МОДЕ́ЛИ МОЛЕКУЛЯ́РНЫЕ

МОДЕ́ЛИ МОЛЕКУЛЯ́РНЫЕ, на­гляд­ное изо­бра­же­ние мо­ле­кул ор­га­нич. и не­ор­га­нич. со­еди­не­ний, по­зво­ляю­щее су­дить о вза­им­ном рас­по­ло­же­нии ато­мов, вхо­дя­щих в мо­ле­ку­лу. М. м. ис­поль­зу­ют в тех слу­ча­ях, ко­гда по струк­тур­ной фор­му­ле труд­но или прак­ти­че­ски не­воз­мож­но пред­ста­вить про­стран­ст­вен­ное рас­по­ло­же­ние ато­мов, в ча­ст­но­сти при изу­че­нии про­стран­ст­вен­ной изо­ме­рии, в кон­фор­ма­ци­он­ном ана­ли­зе, для оцен­ки сте­ри­че­ских пре­пят­ст­вий.

Раз­ли­ча­ют два осн. ти­па М. м.: 1) ске­лет­ные, при­бли­жён­но от­ра­жаю­щие ори­ен­та­цию ва­лент­ных свя­зей, а ино­гда и ор­би­та­лей в про­стран­ст­ве, но не даю­щие пред­став­ле­ния об от­но­сит. раз­ме­рах ато­мов; 2) объ­ём­ные, 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, со­еди­нён­ных от­рез­ка­ми про­во­ло­ки (мо­де­ли Ке­ку­ле – Вант-Гоф­фа). Бо­лее со­вер­шен­ны мо­де­ли Дрей­дин­га (пред­ло­же­ны в 1959 швейц. хи­ми­ком А. Дрей­дин­гом), со­стоя­щие из сталь­ных стерж­ней и тру­бок, со­еди­нён­ных в точ­ке, изо­бра­жаю­щей яд­ро ато­ма, под уг­ла­ми, рав­ны­ми ва­лент­ным. Дли­ны тру­бок и стерж­ней про­пор­цио­наль­ны дли­нам свя­зей ме­ж­ду ато­ма­ми $\ce{H}$ и эле­мен­та (0,1 нм со­от­вет­ст­ву­ет 2,5 см). Сво­бод­ные кон­цы тру­бок и стерж­ней изо­бра­жа­ют яд­ра ато­мов Н, по­это­му ка­ж­дый фраг­мент в от­дель­но­сти яв­ля­ет­ся мо­де­лью мо­ле­ку­лы про­стей­ше­го во­до­род­но­го со­еди­не­ния к.-л. эле­мен­та ($\ce{CH_4, NH_3, H_2O, H_2S}$ и т. д.). Для сбор­ки мо­де­ли бо­лее слож­но­го со­еди­не­ния стер­жень од­но­го фраг­мен­та встав­ля­ют в труб­ку дру­го­го; бла­го­да­ря ог­ра­ни­чит. уст­рой­ст­ву рас­стоя­ние ме­ж­ду цен­тра­ми фраг­мен­тов 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 при­ме­ня­ют при изу­че­нии сте­рео­хи­мии по­ли­цик­лич. сис­тем ти­па сте­рои­дов.

Модели Стюарта – Бриглеба: а – метан; б – этилен; в – отдельный шаровой сегмент в разрезе.

