DIPLOMSKO DELO

(1)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

DIPLOMSKO DELO

Tadeja Žarn

Ljubljana, 2021

(2)

(3)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

VISOKOŠOLSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM KEMIJSKA TEHNOLOGIJA

Halogenska vez kot orodje za tvorbo kokristalov

DIPLOMSKO DELO

Tadeja Žarn

M

ENTOR

: izr. prof. dr. Franc Perdih

Ljubljana, 2021

(4)

(5)

IZJAVA O AVTORSTVU

diplomskega dela

Spodaj podpisana Tadeja Žarn sem avtorica diplomskega dela z naslovom: Halogenska vez kot orodje za tvorbo kokristalov

S svojim podpisom zagotavljam, da:

• je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom izr.

prof. dr. Franca Perdiha;

• sem poskrbela, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v predloženem diplomskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;

• se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje

predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);

• sem poskrbela za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega dela;

• je elektronska oblika diplomskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.

V Ljubljani, 24. 6. 2021 Podpis avtorice:

(6)

(7)

Zahvala

Zahvaljujem se svojemu mentorju izr. prof. dr. Francu Perdihu, ki me je s svojimi nasveti usmerjal in mi tako pomagal prehoditi še zadnjo stopničko na fakulteti.

Izredna hvala tudi moji družini, še posebaj mami, ki so me skozi celoten študij podpirali in stali ob strani, ko je bilo najtežje.

(8)

(9)

Halogenska vez kot orodje za tvorbo kokristalov

Povzetek: Halogenska vez je privlačna interakcija med elektrofilnim halogenim atomom in med nukleofilnim delom molekule. Moč vezi po skupini navzdol od klora proti jodu narašča. Zaradi številnih prednosti (usmerjenost, hidrofobnost, prilagodljivost trdnosti...) je vedno bolj uporabljena v kristalnem inženirstvu in supramolekularni kemiji. Kokristali so enotne kristalinične snovi, sestavljene iz dveh ali več različnih komponent, ki so pri sobni temperaturi in običajnem zračnem tlaku v trdnem agregatnem stanju. Zadnja leta v ospredje prihajajo farmacevtski kokristali, z inovativnimi kristalnimi strukturami, ki prispevajo k razvoju zdravil.

Ključne besede: halogenska vez, kokristali, farmacevtski kokristali, kristalna struktura

Halogen bond as a tool for cocrystal formation

Abstract: A halogen bond is an attractive interaction between an electrophilic halogen atom and between the nucleophilic part of a molecule. The strength of the bond increases down the group from chlorine to iodine. Due to its many advantages (orientation, hydrophobicity, flexibility of strength…) it is increasingly used in crystal engineering and supramolecular chemistry. Cocrystals are single crystalline substances composed of two or more different components which are in a solid state at room temperature and normal air pressure. In the last years, pharmaceutical cocrystals have come to the fore, with innovative crystals structures contributing to drug development.

Keywords: halogen bond, cocrystals, pharmaceutical cocrystals, crystal structure

(10)

(11)

Kazalo

1 Namen dela ... 1

2 Halogeni elementi ... 3

3 Halogenska vez ... 5

3. 1 Zgodovina ... 5

3. 2 Definicija in tipi halogenih vezi ... 5

3. 3 σ-luknja ... 6

4 Ostale vrste vezi med kokristali ... 9

4. 1 Vodikova vez ... 9

4. 2 Van der Waallsove sile ... 10

4. 2. 1 Orientacijske sile ... 10

4. 2. 2 Indukcijske sile ... 10

4. 2. 3 Disperzijske sile ... 10

4. 3 π-π vez ... 10

5 Prednosti halogenskih vezi v primerjavi z vodikovimi ... 11

6 Kokristal ... 13

6. 1 Na splošno o kokristalih ... 13

6. 2 Razdelitev ... 14

6. 3 Farmacevtski kokristali ... 14

6. 4 Prednosti kokristalov ... 15

7 Priprava kokristalov ... 17

7. 1 Kokristalizacija iz raztopin ... 19

7. 2 Kokristalizacija z mletjem ... 19

7. 3 Kokristalizacija s sejanjem ... 20

8 Rast kristalov ... 21

9 Kristalna struktura ... 23

10 Metode za karakterizacijo ... 25

10. 1 Infrardeča spektroskopija (IR spek.) ... 25

10. 2 Termične metode ... 27

(12)

10. 2. 1 Termogravimetrična analiza (TGA) ... 27

10. 2. 2 Diferenčna dinamična kalorimetrija (DSC) ... 27

10. 3 CHN analiza ... 28

10. 4 Rentgenska praškovna analiza (XRPD) ... 29

10. 5 Rentgenska difrakcija na monokristalu (SCXRD) ... 31

11 Zaključek ... 33

12 Literatura ... 36

(13)

Kazalo slik

Slika 1: Značilnosti dvoatomnih molekul halogenih elementov¹ ... 3

Slika 2: Shematski prikaz halogene vezi ... 5

Slika 3: Tip 1 (levo) in tip 2 (desno) ... 6

Slika 4: Molekula CF4 ... 7

Slika 5: Molekula CF3Cl (levo), CF3Br (sredina), CF3I (desno) ... 7

Slika 6: O-H...O vez med dvema molekulama H2O ... 9

Slika 7: Vodikova vez (zgoraj) in halogena vez (spodaj) ... 11

Slika 8: Klasifikacija večkomponentnih kristalov⁷... 14

Slika 9: Kokristalizacija iz raztopine: rekristalizacija (zgoraj) ter kokristalizacija (spodaj).⁷ ... 18

Slika 10: Prikaz delovanja krogličnega mlina¹⁷ ... 20

Slika 11: Različni tipi osnovnih celic²⁰ ... 23

Slika 12: Primer TGA in DSC analize.²⁶ ... 28

Slika 13: Levo ojačitev valovanja, desno oslabitev valovanja²⁵ ... 30

(14)

(15)

Kazalo tabel

Tabela 1: Valenčna nihanja.²¹ ... 26 Tabela 2: Upogibna nihanja.²¹ ... 26

(16)

(17)

Seznam uporabljenih kratic

CSD Cambridge Structural Database DSC Diferenčna dinamična kalorimetrija EAFUS Everything Added to Food

GRAS Generally Regarded as Safe IR Infrardeča spektroskopija

IUPAC Union of Pure and Applied Chemistry SCXRD Rentgenska difrakcija na monokristalu SS-NMR Jedrska magnetna resonanca v trdnem TGA Termogravimetrična analiza

XB Halogenska vez

XRPD Rentgenska praškovna analiza ZU Zdravilna učinkovina

(18)

(19)

Tadeja Žarn Halogenska vez kot orodje za tvorbo kokristalov

1

1 Namen dela

Namen mojega diplomskega dela je pregled literature na področju halogenske vezi, kokristalov in kristalne strukture. Osredotočila sem se predvsem na halogensko vez in njene prednosti, zaradi katerih je vedno pogosteje uporabljena. Predstavljene so tudi ostale vrste vezi, ki so nam bolj znane. Hkrati pa je cilj pridobiti vpogled v pogoste načine priprave kokristalov in različne metode za njihovo karakterizacijo.

