Кристален полиморфизам

Во кристалографијата, полиморфизмот — феномен каде што едно соединение или елемент може да кристализира во повеќе од една кристална структура.
Претходната дефиниција се развила во текот на многу години и сè уште е предмет на расправа денес. Расправата за дефинирачките карактеристики на полиморфизмот вклучува разликување помеѓу видовите премии и структурни промени што се случуваат во полиморфизмот наспроти оние во други феномени.
1 Преглед
Фазните премини (фазни промени) кои помагаат да се опише полиморфизмот вклучуваат полиморфни премини, како и премини на топење и испарување. Според МСЧПХ, полиморфниот премин е „реверзибилен премин на цврста кристална фаза на одредена температура и притисок (точката на преместување) во друга фаза од истиот хемиски состав со различна кристална структура“. Дополнително, Валтер Мекрон ги опиша фазите во полиморфната материја како „различни по кристална структура, но исти во течна состојба или пареа“. Мекрон, исто така, го дефинира полиморфот како „кристална фаза на дадено соединение што произлегува од можноста за најмалку два различни распореди на молекулите на тоа соединение во цврста состојба“. Овие дефинирачки факти покажуваат дека полиморфизмот вклучува промени во физичките својства, но не може да вклучува хемиска промена. Некои рани дефиниции не ја прават оваа разлика.
Елиминирањето на хемиската промена од оние промени дозволени за време на полиморфниот премин го дефинира полиморфизмот. На пример, изомеризацијата често може да доведе до полиморфни премини. Сепак, тавтомеризмот (динамична изомеризација) води до хемиска промена, а не до полиморфизам. Исто така, алотропијата на елементите и полиморфизмот се поврзани историски. Сепак, алотропите на елементот не се секогаш полиморфи. Чест пример се алотропските модификации на јаглеродот, кои вклучуваат графит, дијамант и лонсдалеит. Иако сите три форми се алотропи, графитот не е полиморф на дијамант и лонсдалеит. Изомеризацијата и алотропијата се само два од феномените поврзани со полиморфизмот. За дополнителни информации за разликување на полиморфизмот и негово разликување од други феномени, погледнете го прегледот од Брог и неговите соработници.
Исто така е корисно да се напомене дека материјалите со две полиморфни фази можат да се наречат диморфни, оние со три полиморфни фази, триморфни итн.
Полиморфизмот е од практична важност за фармацевтските производи, агрохемикалиите, пигментите, боите, храната и експлозивите.
2 Откритие
2.1 Експериментални методи
Раните записи за откривањето на полиморфизмот им ги припишуваат заслугите на Ајлхард Мичерлих и Јенс Јакоб Берцелиус за нивните испитувања за фосфати и арсенати во раните 1800-ти. Испитувањата вклучувале мерење на меѓуфазните агли на кристалите за да се покаже дека хемиски истите соли можат да имаат две различни форми. Мичерлих првично го нарекол ова откритие изоморфизам. Мерењето на густината на кристалите го употребил и Вилхелм Освалд и го изразил преку Освалдовиот однос.
Развојот на микроскопот ги подобрило набљудувањата на полиморфизмот и им помогнало на испитувањата на Мориц Лудвиг Франкенхајм во 1830-тите. Тој бил во можност да прикаже методи за прикажување промени во кристалната фаза и формално ги сумирал своите наоди за природата на полиморфизмот. Набргу потоа, во употреба стапил пософистицираниот поларизиран светлосен микроскоп, кој обезбедил подобра сликовитост на кристалните фази, дозволувајќи им на кристалографите да разликуваат различни полиморфи. Топлата фаза била измислена и поставена на поларизиран светлосен микроскоп од Ото Леман околу 1877 година. Овој изум им помогнало на кристалографите да ги одредат точките на топење и да ги набљудуваат полиморфните премини.
