Кіріспе
Молекулаларды бейнелейтін физикалық модель Молекулалық модель - молекулалар мен олардың процестерін бейнелейтін атомдық жүйенің физикалық моделі. Олар химияны түсінуде, гипотезаларды құруда және сынауда маңызды рөл атқарады. Молекулалық қасиеттер мен мінез-құлықтың математикалық модельдерін жасау молекулалық модельдеу деп аталады, ал олардың графикалық бейнелеуі молекулалық графика деп аталады. "Молекулалық модель" термині бір немесе бірнеше ашық атомдарды қамтитын жүйелерге (еркін еріткіш атомдары жасырын түрде көрсетілуі мүмкін болса да) және ядролық құрылымды елемейтін жүйелерге қатысты. Модельделетін молекуланың қызметін көрсету үшін қажет болмаса, электронды құрылым жиі алынып тасталады. Молекулалық модельдер бірнеше себептермен жасалуы мүмкін: студенттерге немесе атомдық құрылымдармен таныс емес адамдарға арналған педагогикалық құралдар ретінде; теорияларды (мысалы, ДНК құрылымы) жасау немесе сынау объектілері ретінде; аналогты компьютерлер ретінде (мысалы, икемді жүйелерде қашықтықтарды және бұрыштарын өлшеу үшін); немесе өнер мен ғылымның шекарасындағы эстетикалық жағынан жағымды объектілер ретінде. Физикалық модельдерді жасау көбінесе шығармашылық әрекет болып табылады, және көптеген үлгілер мұқият ғылым бөлімдерінің шеберханаларында жасалды. Физикалық модельдеуге қатысты көптеген тәсілдер бар, соның ішінде шар және таяқ модельдері коммерциялық түрде сатып алуға болады, 3D принтерлерді қолдана отырып жасалған молекулалық модельдерге дейін. Бастапқыда оқулықтар мен ғылыми мақалаларда, соңғы уақытта компьютерлерде. Молекулалық графика молекулалық модельдерді компьютерлік аппараттарда қарапайым, қолжетімді және арзан етіп бейнелеуді қамтамасыз етті, бірақ физикалық модельдер кеңінен бейнеленген тактильді және визуалды хабарды жақсарту үшін қолданылады.
A molecular model is a physical model of an atomistic system that represents molecules and their processes. They play an important role in understanding chemistry and generating and testing hypotheses. The creation of mathematical models of molecular properties and behavior is referred to as molecular modeling, and their graphical depiction is referred to as molecular graphics. The term, "molecular model" refer to systems that contain one or more explicit atoms (although solvent atoms may be represented implicitly) and where nuclear structure is neglected. The electronic structure is often also omitted unless it is necessary in illustrating the function of the molecule being modeled. Molecular models may be created for several reasons – as pedagogic tools for students or those unfamiliar with atomistic structures; as objects to generate or test theories (e. g., the structure of DNA); as analogue computers (e. g., for measuring distances and angles in flexible systems); or as aesthetically pleasing objects on the boundary of art and science. The construction of physical models is often a creative act, and many bespoke examples have been carefully created in the workshops of science departments. There is a very wide range of approaches to physical modeling, including ball and stick models available for purchase commercially, to molecular models created using 3D printers. The main strategy, initially in textbooks and research articles and more recently on computers. Molecular graphics has made the visualization of molecular models on computer hardware easier, more accessible, and inexpensive, although physical models are widely used to enhance the tactile and visual message being portrayed.
