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14.03.11 Bessere Vorhersagbarkeit von Kristallstrukturen

Harte Kristall-Nuss geknackt

Korrekte Vorhersage aller drei bekannten Kristallstrukturen eines Sulfonimids

Abb. 1: Frühere Fehlschläge bei der molekülmechanischen Voraussage der Polymorphe eines Sulfonimids ließen vermuten, dass die Kristallstrukturvorhersage wegen der kinetischen Natur der Kristallisation von eingeschränktem Nutzen sei. Nun ermöglicht ein quantenmechanischer Ansatz die Vorhersage der Strukturen aller drei bekannten Polymorphe. Genaue Gitterenergieberechnungen genügen also, um die Polymorphe kleiner organischer Moleküle vorauszusagen.
Quelle: Angewandte Chemie

Es kommt nicht nur darauf an, aus welchen Molekülen ein Stoff besteht, sondern auch wie diese räumlich angeordnet sind. Für viele organische Molekülkristalle sind unterschiedliche Kristallstrukturen bekannt, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften deutlich unterscheiden können. So kann beispielsweise ein Arzneistoff in einer bestimmten Kristallform wirksam sein, in einer anderen viel weiniger wirksam, weil diese sich nicht rasch genug auflöst. Bis vor kurzem ließen sich Kristallstrukturen durch Computersimulationen nicht zuverlässig voraussagen. Frank Leusen und seine Kollegen an der University of Bradford (Großbritannien) machen jetzt entscheidende Fortschritte an dieser Front: Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, gelang ihnen mit einem quantenmechanischen Ansatz die Vorhersage der drei bekannten Kristallstrukturen eines Sulfonimids.

Bereits geringe Unterschiede in den Herstellungsbedingungen, etwa Schwankungen bei Druck oder Temperatur, können ausreichen, dass Feinchemikalien wie Pharmaprodukte, Pigmente, Explosivstoffe oder Agrochemikalien in einer anderen Form kristallisieren. Das kann zu Schwierigkeiten im Produktionsprozess oder zu ungünstigen Produkteigenschaften führen. Entsprechend wichtig ist es, die verschiedenen möglichen Kristallstrukturen zu kennen.

Wissenschaftler setzen Computerchemie-Methoden ein, um Informationen über Molekülstrukturen und Kristallisationsprozesse zu gewinnen. Alle Einflussgrößen zu berücksichtigen, würde die derzeitigen Rechenkapazitäten jedoch sprengen. „Genaue, verlässliche Vorhersagen von Kristallstrukturen organischer Moleküle sind bisher noch so etwas wie der Heilige Gral der Kristallographie“, sagt Leusen.

In einem internationalen Projekt werden regelmäßig Blindstudien veranstaltet, bei denen Arbeitsgruppen Kristallstrukturen vorhersagen sollen. 2007 waren Leusen und zwei Kollegen in der Lage, erstmals die Kristallstrukturen aller vier Testverbindungen mit einem quantenmechanischen Ansatzes korrekt vorherzusagen. Nun nahm sich ein Team um Leusen eine weitere Testverbindung, ein Sulfonimid, vor, deren Kristallstruktur in der Blindstudie von 2001 von keinem einzigen der teilnehmenden Teams vorhergesagt werden konnte. Interessanterweise wurden nach der Studie noch zwei weitere, bislang unbekannte Kristallstrukturen dieses Sulfonimids entdeckt. „Mit dem Berechnungsverfahren von Marcus Neumann (Avant-Garde Materials Simulation, Freiburg) gelang es uns nun, alle drei Kristallstrukturen korrekt vorherzusagen“, so Leusen.

„Auch wenn es derzeit noch nicht möglich ist, den Ausgang eines spezifischen Kristallisationsexperiments unter bestimmten Randbedingungen vorherzusagen“, führt Leusen aus, „so zeigen unsere Ergebnisse doch, dass genaue Berechnungen der Gitterenergie ausreichen, um die Kristallisationsthermodynamik zu modellieren und so die verschiedenen Kristallstrukturen niedermolekularer organischer Moleküle vorherzusagen.“.

Quelle:

Molecule VI, a Benchmark Crystal-Structure-Prediction Sulfonimide: Are Its Polymorphs Predictable?
H. C. S. Chan, et. al., Angew. Chem. 2011. DOI: 10.1002/ange.201007488

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Bessere Vorhersagbarkeit von Kristallstrukturen
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2011/mae/kristallstruktur.shtm)

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