Молекулярная модель, физическая модель, которая представляет собой молекулу и их процессы. Создание математических моделей молекулярных свойств и поведения - это молекулярное моделирование, а их графическое изображение - это молекулярная графика, но эти темы тесно связаны, и каждая использует методы других. В этой статье «молекулярная модель» будет в первую очередь относиться к системам, содержащим более одного атома и в которых не учитывается структура ядра. Электронная структура также часто опускается или представлена в очень сложной форме.
Физические модели атомистических систем сыграли важную роль в понимании химии, а также в создании и проверке гипотез. Чаще всего имеется явное представление атомов, хотя были полезны и другие подходы, такие как мыльные пленки и другие сплошные среды. Есть несколько причин для создания физических моделей:
Построение физических моделей часто является творческим актом, и многие индивидуальные примеры были тщательно созданы в мастерских научных отделов. Существует очень широкий спектр подходов к физическому моделированию, и в этой статье перечислены только самые распространенные или исторически важные. Основные стратегии, первоначально в учебниках и исследовательских статьях, а в последнее время - в компьютерах. Молекулярная графика заменила некоторые функции физических молекулярных моделей, но физические наборы продолжают оставаться очень популярными и продаются в больших количествах. Их уникальные сильные стороны включают:
В 1600 - х годах, Иоганн Кеплер предположил на симметрию из снежинки, а также на плотной упаковке сферических объектов, такие как фрукты (эта проблема не оставалась нерешенной до самого последнего времени). Симметричное расположение плотно упакованных сфер послужило основой для теорий молекулярной структуры в конце 1800-х годов, а многие теории кристаллографии и твердотельной неорганической структуры использовали наборы равных и неравных сфер для моделирования упаковки и предсказания структуры.
Рис. 1. Модель Гофмана для метана.Джон Дальтон представлял соединения как скопления круговых атомов, и хотя Иоганн Йозеф Лошмидт не создавал физических моделей, его диаграммы, основанные на кругах, являются двумерными аналогами более поздних моделей. Августу Вильгельму фон Хофманну приписывают первую физическую молекулярную модель около 1860 года (рис. 1). Обратите внимание, как размер углерода кажется меньше, чем размер водорода. Важность стереохимии тогда еще не была признана, и модель по сути является топологической (это должен быть трехмерный тетраэдр ).
Якобус Хенрикус ван 'т Хофф и Джозеф Ле Бел представили концепцию химии в космосе - стереохимию в трех измерениях. Ван 'т Хофф построил тетраэдрические молекулы, представляющие трехмерные свойства углерода.
Повторяющиеся единицы помогут показать, насколько легко и понятно представить молекулы в виде шариков, которые представляют атомы.
Рис. 2. Решетка хлорида натрия (NaCl), показывающая плотноупакованные сферы, представляющие гранецентрированную кубическую решетку AB, подобную решетке NaCl и большинства других галогенидов щелочных металлов. В этой модели сферы имеют равные размеры, тогда как более «реалистичные» модели будут иметь разные радиусы для катионов и анионов.Бинарных соединений натрия хлорида (NaCl) и хлорида цезия (CsCl) имеют кубическую структуру, но имеют различные пространственные группы. Это можно объяснить плотной упаковкой сфер разного размера. Например, NaCl можно описать как плотноупакованные хлорид- ионы (в гранецентрированной кубической решетке) с ионами натрия в октаэдрических дырках. После развития рентгеновской кристаллографии как инструмента для определения кристаллических структур многие лаборатории построили модели на основе сфер. С появлением пластмассовых или полистирольных мячей стало легко создавать такие модели.
Представление о химической связи как о прямой связи между атомами можно смоделировать, соединяя шары (атомы) палками / стержнями (связями). Это было чрезвычайно популярно и широко используется до сих пор. Первоначально атомы представляли собой сферические деревянные шары со специально просверленными отверстиями для стержней. Таким образом, углерод может быть представлена в виде сферы с четырьмя отверстиями в четырехгранные углы сов -1 (- 1 / 3 ) ≈ 109,47 °.
Проблема с жесткими связями и отверстиями заключается в том, что системы с произвольными углами не могут быть построены. Это можно преодолеть с помощью гибких связок, первоначально винтовых пружин, но теперь обычно пластиковых. Это также позволяет аппроксимировать двойные и тройные связи множественными одинарными связями (рис. 3).
Рис 3. Современная пластиковая модель мяча и клюшки. Показанная молекула - пролин.Рисунок 3 представляет собой шар и пряник модель из пролина. Цвета шаров: черный представляет углерод (C); красный - кислород (O); синий, азот (N); и белый, водород (H). В каждом шаре просверливается столько же отверстий, сколько его условная валентность (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1), направленных к вершинам тетраэдра. Одинарные связи представлены (довольно) жесткими серыми стержнями. Двойные и тройные связи используют две более длинные гибкие связи, которые ограничивают вращение и поддерживают традиционную цис / транс стереохимию.
Рис. 4. Модель шара и палки Бивера из рубина (хромированный корунд), изготовленная с использованием акриловых шариков и стержней из нержавеющей стали компании Miramodus Ltd.Однако для большинства молекул требуются отверстия под другим углом, и специализированные компании производят наборы и модели на заказ. Помимо четырехгранных, тригональных и восьмигранных отверстий, были универсальные шары с 24 отверстиями. Эти модели допускали вращение вокруг одностержневых связей, что могло быть как преимуществом (демонстрируя молекулярную гибкость), так и недостатком (модели гибкие). Приблизительный масштаб составлял 5 см на ангстрём (0,5 м / нм или 500 000 000: 1), но не был одинаковым по всем элементам.
