結晶工学

結晶工学は、分子間相互作用を意図的に制御することによって、望ましい特性を持つ固体構造の設計と合成を研究する分野である。固体化学と超分子化学を結びつける学際的な学術分野である。 ^{[ 1 ]}

現在用いられている主な工学的戦略は、水素結合、ハロゲン結合、配位結合である。^{[ 2 ]}これらは、超分子シンソンや二次構造単位などの重要な概念で理解することができる。 ^{[ 3 ]}

「結晶工学」という用語は、1955 年に R. Pepinsky ^{[ 4 ]}によって初めて使用されましたが、その出発点は、結晶性ケイ皮酸の光二量化反応に関連して Gerhard Schmidt ^{[ 5 ]}に帰せられることが多いです。この最初の使用以来、この用語の意味は、固体超分子化学の多くの側面を含むように大幅に拡大しました。有用な現代の定義は、 1988 年にGautam Desirajuによって提供されたもので、結晶工学を「結晶パッキングの文脈における分子間相互作用の理解と、望ましい物理的および化学的特性を持つ新しい固体の設計におけるそのような理解の利用」と定義しました。^{[ 6 ]}分子材料のバルク特性の多くは、固体状態での分子の配列方法によって決定されるため、この配列を制御する能力があれば、これらの特性を制御できることは明らかです。

結晶工学は、固体状態での分子やイオンの組織化を実現するために非共有結合に依存している。純粋な有機系に関する初期の研究の多くは水素結合の使用に焦点を当てていたが、配位結合やハロゲン結合は結晶設計においてさらなる制御を提供する。^{[ 8 ]}

分子自己組織化は結晶工学の中核であり、通常は相補的な水素結合面間、または金属と配位子間の相互作用を伴う。「超分子シンソン」は多くの構造に共通する構成要素であり、固体状態で特定のグループを秩序立てるために使用できる。^{[ 9 ]}

共結晶の意図的な合成は、多くの場合、強い異種分子間相互作用によって達成されます。多成分結晶の主な関連性は、医薬品共結晶の設計に集中しています。^{[ 10 ]}医薬品共結晶は一般的に、1つのAPI（医薬品有効成分）と、WHO（世界保健機関）が提供するガイドラインに従って安全とみなされる他の分子物質で構成されています。医薬品共結晶の形成により、APIのさまざまな特性（溶解性、生物学的利用能、透過性など）を調整できます。

2D アーキテクチャ (すなわち、分子的に厚いアーキテクチャ) は結晶工学の一分野です。^{[ 11 ]}このようなアーキテクチャの形成 (堆積プロセスに応じて分子自己組織化と呼ばれることが多い) は、固体界面を使用して吸着単分子層を作成することにあります。このような単分子層は空間的な結晶性を持つ場合があります。^{[ 12 ] [ 13 ]}しかし、非晶質からネットワーク構造まで、動的で幅広い単分子層形態により、(2D) 超分子工学という用語の方がより正確な用語となっています。具体的には、超分子工学とは、「予測可能な構造が得られるような方法で分子ユニットを設計すること」^{[ 14 ] 、または「明確に定義された分子モジュールを設計、合成、自己組織化して、オーダーメイドの超分子アーキテクチャを作成すること」 [ 15 ]}を指します。

走査型プローブ顕微鏡技術を用いることで、二次元構造の可視化が可能となる。

多形現象とは、同じ化学化合物が複数の結晶形で存在する現象であり、医薬品の多形体はそれぞれ独立した特許保護を受ける権利がある可能性があるため、商業的に重要である。製薬業界における結晶工学の重要性は、今後飛躍的に高まることが予想される。^{[ 16 ]}

多形現象は、結晶化過程における速度論的要因と熱力学的要因の競合によって生じる。長距離にわたる強い分子間相互作用は速度論的結晶の形成を決定づける一方、分子の密な充填は一般的に熱力学的結果を左右する。この速度論と熱力学の二分法を理解することが、多形現象に関する研究の焦点となっている。

有機分子では、主に3種類の多形現象が観察されます。パッキング多形は、分子が異なる方法でパッキングされて異なる構造を形成する場合に生じます。一方、配座多形は、分子が狭いエネルギー範囲内で複数の配座の可能性を持つ柔軟な分子で主に見られます。その結果、同じ分子でも異なる配座をとることで、複数の結晶構造が得られます。最もまれな多形現象は、主要なシンソンの違いから生じ、このタイプの多形はシンソン多形と呼ばれます。

結晶構造予測(CSP) は、与えられた分子構造からエネルギー的に実現可能な結晶構造 (対応する空間群と位置パラメータ付き) を生成する計算手法です。CSP は、「実験的」結晶構造は多くの場合運動学的構造であり、予測が非常に困難であるため、最も難しい作業と考えられています。この点に関して、多くのプロトコルが提案され、 2002 年以降CCDCが主催するいくつかのブラインド テストを通じてテストされています。CSP の大きな進歩は 2007 年に起こり、特注の力場と密度汎関数理論 (DFT) に基づくハイブリッド法が導入されました。この方法は、最初のステップで特注の力場を使用して構造の順位を決定し、次に分散補正 DFT 法を使用して格子エネルギーを正確に計算します。^{[ 17 ]}

