The Acridine Polymorph Landscape: Characterization and Selective Control by Additives

Moleculen zijn de bouwstenen van de vaste wereld, maar ze zijn geen starre bakstenen die slechts op één manier in elkaar passen. Een enkel type molecuul kan zich vaak in verschillende vaste structuren ordenen, vergelijkbaar met hoe een set identieke Lego-steentjes kan worden samengevoegd om een toren, een muur of een brug te bouwen. In de wereld van de chemie worden deze verschillende vaste ordeningen polymorfen genoemd. Hoewel het chemische recept exact hetzelfde blijft, verandert de manier waarop de moleculen op elkaar stapelen alles. De ene ordening kan zacht zijn en snel oplossen in water, terwijl een andere hard en stabiel is, of de ene kan elektriciteit geleiden terwijl de andere dat niet doet. Dit is van groot belang voor industrieën die vertrouwen op precieze materialen, zoals de farmaceutische sector, waar een medicijn in de ene vorm kan werken, maar in een andere vorm kan falen of zelfs schadelijk kan worden. De uitdaging voor wetenschappers is niet alleen om deze verschillende vormen te vinden, maar ook om te begrijpen hoe ze de vorm kunnen controleren die verschijnt wanneer een stof wordt gemaakt, en om uit te vogelen hoe ze het proces naar de gewenste uitkomst kunnen sturen.

Onderzoekers hebben hun aandacht gericht op een molecuul genaamd acridine, een platte, ringvormige chemische stof die bekend staat als een meester in vermommingen. Het staat erom bekend dat het in veel verschillende vormen kan kristalliseren, met ten minste acht verschillende vormen die al door de wetenschap bekend zijn, plus nog enkele die zijn gerapporteerd maar niet volledig zijn bevestigd. Jarenlang hebben wetenschappers deze vormen zien verschijnen en verdwijnen onder verschillende omstandigheden, maar de regels die bepalen waarom de ene vorm boven de andere wint, bleven frustrerend vaag. Een team van wetenschappers heeft nu zorgvuldige laboratoriumexperimenten gecombineerd met geavanceerde computermodellering om het volled ताal landschap van deze mogelijkheden in kaart te brengen. Ze wilden de verborgen structuren zien, hun stabiliteit meten en testen of het toevoegen van kleine hoeveelheden andere chemicaliën kon fungeren als een schakelaar om een specifieke vorm te selecteren.

De reis begon in het laboratorium, waar het team acridine deed smelten en het proces volgde terwijl het afkoelde om te zien wat er zou groeien. In het verleden was één specifieke vorm, bekend als vorm VIII, alleen waargenomen wanneer de stof gesmolten en afgekoeld werd. De onderzoekers slaagden erin om deze ongrijpbare vorm voor het eerst uit een oplossing te kweken, waarmee zij het bestaan ervan in een nieuwe omgeving bevestigden. Door gebruik te maken van krachtige microscopen en röntgenstralen waren zij in staat de exacte atomaire ordening van vorm VIII te bepalen, waarmee zij een puzzel oplosten die onopgelost was gebleven. Ze observeerden dat wanneer acridine kristalliseert vanuit een smelt, het niet slechts één pad kiest. In plaats daarvan kunnen er verschillende vormen tegelijkertijd verschijnen, waarbij ze soms in elkaar groeien zoals lagen in een taart. Ze zagen vorm VIII eerst ontkiemen, om vervolgens in sommige plekken te worden overgenomen door vorm III, terwijl vorm IV groeide als dunne, rechte vezels. Deze chaotische menging suggereerde dat de energieverschillen tussen deze vormen ongelooflijk klein zijn, wat het voor de natuur moeilijk maakt om te beslissen welke vorm gebouwd moet worden.

