Forschungsgebiete

Forschungsinteressen:

Der feste Zustand von Molekülverbindungen ist selbst in seiner geordneten Form, den Kristallen, noch weitgehend unverstanden. So ist es noch nicht möglich, die Anordnung von Molekülen im Kristall vorherzusagen und dessen Eigenschaften wie z.B. den Schmelzpunkt oder die Löslichkeit abzuschätzen. Erschwert wird dies durch die Tatsache, dass die Festkörper meist nicht den energieärmsten Zustand einnehmen, sondern in energetisch höheren Modifikationen vorliegen, was als Polymorphie bezeichnet wird. Polymorphe pharmazeutischer Wirkstoffe haben bei verschiedenen Löslichkeiten Einfluss auf deren Bioverfügbarkeit, also ihre Wirksamkeit. Die Erforschung der Polymorphe von pharmazeutischen Wirkstoffen hat damit eine hohe Anwendungsrelevanz. Gleichzeitig ist die Grundlagenforschung auf diesem Gebiet, als Kristallkonstruktion (crystal engineering) bezeichnet, für das generelle Verstehen von Feststoffen von Bedeutung. Meist kristallisieren Moleküle nur mit ihresgleichen. Es gibt aber auch Fälle, in denen Substanzen zusammen mit Lösemittelmolekülen, z.B. mit Wasser kristallisieren. Bilden die Wassermoleküle Käfigstrukturen aus, so können Substanzen wie Methan als Kristalle eingeschlossen werden, die unter Druck stabil sind. Solche Methanhydrate blockieren Gas-Pipelines, wo man die Kristallisation zu verhindern sucht. Andererseits sind die Methanhydrate als gewaltige Lagerstätten des Erdgases Methan als potentielle Brennstoffe der Zukunft am Meeresboden zu finden. Das Verstehen der Bildung und die Zersetzung solcher Hydrate ist gleichermaßen von grundlegender und wirtschaftlicher Bedeutung. Versteht man einen Kristall als ein Supramolekül, welches aus einzelnen Molekülen aufgebaut ist, die nur durch schwache Wechselwirkungen zusammen gehalten werden, so ist die Kristallisation eine supramolekulare Synthese. Entsteht ein Kristall aus mehr als einer Molekülsorte, so ist die Cokristallisation auch als heterogene, supramolekulare Synthese zu bezeichnen. Auch hier existiert ein hoher Forschungsbedarf mit der Fragestellung, warum und wie solche Cokristalle entstehen. Mit sehr einfachen und kleinen Molekülen kann man solche Cokristalle auch dann bei tiefen Temperaturen herstellen, wenn die Komponenten bei Raumtemperatur gasförmig oder flüssig sind. Für pharmazeutische Wirkstoffe ist solch eine Cokristallisation ebenfalls von Bedeutung, da die Eigenschaften kombiniert und variiert werden können. Um kleine Moleküle zu kristallisieren oder zu cokristallisieren, muss man tiefe Temperaturen anwenden. Um andererseits die Strukturen der Kristalle genau untersuchen zu können, muss
man Einkristalle züchten, die bei Wechselwirkung mit einem Röntgenstrahl ein Reflexmuster erzeugen, aus dem die komplette Struktur des Einkristalls berechnet werden kann. Zu diesem Zweck haben wir eine Apparatur entwickelt, die es erlaubt, direkt auf dem speziellen Röntgengerät (Röntgendiffraktometer) mit einem Laser und bei tiefen Temperaturen die benötigten Einkristalle zu züchten. Die Entwicklung von Kristallisationstechniken, die Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Kristallkonstruktion sowie die Anwendung der Erkenntnisse für die Industrie stehen in der Arbeitsgruppe gleichrangig nebeneinander.

Die Struktur eines Cokristalls aus Azetylen und Azeton im Verhältinis 1:1. Der Kristall wurde mit einem Laser auf dem Röntgendiffraktometer bei tiefen Temperaturen gezüchtet.

Ein Cokristall von Aspirin mit Acetamid, beide Komponenten sind durch schwache Wechselwirkungen (Wasserstoffbrücken) miteinander verknüpft.

Erdgasmoleküle (Methan) eingeschlossen in einer Käfigstruktur, gebildet aus Wasser. Die kleinen roten Kugeln symbolisieren die Sauerstoffatome der Wassermoleküle, die miteinander über Wasserstoffbrücken verknüpft sind. Die Wasserstoffatome der Wassermoleküle sind weggelassen und die Methanmoleküle als Kalotten dargestellt.

Ausgewählte Publikationen:

M.T. Kirchner, R. Boese, W.E. Billups, and L.R. Norman
J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 9407-9412
"Gas Hydrate Single Crystal Structure Analysis"

R. Boese, M.T. Kirchner, W.E. Billups, L.R. Norman
Angew. Chem., 2003, 115, 2005-2007., Angew. Chem. Int. Ed., 2003, 42, 1961-1963.
"Co-crystallization with Acetylene. Molecular Complexes with Aceton and Dimethyl Sulfoxide"

R. Boese, T. Clark, A. Gavezzotti
Hel. Chim. Act, 2003, 86 ,1085-1100.
"Co-crystallization with acetylene. The 1:1 complex with benzene: Crystal Growth, X-ray Diffraction and
Molecular Simulations"

V.R. Thalladi, R. Boese, H.-Ch. Weiss,
Angew. Chem., 2000, 112, 942-946; Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, 918-922.
“The Melting Point Alternation in a,w-Alkanediols and a,w-Alkanediamines: Interplay between Hydrogen
Bonding and Hydrophobic Interactions”

V. R. Thalladi, H.-C. Weiss, D. Bläser, R. Boese, A. Nangia, G. R. Desiraju,
J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 8702-8710.
"C-H···F Interactions in the Crystal Structures of some Fluorobenzenes"