Объ­ём­ные мо­де­ли, пра­виль­но пе­ре­даю­щие раз­ме­ры и фор­му мо­ле­кул, бы­ли раз­ра­бо­та­ны в 1934 нем. фи­зи­ком Г. Стю­ар­том и позд­нее усо­вер­шен­ст­во­ва­ны нем. фи­зи­ком и хи­ми­ком Г. Бриг­ле­бом (рис., а, б). Ка­ж­дый фраг­мент, изо­бра­жаю­щий атом оп­ре­де­лён­но­го эле­мен­та, в мо­де­лях Стю­ар­та пред­став­ля­ет со­бой ша­ро­вой сег­мент, при­чём ра­ди­ус ша­ра про­пор­цио­на­лен эф­фек­тив­но­му ра­диу­су ато­ма ($r_{\text{эфф}}$), а рас­стоя­ние от цен­тра ша­ра до плос­ко­сти сре­за – ко­ва­лент­но­му ра­диу­су ($r_{\text{ков}}$). В слу­чае мно­го­ва­лент­ных ато­мов де­ла­ют со­от­вет­ст­вую­щее чис­ло сре­зов, при­чём угол $α$ ме­ж­ду пер­пен­ди­ку­ля­ра­ми из цен­тра ша­ра на плос­ко­сти сре­за ра­вен ва­лент­но­му (рис., в). По пред­ло­же­нию Г. Бриг­ле­ба для ато­мов, со­еди­нён­ных крат­ны­ми свя­зя­ми, сег­мен­ты из­го­тов­ля­ют не из ша­ров, а из эл­лип­сои­дов, боль­шая по­лу­ось ко­то­рых со­от­вет­ст­ву­ет эф­фек­тив­но­му ра­диу­су, обу­слов­лен­но­му на­ли­чи­ем $π$-элек­трон­но­го, а ма­лая – $σ$-элек­трон­но­го об­ла­ка. Мо­де­ли из­го­тов­ля­ют обыч­но из пла­ст­мас­сы, ок­ра­шен­ной в цве­та, ус­та­нов­лен­ные для ка­ж­до­го хи­мич. эле­мен­та ($\ce{C}$ – чёр­ный, $\ce{H}$ – бе­лый, $\ce{O}$ – крас­ный, $\ce{N}$ – си­ний, $\ce{S}$ – жёл­тый и т. д.). При сбор­ке мо­делей сег­мен­ты со­еди­ня­ют ме­ж­ду со­бой по плос­ко­стям сре­зов, при­чём 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 сте­ри­че­ских эф­фек­тов в мо­ле­ку­ле, на­хо­дя­щей­ся при обыч­ных ус­ло­ви­ях, а не при темп-ре аб­со­лют­но­го ну­ля.

В свя­зи с раз­ви­ти­ем ком­пь­ю­тер­ной тех­ни­ки об­ласть ис­поль­зо­ва­ния клас­си­че­ских М. м. за­мет­но су­зи­лась, по­сколь­ку во мно­гих слу­ча­ях они мо­гут быть с ус­пе­хом за­ме­не­ны вир­ту­аль­ны­ми мо­де­ля­ми, по­стро­ен­ны­ми на ос­но­ва­нии экс­пе­рим. струк­тур­ных дан­ных и ре­зуль­та­тов кван­то­во­хи­мич. рас­чё­тов, вы­пол­нен­ных дос­туп­ны­ми для пер­со­наль­ных ком­пь­ю­те­ров по­лу­эм­пи­рич. ме­то­да­ми (см. Ком­пь­ю­тер­ное мо­де­ли­ро­ва­ние в хи­мии). Су­ще­ст­вую­щие про­грам­мы по­зво­ля­ют ви­деть на эк­ра­не и фик­си­ро­вать на бу­ма­ге как ске­лет­ные, так и объ­ём­ные М. м. под раз­ны­ми уг­ла­ми и с раз­ных сто­рон, как бы по­во­ра­чи­вая мо­ле­ку­лу; при­чём име­ет­ся воз­мож­ность по­лу­че­ния не­об­хо­ди­мых дан­ных о меж­атом­ных рас­стоя­ни­ях, ва­лент­ных и ди­эд­ри­че­ских (дву­гран­ных) уг­лах. Вир­ту­аль­ные мо­де­ли мо­гут быть ис­поль­зо­ва­ны не толь­ко в про­цес­се хи­мич. ис­сле­до­ва­ний, но и для де­мон­ст­ра­ции в сред­ней и выс­шей шко­ле (при на­ли­чии не­об­хо­ди­мо­го обо­ру­до­ва­ния).