(20)

(21)

3

2 Halogeni elementi

Halogeni elementi so nekovine, ki predstavljajo 17. skupino periodnega sistema. Mednje sodijo po periodi navzdol fluor (F), klor (Cl), brom (Br), jod (I), astat (At) ter tenness (Ts). Pri reakcijah s kovinami nastanejo soli. V naravi jih najdemo predvsem v spojinah, največ v mineralih in v morski vodi. Elektronegativnost in reaktivnost po skupini navzdol pada, medtem ko gostota, temperatura vrelišča in tališča po skupini navzdol narašča. Na njihove kemijske lastnosti vpliva 7 elektronov v zunanji lupini. Zaradi te sestave so zelo reaktivni, saj jim do popolne zunanje lupine manjka samo 1 elektron, posledično so obstojni v dvoatomskih molekulah. V teh so povezani z nepolarno enojno kovalentno vezjo.

Slika 1: Značilnosti dvoatomnih molekul halogenih elementov¹

(22)

(23)

(24)

5

3 Halogenska vez

3. 1 Zgodovina

Prvi kompleks s halogenom (I2···NH3) je pred dvema stoletjema sintetiziral J. J. Colin.

Leta 1814 je poročal o tvorbi tekočine, ki je imela kovinski sijaj in jo je pridobil ob reakciji suhega joda in suhega plinastega amonijaka. Šele 50 let kasneje je F. Guthrie določil natančno kemijsko sestavo Colinove tekočine. To mu je uspelo tako, da je vodnemu amonijaku dodajal I2 do nastanka Colinove tekočine (I2···NH3). Spet je minilo nekaj časa, preden sta R. Mulliken in O. Hassel prišla do prelomnega odkritja interakcije s prenosom naboja. Na podlagi te ugotovitve sta izvedla številne eksperimente in poskuse, ki so postali temelj za razumevanje tvorbe halogene (XB) vezi. Podrobnejše preučevanje uporabe in narave XB vezi se začne sredi devetdesetih let, ki pripelje do spoznanja podobnosti z močnejšo vodikovo vezjo. Dandanes se največ uporablja v kristalnem inženirstvu, supramolekularni kemiji, polimernih vedah, medicinski kemiji ter za tekoče in prevodne materiale.^2,3

3. 2 Definicija in tipi halogenih vezi

Pri halogenski vezi gre za kovalentno vezani elektronegativni halogeni atom, ki je sposoben vzpostaviti privlačno interakcijo z elektronsko bogatimi entitetami oz. tako imenovanimi nukleofili. To opišemo kot R-X⋯Y interakcijo.

R-X je donor halogeni vezi. X predstavlja atom halogena zaradi elektrofilnega območja na površini elektrostatičnega potenciala. Medtem ko je Y akceptor oz. darovalec elektronske gostote. Y predstavlja anion ali nevtralna vrsta, ki ima vsaj eno nukleofilno območje.³ Najpogosteje X predstavlja jod, brom ali klor, redkeje oz. v določenih primerih pa tudi fluor, ker ima najvišjo elektronsko afiniteto.³

Slika 2: Shematski prikaz halogene vezi

(25)

6

Poznamo dve vrsti interakcij. Prva je znana kot X···X oz. halogenska interakcija in druga kot X···B oz. halogen-heteroatomska interakcija. Te geometrijsko ločimo v dva tipa. Prvi tip je simetričen, kjer je kot med vezmi 180°, drugi tip oz. tako imenovani tip 2 pa je upognjen in kot med vezmi znaša 90°. IUPAC tipa 1 ne uvršča med halogenske vezi.

Interakcije delimona cis in trans pozicijo odvisno od položaja skupine R. Simetričen tip nastane zaradi tesnega zlaganja v kristalni strukturi. Medtem ko tip 2 nastane zaradi interakcije med elektrofilnim območjem na enem in elektrofilnem območju na drugem halogenu. Tip 2 s povečanjem polarizibilnosti X postane pomembnejši od tipa 1.⁴

Na podlagi zbirke kristalnih struktur (CSD) so z analizo dokazali, da so simetrične interakcije pogostejše na razdaljah krajših od van der Waalsovega radija, ter da se upognjene interakcije pojavijo pri razdaljah v bližini van der Waalsovega radija.

Energetsko XB vezi zavzemajo široko območje. Njihove vrednosti se gibljejo med 10- 150 kJ/mol, kar nam pove da so močnejše od ostalih nekovalentnih interakcij.³

3. 3 σ-luknja

Vzrok za nastanek halogenske vezi je v nastanku σ-luknje. To je pojav, ko se na najbolj skrajnem delu površine halogena vzdolž vezi R-X pojavi območje pozitivnega elektrostatičnega potenciala. Nastane kot posledica treh parov elektronov na atomu X, ki tvorijo pas negativnega elektrostatičnega potenciala, okoli osrednjega območja pa

Slika 3: Tip 1 (levo) in tip 2 (desno)

(26)

7

puščajo pozitivno območje. Velja, da se moč halogenske vezi poveča po skupini navzdol od klora proti jodu, saj tako σ-luknja postaja bolj pozitivna. Posledično se lahko halogenski atom, ki ima negativen naboj poveže z negativnim delom druge molekule. V primeru, ko halogen predstavlja samo F je σ-luknja nevtralizirana oz. odsotna. Zaradi manjše polarizabilnosti in manjšega privlaka do elektronov fluor običajno ne velja za donorja halogenske vezi.⁵

Na sledeči sliki je prikazana molekula CF4, kjer je lepo razvidno, da na skrajnem delu fluora ni pozitivnega potenciala, ampak je negativni (temno modro obarvanje).

Halogenska vez je mogoča, če enega od F atomov zamenjo s Cl, Br ali I atomom, saj tako nastane pozitivno območje. Na spodnjih slikah opazimo, da jakost narašča z velikostjo halogenega atoma ali drugače rečeno, temnejše rdeče kot je obarvanje, močnejša je XB vez. Iz slik tudi vidimo, da je pozitivno območje nasproti atoma ogljika in to nam pojasni zakaj so koti v XB približno 180°.

Slika 4: Molekula CF4

Slika 5: Molekula CF3Cl (levo), CF3Br (sredina), CF3I (desno)

(27)

(28)

9

4 Ostale vrste vezi med gradniki

Poleg zgoraj podrobneje opisane halogene vezi, naj na kratko predstavim še ostale tipe vezi, ki so možne med komponentami v kokristalih.

4. 1 Vodikova vez

Je najmočnejša v kategoriji medmolekulskih vezi in šibkejša od ionske, kovalente ali kovinske vezi. Nastane, kadar gre za privlačno interakcijo med vodikovim atomom (H) in neveznim elektronskim parom bolj elektronegativnega atoma. Najpogosteje so elektronegativni atomi kisik, dušik in fluor. Vez lahko nastane med dvema molekulama;

takim pravimo medmolekularna vez. Vez pa lahko nastane tudi med deli iste molekule, katerim pravimo intramolekularne vezi. Najbolj znan primer vodikove vezi lahko opazimo v primeru vode. Sestavljata jo dva atoma vodika in en atom kisika, in tako lahko dve molekuli vode med sabo tvorita kisikovo vodikovo vez O-H···O.

