Polimorfo: múltiples formas de la materia

Descripción

Es un fenómeno por el cual una sustancia puede existir en más de una forma o estructura cristalina, con la misma composición química. Las distintas formas, también conocidas como polimorfos, se producen por diferencias en la disposición de los átomos o moléculas en la estructura sólida. El polimorfismo desempeña un papel importante en la química, la ciencia de los materiales y la industria farmacéutica, ya que estas diferentes formas pueden presentar propiedades físicas, químicas y mecánicas distintas.

Conceptos básicos del polimorfismo

En esencia, el polimorfismo se produce cuando un material puede cristalizar en más de una disposición, aunque su composición molecular o atómica permanezca inalterada. Estas estructuras cristalinas únicas se denominan polimorfos. Estas distintas disposiciones afectan al comportamiento de la sustancia, como su solubilidad, estabilidad, punto de fusión y propiedades ópticas. La disposición particular de las moléculas en la red cristalina define las propiedades macroscópicas del material y puede variar significativamente con el polimorfo.

Las técnicas para identificar los polimorfos incluyen la difracción de rayos X, que muestra la estructura cristalina, y métodos de análisis térmico como la calorimetría diferencial de barrido, que detectan diferencias en los puntos de fusión y los comportamientos térmicos.

Tipos de polimorfos

Las condiciones en las que se forman pueden clasificar los polimorfos en diferentes categorías:

• Polimorfo estable: Es la forma termodinámicamente más estable a una determinada temperatura y presión. Suele ser la forma más abundante y persistente del material en condiciones ordinarias.
• Polimorfo metaestable: Estos polimorfos son estables sólo en condiciones específicas y pueden transformarse en el polimorfo estable con el tiempo o bajo cambios de temperatura o presión.
• Formas amorfas: Aunque no se consideran estrictamente polimorfos, los sólidos amorfos, como los vidrios, no tienen una estructura interna ordenada como los polimorfos cristalinos. También pueden mostrar polimorfismo en relación con las formas cristalinas.

Ejemplos de polimorfismo

• El carbono: El carbono es uno de los ejemplos más conocidos de polimorfismo, ya que existe en varios polimorfos, como el diamante y el grafito. Tanto el diamante como el grafito están formados completamente por átomos de carbono, pero sus propiedades son sorprendentemente diferentes. El diamante tiene una estructura tetraédrica tridimensional rígida y es el material más duro conocido, mientras que el grafito está formado por capas de átomos de carbono dispuestas en planos planos y puede ser blando, resbaladizo y buen conductor de la electricidad.
• Azufre: El azufre también se presenta en varias modificaciones polimórficas, siendo la más común el azufre rómbico, estable a temperaturas ordinarias. A temperaturas elevadas, suele transformarse en la modificación monoclínica del azufre, que es más densa. La transformación entre las dos formas mencionadas depende de la temperatura y, por tanto, provoca cambios en la estructura cristalina del azufre.
• Dióxido de titanio (TiO₂): Uno de los ejemplos más conocidos de polimorfismo en compuestos inorgánicos es el dióxido de titanio, TiO₂. Se presenta en muchos polimorfos diferentes, como anatasa, rutilo y brookita, que son los más comunes. Estos polimorfos difieren en estructura cristalina y propiedades. Por ejemplo, el rutilo es la forma más estable y común de TiO₂, muy utilizada en pigmentos, mientras que la anatasa tiene muchas aplicaciones en fotocatálisis por su mayor superficie.
• Industria farmacéutica: En esta industria, el polimorfismo tiene gran importancia. Muchos fármacos se presentan en varios polimorfos que pueden tener gran influencia en su solubilidad, velocidad de disolución y biodisponibilidad. Por ejemplo, el fármaco teofilina se utiliza en casos de asma y se presenta en varios polimorfos, cuya eficacia y estabilidad pueden variar. Toda metodología de desarrollo de fármacos requiere el eventual descubrimiento y selección del polimorfo ideal.
• Sales y compuestos orgánicos: El polimorfismo también se refleja en una variedad de sales inorgánicas y orgánicas. Algunos ejemplos clásicos son el sulfato de cobre, CuSO₄, que puede existir en varios polimorfos, como el pentahidrato y el monohidrato, simplemente basándose en un contenido de agua diferente. Los compuestos orgánicos como el ibuprofeno y el paracetamol presentan polimorfismo, y una forma puede tener mayor solubilidad en comparación con otra o velocidades de disolución más rápidas, por lo que adquieren importancia durante los procesos de desarrollo y formulación en el diseño de fármacos.

Aplicaciones del polimorfismo

Las aplicaciones del polimorfismo son innumerables y varían mucho entre los distintos campos:

1. Farmacéutico: Los polimorfos de los fármacos pueden afectar a su eficacia, estabilidad y procesos de fabricación. Las empresas farmacéuticas estudian el polimorfismo con detenimiento para optimizar la solubilidad y biodisponibilidad de los fármacos. Se selecciona un polimorfo adecuado para la formulación de fármacos con el fin de garantizar su mejor absorción en el organismo.
2. Ciencia de los materiales: El polimorfismo desempeña un papel en la creación de materiales avanzados, sobre todo en el desarrollo de nuevos polímeros, semiconductores y nanomateriales. Las distintas propiedades físicas de los polimorfos, como la dureza, la conductividad o la transparencia, pueden adaptarse a usos específicos.
3. Industria alimentaria: El polimorfismo también puede observarse en algunos ingredientes alimentarios como la manteca de cacao y el azúcar. Las diferentes formas cristalinas de estas sustancias pueden afectar a la textura, la sensación en boca y la calidad de los productos alimentarios. Por ejemplo, la forma cristalina del chocolate afectará a su suavidad y punto de fusión, de ahí su calidad en el producto final.
4. Química y catálisis: Algunas reacciones químicas pueden tener una predisposición hacia la formación de un polimorfo sobre otro en función de las condiciones de reacción. El estudio del polimorfismo en catálisis permite preparar catalizadores más activos y selectivos, especialmente para aplicaciones industriales.

Preguntas más frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre polimorfos y alótropos?

Mientras que los alótropos son formas estructurales de un elemento, los polimorfos se refieren a las distintas formas en las que puede cristalizar una determinada sustancia. Se dice que el carbono tiene diferentes alótropos, concretamente el diamante y el grafito. En la mayoría de los casos, sin embargo, el término polimorfo se utiliza para compuestos que cristalizan en más de una forma.

¿Por qué es importante el polimorfismo en la industria farmacéutica? La razón es que las distintas formas polimórficas de un mismo fármaco tienen propiedades diferentes, como la solubilidad y la biodisponibilidad. El polimorfo correcto puede mejorar la eficacia, la estabilidad y el proceso de fabricación de un fármaco.

¿Pueden los polimorfos cambiar de una forma a otra?

Sí, los polimorfos pueden transformarse de una forma a otra, especialmente al variar la temperatura, la presión o las condiciones ambientales. En la mayoría de los casos, los polimorfos metaestables se transforman gradualmente en las formas más estables.

¿Son siempre estables los polimorfos?

No, no todos los polimorfos son estables; algunos son metaestables y sólo existen en determinadas condiciones, transformándose en la forma más estable cuando cambian las condiciones.

¿Cómo identifican los científicos los polimorfos?

Los científicos investigan las formas cristalinas de muchas sustancias mediante técnicas como la difracción de rayos X. Otras técnicas, como el análisis térmico y la espectroscopia, también pueden ayudar a identificar los polimorfos detectando diferencias en propiedades como los puntos de fusión y la solubilidad.