Waterstofbruggen onttronen koper als sterkste metaalbinder

Onderzoekers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hebben aangetoond dat koper zijn reputatie als sterkste metaalbinder kan verliezen, zonder dat er iets verandert aan de directe verbinding tussen het metaal en de moleculen eromheen. Het team, onder leiding van hoogleraar Yunjung Baek, publiceerde de resultaten in het Journal of the American Chemical Society. De sleutel lag niet in het metaal zelf, maar in de zwakke krachten in de wijdere omgeving ervan.

In de scheikunde geldt al decennia de zogeheten Irving-Williams-reeks: een vuistregel die voorspelt hoe stevig metalen als mangaan, ijzer, kobalt, nikkel, koper en zink zich binden aan omringende moleculen in een kristalstructuur of oplossing. Koper staat in die rangorde vrijwel altijd bovenaan. Wetenschappers verklaarden dat lange tijd vanuit de elektronenstructuur van het metaal zelf: een eigenschap die je niet zomaar verandert.

Een structuur die niet mag draaien

Het team van Baek gebruikte een bouwsteen gebaseerd op flavine, een molecuul dat ook voorkomt in vitamine B2, om metaalcomplexen te maken: structuren waarin meerdere moleculen een centraal metaalatoom omringen. Voor alle onderzochte metalen, van mangaan tot zink, hielden de onderzoekers de directe bindingsstructuur exact gelijk. Het enige verschil zat in het netwerk van waterstofbruggen dat de buitenste laag van de structuur op zijn plek houdt.

Koper heeft van nature de neiging om zijn omgeving lichtjes te vervormen, ongeveer zoals iemand die verschuift om comfortabeler te zitten. Die kleine vervorming levert koper normaal gesproken extra stabiliteit op. In de nieuwe structuur zorgde het waterstofbrugnetwerk er echter voor dat de ruimte rond het kopermetaal strak vastzat, waardoor die favoriete vervorming niet meer mogelijk was. Koper verloor daardoor juist het voordeel dat het normaal boven andere metalen uittilt, met een omgekeerde stabiliteitsvolgorde als resultaat.

Metalen selectief vangen

Het belangrijkste inzicht is niet dat koper van zijn troon is gestoten, maar dat de stabiliteit van metaalverbindingen, lang gezien als een vaste eigenschap van het metaal zelf, is bij te sturen door de omgeving ervan aan te passen. Dat opent perspectief voor systemen die één gewenst metaal sterker laten binden terwijl andere metalen in een mengsel juist losser blijven zitten, bijvoorbeeld bij het terugwinnen van metalen uit afval of erts. Ook voor materiaalkunde en het moleculair ontwerp van katalysatoren biedt het principe kansen: een omgeving die precies is afgestemd op één metaal, kan dat metaal effectiever laten reageren.

Baek wijst erop dat het lichaam zelf dit principe al miljoenen jaren toepast. Metalloenzymen in eiwitten selecteren voortdurend het juiste metaal uit een mengsel van ijzer, koper, zink en andere metalen. De nieuwe aanpak zou kunnen helpen bij het nabouwen van dat soort natuurlijke selectiemechanismen in kunstmatige systemen. Het onderzoek trok ook aandacht op de International Conference on Coordination Chemistry in Denemarken, waar promovendus Haneul Im als enige Koreaanse student een Best Poster Award won voor het werk.