Prise en main du logiciel Spartan

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2. Prise en main du logiciel SPARTAN : construction de molécules, des plus simples aux plus complexes ....... 2
2.1. Construction et minimisation d’une structure moléculaire ......................................................................... 2
2.2. Minimisation ............................................................................................................................................... 4
2.3. Construction de molécules plus élaborées................................................................................................... 5
2.4. Construction avancée................................................................................................................................... 5
2.5. Constructions et modes de représentation ................................................................................................... 7
2.6. Construction de plusieurs molécules (ou fragments) .................................................................................. 8
# Utilisation de la souris ................................................................................................................................... 8
2.7. Construction de molécules complexes ........................................................................................................ 9
2.8. Construction d’agrégats............................................................................................................................. 10
2.9. Construction d’un polypeptide .................................................................................................................. 11
2.10. Construction d’un acide nucléique .......................................................................................................... 11
3. Fenêtre de configuration d’affichage................................................................................................................. 13
3.1. Affichage d’informations sur la molécule................................................................................................. 13
3.2. Application à la détermination de la configuration absolue...................................................................... 13
4. Mesure des caractéristiques géométriques moléculaires................................................................................... 16
4.1. Mesure de distances, d’angles et angles dièdres ....................................................................................... 16
4.2. Angle de torsion (n’existe pas dans la version étudiant)........................................................................... 17
X. Bataille - TD Spartan 1
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2. Prise en main du logiciel SPARTAN : construction de molécules, des plus
simples aux plus complexes 1
Dans un premier temps, le logiciel Spartan2 permet de dessiner des structures moléculaires et de modifier ces
structures afin de « minimiser leur énergie » par un calcul de mécanique moléculaire (approche classique, non
quantique). Cette première partie consiste donc à apprendre à construire une ou plusieurs molécules. Ensuite, on
« minimisera » leur énergie.
2.1. Construction et minimisation d’une structure moléculaire
Le bureau
Sous Spartan 06, la barre d’outils est légèrement différente :
# Il y a la possibilité de changer la couleur de ce bureau par OPTION / COLOR. Il y a plusieurs réglages
possibles dans options, ainsi que des données (comme les rayons de Van der Waals).
1
2
Les copies d’écran ont été réalisées avec Spartan 04. Le bureau est légèrement différent sur la version Student.
http://www.wavefun.com/
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Ouverture d’un nouveau document (nouvelle modélisation)
Ouverture de la fenêtre de construction des molécules (icône
activée)
Les atomes courants sont listés et proposés sous des géométries variées. Les groupes classiques sont
prédessinés :
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Par défaut, les valences libres sont complétées par des atomes d’hydrogène.
0 Attention, avant de dessiner une molécule, il est impératif de connaître la géométrie de chaque atome
(digonal, trigonal, tétragonal etc.).
TD 2-1. Dessiner la molécule de butan-2-ol.
TD 2-1.
2.2. Minimisation
Une fois la molécule dessinée, il faut minimiser son énergie par « ajustement » de sa géométrie. C'est le logiciel
qui accomplit ce travail. Basée sur des contraintes géométriques (valence) et électrostatique (tient aussi compte
de la liaison hydrogène), on optimise la structure par BUILD / MINIMIZE :
La structure qui en résulte correspond à un minimum d’énergie calculé selon un modèle classique (MMFF pour
Molecular Mechanics Force Field). On peut aussi utiliser l’icône :
L’énergie de minimisation apparaît à l’issue du calcul de minimisation, en bas, à droite du bureau.
# On sait que le calcul est terminé lorsque la barre bleue n'évolue plus (attention, elle n'occupe pas toujours
tout l'espace). Cette énergie n’a pas de signification particulière.
TD 2-2. Minimiser le butan-2-ol et noter l’énergie calculée.
0 Attention, l’énergie de minimisation (donnée kcal.mol-1) dépend de la conformation initiale. Dans le cas du
butan-2-ol, voici deux exemples :
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Pour effacer la(les) molécule(s) : FILE / CLOSE.
2.3. Construction de molécules plus élaborées
La construction de molécules sous Spartan n’est pas forcément simple. Elle nécessite un peu d’apprentissage.
Les molécules se construisent par étape, éventuellement en supprimant des atomes
cassant des liaisons
3
, en créant
ou
.
TD 2-3. Dessiner et minimiser les molécules suivantes :
1.
2.
3.
4.
5.
méthylcyclohexane,
cyclohex-3-én-1-one,
oxyde d’éthylène,
o-nitrotoluène,
pyridine.
TD 2-3.
1.
méthylcyclohexane,
2.
cyclohex-3-én-1-one,
3.
oxyde d’éthylène,
4.
o-nitrotoluène,
5.
pyridine.
