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POLIMORFISMO
Il termine polimorfo deriva dal greco e significa
“che può assumere molte forme”
1

INTRODUZIONE
Le prime evidenze del fenomeno del polimorfismo in ambito cristallografico si
hanno nel 1822, quando Mitscherlich osserva il differente abito cristallino di
fosfati e arsenati.
Nel 1965 Walter McCrone definisce polimorfo “una fase solida cristallina di una
data specie che può dare luogo a due o più disposizioni reciproche delle molecole
allo stato solido”.
Tale definizione esclude:
a) Isomeri statici: cis/trans, E/Z, mer/fac…
Alluminio(tris-8-ossichinolina), Alq 3 : isomeri mer e fac
2

) Tautomeri:
E.g.: desmotropia nell’omeprazolo
Prashant M. Bhatt, Gautam R. Desiraju, Chem. Commun., 2007
c) Enantiomeri o diastereoisomeri:
E.g.: acido R,R-tartarico
acido S,S tartarico
acido R,S tartarico
d) Sistemi non molecolari:
E.g.: C, diamante/grafite; CaCO 3 , calcite/aragonite/vaterite;
ZnS, blenda/wurtzite; SiO 2 , quarzo/tridimite/cristobalite.
3

Successivamente:
Rosenstein and Lamy (1969): “Quando una sostanza può esistere in più di
uno stato cristallino, si dice allora che mostra polimorfismo”.
Burger (1983): “Se solidi composti da un solo componente possono
esistere in differenti reticoli cristallini, allora parliamo di polimorfismo”.
Reinke (1993): “Il polimorfismo è quel fenomeno per cui si possono
formare strutture supramolecolari con proprietà fisiche differenti e ben
definite da parte di specie chimiche identiche in fase liquida”.
Conseguenze:
Gli isomeri geometrici (statici) non sono polimorfi (Alq 3 )
I tautomeri possono essere polimorfi
Due enantiomorfi molecolari (L- e R-triptofano) non sono polimorfi
Due enantiomorfi ionici (ZnS) o covalenti (SiO 2 ) possono essere polimorfi
Conglomerati e racemati non sono polimorfi
Specie solvate non sono polimorfi (CaSO 4 / CaSO 4·0.5H 2 O / CaSO 4·2H 2 O)
4

Casi particolari:
1) Allotropi, i.e. polimorfi di elementi:
diamante / grafite
diamante
grafite
Diamante Topkapi
Palazzo Topkapi, Istanbul
fosforo bianco (P 4 ) e fosforo nero/rosso (P n )
zolfo (S 8 ) a bassa ed alta temperatura (T c = 119 °C)
5

α-Fe (ferrite), γ-Fe (austenite) e δ-Fe
T (°C)
1539
1394
LIQUIDO
δ-Fe (BCC)
γ-Fe (FCC), non magnetico
912
770
α-Fe (BCC), non magnetico
α-Fe (BCC), magnetico
tempo
La ferrite può disciogliere una bassissima quantità di carbonio (0.021% in
massa a 910 °C).
L’austenite può disciogliere una quantità di carbonio superiore (2.4% in massa
a 1146 °C) ed è la forma più impiegata per la produzione di acciaio
inossidabile.
6

2) Politipi, i.e. specie polimorfiche caratterizzate da sequenze di
impilamento diverse nello stesso cristallo:
grafite e carborundum SiC
MX 2 (come CdI 2 , MoS 2 , Mg(OH) 2 , etc.)
fillosilicati (miche)
composti di intercalazione
Grafite 2H
Grafite 3R
3) Oligomeri a diversa nuclearità, i.e. specie non polimorfiche che
danno liquidi differenti:
ciclopentano
cicloesano
polietilene (CH 2 ) n
S 8 e zolfo plastico (S n )
benzene (solido a bassa T), acetilene (gas a r.t.) e poliacetilene (CH) n
7

4) Isomeri dinamici:
In soluzione, gli isomeri E e Z interconvertono rapidamente:
K eq E Z K eq (T) = [Z]/[E] (K eq misurabile e.g. via NMR)
A temperatura costante, esiste un solo liquido con rapporti molari E:Z fissi.
Allo stato solido esistono tre fasi:
Fase A (da etanolo a 0 °C): tre molecole Z cristallograficamente indipendenti
Fase B (da etanolo a 0 °C): due molecole E cristallograficamente indipendenti
Fase C (da etanolo a 25 °C): una molecola E cristallograficamente indipendente
Per riscaldamento, B e C convertono in A, con cambio configurazionale da E a Z.
8

