Vizualizační freeware pro výuku chemie

Vizualizační freeware pro výuku chemie
Slavík Martin, Grégr Jan, Stibor Ivan, katedra chemie FP TU v Liberci
1
Úvod
O významu vizualizačních programů pro výuku chemie bylo na těchto seminářích řečeno již hodně.
Protože se často setkáváme s nedostatečnou prostorovou představivostí žáků – nejen na základních školách,
ale i u adeptů učitelského povolání, vyzkoušeli jsme použití vizualizačních programů, získaných jako
freeware, při výuce anorganické a organické chemie, k doplnění přednášek a především k samostatné práci
studentů. Jako nejjednodušší a při tom dostatečně kvalitní programy jsme vybrali ACD/ChemSketch 5.0
s vazbou na ACD/3D Viewer a ViewerLite firmy Accelrys.
2
Vybraný vizualizační freeware
Na základě článku [1] a vlastních zkušeností můžeme jako nejvhodnější zdarma dostupnou sestavu
pro kreslení chemických struktur včetně jejich vizualizace navrhnout ACD/ChemSketch 5.0 (existuje
i ACD/Structure Drawing Applet založený na jazyku Java) a prohlížeč ViewerLite firmy Accelrys.
Sluší se upozornit, že licence typu Freeware dovoluje použít program většinou zdarma pouze pro
osobní potřebu a nekomerční účely. Firma Advanced Chemistry Development však umožňuje vzdělávacím
institucím získat také Campus-wide licenci ACD/ChemSketch pro všechny počítače umístěné ve školním
areálu, která je zdarma (http://www.acdlabs.com/educators/chsk_licenses.html). Podrobné informace
mohou poskytnout i autoři článku.
2.1
ACD/ChemSketch 5.0 Freeware
Do této kapitolky jsme začlenili i ostatní volně dostupný software firmy Advanced Chemistry
Development, ať už vyžaduje instalaci ACD/ChemSketch 5.0 nebo nikoli (ACD/Name Freeware;
SpecViewer). Možnosti jednotlivých programů shrnuje Tabulka 1. Pro ty kdo mají více peněz je v druhé
části tabulky uvedena použitelnost komerčně dostupného SW téže firmy. Speciální nabídka pro vzdělávací
instituce (Educator Pack: I–III) není zahrnuta.
Tabulka 1 Přehled chemického software firmy Advanced Chemistry Development
KOMERČNÍ SW
FREEWARE
ACD/ChemSketch
ACD/3D Viewer
ACD/Name Freeware
ACD/Tautomers
ACD/SpecViewer
ChemBasic
ChemBasic Goodies
ACD/I-lab
ACD/ChemFolder
ACD/Name
Základní program pro vytváření chemických struktur
2D → 3D konverze, jednoduché molekulární modelování a vizualizace
Nomenklatura dle IUPAC (max. 50 atomů, 3 kruhy)
Pouze H, C, A, P, O, S, F, Cl, Br, I, Li, Na, K běžné valence.
Vytvoření tautomerní formy molekuly [Tools/Check Tautomeric Form]
Prohlížeč C(H)NMR, UV/VIS, IČ, Ramanových a hmotnostních spekter
Programovací jazyk pro manipulaci s molekulárními strukturami
Hotová makra spustitelná z pruhu nástrojů
On-line predikce vlastností, prohledávání v databázích
Management molekulárních a reakčních bází dat, LAB e-notebook
Nomenklatura dle IUPAC a CAS. Převod jméno-struktura.
Management 1D(2D) NMR, MS, UV-Vis, IČ a Ramanových spekter
ACD/SpecManager
ACD/ChromManager
Zpracování a management chromatografických dat
ACD/Structure Elucidator Predikce struktury ze spektrálních dat
BP, logP, VP, PKa,
Výpočet fyzikálních a fyzikálně-chemických dat
Hammett σ Calculator
ACD/Dictionary
Databáze struktur a vlastností 90 000 bioaktivních molekul
Poznámka: Produkty označené tučně jsou součástí ACD/ChemSketch Freeware.
Produkty označené kurzívou je třeba instalovat samostatně.
PDF byl vytvořen zkušební verzí FinePrint pdfFactory Pro http://www.fineprint.cz
Tabulka 2
Operace se
soubory
Detailní přehled možností ACD/ChemSketch 5.0 Freeware (převzato a upraveno z [1])
Document browser (Add-on) – náhled souborů v adresáři
Rychlý k přístup k posledním 10ti uloženým souborům.
