Polymorphie und Hydratbildung

Die Möglichkeit einer Verbindung in mehreren kristallinen Formen (Modifikationen, Solvaten und Hydraten) existieren zu können ist eine der größten Herausforderungen, aber auch gleichzeitig eines der faszinierendsten Phänomene der Festkörperchemie. Zum jetzigen Zeitpunkt sind wir weder in der Lage die Anzahl an praktisch relevanten Festformen vorherzusagen, noch unter welchen Bedingungen sich diese bilden bzw. existieren können. Polymorphie, sowie Sovlat- und Hydratbildung ist sowohl für die Grundlagenforschung, als auch für die Anwendung von Bedeutung, da verschiedene Festphasen in der Regel deutlich unterschiedliche physikalische Eigenschaften besitzen (z.B. Löslichkeit, Dichte, Härte, Schmelzpunkt, etc.). Speziell bei Arzneistoffen (über 80% werden in fester Form verwendet) können sich die unterschiedlichen Formen auf die Verarbeitbarkeit, Stabilität und schließlich auf die Wirksamkeit eines Arzneimittels auswirken. Es sind jedoch nicht nur Arzneistoffe, sondern auch andere Materialien, wie Pflanzenschutzstoffe, Sprengstoffe, Pigmente, etc. von diesem Phänomen betroffen. Daher wird das Interesse an computerunterstützten ab initio Kristallstrukturvorhersagen immer größer. Theoretische Vorhersagen würden in vielerlei Hinsicht äußerst nützlich sein und auftretende Probleme, beispielsweise in der Produktion oder Patentierung, könnten dadurch vermieden werden. Obwohl wir noch weit davon entfernt sind Kristallstrukturen organischer Verbindungen allein von der Strukturformel vorherzusagen, haben Untersuchungen bereits gezeigt, dass theoretische Berechnungen eine wertvolle Ergänzung zum experimentellen Polymorphiescreening sein können. Richtig eingesetzte Vorhersagen können helfen neue Formen zu entdecken und das wissenschaftliche Verständnis für die Eigenschaften experimentell gefundener Formen liefern. Gegenstand des geplanten Forschungsprojektes ist die systematische Untersuchung einer Auswahl von strukturell ähnlichen organischen Modellverbindungen hinsichtlich Polymorphie und Solvat/Hydratbildung. Um die molekularen Ursachen der Bildung und Stabilität der einzelnen Festformen verstehen zu lernen, wird eine kombinierte Strategie aus rein experimentellem und rein theoretischem Ansatz gewählt. Die Modellverbindungen (Hydroxybenzole, Benzolcarbonsäuren und Hydroxybenzoesäuren) wurden so selektiert, dass dieses Vorhaben hinsichtlich der theoretischen Strukturvorhersagen neuartige Herausforderungen bietet. Dazu gehört die Tatsache, dass die Verbindungen sowohl polymorphe Formen, als auch Hydrate bilden. Ein besonders interessanter Aspekt dabei ist auch die Existenz von polymorphen Hydraten einerseits, und der Existenz von Hydraten mit unterschiedlichem Wassergehalt andererseits. Die experimentellen Arbeiten sollen die Richtigkeit von theoretischen Berechnungen belegen und umgekehrt. Die gesammelten Erkenntnisse dieses Projekts sollen dazu beitragen das Verständnis von supramolekularen Organisationsprinzipien bei organischen Kristallen insbesondere von polymorphen Formen und Hydraten zu verbessern, und dem großen Ziel etwas näher zu rücken, reale Kristallstrukturen und deren Modifikationen mit theoretischen Modellen vorherzusagen.