независимую патентную защиту. Ожидается, что значение кристаллической инженерии для фармацевтической промышленности будет расти экспоненциально. Полиморфизм возникает из-за конкуренции между кинетическими и термодинамическими факторами во время кристаллизации. В то время как сильные межмолекулярные взаимодействия на большом расстоянии диктуют образование кинетических кристаллов, тесная упаковка молекул обычно определяет термодинамический результат. Понимание этой дихотомии между кинетикой и термодинамикой является основной целью исследований, связанных с полиморфизмом. В органических молекулах в основном наблюдаются три типа полиморфизма. Полиморфизм упаковки возникает, когда молекулы упаковываются по-разному, чтобы дать разные структуры. Конформационный полиморфизм, с другой стороны, в основном наблюдается в гибких молекулах, где молекулы имеют несколько конформационных возможностей в пределах небольшого энергетического окна. В результате можно получить несколько кристаллических структур с одной и той же молекулой, но в разных конформациях. Наиболее редкая форма полиморфизма возникает из различий в первичном синтоне, и этот тип полиморфизма называется синтоновым полиморфизмом.
Прогноз кристаллической структуры
Прогнозирование кристаллической структуры (CSP) - это вычислительный подход к генерации энергетически осуществимых кристаллических структур (с соответствующими пространственными группами и позиционными параметрами) из заданной молекулярной структуры. Опыт CSP считается наиболее сложным, поскольку "экспериментальные" кристаллические структуры очень часто являются кинетическими структурами и поэтому их очень трудно предсказать. В связи с этим было предложено множество протоколов, которые тестируются в ходе нескольких слепых тестов, организованных CCDC с 2002 года. Крупный прогресс в CSP произошел в 2007 году, когда был введен гибридный метод, основанный на специально разработанных силовых полях и функциональной теории плотности (DFT). На первом этапе этот метод использует специально разработанные силовые поля для определения ранжирования структур, а затем использует метод DFT с коррекцией дисперсии для точного расчета энергий решетки. Помимо способности предсказывать кристаллические структуры, CSP также дает вычисленные энергетические ландшафты кристаллических структур, где многие структуры находятся в узком энергетическом окне. Такие вычисленные пейзажи дают представление о полиморфизме, проектировании новых структур, а также помогают при проектировании экспериментов по кристаллизации.
Дизайн недвижимости
Конструкция кристаллических структур с желаемыми свойствами является конечной целью кристаллической инженерии. Принципы кристаллической инженерии применяются к проектированию нелинейных оптических материалов, особенно тех, которые обладают свойствами второго гармонического поколения (SHG). Используя сверхмолекулярные синтены, были разработаны сверхмолекулярные гели.
Механические свойства кристаллических материалов
[[Файл:Механические свойства кристаллических материалов. png png nibyumvirije484x484px nibyumvirijeNibice bine byibikoresho bya kristalline: imbaraga zo gukata, пластичность, elasticity, and brittleness. Информация взята из Saha et al. В 2018 году. Для кристаллических материалов имеют значение четыре механических свойства: пластичность, эластичность, хрупкость и прочность на сдвиг).
Межмолекулярные взаимодействия
Манипуляция сетью межмолекулярного взаимодействия является средством для контроля свойств объема. Во время кристаллизации межмолекулярные взаимодействия формируются в соответствии с электростатической иерархией. Сильные водородные связи являются основным директором для организации кристалла.
Архитектура кристаллов
Как правило, сильнейшие межмолекулярные взаимодействия образуют молекулярные слои или колонны, а наиболее слабые межмолекулярные взаимодействия образуют скользящую плоскость. Например, длинные цепи или слои молекул ацетаминофена образуются из-за доноров и акцепторов водородных связей, которые флангируют бензольное кольцо. Более слабые взаимодействия между цепями или слоями ацетаминофена требовали меньше энергии для разрыва, чем водородные связи. В результате образуется скользящая плоскость. Большой палец. Слипы, связанные с слоевыми или колонными архитектурными особенностями в кристаллических материалах. Красные пунктирные и черные пунктирные линии представляют собой направление наиболее слабых и наиболее сильных межмолекулярных взаимодействий, соответственно, которые влияют на плоскость скольжения. В. Второй. Пример наиболее сильных (водородных связей) и наиболее слабых (ван-дер-Ваальсовых) взаимодействий в структуре ацетаминофена, которые влияют на кристаллическую структуру. Супрамолекулярный синтон - пара молекул, которые образуют относительно сильные межмолекулярные взаимодействия на ранних этапах кристаллизации; эти молекулярные пары являются основным структурным мотивом, обнаруженным в кристаллической решетке.
Дефекты или несовершенства
Дефекты решетки, такие как точечные дефекты, границы наклона или смещения, создают несовершенства в кристаллической архитектуре и топологии. Любое нарушение кристаллической структуры изменяет механизм или степень молекулярного движения, тем самым изменяя механические свойства материала. Примеры точечных несовершенств включают вакансии, замещающие примеси, интерстициальные примеси, дефекты Френкеля и дефекты Шоттки. Примеры несовершенства линии включают в себя краевые и винтовые дислокации. Калориметрические методы, такие как дифференциальная сканирующая калориметрия, используют индукционные фазовые переходы для количественного определения связанных с ними изменений энтальпии, энтропии и свободной энергии Гибба. Переходы фаз плавления и плавления зависят от энергии решетки кристаллического материала, которая может быть использована для определения процентной кристалличности образца. Раманская спектроскопия - это метод, который использует рассеяние света для взаимодействия с связями в образце. Этот метод дает информацию о химических связях, межмолекулярных взаимодействиях и кристалличности.
Оценка механических свойств
Наноиндентация является стандартным и широко распространенным методом измерения механических свойств в области кристаллической техники. Метод определяет твердость, эластичность, анизотропию упаковки и полиморфизм кристаллического материала. Поверхности Хиршфельда - это визуальные модели плотности электронов на определенной изоповерхности, которые помогают визуализировать и количественно оценивать межмолекулярные взаимодействия. Преимущество использования поверхностей Хиршфельда в кристаллической инженерии заключается в том, что эти карты поверхности встроены с информацией о молекуле и ее соседях. Новый метод топографического и скользящего анализа плоскости с использованием энергетических рамок, которые представляют собой модели кристаллической упаковки, изображающие энергии взаимодействия в виде столбов или пучков.