Molekülmodell

Ein Molekülmodell ist ein physikalisches Modell eines atomaren Systems, das Moleküle und ihre Prozesse darstellt. Es spielt eine wichtige Rolle beim Verständnis der Chemie sowie bei der Aufstellung und Überprüfung von Hypothesen . Die Erstellung mathematischer Modelle molekularer Eigenschaften und Verhaltensweisen wird als Molekülmodellierung bezeichnet , ihre grafische Darstellung als Molekülgrafik .

Der Begriff „Molekülmodell“ bezeichnet Systeme, die ein oder mehrere explizite Atome enthalten ( Lösungsmittelatome können implizit dargestellt werden) und bei denen die Kernstruktur vernachlässigt wird. Die elektronische Struktur wird oft ebenfalls weggelassen, es sei denn, sie ist zur Veranschaulichung der Funktion des modellierten Moleküls erforderlich.

Molekulare Modelle können aus verschiedenen Gründen erstellt werden – als pädagogische Hilfsmittel für Schüler oder solche, die mit atomaren Strukturen nicht vertraut sind; als Objekte zur Generierung oder zum Testen von Theorien (z. B. die Struktur der DNA); als Analogrechner (z. B. zur Messung von Abständen und Winkeln in flexiblen Systemen); oder als ästhetisch ansprechende Objekte an der Grenze zwischen Kunst und Wissenschaft.

Der Bau physischer Modelle ist oft ein kreativer Akt, und viele maßgeschneiderte Beispiele wurden in den Werkstätten naturwissenschaftlicher Institute sorgfältig angefertigt. Es gibt eine große Bandbreite an Ansätzen für die physikalische Modellierung, von kommerziell erhältlichen Kugel-Stab-Modellen bis hin zu Molekülmodellen, die mit 3D-Druckern erstellt werden . Die molekulare Grafik hat die Visualisierung von Molekülmodellen auf Computerhardware einfacher, zugänglicher und kostengünstiger gemacht, obwohl physische Modelle weiterhin häufig verwendet werden, um die haptische und visuelle Darstellung zu verstärken.

Im 17. Jahrhundert spekulierte Johannes Kepler über die Symmetrie von Schneeflocken und die dichte Packung sphärischer Objekte wie Früchte. ^{[ 1 ]} Die symmetrische Anordnung dicht gepackter Kugeln beeinflusste Theorien der Molekülstruktur im späten 19. Jahrhundert, und viele Theorien der Kristallographie und der Festkörperstruktur anorganischer Stoffe nutzten Ansammlungen gleicher und ungleicher Kugeln, um die Packung zu simulieren und die Struktur vorherzusagen.

John Dalton stellte Verbindungen als Ansammlungen kreisförmiger Atome dar, und obwohl Johann Josef Loschmidt keine physikalischen Modelle schuf, sind seine auf Kreisen basierenden Diagramme zweidimensionale Analoga späterer Modelle. ^{[ 2 ]}

August Wilhelm von Hofmann wird die Entwicklung des ersten physikalischen Molekülmodells um 1860 zugeschrieben. ^{[ 3 ]} Das erhaltene Modell von Methan stammt aus seinem Freitagabendvortrag am 7. April 1865 in der Royal Institution , wo er Krocketkugeln verwendete, um verschiedene chemische Strukturen zu veranschaulichen:

Wir unterscheiden also das Chloratom als einwertig, das Sauerstoffatom als zweiwertig, das Stickstoffatom als dreiwertig und schließlich das Kohlenstoffatom als vierwertig. – Dies kann ich Ihnen, glaube ich, mit einem sehr einfachen Hilfsmittel veranschaulichen. Ich werde Ihnen zu diesem Zeitpunkt, mit Ihrer Erlaubnis, ein Beispiel aus dem überaus beliebten Spiel Krocket wählen. Die Krocketkugeln stellen unsere Atome dar, und wir unterscheiden die Atome verschiedener Elemente durch unterschiedliche Farben. Die weißen Kugeln sind Wasserstoff, die grünen Chloratome; die Sauerstoffatome sind rot, die Stickstoffatome blau; die Kohlenstoffatome werden schließlich durch schwarze Kugeln dargestellt. Darüber hinaus müssen wir aber auch die unterschiedlichen Bindungsfähigkeiten dieser Atome veranschaulichen. Dies erreichen wir, indem wir in die Kugeln eine Anzahl metallischer Arme (Rohre und Stifte) einschrauben, die jeweils den Bindungskräften der dargestellten Atome entsprechen und die, während sie ein zusätzliches Unterscheidungsmerkmal darstellen, es uns gleichzeitig ermöglichen, die Kugeln zu verbinden und auf diese Weise eine Art mechanische Strukturen zu errichten, die den zu veranschaulichenden atomaren Gebilden nachempfunden sind.“ ^{[ 4 ]}

Hofmann verwendete dies als illustratives Modell und nicht als Darstellung der Realität: Die Stäbe stellen weder physikalische Bindungen noch die Planarität des Moleküls dar.

