Молекулярные модели

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МОДЕЛИ, наглядное изображение молекул орг. и неорг. соединений, позволяющее судить о взаимном расположении атомов, входящих в молекулу. Молекулярные модели используют в тех случаях, когда по структурной ф-ле трудно или практически невозможно представить пространств. расположение атомов, в частности при изучении пространств. изомерии, в конформационном анализе, для оценки стерич. препятствий.

Различают два осн. типа молекулярных моделей: 1) скелетные, приближенно отражающие ориентацию валентностей, а иногда и орби-талей в пространстве, но не дающие представления об относит. размерах атомов; 2) объемные, отображающие валентные углы, ковалентные радиусы атомов и их эффективные радиусы, близкие по значениям к ван-дер-ваальсовым. К первому типу относятся известные с сер. 19 в. модели из шариков, соединенных отрезками проволоки (м о д е л и К е-к у л е- В а н т-Г о ф ф а).

Более совершенны м о д е л и Д р е й д и н г а (предложены в 1959), состоящие из стальных стержней и трубок, соединенных в точке, изображающей ядро атома, под углами, равными валентным. Длины трубок и стержней пропорциональны длинам связей между атомами Н и данного элемента (0,1 нм соответствует 2,5 см). Своб. концы трубок и стержней изображают ядра атомов Н, поэтому каждый фрагмент в отдельности является моделью молекулы простейшего водородного соед. данного элемента (СН₄, NH₃, H₂O, H₂S и т.д.). Для сборки модели более сложного соед. стержень одного фрагмента вставляют в трубку другого; благодаря ограничит. устройству расстояние между их центрами пропорционально соответствующему межатомному расстоянию. Модели Дрейдинга верно отражают межатомные расстояния и валентные углы в молекулах. Они позволяют имитировать внутр. вращение, оценивать энергетич. выгодность разл. конформаций, измерять расстояния между непосредственно не связанными атомами. Модели Дрейдинга особенно широко употребляют при изучении стереохимии полициклич. систем типа стероидов. По тому же принципу сконструированы м о д е л и Ф и з е р а, изготовляемые из пластмассы; из-за более крупного масштаба (0,1 нм соответствует 5 см) они преим. используются при лекционных демонстрациях.

Разновидность скелетных молекулярных моделей-о р б и т а л ь н ы е м о д е л и, дающие представления об атомных и мол. орбиталях. Одни из наиб. известных моделей такого типа-каркасные модели FMM (Framework Molecular Models). Их собирают из ме-таллич. узлов (кластеров) трех типов, соответствующих sp³-, sp²- и sp-гибридизации. Узлы соединяются между собой пластмассовыми трубочками; при этом короткие штырьки, не использованные для мех. связывания кластеров, имитируют расположение р-орбиталей (в случае sp²- и sp-гибридизо-ванных атомов). Существуют орбитально-лопастные модели, в к-рых атомные орбитали имитируются объемными фрагментами, напоминающими по форме шары или неправильные эллипсоиды. Подобные модели особенно полезны при изучении р-ций, регулируемых правилами орбитальной симметрии. Мол. p-орбитали м. б. представлены отрезками грубочек.

Объемные модели, правильно передающие размеры и форму молекул, были разработаны в 1934 Г. Стюартом и позднее усовершенствованы Г. Бриглебом (рис., а, б). Каждый фрагмент, изображающий атом определенного элемента, в м о д е л я х С т ю а р т а представляет собой шаровой сегмент, причем радиус шара пропорционален эффективному радиусу атома (r_эфф), а расстояние от центра шара до плоскости среза - ковалентному радиусу (r_ков). В случае многовалентных атомов делают соответствующее число срезов, причем угол а между перпендикулярами из центра шара на плоскость среза равен валентному (рис., в). По предложению Г. Бриглеба для атомов, соединенных кратными связями, сегменты изготовляют не из шаров, а из эллипсоидов, большая полуось к-рых соответствует эффективному радиусу, обусловленному наличием я-электронного, а малая-s-электронного облака. Модели изготовляют обычно из пластмассы, окрашенной в цвета, установленные для каждого элемента (С-черный, Н-белый, О-красный, N-синий, S - желтый и т. д.). При сборке моделей сегменты соединяют между собой по плоскостям срезов, причем в случае простых связей сегменты могут вращаться один относительно другого. Модели Стюарта-Бриглеба верно передают валентные углы, межатомные расстояния и эффективные радиусы; они позволяют измерять расстояния между разл. атомами и группами (0,1 нм соответствует 1,5 см). Эффективные радиусы, принятые в моделях Стюарта - Бриглеба, на 10-15% меньше ван-дер-ваальсовых радиусов, получаемых из кристаллографич. данных. Это связано с тем, что модели предназначены для рассмотрения стерич. эффектов в молекуле, находящейся при обычных условиях, а не при т-ре абс. нуля.

Модели Стюарта - Бриглеба: а-метан, б-этилен, в-отдельный шаровой сегмент в разрезе.

Известны объемные молекулярные модели, отличающиеся от описанных выше масштабом, раскраской и нек-рыми конструктивными особенностями. Так, м о д е л и Ф и ш е р а-Х и р ш ф е л ь д е-р а-Т е й л о р а и м о д е л и "Э у г о н" близки к моделям Стюарта в их первоначальном варианте, но выполняют их в масштабе 0,1нм-1см. М о д е л и СРК (Corey-Pauling -Koltun, Кори - Полинг - Колтун) делают пустотелыми в масштабе 0,1 нм-1,25 см. Они отличаются особо прочным креплением сегментов и наиб. удобны для построения моделей макромолекул, напр. нуклеиновых к-т, пептидов, белков. М о д е л и Х а р т л и-Р о б и н с о н а ("м о д е л и К у р т о")

благодаря эластичному соединению сегментов с помощью спец. кнопок с резиновыми прокладками позволяют собирать модели напряженных молекул, в к-рых валентный угол существенно отличается от стандартного, что дает возможность иметь в наборе меньше типов сегментов, чем в моделях Стюарта-Бриглеба. Такие же возможности дают и модели Стюарта - Бриглеба, изготовленные из резины. Предложены объемные модели, отличающиеся от описанных выше тем, что в них пустотелые сферич. сегменты не соединяются между собой по плоскостям среза, а укрепляются на сферич. пов-сти других сегментов. Это позволяет изображать различные орг. соед. с помощью малого числа типов сегментов, однако точность передачи валентных углов, межатомных расстояний и эффективных радиусов ниже, чем при использовании моделей Стюарта - Бриглеба или СРК.

===
Исп. литература для статьи «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МОДЕЛИ»: Илиел Э., Стереохимия соединений углерода, пер. с англ., М., 1965, с. 20-21; Темникова Т. И., Курс теоретических основ органической химии, 3 изд., Л., 1968, с. 122-27; Потапов В. М., Стереохимия, 2 изд., М., 1988, с. 9-14; Houben - Weyl, Methoden der organischen Chemie, 4 Aufl., Bd 3, Tl 1, Stuttg., 1955; Vogtle F., Neumann P., "Chem. Ztg", 1974, Jahrg. 98, № 8, S. 375-86.

Л. И. Беленький.

Страница «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МОДЕЛИ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.