Ker ima vodik zelo nizko elektronsko gostoto in mu tako primanjkuje negativnega naboja, posledično zelo privlači elektrone iz druge molekule vode in pri tem tvori vodikovo vez.⁹

Slika 6: O-H···O vez med dvema molekulama H2O

(29)

10

4. 2 Van der Waallsove sile

So precej šibkejše od ostalih kemijskih vezi, v primerjavi z ionsko vezjo so te kar 20-krat šibkejše in ne potrebujejo prav veliko energije za pretrganje. Ravno zaradi te primerjave večkrat zasledimo izraz sile in ne vezi, ker gre za privlačne električne sile med nasprotnimi poli molekul. Pozitivni pol ene molekule se preko sile poveže z negativnim polom druge molekule. V to skupino spadajo orientacijske, disperzijske in indukcijske sile. Vse so neusmerjene. Ločimo pa jih glede na sam nastanek.^10,11

4. 2. 1 Orientacijske sile

Nastanejo, kadar se dve polarni molekuli povežeta. Ti dve si morata biti dovolj blizu.

Takrat se obrnejo oz. orientirajo tako, da se približajo nasprotni poli, ker med njimi deluje privlak.¹¹

4. 2. 2 Indukcijske sile

Nastanejo med polarno molekulo (s stalnim dipolom) in nepolarno molekulo (s kratkotrajnim dipolom). Kadar je nepolarna v bližini polarne, polarna s svojimi naboji sproži premik elektronov v nepolarni. Temu pojavu pravimo polarizacija in tako dobimo dve polarni molekuli, ki se privlačita.^10,11

4. 2. 3 Disperzijske sile

Nastanejo med dvema nepolarnima molekulama, lahko tudi med žlahtnimi plini. Pri nepolarnih molekulah se elektroni gibljejo okoli atomskega jedra in posledično se hitro znajdejo vsi na isti strani. Zaradi naključnega gibanja elektronov se lahko takšne molekule same polarizirajo. Gre za nastanek kratkotrajnega dipola, ki sproži polarizacijo sosednjih molekul na podoben način kot pri indukcijskih silah.¹¹

4. 3 π-π vez

Gre za privlačne nekovalente interakcije med sosednjimi π orbitalami vzporednih aromatskih obročev, ki so oddaljeni na razdalji 3,5 Å in 4 Å. Taka razdalja omogoči interakciji stabilnost. Veliko se uporabljajo v molekularni biologiji pri nukleobazah ter pri prostorskem zlaganju beljakovin, tudi pri biosenzorjih in nadzorovanem sproščanju zdravil. So dokaj močne in reverzibilne usmerjene vezi.¹²

(30)

11

5 Prednosti halogenskih vezi v primerjavi z vodikovimi

Na spodnji sliki vidimo podobnost med vezavo XB in HB. V obeh primerih je A akceptor vezi, ki daje elektrone. HD in XD pa sta donorja vezi. H predstavlja atom vodika, X pa atom halogena.

Slika 7: Vodikova vez (zgoraj) in halogena vez (spodaj)

Halogenske vezi lahko obravnavamo kot hidrofobni analog vodikovim vezem zaradi številnih podobnosti med njimi. Vseeno pa so halogenske posebne in v določenih primerih celo bolj uporabne v kemji. Njihova usmerjenost, hidrofobnost, prilagodljivost trdnosti, jakosti in velikost halogena so značilnosti, zaradi katerih je XB vez postala pomembna v kristalnem inženiringu. Kot že zgoraj omenjeno ima široko območje jakosti oz. moči. Zelo uporabna je v supramolekularni kemiji, ker lahko njeno moč prilagajamo.

In sicer s spremba enega od halogenov, s tem da spreminjamo sp hibridizacijo na atomu ogljika, na katerega je vezana XB vez, ter s spreminjanjem elektrondonorskih oziroma elektronakceptorskih substituentov na ogrodju, na katerega je vezan halogen.³

Pomembno vlogo pri primerjavi in razlikah med vezmi ima topilo. Tako je znano, da v nepolarnih topilih prednostno poteka tvorjenje kokristalov z vodikovimi vezmi. V polarnih topilih pa prednostno nastajajo kokristali s halogenskimi vezmi. Vzrok je v tem, da polarna topila v raztopini oslabijo vodikove vezi in posledično olajšajo tvorbo kokristalov s halogenskimi vezmi.⁶

(31)

(32)

13

6 Kokristal

6. 1 Na splošno o kokristalih

Definicija kokristala še vedno ni točno določena, saj v literaturi naletimo na več opisov različnih avtorjev. Vendar se je izraz kokristal prvič pojavil že leta 1968. Takrat so ga uporabili za večkomponentni kristal, ki je vseboval pirimidin in purin. Danes vemo, da gre za enotne kristalinične snovi, ki so pri sobni temperaturi in običajnem zračnem tlaku v trdnem agregatnem stanju. Kristalno rešetko kokristalov sestavljajo nevtralne molekule v določenem stehiometrijskem razmerju. Najpogosteje so sestavljeni iz dveh komponent (tarčna molekula in tvorilec kokristala), obstajajo tudi iz treh ali več komponent.

Zdravilna učinkovina (ZU) obstaja v različnih oblikah kot so: soli, kristalne oblike (polimorfi in psevdopolimorfi) ter osnovna amorfna oblika. Na podlagi oblike se farmakokinetične lastnosti ZU med sabo razlikujejo, ker različne oblike nudijo različne fizikalno-kemijske lastnosti. Na obliko lahko vplivamo z raznimi metodami čiščenja in izolacije, ki pripomorejo k boljši fizikalno-kemijski stabilnosti. Po kemijski strukturi so kokristali analogni polimorfom, vendar imajo spremenjeno kemijsko entiteto. Pri kokristalih gre za heteromolekularne strukture, ravno tako kot pri solvatih. Edina razlika med njima je v agregatnem stanju tvorilca, pri kokristalih je namreč ZU in tvorilec kristala v trdnem agregatnem stanju, medtem ko je tvorilec pri solvatih tekočina. Zadnja leta se veliko uporabljajo farmacevtski kokristali, ker nudijo inovativne načine priprave novih kristalnih struktur z zdravilnimi učinkovinami. Z novo obliko se izboljšajo lastnosti ZU (topnost, higroskopnost, temperatura tališča, hitrost raztapljanja, kemijska stabilnost, mehanske lastnosti), ki prispevajo k razvoju in učinkovitosti zdravila.⁷

(33)

14

6. 2 Razdelitev

Kokristali spadajo med večkomponente kristale. V isto skupino sodijo tudi solvati, klatrati, inkluzijski kompleksi ter soli.⁷

6. 3 Farmacevtski kokristali

Zanimanje za kokristale se stopnjuje od konca 80-ih let 20. stoletja, saj so takrat ugotovili, kje vse jih je možno uporabljati, in sicer: v supramolekulski kemiji, za organsko sintezo brez uporabe topil oz. sintezo v trdnem stanju, v tehnologiji nelinearne optike ter za razvijanje fotografskih filmov. Največja prednost kokristalov pred drugimi snovmi je, ker je možno izboljšati lastnosti ZU brez posega v spremembo molekule. Spremembo lastnosti se doseže s spremembo lege molekule v kristalni rešetki in spremembo medmolekulskih povezav. Največjo vlogo pri tem imajo lastnosti tvorilca kokristala.