POLIMORFISMO: NOMENCLATURA
Esistono diversi formalismi con cui “etichettare” una famiglia di polimorfi:
Nomi comuni (tipicamente per minerali):
calcite, aragonite, vaterite (CaCO 3 ); rutilo, brookite e anatasio (TiO 2 )
Numeri arabi o romani:
(1, 2, 3,...) o (I, II, III,...)
Lettere latine o greche:
(a, b, c,…), (A, B, C,…) o (α, β, γ,…)
Nomi descrittivi:
forma rossa, polimorfo di alta temperatura, forma metastabile, etc.
Quasi sempre la sequenza è arbitraria, anche se sarebbe opportuna una
sequenza logica: sulla base dei punti di fusione, delle densità, della stabilità
termodinamica, della caratterizzazione temporale, etc.
9

POLIMORFISMO: FREQUENZA
“E’ mia opinione che qualsiasi composto possiede differenti forme polimorfe e
che, in generale, il numero di forme conosciute per un dato composto è
proporzionale al tempo e al denaro speso nella ricerca su tale composto”.
W.McCrone (1965)
In effetti, negli ultimi anni, si sono caratterizzate fasi polimorfe di
centinaia di molecole organiche (farmaci, coloranti, esplosivi, saponi...)
materiali inorganici convenzionali (metalli, cementi, pigmenti)
materiali inorganici di alta tecnologia (applicazioni ottiche, elettroniche...)
Inizialmente, il polimorfismo era considerato un evento occasionale e
disturbante. Attualmente, colte le potenzialità, la ricerca scientifica sfrutta ad
hoc le tecniche di crystal engineering e crystal seeding per la formazione di
specie polimorfe desiderate.
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Potenzialmente, ogni specie può dare polimorfismo; tuttavia, le condizioni
richieste per preparare uno specifico polimorfo, non ancora noto, non sono per
nulla ovvie.
La scala relativa di stabilità di possibili polimorfi può essere valutata con
accurati metodi computazionali. Tuttavia, quale polimorfo possa esistere, che
geometria possieda e quali siano le sue condizioni di nucleazione non sono
ancora facilmente predittibili.
La molecola 5-metil-2-[(2-nitrofenil)amino]-3-
tiofenecarbonitrile (ROY = Red, Orange, Yellow) dà
luogo, in fase solida, ad una famiglia di dieci
polimorfi con colori e conformazioni molecolari
differenti, di cui sette sono stati caratterizzati
strutturalmente (L. Yu).
11

POLIMORFISMO: UNO SGUARDO STORICO I
XIX secolo: caratterizzazione morfologica (colore, angoli interfacciali, indice di
rifrazione, punto di fusione e persino sapore – Schorlemmer 1874).
Inizio XX secolo: “Chemische Kristallographie”, Groth (1906-1919)
* 1906-1908: elementi e composti inorganici;
* 1910-1919: solidi organici;
circa 1000 composti: 4208 pagine e 3342 disegni (a mano – cfr slide successiva)
XX secolo: Deffet (1942)
1188 sostanze polimorfe a P ambiente e 32 a pressioni elevate
XX secolo: Kuhnert-Brandstätter (1971)
misure microscopiche con “hot-stage” per circa 1000 farmaci, ordinate per
punto di fusione, con dati degli eutettici con azobenzene e benzile.
Merck index: 10000 composti, con solo 140 polimorfi!
12