Тарих
1600-ші жылдары Иоганн Кеплер қар түйіршіктерінің симметриясы мен жеміс сияқты шар тәрізді заттардың тығыз орналасуы туралы ойлады. Жақын орналасқан сфералардың симметриялық орналасуы 1800-жылдардың аяғында молекулалық құрылым теориясын қалыптастырды, ал кристаллографияның көптеген теориялары және қатты күйдегі органикалық емес құрылымдар жапсыруды және құрылымды болжау үшін тең және тең емес сфералардың жинақтарын қолданды. Джон Далтон қосылыстарды дөңгелек атомдардың жиынтығы ретінде көрсетті, ал Иоганн Йозеф Лошмидт физикалық модельдерді жасамаса да, оның шеңберлерге негізделген диаграммалары кейінгі модельдердің екі өлшемді аналогтары болып табылады. Август Вильгельм фон Хофман 1860 жылы алғашқы физикалық молекулалық модельді жасаған. Көміртектің мөлшері сутектен кішірек көрінеді. Стереохимияның маңызы сол кезде танылмаған және модель негізінен топологиялық (ол 3 өлшемді тетраэдр болуы керек). Якобс Хенрикус вант Хофф пен Джозеф Ле Бел химияның үш өлшемді кеңістіктегі тұжырымдамасын енгізді, яғни стереохимия. Вант Хофф көміртектің үш өлшемді қасиеттерін бейнелейтін тетраэдрлі молекулаларды жасады.
Шарларға негізделген модельдер
Бірлікті қайталау молекулаларды атомды бейнелейтін шарлар арқылы бейнелеудің қаншалықты оңай екенін көрсетуге көмектеседі. Бинарлы қосылыстар натрий хлориді (NaCl) және цезий хлориді (CsCl) текше құрылымға ие, бірақ әр түрлі кеңістіктік топтарға ие. Бұл әр түрлі өлшемді шарларды тығыз жинап алу арқылы рационалдастырылуы мүмкін. Мысалы, NaCl-ды октаэдрлі тесіктердегі натрий иондарымен тығыз орналасқан хлорид иондары (бет ортасындағы кубтық торда) ретінде сипаттауға болады. Рентген кристаллографиясының кристалл құрылымдарын анықтау құралы ретінде пайда болғаннан кейін көптеген зертханалар шарларға негізделген модельдер жасады. Пластмасса немесе полистиролдан жасалған шарлар пайда болғаннан кейін мұндай модельдерді жасау оңай болды.
Шар-табанға негізделген модельдер
Химиялық байланыс атомдар арасындағы тікелей байланыс ретінде шарларды (атомдарды) таяқшалармен / таяқшалармен (байланыстар) байланыстыра отырып модельдеуге болады. Бұл өте танымал болды және әлі күнге дейін кеңінен қолданылады. Бастапқыда атомдар арнайы бұрғыланған сабындар бар шар тәрізді ағаш шарлардан жасалатын. Осылайша көміртекті тетраэдрлік бұрыштарда төрт тесігі бар сфера ретінде көрсетуге болады cos−1(−) ≈ 109,47°. Қатты байланыстар мен тесіктердегі мәселе - кездейсоқ бұрыштармен жүйелер құрастырылмайды. Бұл қиындықты иілгіштік байланыстар арқылы жеңуге болады, бастапқыда спиральді пружиналар, бірақ қазір әдетте пластмассадан жасалады. Бұл сондай-ақ екі және үш еселенген облигацияларды бірнеше бірлі-жарым облигацияларға теңеуге мүмкіндік береді. Сол жақтағы модель пролиннің шар мен таяқ үлгісін көрсетеді. Шақтар түрлі-түсті: қарасы көміртекті (С); қызыл - оттегін (О); көк - азотты (Н); ақ - сутегін (Н). Әрбір шарға оның дәстүрлі валенттілігі (С: 4; Н: 3; О: 2; H: 1) тетраэдрдің ұшына бағытталған тесіктер салынады. Жалғыз байламдар (қалай) қатты сұр таяқшалармен бейнеленеді. Қос және үш еселік байланыстар екі ұзын икемді байланыстарды қолданады, олар айналуды шектейді және дәстүрлі цис / транс стереохимияны қолдайды. Алайда, молекулалардың көпшілігі басқа бұрыштарда тесіктерді қажет етеді және мамандандырылған компаниялар жиынтықтарды және арнайы үлгілерді шығарады. Төртбұрышты, үшбұрышты және сегізбұрышты саңылаулардан басқа, 24 саңылаулы барлық мақсаттағы доптар болды. Бұл модельдер бір тағандық байланыстар бойынша айналуға мүмкіндік берді, бұл артықшылық (молекулалық икемділікті көрсету) және кемшілік (модельдер флаки болып табылады) болуы мүмкін. Шамамен шкала 5 см/ангстром (0,5 м/нм немесе 500,000,000:1), бірақ барлық элементтерде бірдей емес. Эдинбургтегі Арнольд Биверс PMMA шарлары мен тот баспайтын болаттан жасалған таяқшаларды пайдалана отырып, шағын модельдер жасады. Бұл модельдерде дәл байланысу бұрыштары мен байланысу ұзындығы бар жеке бұрғыланған шарларды пайдалану арқылы үлкен кристалдық құрылымдар дәл құрылады, бірақ жеңіл және қатты формада. 4-суретте рубиннің бірлік ұяшығы көрсетілген.
