Einleitung. Drahtgittermodell Kugelmodell Stäbchenmodell Kugel-Stab-Modell Kugel-Draht-Modell Kalottenmodell

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1 Einleitung Chemaxon entwickelt seit nun mehr als 10 Jahren aktiv die Programmfamilie Marvin. Diese beinhaltet mehrere Programme, die zum Zeichnen, Darstellen und Charakterisieren von chemischen Strukturen verwendet werden können. Das non-kommerzielle Programmpaket nennt sich Marvin Beans. Diese Version ist für die akademische Forschung und die Lehre kostenlos erhältlich. Dazu benötigt man nur eine unkomplizierte Registrierung auf der Homepage von Chemaxon. 1 Das Paket enthält drei Programme, die in der Bedienung allerdings oftmals eng verzahnt miteinander agieren, so dass ein unkomplizierter Umgang möglich ist. Programm MarvinSketch 2 MarvinView 3 MarvinSpace 4 Funktionsumschreibung Das eigentliche Zeichenprogramm zur Erstellung verschiedener chemischer Strukturen, Reaktionen, etc. Das Programm hat eine große Auswahl an Zusatzfunktionen, z.b. Markieren chemischer Fehler in Strukturen Erkennen der absoluten Konfiguration nach CIP-Konvention 2D-Korrektur von gezeichneten Strukturen 3D-Korrektur von gezeichneten Strukturen (Veränderbare) Templates mit vorgefertigten häufig verwendeten Strukturen (z.b. Benzol-Ringe) Werkzeuge zur Berechnung von pka/pks-werten, Protonierungen, Ladungen, Resonanzen uvm. Dieses Programm dient der 3D-Darstellung gezeichneter Strukturen, es ermöglicht die Ansicht in verschiedenen Darstellungen und Anzeigeoptionen für Werte, wie z.b. Bindungslängen. Im Prinzip ermöglicht MarvinSpace das Gleiche wie MarvinView, allerdings wesentlich detaillierter dargestellt, es ist möglich Strukturen als Drahtgittermodell Kugelmodell Stäbchenmodell Kugel-Stab-Modell Kugel-Draht-Modell Kalottenmodell 1 (Stand ) 2 (Stand ) 3 (Stand ) 4 (Stand )

2 darzustellen. Dafür wurden allerdings im Vergleich zu MarvinView die Möglichkeiten der Anzeige verschiedener Werte weggelassen Die vorliegende Anleitung erklärt die wesentlichen Funktionen der drei Programme Schritt für Schritt, allerdings werden an einigen Stellen Auslassungen gemacht, da nicht jede Funktion zum einen für den Unterricht an sich sinnvoll bzw. brauchbar ist und zum anderen die Anleitung massiv an Umfang zunehmen würde und der Arbeitsaufwand diese Anleitung durchzuarbeiten unproportional zum Nutzen werden würde. Des Weiteren gibt es in vielen Situationen mehrere Methoden um exakt das gleiche Ergebnis zu erzielen. In den meisten Fällen wird die Anleitung der Übersichtlichkeit halber nur eine der möglichen Methoden exerzieren. Jedes Kapitel widmet sich einem gewissen abgegrenzten Feld der Programmfunktionen. Um einen Überblick über die erklärten Funktionen eines Kapitels zu geben werden diese im Abschnitt Was Sie in diesem Kapitel lernen aufgelistet. Das dient zwei Zwecken. Zum einen können Sie schnell erkennen ob das ausgewählte Kapitel ihrem persönlichen Lernziel entspricht und zum anderen können Sie anhand der Liste nachvollziehen ob Sie alle erklärten Funktionen auch verstanden haben. Die Beispiele im danach folgenden Abschnitt Anleitung sollten von Ihnen bestenfalls während des Lesens nachgearbeitet werden um die jeweiligen Funktionen auch wirklich einmal ausprobiert zu haben. Durch das einfache Lesen gehen viele der Informationen schnell wieder verloren. Um Stolpersteine zu vermeiden sollten Sie den Textabschnitt eines Beispiels komplett zu Ende gelesen haben bevor Sie anfangen es nachzuarbeiten. Nach der Anleitung erhalten Sie im Abschnitt Übungsaufgaben die Möglichkeit verschiedene zum Kapitel passende Aufgaben zu lösen und im Abschnitt Lösungen der Übungsaufgaben mit einer Musterlösung zu vergleichen. Kapitelübersicht 1. Die Installation von Marvin Beans und die kostenlose Lizensierung für Lehrzwecke 2. Überblick über die Programmoberfläche und das Zeichnen einfacher chemischer Strukturen 3. Die wichtigsten Werkzeuge ( Tools ) in Marvinsketch 4. Die 3D-Darstellungsmöglichkeiten von MarvinSpace und MarvinView

