Молекулярная модель - Molecular model

А молекулярная модельв этой статье - физическая модель, представляющая молекулы и их процессы. Создание математических моделей молекулярных свойств и поведения. молекулярное моделирование, а их графическое изображение молекулярная графика, но эти темы тесно связаны, и каждая использует приемы других. В этой статье «молекулярная модель» будет в первую очередь относиться к системам, содержащим более одного атома, в которых не учитывается структура ядра. Электронная структура также часто опускается или представлена очень сложным образом.

Обзор

Физические модели атомистических систем сыграли важную роль в понимании химия и создание и тестирование гипотезы. Чаще всего существует явное представление атомов, хотя другие подходы, такие как мыльные фильмы и другие непрерывные средства массовой информации были полезны. Есть несколько мотивов для создания физических моделей:

как педагогические инструменты для студентов или тех, кто не знаком с атомистическими структурами;
как объекты для создания или проверки теорий (например, структура ДНК);
в качестве аналоговых компьютеров (например, для измерения расстояний и углов в гибких системах);
как эстетически привлекательные объекты на стыке искусства и науки.

Создание физических моделей часто является творческим актом, и многие сделанный на заказ образцы 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:

изготовление на заказ единой модели;
использование обычных материалов (пластилин, спички) или детские игрушки (Тинкертой, Meccano, конструктор Лего, так далее.);
повторное использование универсальных компонентов в наборах (примерно с 1930-х годов по настоящее время).

Модели охватывают широкий диапазон степеней точности и инженерии: некоторые модели, такие как Дж. Д. Бернал воды концептуальны, а макромодели Полинг и Крик и Watson были созданы с гораздо большей точностью.

Молекулярные модели вдохновили молекулярная графика сначала в учебниках и научных 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:

дешевизна и портативность;
мгновенные тактильные и визуальные сообщения;
легкая интерактивность для многих процессов (например, конформационный анализ и псевдовращение ).

История

В 1600-х годах Иоганн Кеплер спекулировал на симметрия из снежинки а также о плотной упаковке сферических объектов, например фруктов (эта проблема оставалась нерешенной до недавнего времени). Симметричное расположение плотно упакованных сфер послужило основой для теорий молекулярной структуры в конце 1800-х годов и многих теорий кристаллография и твердое состояние Неорганическая структура использовала наборы равных и неравных сфер для моделирования упаковки и предсказания структуры.

Рис. 1. Модель Гофмана для метана.

Джон Далтон представляли соединения как скопления круговых атомов, и хотя Иоганн Йозеф Лошмидт не создавал физических моделей, его диаграммы на основе окружностей являются двумерными аналогами более поздних моделей. Август Вильгельм фон Хофманн приписывают первую физическую молекулярную модель около 1860 г. (рис. 1). Обратите внимание, как размер углерода кажется меньше, чем размер водорода. Важность стереохимия не была тогда распознана, и модель по сути является топологической (она должна быть трехмерной тетраэдр ).

Якобус Хенрикус ван 'т Хофф и Джозеф Ле Бель представил концепцию химии в космосе - трехмерную стереохимию. Ван 'т Хофф построен четырехгранный молекулы, представляющие трехмерные свойства углерод.

Модели на основе сфер

Повторяющиеся единицы помогут показать, насколько легко и понятно представить молекулы в виде шариков, которые представляют атомы.

Рис 2. Натрия хлорид (NaCl) решетка, показывающая плотноупакованные сферы, представляющие гранецентрированную кубическую решетку AB, подобную решетке NaCl и большинства других щелочь галогениды. В этой модели сферы имеют одинаковые размеры, тогда как более «реалистичные» модели будут иметь разные радиусы для катионы и анионы.

В бинарные соединения хлорид натрия (NaCl) и хлорид цезия (CsCl) имеют кубическую структуру, но имеют разные пространственные группы. Это можно объяснить плотной упаковкой сфер разного размера. Например, NaCl можно описать как хлорид с плотной упаковкой. ионы (в гранецентрированной кубической решетке) с ионами натрия в восьмигранный дыры. После разработки Рентгеновская кристаллография В качестве инструмента для определения кристаллических структур многие лаборатории строили модели на основе сфер. При разработке пластика или полистирол шары такие модели теперь легко создавать.

Модели на основе клюшки

Представление о химической связи как о прямой связи между атомами можно смоделировать, соединив шары (атомы) палками / стержнями (связями). Это было чрезвычайно популярно и широко используется до сих пор. Первоначально атомы были сделаны из деревянных сферических шаров со специально просверленными отверстиями для стержней. Таким образом углерод можно представить в виде сферы с четырьмя отверстиями на четырехгранный углы cos⁻¹(−¹⁄₃) ≈ 109.47°.

