Theophyllin, welches ursprünglich im 19. Jahrhundert aus Teeblättern extrahiert wurde, ist ein Naturprodukt, das in der Humanmedizin und verwandten Bereichen weit verbreitet ist. Theophyllin ist ein Feststoff, der mehrere sogenannte Polymorphe bildet. Alle diese Polymorphe bestehen lediglich aus Theophyllinmolekülen, aber die Anordnung der Moleküle zueinander ist in den verschiedenen Festkörperstrukturen unterschiedlich. Aufgrund dieser Unterschiede können sich die physikalischen Eigenschaften erheblich unterscheiden. Insbesondere die Wasserlöslichkeit ist ein wichtiges Merkmal für die Verwendung in der Medizin und gerade diese ist bei Polymorphen oft unterschiedlich. Ein gemeinsames Forschungsteam des Kharkiv Institute for Single Crystals National Academy of Science of Ukraine, des Max-Planck-Instituts für Kohleforschung Mülheim und der Heinrich-Heine-Universität hat die Frage der Polymorphie von Theophyllin untersucht und ihre Ergebnisse in RSC Advances veröffentlicht (Konovalova et al., RSC Adv., 2024,14, 29774-29788. DOI: https://doi.org/10.1039/D4RA04368E).
In dieser gemeinsamen Studie - als Teil eines langjährigen Forschungsprojekts des in Düsseldorf ansässigen Teils des Forschergruppe - wurden die Literaturangaben der bekannten Kristallstrukturen von Theophyllin neu ausgewertet. Es konnte verifiziert werden, dass es derzeit fünf Polymorphe und eine wasserhaltige Phase gibt. Für zwei dieser genannten Festkörper war eine Überarbeitung der Strukturdaten erforderlich.
Schließlich haben die Berechnungen der paarweisen Wechselwirkungsenergien der Moleküle im Festkörper gezeigt, dass sich die untersuchten Kristalle entsprechend ihrer grundlegenden Strukturmotive in zwei Gruppen einteilen lassen: Schichtstrukturen, die aus säulenförmig gestapelten Molekülen bestehen und Strukturen, in denen die Moleküle zu Stapeln geschichtet sind. Mit diesem energetischen Ansatz lässt sich auch die Rolle der verschiedenen Wechselwirkungen bei der Kristallstrukturbildung abschätzen. Es wurde gezeigt, dass starke N-H⋯N-, N-H⋯O-Wasserstoffbrückenbindungen und Stapelwechselwirkungen die wichtigste Rolle bei den polymorphen Veränderungen von Theophyllin und dem Theophyllin-Hydrat spielen. Die Gitterenergieberechnungen unter periodischen Bedingungen für polymorphe Strukturen haben gezeigt, dass die polymorphe Form mit der am stärksten anisotropen energetischen Struktur als die stabil und alle anderen Formen als metastabil angesehen werden können.