3 Die Kapitel 1. Die Installation von Marvin Beans und die kostenlose Lizensierung für Lehrzwecke 1.1 Was Sie in diesem Kapitel lernen Wo Sie Marvin Beans herunterladen können Wie Sie einen Lizenzschlüssel für Marvin Beans beantragen und erhalten Wie Sie Marvin Beans installieren Wie Sie den Lizenzschlüssel installieren Was für Probleme auftreten könnten und wie Sie sie lösen 1.2 Anleitung Der Programmdownload Das Programmpaket Marvin Beans ist auf der Homepage von Chemaxon (www.chemaxon.com) erhältlich. Um es Herunterladen zu können und einen Lizenzschlüssel zu erhalten ist eine einmalige und kostenlose Registrierung notwendig. Diese wird der Einfachheit halber in die Beschreibung des Verlaufs des Downloadvorganges einbezogen, da Sie im Verlauf nach der Registrierung gefragt werden. Leider ist das Herunterladen von Marvin Beans samt Lizensierung der womöglich komplizierteste Teil des gesamten Programmes, da man sich durch einige Seiten durchklicken muss um letztendlich alles zusammen zu haben. Aus diesem Grund ist dieser Teil der Anleitung sehr ausführlich gehalten. Auf der Startseite von Chemaxon befindet sich im oberen Seitenbereich die Verlinkung zur Download-Sektion der Seite. Auf der Downloadseite befindet sich etwas weiter unten der Punkt Download, unter dem sie die Marvin-Familie verlinkt finden:

4 Nach einem Klick auf die Verlinkung müssen Sie die Version Marvin for End Users auswählen. Auf der folgenden Seite ist es notwendig die Nutzungsbedingungen ( terms of the license agreement ) zu akzeptieren und die Version für ihr Betriebssystem (in der Regel Microsoft Windows) auszuwählen. Achtung: Marvin basiert auf der Programmiersprache Java, daher ist es notwendig dieses installiert zu haben, daher bietet Chemaxon eine Installation mit integrierter Java-Installation an und eine ohne integrierte Java-Installation. Wenn Sie sich nicht sicher sind, ob auf ihrem PC Java installiert ist, laden Sie die Version mit Java herunter. Die Installationsroutine wird bei fehlendem Java dieses nachinstallieren. Sollte sich bereits (die aktuelle) Version auf ihrem PC befinden, wird es nicht zusätzlich installiert. Nach der Auswahl des für sie passenden Pakets werden Sie auf der Login-Seite gebeten sich einzuloggen bzw. sich zu registrieren. Um sich zu registrieren öffnen sie bestenfalls das Registrierungsformular in einem neuen Fenster durch einen Rechtsklick auf *registration+ und Link in einem neuen Fenster öffnen. Auf der folgenden Seite akzeptieren Sie die Nutzungsbedingungen ( I Agree to these terms ). Danach folgen notwendige (mit * markierte) Registrierungsangaben, darunter fallen: Registrierungsinformationen ( Registration Information ) Ein (noch nicht vergebener) Nutzername, der nicht identisch mit dem realen Namen sein muss, aber durchaus sein darf -Adresse (keine falsche Angabe!) Persönliches Passwort Eine Sicherheitsabfrage (das Abschreiben einer Wort-Buchstabenkombination aus einer Grafik um automatisierte Registrierungen zu verhindern) Profilinformationen ( Profile Information ) Vollständiger Name Beschäftigungsort Ort (Stadt, Bundesland, Land) Telefonnummer