Pagine tratte da
“Chemische Kristallographie”, Groth
13

POLIMORFISMO: UNO SGUARDO STORICO II
“Crystallographic Data” in Analytical Chemistry (McCrone, 1948-1961):
ca. 200 composti, 140 dei quali organici.
Database elettronici:
NIST Crystal Data: contiene informazioni chimiche, fisiche,
cristallografiche e bibliografiche di oltre 237˙671 fasi cristalline organiche o
inorganiche. (NIST = National Institute of Standard and Technology).
Chemical Abstract Databases
Beilstein, Gmelin: contengono informazioni chimiche, fisiche,
cristallografiche, bibliografiche, di sintesi e reattività di specie organiche e
(inorganiche + organometalliche), rispettivamente.
ICSD, FIZ Karlsruhe: contiene informazioni chimiche, fisiche,
cristallografiche e bibliografiche di oltre 120˙000 specie inorganiche. (ICSD =
Inorganic Crystal Structure Database).
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CSD, CCDC: Contiene informazioni chimiche, cristallografiche,
bibliografiche di specie organiche e metallorganiche le cui strutture siano
state determinate via diffrazione di raggi X o neutroni da cristallo singolo o
da polveri. (CSD = Cambridge Structural Database).
PDF-2 e PDF-4, Powder Diffraction File, ICDD: contengono informazioni
chimiche, fisiche, bibliografiche, cristallografiche (senza e con coordinate
frazionarie, rispettivamente), lo spettro di diffrazione da polveri, acquisito o
simulato, di specie inorganiche e organiche.
Letterattura brevettuale (USPTO, ESPnet, etc.).
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POLIMORFISMO: UNO SGUARDO STORICO III
Diversi sono i criteri storicamente adottati per evidenziare il polimorfismo:
I polimorfi A e B di una stessa sostanza hanno punti di fusione differenti,
sebbene i loro liquidi siano identici.
La transizione da una forma a bassa temperatura (A) ad una forma ad alta
temperatura (B) avviene a una specifica temperatura di transizione, T c .
La forma A non può esistere a temperature superiori a T c , mentre B,
per motivi cinetici, può esistere al di sotto di T c come forma
metastabile.
A temperature inferiori a T c , B, posto in contatto con A, si trasforma
in A (con velocità impredicibile).
B può essere convertito in A per semplice shock meccanico
Nel passaggio da A a B si ha assorbimento di calore
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POLIMORFISMO: IMPORTANZA COMMERCIALE E INDUSTRIALE
Industria fotografica: differenze in solubilità dei diversi polimorfi creano
problemi durante lo sviluppo dell’immagine.
Industria alimentare I: la produzione del glutammato monosodico, usato
per incrementare i sapori, richiede la formazione del polimorfo α dell’acido L-
glutammico. La forma β coagula in un gel e non può essere trasformata nel
sale sodico.
Industria alimentare II: il punto di fusione e la reologia di diversi alimenti
dipende dall’organizzazione relativa delle lunghe catene alchiliche di diversi
acidi grassi (triacilgliceroli).
Industria delle materie plastiche: diversi polimeri danno strutture
polimorfe differenti, con gradi di cristallinità diversi.
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Industria farmaceutica: la
somministrazione di ingredienti
farmacologicamente attivi (API) avviene
spesso in forma di solido (pastiglie, capsule).
In generale, gli API possono essere amorfi
e/o esistere in forme morfologiche distinte,
quali polimorfi, pseudo-polimorfi (idrati,
solvati), co-cristalli.
Ogni forma possiede distinte caratteristiche
farmaceutiche (biodisponibilità, stabilità…)
chimico-fisiche (stabilità, densità, solubilità, igroscopicità, reattività…)
meccaniche (durezza, compattabilità…)
spettroscopiche (UV-Vis, IR, NIR, Raman, IR…)
È desiderabile come API la forma termodinamicamente più stabile,
meno soggetta a transizioni di fase o decomposizione chimica.
Tipicamente, però, è anche la forma meno solubile.
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In passato, la Abbott Laboratories ha dovuto ritirare dal
commercio il RITONAVIR, inibitore dell’enzima HIV proteasi,
in quanto durante la produzione era stato precipitato un
polimorfo indesiderato, avente diversa solubilità e, dunque,
biodisponibilità. La produzione delle capsule è stata
interrotta e il farmaco è stato venduto in forma liquida sino
a quando il protocollo di produzione non è stato in grado di
controllare il polimorfo utilizzato.
Nel gennaio del 1998, la casa farmaceutica Drugs Inc. immise sul mercato USA
un nuovo farmaco, la cui vendita crebbe significativamente durante i primi sei
mesi dal lancio. Nel luglio del 1998, la Pills PLC immise sul mercato un prodotto
concorrente, venduto a prezzo inferiore, con conseguente calo delle vendite del
prodotto farmaceutico della Drugs Inc. Due scienziati operanti presso la Drugs
Inc., incaricati di analizzare il farmaco della Pills PLC, scoprirono che si trattava
di una forma polimorfica del loro principio attivo.
19

