Developing strategies for assessing structural assemblies

Eine vom Antragssteller neu entwickelte Methode (XPac) zur Identifizierung von Packungs-ähnlichkeiten ermöglicht eine systematische Evaluierung der Kristallstrukturen von großen Gruppen verwandter Verbindungen. Hauptziele dieses Projektes ist die Anwendung dieser Strategie auf Kristallstrukturen einer Auswahl von Modellsubstanzen (Barbiturate) sowie die Weiterentwicklung des Konzepts auf der Basis von komplementären experimentellen und theoretischen Methoden. Die 5,5-substituierten Derivate der Barbitursäure stellen wegen ihrer starren Geometrie und ihrer speziellen H-Brücken-Donor- und -Akzeptorfunktionen eine ideale Verbindungsklasse für diese Aufgabe dar. Ihre Festkörperstruktur wird von H-Brücken dominiert, die nur eine begrenzte Auswahl unterschiedlicher Assoziationen erlauben, was wiederum die Vorhersage möglicher Strukturen erleichtert. Ferner ist von Barbituraten bekannt, dass sie zur Bildung multipler Festformen (Polymorphe, Hydrate, Solvate) neigen und sich relativ gut kristallisieren lassen, was den Zugang zu einer großen Zahl neuer Kristallstrukturen erleichtert. Es ist geplant, Kristallisationsexperimente mit etwa 30 ver-schiedenen Barbituraten aus einer Substanzensammlung des Gastgeberinstituts durchzuführen. Anschließende Einkristallstrukturanalysen sowie Polymorphiescreenings an ausgewählten Verbindungen sollen den Zugang zu einer beträchtlichen Anzahl von neuen Strukturen für die geplante Studie ermöglichen. Mit Hilfe der XPac-Methode werden diese gemäß ihrer H-Brückenbindungen und der allgemeinen Molekülpackung klassifiziert und mögliche Ursachen sowie Konsequenzen festgestellter Packungsähnlichkeiten abgeleitet. Darüber hinaus werden die relative thermodynamische und kinetische Stabilität von polymorphen Formen sowie weitere relevante Daten ermittelt. Die Kombination von experimentellen Untersuchungen und rechnerunterstützten Analysen von Kristallstrukturen sollte ein grundlegendes Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der gewählten Verbindungsklasse ermöglichen. Es wird ferner erwartet, dass die Ergebnisse die Vorhersage von Merkmalen unbekannter und nicht zugänglicher Kristallstrukturen von Barbituraten zulässt und Prinzipien von Keimbildungs- und Kristallwachstumsvorgängen von bestimmten polymorphen Formen sowie die Ursachen von strukturellen Unterschieden innerhalb homologer Reihen von Molekülen besser verstanden werden können. Dieses Projekt birgt ein großes Potenzial, unser Wissen über supramolekulare Aggregationen und das Design von Molekülkristallen zu erweitern, und liefert Theoretikern, die an der Ver-besserung der Algorithmen von ab-initio- Strukturvorhersagen arbeiten, einen wertvollen Fundus an Informationen und Daten. Das Projekt soll aber auch zu verbesserten Erkennt-nissen und zu geeigneten Werkzeugen hinsichtlich der Beurteilung der Neuheit von Kristall- phasen mit sehr ähnlichen Strukturmerkmalen führen, ein relevantes und wachsendes Problem, das häufig zu wissenschaftlichen Kontroversen Anlass gibt und auch oft patentrechtliche Aspekte bei industriell bedeutenden organischen Verbindungen betrifft.