Molekyylimallit

Miten molekyylimalli eroaa rakennekaavasta?

Rakennekaava kuvaa sitä, miten ja missä järjestyksessä yhdisteen atomit liittyvät toisiinsa. Rakennekaava on kaksiulotteinen molekyylin kuvaus, siis kirjoitettu esitys molekyylin rakenteesta. Sitäkin voisi sanoa molekyylin malliksi, mutta varsinainen molekyylimalli tarkoittaa kolmiulotteista tai siltä vaikuttavaa esitystä molekyylistä.

Esimerkki
rikkihappo
H2SO4
rikkihapon rakennekaava Rikin ympärille kertyy näissä rakennekaavoissa 12 elektronia. Kaavat voidaan piirtää näin, koska rikki on kolmannen jakson alkuaine, jonka uloimmalle kuorelle mahtuisi jopa 18 elektronia. Rakennekaava on mahdollista esittää myös toisella tavalla (resonanssimuotoja käyttäen).
molekyylikaava rakennekaava rakennekaava

Yhdisteiden rakenteen tunteminen on tärkeää, koska rakenteen perusteella voidaan selittää sekä yhdisteen reaktioita että sen fysikaalisia ominaisuuksia. Lukuisilla – varsinkin orgaanisilla – yhdisteillä on sama molekyylikaava mutta täysin erilainen rakenne. Tämän isomeria-ilmiön takia rakennekaavan käyttäminen on orgaanisessa kemiassa välttämätöntä. Aina rakennekaavastakaan ei tosin ilmene, mikä isomeeri on kyseessä, sillä rakennekaavojen esitystapoja on useita.

Mikä molekyylimalli on?

Molekyylimalli on molekyylin kuvaus, joka perustuu sidosten pituutta, atomien muotoja ja sijaintia koskeviin laskelmiin. Molekyylimalli voi olla kiinteä, käsin kosketeltava rakennelma tai tietokoneen näytölle luotu esitys, joka synnyttää mielikuvan kolmiulotteisuudesta. Mallien erilaiset esitystavat, lankamallit (wireframe), sauvamallit, pallo-tikkumallit, kalottimallit (pallomallit) ja erilaiset nauhamallit painottavat eri asioita molekyylin rakenteessa.

Esimerkki
rikkihappo
H2SO4
kalottimalli tikkumalli Kalottimallissa sidokset eivät näy, mutta molekyylin muoto havainnollistuu. Tikkumallissa ei tässä näy kaksoissidoksia, sillä tärkeämpää on havaita, että rikin ja happiatomien väliset sidokset ovat tetraedrisesti suuntautuneet.
kalottimalli
spacefill
tikkumalli
sticks

Miksi molekyylimalleja käytetään?

Molekyylimallit auttavat ymmärtämään molekyylin rakennetta. Molekyylistä voidaan saada tietoa monilla tutkimusmenetelmillä, mm. IR-, NMR- ja massaspektrometrisesti tai röntgendiffraktiolla, mutta näiden eri menetelmien tuottama tieto voi olla vaikeasti hahmotettavaa. Niinpä tarvitaan jokin visualisointikeino, joka auttaa yhdistämään ja selittämään eri tietolähteistä kertynyttä tietoa. Molekyylimallit ovat tässä suureksi avuksi.

Esimerkki
James D. Watson ja Francis Crick selvittivät vuonna 1953 DNA:n kaksoiskierrerakenteen. Heidän työnsä pohjautui Rosalind Franklinin ja Maurice Wilkinsin röntgendiffraktiomittauksiin. Saadun tutkimusaineiston tulkinnassa auttoivat rakennettavat molekyylimallit.
Lisää DNA:sta

Molekyylimalleja käytetään nykyään paljon mm. tutkittaessa lääkeaineiden vaikutusta, entsyymien ja muiden kookkaiden molekyylien reaktioita ja suunniteltaessa uusia yhdisteitä. Molekyylimallien avulla tutkitaan myös pienikokoisten molekyylien rakennetta, esimerkiksi elektronijakaumista saa visualisoimalla paremman käsityksen kuin pelkästään laskennallisin menetelmin.

Muista kuitenkin, että molekyylimallit ovat nimensä mukaisesti vain malleja: ne eivät kerro koko totuutta molekyylistä, joka on värähtelevä, pyörivä, poukkoileva ja usein eri asentoihin taipuva kolmiulotteinen kappale atomien välisten vuorovaikutusten hallitsemassa mikromaailmassa.