5 Weitere Angaben unter Products of interest, sowie Subscription center sind optional und haben keinen Einfluss auf die Programmfunktionen. Wer allerdings Interesse an Informationen zu Veränderungen und Neuerungen innerhalb des Programmes hat, kann dort Newsletter abonnieren. Nachdem Sie alle Einstellungen vorgenommen haben schicken Sie die Anmeldung mit einem Klick auf Submit am unteren Ende der Seite ab. Wenn Sie die Registrierungsseite wie empfohlen in einem neuen Fenster geöffnet haben, können Sie dieses jetzt schließen und das ursprüngliche Login-Seite wieder hervorholen. Achtung: Sollten Sie die Registrierung nicht in einem neuen Fenster gemacht haben, müssen Sie nochmals die Chemaxon-Seite aufrufen und sich zum Download wie weiter vorne beschrieben durchklicken um zum Login-Fenster zu gelangen. Auf der Login-Seite tragen Sie nun den von Ihnen gewählten Nutzernamen und das gewählte Passwort ein und klicken anschließend auf Login. Der Download des ausgewählten Pakets sollte sofort starten (ansonsten klicken Sie auf den Link zur Installationsdatei (z.b. marvinbeans-5_2_04-windows_with_jre.exe) und speichern Sie diese an einem Ort, an dem Sie die Installationsdatei später wieder finden Das Beantragen und Erhalten eines freien Lizenzschlüssels Die Lizensierung für Lehrzwecke ist auf der Seite selbst leider etwas versteckt. Nach momentanem Stand ist sie am Besten über die Adresse zu erreichen. Sollte dieser Link durch zukünftige Änderungen an der Seitenstruktur ins Leere bzw. auf eine falsche Seite führen, kann die Seite alternativ auf der Startseite von Chemaxon über Contact us -> Conditions and application form for Academic Package and Academic Web Licenses erreicht werden. Auf der aufgerufenen Seite sind die Konditionen, zu denen das freie akademische Paket genutzt werden darf, aufgelistet. Schulische Zwecke gehören natürlich dazu! Nach einem Klick auf I have read and agree with these conditions müssen Sie wieder ein ein Formular ausfüllen. Notwendige Angaben sind wie bei der Registrierung mit einem Sternchen (*) markiert. Wichtig ist vor allem die englische Beschreibung des Tätigkeitsfeldes für das sie Marvin Beans nutzen wollen. Eine Angabe zur Nutzung in Schulklassen sollte dabei ausreichen. Es sollte dabei ausreichen anzugeben, dass man das Programm für den Unterricht bzw. die Unterrichtsvorbereitung in einer Schule verwenden möchte. Beispieltext: I m using Marvin Beans for educational purposes in school, like visualization of molecules in 2D/3D in class. Furthermore I m using it to create molecules for handouts, tests, etc. while preparing for the next lessons.