Иако користењето на микроскопи со топла фаза продолжила во текот на 1900-тите, топлинските методи станале широко употребувани за набљудување на протокот на топлина кој се јавува за време на фазните промени, како што се топењето и полиморфните премини. Една таква техника, диференцијална скенирачка калориметрија (DSC), продолжува да се користи за одредување на енталпијата на полиморфните премини.
Во 20 век, рендгенската кристалографија станала широко употребувана за проучување на кристалната структура на полиморфите. И техниките на дифракција на рендгенски зраци со еден кристал и техниките на дифракција на рендгенски зраци со прашок се употребуваат за да се добијат мерења на кристалната единична ќелија. Секој полиморф на соединението има единствена кристална структура. Како резултат на тоа, различните полиморфи ќе произведат различни модели на дифракција на рендгенски зраци.
Вибрационите спектроскопски методи започнале да се употребуваат за истражување на полиморфизмот во втората половина на 20 век и станале сè почести со подобрувањето на оптичките, компјутерските и полупроводничките технологии. Овие техники вклучуваат инфрацрвена (ИР) спектроскопија, терахерцова спектроскопија и раманова спектроскопија . Среднофреквентните ИР и Раманови спектроскопии се чувствителни на промени во моделите на водородни врски. Ваквите промени последователно можат да се поврзат со структурни разлики. Дополнително, терахерцовите и нискофреквентнитераманови спектроскопии откриваат вибрациони режими кои произлегуваат од меѓумолекуларните заемни дејства во кристалните цврсти тела. Повторно, овие вибрациони режими се поврзани со кристалната структура и можат да се користат за откривање на разлики во тридимензионалната структура меѓу полиморфите.
2.2 Пресметковни методи
Пресметковната хемија може да се употреби во комбинација со техники на вибрациона спектроскопија за да се разбере потеклото на вибрациите во кристалите. Комбинацијата на техники дава детални информации за кристалните структури, слични на она што може да се постигне со рендгенска кристалографија. Покрај употребата на компјутерски методи за подобрување на разбирањето на спектроскопските податоци, најновиот развој во распознавањето на полиморфизмот во кристалите е полето на предвидување на кристалната структура . Оваа техника употребува пресметковна хемија за моделирање на формирањето на кристали и предвидување на постоењето на специфични полиморфи на соединение пред тие да бидат експериментално набљудувани од научниците.
Надвор од експерименталните можности, се употребуваат пресметковни методи за проучување на атомистичките промени во кристалните структури на различни температури и под различни атмосфери. Во случај на порозни материјали, присуството на гостински молекули може да предизвика структурни фази специфични за гостите.
3 Примери
Голем број на соединенија покажуваат полиморфизам. Се смета дека „секое соединение поседува различни полиморфни форми и дека, генерално, бројот на познати форми за дадено соединение е пропорционален на времето и парите потрошени за истражување на тоа соединение“.
3.1 Органски соединенија
3.1.1 Бензамид
Феноменот бил откриен во 1832 година од страна на Фридрих Велер и Јустус фон Либиг. Тие забележале дека свиленкастите иглички на свежо кристализираниот бензамид полека се претвораат во ромпски кристали. Денешната анализа распознава три полиморфи за бензамид: најмалку стабилниот, формиран со брзо ладење, е орторомбичната форма II. По овој тип следува моноклинската форма III (набљудувана од Велер/Либиг). Најстабилната форма е моноклинската форма I. Механизмите на водородни врски се исти за сите три фази; сепак, тие се разликуваат силно во нивните pi-pi интеракции.
3.1.2 Малеинска киселина
Во 2006 година, бил орктиен нов полиморф на малеинска киселина, 124 години откако била проучена првата кристална форма. Малеинската киселина се произведува на индустриско ниво во хемиската индустрија. Таа формира сол која се наоѓа во медицината. Новиот тип на кристал се добива кога кокристал од кофеин и малеинска киселина (2:1) се раствора во хлороформ и кога растворувачот се остава полека да испари. Додека формата I има моноклинична просторна група ''P21''<sub>/</sub>''c'', новата форма има просторна група ''Pc''. И двата полиморфа се состојат од листови од молекули поврзани преку водородни врски на карбоксилните киселински групи: во формата I, листовите се менуваат во однос на нето диполниот момент, додека во формата II, листовите се ориентирани во иста насока.