# Aide - Création de liaison : soit un simple clic sur les liaisons, soit double un double clic sur les atomes.
2.4. Construction avancée
activée), on trouve aussi l’onglet « classification » (EXP où l’on
Dans la fenêtre de construction (icône
choisit l’élément et sa géométrie). Exemple du rhodium dans un environnement octaédrique :
3
L’icone
etc.).
permet de supprimer non seulement des atomes mais aussi tout autre chose dessinée sur le bureau (graphique, surface
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TD 2-4. Dessiner et minimiser les molécules suivantes :
1. atome d’hydrogène,
3. chlorure de thionyle,
5. acide sulfurique,
7. HMPT,
2. bromure de méthylmagnésium,
4. chlorure de sulfuryle,
6. ion carbonate,
8. DMF. Enregistrer cette molécule sous dmf.spartan.
TD 2-4.
1. atome d’hydrogène
2. bromure de méthylmagnésium,
3. chlorure de thionyle,
4. chlorure de sulfuryle,
5. acide sulfurique,
6. ion carbonate,
7. HMPT,
8. DMF.
Enregistrer cette molécule sous dmf.spartan.
Il existe dans Spartan 06, un onglet SUBSTITUENT :
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2.5. Constructions et modes de représentation
Repartons d’une molécule simple, le méthane. Il est possible en cliquant sur MODEL de la représenter selon
différents modes :
WIRE BALL AND WIRE
(fil)
(sphère et fil)
TUBE
BALL & SPOKE SPACE FILLING
(par défaut)
(Van der Waals)
LINE
Selon la complexité de la molécule, on choisira tel ou tel mode de représentation.
TD 2-5. Représenter la molécule d’α-D-glucopyrannose, après minimisation, en BALL & SPOKE puis en
SPACE FILLING, en BALL & WIRE et en LINE.
OH
HO
HO
O
OH
OH
Enregistrer la molécule sous alpha-glucose.spartan.
TD 2-5.
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2.6. Construction de plusieurs molécules (ou fragments)
Il est possible également de dessiner plusieurs molécules sur le bureau. Chaque nouvelle molécule est créée par
(Ajouter). Sur la même feuille : sélectionner pour cliquer sur INSERT :
et faire un
la touche :
clic (gauche) à l’endroit où l’on souhaite ajouter la molécule. On peut ainsi faire figurer sur le bureau autant de
molécules que l’on souhaite :
Pour visualiser le bureau où se trouvent toutes les molécules :
été dessinées sur le bureau, la minimisation
(Visualiser). Lorsque plusieurs molécules ont
donne une idée de la géométrie que peut prendre l’agrégat.
# Utilisation de la souris
Pour sélectionner et déplacer les molécules, on utilise la souris :
Une seule molécule :
•
•
•
•
•
clic gauche : rotation sur place
clic droit : déplacement sur la feuille
double clic : sélection d’un atome
Maj + clic gauche : rotation selon l’axe perpendiculaire au plan de travail de la molécule sélectionnée
Maj + clic droit : fonction zoom
Plusieurs molécules :
•
•
•
•
•
double clic : sélection de la molécule
clic gauche : rotation sur place de toutes les molécules
clic droit : déplacement sur la feuille de toutes les molécules
Ctrl + clic gauche : rotation sur place de la molécule sélectionnée
Ctrl + clic droit : déplacement sur la feuille de la molécule sélectionnée
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2.7. Construction de molécules complexes
La construction d’une molécule complexe se fait fragment par fragment, par connexion par les liaisons (simple
clic sur les liaisons ou double clic sur les atomes). On peut également créer une structure en créant les liaisons
a posteriori. Exemple du dessin d’un cubane. On part de deux molécules de cyclobutane et on créée les liaisons
après.
On active l’icône création d’une liaison
joindre :
Après minimisation
et on sélectionne les valences libres (en jaune) que l’on veut
:
TD 2-6. Dessiner la molécule de ferrocène Fe(C5H5)2 et minimiser.
Aide : commencer par trouver l'ion pentandienyle. Conclure sur la conformation du ferrocène. Enregistrer le
fichier sous ferrocene.spartan. Pour information, l’analyse par diffraction aux rayons X montre que les
groupements cyclopentyles doivent être en conformation éclipsée. Conclure.
TD 2-6.
TD 2-7. Dessiner la molécule d’adamantane et la molécule d’hexaméthylènetétramine.
TD 2-7.
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2.8. Construction d’agrégats
Exemple d’un agrégat de molécules d’eau. Placer aléatoirement sur le bureau 10 molécules d’eau (éviter de
les placer dans un même plan) :
Avant minimisation
Après minimsation
Il est possible dans MODEL de représenter les liaisons hydrogène (HYDROGEN BONDS) :
TD 2-8. Dessiner un ion sodium entouré de dix molécules d’eau, faire apparaître les liaisons hydrogène et
minimiser. Renouveler avec un ion chlorure et un ion calcium. Conclure sur la géométrie des agrégats
formés.