6 Nach dem Absenden der Anfrage wird diese in der Regel innerhalb von 1-2 Tagen akzeptiert und man bekommt im Forum von Chemaxon (www.chemaxon.com/forum) Zugriff auf den Forenteil Academic Package users area (weit unten im Forum) unter Academic Package Nach einem Klick auf Academic Packages users area erreichen Sie die Übersicht der dort aufgemachten Threads. Der oberste der Threads beinhaltet den benötigten Lizenzschlüssel ( license.cxl ) Den Schlüssel selbst können Sie durch einen Klick auf licence.cxl im unteren Bereich des Threads herunterladen Die Installation von Marvin Beans Durch einen Doppelklick auf die heruntergeladene Datei startet der mehrschrittige Installationsprozess (Setup). Nach einem Klick auf Next müssen Sie der Reihenfolge nach:

7 die Lizenzbedingungen akzeptieren ein Installationsverzeichnis auswählen (ein Standardverzeichnis ist bereits angegeben, kann allerdings beliebig verändert werden) Auswählen ob sie Verknüpfungen im Startmenü wollen und ob sie für alle Benutzer (falls vorhanden) angelegt werden sollen Festlegen welche Dateiformate mit Marvin Beans verknüpft werden, damit diese nach einem Doppelklick darauf sofort damit geöffnet werden. In der Regel können Sie die Standardeinstellungen behalten Auswählen ob sie Shortcuts (Verknüpfungen) auf dem Desktop wollen Nachdem alle Schritte durchgeführt und jeweils bestätigt wurden, startet die Installation Die Lizensierung von Marvin Beans Nach der Installation ist für die volle Funktionsfähigkeit des Programms noch das Hinzufügen des Lizenzschlüssels über den ChemAxon License Manager nötig. Der License Manager befindet sich unter Start (Windowssymbol) -> Startmenü -> Chemaxon -> Marvin Beans Dort wählen Sie über Browse die license.cxl aus und klicken anschließend auf Install. Danach bekommen Sie eine Übersicht über die installierten Lizenzen, die in etwa so aussieht:

8 Damit ist die Lizensierung bereits abgeschlossen und das Programm in vollem Umfang nutzbar. Den Lizenzmanager können Sie jetzt wieder schließen Was für Probleme auftreten könnten und wie Sie sie lösen Problembeschreibung Marvin Beans Inhalte in Word können nicht verändert werden Marvin Beans erlaubt es erstellte Inhalte durch Copy&Paste in Microsoft Word so einzufügen, dass sie immer noch veränderbar sind und nicht nur ein starres Bild darstellen. Es kann allerdings vorkommen, dass Sie beim Versuch eine eingefügte Struktur zu verändern folgende Fehlermeldung erhalten: Error occured while initializing in place frame. Unable initialize java helper. Java home does not exist! Dieser Fehler basiert auf einer nicht vorhandenen Verknüpfung mit dem Java Verzeichnis innerhalb der Einstellungen von Windows. Problemlösung Gehen Sie auf Start -> Einstellungen -> Systemsteuerung und im neuen Fenster auf System -> Erweiterte Systemeinstellungen. Sie öffnen damit ein Fenster Erweiterte Systemeigenschaften, dort klicken Sie auf Umgebungsvariablen und fügen im unteren Feld Systemvariablen einen neuen Eintrag mit folgenden Werten hinzu: Name der Variablen: java_home Wert der Variablen: Ihr Java Verzeichnis (z.b. C:\Program Files (x86)\java\jre6). Sie müssen natürlich ihr individuelles Java- Verzeichnis finden, das können Sie z.b. über die Suche (Start -> Suchen), indem sie dort Java eingeben.

9 2. Überblick über die Programmoberfläche von MarvinSketch und das Zeichnen einfacher chemischer Strukturen 2.1 Was Sie in diesem Kapitel lernen Den Aufbau der Programmoberfläche von MarvinSketch und die wichtigsten Werkzeuge zum Erstellen von chemischen Strukturen Das schnelle und einfache Zeichnen chemischer Strukturen (und Korrektur von Fehlern) o Die Nutzung der (automatischen) Korrektur der Bindungslängen und Winkel o Das Arbeiten mit vorgefertigten Templates o Die Veränderungen an der Struktur durch Ladungen o Das Drehen, Wenden und Spiegeln ganzer Strukturen o Die Erstellung von Reaktionen o Das Einfügen von Texten Grundlegende Darstellungsveränderungen (Implizite, explizite Wasserstoffdarstellung) 2.2 Anleitung Die Programmoberfläche und die (wichtigsten Werkzeuge) Nach dem Start von MarvinSketch erscheint die relativ schlicht und übersichtlich gehaltene Programmoberfläche, wie sie in der nachfolgenden Abbildung zu sehen ist. Die farblichen Markierungen sind nachträglich zur besseren Verdeutlichung hinzugefügt worden und sind im Originalprogramm nicht vorhanden.

