Введение

Молекулярная модель - это физическая модель атомистической системы, которая представляет молекулы и их процессы. Они играют важную роль в понимании химии и создании и тестировании гипотез. Создание математических моделей молекулярных свойств и поведения называется молекулярным моделированием, а их графическое изображение - молекулярной графикой. Термин "молекулярная модель" относится к системам, которые содержат один или несколько явно выраженных атомов (хотя атомы растворителя могут быть представлены неявно) и где ядерная структура игнорируется. Электронная структура часто также опускается, если это не необходимо для иллюстрации функции моделируемой молекулы. Молекулярные модели могут быть созданы по нескольким причинам: как педагогические инструменты для студентов или тех, кто не знаком с атомными структурами; как объекты для генерации или тестирования теорий (например, структура ДНК); как аналоговые компьютеры (например, для измерения расстояний и углов в гибких системах); или как эстетически приятные объекты на границе искусства и науки. Строительство физических моделей часто является творческим актом, и многие заказные примеры были тщательно созданы в мастерских научных отделов. Существует очень широкий спектр подходов к физическому моделированию, включая модели из шариков и палочек, доступные для покупки в коммерческих целях, до молекулярных моделей, созданных с использованием 3D-принтеров. Основная стратегия, изначально в учебниках и исследовательских статьях, а в последнее время на компьютерах. Молекулярная графика сделала визуализацию молекулярных моделей на компьютерном оборудовании более легкой, более доступной и недорогой, хотя физические модели широко используются для улучшения тактильного и визуального сообщения, которое изображается.

История

В 1600-х годах Иоганн Кеплер предположил симметрию снежинки и тесную упаковку сферических объектов, таких как фрукты. Симметричное расположение тесно упакованных сфер в конце 1800-х годов послужило основой для теорий молекулярной структуры, а многие теории кристаллографии и неорганической структуры твердого состояния использовали коллекции равных и неравных сфер для моделирования упаковки и прогнозирования структуры. Джон Далтон представлял соединения как агрегации круговых атомов, и хотя Йоханн Йозеф Лошмидт не создавал физических моделей, его диаграммы, основанные на кругах, являются двумерными аналогами более поздних моделей. Августу Вильгельму фон Хофману приписывают первую физическую молекулярную модель около 1860 года. Обратите внимание, что размер углерода меньше, чем водорода. Важность стереохимии тогда не была признана, и модель по существу топологическая (она должна быть трехмерным тетраэдром). Якобс Хенрикус ван 'т Хофф и Джозеф Ле Бел ввели понятие химии в трех измерениях пространства, то есть стереохимии. Вант Хофф создал четырехгранные молекулы, представляющие трехмерные свойства углерода.

Модели на основе сфер

Повторение единиц поможет показать, насколько легко и понятно представлять молекулы через шары, представляющие атомы. Бинарные соединения хлорид натрия (NaCl) и хлорид цезия (CsCl) имеют кубическую структуру, но имеют разные пространственные группы. Это можно рационализировать с точки зрения плотной упаковки сфер разных размеров. Например, NaCl может быть описан как тесно упакованные ионы хлорида (в лицевой центрированной кубической решетке) с ионами натрия в восьмигранных отверстиях. После разработки рентгеновской кристаллографии как инструмента для определения кристаллических структур многие лаборатории создали модели на основе сфер. С появлением пластиковых или полистиролевых шариков теперь легко создавать такие модели.

Модели на основе шаров и палочек

Концепция химической связи как прямой связи между атомами может быть смоделирована путем соединения шаров (атомов) с палками / прутьями (связи). Это было чрезвычайно популярно и до сих пор широко используется сегодня. Первоначально атомы были сделаны из сферических деревянных шаров со специально просверленными отверстиями для стержней. Таким образом, углерод может быть представлен как сфера с четырьмя отверстиями под тетраэдрическими углами cos−1(−) ≈ 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 связей, изначально спиралевидных пружин, но теперь обычно пластиковых. Это также позволяет приблизить двойные и тройные облигации к нескольким одиночным облигациям. Модель, показанная слева, представляет собой модель пролина из шарика и палки. Шары имеют цвета: черный - углерод (C), красный - кислород (O), синий - азот (N), белый - водород (H). Каждый шар просверляется с таким количеством отверстий, сколько его обычная валентность (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1) направлена в сторону вершин тетраэдра. Одиночные связи представлены (довольно) жесткими серыми прутками. Двойные и тройные связи используют две более длинные гибкие связи, которые ограничивают вращение и поддерживают обычную цис/транс стереохимию. Однако для большинства молекул нужны отверстия под другими углами, и специализированные компании производят комплекты и модели на заказ. Кроме четырехугольных, тригоновых и восьмиугольных отверстий, были и шары с 24 отверстиями. Эти модели позволяли вращаться вокруг одноствольных связей, что могло быть как преимуществом (показанием молекулярной гибкости), так и недостатком (модели являются гибкими). Приблизительный масштаб составлял 5 см на ангстром (0,5 м/нм или 500 000 000:1), но не был согласован во всех элементах. Арнольд Биверс в Эдинбурге создал небольшие модели, используя PMMA шары и стержни из нержавеющей стали. Используя индивидуально пробуренные шары с точными углами и длинами связей в этих моделях, можно создать большие кристаллические структуры, но с легкой и жесткой формой. На рисунке 4 показана единичная ячейка рубина в таком стиле.