3.1.3 1,3,5-Тринитробензен
По 125 години истражување, 1,3,5-тринитробензенот дал втор полиморф. Вообичаената форма ја има просторната група ''Pbca'', но во 2004 година, втор полиморф бил добиен во просторната група ''Pca21'' кога соединението било кристализирано во присуство на адитивот трисиндан. Овој експеримент покажал дека адитивите би можело да предизвикаат појава на полиморфни форми.
3.1.4 Други органски соединенија
Акридинот е добиен како осум полиморфи , а арипипразолот има девет. Рекордот за најголем број добро карактеризирани полиморфи го држи соединение познато како 5-метил-2-((2-нитрофенил)амино)-3-тиофенкарбонитрил. Глицинот кристализира како моноклинични и шестоаголни кристали. Полиморфизмот во органските соединенија често е резултат на конформациски полиморфизам.
3.2 Неорганска материја
3.2.1 Елементи
Елементите кои ги вклучуваат металите може да покажат полиморфизам. Алотропија претставува термин кој се употребува при опишување на елементи кои имаат различни форми и се користи најчесто во областа на металургијата. Некои (но не сите) алотропи се исто така полиморфи. На пример, железото има три алотропи кои се исто така полиморфи. Алфа-железо, кое постои на собна температура, има bcc форма. Над 910 степени постои гама-железо, кое има fcc форма. Над 1390 степени делта-железо постои со bcc форма.
Друг сличен таков метален пример претставува калајот, кој има два алотропи кои се исто така полиморфи. На собна температура, бета-калајот постои како бела тетрагонална форма. Кога се лади под 13,2 степени, се формира алфа-калај кој е сив по боја и има форма на кубен дијамант.
Класичен пример за неметал кој покажува полиморфизам е јаглеродот. Јаглеродот има голем број на алотропи, вклучувајќи графит, дијамант и лонсдалеит. Сепак, не се сите полиморфи еден на друг. Графитот не е полиморф на дијамант и лонсдалеит, бидејќи е хемиски различен, имајќи sp<sup>2</sup> хибридизирано поврзување. Дијамантот и лонсдалеит се хемиски исти, двата имаат sp<sup>3</sup> хибридизирано поврзување, и се разликуваат само во нивните кристални структури, што ги прави полиморфи. Дополнително, графитот има два полиморфа, шестоаголна (алфа) форма и ромпбоедарска (бета) форма.
3.2.2 Бинарни метални оксиди
Полиморфизмот кај двојните метални оксиди привлекол големо внимание бидејќи овие материјали се од значајна економска вредност. Еден сет познати примери имаат состав SiO<sub>2</sub>, кој формира многу полиморфи. Важни вклучуваат: α-кварц, β-кварц, тридимит, кристобалит, моганит, коезит и стишовит.