TD 2-8.
TD 2-9. Construire un agrégat constitué de 5 molécules d’eau et de 5 molécules de dichlorométhane. Faire
figurer les liaisons hydrogène puis minimiser.
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TD 2-9.
TD 2-10. Minimiser un agrégat constitué de deux molécules de borane.
TD 2-10.
TD 2-11. Minimiser un complexe ion magnésium / EDTA.
TD 2-11.
2.9. Construction d’un polypeptide
aminés : Onglet PEP.
activée), on trouve la possibilité de construire des séquences d’acides
Par MODEL, on peut afficher les rubans (RIBBONS) et les liaisons hydrogène (HYDROGEN BONDS).
Exemple d’une séquence d’acides aminés
TD 2-12. Dessiner l’oligopeptide suivant : glycine-glycine-glycine-proline-glycine-glycine-glycine-glycine en
feuillet β. Lui greffer le même oligopeptide en hélice α. Représenter le ruban et les liaisons hydrogène.
Conclure sur la géométrie du peptide formé. Attention, ne pas minimiser.
TD 2-12.
2.10. Construction d’un acide nucléique
d’acides nucléiques : Onglet NUC.
activée), on trouve aussi la possibilité de construire des séquences
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Exemple d’un ruban d’ADN
TD 2-13. Dessiner la séquence d’ADN double brin suivante : G-A-. Représenter les liaisons hydrogène.
Représenter ensuite la séquence G-A-G-A-T-C-T-C. Représenter le mode ruban et les liaisons hydrogène.
Interpréter la structure formée. Minimiser la structure et conclure sur ce qui se produit lors de la minimisation.
TD 2-13.
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3. Fenêtre de configuration d’affichage
Dessiner une molécule d’acide lactique, de configuration absolue R ou S, au choix :
Passer en mode BALL & WIRE :
3.1. Affichage d’informations sur la molécule
Il est possible de paramétrer le type d’affichage des molécules par MODEL / CONFIGURE. Cliquer sur
LABEL puis APPLIQUER : chaque atome est alors numéroté.
# Attention, la numérotation est liée à l'ordre avec lequel on crée la molécule : il ne s’agit pas de la
numérotation liée à la nomenclature.
On peut également afficher seulement l’élément (ELEMENT) ou la masse molaire (MASSE NUMBER).
3.2. Application à la détermination de la configuration absolue
On peut aussi déterminer la configuration absolue des centres stéréogènes : ici, Sinister (S)
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# Il est possible d’inverser la configuration d’un centre stéréogène en appuyant sur la touche CTRL et en
double cliquant « gauche ».
TD 3-1. Dessiner l’acide (S,S)-tartrique et étiqueter à chaque atome son stéréodescripteur.
OH
HO2C
CO2H
OH
TD 3-1.
TD 3-2. Dessiner la molécule de camphre selon le modèle ci-dessous et en déduire la stéréochimie de chaque
atome de carbone asymétrique.
O
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TD 3-2.
TD 3-3. Représenter la molécule d’α-D-glucopyrannose (utiliser le fichier créé au TD 2-5) et déterminer la
configuration absolue de chaque centre stéréogène.
OH
HO
HO
O
OH
OH
TD 3-3.
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4. Mesure des caractéristiques géométriques moléculaires
4.1. Mesure de distances, d’angles et angles dièdres
Il est possible de déterminer à partir du modèle minimisé (mais également du modèle calculé, voir plus loin) :
•
des distances internucléaires
après sélection de deux atomes :
# La case texte dans laquelle apparaît la distance est interactive : il possible d’imposer une valeur en la plaçant
dans cette case texte (ne pas oublier de valider).
•
des angles de liaisons
après sélection de trois atomes :
•
ou des angles dièdres
après sélection de trois atomes :
TD 4-1. Dessiner la molécule de 1,2-dichloroéthane. Minimiser puis lui imposer l’angle dièdre nécessaire pour
faire apparaître la conformation éclipsée.
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TD 4-1.
(
)
n la molécule de DMF minimisée (voir TD 2-4).
TD 4-2. Mesurer l’angle dièdre CNCO
TD 4-2.
4.2. Angle de torsion (n’existe pas dans la version étudiant)
Il est possible de choisir parmi plusieurs conformères par GEOMETRY / SET
TORSIONS : ou par l’icône :
. Des cylindres jaunes apparaissent sur les liaisons
qui peuvent être modifiées :
. Après avoir sélectionné la liaison L’apparition en bas
à droite de flèches
permet de faire tourner les liaisons simples.
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