Unter den zahlreichen unter dem Begriff „self-assembly“ bearbeiteten supramolekularen Systemen, zu denen molekulare Kapseln oder Mizellen (nulldimensional), Monolagen auf Oberflächen (zweidimensional) sowie Flüssigkristalle (dreidimensional) zählen, nehmen die supramolekularen Polymere (eindimensional) eine besondere Rolle ein: Sie stehen den typischen kovalenten Polymeren strukturell am nächsten. Allerdings mit dem Unterschied, dass die Bindungen zwischen den einzelnen monomeren Bausteinen nicht-kovalenter Natur sind. Solche supramolekulare Polymere stellen somit exakt den Gegenentwurf zu den von Staudinger erstmals zweifelsfrei bewiesenen Makromolekülen dar (Abbildung 1).

Bedingt durch den starken Einfluss des Wassers („hydrophober Effekt“) auf die Aggregatstruktur entsprachen die J-Aggregate aber nicht dem supramolekularen Denkansatz. Nach diesem sollte die Strukturbildung präzise mittels nicht-kovalenter Wechselwirkungen realisiert werden. Hierfür machte Jean-Marie Lehn 1990 einen Vorschlag unter Einsatz komplementärer Wasserstoffbrückenbindungen. Die Schwäche der von Lehn gewählten Dreifachwasserstoffbrückenbindungen machte die Herstellung supramolekularer Polymerketten in verdünnten Lösungen jedoch aussichtslos. Die geplanten Strukturen konnten lediglich in den lösungsmittelfreien flüssigkristallinen Phasen als strukturgebendes Motiv nachgewiesen werden.1 Insofern konnte hier ähnlich wie bei den bereits zuvor von Helmut Ringsdorf und anderen untersuchten diskotischen Flüssigkristallen nur bedingt von supramolekularen Polymeren gesprochen werden.³ Das Konzept erwies sich aber als tragfähig, sollten doch in den folgenden Jahren in rascher Abfolge supramolekulare Polymere auf Basis verschiedener nicht-kovalenter Wechselwirkungen realisiert werden.⁴ Ausschlaggebend für den Erfolg war die Entwicklung thermodynamisch ausreichend starker Bindungseinheiten für die jeweils zum Einsatz kommenden Lösungsmittel. Durch diese ließen sich in Lösung ausreichende Polymerisationsgrade für das Auftreten polymertypischer Eigenschaften wie eine starke Viskositätszunahme erreichen. Beispielhaft seien hier die auf Vierfach-Wasserstoffbrückenbindungen basierenden selbstkomplementären Ureidopyrimidon-Systeme von Bert Meijer sowie die Koordinationspolymere von Matthias Rehahn genannt. Diese beiden Beispiele zeigen auch schön die Analogie zu Kondensationspolymeren, welche wie im Falle von Perlon und Nylon entweder aus einem oder aus zwei Komponenten aufgebaut werden.

Auch wenn hier nur ein Bruchteil der bekannten supramolekularen Polymere vorgestellt werden konnte, so lassen diese Beispiele bereits erahnen, was für ein großer Substanzraum unter dem Begriff der supramolekulare Polymere zusammengefasst wird. Aufgrund der gegenüber kovalenten Bindungen schwächeren Verknüpfung der Bausteine und deren starker Abhängigkeit vom Medium, stellen supramolekulare Polymere im allgemeinen keine Konkurrenten zu konventionellen Polymeren für die für diese etablierten Anwendungsfelder dar. Die größten Anwendungsperspektiven für supramolekulare Polymere dürften wohl im Bereich der Funktionspolymere liegen. Sie beinhalten photovoltaische Anwendungen von über π–π-Kontakte miteinander verknüpften Farbstoffen („Supramolekulare Elektronik“), elektrochrome Koordinationspolymere sowie auf supramolekularen Hydrogelen basierende Materialien für Anwendungen in der Medizin. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass bereits die ersten supramolekularen Polymere von Scheibe zu Marktprodukten geführt haben. Denn J-Aggregate erwiesen sich als ideal geeignet für die spektrale Photosensibilisierung von Silberhalogenid in der Farbphotographie. Die strukturelle und funktionale Verwandtschaft der Scheibe’schen Cyaninfarbstoffaggregate mit denen der Chlorophyllaggregate in natürlichen Lichtsammelsystemen der Photosynthese wurde dagegen erst sehr viel später erkannt.

Autor: Prof. Dr. Frank Würthner,
Universität Würzburg, Center for Nanosystems Chemistry
Redaktionelle Bearbeitung: Maren Mielck, GDCh