Pianeta
Chimica.it
Responsabile:
Prof. Mauro Tonellato
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della Chimica
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A cosa serve il computer in Chimica?
- Per creare immagini di molecole e reazioni da inserire in relazioni
e dispense.
- Per creare modelli tridimensionali di molecole per meglio capirne
la struttura e le proprietà.
- Per attribuire la nomenclatura IUPAC ad una molecola.
- Per calcolare le proprietà chimico-fisiche di una molecola
e quindi per meglio comprendere le relazioni struttura-proprietà
delle molecole.
- Per calcolare lo spettro IR simulato di una molecola e quindi
per imparare ad interpretare gli spettri IR sperimentali assegnando ad
ogni picco la corrispondente oscillazione della molecola.
- Per calcolare lo spettro NMR simulato di una molecola e quindi
per imparare ad interpretare gli spettri NMR.
- Per calcolare gli orbitali molecolari, la struttura tridimensionale,
l'energia e la reattività sia delle molecole che
degli intermedi di reazione utilizzando le equazioni fondamentali della
quantomeccanica.
- Per rappresentare sullo schermo il modello tridimensionale di macromolecole
come proteine, RNA e DNA, che così possono essere indagate
nei dettagli e meglio comprese.
- Per calcolare le interazioni tra molecole come quelle tra proteina e
legando, docking molecolare, e arrivare così alla progettazione
di nuovi farmaci.
Alcuni di questi utilizzi sono di tipo professionale e vengono realizzati
con software molto costosi. La cosa notevole, però, è che
molti produttori di software professionale mettono a disposizione del
grande pubblico, e di studenti e docenti in particolare, delle versioni
ridotte e gratuite dei loro programmi, per realizzare in modo semplice
alcune delle cose realizzabili con il programma professionale a pagamento.
Inoltre negli ultimi anni si è molto sviluppato il settore del
software libero, open source, grazie all'impegno di intere comunità
scientifiche.
Di seguito sono illustrati alcuni programmi di chimica
che rappresentano una piccola panoramica del software disponibile sul
mercato. Li possiamo considerare gli indispensabili per lo studente
che si avvicina alla chimica. Sono tutti semplici da usare e di ottima
qualità. Alcuini, come AutoDock Vina, sono dei veri e
propri programmi professionali usati da migliaia di ricercatori nel
mondo.
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Chemsketch 2017
Disegna molecole in 2D e le trasforma in 3D
Assegna il nome IUPAC
Chemsketch 2017 (distribuito gratuitamente dalla ACD Labs) è
il programma più semplice ed immediato per disegnare molecole e
generare il loro nome IUPAC (se sono composte da meno di 50 atomi.
Fornisce anche alcuni dati sulla molecola disegnata come peso molecolare,
composizione percentuale, formula bruta, indice di rifrazione, densità,
tensione superficiale, ecc.
Ma questo è solo il primo
passo...
Permette di generare il modello tridimensionale ottimizzato della
molecola (vedi foto qui a lato) e di modificare lunghezze e angoli
di legame, come pure angoli di torsione e configurazioni
R/S!
http://www.acdlabs.com/download/
Provate ad usare Chemsketch in classe!
(Lezione di Chimica al Computer con Chemsketch)
La dispensa Nomenclatura IUPAC oltre a spiegare
nei dettagli la nomenclatura, è una guida per imparare ad usare
Chemsketch per imparare meglio la nomenclatura.
Nomenclatura
IUPAC
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ISIS Draw 2.5 ServicePack4
(compatibile con Win7)
Disegna molecole in 2D
Tra i molti programmi per disegnare molecole in
2D, forse il migliore è ISIS Draw 2.5 (gratuito!)
distribuito da MDL. Si tratta di un programma completo ed efficace che
permette in pochi secondi di disegnare molecole anche complesse dall'aspetto
professionale per inserirle in dispense o appunti personali. (vedi foto
qui a lato). Tutti le molecole nelle dispense di pianetachimica sono
state disegnate con ISIS Draw
Dato che non è più distribuito da MD, lo potete scaricare
qui
ISIS Draw 2.5
N.B. Può essere usato anche con Windows 7 e Windows
10 a patto di impostare la compatibilità con WinXP (pulsante
destro - proprietà - compatibilità - Win XP)
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ArgusLab 4.0
Disegna e ottimizza molecole in
3D,
mostra gli orbitali molecolari, calcola le energie di formazione
Con questo ottimo programma distribuito (gratuitamente)
da Mark Thompson della Planaria Software, è possibile sia creare
sia importare molecole per esaminarle in 3 dimensioni con un'ottima
qualità grafica.
http://www.arguslab.com
Inoltre sono disponibili delle funzioni avanzate di calcolo per l'ottimizzazione
tridimensionale delle molecole, per il calcolo della superficie degli
orbitali HOMO e LUMO che permettono di indagare la reattività
della molecola (vedi foto qui a lato).