10 Die große weiße Fläche ist die Arbeitsfläche auf der chemische Strukturen erstellt, verändert, gedreht uvm. werden können. Um die Arbeitsfläche herum reihen sich verschiedene Werkzeugleisten, die jeweils eine eigene Farbe bekommen haben. Ausgenommen ist hier die Menüleiste (File, Edit, usw.) deren Funktionen spezifisch an geeigneten Stellen erörtert werden. Rot (links) Blau (rechts) Gelb (unten) Grün (oben) Zeichenwerkzeug-Leiste Atome-Leiste Template-Leiste (Allgemeine) Werkzeuge-Leiste Beschreibung der Einzelwerkzeuge der Zeichenwerkzeug-Leiste Viele verschiedene Bindungen, Auswahl erfolgt durch den Klick auf den Pfeil rechts daneben Werkzeug zum Malen von Kohlenwasserstoffketten beliebiger Länge Textwerkezug Viele verschiedene Reaktionspfeile, die Besonderheit an MarvinSketch ist, dass es nach dem Zeichnen eines Reaktionspfeiles automatisch alle Strukturen vor dem Pfeil als Edukte deklariert und sie mit jeweils einem + verbindet, sowie alle Strukturen hinter dem Pfeil als Produkte und sie ebenfalls mit einem + verbindet. Alles auf dem Pfeil wird als Agens gesehen. Gruppenwerkzeug, z.b. für Markierung die Markierung sich wiederholende Einheiten in Polymeren uvm. Eckige, runde, geschweifte und spitze Klammern Zeichenwerkzeuge für Kästen, Linien und einige Grafik-Pfeile, im Gegensatz zu den Reaktionspfeilen setzen diese keine Produkt/Edukt Beziehung und Ergänzen + zwischen Edukten und Produkten

11 Erhöhung der Oxidationsstufe eines Atoms/Ions Erniedrigung der Oxidationsstufe eines Atoms/Ions Beschreibung der Einzelwerkzeuge der Atome-Leiste : Ruft das Periodensystem auf Wählt das abgebildete Atom aus (in diesem Fall Wasserstoff) Beschreibung der Einzelwerkzeuge der Allgemeine Werkzeuge-Leiste : Auswahlwerkzeug zur Auswahl von Zeichenelementen auf der Arbeitsoberfläche. Es besteht die Möglichkeit per Rechteck (Rectangle) oder Lasso (freihändige Auswahl zeichnen) eine Markierung vorzunehmen. Außerdem kann eine komplette Struktur mit allen verbundenen Atomen über das Structure-Selection Werkzeug ausgewählt werden. Löscht eine Auswahl Macht die letzte Aktion rückgängig ( Zurück ) Stellt die rückgängig gemachte Aktion wieder her ( Vorwärts ) Schneidet eine Auswahl aus (und speichert sie in der Zwischenablage, geht nur mit einer Struktur auf einmal, mehrmaliges Ausschneiden hintereinander überschreibt die jeweils vorherige Struktur aus der Zwischenablage) Kopiert die Auswahl in die Zwischenablage (lässt das Original aber stehen) Fügt eine kopierte/ausgeschnittene Struktur wieder ein. Die Struktur klebt dann am Mauszeiger bis sie per Linksklick abgelegt wird Vergrößert die Ansicht Verkleinert die Ansicht An dieser Stelle sei angemerkt, dass jedes ausgewählte Werkzeug, Atom, Template, etc. durch die ESC-Taste aufgehoben werden kann! Das schnelle und einfache Zeichnen chemischer Strukturen (und Korrektur von Fehlern) Da es einfacher und eingänglicher ist die Vorgehensweise an einem konkreten Beispiel darzustellen, wird nachfolgend die Synthese von Acetylsalicylsäure aus den Komponenten Salicylsäure und Essigsäureanhydrid unter Säurezugabe benutzt um wichtige Schritte innerhalb MarvinSketchs zu erläutern.

