Modelo molecular - Molecular model
Um modelo molecular é um modelo físico que representa as moléculas e seus processos. A criação de modelos matemáticos de propriedades moleculares e comportamento é modelagem molecular , e sua representação gráfica são gráficos moleculares , mas esses tópicos estão intimamente ligados e cada um usa técnicas dos outros. Neste artigo, "modelo molecular" se referirá principalmente a sistemas contendo mais de um átomo e onde a estrutura nuclear é negligenciada. A estrutura eletrônica freqüentemente também é omitida ou representada de uma forma altamente sofisticada.
Visão geral
Os modelos físicos de sistemas atomísticos têm desempenhado um papel importante na compreensão da química e na geração e teste de hipóteses . Mais comumente, há uma representação explícita de átomos, embora outras abordagens, como filmes de sabão e outras mídias contínuas, tenham sido úteis. Existem várias motivações para a criação de modelos físicos:
- como ferramentas pedagógicas para alunos ou não familiarizados com estruturas atomísticas;
- como objetos para gerar ou testar teorias (por exemplo, a estrutura do DNA);
- como computadores analógicos (por exemplo, para medir distâncias e ângulos em sistemas flexíveis);
- como objetos esteticamente agradáveis na fronteira da arte e da ciência.
A construção de modelos físicos é frequentemente um ato criativo, e muitos exemplos personalizados foram cuidadosamente criados nas oficinas dos departamentos de ciências. Há uma ampla variedade de abordagens para a modelagem física, e este artigo lista apenas as mais comuns ou historicamente importantes. As principais estratégias, inicialmente em livros didáticos e artigos de pesquisa e, mais recentemente, em computadores. Os gráficos moleculares substituíram algumas funções dos modelos físicos moleculares, mas os kits físicos continuam a ser muito populares e são vendidos em grande número. Seus pontos fortes exclusivos incluem:
- baixo custo e portabilidade;
- mensagens táteis e visuais imediatas;
- interatividade fácil para muitos processos (por exemplo, análise conformacional e pseudo - rotação ).
História
Nos anos 1600, Johannes Kepler especulou sobre a simetria dos flocos de neve e também sobre o acondicionamento próximo de objetos esféricos, como frutas (esse problema permaneceu sem solução até muito recentemente). O arranjo simétrico de esferas compactadas informadas teorias de estrutura molecular no final de 1800, e muitas teorias de cristalografia e estrutura inorgânica de estado sólido usaram coleções de esferas iguais e desiguais para simular o empacotamento e prever a estrutura.
John Dalton representou compostos como agregações de átomos circulares e, embora Johann Josef Loschmidt não tenha criado modelos físicos, seus diagramas baseados em círculos são análogos bidimensionais de modelos posteriores. August Wilhelm von Hofmann é creditado com o primeiro modelo molecular físico por volta de 1860 (Fig. 1). Observe como o tamanho do carbono parece menor do que o hidrogênio. A importância da estereoquímica não foi então reconhecida e o modelo é essencialmente topológico (deveria ser um tetraedro tridimensional ).
Jacobus Henricus van 't Hoff e Joseph Le Bel introduziram o conceito de química no espaço - estereoquímica em três dimensões. van 't Hoff construiu moléculas tetraédricas que representam as propriedades tridimensionais do carbono .
Modelos baseados em esferas
A repetição de unidades ajudará a mostrar como é fácil e claro representar moléculas por meio de bolas que representam átomos.
Os compostos binários cloreto de sódio (NaCl) e cloreto de césio (CsCl) possuem estruturas cúbicas, mas possuem diferentes grupos espaciais. Isso pode ser racionalizado em termos de compactação de esferas de tamanhos diferentes. Por exemplo, o NaCl pode ser descrito como íons de cloreto compactados (em uma estrutura cúbica de face centrada) com íons de sódio nos orifícios octaédricos . Após o desenvolvimento da cristalografia de raios X como ferramenta para determinação de estruturas cristalinas, muitos laboratórios construíram modelos baseados em esferas. Com o desenvolvimento de bolas de plástico ou poliestireno , agora é fácil criar tais modelos.
Modelos baseados em ball-and-stick
O conceito de ligação química como uma ligação direta entre átomos pode ser modelado ligando bolas (átomos) com paus / hastes (ligações). Isso tem sido extremamente popular e ainda é amplamente usado hoje. Inicialmente, os átomos eram feitos de bolas esféricas de madeira com orifícios especialmente perfurados para hastes. Assim carbono pode ser representado como uma esfera, com quatro orifícios na tetraédrico ângulos cos -1 (- 1 / 3 ) ≈ 109,47 °.
