Empaquetamiento cristalino y contactos no convencionales en cristales moleculares
Authors:   , García Reyes Fernando 
Published: July 2021

En las últimas décadas se ha reconocido la importancia de las interacciones débiles y direccionales, como los puentes de hidrógeno (PH) y puentes de halógeno (PHal), en el diseño de materiales orgánicos con propiedades específicas. Si bien existen en la literatura numerosos trabajos de recopilación de datos experimentales y cálculos teóricos relacionados con el tema, la índole de las mencionadas interacciones, su importancia relativa y su contribución a la energía de cohesión del cristal es aún objeto de controversia. El análisis de las variaciones en la conformación, propiedades electrostáticas moleculares y empaquetamiento de una estructura base al introducirse diferentes sustituyentes constituye un camino para conseguir la finalidad propuesta. Por este motivo, en el presente trabajo se eligió como estructura base al ciclohexano cuya geometría se conoce tanto en estado sólido como en fase gaseosa. La sustitución simétrica del mismo permite esperar la obtención de moléculas altamente simétricas, no polares y en las que no se den procesos de transferencias de carga intramolecular. Esto último facilita la modelización para los cálculos teóricos. Los sustituyentes fueron seleccionados para el estudio en base a su capacidad para establecer interacciones dipolo-dipolo (>C=O), PH (CONH2), interacciones halógeno (Br) y grupos capaces de formar interacciones intermoleculares débiles en el límite de lo que se podría considerar como una interacción del tipo van der Waals o PH débil (COOCH3). Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores se obtuvieron y analizaron por distintas técnicas experimentales y teóricas los siguientes derivados de ciclohexanos simétricamente sustituidos en las posiciones 1 y 4 con los grupos carboxamida (CONH2), carboximetilo (COOCH3) y Br: a) trans-1,4-dicarboxamidaciclohexano (I) b) trans-1,4-dibromo-1,4-dicarboxamidaciclohexano (II) c) trans-1,4-dicarboximetilciclohexano (III) d) trans-1,4-dibromo-1,4-dicarboximetilciclohexano (IV) Estos sistemas presentan interés porque, dependiendo del caso estudiado, la estructura puede ser el resultado de la acción coordinada de interacciones intermoleculares puente de hidrógeno (PH) fuertes N–H•••O, PH débiles C–H•••O y C–H•••Hal e interacciones puente de halógeno (PHal) C–Hal•••O y Hal•••Hal (Hal=halógeno). Para caracterizar y analizar las principales interacciones intermoleculares que influyen en el empaquetamiento cristalino se utilizó principalmente la cristalografía estructural por difracción de rayos X (DRX) de monocristales, la cual permite obtener tanto la geometría molecular como la densidad electrónica (a partir de un observable físico: la intensidad de los rayos-X dispersados por un monocristal) combinada con otras técnicas experimentales como: espectroscopía Infrarrojo (IR) y Raman, medidas calorimétricas (DSC), análisis de la superficie de Hirshfeld e índice de enlaces no covalentes utilizando el programa NCIPlot y análisis estadístico empleando la base de datos estructurales (CSD). El análisis de los resultados cristalográficos muestra que en el caso de los sistemas di y tetra-sustituidos los sustituyentes más voluminosos adoptan la conformación ecuatorial (CONH2 y COOCH3) y que la sustitución simétrica en las posiciones 1 y 4 del anillo del ciclohexano, independientemente de las diferentes simetrías puntuales presentadas por las moléculas de los distintos compuestos, estabiliza la conformación silla rígida observada en el ciclohexano sin sustituir. Se observa que el parámetro de corrugamiento (puckering) del anillo para los distintos compuestos difiere en cantidades variables del correspondiente al anillo ideal. El examen de los empaquetamientos presentados por los compuestos estudiados muestra algunas características diferentes o no descriptas previamente en la literatura, entre otras: a) Motivos desarrollados por el sustituyente carboximetilo que permiten suponer la existencia de interacciones atractivas PH C(metilo)–H•••O débiles [R_2^2 (10), C(5) y C(3)]. b) En presencia de interacciones más fuertes como PH N–H•••O, si las interacciones PH C–H•••O débiles actúan sobre planos cristalinos diferentes pueden afectar algunos de los aspectos del empaquetamiento molecular dando lugar a apartamiento de los patrones usuales en la interacción PH de amidas (empaquetamiento de las cadenas moleculares C(9)[R_2^2 (8)]) según un eje 43-tornillo). c) Arreglos estructurales formados por el átomo de Br que indicarían interacciones intermoleculares débiles del tipo PHs C–H•••Br en el que actúa como un centro nucleofílico, PHal del tipo C–Br•••N/O en el que se comporta como un centro electrófilico e interacciones halógeno-halógeno Br•••Br en el que presenta ambos comportamientos. d) Dependiendo del sistema estudiado, la estructura puede ser el resultado de la acción coordinada de interacciones intermoleculares PH fuertes N–H•••O, PH débiles C–H•••O y C–H•••Hal e interacciones PHal C–Hal•••O/N y Hal•••Hal (Hal=halógeno). Para racionalizar algunos de los resultados obtenidos y avanzar en el entendimiento de la naturaleza atractiva o repulsiva y de las propiedades de las interacciones observadas, se analizó la topología de la densidad de carga electrónica mediante el método de la Teoría Cuántica de Átomos en Moléculas (QTAIM), desarrollado por Bader. Para el cálculo de la densidad de carga electrónica se emplearon distintas aproximaciones teóricas en diferentes clusters construidos principalmente por monómeros y dímeros a partir de la información estructural obtenida de DRX. También se analizaron las energías de interacción intermoleculares calculadas por el método supermolecular a partir de cálculos ab-initio mediante su descomposición en el marco de la “Local Pair Natural Orbital Coupled Cluster (DLPNO-CCSD(T))” y en términos de una contribución electrostática (Coulombiana y polarización), dispersión (London) y un término repulsivo (exclusión de Pauli), empleando el método de semisumas parciales de la densidad de carga electrónica propuesto por Gavezzotti. Como conclusión general del presente trabajo, para la estructura base elegida (el ciclohexano), sin alterar mayormente la conformación de la estructura base cuando se lo sustituye en las posiciones simétricas del anillo con los grupos CONH2, COOCH3 y Br, puede decirse que: a) El estudio topológico de las interacciones entre dímeros permitió reconocer la existencia de PHs C(metilo/anillo)–H•••O/Br y PHal C–Br•••N/O que explican el empaquetamiento observado en el sólido. b) Todos los PHs C–H•••O/Br y PHal C–Br•••N/O débiles analizados poseen una contribución de carácter dispersivo importante mientras que los PHs N–H•••O fuertes una contribución por transferencia de carga significativo a la energía de interacción. c) El átomo de Br posee un comportamiento dual capaz de establecer diferentes interacciones intermoleculares débiles actuando como un centro nucleofílico (interacciones PHs), como centro electrófilo (interacciones PHal) o presentar ambos comportamientos para formar interacciones del tipo halógeno-halógeno. Un aspecto particularmente interesante que se desprende de las conclusiones anteriores es que las interacciones intermoleculares formadas por el Br (PHs C–H•••Br y PHals C–Br•••N/O) producen una estabilización adicional de la estructura cristalina, que explican el mayor valor del punto de fusión de IV respecto de III. Sin embargo en presencia de grupos capaces de formar interacciones fuertes (como CONH2), la contribución de las interacciones PHs C–H•••Br y PHals C–Br•••N/O no pueden compensar la gran desestabilización estructural que resulta de los efectos estéricos del Br resultando que el punto de fusión del sistema II sea menor que el de I.