Topological analysis of electron density and the electrostatic properties of isoniazid: an experimental and theoretical study

Isoniazid (isonicotinohydrazide) is an important first-line antitubercular drug that targets the InhA enzyme which synthesizes the critical component of the mycobacterial cell wall. An experimental charge-density analysis of isoniazid has been performed to understand its structural and electronic properties in the solid state. A high-resolution single-crystal X-ray intensity data has been collected at 90 K. An aspherical multipole refinement was carried out to explore the topological and electrostatic properties of the isoniazid molecule. The experimental results were compared with the theoretical charge-density calculations performed using CRYSTAL09 with the B3LYP/6-31G** method. A topological analysis of the electron density reveals that the Laplacian of electron density of the N-N bond is significantly less negative, which indicates that the charges at the b.c.p. (bond-critical point) of the bond are least accumulated, and so the bond is considered to be weak. As expected, a strong negative electrostatic potential region is present in the vicinity of the O1, N1 and N3 atoms, which are the reactive locations of the molecule. The C-H center dot center dot center dot N, C-H center dot center dot center dot O and N-H center dot center dot center dot N types of intermolecular hydrogen-bonding interactions stabilize the crystal structure. The topological analysis of the electron density on hydrogen bonding shows the strength of intermolecular interactions.

Intermolecular interactions, charge-density distribution and the electrostatic properties of pyrazinamide anti-TB drug molecule: an experimental and theoretical charge-density study

An experimental charge-density analysis of pyrazinamide (a first line antitubercular drug) was performed using high-resolution X-ray diffraction data (sin theta/lambda)(max) = 1.1 angstrom(-1)] measured at 100 (2) K. The structure was solved by direct methods using SHELXS97 and refined by SHELXL97. The total electron density of the pyrazinamide molecule was modeled using the Hansen-Coppens multipole formalism implemented in the XD software. The topological properties of electron density determined from the experiment were compared with the theoretical results obtained from CRYSTAL09 at the B3LYP/6-31G** level of theory. The crystal structure was stabilized by N-H center dot center dot center dot N and N-H center dot center dot center dot O hydrogen bonds, in which the N3-H3B center dot center dot center dot N1 and N3-H3A center dot center dot center dot O1 interactions form two types of dimers in the crystal. Hirshfeld surface analysis was carried out to analyze the intermolecular interactions. The fingerprint plot reveals that the N center dot center dot center dot H and O center dot center dot center dot H hydrogen-bonding interactions contribute 26.1 and 18.4%, respectively, of the total Hirshfeld surface. The lattice energy of the molecule was calculated using density functional theory (B3LYP) methods with the 6-31G** basis set. The molecular electrostatic potential of the pyrazinamide molecule exhibits extended electronegative regions around O1, N1 and N2. The existence of a negative electrostatic potential (ESP) region just above the upper and lower surfaces of the pyrazine ring confirm the pi-electron cloud.

Comprehending the Formation of Eutectics and Cocrystals in Terms of Design and Their Structural Interrelationships

The phenomenon of cocrystallization, which encompasses the art of making multicomponent organic solids such as cocrystals, solid solutions, eutectics, etc. for novel applications, has been less studied in terms of reliably and specifically obtaining a desired cocrystallization product and the issues that govern their formation. Further, the design, structural, and functional aspects of organic eutectics have been relatively unexplored as compared to solid solutions and cocrystals well-established by crystal engineering principles. Recently, eutectics were proposed to be designable materials on par with cocrystals, and herein we have devised a systematic approach, based on the same crystal engineering principles, to specifically and desirably make both eutectics and cocrystals for a given system. The propensity for strong homomolecular synthons over weak heteromolecular synthons and vice versa during supramolecular growth was successfully utilized to selectively obtain eutectics and cocrystals, respectively, in two model systems and in two drug systems. A molecular level understanding of the formation of eutectics and cocrystals and their structural interrelationships which is significant from both fundamental and application viewpoints is discussed. On the other hand, the obscurity in establishing a low melting combination as a eutectic or a cocrystal is resolved through phase diagrams.

