Forschung

Das Themengebiet Crystal Engineering widmet sich dem Verständnis der intermolekularen Wechselwirkungen im Festkörper, primär in molekularen (organischen) Kristallen.  Das gewonnene Verständnis dient als Werkzeug für die Vorhersage und gezielte synthetische Entwicklung neuer funktioneller Materialien mit gewünschten chemischen und physikalischen Eigenschaften. Schwerpunkte unserer Arbeitsgruppe liegen auf der kontrollierten Synthese pharmazeutischer und lumineszierender Co-Kristalle sowie Untersuchungen der Polymorphie- und Aggregationsphänomene im Festkörper. Eine wichtige Rolle spielen dabei Wasserstoffbrücken- und Halogenbindungen, aber auch π⋯π-Wechselwirkungen sowie H/D-Austausch.

Was ist Crystal Engineering?

Crystal Engineering an molekularen Kristallen ist ein vielseitig anwendbares Themengebiet. Primär beschäftigt sich Crystal Engineering mit dem Verständnis der intermolekularen Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Kristallarchitektur mit dem Ziel, diese kontrolliert für die Synthese neuer funktioneller Materialien mit gewünschten maßgeschneiderten Eigenschaften einzusetzen. Durch den Prozess der Kristallisation können verschiedene Polymorphe (unterschiedliche kristalline Form derselben Substanz) aber auch Mehrkomponenten-Kristalle, unter anderem Co-Kristalle, entstehen. Diese werden über das supramolekulare Phänomen der Aggregation von mindestens zwei verschiedenen chemischen Spezies in einem Gitter definiert, deren Anordnung durch nichtkovalente Wechselwirkungen, meist Wasserstoffbrücken (HB), erfolgt.

Pharmazeutischer Schwerpunkt

Eines der bedeutenden Anwendungsgebiete von Crystal Engineering ist die pharmazeutische Industrie. Bei der Synthese und Isolierung von reinen pharmazeutischen Wirkstoffen (engl.: active pharmaceutical ingredients – APIs) spielen Kristallisationsprozesse eine wichtige Rolle. Bei der Herstellung der Medikamente gewinnen auch physikalische Eigenschaften an Bedeutung. 

In den pharmazeutischen Co-Kristallen ist eine der Komponenten ein API und die zweite ein (zugelassener) Co-Former, ein Co-Kristallbildner. Bei der Co-Kristallisation bleiben die molekulare Struktur sowie die pharmakologische Wirkung des API erhalten, während der Co-Former die Änderungen der Eigenschaften (Stabilität, Hydratation, Schmelzpunkt, Kompressibilität, Fließfähigkeit, Permeabilität) hervorruft.  Löslichkeit und Auflösung - und somit die Bioverfügbarkeit - und Verabreichungsform der Wirkstoffe können durch gezielte Ausbildung von Salzen und Co-Kristallen gesteuert werden.

Pharmazeutische API-API Co-Kristalle sind ein neues und noch relativ wenig erforschtes Thema, das Möglichkeiten zur Verbesserung pharmako-kinetischer und -dynamischer Eigenschaften bietet. Einige wenige Systeme sind für klinischen Studien genehmigt oder befinden sich in solchen.

In unserer Arbeitsgruppe setzen wir Wasserstoffbrücken- und Halogenbindungen gezielt dazu ein, Eigenschaften von diversen API über deren Polymorphe und Mehrkomponentensysteme anzusprechen und zu steuern. Die Bandbreite der von uns untersuchten Medikamente reicht dabei von einfachen Schmerzmitteln über Bluthochdrucksenker und Alzheimermedikamente bis hin zu Chemotherapeutika.

Optischer Schwerpunkt

Co-Kristallisation kann auch einen erheblichen Einfluss auf die optischen und/oder photophysikalischen Eigenschaften von z.B. Chromophoren nehmen. Optisch aktive Stoffe können auf unterschiedlichsten Gebieten angewandt werden und die gezielte Steuerung und Modifikation solcher Prozesse auf molekularer Ebene ist Gegenstand der heute gegenwärtigen Forschung.

Unsere Arbeitsgruppe bietet die Möglichkeit verschiedene Chromophore via Co-Kristallisation so zu modifizieren, dass die optischen Eigenschaften im Festkörper variabel verändert werden. Dies geschieht basierend auf einer umfassenden Voranalyse des Chromophors und seiner wichtigsten funktionellen Gruppen, die gezielt zum Design potentieller Co-Kristalle ausgewählt werden. Erfahrung gesammelt haben wir mittlerweile mit sowohl organischen Emittern als auch metalorganischen Komplexen.