STUDIERNE

VAND

Vand spiller en afgørende rolle for alle (kendte) levende organismer, vand har medvirket ved dannelsen af mange betydningsfulde mineralforekomster (se billedet), adgang til rent vand har stigende geopolitisk betydning, vand er det foretrukne opløsningsmiddel indenfor bæredygtige kemiske processer, men også årsagen til en række uønskede korrosionsprocesser.


Store krystaller, der er krystalliseret fra vandig opløsning - og en lille mand

En forståelse af grundstoffernes kredsløb her på Jorden forudsætter et detaljeret kendskab til den vandige kemi for hele det periodiske system. Med andre ord så er vand og specielt den kemi, der foregår i vand af stor praktisk betydning. Mange af disse aspekter af vands kemi indgår i den kemiske frontforskning. Et eksempel er sammensmeltningen mellem organometallisk (d.v.s. forbindelser hvori der er en direkte binding mellem metaller og kulstof) og vandig kemi. Tidligere var det to adskilte verdener da den organometalliske kemi var optaget af forbindelser med meget polære metal-kulstof bindinger, som meget let spaltes af vand. På det seneste er der fundet en række forbindelser hvori metaller samtidigt er bundet til kulstof og enten vand, hydroxid eller oxid. Den interesse som disse forbindelser har tiltrukket har dels været af grundforskningsmæssig karakter – hvordan vekselvirker disse meget forskellige typer af ligander (grupper, der er bundet til et centralatom)? og hvad betinger deres eksistens?
Men der er også stor praktisk interesse i at anvende disse systemer som katalysatorer og derved flytte noget af den anvendte organometalliske kemi fra organiske opløsningsmidler til vandigt medium. Desuden undersøges en række af disse systemer i forbindelse med medicinske anvendelser (se figuren):

Forskellige organometalliske aqua-komplekser, der undersøges til medicinske anvendelser.

Man kunne tro, at vekselvirkningen mellem et så lille molekyle som vand og et metalcenter er en forholdsvis simpel ting, men når vand binder til et metalcenter kan det forgå på forskellige måder: metalatomet kan enten ligge i samme plan som vandmolekylets atomer – en situation, der betegnes som ”plant-koordinerende” vand eller eller bindingsretningen til metal-atomet kan danne en vinkel på op til ca. 55 grader med vandmolekylets plan – såkaldt ”pyramidisk-koordinerende” vand. Der er stor forskel på den indvirkning som et vand molekyle bundet på en af disse to måder har på den elektroniske struktur (d.v.s. fordelingen af elektroner i orbitaler) af metalcenteret. Men også en så simpel forskel som relativ orientering af flere plant-koordinerende vandmolekyler kan have er overraskende stor effekt. Dette er illustreret i figuren, der viser elektrontæthedsfordelingen på metalcenteret i aquaionen af vanadium(III), [V(H2O)6]3+ , i to forskellige situationer, der kun adskiller sig ved en samtidig rotation af alle vandmolekyler omkring metal-oxygen aksen.


Elektrontætheden på vanadium i to forskellige konformationer af hexaaquaionen [V(H2O)6]3+. Bemærk at hele forskellen kommer af forskellig orientering af vandmolekylerne omkring V-O bindingerne.

En af de mest komplicerede processer som vand indgår i er oxidationen af vand til oxygen. Denne på papiret meget simple redoxproces som grønne planter udfører er grundlaget for alt højere liv her på Jorden, men vi ved stadig ikke med sikkerhed hvordan planterne gør! En af grundene til at det er en kompliceret proces for biologiske systemer er, at det er en mange-elektron proces. Der skal fjernes fire elektroner fra to vandmolekyler for at få dannet et molekyle O2.



Sådanne processer er ikke nemme at håndtere kontrolleret vha. rent organisk kemi og bindingen af vand til metalcentre er da også omdrejningspunktet i det såkaldte oxygen-udviklende center. Der er indefor de seneste år bestemt en ret god struktur af det center hvor processen foregår. Det består af en usymmetrisk klynge af fire mangan-ioner, som undervejs i processen ændrer oxidationstrin, men præcist hvilke oxidationstrin, der er involveret og den detaljerede mekanisme for dannelsen af bindingen mellem de to oxygenatomer undersøges og debatteres stadig.

Strukturen af mangan-klyngen i det oxyge-udviklende center i Fotosystem II.