Im Rahmen dieser Dissertation wurden (I) erstmalig Metallphosphonate mechanochemisch synthetisiert, (II) 21 neue Strukturen mit Hilfe der Röntgenpulverdiffraktometrie gelöst und (III) die Reaktionsverläufe mittels in situ Methoden untersucht. Die Mechanochemie erwies sich als sehr geeignete Methode, um Metallphosphonate mit verschiedenen Metallen, Liganden und Strukturen darzustellen. Durch Variation des Verhältnisses der Edukte können die Reaktionen gesteuert werden. Etliche neue Metallphosphonat-Strukturen konnten mit Hilfe der erhaltenen Röntgenpulverdiffraktometrie-Daten gelöst werden. Dabei war auch die Aufklärung seltener Strukturmotive möglich. Durch die Resultate existiert nun eine schnelle, einfache und umweltfreundliche Alternative für die Herstellung von Metallphosphonaten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei experimentelle Aufbauten für die in situ Untersuchung von Reaktionen entwickelt: (i) für mechanochemische Reaktionen mittels Synchrotron-Röntgenpulverdiffraktometrie und Raman-Spektroskopie, (ii) für mechanochemische Reaktionen mittels Thermographie und Raman-Spektroskopie sowie (iii) für Fällungsreaktionen bei Raumtemperatur mittels Synchrotron-Röntgenpulverdiffraktometrie. Durch die erhaltenen Ergebnisse konnten tiefgreifende Einblicke in die Bildungsmechanismen von Metallphosphonaten gewonnen werden. Für die mechanochemische Darstellung von Metallphenylphosphonaten wurde ein mehrstufiger Diffusionsmechanismus gefunden. Anhand der thermographischen Messungen wird deutlich, dass die Reaktionstemperatur einen großen Einfluss auf die Gesamttemperatur des Systems hat. Klassische Erklärungsmodelle für mechanochemische Reaktionen können für die hier untersuchten Systeme ausgeschlossen werden. Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse über die Bildungsmechanismen und Strukturen der di- und tetravalenten Metallphosphonate liefern einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zur zielgerichteten Darstellung von Metallphosphonaten. / In this dissertation (I) metal phosphonates were mechanochemically synthesized for the first time, (II) 21 new structures were solved from powder X-ray diffraction data and (III) the reaction pathways were investigated with in situ methods. Mechanochemistry has shown to be very suitable for synthesizing metal phosphonates with different metals, ligands, and structures. By varying the ratio of the reactants, it is possible to control the reaction pathway. Several new metal phosphonate structures were solved from the powder X-ray diffraction data. It was also possible to elucidate rare structures. The results demonstrate a new fast, facile, and environmental friendly alternative for the preparation of metal phosphonates. During this dissertation three experimental setups for the in situ investigation of reactions were developed: (i) for mechanochemical reactions via synchrotron-powder X-ray diffraction and Raman spectroscopy, (ii) for mechanochemical reactions via thermography and Raman spectroscopy and (iii) for precipitation reactions via synchrotron-powder X-ray diffraction. The gained results provided an insight into the formation of metal phosphonates. For the mechanochemical synthesis of metal phenylphosphonates a multi-step diffusion mechanism was found. From the thermography studies, it is proven that the reaction temperature has a big impact on the temperature of the whole system. Classical theories for mechanochemical reactions can be ruled out for the investigated systems. The results gained in this thesis about the formation mechanisms and structures of di- and tetravalent metal phosphonates provide an important contribution for the targeted synthesis of metal phosphonates.

Die Mechanochemie findet zunehmend Verwendung für die Synthese neuer Verbindungen. Dennoch sind die beim Mahlen stattfindenden Prozesse weitestgehend unverstanden. Dahingehend wurde in dieser Arbeit eine Dreifachkopplung aus in situ Synchrotron-Röntgenbeugung, Raman-Spektroskopie und Thermographie entwickelt, um mechanochemische Reaktionen unter realistischen Bedingungen in Echtzeit zu verfolgen. Dadurch konnten tiefgreifende Einblicke in den Reaktionsverlauf und Temperaturverlauf beim Mahlen erhalten und neue metastabile Verbindungen isoliert werden. Für die Bildung pharmazeutischer Cokristalle diente Pyrazinamid als Modellsystem. Es konnten neue binäre und ternäre Verbindungen synthetisiert, detailliert charakterisiert und deren Kristallstruktur aufgeklärt werden. Die Abhängigkeit der Stabilität polymorpher Cokristalle von der Temperatur und den Synthesebedingungen konnte gezeigt werden. In Konkurrenzreaktionen konnten Trends hinsichtlich der bevorzugten Bildung eine bestimmten Cokristalls beobachtet werden. Mittels in situ Untersuchungen wurde der Einfluss zentraler Reaktionsparameter, wie die Mahlfrequenz, der Kugeldurchmesser, der eingesetzte Ausgangsstoff und die Zugabe von Lösungsmittel, auf die Induktions- und Reaktionszeit der Reaktion ermittelt. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen konnte ein Diffusionsmechanismus für die mechanochemische Cokristallbildung abgeleitet werden. / Mechanochemistry is increasingly applied for the synthesis of new compounds. Still, the processes taking place during milling are far from being understood. In this thesis, a triple coupling of in situ synchrotron X-ray diffraction, Raman spectroscopy and thermography has been developed to follow mechanochemical reactions under realistic conditions in real time. This allowed deep insights into the reaction and temperature progression during milling and the isolation of new metastable compounds. For the formation of pharmaceutical cocrystals pyrazinamide served as a model system. New binary and ternary compounds were synthesized, characterized in detail and their crystal structure solved. The dependence of the stability of polymorphic cocrystals on temperature and synthesis conditions could be shown. In competitive reactions, trends regarding the preferred formation of a certain cocrystal have been observed. The influence of important reaction parameters, such as the milling frequency, the ball diameter, the starting material used and the addition of solvent, on the induction and reaction time of the reaction was determined by means of in situ investigations. Based on the gained knowledge, a diffusion mechanism for the mechanochemical cocrystal formation could be derived.