Succinate esters: odd-even effects in melting points

Dialkyl succinates show a pattern of alternating behavior in their melting points, as the number of C atoms in the alkane side chain increases, unlike in the dialkyl oxalates Joseph et al. (2011). Acta Cryst. B67, 525-534]. Dialkyl succinates with odd numbers of C atoms in the alkyl side chain show higher melting points than the immediately adjacent analogues with even numbers. The crystal structures and their molecular packing have been analyzed for a series of dialkyl succinates with 1 - 4 C atoms in the alkyl side chain. The energy difference (Delta E) between the optimized and observed molecular conformations, density, Kitaigorodskii packing index (KPI) and C-H center dot center dot center dot O interactions are considered to rationalize this behavior. In contrast to the dialkyl oxalates where a larger number of moderately strong C-H center dot center dot center dot O interactions were characteristic of oxalates with elevated melting points, here the molecular packing and the density play a major role in raising the melting point. On moving from oxalate to succinate esters the introduction of the C2 spacer adds two activated H atoms to the asymmetric unit, resulting in the formation of stronger C-H center dot center dot center dot O hydrogen bonds in all succinates. As a result the crystallinity of long-chain alkyl substituted esters improves enormously in the presence of hydrogen bonds from activated donors.

Obtaining Synthon Modularity in Ternary Cocrystals with Hydrogen Bonds and Halogen Bonds

Design of ternary cocrystals based on synthon modularity is described. The strategy is based on the idea of extending synthon modularity in binary cocrystals of 4-hydroxybenzamide:dicarboxylic acids and 4-bromobenzamide:dicarboxylic acids. If a system contains an amide group along with other functional groups, one of which is a carboxylic acid group, the amide associates preferentially with the carboxylic acid group to form an acidamide heterosynthon. If the amide and the acid groups are in different molecules, a higher multicomponent molecular crystal is obtained. This is a stable pattern that can be used to increase the number of components from two to three in a multicomponent system. Accordingly, noncovalent interactions are controlled in the design of ternary cocrystals in a more predictable manner. If a single component crystal with the amideamide dimer is considered, modularity is retained even after formation of a binary cocrystal with acidamide dimers. Similarly, when third component halogen atom containing molecules are introduced into these binary cocrystals, modularity is still retained. Here, we use acidamide and Br/I center dot center dot center dot O2N supramolecular synthons to obtain modularity in nine ternary cocrystals. The acidamide heterosynthon is robust to all the nine cocrystals. Heterosynthons may assist ternary cocrystal formation when there is a high solubility difference between the coformers. For a successful crystal engineering strategy for ternary cocrystals, one must consider the synthon itself and factors like shape and size of the component molecules, as well as the solubilities of the compounds.

IR spectroscopy as a probe for C-H center dot center dot center dot X hydrogen bonded supramolecular synthons

Weak hydrogen bonds of the type C-H center dot center dot center dot X (X: N, O, S and halogens) have evoked considerable interest over the years, especially in the context of crystal engineering. However, association patterns of weak hydrogen bonds are generally difficult to characterize, and yet the identification of such patterns is of interest, especially in high throughput work or where single crystal X-ray analysis is difficult or impossible. To obtain structural information on such assemblies, we describe here a five step IR spectroscopic method that identifies supramolecular synthons in weak hydrogen bonded dimer assemblies, bifurcated systems, and p-electron mediated synthons. The synthons studied here contain C-H groups as hydrogen bond donors. The method involves: (i) identifying simple compounds/cocrystals/salts that contain the hydrogen bonded dimer synthon of interest or linear hydrogen bonded assemblies between the same functionalities; (ii) scanning infrared (IR) spectra of the compounds; (iii) identifying characteristic spectral differences between dimer and linear; (iv) assigning identified bands as marker bands for identification of the supramolecular synthon, and finally (v) identifying synthons in compounds whose crystal structures are not known. The method has been effectively implemented for assemblies involving dimer/linear weak hydrogen bonds in nitrobenzenes (C-H center dot center dot center dot O-NO), nitro-dimethylamino compounds (NMe2 center dot center dot center dot O2N), chalcones (C-H center dot center dot center dot O=C), benzonitriles (C-H center dot center dot center dot N C) and fluorobenzoic acids (C-H center dot center dot center dot F-C). Two other special cases of C-H center dot center dot center dot pi and N-H center dot center dot center dot pi synthons were studied in which the band shape of the C-H stretch in hydrocarbons and the N-H deformation in aminobenzenes was examined.

