Molekylär modell - Molecular model

En molekylär modell är en fysisk modell som representerar molekyler och deras processer. Skapandet av matematiska modeller av molekylära egenskaper och beteende är molekylär modellering , och deras grafiska skildring är molekylär grafik , men dessa ämnen är nära kopplade och var och en använder tekniker från de andra. I denna artikel kommer "molekylär modell" huvudsakligen att hänvisa till system som innehåller mer än en atom och där kärnstrukturen försummas. Den elektroniska strukturen utelämnas ofta eller representeras på ett mycket sofistikerat sätt.

Översikt

Fysiska modeller av atomistiska system har spelat en viktig roll för att förstå kemi och generera och testa hypoteser . Oftast finns det en uttrycklig representation av atomer, även om andra tillvägagångssätt som tvålfilmer och andra kontinuerliga medier har varit användbara. Det finns flera motiv för att skapa fysiska modeller:

  • som pedagogiska verktyg för studenter eller de som inte känner till atomistiska strukturer;
  • som objekt för att generera eller testa teorier (t.ex. DNA-strukturen);
  • som analoga datorer (t.ex. för att mäta avstånd och vinklar i flexibla system);
  • som estetiskt tilltalande föremål på gränsen mellan konst och vetenskap.

Konstruktionen av fysiska modeller är ofta en kreativ handling, och många skräddarsydda exempel har skapats noggrant i verkstäderna på vetenskapsavdelningarna. Det finns ett mycket brett utbud av metoder för fysisk modellering, och den här artikeln listar bara de vanligaste eller historiskt viktiga. Huvudstrategin, initialt i läroböcker och forskningsartiklar och nyligen på datorer. Molekylär grafik har ersatt vissa funktioner hos fysiska molekylära modeller, men fysiska kit är fortfarande mycket populära och säljs i stort antal. Deras unika styrkor inkluderar:

Historia

På 1600-talet, Johannes Kepler spekulerade på symmetrin av snöflingor och även på den täta packningen av sfäriska föremål som frukt (detta problem förblivit olösta tills helt nyligen). Det symmetriska arrangemanget av tätt packade sfärer informerade teorier om molekylstruktur i slutet av 1800-talet, och många teorier om kristallografi och oorganisk struktur i fast tillstånd använde samlingar av lika och ojämna sfärer för att simulera packning och förutsäga struktur.

Fig. 1. Hofmanns modell för metan.

John Dalton representerade föreningar som aggregeringar av cirkulära atomer, och även om Johann Josef Loschmidt inte skapade fysiska modeller, är hans diagram baserade på cirklar tvådimensionella analoger till senare modeller. August Wilhelm von Hofmann krediteras den första fysiska molekylära modellen omkring 1860 (fig. 1). Observera hur storleken på kolet verkar vara mindre än vätet. Vikten av stereokemi erkändes inte då och modellen är i huvudsak topologisk (den borde vara en tredimensionell tetraeder ).

Jacobus Henricus van 't Hoff och Joseph Le Bel introducerade begreppet kemi i rymden - stereokemi i tre dimensioner. van 't Hoff byggt tetraedriska molekyler som representerar de tredimensionella egenskaperna hos kol .

Modeller baserade på sfärer

Upprepande enheter hjälper till att visa hur lätt det är och tydligt att representera molekyler genom kulor som representerar atomer.

Fig. 2. Natriumklorid (NaCl) gitter, som visar tätpackade sfärer som representerar en ytcentrerad kubisk AB gitter liknande den i NaCl och de flesta andra alkaliska halogenider . I denna modell är sfärerna lika stora medan mer "realistiska" modeller skulle ha olika radier för katjoner och anjoner .

De binära föreningarna natriumklorid (NaCl) och cesiumklorid (CsCl) har kubiska strukturer men har olika rymdgrupper. Detta kan rationaliseras när det gäller nära packning av sfärer av olika storlekar. Till exempel, kan NaCI beskrivas som tätpackade kloridjoner (i ett ytcentrerat kubiskt gitter) med natriumjoner i de oktaedriska hålen. Efter utvecklingen av röntgenkristallografi som ett verktyg för att bestämma kristallstrukturer byggde många laboratorier modeller baserade på sfärer. Med utvecklingen av plast- eller polystyrenkulor är det nu enkelt att skapa sådana modeller.