Метални оксиди, Фаза, Услови на P и T, Структура/Просторна група
α фаза, Амбиентални услови, Cl<sub>2</sub>-тип Орторомпски
RT и 12±3 GPa
Корундова фаза, Амбиентални услови, Корундов-тип Ромбоедарски (Rc)
Фаза на висок притисок, RT и  35 GPa, Rh<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-II тип
α фаза, Амбиентални услови, Корундов-тип Ромбоедарски (Rc)
β фаза, Помалку од 773 K, Коцкесто центрирано на телото(Ia)
γ фаза, Повеќе од 933 K, Коцкеста шпинелна структура(Fdm)
ε фаза, --, Ромбоедарска (Pna21)
α фаза, Амбиентални услови, Моноклинска (P21/c)
β фаза, 603-923 K и 1 atm, Тетрагонална
γ фаза, 773-912 K или RT and 1 atm, Коцкесто центрирано на телото
δ фаза, 912-1097 K и 1 atm, FCC (Fmm)
Бикспитова-тип фаза, Амбиентални услови, Коцкеста (Ia)
Корундов тип, 15-25 GPa на 1273 K, Корундов-тип Шестоаголна (Rc)
Rh<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(II)-тип, 100 GPa и 1000 K, Орторомпска
α фаза, Амбиентални услови, Корундов-тип Триагонална (Rc)
γ фаза, 773 K и 1 atm, Коцкеста (Fdm)
α фаза, Амбиентални услови, Рутил-тип Тетрагонална  (P42/mnm)
CaCl<sub>2</sub>-тип фаза, 15 KBar на 1073 K, Орторомпска, CaCl<sub>2</sub>-тип (Pnnm)
α-PbO<sub>2</sub>-тип, Повеќе од 18 KBar, α-PbO<sub>2</sub>-тип (Pbcn)
Рутил, Еквилибриумска фаза, Рутил -тип Тетрагонална
Анатаз, Метастабилна  фаза (Нестабилно), Тетрагонална  (I41/amd)
Брукит, Метастабилна  фаза (Нестабилно), Орторомпски(Pcab)
Моноклинска фаза, Амбиентални услови, Моноклинска (P21/c)
Тетрагонална  фаза, Повеќе од 1443 K, Тетрагонална   (P42/nmc)
Флуритна тип на фаза, Повеќе од 2643 K, Коцкеста (Fmm)
α фаза, 553-673 K & 1 atm, Орторомпски(Pbnm)
β фаза, 553-673 K & 1 atm, Моноклинска
h фаза, Фаза на висока температура и висок притисок, Шестоаголна (P6a/m or P6a)
MoO<sub>3</sub>-II, 60 kbar and 973 K, Моноклинска
ε фаза, Повеќе од 220 K, Моноклинска (Pc)
δ фаза, 220-300 K, Триклинска  (P1)
γ фаза, 300-623 K, Моноклинска (P21/n)
β фаза, 623-900 K, Орторомпски(Pnma)
α фаза, Повеќе од 900 K, Тетрагонална   (P4/ncc)
3.2.3 Други неоргански соединенија
Класичен пример за полиморфизам е парот минерали калцит, кој е ромбоедарски, и арагонит, кој е орторомпски. И двата се форми на калциум карбонат. Трета форма на калциум карбонат е ватерит, кој е шестоаголен и релативно нестабилен.
 
β-HgS се таложи како црна цврста материја кога солите на Hg(II) се третираат со H<sub>2</sub>S. Со нежно загревање на кашестата смеса, црниот полиморф се претвора во црвена форма.
4 Фактори што влијаат на полиморфизмот
Според Освалдовото правило, обично помалку стабилните полиморфи кристализираат пред стабилната форма. Концептот се потпира на идејата дека нестабилните полиморфи повеќе личат на состојбата во раствор и на тој начин се кинетички поволни. Основниот случај на фиброзен наспроти ромбест бензамид го прикажува случајот. Друг пример е даден од два полиморфа на титаниум диоксид. Сепак, постојат познати системи, како што е метацетамолот, каде што само тесната брзина на ладење фаворизира добивање на метастабилна форма II.
Полиморфите имаат различна стабилност. Некои брзо се конвертираат на собна (или која било) температура. Поголемиот борј на полиморфи на органски молекули се разликуваат edinstveno за неколку kJ/mol во енергијата на решетката. Приближно 50% од познатите парови на полиморфи се разликуваат за помалку од 2 kJ/mol, а разликите во стабилноста од повеќе од 10 kJ/mol се ретки. Стабилноста на полиморфите може да се промени во зависност од температурата или во зависност на притисокот. Важно е да се напомене дека структурната и термодинамичката стабилност се различни. Термодинамичката стабилност може да се изучува со користење на експериментални или пресметковни методи.
