Introducción al Modelado Molecular

UNAM - DGAPA: FQ
Lino Joel Reyes Trejo
Universidad Nacional
Autónoma de México
Facultad de Química
TALLER
“Introducción al Modelado Molecular”
PONENTE:
Dr. Lino Joel Reyes Trejo
APOYO TÉCNICO:
Alumna: Cuautle Hernández Nérida Yasmín
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Lino Joel Reyes Trejo
TALLER
Introducción al Modelado Molecular
La utilización intensiva de la computadora ha transformado la actividad científica,
convirtiendo la computación en una disciplina con sus propios métodos y soluciones.
Indiscutiblemente, una de las áreas de mayor impacto tanto a nivel académico como a nivel
industrial es lo que se ha denominado “Quimica Computacional”. Actualmente existe un interés
creciente en las universidades, la industria petrolera y farmacéutica por desarrollar experiencia del
conjunto de técnicas y herramientas en el área de la quimica computacional.
Esta disciplina se extiende más allá de los límites tradicionales que separan la química, la
física, la biología y la ciencia de la computación, permitiendo la investigación de moléculas y
macromoléculas mediante una computadora, cuando la investigación en el laboratorio sea
inapropiada, impracticable o imposible:
La química computacional incluye aspectos como:




El modelado molecular por computadora
Los modelos computacionales
El diseño de síntesis orgánica
La busca de datos en bases químicas
El modelado molecular computacional abarca un amplio rango de métodos matemáticos que
pueden dividirse en dos grandes categorías:


La mecánica molecular: que aplica las leyes de la física clásica al núcleo molecular sin
considerar explícitamente a los electrones.
La mecánica cuántica: se basa en la ecuación de Schrödinger para descubrir una molécula
con tratamiento directo de la estructura electrónica y que se subdivide a su vez en dos clases,
según el tratamiento realizado, métodos semiempíricos y métodos ab-inito (“desde el
principio”).
El presente taller tiene como objetivo proveer las destrezas mínimas necesarias para la
utilización de herramientas computacionales orientadas al estudio de estructuras moleculares, así
como algunas de sus propiedades físicas y químicas. Se pretende también que el participante haga de
la quimica computacional una herramienta mas a la par de las técnicas utilizadas experimentalmente
para estudiar propiedades moleculares.
El contenido del taller será el siguiente:





