Notas de química

Modelos moleculares

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Un modelo molecular es una representación física de un sistema atomístico que representa moléculas y sus procesos. Juegan un papel importante en la comprensión de la química y en la generación y prueba de hipótesis. La creación de modelos matemáticos de propiedades y comportamientos moleculares se conoce como modelado molecular, y su representación gráfica se denomina gráficos moleculares.

El término «modelo molecular» se refiere a sistemas que contienen uno o más átomos explícitos (aunque los átomos del solvente pueden representarse de manera implícita) y donde se descuida la estructura nuclear. La estructura electrónica a menudo también se omite a menos que sea necesario para ilustrar la función de la molécula que se está modelando.


Usos de los modelos

Los modelos moleculares pueden crearse por varias razones: como herramientas pedagógicas para estudiantes o personas no familiarizadas con estructuras atomísticas; como objetos para generar o probar teorías (por ejemplo, la estructura del ADN); como computadoras análogas (por ejemplo, para medir distancias y ángulos en sistemas flexibles); o como objetos estéticamente agradables en el límite entre el arte y la ciencia.

La construcción de modelos físicos suele ser un acto creativo, y muchos ejemplos personalizados se han creado cuidadosamente en los talleres de departamentos de ciencias. Existe una amplia variedad de enfoques para el modelado físico, que incluye modelos de esferas y varillas disponibles para su compra comercial, hasta modelos moleculares creados mediante impresoras 3D.

La estrategia principal ha evolucionado, inicialmente en libros de texto y artículos de investigación, y más recientemente en computadoras. La representación gráfica de moléculas ha facilitado la visualización en hardware informático, lo que la hace más accesible y económica, aunque los modelos físicos siguen siendo ampliamente utilizados para mejorar el mensaje táctil y visual que se está transmitiendo.

Primeros modelos moleculares

En el siglo XVII, Johannes Kepler especuló sobre la simetría de los copos de nieve y también sobre el empaquetamiento cercano de objetos esféricos como las frutas.

La disposición simétrica de esferas empacadas de cerca influyó en las teorías de la estructura molecular a finales del siglo XIX, y muchas teorías de la cristalografía y la estructura inorgánica del estado sólido utilizaron colecciones de esferas iguales y desiguales para simular el empaquetamiento y predecir la estructura.

Modelo de una molécula de metano según Hoffman
Modelo de una molécula de metano según Hoffman

John Dalton representó los compuestos como agregaciones de átomos circulares, y aunque Johann Josef Loschmidt no creó modelos físicos, sus diagramas basados en círculos son análogos bidimensionales de modelos posteriores.

Se atribuye a August Wilhelm von Hofmann el primer modelo molecular físico alrededor de 1860. Observa cómo el tamaño del carbono parece más pequeño que el del hidrógeno. La importancia de la estereoquímica no se reconoció en ese momento y el modelo es esencialmente topológico (debería ser un tetraedro tridimensional).

Jacobus Henricus van ‘t Hoff y Joseph Le Bel introdujeron el concepto de química en tres dimensiones del espacio, es decir, la estereoquímica. Van ‘t Hoff construyó moléculas tetraédricas que representaban las propiedades tridimensionales del carbono.

Tipos de modelos moleculares

Modelos basados en esferas

Las unidades repetitivas ayudan a mostrar cuán fácil y claro es representar moléculas a través de esferas que representan átomos.

Los compuestos binarios cloruro de sodio (NaCl) y cloruro de cesio (CsCl) tienen estructuras cúbicas pero diferentes grupos espaciales. Esto se puede racionalizar en términos de empaquetamiento cercano de esferas de diferentes tamaños.

delo de NaCl basado en esferas con imanes
delo de NaCl basado en esferas con imanes

Por ejemplo, el NaCl se puede describir como iones de cloruro empacados de manera cercana (en una red cúbica centrada en las caras) con iones de sodio en los huecos octaédricos. Después del desarrollo de la cristalografía de rayos X como herramienta para determinar estructuras cristalinas, muchos laboratorios construyeron modelos basados en esferas. Con el desarrollo de bolas de plástico o poliestireno, ahora es fácil crear tales modelos.

Modelos basados en palos y bolas (ball-and-stick models)

El concepto de enlace químico como un vínculo directo entre átomos puede ser modelado uniendo bolas (átomos) con palos (enlaces). Esto ha sido extremadamente popular y aún se utiliza ampliamente en la actualidad. Inicialmente, los átomos estaban hechos de bolas esféricas de madera con agujeros especialmente perforados para los palos. Así, el carbono puede representarse como una esfera con cuatro agujeros en los ángulos tetraédricos cos⁻¹(−1⁄3) ≈ 109.47°.

Set de modelos moleculares de Prentice Hall para química general y orgánica
Set de modelos moleculares de Prentice Hall para química general y orgánica

Un problema con los enlaces rígidos y los agujeros es que no se podían construir sistemas con ángulos arbitrarios. Esto se puede superar con enlaces flexibles, que originalmente eran resortes helicoidales, pero ahora generalmente son de plástico. Esto también permite aproximar los enlaces dobles y triples mediante varios enlaces simples.

El modelo mostrado abajo representa un modelo de esferas y varillas de la prolina. Las esferas tienen colores: el negro representa el carbono (C); el rojo, oxígeno (O); el azul, nitrógeno (N); y el blanco, hidrógeno (H). Cada esfera está perforada con tantos agujeros como su valencia convencional (C: 4; N: 3; O: 2; H: 1) dirigida hacia los vértices de un tetraedro. Los enlaces simples están representados por varillas grises (bastante) rígidas. Los enlaces dobles y triples utilizan dos varillas flexibles más largas que restringen la rotación y respaldan la estereoquímica cis/trans convencional.