Chemie: MOL, SKC, RXN, SDF, CHM, CML, Smiles; SDF
Export – import
Grafika (pouze export): WMF, BMP, PCX, TIF, GIF, VRML
Spektra: +SpecViewer 5.0 (Add-on) – ESP; SPC; JDX; DX; JXS; JX; TXT
Zpět: 50 kroků. Nelze nastavit průhlednost u všech objektů (např. u textu).
Editace
Podpora tvorby posterů a vícestránkových dokumentů.
Podpora pravého tlačítka myši. Editace vlastností objektů poklepáním.
Parametry stylu každého objektu lze nezávisle měnit.
Styly
256 barev; gradientová výplň; předdefinované vzory pro výplň
Horizontální i vertikální změna velikosti i při klonování objektů.
Přesun objektů
Přesné zobrazení souřadnic na stavovém řádku.
Zarovnání objektů Horizontální a vertikální
Struktury v 3D MOL souborech lze otáčet. Text titulku lze otáčet; symboly
Otáčení objektů
atomů nelze otáčet. Překlopení v rovině vazby, nastavení roviny vazby
horizontálně/vertikálně. Při překlopení lze zachovat nebo změnit chiralitu.
Lupa
Zvětšován/zmenšování zobrazení objektů. Velikost podle okna.
Normal. Stereo Up. Stereo Down. Undefined. Coordinating. Vazby u spiroVazby
sloučenin se neprotínají. Kontrola překročení maximální vaznosti.
Newmanova, Fischerova projekce pouze manuálně, ale dostupná ze šablon.
Cykly
Přepínatelné zobrazení aromatického kolečka u delokalizovaných systémů.
Automatické nebo manuální spojování vedle sebe umístěných atomů
Spojování struktur
s kontrolou vaznosti.
Automatické/manuální zobrazení a volba umístění symbolu u implicitních
Atomy
vodíků (např.: –OH, –CH3: vpravo, vlevo, dole, nahoře ).
Formátování textu Nezávislé formátování strukturního a popisného textu.
Příkazy jsou podobné jako v rozšířených aplikacích MS Windows.
Titulky,
Vkládání anotací.
textová pole
Řádkování a odsazení textu odstavců. Funguje tabulátor. Rotace textového pole.
Pouze jedno písmo a styl ve strukturním textu. Ukotvení vpravo/vlevo/u objektu.
Strukturní text,
Text/symboly nejdou otočit. Pouze jeden řádek textu.
označení atomů
Lze vkládat a nahrazovat zkratky jednoduchých substituentů jejich vzorci.
Zkratky substituentů nelze po nahrazení vzorci převést do původního tvaru..
Tabulky
Automatické/manuální zarovnání struktury/textu. Editor tabulek. (Add-on).
Import spekter
Ano. Vyžaduje SpecViewer (Add-on).
a chromatogramů
Propracované: prázdné/plné kruhy, polygony, čáry, oblouky, šipky,
Ostatní kreslící
vyhlazení, vrstvy, apod. Vyplnění jednou barvou/gradientem, vzorem,
pomůcky
přidání stínu. Nezávislé změny stylu všech objektů.
43 předdefinovaných šablon (např. Lewisovy struktury, Newmanova projekce,
Laboratorní nádobí + aparatury, Krystalové mřížky), najednou lze pracovat
Šablony
pouze s deseti, lze vytvářet nové. Template Organizer. Snadné přidávání
substituentů přes tlačítková menu.
Predikce fyzikálních vlastností vytvořených struktur: molekulová hmotnost,
procentuální složení, molární refraktivita, molární objem, parachor, index lomu,
Predikce vlastností povrchové
napětí,
hustota,
relativní
permitivita,
polarizovatelnost,
monoizotopická, nominální a průměrná hmotnost molekuly. (Výsledky mohou
být zatíženy značnou chybou. V manuálu jsou uvedeny používané vzorce.)
Dokumentace
Dostupná jako soubor MS Wordu i jako PDF. Vlastní nápověda dostatečná.
Další moduly:
Viz Tabulka 1.
