Studies of Polymorphs and Solvates of Molecular Organic Solids

333 Pages·2016·5.4 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE DE LISBOA
FACULDADE DE CIÊNCIAS

Studies of Polymorphs and Solvates of
Molecular Organic Solids

Doutoramento em Química
Especialidade em Química-Física

Abhinav Joseph

Tese orientada por:
Prof. Dr. Manuel E. Minas da Piedade

Documento especialmente elaborado para a obtenção do grau de doutor

2016
UNIVERSIDADE DE LISBOA
FACULDADE DE CIÊNCIAS

Studies of Polymorphs and Solvates of
Molecular Organic Solids

Doutoramento em Química
Especialidade em Química-Física

Abhinav Joseph

Tese orientada por:
Prof. Dr. Manuel E. Minas da Piedade

Júri:
Presidente:
● Prof. Dr. Ana Maria Jara Ponces da Costa Freire
Vogais:
● Prof. Dr. Maria Ermelinda da Silva Eusébio
● Prof. Dr. Ricardo António Esteves de Castro
● Prof. Dr. Luís Manuel das Neves Belchior Faia dos Santos
● Prof. Dr. José Artur de Sousa Martinho Simões
● Prof. Dr. Manuel Eduardo Ribeiro Minas da Piedade
● Dr. Carlos Eduardo Sabino Bernardes

Documento especialmente elaborado para a obtenção do grau de doutor

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (SFRH/BD/90386/2012)
2016

The research work presented in this thesis was essentially
carried out at the Molecular Energetics Group (CQB-FCUL)
and was financially supported by Foundation for Science and
Technology (FCT), Portugal through doctoral fellowship
(SFRH/BD/90386/2012).

To my Parents
Mr. and Mrs. Anil and Lalita Joseph
and
To my sister
Sakshi.

Acknowledgements

First and foremost, I would like to thank my supervisor, Prof. Dr. Manuel Eduardo Minas
da Piedade, for the opportunity to work in his group. I express my sincere gratitude to him for
his excellent guidance and motivation during the entire course of Ph.D. His expertise and
incisive insight had both been inspiring and critical in the completion of this work. I also thank
him deeply for all the support during these years of my stay in Lisbon.
I would like to thank, the members of the Molecular Energetics Group at CQB-FCUL,
namely Prof. Dr. José Artur Martinho Simões, Prof. Dr. João Paulo Leal, Prof. Dr. Rui Borges,
Dr. Rui Centeno, Dr. Elsa Gonçalves, Dr. Filipe Agapito, Dr. Ricardo Simões, Dr. Joana
Vitorino, Valdir Semedo, Rafael Bento, Cátia Lopes, Mariana Donato and Miguel Rendas for
being such wonderful colleagues. A special thanks to Dr. Carlos Bernardes, for his support in
computational experiments and several helpful discussions throughout this work.
Most of the results described in this thesis would not have been obtained without
contribution from other people. I take this opportunity to say heartfelt thanks to Prof. Dr.
Hermínio Diogo from IST-UL for granting me access to his laboratory and helping me in HSM
experiments; Prof. Dr. Fátima Piedade from DQB-UL and Dr. Franziska Emmerling from
Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), Germany for SC-XRD and crystal
structure analysis, Prof. Dr. Maria da Conceição Oliveira from IST-UL for LC-MS analysis, Dr.
Ana Viana from CQB-FCUL for performing AFM experiments, Prof. Dr. Matthias Epple and his
group at the University of Duisburg-Essen, Germany for SEM experiments, late Prof. Dr. Raisa
Varushchenko and Dr. Anna Druzhinina from Moscow State University, Russia for adiabatic
calorimetry experiments and Prof. Dr. Gérard Coquerel from Université de Rouen, France for
his advice and for helpful discussions. I also take this opportunity to sincerely acknowledge the
Foundation for Science and Technology (FCT), Portugal, for providing financial assistance in the
form of doctoral fellowship (SFRH/BD/90386/2012).
Thanks to my landlady Mrs. Aurora Maria, for providing me a comfortable
accommodation.
i
My deepest gratitude to Pastor Emmanuel Amissah, Mrs. Teresa Amissah, Mr Wesley
Mathew and Mrs. Anila Wesley for their hospitality, counselling and support.
My time in Lisbon was enjoyable at large due to the friends that became part of my life. I
came across people from different nationalities and cultures and shared some delightful
moments with them. I would like to extend my kind regards to Dr. Emily Lange, Dr. Filmon
Grehabmikhan, Talita Silva Rego, Smiljan Slukan, Pedro Favale, Rachel Mainland, Arjan Van der
Laan, Ato Mensah, Rahul Ramchandran, Nana Kankam and Felix Diawuo.
I extend my gratitude to IAESTE India KU and Prof. Dr. Vasanth Kumar, Head Dept. of
Chemistry, Karunya University for providing me a valuable opportunity to undertake internship
at CQB-FCUL. I would also like to thank my teachers and colleagues from the Department of
Chemistry, Karunya University for their love and encouragements.
I would like to extend my sincere thanks to Mr Subhash Chand, Mrs. Baby Chand, Sneha
and Himanshu for all the support and confidence you placed in me.
Last but not least a special thanks to my family. Words cannot express how grateful I
am to you for all the sacrifices you have made for me. You were always there for me and it was
your love that sustained me thus far

Thank you all !
ABHINAV

ii
Resumo
O trabalho apresentado nesta tese foi realizado no Grupo de Energética Molecular do
Centro de Química e Bioquímica (CQB), Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa
(FCUL).
Compreender a relação entre a energética de moléculas ou grupos de moléculas e sua
estrutura e reactividade tem sido um objetivo central da investigação levada a cabo no Grupo
de Energética Molecular. Nos últimos anos, esse interesse tem sido estendido ao estudo do
polimorfismo e à formação/decomposição de solvatos em sólidos moleculares orgânicos, com
ênfase em substâncias com interesse farmacêutico e sistemas modelo que possam ser usados
para entender os dois fenómenos.
Hoje em dia, a maior parte dos compostos orgânicos com importância comercial, são
produzidos na forma de sólidos cristalinos. A maioria deles tem capacidade de adotar mais do
que uma estrutura cristalina, um fenómeno conhecido como polimorfismo. Diferentes
polimorfos podem apresentar diferenças significativas nas propriedades físicas, pelo que cada
polimorfo é, de facto, um material diferente. O polimorfismo proporciona, assim, por uma lado,
uma oportunidade única para selecionar formas sólidas com características ideais para uma
determinada aplicação sem alterar a molécula envolvida. Mas, por outro lado, a falta de
controlo do polimorfismo pode complicar seriamente o fabrico de um produto com
propriedades reprodutíveis. O controlo do polimorfismo é, assim, um objetivo muito
importante em indústrias como a farmacêutica, onde a segurança e eficácia de um princípio
ativo farmacêutico sólido depende significativamente da produção de materiais com
propriedades constantes. De um ponto de vida mais académico o polimorfismo permite,
também, investigar, por exemplo, o modo como diferentes interações intermoleculares
determinam uma dada estrutura cristalina.
Uma estratégia alternativa para modificar as características de um produto, sem alterar a
sua molécula essencial é a produção de solvatos. Com efeito, a inclusão de moléculas de
solvente na rede cristalina pode alterar significativamente o empacotamento molecular
relativamente a uma forma não solvatada. Os hidratos são os solvatos encontrados com mais
iii