Polymorph: Mehrere Formen von Materie

Beschreibung

Es handelt sich um ein Phänomen, bei dem eine Substanz in mehr als einer Form oder Kristallstruktur mit derselben chemischen Zusammensetzung existieren kann. Die verschiedenen Formen, auch Polymorphe genannt, entstehen aufgrund von Unterschieden in der Anordnung der Atome oder Moleküle in der festen Struktur. Polymorphismus spielt eine wichtige Rolle in der Chemie, Materialwissenschaft und Pharmazie, da diese verschiedenen Formen unterschiedliche physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften aufweisen können.

Grundlagen des Polymorphismus

Polymorphie liegt vor, wenn ein Material in mehr als einer Anordnung kristallisieren kann, obwohl sein molekularer oder atomarer Aufbau unverändert bleibt. Die einzigartigen Kristallstrukturen werden als Polymorphien bezeichnet. Diese unterschiedlichen Anordnungen beeinflussen das Verhalten des Stoffes, einschließlich seiner Löslichkeit, Stabilität, seines Schmelzpunktes und seiner optischen Eigenschaften. Die besondere Anordnung der Moleküle im Kristallgitter bestimmt die makroskopischen Eigenschaften des Materials und kann je nach Polymorph erheblich variieren.

Zu den Techniken zur Identifizierung der Polymorphe gehören die Röntgenbeugung, die die kristalline Struktur zeigt, und thermische Analysemethoden wie die Differential-Scanning-Kalorimetrie, die Unterschiede im Schmelzpunkt und im thermischen Verhalten aufdeckt.

Arten von Polymorphen

Anhand der Bedingungen, unter denen sie sich bilden, können Polymorphe in verschiedene Kategorien eingeteilt werden:

• Stabiles Polymorph: Dies ist die thermodynamisch stabilste Form bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck. Es handelt sich dabei um die häufigste und beständigste Form des Materials unter normalen Bedingungen.
• Metastabiles Polymorph: Diese Polymorphe sind nur unter bestimmten Bedingungen stabil und können sich mit der Zeit oder bei Temperatur- oder Druckänderungen in das stabile Polymorph umwandeln.
• Amorphe Formen: Obwohl sie streng genommen nicht als polymorph gelten, haben amorphe Feststoffe wie Gläser im Vergleich zu kristallinen Polymorphen keine geordnete innere Struktur. Auch sie können im Vergleich zu kristallinen Formen Polymorphismus aufweisen.

Beispiele für Polymorphie

• Kohlenstoff: Kohlenstoff ist eines der bekanntesten Beispiele für Polymorphie, da er in mehreren polymorphen Formen vorliegt, darunter Diamant und Graphit. Sowohl Diamant als auch Graphit bestehen vollständig aus Kohlenstoffatomen, aber ihre Eigenschaften sind sehr unterschiedlich. Diamant hat eine starre dreidimensionale tetraedrische Gitterstruktur und ist das härteste bekannte Material, während Graphit aus Schichten von Kohlenstoffatomen besteht, die in flachen Ebenen angeordnet sind, und weich, rutschig und ein guter elektrischer Leiter sein kann.
• Schwefel: Schwefel kommt auch in mehreren polymorphen Modifikationen vor, wobei die häufigste rhombische Form ist, die bei normalen Temperaturen stabil ist. Bei höheren Temperaturen wandelt er sich gewöhnlich in die monokline Schwefelmodifikation um, die dichter ist. Die Umwandlung zwischen den beiden vorgenannten Formen ist temperaturabhängig und führt somit zu Veränderungen in der Kristallstruktur des Schwefels.
• Titanium Dioxide (TiO₂): Eines der bekanntesten Beispiele für Polymorphismus bei anorganischen Verbindungen ist Titandioxid, TiO₂. Es kommt in vielen verschiedenen Polymorphen vor, darunter Anatas, Rutil und Brookit - die am häufigsten vorkommenden. Diese Polymorphe unterscheiden sich in ihrer Kristallstruktur und ihren Eigenschaften. Rutil ist beispielsweise die stabilste und häufigste Form von TiO₂ und wird häufig in Pigmenten verwendet, während Anatas aufgrund seiner größeren Oberfläche häufig in der Photokatalyse eingesetzt wird.
• Pharmazeutika: In dieser Branche ist der Polymorphismus von großer Bedeutung. Viele Arzneimittel treten in verschiedenen Polymorphen auf, die großen Einfluss auf ihre Löslichkeit, Auflösungsgeschwindigkeit und Bioverfügbarkeit haben können. Das Medikament Theophyllin beispielsweise, das bei Asthma eingesetzt wird, kommt in mehreren polymorphen Formen vor, deren Wirksamkeit und Stabilität variieren kann. Alle Methoden der Arzneimittelentwicklung erfordern die Entdeckung und Auswahl des idealen Polymorphs.
• Salze und organische Verbindungen: Der Polymorphismus spiegelt sich auch in einer Vielzahl von anorganischen und organischen Salzen wider. Ein klassisches Beispiel ist Kupfersulfat, CuSO₄, das in mehreren Polymorphen, wie Pentahydrat und Monohydrat, vorliegen kann, die einfach auf dem unterschiedlichen Wassergehalt beruhen. Organische Verbindungen wie Ibuprofen und Paracetamol weisen Polymorphismus auf, und eine Form kann im Vergleich zu einer anderen eine höhere Löslichkeit oder eine schnellere Auflösungsrate aufweisen, was bei der Entwicklung und Formulierung von Arzneimitteln von Bedeutung ist.

