Quim. Nova, Vol. 31, No. 4, 906-909, 2008

Nota Tcnica

MTODOS SIMPLES DE FORMAO DE MONOCRISTAL DE SUBSTNCIA ORGNICA PARA ESTUDO ESTRUTURAL POR DIFRAO DE RAIOS X# Silvio Cunha Instituto de Qumica, Universidade Federal da Bahia, Campus de Ondina, 40170-290 Salvador BA, Brasil Recebido em 7/1/08; aceito em 8/2/08; publicado na web em 10/3/08

SIMPLE METHODS OF MONOCRYSTAL FORMATION OF ORGANIC COMPOUNDS FOR X-RAY STRUCTURAL STUDIES. This work presents three operationally simple laboratory protocols for monocrystal growth of small-molecule organic compounds, which have been applied with success in the last ten years for the formation of single crystals for X-ray structural studies. In addition, five structure hints were formulated as general guidelines for selecting a small-molecule organic compound as a candidate for monocrystal growth: molecular weight >200 D, melting point >100 C, two or more aromatic rings in the structure, at least two sites for intermolecular hydrogen bond formation, and a halogen or other heavy atom in the structure. Keywords: monocrystal growth; X-ray; structural studies.

Conhecer a estrutura de pequenas molculas, tanto sintticas quanto isoladas de fontes naturais, uma das principais preocupaes dos qumicos e influencia diversas reas da cincia. Assim, necessrio determinar o arranjo dos tomos nas molculas para entender as propriedades qumicas, fsicas e biolgicas. Em particular, a determinao estrutural de micromolculas de substncias orgnicas atividade rotineira na pesquisa em qumica orgnica.1 Para este fim, h uma variedade de tcnicas qumicas e fsicas, estas ltimas associadas principalmente aos mtodos espectroscpicos e espectromtricos. Entretanto, poucos so os recursos disponveis quando se faz necessrio saber a distribuio espacial relativa dos tomos constituintes de uma dada molcula. Para isto, necessrio o emprego de uma tcnica que nos auxilie na obteno de informaes ao nvel da resoluo atmica, permitindo obter, mesmo que indiretamente, a correspondente imagem. Dentre as alternativas existentes, uma das mais frutferas a que faz uso da difrao dos raios X. Apesar dos avanos nas tcnicas espectromtricas empregadas na elucidao estrutural, notadamente em ressonncia magntica nuclear, existem muitos casos em que a elucidao completa no se d de maneira inequvoca. Como exemplo, basta citar alguns casos recentes de deduo estrutural equivocada de produtos naturais, cuja reviso tem sido necessria aps a sntese total da estrutura proposta, onde as propriedades da substncia sintetizada diferem do relatado como sendo o produto natural em questo.2-4 Em outras situaes, a elucidao das questes estereoqumicas, como a configurao absoluta de centros estereognicos ou a disposio relativa de grupos de tomos na cadeia carbnica principal, s possvel atravs da determinao estrutural pelo mtodo da difrao de raios X. Dessa forma, a obteno do monocristal da micromolcula da substncia orgnica sob estudo, ou de um derivado, passa a ser a etapa determinante da elucidao estrutural.5 Adicionalmente, a obteno de monocristais se faz necessria tambm para a obteno da estrutura tridimensional cristalina e a determinao das interaes intra e intermoleculares, tais como pontes de hidrognio clssicas e no-clssicas, interaes do tipo CH, determinao de sintons supramoleculares, etc.6# Este artigo dedicado, com admirao e estima, Professora Helena M. C. Ferraz, a Grande Dama da Sntese Orgnica Brasileira. *e-mail: silviodc@ufba.br

No nosso grupo de pesquisa em sntese orgnica e bioatividade molecular (GPSQ), tivemos que lanar mo, por diversas vezes, da determinao da estrutura cristalina para a elucidao estrutural inequvoca, bem como para obter informaes sobre as interaes intermoleculares e sua possvel correlao com a atividade biolgica dos compostos. Desta necessidade se estabeleceu uma frutfera colaborao entre o grupo de sntese orgnica do IQ-UFBA e o grupo de cristalografia do IF-UFG.7-22 O crescimento de cristal passou a ser, ento, atividade rotineira no GPSQ. Todavia, a falta de familiaridade do qumico orgnico com as tcnicas de crescimento de cristal representa uma lacuna na sua formao, e limita sobremaneira a possibilidade de explorar, em todos os detalhes possveis, a estrutura da substncia por ele sintetizada ou isolada de fonte natural. Apesar de existirem descries muito didticas sobre mtodos de crescimento de cristais,23,24 as tcnicas apresentadas so relativamente sofisticadas para que sejam empregadas de forma disseminada entre qumicos orgnicos, e, geralmente, foram desenvolvidas e exemplificas no crescimento de monocristais de substncias inorgnicas e compostos de coordenao, em que a cristalinidade relativamente mais acentuada em funo da atuao de foras inicas. Para a maioria das substncias orgnicas atuam apenas as foras de natureza covalentes, o que torna menos acentuada a cristalinidade. Por estes motivos, decidimos apresentar aqui trs tcnicas simples de crescimento de cristais de micromolculas de substncias orgnicas, que utilizamos com sucesso no nosso grupo de pesquisa e que so acessveis a qualquer laboratrio qumico, com a inteno de contribuir para sanar esta lacuna na formao dos qumicos orgnicos. Exemplos das aplicaes dessas tcnicas podem ser encontrados nas publicaes do GPSQ.7-22 Para avaliar se exeqvel crescer um monocristal de uma substncia orgnica de massa molecular pequena, algumas diretrizes empricas podem ser formuladas a ttulo de guia geral. importante destacar que os critrios apresentados a seguir no so excludentes nem absolutos, e representam as nossas observaes ao longo de uma dcada de experincia na avaliao do potencial de cristalinidade de micromolculas de substncias orgnicas. Dessa forma, para que uma substncia orgnica venha a fornecer um monocristal com as caractersticas adequadas obteno da estrutura cristalina via difrao de raios X, ao menos dois dos critrios apresentados a seguir devem ser observados,7-22 e quanto maior o