Industria dei pigmenti e dei coloranti (DuPont, BASF, Dow, Clariant):
informazioni sui pigmenti possono essere rinvenute in Colour Index,
pubblicato e aggiornato da Society of Dyers and Colourists. Contempla
oltre 5000 pigmenti usati in vernici, inchiostri, plastica, gomma,
cemento, carta.
Molti pigmenti sono cristallini e posseggono polimorfi. Il colore e la
stabilità dei pigmenti dipendono dalla forma specifica. E.g. per il sale di
calcio del pigmento Rosso 53 sono note 15 forme polimorfe o
pseudopolimorfe, per Cu-ftalocianina, 9.
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Materiale Polimorfo Proprietà/Uso
Ftalocianina blu Alfa Blu rossastro
Beta
Gamma
Blu verdastro
Non usato come pigmento
Chinacridone Beta Violetto
Gamma
Alfa e Delta
Rosso
Non usati come pigmento
Biossido di titanio Rutile Bianco, opaco, indice di rifrazione 2.76
Anatasio Bianco, indice di rifrazione 2.55
Cromato di piombo Bruchite Non usato come pigmento
Ortorombico
Rosa pallido
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Industria elettronica: la produzione di film sottili in multistrato per la
produzione di testine magnetiche necessita la formazione di metalli a
struttura controllata, impiegando tecniche come CVD e sputtering.
Industria civile e bellica: Il trinitrotoluene (TNT) cristallizza in due
polimorfi (e anche in politipi). La stabilità e la cinetica di reazione
dipendono dal polimorfo presente.
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POLIMORFISMO: ORIGINE STRUTTURALE
Polimorfismo di impaccamento: molecole rigide
OH
conformazionalmente possono impaccare nello spazio in
strutture 3D differenti (paranitrofenolo).
NO 2
Polimorfismo conformazionale: molecole
flessibili posseggono differenti forme 3D, e
impaccano nello spazio in modo differente (2,2’-
O 2
N
NO 2
23
N
N
NO2
4,4’-esanitroazobenzene).
O 2
N
In generale, questi due casi coesistono.
Polimorfismo configurazionale: introdotto per tautomeri o isomeri
geometrici. E’ un utilizzo scorretto del termine polimorfismo.

POLIMORFISMO: APPROCCIO TERMODINAMICO
Diverse sono le interazioni che si possono instaurare tra ioni e molecole:
Interazioni Coulombiane (Ione-Ione)
Interazioni Ione-Dipolo (istantaneo o permanente)
Interazioni Dipolo-Dipolo (istantaneo o permanente)
Interazioni ad Idrogeno
Forze di dispersione
Interazioni π-π
È la differenza tra le interazioni non covalenti che stabilizza un reticolo
cristallino, stabile quando tutte le forze attrattive sono equamente bilanciate
da quelle repulsive.
24

Ad ogni specifico valore di temperatura e pressione, solo un polimorfo è
termodinamicamente stabile. Anche nel caso di sistemi polimorfici, la
stabilità termodinamica è valutata in termini di energia libera di Gibbs, G =
H – TS (H = entalpia, S = entropia, T = temperatura assoluta).
Le interazioni non covalenti, responsabili della stabilità di una fase,
influenzano i meccanismi con cui il calore è dissipato nel reticolo cristallino.
Misura della capacità di dissipare il calore è la capacità termica molare, C m ,
specifica per ogni polimorfo, misurabile con un calorimetro in condizioni di
pressione P o volume V costante:
C P,m = (∂H / ∂T) P
C V,m = (∂U / ∂T) V
ove H = entalpia; U = energia interna; T = temperatura assoluta.
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Per una sostanza, misurati i valori di C P,m , dall’espressione di C P,m si possono
calcolare i valori H T1 e S T1 ad una data temperatura T 1 :
H T1 = 0 ∫T1
CP,m dT + H 0 = U T1 + PV = E T1 Energia reticolare + E 0 ZPE + PV
S T1 = 0 ∫ T1 (C P,m /T) dT + S 0
[Dal terzo principio dalla termodinamica, S 0 = 0]
Misurati i C P,m , posso associare ad ogni sostanza i valori di entalpia ed entropia
ad una data temperatura.
Dati due polimorfi A e B, con A più stabile a T = 0, posso calcolarne la
differenza di entalpia ed entropia ad una data temperatura T 1 :
∆H T1 B,A = H T1 A - H T1 B = 0 ∫ T1 ∆C P,m(B,A) dT + ∆H 0 B,A
T1
∆S T1 B,A = S T1 A - S T1 B = 0 ∫ (∆C P,m(B,A) /T) dT + ∆S 0 B,A
Per cristalli perfetti, ∆S 0 B,A = 0
26