12 Die Erstellung des ersten Teils der Synthese wird ausführlich erklärt. Der zweite Teil, in dem sich die erklärten Vorgänge größtenteils wiederholen, wird dann zu einer der Übungsaufgaben am Schluss gehören. 5 Die Synthese, wie sie am Ende (in etwa) aussehen soll: Zunächst muss ein Essigsäureanhydridmolekül und ein Salicylsäuremolekül gezeichnet werden: Essigsäureanhydrid CH 3 CH 3 O O O 5 Der Reaktionsmechanismus ist der Vorlage auf nachempfunden.

13 Salicylsäure OH COOH Die einfachste Methode zum Zeichnen ganzer Moleküle besteht darin das gesamte Gerüst zunächst einmal als Kohlenwasserstoffgerüst aufzuzeichnen und hinterher die notwendigen Ersetzungen an Atomen im Gerüst vorzunehmen. Dazu wählen Sie das Werkzeug zum Malen von Kohlenwasserstoffketten und ziehen unter gedrückter linker Maustaste die Grundkette mit 5 Kohlenstoffatomen und lassen anschließend los. Das geht natürlich in jede Richtung, in diesem Fall von links nach rechts. Am ersten Zwischenprodukt erkennen Sie bereits eine Besonderheit bei MarvinSketch. Es ist chemically aware 6, d.h. es ergänzt automatisch jedes gezeichnete Atom mit der passenden Mengen Wasserstoffatome um einen Ladungsausgleich ( Oktett ) zu erreichen. Eine weitere Eigenschaft ist, dass standardmäßig nur terminale (also endständige) Wasserstoffatome angezeigt werden. Außerdem werden Wasserstoffatome nicht mit einer eigenen Bindung angezeigt, sondern wie in diesem Fall als CH 3 Gruppe. Beide Einstellungen können beliebig verändert werden, die Details dazu werden allerdings erst später erläutert. Nun fehlen noch die beiden Methylgruppen am C2 und C4-Atom der Kette. Dazu arbeiten Sie erneut mit dem Werkzeug für Kohlenwasserstoffketten. Bestenfalls ist es noch vom letzten Schritt ausgewählt. Sie fahren mit dem Mauszeiger über das Atom, von dem eine Verknüpfung ausgehen soll und drücken die linke Maustaste und halten sie gedrückt. Solange Sie den Mauszeiger gedrückt halten erscheint ein lila farbener Kreis um das Atom von dem die neue Verknüpfung ausgeht. Von dort aus können Sie eine neue Kette ziehen, die allerdings in diesem Fall nach einer CH 3 -Gruppe bereits endet. Analog verfahren Sie bei der zweiten CH 3 -Gruppe. Das Ergebnis sieht schon beinahe aus wie das gewünscht Anhydrid, Sie müssen nur noch 3 CH x - Gruppen durch Sauerstoff-Atome austauschen und 2 Doppelbindungen erstellen. 6