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Mtodos simples de formao de monocristal de substncia orgnica

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nmero de critrios atendidos maiores so as chances de se obter monocristal: massa molecular acima de 200 D; ponto de fuso superior a 100 C; possuir dois ou mais anis aromticos; ter dois ou mais stios de formao de pontes de hidrognio intermoleculares; ter na estrutura tomo de halognio ou outros tomos pesados. GENERALIDADES SOBRE OS EXPERIMENTOS DE CRESCIMENTO DE MONOCRISTAL Os trs mtodos apresentados a seguir baseiam-se na lenta formao de uma soluo saturada do slido em estudo. Todos os experimentos de crescimento de monocristal podem ser realizados em bancadas tpicas de laboratrio de sntese, desde que no submetidas a vibraes de equipamentos, fiquem longe de correntes de ar e de fontes de aquecimento e, tambm, sem incidncia direta de luz solar. Para solubilizar a amostra do slido, emprega-se um solvente polar de ponto de ebulio maior que 50 C. So solventes tpicos, em ordem de preferncia, clorofrmio, acetato de etila, etanol, metanol e 1,2-dicloroetano (DMSO e DMF apenas em casos extremos). Se forem observadas partculas em suspenso, a soluo deve ser filtrada para um recipiente limpo, caso contrrio pode haver crescimento de cristais geminados, na maioria das vezes inadequados para o experimento de difrao de raios X. O solvente apolar indicado nas Figuras 1-2 refere-se a solvente da baixa polaridade e ponto de ebulio inferior a 50 C. So solventes tpicos, em ordem de preferncia, pentano, ter de petrleo, hexano, ter etlico e, em caso extremo, diclorometano. Quando do uso do par de solventes, como nos Mtodos 1 e 2 abaixo descritos, pares de solventes tpicos so, para o Mtodo 1, clorofrmio/pentano, clorofrmio/ter de petrleo, acetato de etila/pentano, acetato de etila/ter de petrleo, etanol/ ter etlico; e, para o Mtodo 2, clorofrmio/hexano, diclorometano/ hexano, etanol/ter etlico. Adicionalmente, no se deve mover o recipiente de lugar aps a introduo do segundo lquido, como especificado em cada caso. Em todos os procedimentos, o aparecimento de cristais pode durar semanas, sendo que, quando formados, devem ser removidos do seio da soluo com o auxlio de uma esptula metlica, imediatamente depositados em papel absorvente e delicadamente envolvidos com este, para remoo do excesso do solvente, pois se deixados secar ao ar podem aparecer trincas no cristal. Mtodo 1 Baseia-se na saturao lquido-vapor de um lquido de polaridade superior pelo vapor de um segundo lquido de polaridade inferior e presso de vapor superior ao primeiro. Assim, em funo da volatilizao preferencial do lquido de menor ponto de ebulio, a cmara de saturao fica enriquecida com os vapores deste lquido, que lentamente difundem na soluo do slido/lquido polar, o que diminui lenta e gradualmente a polaridade da soluo, diminuindo a solubilidade da amostra e proporcionando a lenta formao de cristais. Procedimento Em um frasco de 10 mL de capacidade (tipo frasco de penicilina) solubilizar cerca de 10-20 mg do slido na menor quantidade possvel de um solvente polar. Para garantir que a soluo no fique saturada, adicionar metade da quantidade inicial requerida. Se observar partculas em suspenso, filtrar para outro frasco de igual capacidade. Introduzir, com o auxlio de uma pina metlica, o frasco contendo a soluo no centro de outro recipiente de maior capacidade e que possa ser hermeticamente fechado (como frascos de vidro de alimento pastoso para bebs, ou frasco pequeno de vidro de caf solvel, maionese, etc.). Com uma pipeta, adicionar lentamente e com cuidado o lquido de menor ponto de ebulio na

Figura 1. Representao esquemtica do Mtodo 1 de crescimento de monocristal

cavidade do recipiente maior, de tal forma que o nvel do lquido que circunda o recipiente menor fique acima do nvel da soluo contida neste. Deve-se tomar cuidado para no adicionar uma quantidade excessiva do lquido de menor ponto de ebulio, para que a fora empuxo no provoque o tombamento do recipiente menor contendo a soluo. Fechar com cuidado o frasco maior, deixar o sistema em repouso e aguardar o aparecimento dos cristais. Mtodo 2 Baseia-se na difuso lenta de um lquido de menor polaridade em outro de maior polaridade, em funo de pequena rea superficial de contato entre eles, proporcionado pelo emprego de um tubo de vidro longo (15 cm) e de dimetro interno pequeno (