The importance of stereochemistry was not then recognised and the model is essentially topological (it should be a 3-dimensional tetrahedron).

Jacobus Henricus van 't Hoff and Joseph Le Bel introduced the concept of chemistry in three dimensions of space, that is, stereochemistry. Van 't Hoff built tetrahedral molecules representing the three-dimensional properties of carbon.

Repeating units will help to show how easy it is and clear it is to represent molecules through balls that represent atoms.

The binary compoundssodium chloride (NaCl) and caesium chloride (CsCl) have cubic structures but have different space groups. This can be rationalised in terms of close packing of spheres of different sizes. For example, NaCl can be described as close-packed chloride ions (in a face-centered cubic lattice) with sodium ions in the octahedral holes. After the development of X-ray crystallography as a tool for determining crystal structures, many laboratories built models based on spheres. With the development of plastic or polystyrene balls it is now easy to create such models.

The concept of the chemical bond as a direct link between atoms can be modelled by linking balls (atoms) with sticks/rods (bonds). This has been extremely popular and is still widely used today. Initially atoms were made of spherical wooden balls with specially drilled holes for rods. Thus carbon can be represented as a sphere with four holes at the tetrahedral angles cos⁻¹(−1⁄3) ≈ 109.47°.

A problem with rigid bonds and holes is that systems with arbitrary angles could not be built. This can be overcome with flexible bonds, originally helical springs but now usually plastic. This also allows double and triple bonds to be approximated by multiple single bonds.

The model shown above represents a ball-and-stick model of proline. The balls have colours: black represents carbon (C); red, oxygen (O); blue, nitrogen (N); and white, hydrogen (H). Each ball is drilled with as many holes as its conventional valence (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1) directed towards the vertices of a tetrahedron. Single bonds are represented by (fairly) rigid grey rods. Double and triple bonds use two longer flexible bonds which restrict rotation and support conventional cis/trans stereochemistry.

However, most molecules require holes at other angles and specialist companies manufacture kits and bespoke models. Besides tetrahedral, trigonal and octahedral holes, there were all-purpose balls with 24 holes. These models allowed rotation about the single rod bonds, which could be both an advantage (showing molecular flexibility) and a disadvantage (models are floppy). The approximate scale was 5 cm per ångström (0.5 m/nm or 500,000,000:1), but was not consistent over all elements.

Arnold Beevers in Edinburgh created small models using PMMA balls and stainless steel rods. By using individually drilled balls with precise bond angles and bond lengths in these models, large crystal structures to be accurately created, but with light and rigid form. Figure 4 shows a unit cell of ruby in this style.

Crick and Watson's DNA model and the protein-building kits of Kendrew were among the first skeletal models. These were based on atomic components where the valences were represented by rods; the atoms were points at the intersections. Bonds were created by linking components with tubular connectors with locking screws.

André Dreiding introduced a molecular modelling kit in the late 1950s which dispensed with the connectors. A given atom would have solid and hollow valence spikes. The solid rods clicked into the tubes forming a bond, usually with free rotation. These were and are very widely used in organic chemistry departments and were made so accurately that interatomic measurements could be made by ruler.

More recently, inexpensive plastic models (such as Orbit) use a similar principle. A small plastic sphere has protuberances onto which plastic tubes can be fitted. The flexibility of the plastic means that distorted geometries can be made.

Many inorganic solids consist of atoms surrounded by a coordination sphere of electronegative atoms (e.g. PO₄ tetrahedra, TiO₆ octahedra). Structures can be modelled by gluing together polyhedra made of paper or plastic.

A good example of composite models is the Nicholson approach, widely used from the late 1970s for building models of biological macromolecules. The components are primarily amino acids and nucleic acids with preformed residues representing groups of atoms. Many of these atoms are directly moulded into the template, and fit together by pushing plastic stubs into small holes. The plastic grips well and makes bonds difficult to rotate, so that arbitrary torsion angles can be set and retain their value. The conformations of the backbone and side chains are determined by pre-computing the torsion angles and then adjusting the model with a protractor.