Скелет үлгілері
Крик пен Уотсонның ДНК моделі және Кендрюдің белок құрастыру жиынтығы алғашқы скелет модельдерінің бірі болды. Бұл элементтер атомдық компоненттерге негізделген, онда валенттіліктер таяқшалармен бейнеленген; атомдар қиылыстардағы нүктелер болды. Байланыстар бөлшектерді бұрандалы құбырлы жалғаулармен байланыстыра отырып құрылды. Андре Дрейдинг 1950 жылдардың соңында молекулалық модельдеу жиынтығын енгізді, ол коннекторларды қолданбайды. Берілген атомның қатты және қуыс валентті тікенектері болады. Қаты тағандар құбырларға түйісіп, әдетте еркін айналады. Олар органикалық химия кафедраларында кеңінен қолданылған және дәл жасалған, сондықтан атом аралық өлшеулерді билеуші жасай алады. Соңғы уақытта арзан пластикалық модельдер (мысалы, Orbit) осыған ұқсас принципті қолданады. Шағын пластикалық шарда пластикалық түтіктерді орнатуға болатын шығыңқы жерлер бар. Пластиктің икемділігі бұрмаланған геометрияны жасауға мүмкіндік береді.
Көпбұрышты модельдер
Көптеген органикалық емес қатты заттар атомдардан тұрады, оларды электрон-негативтік атомдардың координациялық сферасы қоршап тұрады (мысалы, PO4 тетраэдр, TiO6 октаэдр). Құрылыстарды қағаздан немесе пластмассадан жасалған полиэдрлерді біріктіру арқылы модельдеуге болады.
Құрама модельдер
Композиттік модельдердің жақсы мысалы - биологиялық макромолекулалардың модельдерін құру үшін 1970-ші жылдардың аяғынан бастап кеңінен қолданылатын Николсон әдісі. Құрамында негізінен амин қышқылдары мен нуклеин қышқылдары бар, олардың алдын ала қалыптасқан қалдықтары атомдар топтарын білдіреді. Көптеген атомдар тікелей қалыпқа салынған, және олар пластикалық тырнақтарды кішкентай тесіктерге итеріп біріктіреді. Пластик жақсы ұстап, буынды айналдыруды қиындатады, сондықтан кездейсоқ бұрылыс бұрыштарын орнатып, олардың мәнін сақтай алады. Арқа сүйегі мен бүйірлік тізбектердің конформациясы бұрылыс бұрыштарын алдын ала есептеу арқылы анықталады, содан кейін модельді протрактормен реттеу. Пластик ақ түсті, оны О және N атомдарын ажырату үшін бояуға болады. Сутек атомдары әдетте тұйық болады және спицаларды кесу арқылы үлгіленеді. 300 қалдықты құрайтын типтік белоктың үлгісін жасау үшін бір ай қажет болуы мүмкін. Зертханаларда әр ақуыздың шешілген моделін жасау әдеттегі нәрсе еді. 2005 жылы протеиндердің құрылымы анықталып, салыстырмалы түрде аз модельдер жасалды.