Pri farmacevtskih kokristalih ZU nastopa kot tarčna molekula, komponento tvorilca kokristala pa predstavlja neaktivna, pomožna snov. Ti dve sta med sabo povezani preko nekovalentne interakcije, med katere sodijo: vodikove vezi (najpomembnejše zaradi jakosti in svoje usmerjenosti), koordinacijske vezi, halogene vezi, hidrofobne interakcije, van der Waalsove vezi, π-π interakcije in razne elektrostatske vezi. Sintoni so funkcionalne skupine, ki omogočijo povezovanje molekul med seboj preko nekovalentnih interakcij. Dva najpogosteje uporabljena sintona sta karboksi dimer O-H···O pri karboksilnih kislinah in karboksamidni dimer N-H···O pri amidih. Več sintonov kot je prisotno, večja je možnost nastanka farmacevtskega kokristala.⁷ Pri izbiri tvorilca kokristala sta nam v pomoč sledeča seznama. To sta: EAFUS (angl. Everything Added to Food) in GRAS (angl. Generally Regarded as Safe) tako se prepričamo, da velja za splošno varno substanco, ki je že uporabljena.¹⁴

Slika 8: Klasifikacija večkomponentnih kristalov⁷

(34)

15

6. 4 Prednosti kokristalov

Kokristalom spreminjamo temperaturo tališča, ta postane edinstvena in tako se izognemo težavam s termostabilnostjo. Imajo boljšo absorpcijo in biološko uporabnost, ker lahko vplivamo na hitrost raztapljanja in topnost. Vplivamo lahko na higroskopnost, ponavadi so kokristali v primerjavi s čisto učinkovino manj higroskopni, ni pa nujno, da je vedno tako. Imajo boljšo kemijsko stabilnost, kar dosežemo s spremembo konformacije molekule. Zelo pomembna je oblika in velikost delcev, saj kasneje vse to vpliva na stisljivost, sedimentacijo in pretočne lastnosti. Na obliko in velikost ima velik vpliv postopek kristalizacije, zato je pomembno, da dobro izberemo, da ima končni produkt čimboljše mehanske lastnosti. Pri odmerkih zdravil, ki so vezane v kokristal je treba biti previden, saj na takšen način dosežemo višjo koncentracijo ZU v plazmi kot, če primerjamo aplikacijo istega odmerka čiste učinkovine in posledično izzovemo močnejši učinek na telo.⁷

(35)

(36)

17

7 Priprava kokristalov

Posledica kristalizacije večkomponentnih kristalov v določenem stehiometrijskem razmerju so močne povezave, ki povzročajo agregacijo istovrstnih molekul, ki jim pravimo homomeri ali agregacijo različnim molekul, ki so heteromeri. Možen je naključen nastanek kokristalov, kadar sta v zmesi komplementarni komponenti, ki se lahko povežeta v urejeno strukturo s pomočjo vodikovih ali ostalih nekovalentnih vezi.

Ko se lotimo načrtne priprave farmacevtskih kokristalov oz. inženiringa kristalov moramo najprej preveriti, katere kristalne oblike že obstajajo. To storimo s pomočjo Cambridgeove strukturne podatkovne baze (angl. Cambridge Structural Database - CSD), kjer lahko najdemo podatke o razporeditvi molekul v kristalu in tako dobimo empirično informacijo o orientaciji funkcionalnih skupin ter kakšne so nadaljne možnosti vezav preko sintonov. Za tem sledi izbira učinkovine, na podlagi ZU izberemo še pomožno snov. Sledijo empirični poskusi, s katerimi preverimo ali je med dvema komponentama sploh možen potek kokristalizacije.

Pri izbiranju komponent se držimo naslednjih zakonitosti:

1. Vsi dobri protoakceptorji in protodonorji sodelujejo pri tvorbi vodikovih vezi.

2. Pogosteje nastanejo intramolekularne vodikove vezi (vidne kot šest členski obroč) kot intermolekularne vodikove vezi

3. Najboljši donorji in akceptorji protona, ki ostanejo prosti po tvorbi medmolekulskih vezi, tvorijo intermolekularne vodikove vezi.⁷

4. V molekulah, kjer je prisotnih več različnih funkcionalnih skupin, se v vodikovo vez vedno najprej poveže najboljši donor in najboljši akceptor, nato sledi drugi najboljši donor in akceptor in tako po vrstem redu do konca.

V pomoč nam je ocena moči donorjev in akceptorjev vodikovih vezi. Pri tem si pomagamo s pKa vrednostmi in izračuni molekularnih elektrostatskih potencialov. Ker so si podobni s solmi, s pomočjo pKa lahko nadziramo nastanek kokristala ali soli. In sicer: če je razlika v pKa med bazo in kislino manjša od nič nastane kokristal, če je razlika med 0 in 3 je možen nastanek soli ali kokristala, pri vrednosti nad 3 nastane sol. Prihaja lahko tudi do odstopanj od zgoraj omenjenih smernic, saj je dejstvo, da so vrednosti pKa določene v raztopini in niso neposredno prenosljive v trdno stanje.⁸ Razlikovanje nastanka soli ali kokristala temelji na prenosu protona s kisline na bazo. Kadar se proton

(37)

18

nahaja na bazi, pomeni, da je prišlo do prenosa protona in v takem primeru nastane sol.

V primeru, da do prenosa protona ne pride in proton ostane na kislini govorimo o nastanku kokristala.¹³

Za uspešen nastanek kokristalov morajo biti heteromerne molekulske interakcije močnejše od homomernih intermolekulskih interakcij.⁷ Zato je dobro upoštevati hierarhijo sintonov in uporabljati funkcionalne skupine kot so karboksilne kisline, amidi in alkoholi, saj je znano da so te posebej primerne za tvorbo heterosintonov. Na podlagi tega izberemo primernejšo komplementarno komponento, ki prioritetno tvori medmolekulske vodikove vezi in vodi do nastanka kokristala.¹⁴

Na spodnji sliki vidimo dva primera: prevlada homomernih interakcij, ki povzročijo rekristalizacijo ter prevlada heteromernih interakcij, ki zagotavljajo kokristalizacijo.⁷

Slika 9: Kokristalizacija iz raztopine: rekristalizacija (zgoraj) ter kokristalizacija (spodaj).⁷

Kokristali se največkrat pripravljajo na sledeča dva načina: z obarjanjem raztopljenih komponent ali z mletjem zmesi komponent.⁷ Obstajajo tudi drugi načini kot so:

kokristalizacija iz taline, sublimacija sestavin, iz koncentrirane suspenzije in delikvescenca sestavin pri visoki vlažnosti. Vendar so ti načini zapleteni in se uporabljajo bistveno manj kot prva dva.¹⁴

(38)

19

7. 1 Kokristalizacija iz raztopin

Pri obarjanju gre za počasen proces odparevanja topila, kjer imamo možnost predhodnega segrevanja raztopine in nato ohlajamo ter dodajamo protitopilo, da poteče kristalizacija.⁷ Ključno je stehiometrijsko razmerje in izbira topila. S prvim načinom priprave dobimo boljše izkoristke in produkt v čisti obliki, ki ga lahko analiziramo z uporabo rentgenske analize monokristala. Problem je, kadar imata komponenti različno topnost, ker prihaja do nastanka solvatov in polimorfov ter zaradi relativno velike porabe topila.⁸