Modeller baserade på kul-och-stick

Begreppet kemisk bindning som en direkt länk mellan atomer kan modelleras genom att länka kulor (atomer) med pinnar / stavar (bindningar). Detta har varit extremt populärt och används fortfarande i stor utsträckning idag. Ursprungligen var atomer gjorda av sfäriska träbollar med speciellt borrade hål för stavar. Sålunda kol kan representeras som en sfär med fyra hål vid tetraedriska vinklar cos -1 (- en / tre ) ≈ 109,47 °.

Ett problem med styva bindningar och hål är att system med godtyckliga vinklar inte kunde byggas. Detta kan övervinnas med flexibla bindningar, ursprungligen skruvfjädrar men nu vanligtvis plast. Detta gör det också möjligt att approximera dubbel- och trippelbindningar med flera enkelbindningar (fig. 3).

Fig 3. En modern plastkula och stickmodell. Den visade molekylen är prolin .

Figur 3 representerar en kul-och-stick-modell av prolin . Bollarna har färger: svart representerar kol (C); röd , syre (O); blå , kväve (N); och vitt, väte (H). Varje boll borras med så många hål som dess konventionella valens (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1) riktad mot en tetraederns hörn. Enkelbindningar representeras av (ganska) styva grå stavar. Dubbel- och trippelbindningar använder två längre flexibla bindningar som begränsar rotation och stöder konventionell cis / trans- stereokemi.

Fig. 4. Beevers boll- och stickmodell av rubin (Cr-dopad korund) gjord med akrylkulor och stavar av rostfritt stål av Miramodus Ltd.

De flesta molekyler kräver dock hål i andra vinklar och specialföretag tillverkar kit och skräddarsydda modeller. Förutom tetraedriska, trigonala och oktaedriska hål fanns det all-purpose bollar med 24 hål. Dessa modeller tillät rotation kring enkelstångsbindningarna, vilket både kan vara en fördel (som visar molekylär flexibilitet) och en nackdel (modellerna är diskett). Den ungefärliga skalan var 5 cm per ångström (0,5 m / nm eller 500 000 000: 1), men var inte konsekvent över alla element.

Arnold Beevers i Edinburgh skapade små modeller med PMMA-kulor och stänger av rostfritt stål. Genom att använda individuellt borrade kulor med exakta bindningsvinklar och bindningslängder i dessa modeller, skapas stora kristallstrukturer exakt, men med lätt och styv form. Figur 4 visar en enhetscell av rubin i denna stil.

Skelettmodeller

Crick och Watsons DNA modell och protein -building satser av Kendrew var bland de första skelett modellerna. Dessa baserades på atomkomponenter där valenserna representerades av stavar; atomerna var punkter vid korsningarna. Obligationer skapades genom att länka komponenter med rörformiga kontakter med låsskruvar.

André Dreiding introducerade ett molekylärt modelleringspaket i slutet av 1950-talet som avskaffade kontakterna. En given atom skulle ha solida och ihåliga valensspikar. De solida stavarna klickade i rören och bildade en bindning, vanligtvis med fri rotation. Dessa användes och används mycket i avdelningar för organisk kemi och gjordes så exakt att interatomära mätningar kunde göras av linjalen.

På senare tid använder billiga plastmodeller (som Orbit) en liknande princip. En liten plastsfär har utskjutningar på vilka plaströr kan monteras. Plastens flexibilitet innebär att förvrängda geometrier kan göras.

Polyhedrala modeller

Många oorganiska fasta ämnen består av atomer omgivna av en koordinationssfär av elektronegativa atomer (t.ex. PO 4 tetrahedra, TiO 6 octahedra). Strukturer kan modelleras genom att limma samman polyeder gjorda av papper eller plast.