Poznámka: Tučně: silná stránka/užitečná vlastnost; kurzíva: slabá stránka
PDF byl vytvořen zkušební verzí FinePrint pdfFactory Pro http://www.fineprint.cz
2.2
ACD/3D Viewer
Umožňuje konverzi 2D struktur vytvořených v ACD/ChemSketch do 3D podoby; výpočet
vazebných úhlů a meziatomových vzdáleností atomů molekuly. 3D optimalizační algoritmus je založen na
zjednodušené verzi molekulární mechaniky se silovým polem využívající CHARMM parametrizaci [2];
model uvažuje: valenční a deformační vibrace, vnitřní rotaci, van der Waalsovy nevazebné interakce
(mimo vodíkových můstků). Firma upozorňuje, že se nejedná o precizní optimalizaci struktury. Při
optimalizaci může např. dojít ke změně R-konformace na S-, proto jestliže požadujeme zachování
konformace je nutno použít stereo vazby (Up/Down). Struktury mohou obsahovat pouze C(IV), H(I), F(I),
Cl(I), Br(I), I(I), N(III, IV), O(II) a S(II, IV, VI). Nelze optimalizovat strukturu sloučenin organokovových
a obsahujících ionty (mimo azidy a nitroskupiny), tvorba vodíkových můstků není uvažována. [3]
Možnosti programu: Kopírování přes schránku, podpora OLE. Měření vazebných, torzních úhlů
a meziatomových vzdáleností atomů molekuly. Modifikace: rozměrů (individuálně nebo zvětšení/zmenšení
o 5 % – platí pouze pro zobrazení). Modifikace: barev atomů, barvy pozadí [Options/Colors – vhodné při
kopírování, implicitně je pozadí černé]. Modifikace modelu (tyčinkový, kuličkový; kalotový, difúzní
oblak). Automatická rotace molekuly beze změny i s automatickou změnou modelu. Uložení nastavení.
2.3
ACD/SpecViewer 5.0 Freeware (Add-on)
Jedná se o nadstavbu ACD/ChemSketch umožňující manipulaci se spektroskopickými
a chromatografickými daty získanými: CNMR, HNMR (NMR Mode); UV/VIS, infračervenou
a Ramanovou (UV-IR Mode) nebo hmotnostní spektroskopií – včetně LC-MS, GC-MS chromatogramů
(MS Mode). Samotný ACD/SpecViewer je součástí komerčního SpecManageru určenému pro komplexní
správu spektrálních dat. Existuje rovněž obdobný zdarma dostupný program 3D Viewer for ISIS/Base and
ISIS/Draw pro uvedené konkurenční produkty firmy MDL.
Co ACD/SpecViewer umí?
1) Importovat data ve formátech: ACD (esp), Galactic (spc), JCAMP (jdx, dx, jxs, jx); ASCII (txt).
2) Zvětšovat/zmenšovat části spektra, měnit jednotky osy x; umisťovat chemické vzorce do spektra
(užitečné je volitelné zobrazení číslování atomů, usnadňující přiřazení píku strukturní jednotce).
3) Provádět manuální nebo automatickou anotaci – samozřejmostí je změna parametrů popisků (barva,
písmo, velikost, počet desetinných míst), vyhledávat píky; měřit vzdálenosti mezi zvolenými body.
V NMR módu: detekce referenčního píku s kalibrací, automatická/manuální integrace.
Zobrazit lze samostatné tabulky píků (pořadí, x-souřadnice, intenzita, pološířka, asymetrie, relativní
intenzita); přiřazení a anotací. Speciality UV-IR módu. Souběžné zobrazení derivace spektra (od 1. do
4. řádu – výpočet pomocí diferencí s vyhlazením klouzavým průměrem nebo Savitzky-Golay s volitelným
stupněm polynomu a počtem bodů). Výpočet výšky, plochy, pološířky píku s volitelnou základní linií
(nula, minimum, manuálně). Při výběru části spektra, vzorce nebo tabulky se zvýrazní odpovídající údaje
v ostatních zdrojích (platné pro všechny módy). Vše je možné přímo tisknout nebo vytvářet
modifikovatelné tiskové výstupy.
Nevýhody? Upravená spektra lze uložit pouze jako SK2 soubor pro který nelze SpecViewer znovu
použít. Automatické přiřazení píků strukturním fragmentům molekuly je možné jen ve SpecManageru,
který je pouze komerčně dostupný.
2.4
ACD/ChemBasic for ChemSketch 5.0 & GOODIES
ChemBasic je objektový jazyk pro prezentaci a manipulaci s molekulárními strukturami podobný
VisualBasicu. Usnadňuje rutinní operace; umožňuje rozšiřovat ACD/ChemSketch, včetně přizpůsobení
uživateli. Programy lze snadno přiřazovat tlačítkům v pruhu nástrojů, ChemBasic obsahuje vlastní
formulářový manažer usnadňující tvorbu rolovacích menu, volitelných polí nebo automatického
vyplňování položek. Běžný uživatel se s ním pravděpodobně neseznámí, ale určitě bude používat některé
z ChemBASIC GOODIES, což jsou již hotová makra přiřazená ikonám v pruhu nástrojů.