7. 2 Kokristalizacija z mletjem

Druga metoda temelji na mehanski aktivaciji komponent z mletjem. Metoda lahko poteka na dva različna načina. Prvi je bolj tradicionalen, saj gre za ročno trenje sestavin v terilnici. Drugi, bolj sodoben in primernejši način pa je mletje s pomočjo krogličnega mlina, v katerem so boljši, konstantnejši pogoji. Da je mletje uspešno mora biti ena od komponent rahlo hlapna. Suho mletje oz. mletje brez topila je način, kjer obe komponenti v ustreznem stehiometrijskem razmerju zmeljemo. Je bolj uporabna od priprave kokristalov iz raztopine, ker topnost vhodnih komponent ni pomembna. Ta metoda je bolj primerna za rešetanje oz. screening. Pravimo ji tudi metoda zelene kemije, ker velja za okolju prijazno kemijo, kjer nastaja zelo malo ali nič odpadnih produktov.⁷ Potekanamreč ob odsotnosti topila oz. z zelo majhnim dodatkom topila (govorimo le v nekaj kapljicah), ki ima ustrezno polarnost in pozitivno vpliva na izkoristek oz. poveča kinetiko nastanka kokristalov. Tako se izognemo težavam z različno topnostjo komponent, ne nastajajo solvati in poteka hitreje kot prva. Do izboljšanja kinetike pride zaradi dodatne stopnje orientacijske in konformacijske svobode pri molekulah na mejnih ploskvah in posledično večje število trkov med molekulami. Predvidevamo, da ob prisotnosti topila med procesom nastajajo kokristalna semena, ki pospešijo nastanek. Slabost te metode je, da nastali kokristali niso primerni za analizo z rentgensko difrakcijo na monokristalih, saj so delci povzročeni z mletjem premajhni. Dobimo produkt, ki ni v tako čisti obliki in z manjšo stopnjo kristaliničnosti kot v prvem primeru kristalizacije iz raztopine, kjer je prisotna faza čiščenja. Metodo lahko delno izboljšamo s pomočjo predhodnega segrevanja komponent, kjer mora biti temperatura vsaj 50 °C nižja od temperature taljenja.^8,15,16

(39)

20

Na spodnji sliki je prikazano delovanje krogličnega mlina. Sive kroglice predstavljajo jeklene ali keramične krogle, katerih kinetična energija, ki je posledica rotacije mlina, melje material. Rumeni delci pa predstavljajo zmlete komponente. Sam kroglični mlin je sestavljen iz dveh delov, v prvem so večje krogle, ki zmeljejo na grobo, potem pa material preide v drug del, kjer so manjše krogle in pride do finega mletja.¹⁷

7. 3 Kokristalizacija s sejanjem

Vedno več se uporablja tudi metoda sejanja kokristalov (angl. Cocrystal seeding), ki poteka podobno kot pridobivanje iz raztopin. S to metodo lahko zagotovimo dovolj velike in kvalitetne kristale za poznejšo rentgentsko analizo monokristalov. Postopek je sledeč:

najprej obe komponenti segrevamo in raztopimo v topilu. Sledi ohlajanje topila in preden začenja material kokristalizirati dodamo v raztopino semena kokristalov. Ta semena sprožijo nukleacijo kokristalov iste oblike kot v semenih. Opisani način je zelo ugoden, saj tako pridobimo obliko kokristala, ki je sicer težje pridobljiv. S pomočjo semen lahko tudi kristale pridobljene iz drugačnih tehnik, ki so sicer premajhni za analizo primerno povečamo.¹⁴

Slika 10: Prikaz delovanja krogličnega mlina¹⁷

(40)

21

8 Rast kristalov

Kristalizacija poteka v dveh fazah: nukleacija in kristalna rast. Prva faza je, ko v prenasičeni raztopini nastane kristalizacijsko jedro, ki je majhno, saj znaša nekaj 100 nm.

Lahko si pomagamo tudi z dodatki kristalnih semen. Sama hitrost nukleacije je odvisna od koncentracije komponent, temperature, tlaka in od stopnje prenasičenosti raztopine. V sistemih, ki so zelo prenasičeni, je nukleacijska hitrost zanemarljivo majhna.

Nukleacijsko hitrost lahko definiramo kot število kristalov, ki se tvori v prenasičeni raztopini v nekem času v določenem volumnu. Poznamo dva tipa nukleacije, in sicer heteregona (z vplivom drugih delcev), kjer jedro nastane na površini, in homogena (brez vpliva drugih delcev), kjer se jedro tvori v raztopini. Pri heterogeni pride bistveno hitreje do popolne kristalizacije, saj tuji delci (rob steklovine, mešalo, vrvica...) nudijo primerno površino in tako olajšajo rast kristalov in privarčujejo začetno energijo, ki bi bila sicer namenjena nastajanju nove površine. Po končani prvi fazi, ko se uspešno oblikuje jedro, sledi druga faza oz. kristalna rast. Gre za proces, kjer se atomi, molekule ali ioni adsorbirajo na jedro ter se širijo navzven v značilne kristalne rešetke. Ta del poteka veliko hitreje kot nukleacija. Nadzor nukleacije je bistven, saj lahko nadziramo končno velikost, število, polimorfizem in karakteristiko kristalov. Namreč, če je hitrost nukleacije velika, se tvori večje število kristalov. Ti začnejo rasti in povzročijo zmanjšanje koncentracije komponent v raztopini, zaradi tega se nukleacija preneha in vsi zrastejo približno enako veliki. Če pa je hitrost nukleacije počasnejša, nastajajo novi nukleusi ob različnem času in nekateri zrastejo bolj kot drugi, torej so različnih velikosti.^18,19

(41)

(42)

23

9 Kristalna struktura

Značilnost kristalov je pravilni razpored gradnikov, atomov, molekul ali ionov. Ti so sestavljeni v tako imenovano osnovno celico, ki se periodično ponavlja oz. širi v vse tri strani in privede do nastanka trodimenzionalne kristalne mreže. Da si lažje predstavljamo, ta mreža izgleda kot skupaj zložene popolnoma enake majhne škatlice, ki imajo enake stranice in kote med njimi. Se pravi, da so parametri kristalne mreže. Osnovne celice imajo lahko sedem različnih oblik, ki ji razvrstimo v sedem kristalnih sistemov (triklinski, monoklinski, ortorombski, tetragonalni, romboedrični, heksagonalni ter kubični).

Poznamo tri različne tipe osnovnih celic. To so: enostavna oz. primitivna oblika, telesno centrirana celica ali ploskovno centrirana celica. Pri enostavni so mrežne točke v ogliščih, označimo jo s črko P. Pri telesno centrirani so mrežne točke v vseh ogliščih in v središču celice ter jo označujemo z črko I. Zadnjo ploskovno centrirano označujemo s črko F. Ta ima mrežne točke v vseh ogliščih in v središču vseh ploskev. Za lažjo predstavo prilagam spodnjo sliko, ki ponazarja vse tri tipe.^{20, 21}

Slika 11: Različni tipi osnovnih celic²⁰

Na podlagi sedmih kristalnih sistemov in treh različnih tipov je teoretično možno 14 Bravaisovih osnovnih celic. S pomočjo različnih simetrijskih elementov (zrcaljenje, rotacija, inverzija) obstaja 32 točkovnih in 230 različnih prostorskih skupin. Kristale si predstavljamo kot idealne strukture, vendar temu ni vedno tako.