Um problema com ligações rígidas e orifícios é que sistemas com ângulos arbitrários não podiam ser construídos. Isso pode ser superado com ligações flexíveis, originalmente molas helicoidais, mas agora geralmente de plástico. Isso também permite que ligações duplas e triplas sejam aproximadas por ligações simples múltiplas (Fig. 3).
A Figura 3 representa um modelo ball-and-stick de prolina . As bolas têm cores: preto representa carbono (C); vermelho , oxigênio (O); azul , nitrogênio (N); e branco, hidrogênio (H). Cada bola é perfurada com tantos buracos quanto sua valência convencional (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1) direcionada para os vértices de um tetraedro. As ligações simples são representadas por barras cinza (razoavelmente) rígidas. As ligações duplas e triplas usam duas ligações mais flexíveis que restringem a rotação e suportam a estereoquímica cis / trans convencional .
No entanto, a maioria das moléculas exige orifícios em outros ângulos e empresas especializadas fabricam kits e modelos personalizados. Além dos orifícios tetraédricos, trigonais e octaédricos, havia bolas multifuncionais com 24 orifícios. Esses modelos permitiam a rotação em torno das ligações de bastão único, o que poderia ser tanto uma vantagem (mostrando flexibilidade molecular) quanto uma desvantagem (os modelos são flexíveis). A escala aproximada era de 5 cm por ångström (0,5 m / nm ou 500.000.000: 1), mas não era consistente em todos os elementos.
Arnold Beevers em Edimburgo criou pequenos modelos usando bolas de PMMA e hastes de aço inoxidável. Ao usar esferas perfuradas individualmente com ângulos e comprimentos de ligação precisos nesses modelos, grandes estruturas de cristal podem ser criadas com precisão, mas com forma leve e rígida. A Figura 4 mostra uma célula unitária de rubi neste estilo.
Modelos esqueléticos
O modelo de DNA de Crick e Watson e os kits de construção de proteínas de Kendrew estavam entre os primeiros modelos de esqueleto. Estes eram baseados em componentes atômicos onde as valências eram representadas por hastes; os átomos eram pontos nas interseções. As ligações foram criadas ligando componentes com conectores tubulares com parafusos de fixação.
André Dreiding introduziu um kit de modelagem molecular no final dos anos 1950 que dispensou os conectores. Um determinado átomo teria picos de valência sólidos e vazios. As hastes sólidas clicaram nos tubos formando uma ligação, geralmente com rotação livre. Eles eram e são amplamente usados nos departamentos de química orgânica e eram feitos com tanta precisão que as medições interatômicas podiam ser feitas por régua.
Mais recentemente, os modelos de plástico baratos (como o Orbit) usam um princípio semelhante. Uma pequena esfera de plástico tem protuberâncias nas quais tubos de plástico podem ser encaixados. A flexibilidade do plástico significa que geometrias distorcidas podem ser feitas.
Modelos poliédricos
Muitos sólidos inorgânicos consistem em átomos cercados por uma esfera de coordenação de átomos eletronegativos (por exemplo , tetraedro PO 4 , octaedro TiO 6 ). As estruturas podem ser modeladas colando poliedros de papel ou plástico.
Modelos compostos
Um bom exemplo de modelos compostos é a abordagem de Nicholson, amplamente usada desde o final dos anos 1970 para construir modelos de macromoléculas biológicas . Os componentes são principalmente aminoácidos e ácidos nucleicos com resíduos pré-formados que representam grupos de átomos. Muitos desses átomos são moldados diretamente no molde e se encaixam empurrando pontas de plástico em pequenos orifícios. O plástico agarra bem e torna as ligações difíceis de girar, de modo que ângulos de torção arbitrários podem ser ajustados e reter seu valor. As conformações da espinha dorsal e das cadeias laterais são determinadas pré-computando os ângulos de torção e, em seguida, ajustando o modelo com um transferidor .
O plástico é branco e pode ser pintado para distinguir entre átomos de O e N. Os átomos de hidrogênio são normalmente implícitos e modelados cortando os raios. Um modelo de uma proteína típica com aproximadamente 300 resíduos pode levar um mês para ser construído. Era comum que os laboratórios construíssem um modelo para cada proteína resolvida. Em 2005, tantas estruturas de proteínas estavam sendo determinadas que relativamente poucos modelos foram feitos.
Modelos baseados em computador
Com o desenvolvimento da modelagem física baseada em computador, agora é possível criar modelos completos de uma única peça inserindo as coordenadas de uma superfície no computador. A Figura 6 mostra modelos de toxina de antraz , esquerda (em uma escala de aproximadamente 20 Å / cm ou 1: 5.000.000) e proteína fluorescente verde , direita (5 cm de altura, em uma escala de cerca de 4 Å / cm ou 1: 25.000.000) de Design molecular 3D. Os modelos são feitos de gesso ou goma, utilizando um processo de prototipagem rápida.
