Un modelo molecular, en este artículo, es un modelo físico que representa las moléculas y sus procesos. La creación de modelos matemáticos de características y del comportamiento moleculares es el de modelado molecular, y su pintura gráfica es los gráficos moleculares del, pero estos asuntos se ligan de cerca y cada uno utiliza técnicas de las otras. En este artículo, " model" molecular; referirá sobre todo a los sistemas que contienen más de un átomo y donde se descuida la estructura nuclear. La estructura electrónica a menudo también se omite o se representa de una manera alto simplificada.

Descripción

Los modelos físicos de sistemas atomísticos han desempeñado un papel importante en la química de comprensión y las hipótesis de generación y de prueba . Lo más comúnmente posible hay una representación explícita de átomos, aunque otros acercamientos tales como películas de jabón y otros medios continuos han sido útiles. Hay varias motivaciones para crear modelos físicos:
como herramientas pedagógicas para los estudiantes o ésos desconocedores con las estructuras atomísticas;
como objetos para generar o para probar las teorías (e., la estructura de la DNA);
como computadoras análogas (e., para las distancias y los ángulos de medición en sistemas flexibles);
como objetos estético satisfechos en el límite del arte y de la ciencia.

La construcción de modelos físicos es a menudo un acto creativo, y mucho el anunció ejemplos de se ha creado cuidadosamente en los talleres de los departamentos de la ciencia. Hay una gama muy amplia de acercamientos al modelado físico, y listas de este artículo solamente más el campo común o históricamente importante. Las estrategias principales son:
anunció la construcción de un solo modelo;
uso de los materiales comunes (Plasticine, matchsticks) o de los juguetes de los niños ( Tinkertoy (TM), Meccano, Lego, etc.);
reutilización de componentes genéricos en los kits (los años 30 del CA al presente).

Los modelos abarcan una amplia gama de grados de precisión y de ingeniería: algunos modelos tales como agua de s de Bernal J. 'son conceptuales, mientras que los macromodelos Pauling y la tortícolis y Watson fueron creados con la precisión mucho mayor.

Los modelos moleculares han inspirado los gráficos moleculares, inicialmente en libros de textos y artículos de la investigación y más recientemente en las computadoras. Los gráficos moleculares han substituido algunas funciones de modelos moleculares físicos, pero los kits físicos continúan siendo muy populares y se venden en grandes números. Sus fuerzas únicas incluyen:
bajeza y portabilidad;
mensajes táctiles y visuales inmediatos;
interactividad fácil para muchos procesos (e., análisis y conformacionales Pseudorotation ).

Historia

En los 1600s, el Johannes Kepler especuló en la simetría de los copos de nieve y también en el embalaje cercano de objetos esféricos tales como fruta (este problema seguía siendo sin resolver hasta muy recientemente). El arreglo simétrico de teorías informadas esferas de cerca llenas de la estructura molecular en los a fines del 1800, y muchas teorías de la cristalografía y colecciones usadas estructura inorgánica de estado sólido de esferas iguales y desiguales para simular el embalaje y para predecir la estructura.

El John Dalton representó compuestos como agregaciones de átomos circulares, y aunque el Loschmidt no creara modelos físicos, sus diagramas basados en círculos son análogos de dos dimensiones de modelos posteriores. El Hofmann se acredita con el primer modelo molecular físico alrededor de 1860 (fig. Nota cómo el tamaño del carbón aparece más pequeño que el hidrógeno. La importancia de la estereoquímica entonces no fue reconocida y el modelo es esencialmente topológico (debe ser un tetraedro de 3 dimensiones ).

La furgoneta 't Hoff y J. introdujo el concepto de química en espacio-estereoquímica en tres dimensiones. la furgoneta 't Hoff construyó las moléculas tetraédricas que representaban las características tridimensionales del carbón . ¡sólido -->

Modelos basados en esferas

El Roberto Hooke propuso una relación entre los cristales y el embalaje de las esferas . Haüy sostuvo que las estructuras de cristales implicaron los enrejados regulares de las unidades de repetición con las formas similares al cristal macroscópico. ¡El Barlow, que desarrolló en común las teorías de los grupos de espacio propuso modelos de los cristales basados en el embalaje de la esfera ( CA 1890).

El cloruro sódico (NaCl) de los compuestos binarios y el cloruro (CsCl) del cesio tienen estructuras cúbicas pero tienen diversos grupos de espacio. Esto se puede racionalizar en términos de embalaje cercano de las esferas de diversos tamaños. Por ejemplo, el NaCl se puede describir como iones close-packed del cloruro (en un enrejado cúbico face-centered) con los iones del sodio en los agujeros octaédricos . Después del desarrollo de la cristalografía de la radiografía como herramienta para determinar las estructuras cristalinas, muchos laboratorios construyeron los modelos basados en esferas. Con el desarrollo de las bolas del plástico o del poliestireno es fácil ahora crear tales modelos.

Modelos basados en el bola-y-palillo

El concepto del vínculo químico como enlace directo entre los átomos puede ser modelado ligando las bolas (átomos) a los palillos/a las barras (enlaces). Esto ha sido extremadamente popular y es todavía ampliamente utilizado hoy. Los átomos fueron hechos inicialmente de bolas de madera esféricas con los agujeros especialmente perforados para las barras. Así el carbón se puede representar como esfera con cuatro agujeros a los ángulos tetraédricos cos-1 (- ≈ 1/3) 109.

Un problema con los enlaces y los agujeros rígidos es que los sistemas con ángulos arbitrarios no podrían ser construidos. Esto se puede superar con los enlaces flexibles, muelles original helicoidales pero ahora generalmente plástico. Esto también permite los enlaces dobles y triples que se aproximarán por los solos enlaces múltiples (fig.

