Đọc bản đồ thế tĩnh điện của phân tử với plugin MEP
Trả lời ngắn: Cài Electrostatic Potential (MEP) từ Settings › Plugins, vẽ một phân tử và mở thẻ MEP. Bạn nhận được điện tích riêng phần Gasteiger của mọi nguyên tử nặng. Nhấn Show in 3D để tô màu bề mặt quanh mô hình 3D: đỏ là giàu electron, xanh lam là nghèo electron. Đây là bản đồ gần đúng để so sánh các vùng, không phải phép tính lượng tử.
Vì sao cần xem điện tích chứ không chỉ cấu trúc?
Công thức khung che giấu vị trí của electron. Nhưng sự phân bố điện tích giải thích rất nhiều hiện tượng hóa học: vì sao nước phân cực, liên kết hydrogen hình thành ở đâu, và nucleophile tấn công carbon nào.
Sách giáo khoa minh họa điều này bằng các bản đồ thế tĩnh điện nhiều màu. Chúng thường đến từ phần mềm hóa lượng tử, vốn tốn thời gian thiết lập và chạy. Plugin MEP cho bạn phiên bản nhanh, gần đúng của cùng hình ảnh đó cho bất kỳ phân tử nào bạn vẽ.
Bản đồ MEP cho biết gì
Thế tĩnh điện phân tử (MEP) tại một điểm là năng lượng mà một điện tích thử dương nhỏ cảm nhận được ở đó, do mọi hạt nhân và electron của phân tử gây ra. Bản đồ thể hiện giá trị này trên bề mặt quanh phân tử bằng màu sắc:
- Đỏ nghĩa là thế âm. Vùng này giàu electron và hút điện tích dương, proton và electrophile. Cặp electron riêng trên oxygen và nitrogen là những điểm đỏ điển hình.
- Xanh lam nghĩa là thế dương. Vùng này nghèo electron và hút điện tích âm cùng cặp electron tự do. Các hydrogen trong nhóm O–H và N–H là những điểm xanh lam điển hình.
- Màu nhạt ở giữa gần trung hòa, ví dụ phần lớn các vùng C–H.
MolDraw tính gần đúng thế nào
Plugin tính điện tích riêng phần Gasteiger (Gasteiger–Marsili). Phương pháp này phân chia điện tích giữa các nguyên tử liên kết theo độ âm điện của chúng, từng bước một, cho đến khi ổn định. Nó chỉ dùng nguyên tử và liên kết, nên nhanh và chạy được trong trình duyệt. Sau đó các điện tích tô màu một bề mặt tiếp cận dung môi quanh mô hình 3D.
Đây là hình ảnh định tính. Nó xếp hạng nguyên tử nào âm hơn hay dương hơn. Nó không cho năng lượng thế có thể trích dẫn.
Plugin hiển thị những gì
| Thang màu | Đỏ cho giàu electron (−) đến xanh lam cho nghèo electron (+). |
|---|---|
| Bảng điện tích | Số thứ tự nguyên tử, nguyên tố và điện tích Gasteiger cho mọi nguyên tử nặng, âm nhất trước. |
| Show in 3D | Vẽ bề mặt tô màu theo điện tích lên mô hình 3D. |
| Độ mờ | Làm bề mặt trong suốt nhiều hay ít, để bạn thấy mô hình que-cầu bên trong. |
| Refresh charges / Turn surface off | Tính lại sau khi sửa bản vẽ, hoặc quay về khung nhìn 3D thông thường. |
Cách cài plugin MEP
- Mở trình soạn thảo MolDraw và đăng nhập. Tài khoản miễn phí là đủ.
- Nhấn Settings (biểu tượng bánh răng), rồi Plugins.
- Nhấn Install cạnh Electrostatic Potential (MEP). Thẻ MEP xuất hiện trong bảng phân tích.
Cách tạo và đọc bản đồ MEP
- Vẽ một phân tử, hoặc tải theo tên bằng ô tìm kiếm PubChem.
- Mở thẻ MEP. Điện tích được tính ngay lập tức.