14 Das geht denkbar einfach: Entweder Sie wählen das Sauerstoff-Atom über die Atome-Leiste rechts aus oder Sie drücken schlicht und einfach die O-Taste (nicht die Null, sondern den Buchstaben) auf der Tastatur. Danach klebt am Mauszeiger ein O-Atom, das Sie an jede beliebige Stelle in dem gezeichneten Molekül einsetzen können. Das vorhergehende Atom wird durch das O-Atom ersetzt. Achtung: Wenn sie während der Auswahl eines neuen Atoms über die Tastatur den Mauszeiger über einem anderen Atom liegen haben, dann wird dieses automatisch ersetzt. Das ist zwar praktisch, kann aber auch in manchen Situationen zu Überraschungen führen. Das Sauerstoff-Atom ersetzt demnach das C1, C3 und C5 Atom. Es wird Ihnen aufgefallen sein, dass Marvin Sketch hier wieder chemically aware die fehlenden Wasserstoffatome am Sauerstoff ersetzt hat um die Oktettregel zu wahren. Da die beiden terminalen Sauerstoffe allerdings mit einer Doppelbindung am C-Atom verbunden sind müssen die beiden Bindungen im letzten Schritt verändert werden. Die Bindungen ändern Sie einfach durch einen Klick auf die selbige. MarvinSketch verändert dann schrittweise die Bindung von Einfachbindung über Doppelbindung bis zur Dreifachbindung. Ein Klick auf jede der Bindungen reicht also um das Essigsäureanhydrid fertig zu stellen. Alternative: Sie können natürlich auch die Bindung direkt über das Bindungssymbol in der Werkzeugleiste auswählen und die ursprüngliche Bindung ersetzen Wie Sie anhand der Bilder sehen können, wird beim über fahren der Bindung mit dem Mauszeiger die zu verändernde Bindung zwischen zwei blauen Halbkreisen angezeigt. Sollte das erstellte Molekül durch eine falsche Bewegung oder einen falschen Klick etwas verzerrt sein dann ist das kein Beinbruch, denn Marvin Beans kann das von alleine unter Beachtung der richtigen Bindungslänge und Winkel in die passende Form bringen, dazu genügt ein Klick auf

15 Structure -> Clean 2D -> Clean in 2D im oberen Menübereich. Wenn Sie dabei keine Auswahl getroffen wird, werden ALLE Strukturen im Arbeitsbereich in die passende Form gebracht und (leider) komplett anders angeordnet. Um das zu vermeiden sollten Sie die anzupassende Struktur vorher markieren. Die Erstellung der Salicylsäure verläuft natürlich nach einem sehr ähnlichen Prinzip, allerdings können Sie sich hierbei mit den Templates einiges an Arbeit ersparen. Der längere Weg wäre wie zuvor erklärt das manuelle Zeichnen der kompletten Kohlenstoffkette des Benzolrings samt der Anhänge oder Sie suchen sich den Benzolring in der Template-Leiste am unteren Rand des Fensters, wählen diesen mit einem Klick aus und legen ihn auf der Arbeitsoberfläche mit einem weiteren Klick ab. Auswahl des Templates für den Benzol-Ring (Klebt am Mauszeiger) Absetzen des Benzonrings auf der Arbeitsoberfläche Auswahl eines O-Atoms (aus dem PSE oder durch Taste O) Auswahl des Verknüpfungspunktes für die neue OH-Gruppe Angeknüpfte OH-Gruppe und Auswahl eines C-Atoms (aus dem PSE oder durch Taste C) Angeknüpfte CH 3 -Gruppe Anknüpfen einer neuen OH-Gruppe an die CH 3 -Gruppe. Ein H-Atom wird dabei ersetzt! Anknüpfen der zweiten OH-Gruppe an die CH 2 -OH Gruppe. Ein H-Atom wird dabei ersetzt! Doppelbindung zwischen einem O-Atom und dem C-Atom durch Klick auf die Bindung erstellt Die erstellte Salicylsäure ist so fertig und richtig, allerdings ist es für die Reaktionsdarstellung sinnvoller an der Hydroxygruppe den Wasserstoff mit einer eigenen Bindung zum Sauerstoff darzustellen. Dazu wählen Sie einfach ein Wasserstoffatom aus ziehen es wie gewohnt vom Sauerstoff weg. Dadurch wird das in der OH-Gruppe angezeigte Wasserstoffatom durch ein Wasserstoffatom mit einer eigenen Bindung angezeigt. Eine weitere mögliche Änderung wäre z.b. die Abkürzung von für die Reaktion an sich unwichtigen Gruppen (chemisch natürlich wichtig, allerdings nicht direkt an der Bindungsbildung beteiligt) abzukürzen, da es auf Dauer bei größeren Reaktionsmechanismen lästig und unübersichtlich wird