Sammansatta modeller

Fig. 5. En Nicholson-modell som visar en kort del av proteinryggen (vit) med sidokedjor (grå). Observera de klippta stubbarna som representerar väteatomer.

Ett bra exempel på kompositmodeller är Nicholson-metoden, som ofta användes från slutet av 1970-talet för att bygga modeller av biologiska makromolekyler . Komponenterna är främst aminosyror och nukleinsyror med förformade rester som representerar grupper av atomer. Många av dessa atomer formas direkt i mallen och passar ihop genom att skjuta plaststubbar i små hål. Plasten griper bra och gör bindningar svåra att rotera, så att godtyckliga vridningsvinklar kan ställas in och behålla sitt värde. Konformationerna för de ryggraden och sidokedjorna bestäms genom för-beräkning av vridningsvinklar och sedan justera modellen med en gradskiva .

Plasten är vit och kan målas för att skilja mellan O- och N-atomer. Väteatomer är normalt underförstådda och modellerade genom att klippa av ekrarna. En modell av ett typiskt protein med cirka 300 rester kan ta en månad att bygga. Det var vanligt att laboratorier byggde en modell för varje löst protein. År 2005 bestämdes så många proteinstrukturer att relativt få modeller gjordes.

Datorbaserade modeller

Fig. 6. Integrerade proteinmodeller.

Med utvecklingen av datorbaserad fysisk modellering är det nu möjligt att skapa kompletta modeller i ett stycke genom att mata in ytans koordinater i datorn. Figur 6 visar modeller av mjältbrandstoxin , vänster (i en skala av cirka 20 Å / cm eller 1: 5 000 000) och grönt fluorescerande protein , höger (5 cm högt, i en skala av cirka 4 Å / cm eller 1: 25 000 000) från 3D-molekylär design. Modellerna är gjorda av gips eller stärkelse med en snabb prototypprocess.

Det har också nyligen blivit möjligt att skapa exakta molekylära modeller inuti glasblock med en teknik som kallas underjordisk lasergravering . Bilden till höger (fig. 7) visar 3D-strukturen för ett E. coli- protein (DNA-polymeras beta-underenhet, PDB- kod 1MMI) etsad i ett glasblock av det brittiska företaget Luminorum Ltd.

Fig. 7. Proteinmodell i glas.

Vanliga färger

Se även: CPK-färgning

Några av de vanligaste färgerna som används i molekylära modeller är följande:

Väte vit
Alkaliska metaller violett
Jordalkaliska metaller mörkgrön
Bor , de flesta övergångsmetaller Rosa
Kol svart
Kväve blå
Syre röd
Fluor grön gul
Klor limegrön
Brom mörkröd
Jod mörk violett
ädelgaser cyan
Fosfor orange
Svavel gul
Titan grå
Koppar aprikos
Kvicksilver ljusgrå

Kronologi

Denna tabell är en ofullständig kronologi över händelser där fysiska molekylära modeller gav stora vetenskapliga insikter.

Utvecklare Datum Teknologi Kommentarer
Johannes Kepler c. 1600 sfärförpackning, symmetri av snöflingor.
Johann Josef Loschmidt 1861 2-D-grafik representation av atomer och bindningar genom att röra vid cirklar
August Wilhelm von Hofmann 1860 kul-och-stick första igenkännbara fysiska molekylära modellen
Jacobus Henricus van 't Hoff 1874 papper? representation av atomer som tetraeder stödde utvecklingen av stereokemi
John Desmond Bernal c. 1930 Modellera och ekrar modell av flytande vatten
Robert Corey , Linus Pauling , Walter Koltun ( CPK-färgning ) 1951 Rymdfyllande modeller av alfa-helix, etc. Paulings "Nature of the Chemical Bond" täckte alla aspekter av molekylär struktur och påverkade många aspekter av modeller
Francis Crick och James D. Watson 1953 spikar, platta mallar och kontakter med skruvar modell av DNA
Molekylär grafik c. 1960 visas på datorskärmar kompletterar snarare än ersätter fysiska modeller

Se även

Referenser

(Vissa av dessa har intressanta och / eller vackra bilder)

Referenser