1) Per conformazioni molecolari simili, in assenza di transizioni di fase tra 0 e T 1 :
∆G T1 B,A = ∆H T1 B,A – T 1 ∆S T1 B,A
∆G T1 B,A = [∆H 0 B,A+ 0 ∫T1
∆CP,m(B,A) dT] – T 1 [ 0 ∫T1
(∆CP,m(B,A) /T)]dT
2) In presenza di transizioni di fase tra 0 e T 1 alla temperatura T PT bisogna
aggiungere due termini associati al calore latente: ∆H PT e ∆S PT = -∆H PT /T PT
Misurati i C P,m , posso dunque calcolare la differenza di entalpia, entropia ed
energia libera tra due polimorfi A e B ad una temperatura T 1 .
Si può inoltre dimostrare che:
∆G B,A = RTln(a A /a B ) ≈ RTln(p A /p B ) ≈ RTln(f A /f B ) ≈ RTln(s A /s B ) ≈ RTln(r A /r B )
Ovvero, il polimorfo meno stabile, B, ha una maggiore attività termodinamica a B ,
tensione di vapore p B , fugacità f B , solubilità s B , e velocità di reazione r B .
27

In forma grafica, per una data sostanza a pressione costante:
C P,m = ∂H/∂T tipicamente aumenta all’aumentare di T. Ne consegue
a) H aumenta all’aumentare della temperatura
b) TS aumenta all’aumentare della temperatura, in misura maggiore di H
c) G decresce all’aumentare della temperatura, poiché la pendenza di ∂G/∂T = -S
28

Sistema Enantiotropico: si definisce enantiotropico un sistema di polimorfi
tale per cui ogni polimorfo è termodinamicamente stabile in uno specifico
intervallo di temperature. I polimorfi di tale sistema vengono definiti
enantiotropi.
T = T t : temperatura di transizione tra i polimorfi I e II, alla quale le curve
dell’energia libera di Gibbs di I (G I ) e II (G II ) si incontrano. In queste
condizioni il sistema è all’equilibrio termodinamico (G I = G II , ∆G = 0). I e II
interconvertono reversibilmente.
T < T t : H II < H I e G II < G I .
II è la fase termodinamicamente stabile.
I può trasformarsi esotermicamente in II.
29

T > T t : H II > H I e G II > G I .
I è la fase termodinamicamente stabile.
II può trasformarsi endotermicamente in I.
T m,X : punto di fusione del polimorfo X, temperatura alla quale la curva
dell’energia libera di Gibbs di X incontra quella del liquido.
30

Sistema Monotropico: si definisce monotropico un sistema di polimorfi tale
per cui un solo polimorfo è termodinamicamente stabile al di sotto dei punti
di fusione di tutti. I polimorfi di tale sistema vengono definiti monotropi.
T < T m,A , G A < G B (con T m,A > T m,B ):
Il polimorfo A è termodinamicamente più
stabile in tutto l’intervallo di esistenza di A e B.
B può trasformarsi esotermicamente in A a
qualsiasi temperatura, ma con cinetiche lente.
Le curve dell’energia libera di Gibbs di A e B si incontrano a una
temperatura superiore ai loro punti di fusione. Il punto di transizione T t è
“virtuale”.
31

Diagrammi di Fase
Per un singolo componente con un singolo solido:
S-V: curva descrittiva tensione di vapore del
solido in funzione della temperatura. Solido e
vapore sono in equilibrio e costituiscono un
S-L
S-V
L-V
sistema univariante (i.e. dotato di un solo grado di
libertà). Tipicamente, all’aumentare di T aumenta
la pressione di vapore e la curva ha l’andamento
concavo crescente mostrato in figura.
L-V: curva descrittiva della tensione di vapore del liquido in funzione
della temperatura. Liquido e vapore sono in equilibrio e costituiscono un
sistema univariante. Tipicamente, all’aumentare della temperatura
aumenta la pressione di vapore e la curva ha l’andamento concavo
crescente mostrato in figura.
32