The plastic is white and can be painted to distinguish between O and N atoms. Hydrogen atoms are normally implicit and modelled by snipping off the spokes. A model of a typical protein with approximately 300 residues could take a month to build. It was common for laboratories to build a model for each protein solved. By 2005, so many protein structures were being determined that relatively few models were made.

With the development of computer-based physical modelling, it is now possible to create complete single-piece models by feeding the coordinates of a surface into the computer. Figure 6 shows models of anthrax toxin, left (at a scale of approximately 20 Å/cm or 1:5,000,000) and green fluorescent protein, right (5 cm high, at a scale of about 4 Å/cm or 1:25,000,000) from 3D Molecular Design. Models are made of plaster or starch, using a rapid prototyping process.

It has also recently become possible to create accurate molecular models inside glass blocks using a technique known as subsurface laser engraving.

Computer können Moleküle auch mathematisch modellieren. Programme wie Avogadro laufen auf herkömmlichen Desktop-Rechnern und können Bindungslängen und -winkel, Molekülpolarität und Ladungsverteilung sowie quantenmechanische Eigenschaften wie Absorptions- und Emissionsspektren berechnen. Allerdings stoßen solche Programme an ihre Grenzen, wenn immer mehr Atome hinzugefügt werden, da die Anzahl der Berechnungen quadratisch mit der Anzahl der Atome ansteigt. Vervierfacht sich beispielsweise die Anzahl der Atome in einem Molekül, versechzehnfacht sich die Berechnungszeit. Für die meisten praktischen Anwendungen, wie etwa die Wirkstoffentwicklung oder die Proteinfaltung, erfordern die Berechnungen eines solchen Modells Supercomputer oder sind auf klassischen Computern in angemessener Zeit gar nicht durchführbar. Quantencomputer hingegen können Moleküle mit weniger Berechnungen modellieren, da die Art der Berechnungen, die ein Quantencomputer in jedem Zyklus durchführt, optimal für die Molekülmodellierung geeignet ist.

Zu den am häufigsten verwendeten Farben in Molekülmodellen gehören folgende: ^{[ 5 ]}

Wasserstoff		Weiß
Alkalimetalle		violett
Erdalkalimetalle		dunkelgrün
Bor , die meisten Übergangsmetalle		Rosa
Kohlenstoff		Schwarz
Stickstoff		Blau
Sauerstoff		Rot
Fluor		grün gelb
Chlor		Limettengrün
Brom		dunkelrot
Jod		Dunkelviolett
Edelgase		Cyan
Phosphor		orange
Schwefel		Gelb
Titan		grau
Kupfer		Aprikose
Quecksilber		hellgrau

Diese Tabelle stellt eine unvollständige Chronologie von Ereignissen dar, bei denen physikalische Molekülmodelle wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse lieferten.

• Moleküldesign-Software
• Molekülgrafik
• Molekülmodellierung
• Banddiagramm
• Software für die molekularmechanische Modellierung
• Raumfüllendes (Calotte-)Modell

• Barlow, W. (1883). „Wahrscheinliche Natur der inneren Symmetrie von Kristallen“ . Nature . 29 (738): 186–188 . Bibcode : 1883Natur..29..186B . doi : 10.1038/029186a0 .
• Barlow, W.; Pope, WJ (1906). „Eine Weiterentwicklung der Atomtheorie, die chemische und kristalline Struktur korreliert und zu einem Nachweis der Natur der Valenz führt“ . J. Chem. Soc . 89 : 1675–1744 . doi : 10.1039/ct9068901675 .
• Whittaker, AG (2009). „Molekulare Modelle – Greifbare Darstellungen des Abstrakten“. PDB Newsletter . 41 : 4–5 .[1]
• Geschichte der Molekülmodelle. Vortrag auf dem EuroScience Open Forum (ESOF), Stockholm, 25. August 2004, W. Gerhard Pohl, Österreichische Chemische Gesellschaft. Foto von van’t Hoffs Tetraedermodellen und Loschmidts organischen Formeln (nur zweidimensional).
• Wooster, WA; et al. (1945). „Eine sphärische Schablone zum Bohren von Kugeln für Kristallstrukturmodelle“ . J. Sci. Instrum . 22 (7): 130. Bibcode : 1945JScI...22..130W . doi : 10.1088/0950-7671/22/7/405 .Woosters biographische Notizen, einschließlich der Gründung von Crystal Structure Ltd.

• Geschichte der Visualisierung biologischer Makromoleküle von Eric Martz und Eric Francoeur. Enthält eine Mischung aus physikalischen Modellen und Molekülgrafiken .