Молекулярная модель — это физическая модель атомистической системы, которая представляет молекулы и их процессы. Они играют важную роль в понимании химии , создании и проверке гипотез . Создание математических моделей свойств и поведения молекул называется молекулярным моделированием , а их графическое изображение — молекулярной графикой .
Термин «молекулярная модель» относится к системам, которые содержат один или несколько явных атомов (хотя атомы растворителя могут быть представлены неявно) и в которых ядерная структура не учитывается. Электронная структура также часто опускается, если только это не необходимо для иллюстрации функции моделируемой молекулы.
Молекулярные модели могут создаваться по нескольким причинам: 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); или как эстетически привлекательные объекты на границе искусства и науки.
Построение физических моделей часто является творческим актом, и многие сделанные на заказ примеры были тщательно созданы в мастерских научных отделов. Существует очень широкий спектр подходов к физическому моделированию, от шаростержневых моделей, доступных для приобретения на коммерческой основе, до молекулярных моделей, созданных с помощью 3D-принтеров . Основная стратегия, первоначально в учебниках и научных статьях, а в последнее время и на компьютерах. Молекулярная графика сделала визуализацию молекулярных моделей на компьютерном оборудовании более простой, доступной и недорогой, хотя физические модели широко используются для усиления отображаемого тактильного и визуального сообщения.
В 1600-х годах Иоганн Кеплер размышлял о симметрии снежинок и плотной упаковке сферических объектов, таких как фрукты. [1] Симметричное расположение плотно упакованных сфер легло в основу теорий молекулярной структуры в конце 1800-х годов, и многие теории кристаллографии и неорганической структуры твердого тела использовали наборы равных и неравных сфер для моделирования упаковки и предсказания структуры.
Джон Дальтон представлял соединения как скопления кольцевых атомов, и хотя Иоганн Йозеф Лошмидт не создавал физических моделей, его диаграммы, основанные на кругах, являются двумерными аналогами более поздних моделей. [2] Августу Вильгельму фон Хофману приписывают создание первой физической молекулярной модели около 1860 года. [3] Обратите внимание, что размер углерода кажется меньшим, чем размер водорода. Важность стереохимии тогда не была признана, и модель по существу топологическая (это должен быть трехмерный тетраэдр ).
Якобус Хенрикус ван 'т Хофф и Жозеф Ле Бель ввели понятие химии в трех измерениях пространства, то есть стереохимии. Ван 'т Хофф построил тетраэдрические молекулы, отражающие трехмерные свойства углерода . [ нужна цитата ]
Повторяющиеся единицы помогут показать, насколько легко и наглядно представлять молекулы через шарики, изображающие атомы.
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 плотноупакованные ионы хлорида (в гранецентрированной кубической решетке) с ионами натрия в октаэдрических дырках. После развития рентгеновской кристаллографии как инструмента определения кристаллических структур многие лаборатории построили модели на основе сфер. С развитием пластиковых или полистироловых шариков теперь создавать такие модели стало легко.
Представление о химической связи как прямой связи между атомами можно смоделировать, соединяя шарики (атомы) палочками/стержнями (связями). Это было чрезвычайно популярно и до сих пор широко используется. Первоначально атомы представляли собой сферические деревянные шарики со специально просверленными отверстиями для стержней. Таким образом, углерод можно представить в виде сферы с четырьмя отверстиями под тетраэдрическими углами cos -1 (- 1 ⁄ 3 ) ≈ 109,47°.
Проблема с жесткими связями и отверстиями заключается в том, что системы с произвольными углами невозможно построить. Эту проблему можно решить с помощью гибких связей, первоначально винтовых пружин, но теперь обычно пластиковых. Это также позволяет аппроксимировать двойные и тройные связи несколькими одинарными связями.
Модель, показанная слева, представляет собой шариковую модель пролина . Шары имеют цвета: черный представляет собой углерод (C); красный — кислород (О); синий — азот (N); и белый — водород (H). В каждом шаре просверлено столько отверстий, сколько его условная валентность (C:4; N:3; O:2; H:1), направленная к вершинам тетраэдра. Одинарные связи представлены (достаточно) жесткими серыми стержнями. Двойные и тройные связи используют две более длинные гибкие связи, которые ограничивают вращение и поддерживают традиционную цис / транс -стереохимию.