Проблема с жесткими связями и отверстиями в том, что системы с произвольными углами не могут быть построены. Это можно решить 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 клюшка из пролин. Цвета шаров: чернить представляет углерод (C); красный, кислород (O); синий, азот (N); и белый, водород (ЧАС). В каждом шаре просверлено столько же отверстий, сколько в обычном. валентность (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1) направлены к вершинам тетраэдра. Одинарные связи представлены (довольно) жесткими серыми стержнями. Двойные и тройные связки используют две более длинные гибкие связи, которые ограничивают вращение и поддерживают обычные СНГ /транс стереохимия.

Рис. 4. Мяч Биверса и модель клюшки. Рубин (Корунд, легированный хромом), изготовленный с использованием акриловых шариков и стержней из нержавеющей стали от Miramodus Ltd.

Однако для большинства молекул требуются отверстия под другим углом, и специализированные компании производят наборы и модели на заказ. Помимо тетраэдра, тригональный и восьмигранные, были универсальные шары на 24 отверстия. Эти модели допускали вращение вокруг одностержневых связей, что могло быть как преимуществом (демонстрируя молекулярную гибкость), так и недостатком (модели гибкие). Примерный масштаб 5 см на ангстрем (0,5 м / нм или 500000000: 1), но не по всем элементам.

Арнольд Биверс в Эдинбург Создавал небольшие модели из шариков из ПММА и стержней 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 рисунке 4 показана элементарная ячейка Рубин в этом стиле.

Скелетные модели

Крика и Ватсона ДНК модель и белок -строительные комплекты Кендрю были одними из первых скелетных моделей. 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 представила 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.

Многогранные модели

Много неорганический твердые тела состоят из атомов, окруженных сфера координации из электроотрицательный атомы (например, ПО₄ тетраэдры, TiO₆ октаэдры). Конструкции можно моделировать, склеивая многогранники из бумаги или пластика.

Составные модели

Рис. 5. Модель Николсона, показывающая короткую часть основной цепи белка (белый) с боковыми цепями (серый). Обратите внимание на отрезанные заглушки, представляющие атомы водорода.

Хорошим примером составных моделей является подход Николсона, широко используемый с конца 1970-х годов для построения моделей биологических макромолекулы. Компоненты в первую очередь 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 связок, так что произвольные углы кручения можно установить и сохранить свое значение. Конформации позвоночник и боковые цепи определяются путем предварительного расчета торсионных углов и последующей корректировки модели с помощью транспортир.

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. Для лабораторий было обычным делом создавать модель для каждого решенного белка. К 2005 году было определено так много белковых структур, что было создано относительно мало моделей.

Компьютерные модели

Рис. 6. Интегрированные белковые модели.

С развитием компьютерного физического моделирования теперь можно создавать полные единичные модели, вводя координаты поверхности в компьютер. На рисунке 6 показаны модели сибирская язва токсин, слева (в масштабе примерно 20 Å / см или 1: 5 000 000) и зеленый флуоресцентный белок справа (высота 5 см, масштаб около 4 Å / см или 1:25 000 000) от 3D Molecular Design. Модели изготавливаются из гипса или крахмала с использованием процесса быстрого прототипирования.

Также недавно стало возможным создавать точные молекулярные модели внутри стеклянных блоков, используя метод, известный как подповерхностный лазерная гравировка. Изображение справа (рис. 7) показывает трехмерную структуру Кишечная палочка белок (бета-субъединица ДНК-полимеразы, PDB код 1MMI), вытравленный внутри блока стекла британской компанией Luminorum Ltd.

Рис. 7. Модель белка в стекле.

Общие цвета

Некоторые из наиболее распространенных цветов, используемых в молекулярных моделях, следующие:^{[нужна цитата ]}

Водород		белый
Щелочных металлов		фиолетовый
Щелочноземельные металлы		темно-зеленый
Бор, наиболее переходные металлы		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
Титан		серый
Медь		абрикос
Меркурий		светло-серый

Хронология

Эта таблица представляет собой неполную хронологию событий, в которых физические молекулярные модели предоставили важную научную информацию.

Разработчики)	Дата	Технологии	Комментарии
Иоганн Кеплер	c. 1600		упаковка сфер, симметрия снежинок.
Иоганн Йозеф Лошмидт	1861	2-D графика	представление атомов и связей касанием кругов
Август Вильгельм фон Хофманн	1860	клюшка	первая узнаваемая физическая молекулярная модель
Якобус Хенрикус ван 'т Хофф	1874	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, Вальтер Колтун (Раскраска CPK )	1951	Модели, заполняющие пространство альфа-спирали и др.	«Природа химической связи» Полинга охватила все аспекты молекулярной структуры и повлияла на многие аспекты моделей.
Фрэнсис Крик и Джеймс Д. Уотсон	1953	шипы, плоские шаблоны и коннекторы с винтами	модель ДНК
Молекулярная графика	c. 1960	отображение на экранах компьютеров	дополняет, а не заменяет физические модели