Modèle moléculaire - Molecular model

Un modèle moléculaire , est un modèle physique qui représente les molécules et leurs processus. La création de modèles mathématiques de propriétés et de comportements moléculaires est une modélisation moléculaire , et leur représentation graphique est des graphiques moléculaires , mais ces sujets sont étroitement liés et chacun utilise des techniques parmi les autres. Dans cet article, «modèle moléculaire» se réfère principalement aux systèmes contenant plus d'un atome et où la structure nucléaire est négligée. La structure électronique est souvent également omise ou représentée de manière très sophistiquée.

Aperçu

Les modèles physiques des systèmes atomistiques ont joué un rôle important dans la compréhension de la chimie et la génération et la vérification d' hypothèses . Le plus souvent, il existe une représentation explicite des atomes, bien que d'autres approches telles que des films de savon et d'autres supports continus aient été utiles. Il existe plusieurs motivations pour créer des modèles physiques:

  • comme outils pédagogiques pour les étudiants ou ceux qui ne connaissent pas les structures atomistiques;
  • comme objets pour générer ou tester des théories (par exemple, la structure de l'ADN);
  • en tant qu'ordinateurs analogiques (par exemple, pour mesurer des distances et des angles dans des systèmes flexibles);
  • en tant qu'objets esthétiquement agréables à la frontière de l'art et de la science.

La construction de modèles physiques est souvent un acte créatif, et de nombreux exemples sur mesure ont été soigneusement créés dans les ateliers des départements scientifiques. Il existe un très large éventail d'approches de la modélisation physique, et cet article répertorie uniquement les plus courantes ou historiquement importantes. Les principales stratégies, d'abord dans les manuels et les articles de recherche et plus récemment sur les ordinateurs. Les graphiques moléculaires ont remplacé certaines fonctions des modèles moléculaires physiques, mais les kits physiques restent très populaires et sont vendus en grand nombre. Leurs atouts uniques incluent:

  • bon marché et portabilité;
  • messages tactiles et visuels immédiats;
  • interactivité facile pour de nombreux processus (par exemple, analyse conformationnelle et pseudorotation ).

Histoire

Dans les années 1600, Johannes Kepler a spéculé sur la symétrie des flocons de neige et aussi sur le compactage d'objets sphériques tels que les fruits (ce problème est resté non résolu jusqu'à très récemment). L'arrangement symétrique de sphères étroitement compactées a informé les théories de la structure moléculaire à la fin des années 1800, et de nombreuses théories de la cristallographie et de la structure inorganique à l' état solide utilisaient des collections de sphères égales et inégales pour simuler le compactage et prédire la structure.

Fig. 1. Modèle de Hofmann pour le méthane.

John Dalton a représenté les composés comme des agrégations d'atomes circulaires, et bien que Johann Josef Loschmidt n'ait pas créé de modèles physiques, ses diagrammes basés sur des cercles sont des analogues bidimensionnels de modèles ultérieurs. August Wilhelm von Hofmann est crédité du premier modèle moléculaire physique vers 1860 (Fig. 1). Notez comment la taille du carbone semble plus petite que l'hydrogène. L'importance de la stéréochimie n'était alors pas reconnue et le modèle est essentiellement topologique (il devrait s'agir d'un tétraèdre tridimensionnel ).

Jacobus Henricus van 't Hoff et Joseph Le Bel ont introduit le concept de chimie dans l'espace - la stéréochimie en trois dimensions. van 't Hoff a construit des molécules tétraédriques représentant les propriétés tridimensionnelles du carbone .

Modèles basés sur des sphères

La répétition d'unités aidera à montrer à quel point il est facile et clair de représenter des molécules à travers des boules qui représentent des atomes.

Fig. 2. Réseau de chlorure de sodium (NaCl), montrant des sphères compactes représentant un réseau AB cubique à faces centrées similaire à celui du NaCl et de la plupart des autres halogénures alcalins . Dans ce modèle, les sphères sont de tailles égales alors que des modèles plus "réalistes" auraient des rayons différents pour les cations et les anions .

Les composés binaires chlorure de sodium (NaCl) et chlorure de césium (CsCl) ont des structures cubiques mais ont des groupes spatiaux différents. Cela peut être rationalisé en termes de compactage serré de sphères de différentes tailles. Par exemple, NaCl peut être décrit comme des ions chlorure serrés (dans un réseau cubique à faces centrées) avec des ions sodium dans les trous octaédriques . Après le développement de la cristallographie aux rayons X comme outil de détermination des structures cristallines, de nombreux laboratoires ont construit des modèles basés sur des sphères. Avec le développement de billes en plastique ou en polystyrène , il est désormais facile de créer de tels modèles.

