La modélisation de molécules - Maxicours

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La modélisation de molécules

Objectif(s)
Voir que l’outil informatique permet de visualiser et d’étudier des molécules. Constater qu’il existe des logiciels gratuits utilisables en classe ou à la maison afin de faire de la modélisation de molécules, à un niveau accessible à un lycéen. Au-delà de l’aspect forcément ludique, cet outil peut être d’une aide précieuse pour mieux comprendre un cours, faire des rapports de TP, ou mieux apprécier la chimie …
Parmi les logiciels qui existent sur Internet, certains sont des outils professionnels payants réservés à certaines professions (chimiste). Par contre, d’autres sont gratuits et leur prise en main est facile.

Dans cette fiche, nous avons choisi de vous présenter comment utiliser le logiciel Chemsketch.
C’est un logiciel développé par ACD/Labs. Il en existe une version gratuite téléchargeable à l’adresse :
http://www.acdlabs.com/resources/freeware/. Ce n'est qu'un exemple, libre à vous d'en utiliser d'autres.
1. Problématique : intérêt du calcul numérique en chimie
En chimie, il est tout à fait possible d’étudier des molécules simples sans l’outil informatique. Il suffit dans ce cas là d’appliquer les règles que l’on connaît, comme la règle de l’octet, afin d’établir les liaisons chimiques présentes au sein d’une molécule.

Après, certains modèles théoriques simples permettent de représenter une molécule en 3D. Notamment, la méthode VSEPR (Valence Shell Electronic Pairs Repulsion) est basée sur la répulsion électrostatique entre électrons de la couche externe de l’atome. Elle stipule que les doublets électroniques, liants ou non liants, se repoussent et adoptent une disposition où ils sont les plus éloignés les uns des autres.

Par exemple, avec le méthane , les quatre doublets liants (liaisons) font que la molécule a une structure de tétraèdre régulier. Les atomes d’hydrogène en sont les sommets et le carbone le centre de gravité. Cela explique aussi pourquoi la molécule d’eau est coudée.

La structure de Lewis de l’oxygène étant la suivante :

Les deux doublets non liants interviennent afin de donner à la molécule une structure également tétraédrique.

Exemples de représentations 3D

Le méthane L'eau


Par contre, pour des molécules plus grosses, les choses deviennent plus difficiles. D’autre part, les éléments chimiques ont chacun des propriétés particulières : électronégativité, masse, rayon. En conséquence, les molécules peuvent avoir des structures un peu différentes de celles prédites par les modèles théoriques.

Ainsi, via l’outil informatique, l’idée est de faire effectuer des calculs à l’ordinateur. Ce sont des calculs numériques, qui donnent des valeurs approchées. Sauf exception, on ne saurait pas en effet effectuer les calculs à la main, pour obtenir la solution exacte (littérale).

Pour un élève de lycée, c’est également l’avantage d’accéder à la structure 3D de molécules sans connaître les méthodes avancées qui sont étudiées post-bac.
2. Dessiner une molécule
Une première étape de la modélisation moléculaire est de construire sa molécule avec l’interface du logiciel. Cela consiste à placer les atomes et de constituer les liaisons chimiques entre eux. Avec Chemsketch ou avec d’autres logiciels comme lui, les atomes sont piochés dans une « palette ». Les liaisons sont tracées à la souris. Pour faire des liaisons multiples, il suffit de cliquer sur une liaison déjà en place.



Après, une possibilité intéressante est de demander au logiciel de nommer la molécule. Le nom retourné est celui selon la nomenclature (nom «officiel »). Avec Chemsketch, il est en Anglais.


3. Visualiser la molécule
Une fois la molécule saisie, on peut réaliser une « optimisation 3D » de la structure, c'est-à-dire que le logiciel va estimer la disposition spatiale des atomes la plus probable dans la réalité. L’utilisateur du logiciel n’a pas besoin de savoir comment le programme procède.


Légende : les carbones sont en gris, les hydrogènes en blanc.

Une fois l’opération effectuée, la molécule peut être manipulée en 3D par l’utilisateur : rotation, zoom, … Divers modes d’affichage de la molécule sont proposés. Dans l’image ci-dessus, les liaisons sont sous forme de bâtons. Attention, dans certaines représentations 3D, Chemsketch ne fait pas apparaître les doubles liaisons.
Dans d’autres modes, on peut être tenté de ne faire apparaître que les atomes, comme dans la molécule de butane suivante :


Dans la fiche « isomérisation photochimique », nous avons étudié des molécules complexes que l’outil logiciel nous permet de visualiser. En biochimie, la structure 3D d’une molécule est importante, car elle conditionne le fait que la molécule soit apte ou pas à remplir certaines fonctions.
4. Déterminer certaines propriétés de la molécule
Quand la molécule est affichée, des informations additionnelles sont calculables par le logiciel :

Distance entre deux atomes :



Les deux atomes sélectionnés apparaissent en vert. La distance est exprimée en angström , avec .

Angle formé par trois atomes :



Les atomes sélectionnés sont également en vert. L’angle est en degré.

Données physico-chimiques estimées par calcul numérique :



Comme les valeurs sont issues de calculs approchés, il y a quelquefois des écarts avec les valeurs théoriques de la littérature.
5. Autres logiciels
Il existe d’autres logiciels de modélisation et visualisation de molécules. Notamment, on peut mentionner Avogadro. C’est un logiciel libre et gratuit, téléchargeable à partir du site :
http://avogadro.openmolecules.net/wiki/Main_Page

Son fonctionnement est proche de celui de Chemsketch, dans le sens où il permet de dessiner les molécules, les animer en 3D, etc. Le rendu des molécules avec Avogadro est très agréable. D’autre part, il est disponible en Français.


L'essentiel
La structure 3D de molécules est une notion importante en chimie ou biochimie. Afin de représenter la structure 3D d’une molécule, il existe des méthodes théoriques, comme la VSEPR, ou des méthodes plus complexes, mais hors programme.

Ainsi, on peut avoir recours à l’outil informatique pour nous aider à dessiner des molécules, et à trouver leur structure 3D rapidement. Des logiciels gratuits sont capables de remplir cette tâche. Ils se basent sur des calculs numériques, qui donnent des valeurs approchées. Ces méthodes numériques sont quelquefois indispensables, car un calcul analytique serait trop complexe, ou même impossible à mener.

En plus de pouvoir manipuler les molécules en 3D, ces logiciels de visualisation/modélisation moléculaire permettent de calculer certains paramètres de la molécule, comme des distances inter-atomes, des angles, ou des données physico-chimiques (masse volumique …).
Aller plus loin
Pour des élèves de lycée, la saisie d’une molécule dans un logiciel est ludique. Pour un professionnel, cette tâche devient vite répétitive et fastidieuse. Elle est de plus génératrice d’erreurs, surtout avec de grosses molécules, ce qui est le cas en biochimie.

Ainsi, il a été mis au point des sortes de « langages », comme le langage SMILES (Simplified Molecular Input Line Entry Specification), qui « codent » toutes molécules sous la forme d’une chaîne de caractères. L’intérêt est que les logiciels de visualisation / modélisation moléculaire (dont Chemsketch et Avogadro) peuvent comprendre ce codage, et quelquefois le générer.

Sur Internet, on trouve des exemples de molécules avec leur SMILES.
Ainsi, le rétinol (vitamine A) peut s’écrire comme :
C=1(C(CCCC1C)(C)C)C=CC(=CC=CC(=CCO)C)C

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