Mitä voin oppia molekyylimalleista?

  1. Huomaat, mitä merkitsee, että kolmiulotteisuus on otettava huomioon aineen rakennetta tutkittaessa, vaikka olisi kuinka pienistä hiukkasista kysymys.
  2. Orgaanisten reaktioiden ymmärtäminen edellyttää sidosten suuntautumisen ja molekyylin muodon hahmottamista. Tässä molekyylimallit voivat olla sinulle avuksi.
  3. Molekyylimallien tutkiminen tekee yhdisteet tuttaviksesi ja auttaa muistamaan niiden ominaisuuksia, sillä mallin avulla on usein helppoa ymmärtää yhdisteen ominaisuuksien ja rakenteen välistä suhdetta.
  4. Hyvin suurten biomolekyylien, kuten proteiinien ja DNA:n rakenne ja toiminta selviää paremmin molekyylimallien avulla kuin ilman niitä.
  5. Kuten muistakin laboratoriotöistä, myös molekyylimallien tutkimisesta, voit oppia kemian tyypillisiä työtapoja ja ajattelumalleja.

Etälukion kemian sivujen molekyylimallit

Etälukion kemian sivuilla on kahdella eri ohjelmalla näkyviä molekyylimalleja. Pienten molekyylien mallit kemia 2 -kurssiin (tiedostotyyppi wrl) on tehty VRML-tekniikalla. Suurempia molekyylimalleja (joissa atomeja on yli 150) on toistaiseksi liian hidasta yrittää näyttää VRML-ohjelmilla. Niinpä suuret molekyylit ovat Chime-ohjelmalla näkyvää tyyppiä (tiedostotyyppi pdb). Chime-malleja on käytetty myös silloin, kun pienemmistä molekyyleistä halutaan tutkia sidoskulmia ja poolisuudesta viitteitä antavia elektrostaattisia potentiaalipintoja. Osa Chime-malleista avautuu esim. pinnan varaus jakaumaa esittäviksi muokattuina omaan ikkunaansa. Voit aina avata malliin Chimen valikon ja muuntaa esitystapaa sekä tehdä sidospituuden ja -kulmien mittauksia yms.

Esimerkki värien tulkinta
Rikkitrioksidi
rakennekaava molekyylimalli molekyylimalli  elektrostattinen potentiaalipinta
rakennekaava kalottimalli eri kulmista elektrostaattinen potentiaalipinta
Rikkitrioksidimolekyylin muodon ja varausjakauman tunteminen auttaa ymmärtämään, miten mm. bentseenin sulfonointi tapahtuu. (Kemia 5: Bentseenin sulfonointi, avautuu erilliseen ikkunaan)

Etälukion kemian (Kemia 2:n) molekyylimallit on alkuaan laadittu VRML-tyyppisiksi, joten samojen molekyylin Chime-malleja ei katsottu aiheelliseksi päivityksen yhteydessä lisätä, koska internetissä on molekyylimalliarkistoja, joista voi hyvin helposti hakea Chime-mallin ja vaikka tallentaa sen omalle koneelleen.

VRML-apuohjelmat

VRML on lyhenne ilmauksesta "Virtual Reality Modelling Language".

VRML-apuohjelmia on monia, mutta suosituimpia ovat jo muutaman vuoden ajan olleet World View ja Cosmo Player. Ne ovat yleiskäyttöön sopivia: voit katsella niillä muitakin VRML-tiedostoja kuin molekyylimalleja. Ohjelmat ovat kookkaita, yleensä 10 Mt tai suurempia. VRML-kehitystyö jatkuu ja ohjelmistojen ominaisuudet kehittyvät, joten tilanne voi ohjelmistojen osalta muuttua nopeasti. Mac-ympäristöön hyviä VRML-apuohjelmia ei vielä ole.

Jos katselet VRML-molekyylimalleja, esitystavan vaihtaminen on rajoitettua ja riippuu pääosin alkuperäisestä molekyylimalliskriptistä. Yleensä et voi tallentaa skriptiä omalle koneellesi, jos selaimesi käyttää VRML-katseluohjelmaa

VRML-tiedostot ovat suhteellisen suuria ja atomimäärän kasvaessa mallin kääntäminen ja liikuttelu saattaa olla hyvinkin hidasta riippuen koneesi kapasiteetista.. Myös internet-yhteytesi nopeus tietysti vaikuttaa toimintaan. Jos olet modeemiyhteyden varassa, voit katkaista yhteyden ja jatkaa tutkimista off-line-tilassa.

