1www.helsinki.fi/yliopisto

Molekyylien rakenne

Johannes Pernaa

2www.helsinki.fi/yliopisto

Tärkeä aihe

● LOPS:● “tuntee aineen rakenteen ja ominaisuuksien välisiä

yhteyksiä● osaa käyttää aineen ominaisuuksien päättelyssä

erilaisia kemian malleja, taulukoita ja järjestelmiä● ymmärtää orgaanisten yhdisteiden rakenteita ja

tuntee rakenteen määrityksessä käytettäviä menetelmiä

● osaa tutkia kokeellisesti ja erilaisia malleja käyttäen aineiden rakenteeseen, ominaisuuksiin ja reaktioihin liittyviä ilmiöitä.”

3www.helsinki.fi/yliopisto

Molekyylimallit● Muovimallit, kirjan kuvat ja interaktiiviset

tietokoneavusteiset mallit● Tutkimustiedon mukaan:

● Kehittää avaruudellista hahmotuskykyä● Tukee kemiallisen reaktion ymmärtämistä● Auttaa ymärtämään rakenteen ja ominaisuuksien

välistä yhteyttä

4www.helsinki.fi/yliopisto

Erilaisia esitystapoja● Pallotikku: Atomien paikat ja sidosten suhteelliset

pituudet● Tietoa myös sidostyypistä

● Kalottimalli (CPK / space-filling model): Atomisäteiden mukaisesti visualisoitu avaruudellinen muoto ja koko

● Ei tietoa sidostyypeistä

5www.helsinki.fi/yliopisto

Harjoitus: Optinen isomeria

● Tutkitaan alaniinin optista isomeriaa tietokoneavusteisesti

Lähde: http://fi.wikipedia.org/wiki/Optinen_isomeria

6www.helsinki.fi/yliopisto

Rakenteen ja ominaisuuksien välinen yhteys (1)

● Taustatietoa laskuista ja laskutasoista● Geometrian optimointi ja energian minimointi ● Molekyylimekaniikka

● Newtonin mekaniikka → ei elektronista energiaa● Semi-empiirinen

● Osa tuloksista lasketaan koneella ja osa pohjautuu valmiiseen empiiriseen dataan

● Nopeita laskuja● Sisimmät elektronit jäävät pois laskuista

● Ab initio -menetelmät (Spartanissa Hartree fock)● Kaikki laskenta tehdään koneella

7www.helsinki.fi/yliopisto

Rakenteen ja ominaisuuksien välinen yhteys (2)

● Kvanttikemiallisten laskujen avulla voidaan laskea molekyylien todellinen koko ja elektronien avaruudellinen sijoittuminen

● Elektronitiheys kertoo 75 % todennäköisyydellä elektronien sijoittumisen (Lundell & Aksela, 2004)

Hehre & Shisterman, Molecular Modeling in Undergraduate Chemistry Education:http://www.wavefun.com/support/MMUndEd.pdf

Elektrostaattinenpotentiaali

Elektrostaattinenpotentiaalikartta

+

Elektronitiheys

8www.helsinki.fi/yliopisto

Harjoitus 2:Rakenne ja ominaisuudet● Dipolimomentti● Liukoisuus● Elektronien sijoittuminen

9www.helsinki.fi/yliopisto

Harjoitus 3: Makromolekylit● Laskutason valitseminen

● Ab initio → alle 30 atomia● Semiempiirinen → alle 100 atomia● Molekyylimekaniikka → alle 10 000 atomia

● Proteiinissa tuhansia atomeja● Ei rakenneta vaan hyödynnetään tietokantoja● Protein data bank: http://www.rcsb.org/

● Visualisointia verkossa tai omalla koneella