El cuadro 3 representa un modelo del Bola-y-palillo de la prolina . Las bolas tienen colores: el negro representa el carbón (c); style=" rojo , oxígeno (o); style=" azul , nitrógeno (n); y blanco, hidrógeno (h). Cada bola se perfora con tantos agujeros como su valencia convencional (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1) dirigido hacia las cimas de un tetraedro. Los solos enlaces son representados por (bastante) las barras grises rígidas. Los enlaces dobles y triples utilizan dos enlaces flexibles más largos que restrinjan la rotación y apoyen el convencional estereoquímica Cis del transporte de /del .

Sin embargo, la mayoría de las moléculas requieren los agujeros a otros ángulos y las compañías del especialista fabrican kits y anunciaron modelos. Una de las compañías anteriores era Woosters en el Bottisham, Cambridgeshire, Reino Unido. Además de tetraédrico, trigonal y agujeros octaédricos, había bolas de uso múltiple con 24 agujeros. Estos modelos permitieron la rotación sobre los solos enlaces de la barra, que podrían ser una ventaja (que demuestra flexibilidad molecular) y una desventaja (los modelos son flojos). La escala aproximada era 5 cm por el ångström (0.000: 1), pero no era constante sobre todos los elementos.

Más recientemente Arnold Beevers y colegas en Edimburgo creó pequeños modelos donde están plásticas las bolas y las barras enrarecen el alambre. Esto permite la creación de las estructuras cristalinas grandes que son ligeras y rígidas. El cuadro 4 demuestra una célula de unidad del granate con varios cientos de átomos en este estilo.

Modelos esqueléticos

Modelo y la proteína de la DNA de la tortícolis y de Watson - los kits de edificio de Kendrew estaban entre los primeros modelos esqueléticos. Éstos fueron basados en los componentes atómicos donde las valencias fueron representadas por las barras; los átomos eran puntos en las intersecciones. Los enlaces fueron creados ligando componentes a los conectadores tubulares a los tornillos de cierre.

Andre Dreiding introdujo un kit de modelado molecular (CA 1975) que dispensó con los conectadores. Un átomo dado tendría puntos sólidos y huecos de la valencia. Las barras sólidas chascaron en los tubos que formaban un enlace, generalmente con la rotación libre. Éstos eran y son muy ampliamente utilizados en departamentos de química orgánica y fueron hechos tan exactamente que las medidas interatómicas se podrían hacer por la regla.

Más recientemente, los modelos plásticos baratos (tales como órbita) utilizan un principio similar. Una pequeña esfera plástica tiene protuberancias sobre las cuales los tubos plásticos puedan ser cabidos. La flexibilidad del plástico significa que las geometrías torcidas pueden ser hechas.

Modelos polihédricos

Muchos sólidos inorgánicos consisten en los átomos rodeados por una esfera de coordinación de los átomos electronegativos (e. tetrahedra de PO4, los octaedros de TiO6). Las estructuras pueden ser modeladas pegando juntos los poliedros hechos del papel o del plástico. ¡

Modelos compuestos

Un buen ejemplo de modelos compuestos es el acercamiento de Nicholson, ampliamente utilizado del final de los 70 para los modelos del edificio de las macromoléculas biológicas los componentes son sobre todo los aminoácidos y los ácidos nucléicos con los residuos preformados que representan grupos de átomos. Muchos de estos átomos se moldean directo en la plantilla, y caben juntos empujando trozos plásticos en los pequeños agujeros. El plástico agarra bien y hace enlaces difíciles girar, de modo que los ángulos arbitrarios de la torsión puedan ser fijados y conservar su valor. Las conformaciones de la espina dorsal y las cadenas laterales son determinadas pre-computando los ángulos de la torsión y después ajustando el modelo con un prolongador .

El plástico es blanco y se puede pintar para distinguir entre los átomos de O y de N. Los átomos de hidrógeno son normalmente implícitos y modelados cortando de los rayos. Un modelo de una proteína típica con aproximadamente 300 residuos podría tardar un mes para construir. Era común para que los laboratorios construyan un modelo para cada proteína solucionada. Antes de 2005, así que muchas estructuras de la proteína eran determinados que relativamente pocos modelos fueron hechos.

Modelos computarizados

Con el desarrollo del modelado físico computarizado, es posible ahora crear modelos completos de la pieza única alimentando los coordenadas de una superficie en la computadora. El cuadro 6 demuestra modelos de la toxina del ántrax, se fue (en una escala de aproximadamente 20 Å/cm o del 1:5,000,000) y la proteína fluorescente verde, la derecha (5 cm altos, en una escala de cerca de 4 Å/cm o 1:25,000,000) del diseño molecular 3D. Los modelos se hacen del yeso o del almidón, usar un proceso rápido de la creación de un prototipo.

También ha llegado a ser recientemente posible crear modelos moleculares exactos dentro de los bloques de cristal usar una técnica conocida como grabado subsuperficie del laser. La imagen en la derecha (la fig. 7) demuestra la estructura 3D de una proteína de Escherichia Coli del (beta-subunidad de la polimerasa de DNA, el código 1MMI del PDB) grabada al agua fuerte dentro de un bloque de vidrio por la compañía británica Luminorum Ltd.

Cronología

Esta tabla es una cronología incompleta de los acontecimientos donde los modelos moleculares físicos proporcionaron penetraciones científicas importantes.

Ver también

(casquete) modelo de compilación
de modelado molecular
Gráficos moleculares
Modelos orbitales hechos de las botellas de soda
Software para los mecánicos moleculares que modelan

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