Практическая работа №1. Молекулярные визуализаторы и молекулярные конструкторы. Построение молекулярных структур. Цель

 
Построение молекулярных структур. 
Молекулярное моделирование начинается с формирования компьютерной 
модели молекулы путем задания пространственного расположения её атомов в 
виде их декартовых координат. Разумный выбор начальной геометрии молекулы 
в значительной степени определяет качество последующего исследования. 
Информация о начальной геометрии может быть получена различными путями. 
Для получения пространственных (трехмерных, 3D) координат молекулярных 
структур в основном используются следующие источники: 
1. базы рентгеноструктурных данных; 
2. поиск стандартных геометрий в библиотеках фрагментов; 
3. построение трехмерных структур из двумерных с помощью различного 
программного обеспечения. 
Важнейшей базой кристаллографических данных является Кембриджская 
кристаллографическая база структурных данных (Cambridge Crystallographic 
Structural Database, CCSD; 
http://www.ccdc.cam.ac.uk
). Итогом поиска по базам 
данных является файл, содержащий информацию о пространственном строении 
интересующей молекулы. Этот файл легко считывается большинством 
коммерческих программных пакетов для молекулярного моделирования. При 
считывании файла программой для молекулярного моделирования атомные 
координаты, записанные в базе данных, автоматически преобразуются в 
декартовы координаты. Затем структура может быть визуализирована с 
использованием молекулярной графики и изучена в трехмерном виде. Следует 
иметь в виду, что геометрия молекулы в кристаллическом состоянии подвержена 
влиянию сил, действующих в кристаллической упаковке, поэтому длины связей и 
валентные углы могут отличаться от теоретических или стандартных значений. 

Второй распространенный метод построения молекулярной геометрии 
основан на использовании фрагментов, предварительно собранных в библиотеки. 
Библиотеки фрагментов - это удобный набор моделей для построения трехмерных 
структур. Так как все элементы в группе фрагментов обладают предварительно 
оптимизированной стандартной геометрией, итоговые трехмерные структуры 
также имеют приемлемую геометрию. В уточнении, как правило, нуждаются 
только значения торсионных углов во избежание наложения атомов или 
чрезвычайно близких ван-дер-ваальсовых контактов. Этот метод выбирают, когда 
нет доступа к кристаллографической базе данных или рентгеноструктурные 
данные об искомых структурах отсутствуют. В настоящее время большинство 
коммерческих программ для молекулярного моделирования предоставляет 
возможность построения молекул с применением библиотек фрагментов. 
В любой структуре каждый атом обладает некоторым набором 
характеристических свойств. При молекулярном моделировании следует 
учитывать гибридизацию атомных орбиталей, атомный объем и другие 
характеристики. Соответствующие им параметры и определяют тип атомов, а 
общая совокупность всех этих параметров представляет собой атомную 
составляющую силового поля. В структурных фрагментах, взятых из библиотек, 
типы атомов обычно определены верно. Во многих случаях, однако, не так просто 
определить, какой тип атома подходит для данного случая. 
Еще один путь генерации пространственных структур молекул - начать с 
одно- или двумерных представлений и преобразовать их в трехмерную модель. 
Существуют многочисленные программы для различных манипуляций с 
информацией о структуре молекул, позволяющие сохранять данные о ней в виде 
файла. Многие поставщики программного обеспечения разработали свои 
собственные форматы таких файлов, вследствие чего возникла потребность в 
стандартном формате. Два формата получили наибольшее распространение. 
Формат Molfile, разработанный в 1980-х гг. компанией Molecular Design Limited 
(MDL), а также линейная нотация SMILES (Simplified Molecular Input Line Entry 
System), разработанная Дэвидом Вэйнингером в 1986 г., стали стандартами для 
файлов с целью хранения молекулярных структур. Помимо них в системах 
молекулярного моделирования часто используются и другие форматы файлов. 
 
Контрольные вопросы. 
1. Поиск информации о структуре и свойствах веществ.
2. Молекулярные визуализаторы и молекулярные конструкторы. Онлайн-
ресурсы и программные пакеты.
3. Форматы файлов представления и хранения информации о структуре 
веществ. 
4. Базы структурных данных CCSD, COD, PDB, The American Mineralogist 
Crystal Structure Database и др. 
5. Построение молекулярных структур в программе Hyperchem. 
6. Построение молекулярных структур в программе ChemDraw. 
7. Построение молекулярных структур в программе Chem3D.