Полиморфизмот е под влијание на деталите на кристализацијата. Растворувачот во сите аспекти влијае на природата на полиморфот, вклучувајќи ја концентрацијата, другите компоненти на растворувачот, т.е. видовите кои спречуваат или поттикнуваат одредени модели на раст. Одлучувачки фактор често е температурата на растворувачот од кој се врши кристализацијата.
Метастабилните полиморфи не секогаш се добиваат репродуктивно, што доведува до случаи на „ исчезнување на полиморфи“, со обично негативни последици врз правото и бизнисот.
5 Во фармацевтските производи
Приближно 37% или повеќе од органските соединенија постојат како повеќе од еден полиморф. Постоењето на полиморфи има правни последици бидејќи лековите добиваат регулаторно одобрение и им се доделуваат патенти единствено за еден полиморф. Во класичен спор за патенти, GlaxoSmithKline го бранел својот патент за полиморфот тип II на активната состојка во ранитафинот од конкурентите, додека оној на полиморфот тип I веќе истекол. Полиморфизмот кај лековите може да има и директни медицински последици бидејќи стапките на растворање зависат од полиморфот. Познатите случаи до 2015 година се расправани во прегледна статија од Бучар, Ланкастер и Бернштајн.
5.1 Дибензоксазепини
Клозапинот постои во четири форми во споредба со 60 форми на оланзапин.
5.2 Посаконазол
Оригиналните формулации лиценцирани како Ноксафил биле формулирани со употреба на форма I на посаконазол. Откривањето на полиморфи на посаконазол брзо се зголемило и резултирало со многу истражувања во кристалографијата на посаконазол. Метанолен солват и 1,4-диоксан кокристал биле додадени во базата на податоци за структурни податоци на Кембриџ (CSD).
5.3 Ритонавир
Антивирусниот лек ритонавир постои како два полиморфа, кои значително се разликуваат според ефикасноста. Ваквите проблеми биле решени преку преформулирање на лекот во гел-капсули и таблети, наместо во оригиналните капсули.
5.4 Аспирин
Еден полиморф („Форма I“) на аспирин е чест. „Форма II“ била објавена во 2005 година, пронајдена по обид за кокристализација на аспирин и леветирацетам од топол ацетонитрил.
Во форма I, парови молекули на аспирин формираат центросиметрични димери преку ацетилните групи со (киселиот) метил протон до карбонилните водородни врски. Во форма II, секој молекул на аспирин формира исти водородни врски, но со две соседни молекули наместо со една. Во однос на водородните врски формирани од карбоксилните киселински групи, двата полиморфа формираат исти димерни структури. Полиморфите на аспирин содржат исти 2-димензионални делови и затоа се попрецизно опишани како политипови.
Чистата форма II на аспирин може да се подготви преку додавање на аспирин анхидрат во серијата од 15% од тежината.
5.5 Парацетамол
Парацетамолот во прав има слаби компресивни својства, што претставува тешкотија при производство на таблети. Бил пронајден втор полиморф со посоодветни компресивни својства.
5.6 Кортизон ацетат
Кортизон ацетатот постои во најмалку пет различни полиморфи, од кои четири се нестабилни во вода и се менуваат во стабилна форма.
5.7 Карбамазепин
Други лекови кои може да покажат полиморфизам секарбамазепин, естроген, пароксетин и хлорамфеникол.
5.8 Пиразинамид
Пиразинамидот има најмалку 4 полиморфи. Сите од нив се преобразуваат во стабилна α форма на собна температура при чување или механички третман. Неодамнешните испитувања докажале дека α формата е термодинамички стабилна на собна температура.
