Polymorphie beschreibt die Eigenschaft vieler anorganischer und organischer Substanzen bei gleicher chemischer Zusammensetzung in mehr als einer kristallinen Struktur aufzutreten, die zu unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Polymorphe führen kann. Dies gewinnt an Bedeutung sobald eine spezifische kristalline Form mit definierten Eigenschaften verlangt wird. Um Kristallisationsprozesse und das Endprodukt zu kontrollieren und zu beeinflussen, sind Kenntnisse der zugrundeliegenden Kristallisationsmechanismen und -kinetiken, wie auch der Effekte von äußeren Faktoren erforderlich. In diesem Zusammenhang ermöglichen In-situ-Charakterisierungsmethoden eine detaillierte, zeitaufgelöste Beobachtung von Kristallisationsprozessen. Die Kristallisationsprozesse von fünf polymorphen Modellverbindungen, Nifedipin, Felodipin, Quinaldin, L-Glutaminsäure und ROY, wurden unter verschiedenen Bedingungen und ausgehend von verschiedenen Vorläuferphasen in situ untersucht. Neben der Kristallisation aus unterschiedlichen amorphen Phasen interessierte die Kristallisation aus der Lösung, welche insbesondere unter Levitationsbedingungen in einem Ultraschall-Levitator betrachtet wurde. Der Einfluss von Lösungsmittel, Oberfläche, relativer Luftfeuchtigkeit und Kristallisationssetup auf die Kristallisationsprozesse wurde untersucht. Röntgenbeugungsmethoden mit Synchrotron-Strahlung und Raman-Spektroskopie erlaubten besonders bei simultaner Anwendung die umfassende strukturelle Charakterisierung der Kristallisationsvorgänge mit allen auftretenden kristallinen wie auch amorphen Phasen und der Lösung in situ mit hoher Zeitauflösung. Kristallisationswege konnten nachvollzogen und der Einfluss äußerer Faktoren auf die Selektivität der Kristallisationsprozesse untersucht werden. Allgemeine Systematiken wie eine steuernde Wirkung des Lösungsmittels oder die bevorzugte Kristallisation thermodynamisch stabiler Phasen bei einer homogeneren Kristallisation lassen sich finden. / Polymorphism describes organic or inorganic materials which can occur in more than one crystalline phase with the same chemical composition. A difference in crystal structure may result in different chemical or physical properties, making polymorphism important whenever a specific form with well-defined characteristics is demanded. The need to control and manipulate the crystallization processes and particularly the final crystal product requires thorough understanding of the underlying crystallization mechanisms and kinetics, as well as the effects of external factors. In this context, in situ characterization methods permit a detailed, time-resolved investigation of crystallization processes. For five polymorphic model compounds, nifedipine, felodipine, quinaldine, L-glutamic acid and ROY, the crystallization processes were investigated in situ by applying different conditions and starting from different precursor phases. Aside from the crystallization from various amorphous phases, the crystallization from solution was also of interest. The latter was examined especially under levitation conditions using an ultrasonic levitator. Furthermore, the influence of the solvent, surface, relative humidity, and the crystallization setup on the crystallization processes was analyzed. X-Ray diffraction using synchrotron radiation and Raman spectroscopy enabled a thorough structural characterization of the crystallization processes in situ with high time resolution, especially if applied simultaneously. All the occurring crystalline and amorphous phases as well as the solution were characterized with this method. The crystallization pathways were retraced and the influence of external factors on the selectivity of the crystallization processes was elucidated. Some general characteristics like a steering effect of the solvent and the preferred crystallization of thermodynamically stable phases in more homogeneous crystallizations were identified.

Die Kristallisation ist ein wichtiger Teilprozess bei der industriellen Herstellung vieler Materialien und Medikamente. Es ist jedoch ein vielschichtiger, physikalischer Vorgang, der noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Kristallisation von organischen, polymorphen Verbindungen aus unterschiedlichen Lösungsmitteln. Die Kristallisationsstudien wurden in einem akustischen Levitator mit Klimakammer, der den Einfluss von Temperatur, Feuchtigkeit und festen Oberflächen steuert, durchgeführt. Verschiedene analytische in-situ-Methoden und deren Kopplung kamen für die Analyse der Kristallisationsabläufe zum Einsatz. Als Unterstützung für die Interpretation der beobachteten Phänomene wurden unter äquivalenten Bedingungen Moleküldynamik-Simulationen vorgenommen. Die Kristallisation der Modellverbindungen zeigte verschiedene spezifische Kristallisationspfade, die nicht dem klassischen Kristallisationsmodell entsprachen. Zunächst verdampfte das Lösungsmittel, was mit einer Konzentrationszunahme der Lösung und der Ausbildung von charakteristischen amorphen Phasen (Polyamorphismus) einherging, und schließlich trat die Kristallisation ein. Durch die oberflächenfreie Kristallisation wurde ausschließlich nur ein Polymorph ein- und derselben Verbindung als Kristallisationsprodukt isoliert. Die gezielte Wahl der Ausgangskonzentration und eines Lösungsmittels ermöglichte die Steuerung des Kristallisationsverlaufs hin zu einer gewünschten Kristallstruktur des untersuchten Materials. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstützen das Verständnis über den komplexen Ablauf des Kristallisationsvorgangs, gleichzeitig zeigen sie weitere Ansätze auf, die Kristallisation zu untersuchen. Die neuen Erkenntnisse sind hilfreich bei der Optimierung der Herstellungsprozesse verschiedener Materialien. / Crystallization is a complex process, which is used in different processes in the industrial production of various materials. The limited understanding about its fundamental mechanisms challenges the control of crystallization and influences the quality of the materials. The research of this work concentrates on the crystallization studies of organic model systems (active pharmaceutical ingredients) from different organic solvents in an acoustic levitator. This specific sample environment regulates the influence that solid surfaces, temperature, and humidity have on the crystallization process. The investigations were performed with in situ analytical techniques and theoretical simulations to gain a comprehensive insight into processes, occurring intermediates, and required reaction conditions. The results show that the model systems follow specific crystallization pathways different than those predicted by the classical nucleation theory. The crystallization proceeded via the evaporation of the solvent and the formation of characteristic amorphous phases (polyamorphism) into one crystalline structure of the compound. The targeted choice of the solvent and the concentration enabled the guidance of the pathways, therefore, resulting in the isolation of one desired crystalline structure. The findings are of great interest and they help explain the crystallization mechanisms on a molecular level, which is a fundamental contribution for the optimization of manufacturing processes.