Einkristalle organischer Salze via Nanokristallisation

Ein neuer, vielversprechender Weg

  • Credit: Jack Moreh, www.freerangestock.comCredit: Jack Moreh, www.freerangestock.com
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  • Abb. 1: Kristallisations-Mikrotiterplatte mit 96 Reservoiren und je 3 Kristallisiermöglichkeiten pro Reservoir. Die unterschiedlichen Farben in den Reservoiren sind eine Folge der verwendeten Reagenzien zur Kristallisation.
  • Abb. 2: Kristalle in zwei von drei Sitting drops (links) einer Reservoireinheit der in Figur 1 dargestellten Kristallisations-Mikrotiterplatte.
  • Abb. 3: Ellipsoid Darstellung der Röntgenstruktur des Antikrebsmittel 5-Benzyloxytryptamin als Dihydrogenphosphatsalz.
  • Schema 1: Bildung eines neuen Salzes aus einem Chloridsalz und einem Natriumsalz in Wasser führt zu einem schlechter löslichen Ionenpaar, das kristallisieren kann.

Die Kristallographie von Einkristallen ist unbestrittenermassen die ultimative Methode zur atomaren Strukturaufklärung von chemischen und biochemischen Verbindungen. Ohne die aus unzähligen Kristallstrukturen gewonnen Informationen wären viele Fortschritte in der Chemie, Biochemie aber auch in den Materialwissenschaften, der Pharmazie und Medizin nicht möglich gewesen [1].

Die Röntgenkristallographie ist nach wie vor die wichtigste Methode zur Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen (im Englischen häufig mit „small molecules“ beschrieben) einerseits und biologischen, makromolekularen Verbindungen wie Proteinen, DNA und RNA Molekülen andererseits. Der Fokus des Artikels liegt auf der Kristallographie von chemischen Molekülen, die ein Molekulargewicht von weniger als 10‘000 Dalton aufweisen. Für die Röntgenkristallographie werden trotz großer Fortschritte in der Entwicklung der benutzten Diffraktometer nach wie vor qualitativ sehr gute Einkristalle benötigt mit Dimensionen von mindestens 10-50 μm. Zunehmend werden auch die Kristalle von kleinen Molekülen auf Synchrotrons gemessen; dies führt zu einer weiteren Reduktion der benötigten Kristallgröße. Aber auch hier sind für die Strukturaufklärung qualitativ gute Einkristalle erforderlich.

Einkristalle züchten
Damit stellt sich die Frage, wie können nun solche Einkristalle gezüchtet werden. Abgesehen von der Sublimation und der selten anwendbaren Zucht aus der Schmelze werden die meisten Einkristalle aus einer Lösung gewonnen. Viele Forscher denken, Einkristalle könnten durch das Abkühlen einer hinreichend gesättigten Lösung in den Kühlschrank oder durch ein thermisches Umkristallisieren gewonnen werden. Die Realität zeigt, dass beide Verfahren selten zum Ziel führen, allerdings lassen sich bei einer genauen Kontrolle der Abkühltemperatur durchaus Einkristalle in kurzer Zeit bei geringem Materialaufwand gewinnen [2]. Am vielversprechendsten ist einerseits das langsame Verdunsten einer Lösung oder der langsame Austausch eines Solvents durch ein Antisolvent, der hoffentlich zu einer Kristallisation führt. Beide Verfahren sind stark abhängig von den verwendeten Lösungsmitteln [3].

Ein Ziel dieser Arbeitsgruppe war es, gängige und erfolgreiche Verfahren zur Kristallisation von Proteinen so zu modifizieren, dass sie auf organische Salze anwendbar werden. Dazu wurde ein Screen bestehend aus 96 unterschiedlichen wässrigen Lösungen mit 77 unterschiedlichen Anionen entwickelt. Ein Pipetierroboter mischt nun 100 nL dieser 96 Screenlösungen mit je derselben Menge einer gesättigten ebenfalls wässrigen Lösung eines organischen Kations, welches kristallisiert werden soll. Dazu wurden Kristallisations-Mikrotiterplatten mit 96 Reservoirs, wie sie in der makromolekularen Kristallographie üblich sind, verwendet (Abb. 1).