- Đọc phần đầu bảng điện tích. Đó là những nguyên tử giàu electron nhất.
- Nhấn Show in 3D. Khung 3D mở ra với bề mặt đã tô màu.
- Di chuyển thanh trượt Opacity cho đến khi thấy các nguyên tử dưới bề mặt. Xoay mô hình và ghép mỗi mảng đỏ hoặc xanh lam với một nguyên tử.
- Nếu thay đổi bản vẽ, nhấn Refresh charges. Nhấn Turn surface off khi đã xong.
Cách dùng trên lớp và trong phòng thí nghiệm
- Độ phân cực: lần lượt hiển thị nước, methanol và một hydrocarbon. Sinh viên thấy ngay phân tử nào có vùng màu đậm.
- Liên kết hydrogen: nguyên tử oxygen và nitrogen màu đỏ có khả năng là chất nhận; hydrogen O–H và N–H màu xanh lam có khả năng là chất cho. Để thể hiện cặp electron tự do khiến một nguyên tử là chất nhận, hãy thêm cặp electron tự do cho một nguyên tử hoặc cả phân tử.
- Khả năng phản ứng của carbonyl: vẽ acetone hoặc một ester. Oxygen mang điện âm và carbon carbonyl mang điện dương, đó là nơi nucleophile tấn công.
- Ảnh hưởng của nhóm thế: so sánh phenol với aniline, hoặc một phân tử có và không có nhóm nitro, để thấy điện tích dịch chuyển thế nào.
- Slide và tài liệu phát tay: bề mặt có màu giúp ý tưởng trừu tượng dễ thấy trong bài giảng. Với slide phẳng mà dị nguyên tử phải nổi bật đến tận hàng ghế cuối, hãy hiển thị bản vẽ 2D dưới dạng que và cầu có màu.
Mẹo và giới hạn thực tế
- So sánh các nguyên tử trong một phân tử, hoặc giữa các phân tử gần giống nhau. Đừng đọc các con số như năng lượng.
- Điện tích Gasteiger phụ thuộc vào các liên kết bạn vẽ, không phụ thuộc hình dạng 3D. Xoay một liên kết không làm chúng thay đổi. Chúng cũng phụ thuộc trạng thái proton hóa bạn vẽ, nên trước tiên hãy tìm dạng tích điện chính ở pH của bạn bằng plugin pKa.
- Điện tích đặt tại nguyên tử không thể thể hiện mọi đặc điểm của thế thực, như mặt giàu electron của vòng thơm hay vùng dương ở đầu (lỗ σ) của các halogen nặng.
- Để có bản đồ đạt chất lượng xuất bản, hãy dùng chương trình hóa lượng tử. Dùng plugin này để xây dựng trực giác và so sánh nhanh.
Đang tìm hiểu dần đến bản đồ điện tích? Hãy bắt đầu với công cụ tạo công thức Lewis và máy tính hình học VSEPR.
Hỏi và đáp
Màu đỏ và xanh lam trên bản đồ thế tĩnh điện nghĩa là gì?
Màu đỏ đánh dấu vùng giàu electron có thế âm, như cặp electron tự do trên oxygen và nitrogen. Màu xanh lam đánh dấu vùng nghèo electron có thế dương, như các hydrogen trong nhóm O-H và N-H. Các màu nhạt ở giữa gần trung hòa.
MEP của MolDraw có phải là phép tính hóa lượng tử không?
Không. Nó dùng điện tích riêng phần Gasteiger ánh xạ lên bề mặt tiếp cận dung môi. Cách này nhanh và tốt để so sánh các vùng, nhưng chỉ là gần đúng, không phải thế tĩnh điện hóa lượng tử.
Vì sao bảng điện tích không có nguyên tử hydrogen?
Bảng chỉ liệt kê nguyên tử nặng và sắp xếp từ âm nhất trở đi, nên các vị trí giàu electron nhất nằm trên cùng.
Có cần tài khoản để dùng plugin MEP không?
Có. Plugin miễn phí, nhưng bạn cần đăng nhập bằng tài khoản MolDraw miễn phí để cài đặt và tính điện tích.