Modèles basés sur la balle et le bâton

Le concept de liaison chimique en tant que lien direct entre les atomes peut être modélisé en reliant des boules (atomes) avec des bâtons / bâtonnets (liaisons). Cela a été extrêmement populaire et est encore largement utilisé aujourd'hui. Initialement, les atomes étaient constitués de boules de bois sphériques avec des trous spécialement percés pour les tiges. Ainsi , le carbone peut être représenté sous la forme d' une sphère avec quatre trous au tétraédrique angles cos -1 (- 1 / trois ) ≈ 109,47 °.

Un problème avec les liaisons rigides et les trous est que les systèmes avec des angles arbitraires ne peuvent pas être construits. Cela peut être surmonté avec des liaisons flexibles, à l'origine des ressorts hélicoïdaux mais maintenant généralement en plastique. Cela permet également d'approximer les liaisons doubles et triples par plusieurs liaisons simples (Fig. 3).

Fig 3. Un modèle moderne de balle et de bâton en plastique. La molécule représentée est la proline .

La figure 3 représente un modèle boule et bâton de proline . Les boules ont des couleurs: le noir représente le carbone (C); rouge , oxygène (O); bleu , azote (N); et blanc, hydrogène (H). Chaque boule est percée d'autant de trous que sa valence conventionnelle (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1) dirigée vers les sommets d'un tétraèdre. Les liaisons simples sont représentées par des tiges grises (assez) rigides. Les doubles et triples liaisons utilisent deux liaisons flexibles plus longues qui limitent la rotation et prennent en charge la stéréochimie cis / trans conventionnelle .

Fig. 4. Beevers modèle boule et bâton en rubis (corindon dopé au Cr) fabriqué avec des billes acryliques et des tiges en acier inoxydable par Miramodus Ltd.

Cependant, la plupart des molécules nécessitent des trous à d'autres angles et les entreprises spécialisées fabriquent des kits et des modèles sur mesure. Outre les trous tétraédriques, trigonaux et octaédriques, il y avait des boules tout usage avec 24 trous. Ces modèles permettaient une rotation autour des liaisons à un seul bâtonnet, ce qui pouvait être à la fois un avantage (montrant une flexibilité moléculaire) et un inconvénient (les modèles sont disquettes). L'échelle approximative était de 5 cm par ångström (0,5 m / nm ou 500 000 000: 1), mais n'était pas cohérente sur tous les éléments.

Arnold Beevers à Edimbourg a créé de petits modèles en utilisant des billes en PMMA et des tiges en acier inoxydable. En utilisant des billes percées individuellement avec des angles de liaison et des longueurs de liaison précis dans ces modèles, de grandes structures cristallines doivent être créées avec précision, mais avec une forme légère et rigide. La figure 4 montre une cellule unitaire de rubis dans ce style.

Modèles squelettiques

Le modèle ADN de Crick et Watson et les kits de construction de protéines de Kendrew ont été parmi les premiers modèles squelettiques. Celles-ci étaient basées sur des composants atomiques où les valences étaient représentées par des bâtonnets; les atomes étaient des points aux intersections. Des liens ont été créés en reliant des composants avec des connecteurs tubulaires avec des vis de verrouillage.

André Dreiding a introduit un kit de modélisation moléculaire à la fin des années 1950 qui se dispensait des connecteurs. Un atome donné aurait des pointes de valence solides et creuses. Les tiges pleines s'encliquaient dans les tubes formant une liaison, généralement avec une rotation libre. Celles-ci étaient et sont très largement utilisées dans les départements de chimie organique et ont été faites avec une telle précision que les mesures interatomiques pouvaient être faites par règle.

Plus récemment, les modèles en plastique bon marché (comme Orbit) utilisent un principe similaire. Une petite sphère en plastique a des protubérances sur lesquelles des tubes en plastique peuvent être montés. La flexibilité du plastique permet de créer des géométries déformées.

Modèles polyédriques

De nombreux solides inorganiques sont constitués d'atomes entourés d'une sphère de coordination d' atomes électronégatifs (par exemple tétraèdres PO 4 , octaèdres TiO 6 ). Les structures peuvent être modélisées en collant ensemble des polyèdres en papier ou en plastique.

