Nichtkovalente

Nichtkovalente Wechselwirkungen sind Wechselwirkungen zwischen Atomen oder Molekülen, die ohne Bildung einer kovalenten Bindung auftreten. Sie sind typischerweise schwächer als kovalente Bindungen, aber durch ihre Reversibilität, Umweltabhängigkeit und Modulierbarkeit grundlegend für Struktur, Erkennung und Selbstorganisation chemischer Systeme.

Zu den wichtigsten Typen zählen Van-der-Waals-Kräfte (einschließlich London-Dispersionskräften und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen), Wasserstoffbrücken, elektrostatische oder ionische Wechselwirkungen, hydrophobe Effekte sowie pi-Pi-Stapelungen. Diese Kräfte können einzeln klein sein, wirken jedoch zusammen erheblich und führen zu stabilen Strukturen in Molekülen, Ionenkomplexen und Supramolekül-Systemen.

Die Stärke nicht-kovalenter Bindungen hängt stark vom Umfeld ab. Typische Energien liegen im Bereich von Bruchteilen bis zu wenigen Dutzend Kilojoule pro Mol: Van-der-Waals-Kräfte etwa 0,5–4 kJ/mol pro Kontakt, Wasserstoffbrücken 4–40 kJ/mol, elektrostatische Interaktionen in der Größenordnung von mehreren bis zu über 100 kJ/mol in der Gasphase, aber oft deutlich abgeschwächt in polaren Lösemitteln wie Wasser. Hydrophobe Effekte tragen überwiegend entropische Anteile bei und spielen besonders in wässriger Lösung eine zentrale Rolle.

Nichtkovalente Wechselwirkungen sind wesentlich für biologische Prozesse (Proteinfaltung, Molekül-Erkennung, DNA-Basenpaarung, Ligandenbindung) sowie für Materialien der Supramolekularen Chemie, Selbstorganisation von Polymeren und der Bildung von Festkörpern wie Koordinationsverbindungen oder Metall-Organische Gerüste.

Sie werden experimentell durch Kalorimetrie, NMR, Spektroskopie und Kristallstrukturanalyse untersucht und in Modellierungen durch Kraftfelder beschrieben, die diese schwachen Wechselwirkungen approximieren.