Chimica al Computer con ArgusLab
Per la sua grande qualità e versatilità, questo programma
si presta ad essere usato in classe per meglio comprendere la struttura
e la reattività delle molecole. Le seguenti lezioni sono degli
esempi di unità didattiche da svolgere in aula informatica con
ArgusLab:
1-butene e 2-butene
Carbocatione
1° e 2°
Acetone
e tautomeria cheto enolica
Dieni
coniugati e carbocatione allilico - (pdf)
Benzene
e aromaticità - (pdf)
Legame
covalente
Conformazioni
degli alcani
Ponte Cloronio
Cicloaddizioni di Diels-Alder
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MGL Tools e AutoDock Vina
MGL Tools http://mgltools.scripps.edu/downloads
AutoDock Vina http://vina.scripps.edu/download.html
MGL Tools è
un programma di modellistica molecolare ideale per le proteine. E' anche
ideale per elaborare le proteine e i legandi prima di eseguire il docking
molecolare con AutoDock Vina. Permette inoltre di valutare i risultati
del docking. E' stato sviluppato al MGL Molecular Graphic Laboratory
dello Scripps Research Institute
AutoDock Vina è il programma
di docking molecolare più usato al mondo. E' stato sviluppato
dal
Dr. Oleg Trott del The Scripps Research Institute. E' un programma molto
avanzato che sfrutta al massimo la potenza di calcolo delle macchine
multiprocessore e consente non solo di esplorare le varie configurazioni
del legando, ma può anche trattare come flessibili i residui
degli amminoacidi del sito attivo.
Chimica al Computer con MGL Tools
e AutoDock Vina
Struttura
delle Proteine
Proteine
e Legandi
Docking
Molecolare su COX2
Progettare
Nuovi Farmaci
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Avogadro 1.1.1
http://avogadro.cc/wiki/Main_Page
Avogadro è un programma di modellistica molecolare che permette
di costruire molecole organiche anche complesse, di calcolarne la struttura
più stabile con tecniche di meccanica molecolare come UFF e MMFF94
e fornisce anche immagini di ottima qualità grafica. Permette inoltre
di aggiungere idrogeni alle molecole ottenendo diversi gradi di protonazione
in funzione del pH scelto.
Avogadro può essere usato insieme con programmi di chimica computazionale
come Gaussian o GAMESS e così permette di ottimizzare le
molecole anche con metodi quantomeccanici avanzati, calcolare energia
e forma degli orbitali molecolari, calcolare le frequenze di assorbimento
IR, valutare gli stati di transizione delle reazioni ecc. Davvero notevole!
GAMESS
(http://www.msg.ameslab.gov/gamess/)
Pacchetto software per eseguire calcoli avanzati di chimica quantistica
sulle molecole. La sua interfaccia grafica naturale è Avogadro.
Distribuito gratuitamente per scopi didattici da un gruppo della IOWA
University.
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Chimera
https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/
UCSF Chimera è un ottimo programma per visualizzare e analizzare
la struttura di molecole e macromolecole. E' adatto anche a visualizzare
il risultati del docking molecolare. Permette di generare immagini di
grande qualità grafica con una buona resa di luci, ombre, riflessi
e colori. Nel sito ufficiale si trova una galleria di immagini e una documentazione
completa, nonchè alcuni tutorial. Può essere usato gratuitamente
per uso personale o didattico
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gNMR 4.1
Realizza spettri NMR
simulati
Questa è la versione più
vecchia del programma gNMR, ma è più semplice ed immediato
da usare rispetto alla nuova versione 5.06 (vedi qui sotto).
L'autore del programma, il prof. Budzelaa, mi ha autorizzato a distribuirlo
direttamente precisando che lui NON intende più sostenerlo o
fornire assistenza per questa vecchia versione.
Il programma è scaricabile direttamente dal link qui sotto
Per generare lo spettro, è necessario disegnare prima la molecola
con Isis Draw e poi importare il file generato (.skc) in gNMR. (File
/ Import / MDL-SKC). L'unica funzione che non è inclusa nell
versione demo è il copia e incolla degli spettri che così
non si possono esportare direttamente in altri programmi (per esempio
Word).
Questo problema si supera facilmente premendo il pulsante "stampa
schermo" sulla tastiera del computer. L'immagine dello schermo
si può incollare in programmi di grafica come l'ottimo Irfanview
(free) che consente di ritagliare lo spettro con la funzione Edit \
Crop selection.
gNMR 4.1 si può scaricare QUI premendo il pulsante
destro del mouse sul seguente link:
gNMR 4.1 download
gNMR 5.06
Realizza spettri NMR simulati
La spettroscopia NMR è una tecnica molto potente per l'indagine
strutturale di molecole organiche. Purtroppo però uno strumento
NMR ha un costo così elevato che è fuori dalla portata
di una scuola superiore.
Gli studenti possono esercitarsi con la spettroscopia NMR usando gNMR
5.06 (gratuito!), di P.H.M. Budzelaar e distribuito dalla
Ivorysoft, un programma che calcola lo spettro NMR di una molecola assegnata.
Nella foto qui a lato si può vedere lo spettro del 2-butanolo.