S-L
S-V
L-V
S-L: curva descrittiva del punto di fusione del
solido in funzione della pressione. Solido e liquido
sono in equilibrio e formano un sistema
univariante. Liquido e solido hanno densità poco
diverse e l’effetto della pressione sul punto di
fusione è poco marcato. Tipicamente, il volume
specifico del liquido è minore di quello del solido e
la retta ha la pendenza opposta rispetto a quella in
figura.
S-L-V: le tre fasi coesistono in equilibrio. Il sistema non ha gradi di libertà,
ovvero esiste solo uno specifico valore di pressione e temperatura a cui le tre
fasi coesistono.
Quantitativamente, le tre curve sono descritte dall’equazione di Clausius-
Clapeyron: dP/dT = ∆H/T∆V
33

Per un sistema polimorfico:
Punto 1: punto triplo solido A / solido B / vapore (reale o virtuale).
Punto 2: punto triplo solido A / solido B / liquido: “condensed T.P.”.
La pendenza di S A -S B è alta poichè ∆V m è generalmente piccolo. Ovvero cambiare
la pressione non cambia significativamente T t .
34

Inversione del Comportamento Polimorfico
In un sistema enantiotropico, ad alte pressioni
e temperature superiori a TP(2), la retta P =
P higher intercetta la curva S A -L, non la S A -S B : il
sistema diventa monotropico.
In un sistema monotropico, ad alte pressioni e
temperature superiori a TP(2), la retta P =
P higher intercetta la curva S A -S B , non le S A -L e
S B -L: il sistema diventa enantiotropico.
E’ necessario specificare a che P un sistema è stato caratterizzato.
35

La riformulazione termodinamicamente corretta di sistemi
enantiotropico e monotropico è dunque:
Un sistema enantiotropico ha un punto triplo stabile solido A /
solido B / vapore.
Un sistema enantiotropico ha un punto triplo metastabile solido
A / solido B / vapore.
36

Stabilità dei Polimorfi
1) Regola del Calore di Transizione:
a) Se si osserva una transizione di fase endotermica ad una data temperatura
T exp , allora T t < T exp e il sistema è enantiotropico.
b) Se si osserva una transizione di fase esotermica ad una data temperatura
T exp , allora non esiste un punto con T t < T exp e il sistema è i) monotropico
oppure ii) enantiotropico con T t > T exp .
Tale regola è valida se le curve H I e H II non si incontrano.
37

2) Regola del Calore di Fusione:
Se il polimorfo a più alto punto di fusione ha il più basso calore di fusione,
allora il sistema è enantiotropico.
Tale regola è valida se ∆H I → II ≈ ∆H m,II – ∆H m,I e ∆T m,X < 30 K.
3) Regola dell’Entropia di Fusione:
Se il polimorfo a più alto punto di fusione ha la più bassa entropia di fusione
(∆S m = ∆H m /T m ), allora il sistema è enantiotropico.
4) Regola della Capacità Termica:
Se il polimorfo a più alto punto di fusione ha la più alta capacità termica, il
sistema è enantiotropico. Poiché i polimorfi hanno C P
differenze sono difficili da misurare.
molto simili, le loro
38

5) Regola della Densità (Kitaigorodskii):
Il polimorfo più stabile di un sistema molecolare a 0 K è quello a più alta densità,
per la presenza di interazioni di dispersione più forti. La struttura cristallina a più
alta densità, i.e. con impaccamento più efficace, ha la minore energia libera di
Gibbs. La regola non vale in presenza di legami a idrogeno.
6) Regola dell’Infrarosso:
In presenza di legami a idrogeno, il polimorfo con frequenza di stretching X-H più
alta ha entropia maggiore.
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POLIMORFISMO: TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE
DSC, Calorimetria a scansione differenziale
TSC, corrente stimolata termicamente
Microscopia ottica con hot-stage e polarizzatore
SEM, microscopio elettronico a scansione
Determinazione del calore di dissoluzione
Tecniche NMR allo stato solido
Spettroscopie vibrazionali: IR e Raman
Diffrazione di raggi-X e termodiffrattometria
40