Однако для большинства молекул требуются отверстия под другими углами, и специализированные компании производят наборы и модели на заказ. Помимо тетраэдрических, тригональных и октаэдрических отверстий, существовали универсальные шары с 24 отверстиями. Эти модели допускали вращение вокруг одинарных связей стержня, что могло быть как преимуществом (демонстрация молекулярной гибкости), так и недостатком (модели гибкие). Приблизительный масштаб составлял 5 см на ангстрем (0,5 м/нм или 500 000 000:1), но не был одинаковым для всех элементов.
Арнольд Биверс из Эдинбурга создал небольшие модели, используя шарики из ПММА и стержни из нержавеющей стали. Используя в этих моделях индивидуально просверленные шарики с точными углами и длинами связей, можно точно создать крупные кристаллические структуры, но с легкой и жесткой формой. На рисунке 4 показана элементарная ячейка рубина в этом стиле.
Модель ДНК Крика и Уотсона и наборы Кендрю для построения белков были одними из первых моделей скелета. Они были основаны на атомных компонентах, валентности которых были представлены стержнями; атомы были точками на пересечениях. Связи создавались путем соединения компонентов трубчатыми соединителями со стопорными винтами.
В конце 1950-х годов Андре Дрейдинг представил набор для молекулярного моделирования, в котором не использовались соединители. Данный атом будет иметь твердые и полые валентные шипы. Твердые стержни защелкивались в трубках, образуя соединение, обычно со свободным вращением. Они очень широко использовались и используются на кафедрах органической химии и были изготовлены настолько точно, что межатомные измерения можно было проводить с помощью линейки.
В последнее время по аналогичному принципу работают недорогие пластиковые модели (например, «Орбита»). Небольшая пластиковая сфера имеет выступы, на которые можно надевать пластиковые трубки. Гибкость пластика означает, что можно создавать искаженную геометрию.
Многие неорганические твердые тела состоят из атомов, окруженных координационной сферой электроотрицательных атомов (например , тетраэдры PO 4 , октаэдры TiO 6 ). Структуры 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 представляют собой в основном аминокислоты и нуклеиновые кислоты с заранее сформированными остатками, представляющими группы атомов. Многие из этих атомов формуются непосредственно в шаблоне и соединяются друг с другом путем вставления пластиковых заглушек в небольшие отверстия. Пластик хорошо сцепляется и затрудняет вращение соединений, поэтому можно устанавливать произвольные углы скручивания и сохранять свое значение. Конформации основной цепи и боковых цепей определяются путем предварительного расчета углов скручивания и последующей корректировки модели с помощью транспортира .
Пластик белого цвета, его можно покрасить, чтобы различать атомы O и N. Атомы водорода обычно неявны и моделируются путем отрезания спиц. На создание модели типичного белка примерно с 300 остатками может уйти месяц. В лабораториях было обычным делом 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 цельные 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 (высотой 5 см в масштабе примерно 4 Å/см или 1:25 000 000) из 3D-молекулярный дизайн. Модели изготавливаются из гипса или крахмала методом быстрого прототипирования.
Недавно стало возможным создавать точные молекулярные модели внутри стеклянных блоков с помощью метода, известного как подповерхностная лазерная гравировка . На изображении справа показана трехмерная структура белка E. coli (бета-субъединица ДНК-полимеразы, код PDB 1MMI), вытравленная внутри стеклянного блока британской компанией Luminorum Ltd.
Компьютеры также могут моделировать молекулы математически. Такие программы, как Avogadro, могут работать на обычных настольных компьютерах и предсказывать длины и углы связей, полярность молекул и распределение зарядов, а также даже квантово-механические свойства, такие как спектры поглощения и излучения. Однако программы такого типа не могут моделировать молекулы по мере добавления большего количества атомов, поскольку количество вычислений квадратично пропорционально количеству задействованных атомов; если в молекуле используется в четыре раза больше атомов, расчеты займут в 16 раз больше времени. Для большинства практических целей, таких как разработка лекарств или сворачивание белков, расчеты модели требуют суперкомпьютеров или вообще не могут быть выполнены на классических компьютерах за разумное время. Квантовые компьютеры могут моделировать молекулы с меньшим количеством вычислений, поскольку тип вычислений, выполняемых в каждом цикле квантового компьютера, хорошо подходит для молекулярного моделирования.
Некоторые из наиболее распространенных цветов, используемых в молекулярных моделях , следующие :
Эта таблица представляет собой неполную хронологию событий, в которых физические молекулярные модели предоставили важные научные идеи.