Молекулярные модели

Молекулярные модели — физические или виртуальные (компьютерные) модели молекул химических соединений, используемые для наглядного представления пространственного расположения атомов, геометрии связей и стереохимии. Молекулярные модели позволяют проводить анализ структур, который затруднён или невозможен по двумерной структурной формуле: оценивать стерические затруднения, выполнять конформационный анализ, изучать межмолекулярные взаимодействия и пространственную комплементарность.

химия

Молекулярные модели Гофмана

История

Первые физические модели молекул были созданы в XIX веке. Одним из первых предложивших наглядные модели был Август Гофман, чьи шаростержневые конструкции использовались для демонстрации геометрии органических молекул и формирования представлений о структуре химических соединений.

В XX веке, с развитием квантовой химии и вычислительных технологий, появились компьютерные модели, позволяющие отображать электронную плотность, поверхности молекулярных орбиталей, энергетические профили и реакционные пути.

Основные типы молекулярных моделей

Шаростержневые модели

Шаростержневые модели представляют атомы в виде шаров, а связи — в виде стержней. Эти модели позволяют изучать:

• углы между связями;
• конфигурацию молекулы;
• вращение вокруг σ-связей;
• стереохимические элементы (хиральность, геометрическая изомерия).

Шаростержневые наборы широко используются в образовательных целях и при ручном моделировании органических структур.

Пространственно-заполненные модели (модели заполненных объёмов)

Пространственно-заполненные модели (CPK-модели) отображают атомы как сферы, соответствующие радиусам Ван-дер-Ваальса. Такие модели показывают:

• реальные размеры молекулы,
• степень упаковки,
• наличие стерических затруднений,
• доступность функциональных групп.

Они приближены к реальному виду молекул и используются в органической химии, биохимии и фармакологии.

Скелетные модели

Скелетные или каркасные модели изображают только каркас связей сложных структур, например:

• макроциклов,
• полимеров,
• белковых и надмолекулярных объектов.

Эти модели применяются в кристаллохимии, химии высокомолекулярных соединений и материаловедении.

Компьютерные молекулярные модели

Современные программы позволяют визуализировать молекулы в различных стилях:

• каркасная модель (wireframe),
• стержневая модель (stick),
• шаростержневая (ball-and-stick),
• пространственно-заполненная (space-filling),
• поверхности электронного облака.

К компьютерным методам относятся:

• оптимизация геометрии методами квантовой химии (HF, DFT, MP2),
• молекулярная механика (MM2, MM3, UFF),
• молекулярная динамика (MD),
• моделирование взаимодействия лиганд–рецептор (докинг).

Популярные программы: Avogadro, Gaussian, ORCA, Spartan, PyMOL, Chimera, HyperChem, Chem3D.

Методы построения моделей

Физические модели

Изготавливаются из пластика, металла или дерева и используют стандартные:

• диаметры атомов,
• длины связей,
• фиксированные гибридизационные углы.

Компьютерные модели

Строятся на основе:

• квантовохимических расчётов,
• матричных методов описания координат (Z-матрица),
• методов оптимизации энергии,
• 3D-визуализации электронных свойств.

Применение

Молекулярные модели используются в:

• образовании — для объяснения геометрии молекул и изомерии;
• органическом синтезе — для оценки доступности реакционных центров;
• структурной химии — при построении кристаллических и полимерных структур;
• биохимии — для анализа белков, ДНК, взаимодействий ферментов и ингибиторов;
• фармакологии — в виртуальном скрининге и молекулярном докинге;
• материаловедении — для моделирования кластеров, поверхностей и сорбционных процессов.

Значение

Молекулярные модели служат важным инструментом визуализации трёхмерного строения веществ. Они позволяют:

• понять пространственную ориентацию групп;
• оценить вероятность столкновения атомов;
• визуализировать реальную форму и объём молекулы;
• предсказать свойства и реакционную способность.

См. также

• Молекулярное моделирование
• Квантовая химия
• Структурная химия
• Теория функционала плотности
• Стереохимия

См. также

• Молекулярное моделирование