(43)

24

Kristali imajo defekte in nečistoče, ki vplivajo na končne mehanske, električne in termične lastnosti. Najbolj znani so sledeči: Schottkyjev defetkt (manjka aniona ali kationa), Frenklov defekt (premestitev aniona ali kationa v intersticijsko praznino) in defekt zaradi prisotnosti nečistoče (nečistoča se vgradi na mesto kationa oz. aniona ali v intersticijsko praznino). V kristalni mreži je možnih veliko ravnin (predstavljamo si navidezne premice med vozlišči v različnih smereh), te označujemo s troštevilčinimi Millerjevimi indeksi v obliki (h k l). To so recipročne vrednosti deležev, ki jih ravnine odrežejo od stranic osnovne celice. Za primer npr. ravnina, ki poteka skozi naslednje točke v osnovni celici v legi a/3, b/6 in c/2, lociramo z Millerjevimi indeksi (3 6 2). V primeru, da je ravnina z neko osjo vzporedna in je ne seka, pa ji pripada indeks 0. Razdalje med kristalnimi ravninami so medravninske razdalje, te označujemo z d in so odvisne od velikosti in razporeditve gradnikov.^{20, 21}

(44)

25

10 Metode za karakterizacijo

S pomočjo znanih metod kot so: termogravimetrična analiza (TGA), diferenčna dinamična kalorimetrija (DSC), rentgenska praškovna analiza (XRPD), Ramanska, jedrska magnetna resonanca v trdnem (SS-NMR) in infrardeča (IR) spektroskopija dobimo termograme, difraktograme oziroma spektre, iz katerih dobimo informacije o kristalni strukturi. Znak, da kokristalizacija ni uspešno potekla je, ko opazimo nastale spektre vzorcev, ki so vsota izhodnih komponent. Opazimo lahko tudi druge znake npr.

pri DSC se opazi samo eno tališče, pri XRPD so vidni odkloni v kotih, v Ramanskem in IR pa nastanejo nove interakcije in drugačno fingerprint območje, ki pa ne dajo dovolj zanesljivih informacij o prisotnosti kokristala, saj bi lahko šlo tudi za solvate ali soli. Zato se raje poslužujemo zmoglivejših metod.⁷

10. 1 Infrardeča spektroskopija (IR spektroskopija)

Je metoda, ki je poznana tudi pod imenom vibracijska spektroskopija, pri kateri spremljamo spremembe v nihanju vezi. Spremembe se pojavijo pri valovni dolžini 10^-4−2,5·10^-6 m. Temelji na sledečih dveh enačbah:

Enačba 1: 𝐄 = 𝐡

Enačba 2: 𝐄 = 𝐡𝐜/𝛌 h … Planckova konstanta; h = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s

 … frekvenca

c … hitrost elektromagnetnega valovanja

Iz enačb lahko razberemo, da večja kot je energija fotona, večja je frekvenca in manjša je valovna dolžina valovanja. Najprej molekula oz. atom s pomočjo absorbirane energije fotona preide z nižjega energetskega nivoja na višji energetski nivo. Ta energija, ki jo absorbira je ravno enaka razliki med nižjim in višjim nivojem. Nato se molekula oz. atom vrne nazaj na nižji energetski nivo in pri tem seva svetlobo, ki jo inštrument analizira. Z inštrumentom, ki mu pravimo infrardeči spektrometer pridobimo absorpcijski spekter. To je graf odvisnosti prepustnosti oz. transmitance (na ordinati-y os) od valovnega števila 1/λ v cm^-1 (na abcisi-x os). Nihanja, ki absorbirajo IR svetlobo, so IR aktivna. Povzročijo spremembo dipolnega momenta v molekuli in uspejo preiti v vzbujeno nihajno stanje.

Primer je HF molekula. Dvoatomne molekule, zgrajene iz atomov enega elementa, pa so

(45)

26

IR neaktivne, saj ne absorbirajo svetlobe in ne povzročijo spremembe dipolnega momenta v molekuli. To je na primer v primeru nihanja v molekuli vodika, kjer je vrednost dipolnega momenta vedno nič. V spojinah je možnih več oblik nihanj. Dve najbolj osnovni sta valenčno oz. stretching nihanje in upogibno oz. bending nihanje. Pri valenčnih prihaja do sprememb v dolžini vezi in imajo v primerjavi z upogibnimi višja valovna števila. Medtem ko se pri upogibnih spreminjajo koti med vezmi. Ločimo jih tudi po smereh gibanja vezi na: zvijanje, striženje, kolebanje in zibanje. V sledečih preglednicah prilagam nekaj pogostih valenčnih in upogibnih nihanj.^{21, 22}

Tabela 1: Valenčna nihanja.²¹

Vez Valovno število [cm^-1] Vez Valovno število [cm^-1]

O-H 3500 C=C 1650

N-H 3400 C-C 1000

C-H 2900 C-N 1100

Cl-H 3000 C=O 1700

Br-H 2650 C-O 1100

I-H 2300 C-Cl 750

Tabela 2: Upogibna nihanja.²¹

Vez Valovno število [cm^-1]

C-H 1375-1450

O-H (v vodi) 1600-1630

O-H ( v alkoholu) 1260-1420

N-H 1500-1650, 1150-1330

Poleg osnovnih prihaja tudi do kombinacijskih nihanj, kjer se več osnovnih združi v eno in ravno tako je valovno število takega nihanja vsota vseh valovnih števil osnovnih nihanj, ki ga sestavljajo. Tudi iz same oblike spektra lahko sklepamo, za kakšno snov gre. Ozka oblika spektra je značilna za pline in aromatske spojine, široka pa v primeru tekočin, trdnih snovi in kadar so prisotne vodikove vezi. Metoda velja za enostavno, hitro in zanesljivo tehniko, zato se veliko uporablja v anorganski kemiji, kadar določamo čistost neke snovi ali želimo identificirati nek produkt. Iz spektra pridobimo informacije o sestavi snovi. Iz višine vrhov razberemo koncentracije, iz pozicije vrhov pa strukturo molekul v vzorcu.^{21, 22}

(46)

27

10. 2 Termične metode

Termične metode so vse metode, kjer gre za spremembo ene ali več fizikalnih količin vzorca v odvisnosti od temperature. Uporabljajo se, če določamo čistost, temperaturo tališča ali vrelišča, razvidne so temperature razpada in fazni diagrami. Za analizo kokristalov se pogosto uporablja termogravimetrična analiza in diferenčna dinamična kalorimetrija, ki jih bom tudi podrobneje opisala.²¹

10. 2. 1 Termogravimetrična analiza (TGA)

Angleško Thermogravimetric Analysis je tehnika, pri kateri opazujemo spremembo oz.

zmanjšanje ali povečanje mase snovi v odvisnosti od temperature in časa. To nam omogoča aparatura z izolirano pečjo in regulatorjem, v katerem kontrolirano spreminjamo temperaturo in atmosfero. Vedno primerjamo naš vzorec z referenčno snovjo, ki se ne spremeni pri proučevanih temperaturah. Temperatura se giblje v območju od 25°C pa vse do 1200°C, v posebnih primerih gre lahko tudi v minus (hlajenje s tekočim dušikom). Merimo jo s termočleni. Z mešanico različnih kombinacij plinov prepihujemo peč in zagotovimo željeno atmosfero (oksidativna, inertna, reduktivna). Končni rezultat analize je termogravimetrična krivulja z % izgubljene mase na ordinati in skalo temperature na abscisi. Na rezultat zelo vplivajo vsi eksperimentalni pogoji zato je ključno, da poleg zapišemo hitrost segrevanja v K/min, maso vzorca, atmosfero, in material lončka. Če primerjamo dve različni hitrosti segrevanja za isto snov opazimo, da je končni procent izgube mase enak, vendar se pri višji hitrosti posamezne stopnje med seboj prekrivajo, medtem ko so pri počasnem segrevanju lepo vidni vmesni procesi.^{21, 23}

10. 2. 2 Diferenčna dinamična kalorimetrija (DSC)

