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Polymorphismus

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Was ist Poymorphismus?
Eine Verbindung kann mit mehr als einer Struktur kristallisieren. Es ist das gleiche Molekül, aber es reichert sich im Raum in verschiedenen Formen an und bildet unterschiedliche kristalline Strukturen. Sie werden Polymorphe genannt, und das Phänomen ist als Polymorphismus bekannt. Sie ist von entscheidender Bedeutung.
Jede dieser Polymorphien hat ihr eigenes Beugungsmuster: jede hat einen anderen Ausweis. Noch wichtiger ist, dass ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften unterschiedlich sind. Wir sprechen von Graphit und Diamant, Aragonit und Calcit, aber auch von Schokolade und Medizin.

Das gleiche Molekül kann in verschiedenen Formen kristallisieren. Ein einfaches Beispiel wird Ihnen helfen, dies zu verstehen. Lassen Sie uns einen Kristall herstellen, dessen Einheitszellen Ringe sind. Wir können dies auf zwei verschiedene Arten tun. Mit anderen Worten, mit zwei unterschiedlichen Strukturen:

Polymorphismus
Polymorphismus

Eine quadratische Struktur (rechts) und eine sechseckige Struktur (links). Die verschiedenen Strukturen, in denen die gleiche chemische Verbindung kristallisieren kann, werden als Polymorphe bezeichnet. Trotz gleicher Zusammensetzung – in diesem Fall Münzen – haben sie unterschiedliche Eigenschaften. Mit bloßem Auge können wir erkennen, dass die hexagonale Struktur dichter ist (die Ringe lassen kleinere Lücken) als die quadratische Struktur.

Graphit und Diamant

In der Welt der echten Kristalle ist dieser strukturelle Unterschied von großer Bedeutung. Zum Beispiel kristallisiert Kohlenstoff in zwei der ganzen Welt bekannten Polymorphen: dem Diamant, der eine kubische Struktur hat, und dem Graphit, einer geschichteten hexagonalen Struktur.

Die Eigenschaften der beiden Kristalle sind sehr unterschiedlich. Bei Diamant sind alle Kohlenstoffatome durch kovalente Kristalle verbunden, was ihn zu einem extrem harten Material macht, dem härtesten bekannten. Graphit hingegen hat einen schichtweisen Aufbau. Die Bindungen innerhalb der Schichten sind identisch mit denen in Diamant. Die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen zwischen den Schichten sind jedoch viel schwächer. Das macht Graphit zu einem weichen Material, denn wenn wir es z. B. auf Papier drucken, trennen sich die Schichten und kleben am Papier. Natürlich wissen Sie, dass die Mine eines Bleistifts aus diesem Grund eigentlich Graphit ist.

Schokolade

Der Hauptbestandteil von Schokolade ist Kakaobutter, die Fettsäure des Kakaos, kristallisiert. Die Moleküle der Kakaofettsäure können in sechs verschiedenen Strukturen – sechs Polymorphen – kristallisieren. Jedes Kakaofettsäurepolymorph hat einen anderen Schmelzpunkt:

Polymorphismus

Schokoladen mit den Polymorphen von I bis IV, die einen niedrigeren Schmelzpunkt haben, schmelzen sehr leicht, was dazu führt, dass sie sich nur schwer aus der Verpackung lösen lassen und unsere Finger verschmutzen, wenn wir sie anfassen. Aus Polymorph VI kristallisierte Schokolade hat den Aspekt jenes weißlichen kristallinen Pulvers, das mit der Zeit “aufblüht”, wenn die Schokolade plötzlichen Temperaturänderungen ausgesetzt wird – sie rekristallisiert. Polymorph V, mit einem Schmelzpunkt von 33,8, ist derjenige, den man erreichen sollte, damit die Schokolade langsam und angenehm im Mund schmilzt.

Pharmazeutische Industrie

Polymorphismus ist von außerordentlicher Bedeutung für die pharmazeutische Industrie. In vielen Fällen kristallisiert derselbe Wirkstoff mit unterschiedlichen Strukturen in verschiedenen Polymorphen. Zum Beispiel bilden mindestens 67 % der Steroide, 40 % der Sulfonamide und 63 % der Barbiturate Polymorphe.

Das Molekül, also der Wirkstoff, ist in den verschiedenen Polymorphen gleich, und wenn wir ein Medikament einnehmen, löst es sich auf. Warum ist Polymorphismus also ein Problem? Denn, wie Sie bereits wissen, sind die Eigenschaften der einzelnen Polymorphe unterschiedlich. Stabilität, Löslichkeit, Auflösungsgeschwindigkeit und Bioverfügbarkeit hängen von der Polymorphie ab, in der das Medikament kristallisiert. Die Beherrschung der polymorphen Kristallisation ist für jedes pharmazeutische Unternehmen entscheidend.

Norvir

Ein typisches Beispiel für diese Problematik ist der Fall von Norvir, einem Medikament (links) zur Behandlung von Patienten, die mit dem Humanen Immundefizienz-Virus Typ 1 infiziert sind, das durch Hemmung der Protease (rechts) wirkt. Auskristallisiert mit einer Struktur, die als einzigartig galt, fielen einige Chargen nach mehreren Jahren auf dem Markt bei Löslichkeitstests durch. Es wurde entdeckt, dass das Medikament während des Herstellungsprozesses mit einer stabileren Struktur kristallisiert wurde, die sich langsamer auflöste. Das Produkt musste vom Markt genommen werden, neue Formulierungen wurden neu patentiert, die Kristallisation wurde untersucht und der gesamte Herstellungsprozess wurde neu gestaltet, was für das Unternehmen einen Millionenverlust bedeutete.

Manchmal können die Folgen eines polymorphen Übergangs katastrophal sein, wie im Fall der polymorphen Umwandlungen von Ammoniumnitrat. Oder sie können wirtschaftlich wichtig sein, wie im Fall von Calciumcarbonat oder Gips. Denn wir wissen immer noch nicht, wie wir die polymorphe Kristallisation kontrollieren können, egal ob es sich um Ritonavir, Ammoniumnitrat, Calciumcarbonat oder viele andere Verbindungen handelt.

Das Leben selbst schafft dies jedoch mit beneidenswerter Präzision. Vogeleierschalen bestehen immer aus Calcit, einem Polymer aus Calciumcarbonat. Reptilieneierschalen bestehen immer aus Aragonit, einem weiteren Polymer des Calciumcarbonats. Außerdem schafft es das Leben in Weichtierschalen wie denen von Haliotis (Abalone), Perlmutt mit einer Aragonitstruktur zu bilden, die nur wenige Mikrometer von den äußeren Schichten des Kalzits entfernt ist.

Polymorphismus

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