POLIMORFISMO: ALLOTROPIA del CARBONIO
Diamante
Grafite
Lonsdaleite
Fullereni
Carbon
black
Nanotubi
Tutti i polimorfi metastabili tendono spontaneamente a trasformarsi nella forma
stabile. La trasformazione può essere tuttavia cineticamente lenta.
Per esempio, il diamante dovrebbe trasformarsi in grafite in condizioni di temperatura
e pressione ambiente. La velocità della trasformazione è tuttavia stimata dell’ordine
dell’età dell’universo.
41

POLIMORFISMO: IL GHIACCIO
A basse pressioni (mbar)
Ad alte pressioni (kbar)
ghiaccio VII
liquido
p, mbar
solido
p, kbar
ghiaccio VI
Liquido
vapore
T, °C
ghiaccio V
ghiaccio II
ghiaccio III
ghiaccio I
T, °C
www.uwsp.edu/geo/projects/geoweb/participants/dutch/PETROLGY/Ice%20Structure.HTM
42

POLIMORFISMO: IL QUARZO
Quarzo (“low” o α; “high” o β), coesite, tridimite, cristobalite, stishovite
Può funzionare da termometro e barometro geologico.
43

POLIMORFISMO: CHINACRIDONE (PIGMENTO VIOLET 19)
Molecola
Cristallo
NH
O
NH
O
O
NH
O
NH
Soluzione diluita Fase α Fase β Fase γ
Usate per lacche e vernici
44

H
N
O
H
N
O
N
H
O
N
N
N
O
H
N
H
O
O
H
N
H
O
O
H
N
H
O
O
N
H
O
N
H
O
N
Molecola
Cristallo
H
La debole coniugazione
tra gli anelli benzenici
impartisce il colore giallo.
L’aumento della coniugazione nella molecola
diminuisce la separazione HOMO-LUMO: le bande
di assorbimento si spostano dal blu al verde e il
colore risultante si sposta dal giallo al rosso.
45

CHINACRIDONE: STRUTTURA DEI POLIMORFI β E γ
Fase β
Fase γ
E.F. Paulus et al., ECM-12, Moskow, 1989.
46

SELEZIONE DELLA FORMA POLIMORFA
(E DELLE PROPRIETA’) USANDO SOLUZIONI SOLIDE
H
N
O
H
N
O
O
H
N
N
H
O
H
H
O
H
N
N
H
N
H
O
O
H
N
N
H
O
H
Cl
O
H
N
O
N
H
O
Cl
O
N
H
O
N
H
Fase β
Fase γ
47

POLIMORFISMO: PIGMENTO ORANGE 36
Cl
N
N
H
N
O
O
O
H
N
H
N
N
H
O
Pigmento Orange 36
(Pigmento azo)
O
Sintesi
Solvente
Fase α
Marrone
senza usi commerciali
Fase β
Arancione
Novoperm ® Orange HL
48

POLIMORFISMO: PIGMENTO ORANGE 72
CH 3
CH 3
O
O
H
N
H
N
O
N
N
H
Cl
Cl
N
N
H
O
H
N
N
H
O
N
H
Pigmento Orange 72
(Pigmento diaril-azo)
N
H
O
Sintesi in acqua
Fase α
arancio scuro
metastabile
solventi
150 °C, 2 h
Sotto
agitazione
Fase γ
marrone
stabile ma senza interesse
Senza
agitazione
Fase β
arancio
stabile, commerciale
49

POLIMORFISMO: IMIDAZOLATI DI RAME(II), Cu(im) 2
Il primo report scientifico (Jarvis, Wells 1961) riporta un composto
blu, di cui è descritta la struttura cristallina ma non la sintesi.
Questa specie non è in realtà riproducibile, ed è stata evidenziata
solo occasionalmente come impurezza nei prodotti di reazione.
Modificando la sintesi e con un controllo attento della natura e concentrazione
dei reagenti e della temperatura, sono stati invece isolati quattro diversi
polimorfi:
BLU VERDE OLIVA ROSA
50