Angleško Differential Scanning Calorimetry je metoda, kjer podobno kot pri TGA primerjamo vzorec z referenčno snovjo. Pomembna informacija je razlika toplote, ki jo je potrebno dovesti za segrevanje vzorca ali segrevanje referenčne snovi. Iz tega podatka lahko sklepamo ali so v vzorcu prisotni eksotermni ali endotermni procesi. Pri kokristalih je zelo uporabna, saj z njo testiramo sledeče termične lastnosti kokristalov: tališče, entalpija taljenja, fazni prehodi, steklasti prehodi, stabilnost, kristaliničnost, razpad, prehajanje med polimorfnimi modifikacijami in čistost. Testiramo tudi ali je kokristal sploh nastal. Če segrevamo izhodne spojine in je viden endotermni vrh za njim pa še eksotermni vrh lahko potrdimo nastanek kokristala.^{8, 21, 23}

(47)

28

Za primer prilagam spodnjo sliko, kjer vidimo dve krivulji. Modra prikazuje sled TG analize oz. razpad neke snovi, kjer lahko na desni strani razberemo 86 % izgubo mase pri končni izpostavljenosti 700 °C. Zelena krivulja pa označuje DSC analizo. Razviden je eksotermni vrh pri 155,9 °C, iz katerega lahko sklepamo da gre za kristalizacijo ali polimerizacijo in dva endotermna minimuma, ki kažeta morebiti taljenje, spremembo kristalne strukture ali redukcijo.²¹

Slika 12: Primer TGA in DSC analize.²⁶

10. 3 CHN analiza

Znana tudi pod imenom elementna analiza. Je kvantitativna metoda, saj določamo delež ogljika, vodika in dušika v vzorcu. Tega pripravimo v pločevinaste kapsule, gre za zelo majhne mase vzorca do 10 mg. Nato gre v reducirno komoro, v kateri imamo presežek kisika pri 990 °C. Pod temi pogoji pride do sežiga in vzorec se mineralizira. Sledi dodatek katalizatorja (volframov trioksid), ki izzove popolno oksidacijo. Po tej stopnji lahko vidimo, če je pri razkroju vzorca nastal CO2, H2O in NOX. Preiskovani vzorec vodimo skozi cev iz silikata, v kateri so bakrene granule pri 500 °C. Tako pretvorimo NOX pline in dobimo mešanico CO2, H2O in N2. Na koncu vodimo mešanico na kolono v plinskem kromatografu. V koloni se uporablja helij, ki mora imeti visoko čistost. Nastane kromatogram z vrhovi, ki prikazujejo kolikšen delež C, H, in N je v izhodnem vzorcu.²⁴

(48)

29

10. 4 Rentgenska praškovna analiza (XRPD)

Angleško powder X-ray diffraction je pogosto uporabljena metoda za proučevanje trdnih snovi v anorganski kemiji. Z njo dobimo rentgenske praškovne posnetke, s katerimi lahko identificiramo spojine ali v preprostejših primerih tudi določimo njihove kristalne strukture.²¹

Glavna lastnost metode je uklon rentgenskih žarkov ob prehajanju čez kristale, saj to omogoča podobnost valovne dolžine rentgenske svetlobe in razdalja med atomi v kristalih. Valovna dolžina rentgenskih žarkov, ki so elektromagnetno valovanje znaša od 0,05 do 500 Å. Električno nabiti delci oz. elektroni, ki imajo veliko kinetično energijo se ob stiku s kovinsko tarčo oz. anodo hitro zaustavijo in posledično nastane rentgenska svetloba. Za tarčo oz. anodo se uporablja baker. Od moči kinetične energije elektronov je odvisno, kakšna bo valovna dolžina in intenziteta novo nastale rentgenske svetlobe.

Vzporedno poteka tudi proces izbijanja elektronov atomom na tarči, ki preidejo v vzbujeno stanje in ob vračanju na osnovni nivo emitirajo karakteristično svetlobo (Kα, Kꞵ), ki ponazarja črtasti del spektra rentgenske svetlobe. Ta karakteristična svetloba s točno določeno valovno dolžino, npr. λKα = 1,542 Å, prehaja skozi monokromator.²¹ Žarki se ob sevanju na trdno snov najprej absorbirajo in nato ponovno emitirajo, temu pravimo uklon. Nastala emitirana svetloba se vektorsko sešteje in pride do konstruktivne interference. Temu pripomore kristalna periodičnost, vendar mora biti izpolnjen tudi Braggov zakon. To pomeni, da pride do uklona pride, kadar se valovanji iz različnih ravnin ojačata in sta v fazi. Pogoj, da sta v fazi: razlika v poti žarkov mora biti enaka celoštevilčnemu večkratniku valovne dolžine. S tem izpolnimo Braggov pogoj, ki ga z enačbo prikažemo sledeče.²¹

Enačba 3: Braggov zakon²¹

𝟐𝒅 ∙ 𝐬𝐢𝐧 𝝑 = 𝒏 ∙ 𝛌

n ... celo število ponazarja red uklona λ ... valovna dolžina emitirane svetlobe d ... medravniska razdalja

2θ ... uklonski kot (med vpadno in uklonjeno svetlobo)

θ ... polovica uklonskega kota (med vpadno svetlobo in kristalno ravnino)

(49)

30

Kot že zgoraj omenjeno, se uporablja monokromatska svetloba, se pravi, da ima točno določeno valovno dolžino. Kristali imajo veliko setov vzporednih ravnin in s tem medravninskih razdalij, ki jih določa razporeditev gradnikov v osnovni celici. Med analizo so kristalčki v našem vzorcu naključno razporejeni in rentgenska svetloba, ki pada na celoten vzorec pod enim kotom, pada na ravnine in kristalčke pod različnimi koti.

Velja, da uklon nastane samo v primeru, ko je izpolnjen Braggov pogoj. To je takrat, ko pada svetloba na kristalno ravnino pod točno željenim kotom, ki ga označimo z θ. Pri analizi monokristala, ga je potrebno sukati, da omogočimo situacijo, kjer je izpolnjen Braggov zakon. Za analizo polikristaliničnega vzorca sukanje ni potrebno, ker vzorec pripravimo tako, da zastopa vse orientacije kristalov. Na spodnji sliki vidimo, kako izgleda Braggov uklov na kristalu (leva slika).^{21, 25}

Slika 13: Levo ojačitev valovanja, desno oslabitev valovanja²⁵

Pri identifikaciji spojine ima pomembno vlogo položaj in intenziteta uklona na dobljenem difraktogramu. Položaj uklona je odvisen od dimenzije kristalne mreže in medravninskih razdalij, ni pa odvisen od razporeditve atomov v mreži. Iz tega sledi dejstvo, da je razporeditev uklonov enaka za dva različna kristala, ki imata enako velikost in enak tip osnovne celice, vendar nimata enake intenzitite, saj je ta odvisna od razporeditve atomov v mreži in absorpcije rentgenskih žarkov. Rentgenska praškovna analiza se uporablja za identifikacijo snovi v enofaznih trdnih vzorcih, ker dobimo z njo praškovni difraktogram, ki je edinstven, pravimo, da je prstni odtis oz. finger print za dani vzorec. Dobljene medravninske razdalje in intenzitete uklonov na difraktogramu primerjamo z bazami podatkov iz zbirke praškovnih difraktogramov s pomočjo računalniških orodij kot je program Search-Match in tako identificiramo, za katero snov gre. V preprostejših primerih je možna tudi določitev kristalne strukture, vendar se zato večkrat uporablja difrakcija na monokristalu.²¹Zadnja leta z rentgensko praškovno analizo kombinirajo tudi jedrsko magnetno resonanco (CP/MAS NMR).⁷

(50)

31

10. 5 Rentgenska difrakcija na monokristalu (SCXRD)

Angleško Single Crystal X-Ray Diffraction je edina metoda, s katero direktno dobimo informacijo o vezeh, ionski interakciji ali vodikovih vezeh. Sama metoda deluje na principu koherentnega sipanja rentgenskih žarkov na elektronih v atomu. Sipani žarki, kot posledica urejene strukture, tvorijo konstruktivne in destruktivne interference.