Goodies je třeba nainstalovat samostatně, ale tato drobná nepříjemnost se vyplatí. Po instalaci
získáme 22 maker, z nichž podle nás nejužitečnější jsou zvýrazněny: Insert – Clone – Move/Copy Page;
Reorder – Delete – Rename Pages; Insert Page Numbers/Annotations; Annotate Document (vloží anotaci
založenou na obsahu nejhořejšího levého textového pole); Document Browser (prohledávání souborů
nebo zobrazení souborů v adresáři); Create HTML (vytvoří HTML soubor); Sketch-to-VRML
PDF byl vytvořen zkušební verzí FinePrint pdfFactory Pro http://www.fineprint.cz
Converter (export molekul do VRML 2.0); SDF-to-Sketch – Sketch-to-SDF Converter (import/export
SDF souborů); Table Wizard (vytváření tabulek, zarovnávání objektů); Replace Element (nahradí atomy
jednoho prvku jiným prvkem); Explicit Hydrogens (Zobrazí vodíky); Solution Calculator; Label Printer
(vytváří štítky na chemikálie); Peptide Builder (vytváří ze zápisu sekvence aminokyselin 3D-strukturu
peptidu, používá 1písmenné i 3písmenné kódy, umožňuje volbu sekundární struktury – AA1-AA2 alfašroubovice; AA1~AA2 beta-skládaný list; AA1^AA2, reversní beta-ohyb); Carbohydrate Builder
(vytváří ze zápisu sekvence sacharidů strukturu (oligo)sacharidu; např. Glc(a1-2b)Gal/4Me1N); Nucleic
Acid Builder (vytváří ze zápisu sekvence nukleotidů 3D-řetězec nukleové kyseliny, např. 5-ACTGGG-3).
2.5
ACD/Name Freeware
Vytváří ze struktur názvy podle nomenklatury IUPAC. Je omezen maximálním počtem 50 atomů
a třemi kruhy přítomnými v molekule. Molekula může obsahovat pouze: H, C, N, P, O, S, F, Cl, Br, I, Li,
Na, K v běžných valenčních stavech. Existuje rovněž obdobný zdarma dostupný program Name for
ISIS/Draw (ISIS/Base) pro uvedené konkurenční produkty firmy MDL.
2.6
ViewerLite 5.0 (Accelrys Inc.)
Zjednodušená verze prohlížeče modelů chemických struktur <http://www.accelrys.com/>. Oproti
balíku ACD/ChemSketch umožňuje názornější zobrazení anorganických materiálů, krystalických struktur,
bílkovin a nukleových kyselin včetně jejich povrchu s projekcí fyzikálních vlastností; propracovanější je
také rendering (orthografická nebo perspektivní projekce; čtyřstupňová volba kvality výstupu; přidání
hloubky; volba barvy zdroje světla včetně jeho polohy) i stereo zobrazení (binokulární 3D pohled
s prostorovým vjemem). K dispozici je také skriptovací jazyk usnadňující rutinní zobrazování. Struktury
lze samozřejmě otáčet, zvětšovat/zmenšovat, analyzovat, popisovat. V modelu můžeme zobrazit nebo skrýt
implicitní vodíky i vodíkové můstky [Tools/Monitors/Hbond]. Oproti komerční verzi verze Lite
neumožňuje modifikaci strukturních jednotek a optimalizaci energie. Budeme-li ovšem používat tento
program pouze jako zobrazovací modul již optimalizovaných struktur, ať už z databank nebo
z ACD/ChemSketch, toto omezení nám mnoho starostí nepřinese. Podrobnější popis možností programu
následuje.
Zobrazovací modely [Display Styles] – Atom: Off, Line, Stick, Ball and Stick, Scaled Ball and Stick,
CPK (kaloty), Polyhedron – Protein: Off, CA Wire (čára spojuje α-uhlíky), CA Stick, Line Ribbon, Flat
Ribbon, Solid Ribbon, Tube, Schematic – DNA/RNA: Off, Ladder (trubice podél hlavní osy báze); Rings
(sacharidy a báze jako plošné útvary + šipky); Arrows (řetězce nukleové kyseliny jako šipky směřující
k C3' konci) – Surface: None, Soft (rychlý výpočet), Solvent; van der Waals – Lattice: Off; Line; Stick
(krystalová mřížka jako trubice, lze přidat osy, zvolit barvu mřížky).