Him + CuSO 4 + NH 3
4M
r.t., una notte
Him + CuSO 4 + NaHCO 3
80 °C, H 2 O
Cu(Him) 2 CO 3. H 2 O
110 °C, 20’
Solido
Sospensione
80 °C, 2 h
Amorfo
Him + CuNO 3 + NaOH 0.05 M
r.t
Solido,
215 °C, N 2
Sospensione
45 °C, 2 gg
150 °C, 6 h
CuO +
Him fuso
51

? Traccia XRPD simile a Ni(im) 2 giallo (planare quadrato d 8 )
52

Specie Cu(im) 2 Cu(im) 2 Cu(im) 2 Cu(im) 2 Cu(im) 2
Colore Blu Blu Verde Oliva Rosa
SG I2/c R-3 Ccca C2/c ?
V/Z, Å 3 180 197 187 201 ?
ρ, g cm -3 1.824 1.667 1.753 1.632 ?
Topologia 3D 3D 2D 3D ?
Topologia PtS sodalite strati moganite ?
Cu(im) Cu(im) Cu 2 (im) 3 Cu 3 (im) 4
Bianco Oro Verde Malva
? C2/c P2 1 /n P-1
? 180 284 360
? 2.012 1.914 2.118
? 1D 3D 3D
? Zig-zag nuova NbO
Cavità NO Canali
7.5 %
NO
Isolate
11 %
?
? NO NO NO
Simmetria
di Sito per
gli Atomi di
Rame
-1
2
1 222
1
2
1
?
? -1 1
1
1
1
-1
-1
-1
Ref.
Acta
Cryst.
1961
Inorg.
Chem.
2001
Inorg.
Chem.
2001
Inorg.
Chem.
2001
Inorg.
Chem.
2001
Inorg.
Chem.
2001
Eur. J.
Inorg.
Chem.
2004
Chem.
Comm.
2004
Chem.
Comm.
2004
53

POLIMORFISMO: ACITRETIN © , UN FARMACO TRIMORFICO
CH 3
CH 3
CH 3
OH
H 3
C
O
H 3
C
O CH 3
Farmaco recentemente introdotto
per il trattamento della psoriasi
9.000
8.000
7.000
6.000
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
0
A citretin Form I 100.00 %
FORMA I
da THF
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72
100.000
90.000
80.000
70.000
60.000
50.000
40.000
30.000
20.000
10.000
0
-10.000
-20.000
A citretin Form II 100.00 %
FORMA II
da 2-propanolo
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72
45.000
A citretin Form III 100.00 %
40.000
35.000
30.000
25.000
20.000
FORMA III
15.000
10.000
5.000
0
-5.000
-10.000
da esano
54
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72

FORMA I (da cristallo singolo): Monoclina, P2 1 , Z’ = 4
SYN
ANTI
FORMA II (da polveri): Monoclina, P2 1 /n, Z’ = 1
ANTI
FORMA III (da polveri): Monoclina, P2 1 /c, Z’ = 1
SYN
C
H
O
55

FORMA I
DIMERI
FORMA II
DIMERI
FORMA III
CATENE
56

POLIMORFISMO: IL CIOCCOLATO
Se lasciato in un luogo caldo, il cioccolato fonde.
Per raffreddamento, risolidifica, dando un materiale opaco e
appiccicoso, piuttosto diverso dal materiale originario, lucido e
rigido.
La ragione è imputabile al fatto che, in ragione del trattamento
subito, il burro di cacao, uno degli ingredienti principali del
cioccolato, può cristallizzare in una delle sue sei forme
polimorfiche (I-VI).
Grazie al suo punto di fusione, leggermente minore della temperatura corporea, la forma V
è quella che imparte al cioccolato lucidità, rigidità, compattezza e la capacità di sciogliersi
in bocca. Le proprietà indesiderate sono dovute alla sua trasformazione nella forma VI,
termodinamicamente stabile, che fonde a ca. 35 °C, temperatura troppo alta per sciogliersi
in bocca e rendere il cioccolato gustoso per il consumatore.
Forma Metodo di isolamento P.f. medio, °C
I Raffreddamento rapido 16-18
II
Raffreddamento rapido a 2 °C.
1 h a 0 °C
III Solidificazione a 5-10 °C
Dalla forma II a 5-10 °C
IV Solidificazione a 16-21 °C
Dalla forma III a 16-21 °C
22-24
24-26
26-28
V Tempera 32-34
VI Dalla forma V a t.amb. in 4 mesi 35-36
57