Supramolekulare Chemie – Moleküle, Übermoleküle und molekulare Funktionseinheiten (Nobel-Vortrag)

Abstract

Supramolekulare Chemie ist die Chemie der intermolekularen Bindung und beschäftigt sich mit Strukturen und Funktionen von Einheiten, die durch Assoziation von zwei oder mehr chemischen Spezies gebildet werden. Molekulare Erkennung in Übermolekülen, die bei der Rezeptor/Substrat-Bindung entstehen, beruht auf dem Prinzip der molekularen Komplementarität, wie es bei der Erkennung sphärischer, tetraedrischer und linearer Substrate durch Rezeptoren, Corezeptoren, Metallorezeptoren und amphiphile Rezeptoren vorgefunden wird. Supramolekulare Katalyse mit Rezeptoren, die reaktive Gruppen tragen, bewirkt Bindungsspaltungen und -knüpfungen durch Cokatalyse. Lipophile Rezeptoren können als selektive Carrier für verschiedenartige Substrate verwendet werden, und sie ermöglichen den Aufbau von Transportsystemen, die mit einem Elektronen- oder Protonengradienten oder mit einem Photoprozeß gekoppelt sind. Während Endorezeptoren Substrate durch „konvergente Wechselwirkungen”︁ in Molekülhohlräumen binden, werden bei Exorezeptoren die Substrate durch Wechselwirkungen zwischen den Außenflächen von Rezeptor und Substrat gebunden. Demgemäß lassen sich neue Typen von Rezeptoren, z. B. die Metallonucleate, entwickeln. In polymolekularen Aggregaten können Rezeptoren, Carrier und Katalysatoren zu molekularen und supramolekularen Funktionseinheiten führen, die strukturell organisierte und funktionell integrierte chemische Systeme sind („supramolekulare Architektur”︁). Erkennungs-, Translokations- und Transformationsprozesse mit molekularen Funktionseinheiten werden unter dem Gesichtspunkt analysiert, ob sie durch Photonen, Elektronen oder Ionen ausgelöst werden können. Auf diese Weise lassen sich die Gebiete der molekularen Photonik, Elektronik und Ionik definieren. Führt man photosensitive Gruppen ein, ergeben sich photoaktive Rezeptoren, die sich zur Lichtumwandlung und Ladungstrennung eignen. Redoxaktive, langkettige Polyolefine – „molekulare Drähte”︁ – können Elektronen, z. B. durch Membranen, übertragen. Tubulare Mesophasen, die durch Stapelung geeigneter makrocyclischer Rezeptoren entstehen, können Ionenkanäle bilden. Bei acyclischen Liganden gibt es das Phänomen der molekularen Selbstorganisation, was zu Komplexen mit doppelt-helicaler Struktur führt. Derartige Entwicklungen im Bereich des „molekularen und supramolekularen Designs und Engineerings”︁ lassen auf photonische, elektronische und ionische molekulare Funktionseinheiten hoffen, die hochselektive Erkennungs-, Umwandlungs- und Übertragungsprozesse – Verarbeitung von Signalen und Informationen auf molekularer Ebene – ausführen können.