Un modelo moderno de bolas y palos de plástico de la molécula prolina
Un modelo moderno de bolas y palos de plástico de la molécula prolina

Sin embargo, la mayoría de las moléculas requieren agujeros en otros ángulos y empresas especializadas fabrican kits y modelos personalizados. Además de los agujeros tetraédricos, trigonales y octaédricos, había bolas de propósito general con 24 agujeros.

Estos modelos permitían la rotación alrededor de los enlaces de varilla simples, lo que podía ser una ventaja (mostrar la flexibilidad molecular) y una desventaja (los modelos son flexibles). La escala aproximada era de 5 cm por ángstrom (0.5 m/nm o 500,000,000:1), pero no era consistente en todos los elementos.

Arnold Beevers en Edimburgo creó modelos pequeños utilizando bolas de PMMA y varillas de acero inoxidable. Al utilizar bolas perforadas individualmente con ángulos y longitudes de enlace precisos en estos modelos, se pudieron crear estructuras cristalinas grandes con precisión, pero con una forma ligera y rígida.

Modelos esqueléticos

El modelo de ADN de Crick y Watson y los kits para construir proteínas de Kendrew fueron algunos de los primeros modelos esqueléticos. Estos se basaban en componentes atómicos donde las valencias se representaban con varillas; los átomos eran puntos en las intersecciones. Los enlaces se creaban mediante la unión de componentes con conectores tubulares con tornillos de bloqueo.

André Dreiding introdujo un kit de modelado molecular a finales de la década de 1950 que prescindía de los conectores. Un átomo dado tendría picos de valencia sólidos y huecos. Las varillas sólidas encajaban en los tubos formando un enlace, generalmente con rotación libre. Estos se usaron y siguen siendo muy comunes en los departamentos de química orgánica y se fabricaron con tanta precisión que se podían realizar mediciones interatómicas con una regla.

o molecular del ADN
Modelo molecular del ADN

Más recientemente, los modelos de plástico económicos (como Orbit) utilizan un principio similar. Una pequeña esfera de plástico tiene protuberancias en las cuales se pueden colocar tubos de plástico. La flexibilidad del plástico permite crear geometrías distorsionadas.

Modelos poliédricos

Muchos sólidos inorgánicos consisten en átomos rodeados por una esfera de coordinación de átomos electronegativos (por ejemplo, tetraedros PO4, octaedros TiO6). Las estructuras se pueden modelar pegando juntas poliedros hechos de papel o plástico.

Modelos compuestos

Un buen ejemplo de modelos compuestos es el enfoque de Nicholson, ampliamente utilizado desde finales de la década de 1970 para construir modelos de macromoléculas biológicas. Los componentes son principalmente aminoácidos y ácidos nucleicos con residuos preformados que representan grupos de átomos.

Muchos de estos átomos están moldeados directamente en la plantilla y se ensamblan empujando pivotes de plástico en pequeños agujeros. El plástico se agarra bien y hace que los enlaces sean difíciles de girar, de modo que se pueden establecer ángulos de torsión arbitrarios y conservar su valor. Las conformaciones del esqueleto y las cadenas laterales se determinan precalculando los ángulos de torsión y luego ajustando el modelo con un transportador.

odelo Nicholson, que muestra una parte corta del esqueleto de la proteína (blanco) con cadenas laterales (gris). Obsérvense los trozos recortados que representan átomos de hidrógeno.
odelo Nicholson, que muestra una parte corta del esqueleto de la proteína (blanco) con cadenas laterales (gris). Obsérvense los trozos recortados que representan átomos de hidrógeno.

El plástico es de color blanco y se puede pintar para distinguir entre átomos de O y N. Los átomos de hidrógeno normalmente son implícitos y se modelan cortando los radios. Un modelo de una proteína típica con aproximadamente 300 residuos podría llevar un mes construirlo.

Era común que los laboratorios construyeran un modelo para cada proteína resuelta. Para el año 2005, se estaban determinando tantas estructuras de proteínas que se construyeron relativamente pocos modelos.

Modelos moleculares por computador

Con el desarrollo de la modelización física basada en computadoras, ahora es posible crear modelos completos de una sola pieza alimentando las coordenadas de una superficie en la computadora. Los modelos están hechos de yeso o almidón, utilizando un proceso de prototipado rápido.

También se ha vuelto posible crear modelos moleculares precisos dentro de bloques de vidrio utilizando una técnica conocida como grabado láser subsuperficial.

Las computadoras también pueden modelar moléculas matemáticamente. Programas como Avogadro pueden ejecutarse en computadoras de escritorio típicas y pueden predecir longitudes y ángulos de enlace, polaridad molecular y distribución de carga, e incluso propiedades mecánicas cuánticas como espectros de absorción y emisión.

Sin embargo, este tipo de programas no pueden modelar moléculas a medida que se agregan más átomos, ya que el número de cálculos es cuadrático en el número de átomos involucrados; si se utilizan cuatro veces más átomos en una molécula, los cálculos llevarán 16 veces más tiempo.

Para la mayoría de los propósitos prácticos, como el diseño de fármacos o el plegamiento de proteínas, los cálculos de un modelo requieren supercomputación o no se pueden realizar en computadoras clásicas en un tiempo razonable. Las computadoras cuánticas pueden modelar moléculas con menos cálculos porque el tipo de cálculos realizados en cada ciclo por una computadora cuántica son adecuados para la modelización molecular.

Para más información Types of Molecular Models

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APA: (2023-11-02). Modelos moleculares. Recuperado de https://quimicafacil.net/notas-de-quimica/modelos-moleculares/

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Vancouver: . Modelos moleculares. [Internet]. 2023-11-02 [citado 2024-04-17]. Disponible en: https://quimicafacil.net/notas-de-quimica/modelos-moleculares/.

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