CSPは結晶構造を予測する能力に加えて、多くの構造が狭いエネルギーウィンドウ内に存在する結晶構造の計算されたエネルギーランドスケープも提供します。^{[ 18 ]}このような計算されたランドスケープは、多形性の研究、新しい構造の設計、結晶化実験の設計に役立つ洞察を与えます。

望ましい特性を持つ結晶構造の設計は、結晶工学の究極の目標です。結晶工学の原理は、非線形光学材料、特に第二高調波発生（SHG）特性を持つ材料の設計に応用されてきました。超分子シンソンを使用して、超分子ゲルが設計されています。^{[ 19 ] [ 20 ]}

目標とする特性を持つ結晶性材料を設計するには、材料の分子および結晶の特徴と機械的特性との関係を理解する必要があります。^{[ 22 ]}結晶性材料にとって重要な機械的特性は、塑性、弾性、脆性、およびせん断強度の 4 つです。^{[ 21 ]}

分子間相互作用

分子間相互作用ネットワークの操作は、バルク特性を制御する手段である。^{[ 23 ]}結晶化中、分子間相互作用は静電階層に従って形成される。^{[ 24 ]}強い水素結合は結晶組織化の主要な方向である。^{[ 25 ] [ 24 ] [ 26 ]}

結晶構造

一般的に、最も強い分子間相互作用が分子層または分子列を形成し、最も弱い分子間相互作用が滑り面を形成します。^{[ 27 ]}例えば、アセトアミノフェン分子の長い鎖または層は、ベンゼン環を挟む水素結合供与体と受容体によって形成されます。アセトアミノフェンの鎖または層間の弱い相互作用は、水素結合よりも切断に必要なエネルギーが少なくて済みます。その結果、滑り面が形成されます。

超分子シンソンとは、結晶化の初期段階で比較的強い分子間相互作用を形成する分子のペアであり、これらの分子ペアは結晶格子に見られる基本的な構造モチーフである。^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

欠陥または不完全性

点欠陥、傾斜境界、転位などの格子欠陥は、結晶構造とトポロジーに不完全性をもたらします。結晶構造のあらゆる乱れは、分子運動のメカニズムまたは程度を変化させ、それによって材料の機械的特性を変化させます。^{[ 31 ]}点欠陥の例には、空孔、置換不純物、格子間不純物、フレンケル欠陥、ショットキー欠陥などがあります。^{[ 32 ]}線欠陥の例には、刃状転位とらせん転位などがあります。^{[ 32 ]}

結晶構造の評価

X線回折などの結晶学的手法は、原子間の距離を定量化することによって材料の結晶構造を解明するために使用されます。 ^{[ 32 ]} X線回折技術は、特定の結晶構造が、 X線が結晶格子を回折した後に固有のパターンを作成することに依存しています。光学顕微鏡、電子顕微鏡、電界イオン顕微鏡、走査トンネル顕微鏡などの顕微鏡的手法は、材料の微細構造、欠陥、または転位を可視化するために使用できます。 ^{[ 32 ]}最終的に、これらの手法は、結晶化中の結晶子の成長と集合を詳細に説明し、適用された荷重に対する結晶子の動きを合理的に説明するために使用できます。 ^{[ 33 ]}示差走査熱量測定などの熱量測定法は、相転移を誘発して、エンタルピー、エントロピー、およびギブズ自由エネルギーの関連する変化を定量化します。^{[ 34 ]}融解および融合相転移は結晶材料の格子エネルギーに依存し、これを用いて試料の結晶化度をパーセントで決定することができる。ラマン分光法は、光散乱を利用して試料中の結合と相互作用する手法である。^{[ 35 ]}この技術は、化学結合、分子間相互作用、および結晶化度に関する情報を提供する。

機械的特性の評価

ナノインデンテーションは、結晶工学分野における機械的特性を測定するための標準的で広く受け入れられている方法です。^{[ 21 ] [ 36 ]}この方法は、結晶材料の硬度、弾性、充填異方性、および多形性を定量化します。 ^{[ 21 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}ヒルシュフェルト表面は、特定の等値面における電子密度の視覚モデルであり、分子間相互作用の視覚化と定量化に役立ちます。^{[ 41 ]}結晶工学でヒルシュフェルト表面を使用する利点は、これらの表面マップに分子とその近傍に関する情報が埋め込まれていることです。^{[ 41 ]}分子近傍に関する洞察は、分子特性の評価または予測に適用できます。^{[ 37 ]}エネルギーフレームワークを使用した地形およびすべり面解析の新しい方法は、相互作用エネルギーを柱または梁として表現する結晶充填モデルです。 ^{[ 25 ] [ 37 ] [ 40 ]}

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