The Acridine Polymorph Landscape: Characterization and Selective Control by Additives

Moleküle sind die Bausteine der festen Welt, aber sie sind keine starren Ziegel, die nur auf eine einzige Weise zusammenpassen können. Eine einzige Art von Molekül kann sich oft in verschiedenen festen Strukturen anordnen, ganz so wie ein Set identischer Lego-Steine, die zu einem Turm, einer Wand oder einer Brücke zusammengesteckt werden können. In der Welt der Chemie werden diese unterschiedlichen festen Anordnungen als Polymorphe bezeichnet. Während das chemische Rezept exakt gleich bleibt, verändert die Art und Weise, wie die Moleküle stapeln, alles. Eine Anordnung kann weich sein und sich schnell in Wasser lösen, während eine andere hart und stabil ist, oder eine leitet Elektrizität, während eine andere dies nicht tut. Dies ist von tiefer Bedeutung für Industrien, die auf präzise Materialien angewiesen sind, wie etwa die Medizin, in der ein Medikament in einer Form funktionieren kann, in einer anderen jedoch versagt oder sogar schädlich wird. Die Herausforderung für Wissenschaftler besteht nicht nur darin, diese verschiedenen Formen zu finden, sondern auch darin, zu verstehen, wie man kontrolliert, welche Form erscheint, wenn eine Substanz hergestellt wird, und wie man den Prozess in Richtung des gewünschten Ergebnisses steuern kann.

Forscher haben ihre Aufmerksamkeit auf ein Molekül namens Acridin gerichtet, ein flaches, ringförmiges Chemikal, das als Meister der Verkleidung bekannt ist. Es ist berühmt für seine Fähigkeit, in vielen verschiedenen Formen zu kristallisieren, wobei mindestens acht verschiedene Formen bereits wissenschaftlich bekannt sind, plus einige weitere, die zwar berichtet, aber nicht vollständig bestätigt wurden. Jahrelang haben Wissenschaftler beobachtet, wie diese Formen unter verschiedenen Bedingungen auftauchen und verschwinden, doch die Regeln, die bestimmen, warum eine Form gegenüber einer anderen gewinnt, blieben frustrierend vage. Ein Team von Wissenschaftlern hat nun sorgfältige Laborexperimente mit fortschrittlicher Computermodellierung kombiniert, um die gesamte Landschaft dieser Möglichkeiten abzubilden. Sie wollten die verborgenen Strukturen sehen, ihre Stabilität messen und testen, ob das Hinzufügen kleiner Mengen anderer Chemikalien als Schalter fungieren kann, um eine spezifische Form auszuwählen.

Die Reise begann im Labor, wo das Team Acridin schmolz und beobachtete, wie es abkühlte, um zu sehen, was wachsen würde. In der Vergangenheit war eine spezifische Form, bekannt als Form VIII, nur zu sehen gewesen, wenn die Substanz geschmolzen und abgekühlt wurde. Den Forschern gelang es erstmals, diese schwer fassbare Form aus einer Lösung zu züchten, wodurch deren Existenz in einem neuen Umfeld bestätigt wurde. Durch den Einsatz leistungsstarker Mikroskope und Röntgenstrahlen konnten sie die exakte atomare Anordnung der Form VIII bestimmen und damit ein Rätsel lösen, das offen geblieben war. Sie beobachteten, dass Acridin, wenn es aus einer Schmelze erstarrt, nicht nur einen Weg wählt. Stattdessen können mehrere Formen gleichzeitig auftreten, die manchmal wie Schichten in einem Kuchen ineinander hineinwachsen. Sie sahen, wie Form VIII zuerst spross, nur um an einigen Stellen von Form III überholt zu werden, während Form IV als dünne, gerade Fasern wuchs. Dieses chaotische Mischen deutet darauf darauf hin, dass die Energiedifferenzen zwischen diesen Formen unglaublich gering sind, was es der Natur erschwert, zu entscheiden, welche sie bauen soll.