Modèles composites

Fig. 5. Un modèle de Nicholson, montrant une courte partie du squelette protéique (blanc) avec des chaînes latérales (gris). Notez les talons coupés représentant des atomes d'hydrogène.

Un bon exemple de modèles composites est l'approche de Nicholson, largement utilisée à partir de la fin des années 1970 pour construire des modèles de macromolécules biologiques . Les composants sont principalement des acides aminés et des acides nucléiques avec des résidus préformés représentant des groupes d'atomes. Beaucoup de ces atomes sont directement moulés dans le gabarit et s'emboîtent en poussant des bouts en plastique dans de petits trous. Le plastique s'accroche bien et rend les liaisons difficiles à tourner, de sorte que des angles de torsion arbitraires peuvent être définis et conserver leur valeur. Les conformations du squelette et des chaînes latérales sont déterminées en pré-calculant les angles de torsion, puis en ajustant le modèle avec un rapporteur .

Le plastique est blanc et peut être peint pour distinguer les atomes O et N. Les atomes d'hydrogène sont normalement implicites et modélisés en coupant les rayons. Un modèle d'une protéine typique avec environ 300 résidus pourrait prendre un mois à construire. Il était courant que les laboratoires construisent un modèle pour chaque protéine résolue. En 2005, tant de structures protéiques étaient déterminées que relativement peu de modèles avaient été élaborés.

Modèles informatiques

Fig. 6. Modèles de protéines intégrés.

Avec le développement de la modélisation physique informatisée, il est désormais possible de créer des modèles monoblocs complets en introduisant les coordonnées d'une surface dans l'ordinateur. La figure 6 montre des modèles de toxine du charbon , à gauche (à une échelle d'environ 20 Å / cm ou 1: 5 000 000) et de protéine fluorescente verte , à droite (5 cm de haut, à une échelle d'environ 4 Å / cm ou 1: 25 000 000) de Conception moléculaire 3D. Les modèles sont en plâtre ou en amidon, selon un processus de prototypage rapide.

Il est également devenu possible récemment de créer des modèles moléculaires précis à l'intérieur de blocs de verre en utilisant une technique connue sous le nom de gravure laser souterraine . L'image de droite (Fig.7) montre la structure 3D d'une protéine d' E. Coli (ADN polymérase sous-unité bêta, code PDB 1MMI) gravée à l'intérieur d'un bloc de verre par la société britannique Luminorum Ltd.

Fig. 7. Modèle de protéines en verre.

Couleurs communes

Voir aussi: coloration CPK

Certaines des couleurs les plus couramment utilisées dans les modèles moléculaires sont les suivantes:

Hydrogène blanc
Métaux alcalins violet
Métaux alcalino-terreux vert foncé
Bore , la plupart des métaux de transition Rose
Carbone noir
Azote bleu
Oxygène rouge
Fluor vert jaune
Chlore vert citron
Brome rouge foncé
Iode violet foncé
gaz nobles cyan
Phosphore Orange
Soufre jaune
Titane gris
Cuivre abricot
Mercure gris clair

Chronologie

Ce tableau est une chronologie incomplète des événements où les modèles moléculaires physiques ont fourni des informations scientifiques majeures.

Développeur (s) Date La technologie commentaires
Johannes Kepler c. 1600 emballage de sphère, symétrie des flocons de neige.
Johann Josef Loschmidt 1861 Graphiques 2D représentation des atomes et des liaisons en touchant des cercles
August Wilhelm von Hofmann 1860 balle et bâton premier modèle moléculaire physique reconnaissable
Jacobus Henricus van 't Hoff 1874 papier? la représentation des atomes sous forme de tétraèdres a soutenu le développement de la stéréochimie
John Desmond Bernal c. 1930 Pâte à modeler et rayons modèle d'eau liquide
Robert Corey , Linus Pauling , Walter Koltun ( coloriage CPK ) 1951 Modèles de remplissage d'espace de l'hélice alpha, etc. "Nature of the Chemical Bond" de Pauling a couvert tous les aspects de la structure moléculaire et a influencé de nombreux aspects des modèles
Francis Crick et James D. Watson 1953 pointes, gabarits plats et connecteurs avec vis modèle d'ADN
Graphiques moléculaires c. 1960 affichage sur des écrans d'ordinateur complète plutôt que de remplacer les modèles physiques

Voir également

Les références

(Certains d'entre eux ont des images intéressantes et / ou belles)

Les références