Construcción de una serie de moléculas
Análisis conformacional
Estructura de mínima energía (optimización)
Análisis de propiedades estructurales (distancias y ángulos de enlace)
Análisis de propiedades electrónicas (cargas y orbitales moleculares)
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INTRODUCCIÓN AL MANEJO DE PC SPARTAN PRO
Entrar y Salir del programa
Para entrar al programa, dar clic en el botón Inicio; después, en Todos los Programas y finalmente
en PC Spartan Pro. Para salir del programa, seleccionar Exit en el menú File.
Barra de Menús
Mediante la barra de menús se puede accesar a varias funciones del programa, por ejemplo, el menú
SETUP da las siguientes opciones:
Barra de Herramientas
La barra de herramientas permite un acceso directo a las funciones incluidas en los menús de File,
Geometry y Build
Algunos de los íconos más usados son:
Nuevo
Ver
Romper Enlace
Abrir
Agregar
Minimizar
Ángulo de Enlace
Cerrar
Eliminar
Reacción
Ángulo Dihedro
Guardar como
Formar enlace
Distancia de Enlace
Área de Edición
En el lugar en que se insertan átomos, fragmentos, anillos y/o grupos para construir
moléculas.
Cuadro de Herramientas
Contiene las pestañas Entry, Expert y Peptide.
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Uso del Teclado y Ratón
En la tabla 1 se muestran las funciones del ratón de dos botones.
Tabla 1.
Usos del ratón y teclado en PC Spartan Pro.
Teclado
Shift
Botón Izquierdo
Modo Visualizar (
Control
Control+Shift
Botón Derecho
Seleccionar, Movimiento libre X/Y(a)
Rotación Z(b)
Translación X/Y
Aumento/Disminución de Tamaño
Activado)
Movimiento libre X/Y Global
Rotación Z Global
Modo Construir (
Traslación X/Y Global
Aumento/Disminución de Tamaño
Activado)
Movimiento libre X/Y de un Fragmento
Rotación Z de un Fragmento
Rotación de un enlace
(a)
X/Y = sobre el plano XY, el cual es el plano de la pantalla
(b)
= sobre el eje Z.
Control
Control+Shift
Alt
Traslación X/Y de un Fragmento
Aumento/Disminución de Tamaño
Alargamiento de Enlace
El botón izquierdo del ratón se usa tanto para señalar (ya sean objetos gráficos u opciones de
menú) como para rotar objetos, y el botón derecho es usado para la traslación de objetos así como
para aumentar o disminuir su tamaño. Las funciones de rotación y translación pueden ser
modificadas al presionar alguna tecla específica del teclado como Shift, Control y Alt.
Sin presionar ninguna tecla, el botón izquierdo del ratón permite mover libremente al objeto
seleccionado sobre el plano XY, el cual corresponde a la pantalla; el botón derecho permite trasladar
las figuras sobre este mismo plano (XY). Al presionar la tecla Shift, el botón izquierdo proporciona
una rotación sobre el eje Z, el cual se encuentra perpendicular a la pantalla y el botón derecho
modifica el tamaño de las moléculas en estudio.
NOTA: En el modo visualizar, se modifica el tamaño de todas las figuras mostradas en la pantalla;
en el modo de construcción, se modifica el de todos los fragmentos
En el modo visualizar, al presionar la tecla Control en conjunto con el botón izquierdo e
derecho, se realiza un movimiento libre y una traslación en el plano XY de todas las moléculas
abiertas que se visualizan, de manera que se observa un efecto global. También se logra un efecto
global en la rotación sobre el eje Z con el botón izquierdo y las teclas Control + Shift.
En cambio, en el modo construir se realizan las mismas acciones (rotación y traslación) de
los fragmentos seleccionados. Así mismo, en este modo con el botón izquierdo y las teclas Control
+ Shift se logra una rotación de un fragmento o de una molécula específica. Estas opciones son muy
útiles cuando se quiere llevar a cabo una reacción y acomodar en un lugar determinado a una
molécula.
Al presionar la tecla Alt junto con los botones izquierdo y derecho, sólo tiene un efecto en el
modo construir. Con el primero se puede rotar y con el segundo se puede aumentar y disminuir el
tamaño de un enlace seleccionado.
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Construcción de una molécula sencilla: Acrilonitrilo (H2C=CH-C≡N).
Mediante el estudio del Acrilonitrilo se mostrará la manera de construir moléculas en PC
Spartan Pro, así como la forma de realizar cálculos químico cuánticos.
1.- Hacer clic1 en
(Nuevo).
En el lado derecho de la pantalla aparecerá un cuadro de herramientas que contiene tres pestañas:
Entry, Expert y Peptide. Cada pestaña contiene un cuadro superior en el que se puede
previsualizar el átomo o especie a insertar en el área de edición.
Barra de Menús
Área de Edición
Cuadro de Herramientas
Barra de Herramientas
En la opción Entry se encuentran los principales átomos utilizados en el modelaje químico,
así como algunos grupos funcionales y anillos. En Expert es posible dar características específicas a
cada átomo de la tabla periódica, como hibridación y geometría. Además, contiene algunos ligandos
utilizados en compuestos de coordinación. En Peptide pueden construirse polipéptidos y proteínas
con estereoquímica definida.
2.- Hacer clic en
(carbono sp2).
3.- Hacer clic en cualquier parte de la pantalla.2
4.- Rotar el átomo:
 Arrastrar el ratón mientras se oprime el botón izquierdo.
1
2
Cuando se indique “Hacer clic”, realizarlo con el botón izquierdo del ratón, a menos que se pida lo contrario.
Se refiere a realizar la acción en el área de edición.
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5.- Mover el átomo:
 Arrastrar el ratón mientras se oprime el botón derecho.
6.- Cambiar el tamaño del átomo:

Presionar y dejar oprimida la tecla Shift.

