Perspektiven der Supramolekularen Chemie – von der molekularen Erkennung zur molekularen Informationsverarbeitung und Selbstorganisation

Der erste Schritt der selektiven Bindung eines Substrats an einen Rezeptor unter Bildung eines supramolekularen Verbandes (eines „Übermoleküls” oder „Überkomplexes”) ist die molekulare Erkennung, die durch die in den beteiligten Molekülen gespeicherte Information ermöglicht wird. Die Funktionen von supramolekularen Einheiten umfassen sowohl Erkennung als auch Katalyse und Transport. In Verbindung mit der Organisation von molekularen Einheiten zu geordneten Systemen eröffnen sich so Wege zu molekularen und supramolekularen Funktionseinheiten für die Informationsverarbeitung und Signalerzeugung. Die Entwicklung solcher Funktionseinheiten erfordert die Herstellung von Molekülen, die bestimmte Funktionen (z. B. Photoaktivität, Elektroaktivität, Ionenaktivität, Thermoaktivität oder Chemoaktivität) erfüllen können und die außerdem für den Einbau in geordnete Systeme geeignet sein müssen. Molekulare Funktionseinheiten zur Lichtumwandlung und zur Ladungstrennung konnten mit photoaktiven Cryptaten verwirklicht werden, die aus Rezeptoren mit lichtempfindlichen Gruppen wie Bipyridinen und Porphyrinen bestehen. Zum Transport elektronischer und ionischer Signale sind elektroaktive und ionenaktive Systeme erforderlich. Redoxaktive langkettige Polyene wie die „Caroviologene” können als molekulare Drähte für den Elektronentransport durch Membranen betrachtet werden. Push‐pull‐Polyene haben ausgeprägte nichtlineare optische Eigenschaften. Geordnete tubuläre Stapel geeigneter Makrocyclen in Mesophasen sowie Makrocyclen mit langkettigen Substituenten und funktionellen Gruppen an deren Enden („Chundles”) sind Prototypen von Ionenkanälen. Mit lipophilen Makrocyelen können Langmuir‐Blodgett‐Filme hergestellt werden, die eine molekulare Erkennung an der Luft‐Wasser‐Grenzfläche ermöglichen könnten. Die Supramolekulare Chemie war bisher auf mehr oder weniger vorgeformte („präorganisierte”) Rezeptoren für die molekulare Erkennung, Katalyse und Transportprozesse angewiesen. Einen Schritt weiter geht der Entwurf von Systemen, bei denen auf molekularer Ebene eine Selbstorganisation möglich ist und die spontan eine genau definierte supramolekulare Struktur annehmen. Mehrere selbstorganisierende Systeme wurden beschrieben: 1. Helicale Metallkomplexe/doppelsträngige Helicate: Zwei lineare Polybipyridine koordinieren bestimmte Metall‐Ionen unter spontaner Bildung einer Doppelhelix. 2. Mesophasen und flüssigkristalline Polymere: Durch molekulare Erkennung entstehen aus komplementären Komponenten supramolekulare Verbände mit entsprechenden makroskopischen Eigenschaften. 3. Geordnete Festkörperstrukturen: Durch molekulare Erkennung kann der Aufbau geordneter Festkörper gesteuert warden. Baut man in Moleküle mit Photo‐, Elektro‐ oder Ionenaktivität Erkennungselemente ein, so eröffnet sich die Perspektive, „programmierte” molekulare und supramolekulare Systeme herzustellen, die sich selbst — gesteuert durch die molekulare Erkennung — zu geordneten supramolekularen Funktionseinheiten zusammensetzen. Diese Funktionseinheiten könnten dann selektive Erkennung, Reaktion, Übertragung und Strukturerzeugung bei der Signal‐ und Informationsverarbeitung auf molekularer Ebene übernehmen.