Wpływ wysokiego ciśnienia na struktury krystaliczne, polimorfizm i oddziaływania międzycząsteczkowe w najprostszych węglowodorach alifatycznych i ich pochodnych

Abstract

Rozprawa doktorska dotyczy wpływu wysokiego ciśnienia na struktury krystaliczne, polimorfizm oraz oddziaływania międzycząsteczkowe w najprostszych węglowodorach alifatycznych i ich pochodnych. Badania obejmowały małe cząsteczki organiczne zbudowane z lekkich pierwiastków (C, H, N, O), które w warunkach normalnych występują jako ciecze lub gazy i są słabo reprezentowane w strukturalnych bazach danych. Zastosowanie wysokiego ciśnienia umożliwiło ich krystalizację in situ oraz analizę struktur faz stałych bez użycia rozpuszczalników i mediów hydrostatycznych. Główną metodą badawczą była wysokociśnieniowa monokrystaliczna dyfrakcja rentgenowska prowadzona w komorze diamentowej, uzupełniona o obliczenia kwantowo-mechaniczne oraz analizę powierzchni Hirshfelda. W pracy zbadano szeregi homologiczne amin alifatycznych, symetryczne etery dialkilowe, izomery butenu oraz izobutan. Łącznie wyznaczono 64 nowe struktury krystaliczne i odkryto 20 nieznanych wcześniej polimorfów. Wyniki wykazały, że odpowiedź kryształów na kompresję zależy od geometrii i symetrii cząsteczek, ich elastyczności konformacyjnej oraz charakteru dominujących oddziaływań międzycząsteczkowych. Praca pogłębia zrozumienie mechanizmów stabilizacji prostych kryształów molekularnych pod wysokim ciśnieniem.

This doctoral dissertation investigates the effect of high pressure on crystal structures, polymorphism, and intermolecular interactions in the simplest aliphatic hydrocarbons and their derivatives. The study focuses on small organic molecules composed of light elements (C, H, N, O), which are liquids or gases under ambient conditions and are poorly represented in structural databases. High pressure enabled their in situ crystallization and structural characterization without the use of solvents or hydrostatic media. The main experimental method was high-pressure single-crystal X-ray diffraction in a diamond anvil cell, supported by quantum-mechanical calculations and Hirshfeld surface analysis. The investigated systems included homologous series of aliphatic amines, symmetric dialkyl ethers, butene isomers, and isobutane. In total, 64 new crystal structures were determined, and 20 previously unknown polymorphs were discovered. The results show that the response of these molecular crystals to compression depends on molecular geometry, symmetry, conformational flexibility, and the dominant intermolecular interactions, from hydrogen bonding to dispersion forces. The dissertation demonstrates that high pressure is an effective tool for studying the structural behaviour of simple organic molecules and provides new insight into the stabilization of molecular solids by weak intermolecular interactions.