МОДЕЛЬ СТРУКТУРЫ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ И ФАРМАКОЛОГИИ

Изобретение относится к области создания наглядных пособий для преподавания биоорганической химии и фармакологии. Изобретение может быть использовано на уроках химии в средней школе, также в ВУЗах на занятиях и лекциях по биохимии и фармакологии, при изучения электронных орбиталей у элементов второго периода периодической системы, изучении структуры алканов, углеводов, ацетилхолина и других биологически активных соединений, для демонстрации их конформеров и оптических изомеров.
В настоящее время преподаватели как средней, так и высшей школы испытывают острый недостаток в наглядных моделях при преподавании различных разделов химии, биохимии, фармакологии. Таблицы, рисунки в учебнике и на доске не всегда помогают учащимся представить расположение в пространстве атомов в молекуле. Так, например, известно, что в алканах углерод образует четыре эквивалентных **-связи. Углы между связями тетраэдрические (109,5°), что, естественно, нельзя изобразить на плоском рисунке. Углеродный скелет имеет зигзагообразную форму, при этом испытывает непрерывные конформационные превращения.
Понять функцию и свойства соединения порой невозможно без непосредственной работы с моделями молекул, поэтому многим преподавателям приходится самостоятельно готовить трехмерные модели этих веществ из пластилина и других подручных средств, т.к. отечественная промышленность подобных пособий не выпускает.
Известны модели Стюарта, Бриглеба, Куртолда, Кекуле, Дрейдинга и др., предназначенные для наглядной демонстрации относительного положения атомов в молекулах химических соединений.
Масштабные модели Стюарта ( 1934), сделанные из усеченных шаров, соединенных между собой кнопками, предназначены для демонстрации возможной степени сближения групп в молекуле и определения степени перекрывания атомов и их размеров.
Рис. 1. Модель Стюарта для молекулы метана.
На рис 1 представлена модель Стюарта для молекулы метана. Детали модели, изображающие атомы элементов, выполнены в определенном масштабе, поэтому модель примерно правильно передает межатомные расстояния, соотношение размеров атомов и внешнюю тетраэдрическую форму молекулы метана. Однако в моделях такой конструкции почти невозможно показать углы между связями.
Позднее Бриглеб (1950), учтя новые, более точные электронографические и рентгенографические данные, усовершенствовал модели Стюарта. В моделях Бриглеба уточнены формы углеродных атомов, связанных одинарной, двойной, тройной и ароматической связью (рис 2 ).
Эти модели хорошо передают заполненность внутримолекулярного пространства. Однако и здесь углы между связями не видны. Некоторые модификации метода предложены Беленьким Л.И. и др. в 1972г.
Позже стали пользоваться еще более совершенными моделями Куртолда, изготовленными по данным, впервые опубликованным Хартли и Робинзоном в 1953г. ( рис 3). Помимо точного отражения реальных размеров и форм атомов,
эти модели гибки, но недостаточно наглядно показывают изменения велентных углов.
На рис 4 приведена шаростержневая модель молекулы Кекуле. В ней шарики, изображающие атомы, соединяются на некотором расстоянии друг от друга посредством стерженьков, изображающих валентные связи. Такая модель дает наглядное представление о том, какие атомы с какими соединены, хорошо видны валентные углы, хотя эта модель и не передает относительных размеров и внешней формы молекулы. Кроме того, модель недостаточно наглядно показывает формирование ковалентных связей между атомами.
В самом деле, на основании шаростержневой модели можно предположить, что атомы в молекуле значительно удалены друг от друга. В действительности это, конечно, не так. Химическое взаимодействие между атомами, как мы знаем, возможно только при их непосредственном контакте (взаимодействии внешних электронов), поэтому следует считать, что шарики в таких моделях изображают не атомы, а центры атомов или их ядра и что пространство между ними заполнено электронными облаками. Недостатком данной модели является невозможность продемонстрировать перекрывание орбиталей при образовании ковалентной связи, а также трудность крепления соединительных элементов.
Известна шаростержневая модель органических соединений, которая состоит из шаров и гибких элементов в виде цилиндров (Бухаров и др, 1990г) (прототип). Шары предназначены для изображения атомов, а гофрированные элементы - для обозначения связей (рис 5). Модель имеет те же недостатки. Кроме того трудна в техническом исполнении.
Нами предлагается модель, состоящая из полых пластмассовых фигур различного цвета. Атомы углерода, также как и в модели Кекуле, изображаются в виде цветных шариков. Однако атомы водорода имеют вид усеченного шарика (но не полусфера) меньшего размера и другого цвета. Вместо стержней, символизирующих ковалентную связь, использованы очень удобные в работе усеченные грушевидные конусы, которые демонстрируют гибридизованные химические сигма-связи. Именно на нашей модели четко видно, какие именно электронные орбитали перекрываются при образовании химической связи. Это облегчает понимание и запоминание предмета. Соединение элементов осуществляется посредством винтовых выступов и винтовых отверстий (рис 6), что делает модель простой в работе и долговечной. Наше предложение иллюстрируется примерами 1 и 2. С помощью данного набора элементов можно конструировать модели молекул аммиака, воды, ионов аммония, гидроксония (рис 7), а также любых алканов рис (8), циклоалканов и некоторых других молекул.
Набор элементов можно выпускать нескольких размеров: побольше для преподавателя и небольших размеров для самостоятельной домашней работы учащихся.
Наша модель удобна в работе, дешева, долговечна, имеет малый вес, легко внедряется в производство, может быть изготовлена методом литья под давлением в пресс-формах, наглядно показывает формирование ковалентных связей в молекуле, перекрывание различных орбиталей, что способствует лучшему восприятию учебного материала студентами.
Список литературы:
1. «Модель структуры химических веществ», Бухаров Б.Н.,
Мареева О.Ю., Васильева Т.В. патент 2003183 С 1 ,1993г (прототип).
2. «Химия» учебник 10-11 классов, Э.Е. Нифантьев, Л.А. Цветков, Москва, 1999г.
3. «Способ конструирования пространственных атомно-молекулярных моделей химических структур», Микельсаар,, патент 1458884, 1989 г.
4. «Конструкция атомных моделей по Стюарту-Бриглебу», Беленький Л.И., С.З.Тайц и др., патент 330482, 1972 г.