Anwendungen von Polymorphismus

Die Anwendungen des Polymorphismus sind unzählig und variieren stark zwischen den verschiedenen Bereichen:

1. Pharmazeutika: Die Polymorphie von Arzneimitteln kann deren Wirksamkeit, Stabilität und Herstellungsverfahren beeinflussen. Pharmazeutische Unternehmen untersuchen den Polymorphismus sorgfältig, um die Löslichkeit und Bioverfügbarkeit von Arzneimitteln zu optimieren. Für die Formulierung von Arzneimitteln wird ein geeignetes Polymorph ausgewählt, um ihre bessere Aufnahme im Körper zu gewährleisten.
2. Materialwissenschaft: Die Polymorphie spielt eine Rolle bei der Herstellung moderner Materialien, insbesondere bei der Entwicklung neuer Polymere, Halbleiter und Nanomaterialien. Die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Polymorphen, wie z. B. Härte, Leitfähigkeit oder Transparenz, können für bestimmte Anwendungen maßgeschneidert werden.
3. Lebensmittelindustrie: Polymorphie ist auch bei einigen Lebensmittelzutaten wie Kakaobutter und Zucker zu beobachten. Die unterschiedlichen Kristallformen dieser Stoffe können die Textur, das Mundgefühl und die Qualität von Lebensmitteln beeinflussen. Die kristalline Form von Schokolade beispielsweise wirkt sich auf ihre Geschmeidigkeit und ihren Schmelzpunkt und damit auf ihre Qualität im Endprodukt aus.
4. Chemie und Katalyse: Bei einigen chemischen Reaktionen kann sich je nach den Reaktionsbedingungen eher ein Polymorph bilden als ein anderes. Die Untersuchung des Polymorphismus in der Katalyse ermöglicht die Herstellung aktiverer und selektiverer Katalysatoren, insbesondere für industrielle Anwendungen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Polymorphen und Allotropen?

Während Allotrope strukturelle Formen eines Elements sind, beziehen sich Polymorphe auf verschiedene Formen, in denen ein bestimmter Stoff kristallisieren kann. Bei Kohlenstoff gibt es verschiedene Allotrope, nämlich Diamant und Graphit. In den meisten Fällen wird der Begriff Polymorph jedoch für Verbindungen verwendet, die in mehr als einer Form kristallisieren.

Warum ist Polymorphie in der pharmazeutischen Industrie wichtig? Der Grund ist, dass die verschiedenen polymorphen Formen ein und desselben Arzneimittels unterschiedliche Eigenschaften wie Löslichkeit und Bioverfügbarkeit aufweisen. Das richtige Polymorph kann die Wirksamkeit, die Stabilität und den Herstellungsprozess eines Arzneimittels verbessern.

Können sich Polymorphe von einer Form in eine andere verwandeln?

Ja, Polymorphe können sich von einer Form in eine andere umwandeln, insbesondere bei Veränderungen der Temperatur, des Drucks oder der Umweltbedingungen. Dies geschieht meist mit metastabilen Polymorphen, die sich allmählich in die stabilsten Formen umwandeln.

Sind polymorphe Formen immer stabil?

Nein, nicht alle Polymorphe sind stabil; einige von ihnen sind metastabil und existieren nur unter bestimmten Bedingungen und wandeln sich in die stabilste Form um, wenn sich die Bedingungen ändern.

Wie identifizieren Wissenschaftler Polymorphe?

Die Kristallformen vieler Stoffe werden von Wissenschaftlern mit Techniken wie der Röntgenbeugung untersucht. Auch andere Verfahren wie die Thermoanalyse und die Spektroskopie können bei der Identifizierung von Polymorphen helfen, indem sie Unterschiede in den Eigenschaften wie Schmelzpunkt und Löslichkeit feststellen.