Rispetto alla precedente versione 4.1 il programma è ora utilizzabile
gratuitamente per la didattica nella sua versione completa. E' stata
migliorata l'accuratezza di previsione dei chemical shift.
http://home.cc.umanitoba.ca/~budzelaa/gNMR/gNMR.html
http://home.cc.umanitoba.ca/~budzelaa/gNMR/gNMR-license.html
Durante l'installazione del programma viene chiesto
il numero di serie, utilizzare N500-011292-715.
Per generare lo spettro, è necessario disegnare prima la molecola
con Isis Draw e poi importare il file generato (.skc) in gNMR. (File
/ Import / MDL-SKC).
N.B. : i gruppi ossidrili non vanno disegnati come OH ma come O-H con
il legame esplicitato. Così pure per i gruppi amminici, ecc.
Per vedere una raccolta di spettri NMR generati con gNMR vai a Spettroscopia
NMR.
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Orbital Viewer
Mostra gli orbitali di atomi e molecole
Con questo programma si possono rappresentare
tutti gli orbitali atomici per meglio comprenderne la forma e anche
la struttura interna compresi i nodi. Si possono inoltre avvicinare
due o più atomi fino ad ottenere molecole.
Il programma è disponibile gratuitamente al sito:
http://www.orbitals.com/orb/ov.htm
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Accelrys DS Visualizer 2.01
Visualizza le molecole in 3D
Tra i programmi che permettono di vedere e manipolare le molecole in
tre dimensioni, va segnalato anche DS Visualizer 2.01 (gratuito!!)
che oltre alle molecole normali è particolarmente adatto a manipolare
proteine, DNA e RNA.
DS Visualizer 2.01 si rivela potente e flessibile nello scegliere ed
evidenziare ogni parte della molecola, offre molte opzioni di visualizzazione
e produce immagini di buona qualità grafica. Vedi immagine qui
a fianco del fattore di allungamento 1ttt.pdb (molecola del mese
di settembre 2006).
http://www.accelrys.com/products/dstudio/index.html
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ChemOffice Professional 16
Disegna molecole in 2D, assegna il nome IUPAC,
calcola costanti chimico-fisiche, genera spettri NMR
Questo è un programma professionale che può
essere provato gratuitamente per 15 giorni scaricandolo al sito:
http://www.cambridgesoft.com/Ensemble_for_Chemistry/ChemOffice/
Svolge le funzioni di più programmi gratuiti insieme: disegna
come ISIS Draw, calcola le costanti chimico fisiche come Chemsketch
(è più completo), assegna il nome IUPAC come Chemsketch,
traccia lo spettro NMR come gNMR (è più preciso
nella previsione dei corretti chemical shift).
Inoltre calcola la struttura 3D delle molecole, mostra gli orbitali
molecolari, esegue calcoli quantomeccanici come ArgusLab.
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HyperChem 8.0.10
Programma professionale di modellistica
molecolare.
Ottimo programma della Hypercube, disegna le molecole in 3D, ottimizza
la loro struttura tridimensionale calcolandone l'energia minima utilizzando
metodi di meccanica quantistica, ricava lo spettro IR delle molecole
e per ogni frequenza assorbita mostra un'animazione delle vibrazioni
molecolari. Mostra tutti gli orbitali di una molecola, sia quelli di
legame che di antilegame e in particolare consente di valutare la struttura
degli orbitali HOMO e LUMO per meglio comprendere la reattività
delle molecole. Fa anche calcoli di termodinamica e di cinetica delle
reazioni. Disegna in pochi istanti sequenze di amminoacidi, di nucleotidi
o di zuccheri. Ha ottime capacità di rendering e offre immagini
di qualità fotografica.
Si può ottenere una copia gratuita del programma valida per 10
giorni collegandosi al sito:
http://www.hyper.com
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Altri programmi interessanti
Spartan Wavefunction ottimo programma professionale di modellistica
molecolare simile a Hyperchem. Usa metodi quantomeccanici avanzati e calcola
spettri IR, spetri NMR, stati di transizione di reazioni e molto altro.
Dispone di un database molto vasto con cui confrontare gli spettri calcolati.
MestreNova 11 Permette di calcolare uno spettro NMR simulato di una
molecola a piacere
Permette di trasformare un segnale FID prodotto da uno strumento di acquisizione
di spettri NMR in uno spettro NMR leggibile applicando la Trasformata
di Fourier.
Crocodile Chemistry simula un intero laboratorio chimico e permette
di realizzare centinaia di reazioni ed esperienze di laboratorio e di
seguirle osservando le variazioni di pH, temperatura, composizione, ecc.
Swiss PDB Viewer un altro ottimo visualizzatore di macromolecole
(proteine, DNA) in formato Pdb. E' del tutto gratuito.
ConceptDraw Office v8 Disegna impianti chimici industriali.
Gaussian Programma di chimica computazionale professionale. Ottimizza
le molecole con tutte le tecniche disponibili, calcola spettri IR, Calcola
forma ed energia degli orbitali MO, Calcola lo stato di transizione e
l'energia durante la reazione, esegue simulazioni di dinamica molecolare
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