Aspirin krydret med Internet og HyperChem

Jan Geertsen, Helge Mygind og Tine Spanggaard

Indledning

Aspirin (acetylsalicylsyre) er et af de gængse emner i kemiundervisningen. Emnet kan udbygges ved at anvende søgninger på Internet og ved at bruge programmet HyperChem Lite. Enkelte dele af rutinerne fra afsnittet "Molekylære beregninger med programmet HyperChem" fra den første IKT-bog genopfriskes i simple tegne- og præsentations-øvelser, der især koncentrerer sig om molekylvisualisering. Desuden præsenteres mere avancerede beregninger på forskellige fastlåste geometrier af aspirinmolekylet. Det vil forhåbentligt øge forståelsen af forbindelsers tredimensionelle struktur.

Aspirin er valgt som udgangspunkt, men materialet er skrevet med henblik på at inspirere til søgninger og beregninger på andre forbindelser. Øvelserne forudsætter kendskab til HyperChems præsentations- og beregningsmetoder, som relativt hurtigt kan tilegnes - eventuelt ved gennemarbejdning af de simple øvelser fra den første IKT-bog. Niveaumæssigt egner emnet sig fortrinsvis til mellemniveau og højniveau, men enkelte dele af materialet kan også inddrages i undervisningen på obligatorisk niveau. Computerøvelserne er tilpasset Lite-versionen af HyperChem, da denne udgave er økonomisk overkommelig at anskaffe.

Søgning efter molekylstrukturen på Internet

Undervisningsforløbet kunne tage sit udgangspunkt i en syntese af aspirin, hvorefter man kunne bestemme forskellige fysiske og kemiske data for det fremstillede stof, foretage renhedskontrol osv. I tilknytning hertil kunne man søge supplerende oplysninger på Internet (omtales senere). Det forudsættes, at man skal beskæftige sig mere indgående med den rumlige struktur af molekylet. Denne del af forløbet kan tage sit udgangspunkt i en søgning efter molekylstrukturen på Internet.

Inden man begynder at søge efter molekylstrukturen, skal man have Chime installeret som plug-in til sin browser, se under Internet på Kemis hjemmeside http://ke.gymfag.dk.

http://triton.ps.toyaku.ac.jp/~dobashi/english/index.html.

Her kan man vælge Structures, hvorefter man søger på aspirin. Det giver en molekylmodel af aspirin som vist på figur 1. Bemærk, at benzenringen er angivet med dobbeltbindinger.

Chime giver en række muligheder for at arbejde med modellen. Hvis man højreklikker på den, får man en menu med en række valg. Man kan fx lave modellen om til en kalotmodel, man kan rotere den osv. Man kan også vælge at gå over til 2D. Når modellen vender, som vist på figur 1, får man i to dimensioner det resultat, som ses på figur 2.

Man får også mulighed for at gemme modellen på sin egen computer i det såkaldte mol-format ved at vælge File | Save Molecule As… Gem filen på diskette (filnavn: ’aspirin.mol’). Denne fil skal senere indlæses i HyperChem og bruges i den modelleringsøvelse, som beskrives nedenfor.

En anden nyttig database findes på hjemmesiden for Computer-Chemie-Centrum på Erlangen-Nürnberg Universitet http://vermeer.organik.uni-erlangen.de/. Vælg Services. På næste side vælges The NCI enhanced Database Browser. Her er det nemmeste at søge ved hjælp af CAS-nummeret, som for aspirin er 50-78-2. Det giver to hits, som begge er aspirin. Dobbeltklik på et af de to anførte NSC-numre. På den side, der kommer frem, vælges PDB som Format, hvorefter der trykkes på Retrieve. Hvis man højreklikker på modellen og vælger Display | Sticks, får man det billede, der er vist på figur 3. PDB-filen kan gemmes på egen computer og eventuelt senere indlæses i HyperChem.

Bemærk, at den rumlige struktur på figur 3 er forskellig fra strukturen på figur 1. Det illustrerer, at strukturer, man finder på Internet, ikke nødvendigvis er eksperimentelt bestemte strukturer. På figur 4 ses endnu et eksempel (http://www.bris.ac.uk/Depts/Chemistry/MOTM/aspirin/aspirin.htm).