MDL Chemscape Chime, lyhyesti Chime

Chime-ohjelma on tarkoitettu vain molekyylimallien visualisointiin ja tutkimiseen ja on kemian ammattilaisten suosiossa. Siinä on laaja valikkorakenne, jolla mallista saa esiin eri piirteitä. Ohjelman avulla voit myös tutkia sidoskulmia ja -pituuksia, pintapotentiaaleja yms. Chime on monipuolinen työkalu varsinkin proteiinien ja DNA:n mallien tutkimiseen. Chime tunnistaa muutamia yleisimpiä molekyylimallien esitystapoja (pdb, mol, xyz). Chime on suhteellisen pieni kooltaan, n. 2 Mt. Molekyylimallien kääntely ja liikuttelu on nopeaa, vaikka koneesi ei olisikaan huippuviritetty. Proteiinien ja kookkaiden DNA-fragmenttien lataaminen kestää hieman mutta sen jälkeen toiminnot ovat nopeita. Jos olet modeemiyhteyden varassa, voit katkaista yhteyden ja jatkaa mallin tutkimista off-line-tilassa. Voit myös helposti tallentaa molekyylimallitiedoston ja tutkia sitä myöhemmin.

Chime pysynee pitkään markkinoilla, koska internetin kautta on pääsy moniin laajoihin molekyylimalliarkistoihin, joiden mallien esitysmuoto on Chimen tukemaa tyyppiä. Chime onkin ns. teollisuusstandardin mukainen molekyylimallien visualisointiohjelma, josta on olemassa myös maksullinen Chime Pro -versio. Internetin Chimea hyödyntävät oppimateriaalit ovat viime vuosina lisääntyneet nopeasti jopa satoihin tuhansiin sivuihin. Chime-ohjelmasta on kehitteillä myös Unix- ja Linux-ympäristöön sopiva versio.

Mistä saan apuohjelmat?

Ohessa ohjelman valmistajien linkit Cosmo Playerille ja Chimelle:

Cosmo Player Cosmo Software Inc.
Chime MDL Chemscape Chime

Ohjelmien asentamien on yksinkertaista. Ohjelmapaketin näpäytys käynnistää asennusohjelman, joka ohjaa asennuksen läpi.

Ohjelmisto- ja laitteistovaatimukset

Nyrkkisääntö
Mikäli koneesi ja ohjelmistosi ovat korkeintaan neljä vuotta vanhoja saat molekyylimallit näkyviin internetin molekyylimallisivuilta lisäämällä selaimeesi jonkin VRML-apuohjelman ja Chemscape Chime-ohjelman.

Etälukion kemian sivuilta et kuitenkaan saa näkyviin Chime-malleja, jos selaimesi on Internet Explorer 4.0, Netscape 4.0 – 4.8 ( tai vielä vanhempi) tai jos selaimesi on uusikin Opera. Mallit näkyvät, jos selaimesi on:

Miksi Chime-malli ei näy etälukion sivuilta?

1. Jos Chime-malli ei näy, vaikka olet asentanut Chime-apuohjelman, syynä ovat OPH:n www-palvelinohjelman asetukset. Vanhemmat selaimet ja Opera-selain eivät osaa käsitellä pdb-tiedostoja ilman sopivia MIME-asetuksia.

Jos mahdollista, päivitä selaimesi. Muista kuitenkin että uusimmat selaimet vaativat myös uudehkon käyttöympäristön (esim. Win 98, 2000 tai Win XP).

Päivityslinkkejä
Internet Explorer
Netscape

2. Jos koneesi käyttöjärjestelmä on Linux tai jokin Unix, tarvitset Rasmol-ohjelman, sillä Chimen Unix-versio ei vielä ole valmis. Rasmol ei kuitenkaan osaa näyttää Chimelle tehtyjä skriptejä.

Rasmol-ohjeita

3. Jos et halua päivittää selaintasi, voit tehdä Chime-tehtävät osoitteessa:

http://www.iki.fi/~mirjak/mallit/index.html

4. Jos tutkit mieluummin molekyylimalleja Chime-ohjelmalla omalla koneellasi off-line, voit tallentaa pdb-tiedostot. Ne ovat tekstitiedostoja.

Etälukion kemian pdb-molekyylimallitiedostot

Lisätietoja saat sivulta: www.iki.fi/~mirjak/rasmol.html


Laboratorion alkusivulleSivun alkuun

Laboratorio: Sisältö

OPH Etälukion kemia