Tuning Mechanical Properties of Pharmaceutical Crystals with Multicomponent Crystals: Voriconazole as a Case Study

Crystals of voriconazole, an antifungal drug, are soft in nature, and this is disadvantageous during compaction studies where pressure is applied on the solid. Crystal engineering is used to make cocrystals and salts with modified mechanical properties (e.g., hardness). Cocrystals with biologically safe coformers such as fumaric acid, 4-hydroxybenzoic acid, and 4-aminobenzoic acid and salts with hydrochloric acid and oxalic acid are prepared through solvent assisted grinding. The presence (salt) or absence (cocrystal) of proton transfer in these multicomponent crystals is unambiguously confirmed with single crystal X-ray diffraction. All the cocrystals have 1:1 stoichiometry, whereas salts exhibit variable stoichiometries such as HCl salt (1:2) and oxalate salts (1:1.5 and 1:1). The nanoindentation technique was applied on single crystals of the salts and cocrystals. The salts exhibit better hardness than the drug and cocrystals in the order salts drug cocrystals. The molecular origin of this mechanical modulation is explained on the basis of slip planes in the crystal structure and relative orientations of the molecules with respect to the nanoindentation direction. The hydrochloride salt is the hardest solid in this family. This may be useful for tableting of the drug during formulation and in drug development.

Cocrystals of Hydrochlorothiazide: Solubility and Diffusion/Permeability Enhancements through Drug-Coformer Interactions

Hydrochlorothiazide (HCT) is a diuretic and a BCS class IV drug with low solubility and low permeability, exhibiting poor oral absorption. The present study attempts to improve the physicochemical properties of the drug using a crystal engineering approach with cocrystals. Such multicomponent crystals of HCT with nicotinic acid (NIC), nicotinamide (NCT), 4-aminobenzoic acid (PABA), succinamide (SAM), and resorcinol (RES) were prepared using liquid-assisted grinding, and their solubilities in pH 7.4 buffer were evaluated. Diffusion and membrane permeability were studied using a Franz diffusion cell. Except for the SAM and NIC cocrystals, all other binary systems exhibited improved solubility. All of the cocrystals showed improved diffusion/membrane permeability compared to that of HCT with the exception of the SAM cocrystal. When the solubility was high, as in the case of PABA, NCT, and RES cocrystals, the flux/permeability dropped slightly. This is in agreement with the expected interplay between solubility and permeability. Improved solubility/permeability is attributed to new drug-coformer interactions. Cocrystals of SAM, however, showed poor solubility and flux This cocrystal contains a primary sulfonamide dimer synthon similar to that of HCT polymorphs, which may be a reason for its unusual behavior. Hirshfeld surface analysis was carried out in all cases to determine whether a correlation exists between cocrystal permeability and drug-coformer interactions.

Structure-mechanical property correlations in mechanochromic luminescent crystals of boron difluoride dibenzoylmethane derivatives

The structure and mechanical properties of crystalline materials of three boron difluoride dibenzoylmethane (BF(2)dbm) derivatives were investigated to examine the correlation, if any, among mechanochromic luminescence (ML) behaviour, solid-state structure, and the mechanical behaviour of single crystals. Qualitative mechanical deformation tests show that the crystals of BF(2)dbm(Bu-t)(2) can be bent permanently, whereas those of BF(2)dbm(OMe)(2) exhibit an inhomogeneous shearing mode of deformation, and finally BF(2)dbmOMe crystals are brittle. Quantitative mechanical analysis by nanoindentation on the major facets of the crystals shows that BF(2)dbm(Bu-t)(2) is soft and compliant with low values of elastic modulus, E, and hardness, H, confirming its superior suceptibility for plastic deformation, which is attributed to the presence of a multitude of slip systems in the crystal structure. In contrast, both BF(2)dbm(OMe)(2) and BF(2)dbmOMe are considerably stiffer and harder with comparable E and H, which are rationalized through analysis of the structural attributes such as the intermolecular interactions, slip systems and their relative orientation with respect to the indentation direction. As expected from the qualitative mechanical behaviour, prominent ML was observed in BF(2)dbm(Bu-t)(2), whereas BF(2)dbm(OMe)(2) exhibits only a moderate ML and BF(2)dbmOMe shows no detectable ML, all examined under identical conditions. These results confirm that the extent of ML in crystalline organic solid-state fluorophore materials can be correlated positively with the extent of plasticity (low recovery). In turn, they offer opportunities to design new and improved efficient ML materials using crystal engineering principles.