Barevná schémata (barva atomů) – Základní: podle prvku; podle příslušnosti k rodičovské struktuře
(ParentColor – výhodné pro biomolekuly, např. atomy v aminokyselinách jsou zobrazeny barvou
aminokyseliny); podle parciálního náboje (gradient od červené (-) po modrou (+)); pro bílkoviny: podle
hydrofobicity; podle pak; podle typu sekundární struktury (šroubovice – červená, β-list – modrozelená,
ohyb – zelená, smyčka – bílá); podle aminokyseliny, podle příslušnosti k řetězci aminokyseliny
[AminoAcidChain]; pro DNA/RNA: podle zbytku (A, T, C, G, U); typu báze (purinové – červené,
pyrimidinové – modré); zobrazení povrchu: Electrostatic Potential (Gasteigerovy náboje atomů), Atom
Charge (parciální náboje) + Probe Radius + Transparent + Wire Mesh
Popisky – Atom: Chirality (R, S); Element Name; Formal Charge; Hybridization; Name (symbol a číslo
atomu); Parent (název rodičovské struktury); Partial charge; XYZ (souřadnice) – Bond: Length; Name;
Order; Type (single, double…) – Molecule: Molecular Composition; Formula; Volume; Weight; Number
of Atoms – NucleicAcid: Name; Type (název báze). Lze přidat také vlastní popisky.
Uložení souborů: MSV; PDB; MOL; XYZ; CPD; CHM; VRML; POV-Ray (POV); SMILES (SMI);
BMP; GIF; JPG.
Otevření souborů: MSV (Microsoft Compound Document); PDB (Brookhaven Protein Data Bank); MOL
(Molecular Design, Ltd.); XYZ; SKC (MDL, ISIS); CSD (Cambridge Structural Database); CIF
(Crystallographic Information File); MOL2 (Tripos); CAR – GRD – MSF – MSI – CPD – CHM (Accelrys:
Insight II – Insight II Grid File – QUANTA – Cerius2 – Catalyst Query); WVC (Viewer Command File).
PDF byl vytvořen zkušební verzí FinePrint pdfFactory Pro http://www.fineprint.cz
2.7
Databanky molekulových struktur použitelných ve výuce
• Common Molecules Home Page. Jak už název napovídá, jde o sbírku struktur nejběžnějších molekul.
Struktury jsou k dispozici v různých formátech, včetně PDB nebo mohou být zobrazeny přímo Java
appletem. <http://www.recipnet.indiana.edu/common/>
• World Index of Molecular Visualization Resources <www.molvisindex.org>. Přehledný průvodce.
3
Závěr
Z článku je zřejmé, že i zdarma lze získat užitečný vizualizační SW s možnostmi srovnatelnými
s komerčními produkty.
4
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Literatura
Tamas E. Gunda: Chemical Drawing Programs – The Comparison of ISIS/Draw, ChemDraw,
ChemWindow, ChemSketch and Chemistry 4-D Draw [on-line]. Published: 2001. Revised:
28.03.2002 [Cit. 08/2002]. <http://dragon.klte.hu/~gundat/rajzprogramok/dprog.html>
B.R. Brooks – R.E. Bruccoleri – B.D.Olafson – D.J. States – S. Swaminathan, and M. Karplus.
CHARMM: A program for macromolecular energy, minimization, and dynamics calculations.
J. Comput. Chem. 4, 187–217 (1983).
ACD/ChemSketch 5.0 – ChemBasic – SpecViewer – 3D Viewer: User’s Guide. Advanced Chemistry
Development, Inc; Toronto, Canada. <http://www.acdlabs.com>.
Jean Trumbo: Visual literacy and science communication; Science Communication 20, 409-425
(1999). ISSN: 10755470.
Brian W. Pfennig; Richard L. Frock: The use of molecular modelling and VSEPR theory in the
undergraduate curriculum to predict the three-dimensional structure of molecules, J. Chem. Educ.
76(7), 1018-1022, (1999). ISSN: 00219584.
Shusterman, G., P., Shusterman, A., J.: Teaching chemistry with electron density models, J. Chem.
Educ. 74, 771, (1997). ISSN: 00219584.
Eric Martz – Eric Francoeur: History of Visualization of Biological Macromolecules [on-line].
Published: August 17, 1997; Revised: 04/2002. [Cit. 08/2002].
<http://www.umass.edu/microbio/rasmol/history.htm>
Janderka, P.: Molekulové modelování a teoretická chemie na PC. Chemické Listy 94, 28–38 (2000).
Štarha, R. – Kričfaluši, D. – Straňák, L.: Software pro tvorbu a analýzu 2D a 3D struktur v chemii.
Universitas Ostraviensis Acta Facultatis Rerum Naturalium, Physica Chemia 8, 119–137 (2001).
PDF byl vytvořen zkušební verzí FinePrint pdfFactory Pro http://www.fineprint.cz