Компьютерлік модельдер
Компьютерлік физикалық модельдеудің дамуымен, қазір компьютерге беттің координаттарын енгізу арқылы толық бір бөлшекті модельдер жасау мүмкін. 6-суретте 3D молекулалық дизайндағы сиыр шамасы токсинінің сол жақтағы (шамамен 20 Å/см немесе 1:5,000,000) және оң жақтағы (биіктігі 5 см, шамамен 4 Å/см немесе 1:25,000,000 масштабта) жасыл флуоресцентті ақуыздың үлгілері көрсетілген. Модельдер тез прототиптеу процесін қолдана отырып, гипстен немесе крахмалдан жасалады. Сондай-ақ, жақында лазерлік гравировка деп аталатын әдісті қолдана отырып, шыны блоктар ішінде дәл молекулалық модельдер жасау мүмкін болды. Оң жақтағы суретте E. coli ақуызының 3D құрылымы (ДНК полимераза бета-кіші бірлігі, PDB коды 1MMI) британдық Luminorum Ltd компаниясы шыны блогының ішіне жазылған.
Есептеу модельдері
Компьютерлер молекулаларды математикалық тұрғыдан да модельдей алады. Авогадро сияқты бағдарламалар кәдімгі үстелдерде жұмыс істей алады және байланыс ұзындығы мен бұрыштарын, молекулалық полярлылық пен зарядты бөлуді, тіпті сіңіру және эмиссия спектрлері сияқты кванттық механикалық қасиеттерді болжауға болады. Алайда, осы бағдарламалардың түрлері молекулаларды атомдар саны көбейген сайын модельдей алмайды, өйткені есептеулер саны атомдар санына квадратикалық; егер молекулада төрт есе көп атом қолданылса, онда есептеулер 16 есе ұзақ болады. Көптеген практикалық мақсаттарда, мысалы, дәрі-дәрмектерді жобалау немесе белоктарды бүгу, модельдің есептеулері суперкомпьютерлерді қажет етеді немесе оларды классикалық компьютерлерде ақылға қонымды уақыт ішінде жасауға болмайды. Кванттық компьютерлер молекулаларды аз есептермен модельдей алады, өйткені кванттық компьютердің әрбір циклда орындайтын есептеулерінің түрі молекулалық модельдеуге жақсы сәйкес келеді.
Хронологиясы
Бұл кесте физикалық молекулалық модельдер негізгі ғылыми түсініктерді берген оқиғалардың толық емес хронологиясы болып табылады. Дамушы ((s) Күні Технология Комментарийлері Иоганн Кеплер 1600 ж. шарлық жинақтау, қар түйіршіктерінің симметриясы. Иоганн Йозеф Лошмидт 1861 2 Д атомдар мен байланыстарды дөңгелектер арқылы графикалық бейнелеу Август Вильгельм фон Хофман 1860 доп пен таяқ алғашқы танымал физикалық молекулалық модель Якобс Хенрикус ван 'т Хофф 1874 жылғы қағаз? Атомдарды тетраэдр ретінде бейнелеу стереохимияның дамуын қолдады Джон Десмонд Берналь 1930 ж. Стекті судың пластилиндік және спицалық моделі Роберт Кори, Линус Паулинг, Уолтер Колтун (CPK бояуы) 1951 Альфа спиральдің кеңістікті толтыру үлгілері және т.б. Паулингтің "Химиялық байланыстың табиғаты" молекулалық құрылыстың барлық аспектілерін қамтыды және модельдердің көптеген аспектілеріне әсер етті Фрэнсис Крик және Джеймс Д. Уотсон 1953 тікенектер, жалпақ шаблондар және бұрандалы жалғаулар ДНК молекулалық графикасы 1960 ж. Компьютер экрандарындағы дисплей физикалық модельдерді алмастырмайды, қайта, оларды толықтырады