Arrastrar verticalmente el ratón mientras se oprime el botón derecho.
7.- Girar el átomo sobre el eje Z3

Presionar y dejar oprimida la tecla Shift.

Arrastrar verticalmente el ratón mientras se oprime el botón izquierdo.
El carbono sp2 insertado tiene sus valencias libres. Esto se indica con las líneas terminales
de color amarillo. Sobre cada valencia se pueden ir añadiendo más átomos.
8.- Como el botón
(carbono sp2) sigue seleccionado, hacer doble clic en la doble valencia libre
(líneas amarillas) del carbono anteriormente insertado. Esto hará que se forme la molécula del
eteno:
9. - Hacer clic en el botón
en la parte inferior derecha de la pantalla.
10. - Seleccionar al grupo Cyano.
11.- Hacer clic en una de las cuatro valencias libres del eteno. Con esta acción se termina de
construir la molécula del Acrilonitrilo.
12.- Hacer clic en el botón
(Minimizar), al hacer esto el programa ayuda a visualizar la
estructura y calcula la energía de tensión de la molécula (8.65 Kcal/mol).
13.- Dar clic en
(ver) de la barra de herramientas. Con esta acción desaparece el cuadro de
herramientas, quedando en la pantalla el modelo de esferas y barras del acrilonitrilo.
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El plano de la pantalla en que se observan los átomos y moléculas corresponde del plano XY.
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NOTA: El programa automáticamente coloca hidrógenos en las valencias libres, por lo que no hay
necesidad de agregar cada uno de ellos.
14.- Hacer clic en el menú Model y seleccionar, por separado, Wire (líneas), Ball and Wire (esferas
y líneas), Tube (tubos), Ball and Spoke (esferas y barras) y Space Filling (espacio relleno).
NOTA: El modelo de esferas y barras es predeterminado para nuevas moléculas.
Wire
Ball and Wire
Ball and Spoke
Tube
Space Filling
(
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Medición de distancias y ángulos de enlace
1.- Ir al menú Geometry, seleccionar la opción Measure Distance (o hacer clic en
enlace] en la barra de herramientas).
[distancia de
2.- Seleccionar dos átomos consecutivos (unidos por un enlace) de la molécula. Al hacer esto, cada
átomo adquirirá un color dorado y la distancia entre ellos aparecerá en la parte inferior derecha de la
pantalla.
Otra manera de medir la distancia de enlace, es seleccionando la línea de enlace deseado. Así, la
línea de enlace tendrá un color dorado y en la parte inferior derecha de la pantalla aparecerá lo
siguiente:
3.- Para medir el ángulo de enlace, dar clic en
(o seleccionar la opción Measure Angle del menú
Geometry). Después, seleccionar en orden consecutivo tres átomos. En la parte inferior derecha de
la pantalla, aparecerán los átomos seleccionados y el ángulo presente entre ellos.
Optimización de geometría y Momento dipolar
1.- Terminado esto ir al menú Setup, seleccionar la opción Calculations...
2.- En el cuadro Setup Calculations seleccionar:

En Calculate: escoger la opción Equilibrium Geometry.

En with: escoger Hartree-Fock y 3-21G(*)

En Compute: activar las opciones E. Solvation y Elect. Charges.