Арнольд Биверс из Эдинбурга создал небольшие модели, используя шарики из ПММА и стержни из нержавеющей стали. Используя индивидуально просверленные шары с точными углами и длинами связей в этих моделях, можно точно создавать большие кристаллические структуры, но с легкой и жесткой формой. На рис. 4 показана элементарная ячейка рубина в этом стиле.
Модель ДНК Крика и Ватсона и наборы Кендрю для построения белков были одними из первых моделей скелета. Они были основаны на атомных компонентах, где валентности были представлены стержнями; атомы были точками на пересечении. Связи были созданы путем соединения компонентов трубчатыми соединителями с помощью стопорных винтов.
Андре Дрейдинг представил набор для молекулярного моделирования в конце 1950-х годов, в котором не использовались соединители. У данного атома были бы твердые и полые валентные шипы. Твердые стержни защелкивались в трубках, образуя связь, обычно со свободным вращением. Они были и очень широко используются в отделах органической химии и были сделаны с такой точностью, что межатомные измерения могли проводиться линейкой.
Еще совсем недавно недорогие пластиковые модели (например, Орбита) используют аналогичный принцип. Небольшой пластиковый шар имеет выступы, на которые можно установить пластиковые трубки. Гибкость пластика означает, что можно создавать искаженные геометрические формы.
Многие неорганические твердые частицы состоят из атомов, окруженных координационной сферы из электроотрицательных атомов (например PO 4 тетраэдров, TiO 6 октаэдров). Конструкции можно моделировать, склеивая многогранники из бумаги или пластика.
Хорошим примером составных моделей является подход Николсона, широко используемый с конца 1970-х годов для построения моделей биологических макромолекул. Компоненты в основном представляют собой аминокислоты и нуклеиновые кислоты с предварительно сформированными остатками, представляющими группы атомов. Многие из этих атомов непосредственно впрессовываются в шаблон и соединяются друг с другом, вставляя пластиковые заглушки в маленькие отверстия. Пластик хорошо захватывает и затрудняет вращение скреплений, поэтому можно установить произвольные углы кручения и сохранить их значение. Конформации основной цепи и боковых цепей определяются путем предварительного расчета торсионных углов и последующей корректировки модели с помощью транспортира.
Пластик белый, его можно покрасить, чтобы различать атомы O и N. Атомы водорода обычно неявны и моделируются путем отрезания спиц. Создание модели типичного белка с примерно 300 остатками может занять месяц. В лабораториях было принято строить модель для каждого решенного белка. К 2005 году было определено так много белковых структур, что было создано относительно мало моделей.
С развитием компьютерного физического моделирования теперь можно создавать полные единичные модели, вводя координаты поверхности в компьютер. На рисунке 6 показаны модели токсина сибирской язвы слева (в масштабе примерно 20 Å / см или 1: 5 000 000) и зеленого флуоресцентного белка, справа (высота 5 см, в масштабе примерно 4 Å / см или 1:25 000 000) от 3D молекулярный дизайн. Модели изготавливаются из гипса или крахмала с использованием процесса быстрого прототипирования.
Также недавно стало возможным создавать точные молекулярные модели внутри стеклянных блоков, используя технику, известную как подповерхностная лазерная гравировка. Изображение справа (рис.7) показывает трехмерную структуру белка E. coli (бета-субъединица ДНК-полимеразы, код PDB 1MMI), вытравленного внутри блока стекла британской компанией Luminorum Ltd.
Рис. 7. Модель белка в стекле.Некоторые из наиболее распространенных цветов, используемых в молекулярных моделях, следующие:
Водород | белый | |
Щелочных металлов | фиолетовый | |
Щелочноземельные металлы | темно-зеленый | |
Бор, большинство переходных металлов | Розовый | |
Углерод | чернить | |
Азот | синий | |
Кислород | красный | |
Фтор | желто-зеленый | |
Хлор | зеленый лайм | |
Бром | темно-красный | |
Йод | темно-фиолетовый | |
благородные газы | голубой | |
Фосфор | апельсин | |
Сера | желтый | |
Титана | серый | |
Медь | абрикос | |
Меркурий | светло-серый |
Эта таблица представляет собой неполную хронологию событий, в которых физические молекулярные модели предоставили важную научную информацию.
Разработчики) | Дата | Технология | Комментарии |
---|---|---|---|
Иоганн Кеплер | c. 1600 | упаковка сфер, симметрия снежинок. | |
Иоганн Йозеф Лошмидт | 1861 г. | 2-D графика | представление атомов и связей касанием кругов |
Август Вильгельм фон Хофманн | 1860 г. | клюшка | первая узнаваемая физическая молекулярная модель |
Якобус Хенрикус ван 'т Хофф | 1874 г. | бумага? | представление атомов в виде тетраэдров поддержало развитие стереохимии |
Джон Десмонд Бернал | c. 1930 г. | Пластилин и спицы | модель жидкой воды |
Роберт Кори, Линус Полинг, Уолтер Колтун ( раскраска CPK ) | 1951 г. | Модели заполнения пространства альфа-спирали и др. | «Природа химической связи» Полинга охватывает все аспекты молекулярной структуры и повлияла на многие аспекты моделей. |
Фрэнсис Крик и Джеймс Д. Уотсон | 1953 г. | шипы, плоские шаблоны и коннекторы с винтами | модель ДНК |
Молекулярная графика | c. 1960 г. | отображение на экранах компьютеров | дополняет, а не заменяет физические модели |
(На некоторых из них есть интересные и / или красивые изображения)