6 Политипизам
Политиповите се посебен случај на полиморфи, каде што повеќекратни кристални структури со тесно пакување се разликуваат единствено во една димензија. Политиповите имаат исти рамнини со тесно пакување, но се разликуваат во подредената низа во третата димензија нормална на овие рамнини. Силициум карбидот (SiC) има повеќе од 170 познати политипови, иако повеќето се ретки. Сите политипови на SiC имаат практично иста густина и Гибсова слободна енергија. Најчестите политипови на SiC се прикажани во Табела 1.
Фаза, Структура, Рамсделова нотација, Редослед на редење, Коментар
α-SiC, шестоаголна, 2H, AB, вурцитска форма
α-SiC, шестоаголна, 4H, ABCB
α-SiC, шестоаголна, 6H, ABCACB, најстабилната и најчеста форма
α-SiC, ромбоедарска, 15R, ABCACBCABACABCB
β-SiC, коцкеста, 3C, ABC, сфалеритна или блендена форма на цинк
Втора група материјали со различни политипови се дихалкогенидите на преодните метали, слоевити материјали како што е молибден дисулфидот (MoS<sub>2</sub>). За овие материјали, политиповите имаат поизразени ефекти врз својствата на материјалите, на пр. за MoS<sub>2</sub>, 1T политипот е метален по карактер, додека 2H формата е повеќе полупроводничка. Друг пример е тантал дисулфидот, каде што се јавуваат вообичаените 1T, како и 2H политипови, но исто така и посложени типови на „мешана координација“ како што се 4Hb и 6R, каде што се мешаат тригоналните призматични и октаедарските геометриски слоеви. Овде, 1T политипот покажува бран на густина на полнеж, со посебно влијание врз спроводливоста како функција на температурата, додека 2H политипот покажува суперспроводливост.
ZnS и CdI<sub>2</sub> се исто така политипични. Се претпоставува дека овој тип на полиморфизам се должи на кинетиката каде што распределувањето на завртките брзо репродуцираат делумно неуредни секвенци на периодичен начин.
7 Теорија
]
Во однос на термодинамиката, се препознаваат два видови на полиморфно однесување. За монотропен систем, графиконите на слободните енергии на различните полиморфи во однос на температурата не се вкрстуваат пред да се стопат сите полиморфи. Како резултат на тоа, секој премин од еден полиморф во друг под точката на топење ќе биде неповратен. За енантиотропен систем, графиконот на слободната енергија во однос на температурата покажува точка на вкрстување пред различните точки на топење. Исто така, може да биде можно да се конвертира наизменично помеѓу двата полиморфа со загревање или ладење, или преку физички контакт со полиморф со пониска енергија.
Едноставен модел на полиморфизам е да се моделира Гипсовата слободна енергија на кристал во облик на топка како <math>G = a r^2 - b r^3</math> Така, првиот термин <math>ar^2</math> е површинската енергија, а вториот член <math>-br^3</math> е волуменската енергија. И двата параметри <math>a, b > 0</math> Функцијата <math>G(r)</math> се искачува до максимум пред да падне, преминувајќи нула на <math>r_{crit}</math> За да се кристализира, кристалната топка многу ја надминува енергетската бариера кон <math>r > r_{crit}</math> дел од енергетскиот пејзаж.
Доколку се претпостави дека постојат два вида кристали, со различни енергии <math>G_1 = a_1 r^2 - b_1 r^3</math> и <math>G_2 = a_2 r^2 - b_2 r^3</math>, и доколку имаат ист облик како на Слика 2, тогаш двете криви се сечат на некоја <math>r'_{crit} > r_{crit, 1}</math> Потоа системот има три фази:
*<math>r < r_{crit, 1}</math>. Кристалите имаат склонетост да се раствораат. Аморфна фаза.
*<math>r_{crit, 1} < r < r'_{crit}</math>. Кристалите имаат склонетост да растат во форма 1.
*<math>r > r'_{crit}</math>. Кристалите имаат склонетост да растат како форма 2.
Доколку кристалот се одгледува бавно, тој би можел кинетички да се залепи во форма 1.