Local similarity in organic crystals and the non-uniqueness of X-ray powder patterns

Two new concepts for molecular solids, 'local similarity' and 'boundary-preserving isometry', are defined mathematically and a theorem which relates these concepts is formulated. 'Locally similar' solids possess an identical short-range structure and a 'boundary-preserving isometry' is a new mathematical operation on a finite region of a solid that transforms mathematically a given solid to a locally similar one. It is shown further that the existence of such a 'boundary-preserving isometry' in a given solid has infinitely many 'locally similar' solids as a consequence. Chemical implications, referring to the similarity of X-ray powder patterns and patent registration, are discussed as well. These theoretical concepts, which are first introduced in a schematic manner, are proved to exist in nature by the elucidation of the crystal structure of some diketopyrrolopyrrole (DPP) derivatives with surprisingly similar powder patterns. Although the available powder patterns were not indexable, the underlying crystals could be elucidated by using the new technique of ab initio prediction of possible polymorphs and a subsequent Rietveld refinement. Further ab initio packing calculations on other molecules reveal that 'local crystal similarity' is not restricted to DPP derivatives and should also be exhibited by other molecules such as quinacridones. The 'boundary-preserving isometry' is presented as a predictive tool for crystal engineering purposes and attempts to detect it in crystals of the Cambridge Structural Database (CSD) are reported.

Controlling alloy formation and optical properties by galvanic replacement of sub-20 nm silver nanoparticles in organic media

Galvanic replacement is a versatile synthetic strategy for the synthesis of alloy and hollow nanostructures. The structural evolution of single crystalline and multiply twinned nanoparticles <20 nm in diameter and capped with oleylamine is systematically studied. Changes in chemical composition are dependent on the size and crystallinity of the parent nanoparticle. The effects of reaction temperature and rate of precursor addition are also investigated. Galvanic replacement of single crystal spherical and truncated cubic nanoparticles follows the same mechanism to form hollow octahedral nanoparticles, a mechanism which is not observed for galvanic replacement of Ag templates in aqueous systems. Multiply twinned nanoparticles can form nanorings or solid alloys by manipulating the reaction conditions. Oleylamine-capped Ag nanoparticles are highly adaptable templates to synthesize a range of hollow and alloy nanostructures with tuneable localised surface plasmon resonance.

Découverte et application de nouveaux motifs d'association propres à l'hexaphénylbenzène et à ses dérivés

Les propriétés des matériaux moléculaires proviennent à la fois de la structure des composantes individuelles et de la façon dont elles s’associent. Ce dernier aspect reste difficile à contrôler, malgré de grandes avancées en science des matériaux. Pour mieux comprendre la relation structure-propriétés, nous avons entrepris une étude systématique de l'hexaphénylbenzène et de ses dérivés, qui offrent une charpente symétrique et rigide. En premier lieu, nous avons attaché six groupements diaminotriazinyles sur l’hexaphénylbenzène afin de produire des réseaux tridimensionnels hautement poreux maintenus par des ponts hydrogène. En modifiant systématiquement le coeur moléculaire, nous avons excisé près du tiers de la molécule-mère, générant des réseaux supramoléculaires dont la porosité s’est élevée graduellement jusqu’à 75%, équivalant ainsi le record pour ce type de matériaux. Ensuite, nous avons étudié le comportement de l’hexakis(4-nitrophényl)benzène. Dans les structures cristallines obtenues, des interactions non-covalentes entre groupements nitro démontrent leur potentiel en chimie supramoléculaire. Le coeur moléculaire ne joue qu’un rôle secondaire dans l’empilement des molécules : seules quelques interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène sont évidentes. Cette dernière observation nous a poussés à étudier le comportement à l’état cristallin de l’hexaphénylbenzène et ses dérivés. En scrutant attentivement neuf structures cristallines de ces composés, nous avons décerné la présence récurrente d’interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central. Cette association caractéristique a été exploitée pour créer des réseaux supramoléculaires maintenus par des interactions C-H•••π sélectives entre un groupement éthynyle et le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène. Finalement, nous avons joint le côté sombre de l’ingénierie cristalline en utilisant nos connaissances dans le but d’empêcher la formation d’interactions directionnelles. En protégeant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène à l’aide de groupements alkyles, les interactions C-H•••π ont été pratiquement éliminées. Ces résultats offrent la possibilité de créer de nouveaux matériaux amorphes. Dans ces études, focalisées sur le système hexaphénylbenzène, nous avons mis en relief des phénomènes qui sont obscurcis dans d'autres familles de molécules. De plus, ce système a grandement facilité l’utilisation d’une approche méthodique pour explorer la relation structure-propriétés. Nos travaux nous ont amenés à des conclusions de valeur universelle en science des matériaux moléculaires.