Visualisering og beregning med HyperChem

I denne øvelse bygges en model af aspirinmolekylet. Modellen geometrioptimeres og undersøges nærmere med hensyn til bindingsafstande og bindingsvinkler.

Modelbygning af aspirin

Tegn først en strukturformel for aspirin. Derefter laves en model af molekylet i HyperChem på følgende måde:

• Dobbeltklik på Draw-knappen, hvorved periodesystemet fremkommer på skærmen
• Klik på C-atomet og anbring det nødvendige antal carbonatomer i arbejdsfeltet
• Klik på O-atomet og anbring det nødvendige antal oxygenatomer i arbejdsfeltet
• Træk bindingerne mellem atomerne ved at holde venstre museknap nede, mens atomerne bindes sammen med enkeltbindinger. Dobbeltklik på den ene af de seks enkeltbindinger i benzenringen, hvorved ringen gøres aromatisk. De to dobbeltbindinger mellem carbon og oxygen laves ved et ekstra klik på de pågældende bindinger.
• Vælg Build | Add Hydrogens for at sætte hydrogenatomerne på
• Vælg Build | Model Build for at få et fornuftigt startgæt på molekylets struktur
• Gem resultatet på diskette til senere brug (filnavn : ’aspirin.hin’)

Den model af aspirin, som programmets modelbyggefacilitet har lavet, kan undersøges nærmere.

• Klik på Select-knappen og markér en binding ved at klikke på den

Nederst på statuslinien aflæses bindingslængden i enheden Ångstrøm. Markeringen kan fjernes igen ved at højreklikke på bindingen. Bindingsvinkler bestemmes ved at markere to bindinger. Endelig kan der angives torsionsvinkler. En torsionsvinkel er en vinkel mellem to planer. Hvis man vælger at markere 3 bindinger, eksempelvis bindingerne i benzenringen mellem C1-C2, C2-C3 og C3-C4, er den torsionelle vinkel lig med vinklen mellem bindingen C1-C2 og C3-C4, hvis man betragter molekylet langs C2-C3 bindingen. Denne vinkel bør være 0 grader, idet benzenringen er plan, hvilket kan ses, når molekylmodellen roteres på skærmen.

Som nævnt kan man fjerne en markering ved at højreklikke på den. Man kan fjerne alle markeringer på én gang ved at højreklikke i det tomme område uden for modellen.

Man kan vælge forskellige visualiseringsmuligheder i HyperChem. Det sker på følgende måde:

• Vælg Display | Rendering…

Prøv de forskellige muligheder.

Man har nu en konformation af aspirin, som kan anvendes som udgangspunkt for en beregning af molekylets geometri. Med HyperChem er det muligt at foretage en sådan undersøgelse ved anvendelse af en række iterative programmer, som systematisk varierer på modellens struktur og herved søger efter den laveste energi. Under strukturoptimeringen varieres samtlige bindingsafstande og vinkler, indtil programmet finder bunden af "energibrønden" og herefter kan præsentere den optimerede geometri.

Det er værd at bemærke sig, at et sådant beregningsresultat bør følges op af en kritisk bedømmelse, idet der ikke nødvendigvis er opnået konvergens til det ønskede globale energiminimum. Såfremt udgangsgeometrien er meget forskellig fra den "bedste" geometri, er der mulighed for, at programmet har fundet et lokalt minimum, hvor beregnede værdier for bindingslængder og vinkler måske ligger langt fra de eksperimentelle resultater. Bemærk, at programmet ikke har mulighed for at angive, om det opnåede minimum er globalt. Der er heller ikke indbyggede mekanismer, som gør det muligt for programmet at finde løsningen uden for et eventuelt lokalt minimum. De nævnte problemer i forbindelse med fastlæggelse af molekylers struktur gælder ikke blot for HyperChem, men er generelt kendetegnende for programmer til teoretisk strukturbestemmelse.

Simpel systematisk undersøgelse af energivariationen

Til illustration af de oven for diskuterede forhold vedrørende minima kunne man undersøge energiforholdene af de mulige konformere på baggrund af systematisk tilrettelagte beregninger. Eksempelvis kunne molekylets energi beregnes ved drejning om hver binding i 10 graders intervaller fra 0-360 grader.