Abb. 1: Kristallisations-Mikrotiterplatte mit 96 Reservoiren und je 3 Kristallisiermöglichkeiten pro Reservoir. Die unterschiedlichen Farben in den Reservoiren sind eine Folge der verwendeten Reagenzien zur Kristallisation.


Abb. 2: Kristalle in zwei von drei Sitting drops (links) einer Reservoireinheit der in Figur 1 dargestellten Kristallisations-Mikrotiterplatte.

Die Verwendung des Roboters mit seinen kleinen Pipettiervolumen ermöglicht, dass für 96 unterschiedliche Kristallisierversuche lediglich 12 Mikroliter der gesättigten Salzlösung mit dem zu kristallisierenden Kation benötigt werden. Der Austausch der Anionen des organischen Salzes hat zur Folge, dass neue Salze mit einer geringeren Löslichkeit in Wasser gebildet werden. Diese kristallisieren im Idealfall (Schema 1).


Schema 1: Bildung eines neuen Salzes aus einem Chloridsalz und einem Natriumsalz in Wasser führt zu einem schlechter löslichen Ionenpaar, das kristallisieren kann.

Dieses Verfahren wurde ausführlich getestet und festgestellt, dass es für Salze mit einer Wasserlöslichkeit von 2 mg / mL und höher ausgezeichnet funktioniert [4]. Konkret konnten die Röntgenstrukturen von sechs der sieben getesteten Salze bestimmt werden (vier der sechs kristallisierten Kationen waren noch nie zuvor kristallisiert worden). In einem Fall wurden elf verschiedene Kristallstrukturen vom selben Kation mit 11 unterschiedlichen Anionen bestimmt (siehe Abbildung 3 für ein Beispiel einer solchen Struktur).


Abb. 3: Ellipsoid Darstellung der Röntgenstruktur des Antikrebsmittel
5-Benzyloxytryptamin als Dihydrogenphosphatsalz.

Somit kann das Verfahren auch für das Salzscreening von pharmazeutisch aktiven Substanzen (API) eingesetzt werden. Die Resultate wurden unlängst in der Zeitschrift Chemical Science publiziert (DOI: 10.1039/C8SC00783G). Die Arbeit, den Anwendungsbereich dieser Methode zu erweitern, geht weiter!

Fazit
Ein neues Verfahren zur Kristallisation von niedermolekularen Kationen wurde entwickelt. Dieses benötigt in seiner Umsetzung ausgesprochen geringe Substanzmengen und wenig manuelle Arbeit. Es eignet sich für Salze, die eine Wasserlöslichkeit von mindestens 2 mg / mL aufweisen. Die dabei gewonnenen Kristalle können in vielen Fällen ohne eine zusätzliche Optimierung für die Strukturaufklärung durch Röntgenkristallographie benutzt werden.

Danksagung
Der Autor bedankt sich bei Philipp Nievergelt, Martin Babor und Jan Cejka für die Durchführung und Diskussion der Experimente. Wir danken der Universität Zürich, dem Schweizerischen Nationalfonds und der Czech Science Foundation für finanzielle Unterstützung.

Zugehörigkeit
1Institut für Chemie, Universität Zürich, Zürich, Schweiz

Kontakt:
Prof. Dr. Bernhard Spingler
Institut für Chemie
Universität Zürich
Zürich, Schweiz
spingler@chem.uzh.ch

Referenzen:

1. Brooks-Bartlett JC, Garman EF (2015) The Nobel Science: One Hundred Years of Crystallography. Interdiscipl Sci Rev 40:244-64 DOI: 10.1179/0308018815z.000000000116.

2. Nievergelt PP, Spingler B (2017) Growing single crystals of small molecules by thermal recrystallization, a viable option even for minute amounts of material? CrystEngComm 19:142-7 DOI: 10.1039/C6CE02222G.

3. Spingler B, Schnidrig S, Todorova T, Wild F (2012) Some thoughts about the single crystal growth of small molecules. CrystEngComm 14:751-7 DOI: 10.1039/C1CE05624G.

4. Nievergelt PP, Babor M, Cejka J, Spingler B (2018) A high throughput screening method for the nano-crystallization of salts of organic cations. Chem Sci 9:3716-22 DOI: 10.1039/C8SC00783G.

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