En Print, activar la casilla Atomic Charges.
3.- Hacer clic en OK.
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4.- Hacer clic en Submit en el menú Setup.
5.- Guardar el archivo.
6.- Dar clic en Output, en el menú Display.
7.- Aparecerá un cuadro que mostrará los resultados de los cálculos, entre ellos la energía de
solvatación de la molécula, la carga de los átomos, el momento dipolar, entre otras propiedades. Una
vez revisado el cuadro, cerrarlo.
8.- Hacer clic en Properties, en el menú Display.
9.- En este cuadro pueden verse algunas propiedades de la molécula, como su energía, dipolo, peso,
área y volumen.
10.- Hacer clic en el menú Model y elegir la opción Dipole. (Sin cerrar el cuadro Molecule
Properties)
11.- Esto hace que aparezca una flecha sobre la molécula que indica el sentido y dirección del
momento dipolar. Esto solo ocurre cuando la molécula es visualizada como “Wire” y “Ball And
Wire”
12.- Desactivar la opción Dipole para que desaparezca la flecha.
13.- Sin cerrar el cuadro Molecule Properties, seleccionar cualquier átomo.
14.- Aparecerá el cuadro Atom Properties, en el puede observarse la quiralidad, peso y carga del
átomo seleccionado.
15.- Cerrar el cuadro de Atom Properties.
Cálculo de Mapas de Potencial Electrostático (MEP)
1.- Hacer clic en la opción Surfaces ya sea en el menú Setup o Display.
2.- Dar clic en el botón
aparecerá al cuadro Add Surface.
 En Surface elegir la opción density.
 En Property elegir la opción potential.
 En Resolution no seleccionar opción, aunque puede elegir una de las siguientes: Low (8x
Faster), Medium, Intermediate (4x Slower) y High (8x Slower).
3.- Hacer clic en OK.
4.- En el cuadro Surfaces List se aparecerá indicada la superficie anteriormente agregada.
NOTA: En caso de haber insertado alguna superficie no deseada, en el cuadro Surface List¸ se puede seleccionar dicha
superficie y hacer clic en el botón
para así eliminarla.
5.- Sin cerrar el cuadro de Surfaces List, ir al menú Setup y seleccionar la opción Submit
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6.- En el cuadro de Surfaces List se ha coloreado de amarillo un cuadro, indicando así que ese
mapa ha sido calculado correctamente. En caso de que el cuadro no se coloree de amarillo,
quiere decir que el programa no pudo calcular dicho mapa.
7.- Activar el cuadro amarillo, haciendo clic en el. De esta manera aparecerá el MEP de la
molécula.
8.- Hacer clic en cualquier parte del mapa.
9.- En la parte inferior derecha de la pantalla aparecerán varias opciones: Dots, Mesh, Solid y
Transparent.
10.- Seleccionar cada una de ellas por separado. Observándose lo siguiente:
Dots (Puntos)
Mesh (Red)
Solid (Sólido)
Transparent (Transparente)
 Las regiones azules corresponden a una deficiencia electrónica; en cambio las regiones
rojas corresponden a una concentración electrónica.
EJERCICIOS
Construir las moléculas siguientes y realizar lo mismo que se hizo con la molécula de acrilonitrilo.
O
1.- Agua
H
2.- etanol
H
CH3-CH2-OH
3.- Diclorometano
Cl2CH2
O
4.- Acetona
C
CH3
H3 C
O
5.- Acetato de etilo
C
H3C
OCH2CH3
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Agradecimiento:
(1)
Spartan ’04 Windows (Tutorial and User’s Guide). Wavefunction, Inc. 2001-2004
Bibliografía.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
Garnet, P. J.; Hackling, M. W. Students alternative conceptions in chemistry: A review of research and
implications for teaching and learning. Stud. Sci. Ed. 1995, 25, 69 – 65.
Gabel, D. L.; Sherwood, R. The effect of student manipulation of molecular models on chemistry achievement
according to Piagetian level. J. Res. Sci. Teach. 1980, 17(1), 75 – 81.
Aduldeka, S.; Akhter, P.; Field, P.; Nagle, P.; OSullivan, E.; OConno, K.; Hathaway, B. J. The use of desktop
molecular modeler software in the teaching of structural chemistry. J. Chem. Educ. 1991, 68(7), 576 – 583.
Fleming, S. A.; Hart, G. R.; Savage, P. B. J. Chem. Educ. 2000, 77, 790 – 793.
Levine, I. N. Quantum Chemistry; Prentice Hall, 2001.
Feller, S. E., Richard, D. F. y McKinney, P. C., J. Chem. Ed. 2004, 81, 283 – 287.
McMurry, J. Organic Chemistry; Brooks/Cole, 2000, p. 24.
Sitios de Interés:
 Algunos programas gratuitos para visualizar estructuras moleculares en tercera dimensión:
Chimera: http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/ ;
Pymol: http://pymol.sourceforge.net/ ;
Raster 3D: http://www.bmsc.washington.edu/raster3d/
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