Byg en model af molekylet med et molekylbyggesæt (benzenringen kan laves med tre dobbeltbindinger). Under beregningerne nedenfor indstilles molekylmodellen, således at den (med tilnærmelse) viser den struktur, som man aktuelt regner på.

• Aflæs og nedskriv den beregnede energi (svarende til den valgte torsionsvinkel)
• Gå til punkt 2 (Tryk Select) og gentag proceduren med næste torsionsvinkel
• Afbild herefter de beregnede energier som funktion af torsionsvinklen og diskuter udseendet af den fremkomne graf. Lav molekylmodeller, som viser de rumlige strukturer, der hver især svarer til et energiminimum på grafen. Prøv at forklare, at strukturer med torsionsvinkler i området omkring 180 grader må være så ustabile.

Iterativ beregning af energien

Som det fremgår af ovenstående, vil det være utroligt tidskrævende at gennemføre en simpel systematisk undersøgelse, såfremt samtlige vinkler og bindingslængder medtages i variationen.

I en iterativ beregning udfører programmet på egen hånd samtlige variationer. Herved beregnes minimumsenergien og den tilhørende optimerede struktur.

Indlæs modelbyggerens resultat fra disketten (filnavn : ’aspirin.hin’). Optimeringen af geometrien kan foretages på følgende måde:

• Vælg Setup | MM+
• Vælg Compute | Geometry Optimization… Under "Termination condition" sættes gradienten til 0.01 kcal/(Å mol), hvorefter der trykkes på OK.

Følg med på skærmen, mens strukturen ændres. Når beregningen er færdig, vises "Convergence YES" på statuslinien nederst. Sammenlign den beregnede, optimerede version af aspirinmolekylet med de tidligere billeder, som blev hentet fra Internet.

Supplerende materiale om aspirin

Som nævnt kan man finde mange oplysninger om aspirin på Internet. En søgning på AltaVista på aspirin gav 63530 hits, så her er brug for en mere målrettet søgning. I stedet for at bruge en generel søgemaskine som AltaVista kan man som nævnt med fordel bruge Chemfinder (http://chemfinder.camsoft.com). Nedenfor gives eksempler på, hvad en surftur på nettet kan indbringe.

Aspirin har været "Molecule of the Month" på Bristol University. Siden giver produktionsmetoden m.m. (http://www.bris.ac.uk/Depts/Chemistry/MOTM/aspirin/aspirin.htm).

På http://www.asn-linz.ac.at/schule/chemie/aspro.htm findes en øvelsesvejledning på engelsk til laboratoriefremstilling af aspirin ud fra salicylsyre og eddikesyreanhydrid. Samme sted findes en oversigtsartikel på tysk "100 Jahre Acetylsalicylsäure".

http://www.wonderdrug.com ligner en reklameside for firmaet Bayer. Her kan man finde oplysninger om forskellige aspirin-præparater. På http://www.fda.gov/opacom/catalog/aspirin.html kan man læse om virkningen af aspirin i en artikel skrevet af FDA (Food and Drug Administration, USA). Et højere fagligt niveau nås på http://cti.itc.virginia.edu/~cmg/Demo/pdb/cycox/cycox.html. Det er et eksempel på en interaktiv Chime-tutorial, hvor man kan aktivere forskellige trykknapper undervejs.

På http://chrom.tutms.tut.ac.jp/JINNO/DRUGDATA/07acetylsalicylic_acid.html kan man finde UV-spektrum og pK_a. Og sådan kan man fortsætte næsten i det uendelige.

Eksamen

Anvendelse af IKT i den daglige undervisning må efterhånden forventes at sætte sig spor i spørgsmålene til mundtlig eksamen. Når aspirin-emnet opgives til eksamen, kan man stille spørgsmål, hvor eksaminanden får mulighed for at inddrage IKT-delen, fx:

Bilag

Beregnet energi for aspirin ved drejning af torsionsvinkel fra 0-360 grader

(se afsnittet Simpel systematisk undersøgelse af energivariationen)

Forsiden | Forrige kapitel | Næste kapitel