Recentemente, também se tornou possível criar modelos moleculares precisos dentro de blocos de vidro usando uma técnica conhecida como gravação a laser de subsuperfície . A imagem à direita (Fig. 7) mostra a estrutura 3D de uma proteína de E. coli (subunidade beta da DNA polimerase, código PDB 1MMI) gravada dentro de um bloco de vidro pela empresa britânica Luminorum Ltd.
Cores comuns
Algumas das cores mais comuns usadas em modelos moleculares são as seguintes:
Hidrogênio Branco Metais alcalinos tolet Metais alcalinos terrestres verde escuro Boro , a maioria dos metais de transição Cor de rosa Carbono Preto Azoto azul Oxigênio vermelho Flúor verde amarelo Cloro verde limão Bromo vermelho escuro Iodo violeta escuro gases nobres ciano Fósforo laranja Enxofre amarelo Titânio cinzento Cobre Damasco Mercúrio cinza claro
Cronologia
Esta tabela é uma cronologia incompleta de eventos onde os modelos físicos moleculares forneceram os principais insights científicos.
Desenvolvedor (s) | Data | Tecnologia | Comentários |
---|---|---|---|
Johannes Kepler | c. 1600 | embalagem da esfera, simetria dos flocos de neve. | |
Johann Josef Loschmidt | 1861 | Gráficos 2-D | representação de átomos e ligações tocando círculos |
August Wilhelm von Hofmann | 1860 | bola e pau | primeiro modelo molecular físico reconhecível |
Jacobus Henricus van 't Hoff | 1874 | papel? | representação de átomos como tetraedros apoiou o desenvolvimento da estereoquímica |
John Desmond Bernal | c. 1930 | Plasticina e raios | modelo de água líquida |
Robert Corey , Linus Pauling , Walter Koltun ( coloração CPK ) | 1951 | Modelos de preenchimento de espaço de alfa-hélice, etc. | "Nature of the Chemical Bond" de Pauling cobriu todos os aspectos da estrutura molecular e influenciou muitos aspectos dos modelos |
Francis Crick e James D. Watson | 1953 | pontas, gabaritos planos e conectores com parafusos | modelo de DNA |
Gráficos moleculares | c. 1960 | exibir em telas de computador | complementa em vez de substituir os modelos físicos |
Veja também
- Software de design molecular
- Gráficos moleculares
- Modelagem molecular
- Diagrama de fita
- Software para modelagem de mecânica molecular
- Modelo de preenchimento de espaço (Calotte)
Referências
(Alguns deles têm imagens interessantes e / ou bonitas)
- Barlow, W. (1883). "Provável Natureza da Simetria Interna dos Cristais" . Nature . 29 (738): 186–8. Bibcode : 1883Natur..29..186B . doi : 10.1038 / 029186a0 .
- Barlow, W .; Pope, WJ (1906). "Um desenvolvimento da teoria atômica que correlaciona a estrutura química e cristalina e leva a uma demonstração da natureza da valência" . J. Chem. Soc . 89 : 1675–1744. doi : 10.1039 / ct9068901675 .
- Whittaker, AG (2009). "Modelos Moleculares - Representações Tangíveis do Abstrato". Boletim PDB . 41 : 4-5. [1]
- Artigo de Dalton sobre átomos e compostos químicos.
- história dos modelos moleculares Artigo apresentado no EuroScience Open Forum (ESOF), Estocolmo em 25 de agosto de 2004 W. Gerhard Pohl, Austrian Chemical Society. Foto dos modelos tetraédricos de van't Hoff e fórmulas orgânicas de Loschmidt (apenas bidimensionais).
- Wooster, WA; et al. (1945). "Um modelo esférico para bolas de perfuração para modelos de estrutura cristalina" . J. Sci. Instrum . 22 (7): 130. bibcode : 1945JScI ... 22..130W . doi : 10.1088 / 0950-7671 / 22/7/405 . Notas biográficas de Wooster, incluindo a criação da Crystal Structure Ltd.
- Design Molecular 3D
- RealAtoms
- Snatoms
- xeo xeo é um gerenciamento de projeto aberto gratuito (GPL) para nanoestruturas usando Java
- História da Visualização de Macromoléculas Biológicas por Eric Martz e Eric Francoeur. Contém uma mistura de modelos físicos e gráficos moleculares .
- Grátis para usar imagens de modelos moleculares feitos por Miramodus ltd.
- Modelos no Scripps Research Institute