Um zu verstehen, warum dies geschieht, wandte sich das Team einer neuen Art von Computersimulation zu. Anstatt sich auf alte, grobe Näherungen darüber zu verlassen, wie Atome interagieren, trainierten sie ein hochentwickeltes Modell der künstlichen Intelligenz auf das spezifische Verhalten von Acridin-Molekülen. Dieses Modell fungiert wie ein hochpräzises virtuelles Mikroskop, das es ihnen ermöglicht, die Energie jeder möglichen Anordnung mit großer Genauigkeit zu berechnen. Als sie diese Berechnungen durchführten, fanden sie heraus, dass die Landschaft der Acridin-Formen in der Tat sehr flach ist. Die Unterschiede in der Energie zwischen den stabilen Formen sind so winzig, dass eine leichte Änderung der Temperatur das Gleichgewicht kippen kann. Ihre Simulationen bestätigten, dass bei Raumtemperatur eine Form etwas stabiler ist als eine andere, aber wenn die Temperatur steigt, verschiebt sich die Präferenz. Dies erklärte die experimentelle Beobachtung, dass verschiedene Formen bei unterschiedlichen Temperaturen erscheinen und dass sie sich unter sich ändernder Hitze ineinander verwandeln können. Die Computermodelle reproduzierten erfolgreich das reale Verhalten und zeigten, dass der komplexe Tanz der Moleküle durch subtile thermodynamische Kräfte angetrieben wird, die zuvor zu schwer zu messen waren.

Der faszinierendste Teil der Studie bestand darin, zu testen, ob das Hinzufügen einer winzigen Menge einer anderen Chemikalie Acridin dazu zwingen könnte, eine spezifische Form zu wählen. Die Forscher mischten Acridin mit achtzehn verschiedenen Additiven, darunter Moleküle, die ihm sehr ähnlich sehen, wie Anthracen, sowie andere, die andere Formen haben. Sie fanden heraus, dass das Hinzufügen eines nur kleinen Prozentsatzes bestimmter Chemikalien als ein mächtiger Wegweiser wirkte. Als sie Anthracen hinzufügten, bildete das Acridin die als Form II bekannte Struktur, ein Ergebnis, das ohne Additive nicht zu beobachten ist. Als sie eine andere Chemikalie namens 2,7-Dihydroxynaphthalin hinzufügten, wechselte das Acridin zur Bildung von Form IV. Das Team nutzte dann ihre Computermodelle, um zu erklären, warum dies geschah. Sie berechneten die Energiekosten für das Einsetzen eines Additiv-Moleküls in das Kristallgitter jeder Acridin-Form. Die Ergebnisse zeigten, dass die Energiekosten für das Additiv, das Form II begünstigte, am niedrigsten waren, wenn es in diese spezifische Struktur gemischt wurde. Ebenso passte das Additiv, das Form IV begünstigte, am bequemsten in jene spezielle Anordnung.

Über die Energiewerte hinaus untersuchten die Forscher die Form und Geometrie der Kristalle. Sie verglichen die Art und Weise, wie die Moleküle im Additiv gepackt sind, mit der Art und Weise, wie sie in den verschiedenen Acridin-Formen gepackt sind. Sie fanden heraus, dass das Additiv, welches Form II förderte, eine nahezu perfekte strukturelle Übereinstimmung mit dieser spezifischen Form aufwies und dieselbe Symmetrie und Packungsdichte teilte. Das Additiv, das Form IV förderte, entsprach der einzigartigen Geometrie dieser Form, insbesondere in der Art und Weise, wie die Moleküle ihre chemischen Bindungen orientierten. Dies deutet darauf hin, dass die Additive, indem sie als Template wirken, funktionieren; sie stellen eine Oberfläche oder einen Keim bereit, der der gewünschten Form so ähnlich ist, dass die Acridin-Moleküle diesem Muster beim Wachsen natürlich folgen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Kontrolle darüber, welche Form erscheint, keine Frage des Glücks ist, sondern das Ergebnis einer Abstimmung der strukturellen und energetischen Vorlieben des Systems. Durch das Verständnis dieser tiefen Verbindungen zwischen der Form der Moleküle, der Energie ihrer Anordnung und dem Einfluss fremder Additive haben Wissenschaftler nun eine klarere Roadmap für die Vorhersage und Kontrolle der festen Formen komplexer Materialien. Diese Arbeit liefert ein umfassendes Bild davon, wie ein einzelnes Molekül auf viele Arten existieren kann und wie wir lernen können, diejenige auszuwählen, die wir benötigen.