Propriétés supramoléculaires des cations diimidazolium disubstitués : des complexes d’inclusion en solution aux interactions à l’état cristallin et cristal liquide

Les sels d’imidazolium ont un rôle important dans certaines protéines et acides nucléiques et ont été utilisés à de nombreuses reprises dans des assemblages supramoléculaires en raison de leurs propriétés uniques. Les sels de diimidazolium dérivés sont toutefois moins connus. Ils ont pour l’instant uniquement été utilisés comme des précurseurs de carbènes N-hétérocycliques. Ils sont donc à la base de plusieurs catalyseurs utilisés pour des réactions de couplage croisés mais leurs propriétés sont toutefois méconnues dans le cadre de la chimie supramoléculaire. Cette classe de composés a nottament attiré notre attention en raison de la facilité de modification de leurs propriétés physico-chimiques par modification de leur structure chimique. L’objectif général des travaux présentés dans cette thèse est l’étude des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium disubstitués en solution (aqueuse ou organique), ainsi qu’en phase solide ou cristal-liquide. L’influence de l’espaceur entre les deux noyaux imidazolium ainsi que l’influence des substituants latéraux et des contre-ions a été étudiée. Dans un premier temps, les propriétés de complexation des sels de diimidazolium à des macrocycles sont étudiées. Les sels bromure sont étudiés en solution aqueuse avec plusieurs cyclodextrines et le cucurbit[7]uril, et les sels hexafluorophosphate sont étudiés en solution organique pour leur complexation avec l’éther couronne DB24C8 et un calix[4]arène. Cette nouvelle classe de composés a montré de très bonnes propriétés de complexation à ces différents macrocycles en solution et a également permis de contrôler différents assemblages supramoléculaires à l’interface air-eau. Dans un deuxième temps, l’étude des sels de phénylènediimidazolium a permis de modifier les propriétés de complexation en solution pour obtenir la formation de complexes multiples avec le cucurbit[7]util en solution aqueuse. Cette même famille de composés a également permis la formation de cristaux liquides ioniques lorsque les substituants sont des chaînes alkyles plus longues. La résolution de plusieurs structures cristallines de différents sels de diimidazolium a finalement permis de comprendre la nature des interactions intermoléculaires à l’état cristallin. La recherche présentée dans cette thèse a donc permis une étude détaillée des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium dans tous les états de la matière qui leur sont accessibles.

Étude de l’association supramoléculaire bi- et tridimensionnelle d’oximes et d’hydrazones trigonales