Prednost SCXRD je, ker nam poda razmerje molekul v kokristalu, prostorsko urejenost ter vrsto in položaj interakcij, ti podatki zadostujejo za oceno nastanka kokristala. Važno je zagotoviti ustrezno velikost in kakovost kokristala, zato se uporabljajo pripravljeni iz raztopine in ne tisti z mletjem.

(51)

(52)

33

11 Zaključek

Halogenska vez je privlačna interakcija med elektrofilnim delom na halogenskem atomu X in med nukleofilnim delom molekule Y-Z. Obstajajo dve različici teh vezi: tip 1, ki je simetričen in tip 2, ki je pod kotom. Moč vezi po skupini navzdol z velikostjo halogena od klora proti jodu narašča, ker tako σ-luknja postaja bolj pozitivna. Zaradi številnih prednosti (usmerjenost, hidrofobnost, prilagodljivost trdnosti, jakost) je vedno bolj uporabljena v kristalnem inženirstvu, supramolekularni kemiji, medicinski kemiji in polimernih vedah.

Kokristali so enotne kristalinične snovi, sestavljene iz dveh ali več različnih komponent, ki so pri sobni temperaturi in normalnem zračnem tlaku v trdnem agregatnem stanju. Po sestavi kokristali spadajo med večkomponentne kristale. Komponente v kokristalih se med sabo povezujejo na različne načine: z vodikovimi vezmi, π-π vezmi, van der Waallsovimi silami in halogenskimi vezmi. Vemo, da v nepolarnih topilih prednostno poteka tvorjenje kokristalov z vodikovo vezjo. V polarnih topilih pa prednostno nastajajo kokristali s halogensko vezjo. Zadnja leta v ospredje prihajajo farmacevtski kokristali, z inovativnimi kristalnimi strukturami z izboljšanimi lastnostmi ZU, ki prispevajo k razvoju zdravil. Pogoj za nastanek farmacevtskega kokristala je prisotnost čimveč sintonov, ki omogočijo povezovanje molekul preko nekovalentnih interakcij. Dva najpogosteje uporabljena sintona sta karboksi dimer O-H···O pri karboksilnih kislinah in karboksamidni dimer N-H···O pri amidih. Za uspešen nastanek kokristalov morajo biti heteromerne molekulske interakcije močnejše od homomernih intermolekulskih interakcij. Kokristale pripravljamo na različne načine, največkrat se poslužujemo sledečih: z obarjanjem raztopljenih komponent, z mletjem zmesi komponent ali s sejanjem. Kristalizacija kristalov poteka v dveh fazah. Prva je nukleacija (nastanek jedra), druga pa kristalna rast, kjer se atomi adsorbirajo na jedro in širijo v značilne kristalne rešetke.

V zaključku teoretično obdelam metode za karakterizacijo kokristalov. V primeru, da je mogoče pripraviti monokristale ustrezne kakovosti in velikosti se izkaže, da je rentgenska difrakcija na monokristalih najmočnejša metoda za karakterizacijo. V kolikor ni mogoče pripraviti ustreznih monokristalov dobro alternativo predstavljajo: DSC, XRPD, SS- NMR in IR spektroskopija.

(53)

(54)

(55)

12 Literatura

[1] https://sl.wikipedia.org/wiki/Halogen [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Halogen_bond

[3] G. Cavallo, P. Metrangolo, R. Milani, T. Pilati, A. Priimagi, G. Resnati, G. Terraneo:

The Halogen Bond. Chem. Rev. 2016, 116, 2478-2601.

[4] A. Mukherjee, S. Tothadi, G. R. Desiraju: Halogen Bonds in Crystal Engineering:

Like Hydrogen Bonds yet Different. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 2514-2524.

[5] T. Clark, M. Hennemann, J. S. Murray, P. Politzer: Halogena vez: odprtina σ. J. Mol.

Model. 2007, 13, 291-296.

[6] C. C. Robertson, J. S. Wright, E. J. Carrington, R. N. Perutz, C. A. Hunter, L.

Brammer. Chem. Sci. 2017, 8, 5392-5398.

[7] B. Kovačič, O. Planinšek, F. Večer: Kokristali zdravilnih učinkovin. Farm. Vest.

2010, 61, 31-36.

[8] K. Berlec: Tvorba halogenskih vezi v soleh halogeniranih derivatov salicilne in izoftalne kisline. Ljubljana: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo UL 2019, magistrsko delo.

[9] https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_bond 19. 10. 2020

[10] Van der Waalsove vezi (medmolekulske

sile).http://www.educa.fmf.unilj.si/izodel/sola/2000/di/lahajnar/vezi1/van.html 27.

10. 2020

[11] https://si.openprof.com/wb/molekulske_vezi?ch=624 27.10. 2020

[12] T. Chen, L. Meixiu, L. Jingquan: π- π Stacking Interaction: A Nondestructive and Facile Means in Material Engineering for Bioaplications. Cryst. Growth Des. 2018, 18, 2765-2783.

[13] S. Mohamed, D. A. Tocher, M.Vickers, P. G. Karamertzanis, S. L. Price: Salt or Cocrystal? A New Series of Crystal Structures Formed from Simple Pyridines and Carboxylic Acids. Cryst. Growth Des. 2009, 9, 2881-2889.

(56)

[14] M. Čurič: Poskus izdelave kokristalov karvediola z aminokislinami. Fakulteta za farmacijo UL 2011, diplomsko delo.

[15] Ž. Hodnik: Priprava in karakterizacija kokristalov flukonazola. Fakulteta za farmacijo UL 2009, diplomsko delo.

[16] M. Kozjek: Mletje karvediola s salicilno kislino in vrednotenje nastalih produktov.

Fakulteta za farmacijo UL 2014, diplomsko delo.

[17] M. Marinšek, predmet Mehanske operacije (prosojnice predavanj). Ljubljana:

Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo. (pridobljeno 2019)

[18] https://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_growth pridobljeno 15. 11. 2020 [19] P. G. Vekilov: Nucleation. Cryst. Growth Des. 2010, 10, 5007-5018.

[20] https://sl.wikipedia.org/wiki/Kristalna_struktura 16. 11. 2020

[21] S. Petriček, F. Perdih, A. Demšar: Vaje iz anorganske kemije. 3. Ljubljana: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo 2016, str. 7–41.

[22] https://sl.wikipedia.org/wiki/Infrarde%C4%8Da_spektroskopija 21. 11. 2020 [23]https://www.fkkt.um.si/egradiva/fajli/navodila_vaje_termicna_karakterizacija_mate

rialov.pdf 22 22. 11. 2020

[24] https://www.univie.ac.at/Mikrolabor/chn_eng.htm 23. 11. 2020 [25] https://sl.wikipedia.org/wiki/Braggov_pogoj 1. 12. 2020

[26] https://www.hitachi-hightech.com/global/product_detail/?pn=ana-sta7000 pridobljeno 21. 11. 2020