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Spezielle Polymerarchitekturen

Supramolekulare Überstrukturen

Werden zwei oder mehrere Moleküle nicht durch kovalente Bindungen, sondern auf andere Weise, z.B. Komplexbildung, in einer definierten räumlichen Anordnung zusammengehalten, so spricht man von supramolekularen Überstrukturen.

Diese Strukturen weisen einen hohen Grad der Organisation und der Komplexität auf. Sie sind einerseits durch ihre räumliche Anordnung, andererseits durch die Art der Bindungen definiert, die ihre Bausteine zusammenhalten. Die Topologie wird durch zwischenmolekulare Kräfte wie Wasserstoffbrücken, Van-der-Waals- oder ionische Wechselwirkungen, Metallion-Liganden-Koordination, Donor-Akzeptor-Wechselwirkungen, aber auch durch mechanische Verschlingungen und Verhakungen festgelegt.

Ein Beispiel für solche Überstrukturen sind Wirt-Gast-Komplexe. Diese Aggregate zwischen einem Rezeptor (Wirt) und einem Substrat (Gast) spielen in der Biochemie eine große Rolle. Sie ermöglichen Reaktions-, Transport- und Regulationsprozesse, die in allen lebenden Organismen ablaufen. Die Substratanbindung an Rezeptorproteine, enzymatische Reaktionen, die immunologische Antigen-Antikörper-Assoziation, die Signalinduktion durch Neurotransmitter, zelluläre Erkennungsprozesse sowie das Lesen, Übersetzen und Überschreiben des genetischen Codes basieren auf diesen supramolekularen Verbindungen.

Der Natur nachempfunden sind Kronenether, Kryptanden und andere Moleküle, die die passende Topologie und geeignete funktionelle Gruppen aufweisen, um speziellen Gastmolekülen genügend Raum und eine Umgebung der richtigen Polarität zur Verfügung zu stellen. Diese gezielte Anpassung der sterischen und elektronischen Eigenschaften eines Rezeptors an ein bestimmtes Substrat ermöglicht dessen "molekulare Erkennung". Durch die Assoziation zwischen Rezeptor und Substrat werden Veränderungen der elektronischen, ionischen oder optischen Eigenschaften verursacht, die eine modulierte Systemantwort (Signal) bewirken. Dadurch werden hochspezifische Sensoren für die Analytik geschaffen.

Zu den Supramolekülen werden einerseits wohldefinierte Spezies gezählt, die durch intermolekulare Assoziation weniger Moleküle nach einem festen Bauplan entstehen (Helicate, Prärotaxane, Catenane). Andererseits zählen dazu auch größere polymolekulare Einheiten mit mehr oder weniger streng definierter Gesamtarchitektur. Beipiele hierfür sind die selbstorganisierten Monoschichten (Self Assembled Monolayers, SAMs), Membranen, Vesikel und Micellen.

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