Les concepts de la chimie supramoléculaire peuvent être exploités avantageusement pour contrôler la structure et les propriétés des matériaux moléculaires. Dans une approche productive, les composantes moléculaires du matériau peuvent être choisies pour pouvoir s'engager dans des interactions fortes et prévisibles avec leurs voisins. Cette stratégie, appelée la tectonique moléculaire, est caractérisée par la préparation de molécules particulières appelées tectons (du grec tectos, qui signifie constructeur) qui, par design rationnel, s’associent de manière prévisible via de multiples interactions non-covalentes afin de générer l’architecture désirée. Ce processus est réversible et guidé par la présence de fonctions chimiques complémentaires, appelées groupements de reconnaissance, qui sont orientées de manière à conférer un aspect directionnel aux interactions intermoléculaires. Ceci permet de positionner les molécules voisines de façon prédéterminée. Les contraintes imposées par les interactions s’opposent souvent à la tendance naturelle des molécules à former une structure compacte et permettent donc à d'autres molécules invitées d’occuper un volume appréciable dans le matériau, sans toutefois contribuer directement à l'architecture principale. Appliquée à la cristallisation, cette approche peut générer des cristaux poreux, analogues aux zéolites. Les ponts hydrogène offrent une interaction non-covalente de choix dans cette stratégie car ils sont forts et directionnels. L’exploration d’une multitude de fonctions chimiques connues pour pouvoir participer à la formation de ponts hydrogène a permis de créer une grande diversité de nouveaux matériaux lors de l’évolution du domaine du génie cristallin. Une molécule classique, qui illustre bien la stratégie tectonique et qui a eu un fort impact dans le domaine de la chimie supramoléculaire, est l’acide 1,3,5-benzènetricarboxylique, communément appelé acide trimésique. L’acide trimésique donne une orientation trigonale à trois groupements carboxyles, favorisant ainsi la formation d'un réseau hexagonal retenu par ponts hydrogène. Nous avons visé une modification dans laquelle les groupements -COOH de l'acide trimésique sont remplacés par deux autres groupements de reconnaissance, jusqu’ici peu exploités en chimie supramoléculaire, l’oxime et l’hydrazone. Nous rapportons la synthèse et la cristallisation de différentes trioximes et trihydrazones analogues à l'acide trimésique. Les cristaux obtenus ont été analysés par diffraction des rayons-X et leurs structures ont été déterminées. L’auto-assemblage de différentes trioximes et trihydrazones en 2D par adsorption sur graphite a également été étudié en utilisant la microscopie à balayage à effet tunnel. Nos résultats nous permettent de comparer l'organisation en 2D et en 3D de différents analogues de l'acide trimésique.

Organisation moléculaire dirigée par le groupe CONH2 en 2D et 3D

Notre étude a pour objet la conception, la synthèse ainsi que l’étude structurale d’architectures supramoléculaires obtenues par auto-assemblage, en se basant sur les concepts de la tectonique moléculaire. Cette branche de la chimie supramoléculaire s’occupe de la conception et la synthèse de molécules organiques appelées tectons, du grec tectos qui signifie constructeur. Le tecton est souvent constitué de sites de reconnaissance branchés sur un squelette bien choisi. Les sites de reconnaissance orientés par la géométrie du squelette peuvent participer dans des interactions intermoléculaires qui sont suffisamment fortes et directionnelles pour guider la topologie du cristal résultant. La stratégie envisagée utilise des processus d'auto-assemblage engageant des interactions réversibles entre les tectons. L’auto-assemblage dirigé par de fortes interactions intermoléculaires directionnelles est largement utilisé pour fabriquer des matériaux dont les composants doivent être positionnés en trois dimensions (3D) d'une manière prévisible. Cette stratégie peut également être utilisée pour contrôler l’association moléculaire en deux dimensions (2D), ce qui permet la construction de monocouches organisées et prédéterminées sur différents types des surfaces, tels que le graphite.Notre travail a mis l’accent sur le comportement de la fonction amide comme fonction de reconnaissance qui est un analogue du groupement carboxyle déjà utilisé dans plusieurs études précédentes. Nous avons étudié le comportement d’une série de composés contenant un noyau plat conçu pour faciliter l'adsorption sur le graphite et modifiés par l'ajout de groupes amide pour favoriser la formation de liaisons hydrogène entre les molécules ainsi adsorbées. La capacité de ces composés à former de monocouches organisées à l’échelle moléculaire en 2D a été examinée par microscopie à effet tunnel, etleur organisation en 3D a également été étudiée par cristallographie aux rayons X. Dans notre étude, nous avons systématiquement modifié la géométrie moléculaire et d'autres paramètres afin d'examiner leurs effets sur l'organisation moléculaire. Nos résultats suggèrent que les analyses structurales combinées en 2D et 3D constituent un important atout dans l'effort pour comprendre les interactions entre les molécules adsorbées et l’effet de l’interaction avec la surface du substrat.