Модели скелетов

Модель ДНК Крика и Ватсона и наборы для создания белков Кендрю были одними из первых скелетных моделей. Они были основаны на атомных компонентах, где валентность была представлена стержнями; атомы были точками на пересечениях. Связи создавались путем соединения компонентов трубчатыми соединителями с помощью блокирующих винтов. Андре Дрейдинг в конце 1950-х годов представил комплект молекулярного моделирования, который избавлялся от разъемов. У данного атома будут твердые и полые валентные шипы. Твердые стержни застряли в трубках, образуя связь, обычно с свободным вращением. Они были и очень широко используются в отделах органической химии и были сделаны настолько точно, что межатомные измерения можно было сделать с помощью линейки. Недавно аналогичный принцип применяется и в дешевых пластиковых моделях (таких как Orbit). В небольшом пластиковом шаре есть выступы, на которые можно прикрепить пластиковые трубки. Гибкость пластика позволяет создавать искаженные геометрии.

Полиэдрические модели

Многие неорганические твердые вещества состоят из атомов, окруженных координатной сферой электронно-отрицательных атомов (например, тетраэдры PO4, октаэдры TiO6). Структуры могут быть смоделированы путем склеивания полиэдров из бумаги или пластика.

Композитные модели

Хорошим примером композитных 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 собой группы атомов. Многие из этих атомов непосредственно вплетены в шаблон и соединяются, вставляя пластиковые обрезки в маленькие отверстия. Пластик хорошо сцепляется и затрудняет вращение связей, так что произвольные углы кручения могут быть установлены и сохранять свое значение. Конформации спинного и боковых цепей определяются путем предварительного вычисления углов кручения, а затем регулирования модели с помощью протрактора. Пластик белый и может быть окрашен, чтобы отличить атомы O и N. Атомы водорода обычно неявны и моделируются путем отрезания спиц. Модель типичного белка с примерно 300 остатками может быть построена за месяц. Для лабораторий было обычным строить модель для каждого растворенного белка. К 2005 году было определено столько белковых структур, что было сделано относительно мало моделей.

Компьютерные модели

С развитием компьютерного физического моделирования теперь можно создавать полные модели из одной части, вводя координаты поверхности в компьютер. На рисунке 6 показаны модели токсина сибирской язвы, слева (в масштабе приблизительно 20 Å/см или 1:5,000,000) и зеленого флуоресцентного белка, справа (высотой 5 см, в масштабе приблизительно 4 Å/см или 1:25,000,000) из 3D Molecular Design. Модели изготавливаются из гипса или крахмала, используя процесс быстрого прототипирования. Недавно стало возможным создать точные молекулярные модели внутри стеклянных блоков с помощью метода, известного как подповерхностная лазерная гравировка. На изображении справа показана трехмерная структура белка кишечной палочки (подразделение бета-полимеразы ДНК, код PDB 1MMI), выгравированная в стеклянном блоке британской компанией Luminorum Ltd.

Вычислительные модели

Компьютеры также могут моделировать молекулы математически. Такие программы, как Авогадро, могут работать на обычных настольных компьютерах и могут предсказывать длины и углы связей, молекулярную полярность и распределение заряда, и даже квантово-механические свойства, такие как спектры поглощения и излучения. Однако эти виды программ не могут моделировать молекулы по мере добавления большего количества атомов, потому что количество вычислений является квадратным по количеству участвующих атомов; если в молекуле используется в четыре раза больше атомов, вычисления занимают в 16 раз больше времени. Для большинства практических целей, таких как разработка лекарств или свертывание белков, вычисления модели требуют суперкомпьютерных вычислений или вообще не могут быть выполнены на классических компьютерах в разумные сроки. Квантовые компьютеры могут моделировать молекулы с меньшим количеством вычислений, потому что тип вычислений, выполняемых в каждом цикле квантовым компьютером, хорошо подходит для молекулярного моделирования.

Хронология

Эта таблица представляет собой неполную хронологию событий, в которых физические молекулярные модели предоставили основные научные знания. Разработчик (ы) Дата Технология Комментарии Иоганн Кеплер около 1600 года упаковка сфер, симметрия снежинки. Иоганн Йозеф Лошмидт 1861 2 Г графическое представление атомов и связей, касаясь кругов Август Вильгельм фон Хофман 1860 шарик и палочка первая узнаваемая физическая молекулярная модель Якобс Хенрикус ван 'т Хофф 1874 год? Представление атомов как тетраэдров поддержало развитие стереохимии Джон Десмонд Берналь около 1930 Пластилин и спицы модели жидкой воды Роберт Кори, Линус Поулинг, Уолтер Колтун (окраска CPK) 1951 Модели заполнения пространства альфа-спирали и т. д. "Природа химической связи" Полинга охватывала все аспекты молекулярной структуры и повлияла на многие аспекты моделей Фрэнсис Крик и Джеймс Д. Уотсон 1953 шипы, плоские шаблоны и соединители со шрафами Модель ДНК Молекулярная графика около 1960 года отображение на экранах компьютеров дополняет, а не заменяет физические модели