Om te begrijwoorden waarom dit gebeurt, maakte het team gebruik van een nieuw soort computersimulatie. In plaats van te vertrouwen op oude, grove benaderingen van hoe atomen interageren, trainden zij een geavanceerd kunstmatige intelligentie-model op het specifieke gedrag van acridine-moleculen. Dit model fungeert als een uiterst nauwkeurige virtuele microscoop, waardoor zij de energie van elke mogelijke ordening met grote precisie kunnen berekenen. Toen zij deze berekeningen uitvoerden, ontdekten zij dat het landschap van de acridine-vormen inderdaad zeer vlak is. De verschillen in energie tussen de stabiele vormen zijn zo minimaal dat een kleine verandering in temperatuur de balans kan doen omslaan. Hun simulaties bevestigden dat bij kamertemperatuur de ene vorm iets stabieler is dan de andere, maar naarmate de temperatuur stijgt, verschuift de voorkeur. Dit verklaarde de experimentele observatie dat verschillende vormen bij verschillende temperaturen verschijnen en dat ze in elkaar kunnen transformeren naarmate de hitte verandert. De computermodellen reproduceerden succesvol het gedrag in de echte wereld, waarbij ze lieten zien dat de complexe dans van moleculen wordt gedreven door subtiele thermodynamische krachten die voorheen te moeilijk te meten waren.

Het meest intrigerende deel van het onderzoek betrof het testen of het toevoegen van een minuscule hoeveelheid van een andere chemische stof acridine kon dwingen een specifieke vorm te kiezen. De onderzoekers mengden acridine met achttien verschillende additieven, waaronder moleculen die er zeer veel op lijken, zoals anthraceen, en anderen die andere vormen hebben. Ze ontdekten dat het toevoegen van slechts een klein percentage van bepaalde chemicaliën fungeerde als een krachtige gids. Wanneer zij anthraceen toevoegden, vormde het acridine de structuur bekend als vorm II, een resultaat dat zonder additieven niet wordt gezien. Wanneer zij een andere chemische stof genaamd 2,7-dihydroxynafthaleen toevoegden, schakelde het acridine over naar het vormen van vorm IV. Het team gebruikte vervolgens hun computermodellen om te verklaren waarom dit gebeurde. Zij berekenden de energetische kosten van het invoegen van een additief molecuul in het kristalrooster van elke acrine-vorm. De resultaten toonden aan dat voor de additive die vorm II bevoordeelde, de energetische kosten het laagst waren wanneer deze in die specifieke structuur werd gemengd. Op dezelfde manier paste de additive die vorm IV bevoordeelde het meest comfortabel in die specifieke ordening.

Naast alleen de energienummers keken de onderzoekers naar de vorm en geometrie van de kristallen. Ze vergeleken de manier waarop de moleculen zijn verpakt in de additive met de manier waarop ze zijn verpakt in de verschillende acrine-vormen. Ze ontdekten dat de additive die vorm II bevorderde, een bijna perfecte structurele overeenkomst was met die specifieke vorm, waarbij de symmetrie en de pakkingsdichtheid overeenkwamen. De additive die vorm IV bevorderde, kwam overeen met de unieke geometrie van die vorm, met name in de wijze waarop de moleculen hun chemische bindingen oriënteerden. Dit suggereert dat de additieven werken door te fungeren als een sjabloon; ze bieden een oppervlak of een zaadje dat zo sterk lijkt op de gewenste vorm dat de acrine-moleculen dat patroon vanzelf volgen tijdens hun groei. De studie concludeert dat het controleren van welke vorm verschijnt geen kwestie van geluk is, maar het resultaat van het afstemmen van de structurele en energetische voorkeuren van het systeem. Door het begrip van deze diepe verbanden tussen de vorm van de moleculen, de energie van hun ordening en de invloed van vreemde additieven, hebben wetenschappers nu een duidelijkere routekaart voor het voorspellen en controleren van de vaste vormen van complexe materialen. Dit werk biedt een allesomvattend beeld van hoe een enkel molecuul op vele manieren kan bestaan en hoe we kunnen leren om de vorm te kiezen die we nodig hebben.