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.

Globale Megatrends erfordern immer flexiblere analytische Messmethoden und Assays. Insbesondere im Umwelt-, Agrar-, Lebensmittel- und Gesundheitssektor sind chemische Assays hier eine geeignete Wahl. Eine Vielzahl solcher Assays steht in akademischen und industriellen Bereichen zur Verfügung. Die Anpassung an neue Verbindungen hingegen ist oft schwierig zu realisieren, da der einzelne Test meist für einen spezifischen Analyten konzipiert ist. Eine modulare, analytische Plattform für die Entwicklung chemischer Assays ist daher sehr wünschenswert. Ein solches System sollte die Möglichkeit einer schnellen und flexiblen Implementierung verschiedener Erkennungstypen für neue Analyten und die Möglichkeit einer Multiparameter-(Multiplex-)Bestimmung in einem robusten und portablen Auslesegerät beinhalten. Einzelpartikel-basierte, chemische Assays haben sich hier als geeignete Lösung erwiesen. In dieser Arbeit stelle ich Polystyrol-Kern-Silikat-Schale-Partikel als modulare, hybride Plattform für die flexible Konfiguration von Einzelpartikel-basierten chemischen Assays vor. Zunächst wurde ein Verfahren entwickelt, das den Zugang zu verschiedenen-Partikelarchitekturen ermöglicht. Diese Partikel wurden für den DNA-Nachweis bis in den fmol-Bereich getestet (Kapitel 2). Ein neues Werkzeug zur Bestimmung der Rauheit der Partikel aus elektronenmikroskopischen Bildern wurde entwickelt und auf das breite Spektrum der im Projekt hergestellten SiO2@PS-Partikel angewendet (Kapitel 3). Damit soll die Grundlage zur Vergleichbarkeit zwischen zukünftigen Partikelcharakterisierungen geschaffen werden. Schließlich wurde ein Multiplex-Assay mit farbstoffkodierten, Protein-abweisenden Partikeln entwickelt, um kleine Moleküle durch immunochemische Reaktionen in einem waschfreien Verfahren nachzuweisen (Kapitel 4). Letzteres verdeutlicht, dass eine hohe analytische Leistung mit neuem Potenzial an flexibler Funktionalität durch die Verwendung hybrider SiO2@PS-Partikel kombiniert werden kann. / Global megatrends such as demographic change, personalization, climate change or urbanization demand for increasingly flexible and mobile analytical measurement methods and assays. Especially in the environmental, agricultural, food and health sectors, chemical assays are a suitable choice. A large variety of such assays is available in the academic and industry area. However, their modification to measure new compounds is time-consuming and laborious, because they are typically designed to detect a specific single analyte. A modular platform for chemical assay development is thus highly desirable. Such a system should include the possibility for fast, easy and flexible implementation of various recognition types towards emerging analytes and the possibility for multi-parameter (multiplexed) detection in a potentially portable fashion. Single particle-based assays have proven to be an adequate solution here. In this work, I present hybrid polystyrene core-silica shell (SiO2@PS) particles as new spherical substrates for the flexible configuration of single particle-based chemical assays. First, a procedure to control the surface topology of the beads was developed, giving access to smooth, raspberry-like or multilayer-like CS structures. These particles were used for DNA detection down to the fmol-level (Chapter 2). A new tool to extract the roughness of the particles from electron microscopy images was developed next and applied to the wide range of CS beads prepared throughout the project (Chapter 3). This general protocol provides the basis for the comparability of future CS particle characterization. Finally, a multiplex assay with dye-encoded beads with non-fouling surfaces was developed to detect small molecules via immunochemical reactions in a wash-free procedure (Chapter 4). The latter ultimately proves that hybrid CS particles can combine high analytical performance and unmatched potential for flexible functionality. / Suspension Array Technology