16 große Gruppen (z.b. die für die Reaktion an sich unwichtige COOH-Gruppe oder auch die gesamte Benzoesäure) voll ausgeschrieben darzustellen. MarvinSketch bietet dafür die Möglichkeit zum einen eine riesige Auswahl an geläufigen Namen für größere Gruppen direkt einzufügen und zum anderen die Möglichkeit einen Rest R einzufügen und anschließend genau zu definieren. Sie könnten so z.b. die ausgeschriebene(!) Strukturformel der COOH-Gruppe durch die Gruppenformel COOH ersetzen. Dazu löschen Sie zunächst die bereits vorhandene Gruppe, indem Sie diese mit dem Rechteck- oder Lasso-Auswahlwerkzeug auswählen und anschließend entweder auf den Radierer in der Allgemeine Werkzeug-Leiste klicken oder auf ENTF auf der Tastatur drücken anschließend geben Sie einfach über die Tastatur den Gruppennamen der gewünschten Gruppe ein, in diesem Fall COOH (Das kann auch alles klein geschrieben werden!), mit jedem eingegebenen Buchstaben werden im linken oberen Bereich der Arbeitsoberfläche bereits passende Vorschläge zur bisher eingegebenen Buchstabenkombination gegeben um einen Überblick über vorhandene Muster zu geben. Diese Vorschlagsmuster sind in der oberen Abbildung aus Platzgründen nur stark gekürzt wiedergegeben. Anschließend fügen Sie die gewählte Gruppe wie jedes andere Atom an eines der bereits vorhandenen C-Atome, indem Sie es davon wegziehen. Wenn Sie nun allerdings eine größere Gruppe wie die Benzoesäure abkürzen möchten, so ist das über dieses System schlecht möglich, da es dafür keine geläufige Abkürzung gibt. In diesem Fall greifen Sie auf die ebenfalls erwähnte Möglichkeit ganze Gruppen mit R 1 bis R x abkürzen zu können zurück. Diese Möglichkeit findet man häufig in der Literatur bei größeren Reaktionsmechanismen um Platz zu sparen und Übersichtlichkeit zu gewähren. Dazu müssen Sie an der vorhandenen Salicylsäure zunächst den zu ersetzenden Teil löschen. Er wird also bestenfalls mit dem Lasso-Auswahlwerkzeug markiert und entfernt übrig bleibt Wasser, da Marvin Sketch wieder fehlende Atome mit Wasserstoff auffüllt. Nun können Sie durch Eintippen von R1 den Rest R1 am Mauszeiger erstellen und wie ein normales Atom anfügen, Genau so wie Sie es mit der COOH-Gruppe zuvor auch gemacht haben.

17 R1 muss natürlich auch definiert werden, dazu benötigen wir wieder die Benzoesäure von vorher. Leider haben Sie diese vermutlich genau wie beschrieben gelöscht, aber das macht nichts, denn somit haben Sie gleich die Chance das Zeichnen noch einmal zu üben. Erstellen sie also noch einmal die Benzoesäure irgendwo auf der Arbeitsoberfläche. Mittlerweile sollten Sie bereits genug Erfahrung haben die gelöschte Struktur schnell wieder herzustellen. Markieren Sie die erstellte Benzoesäure und klicken anschließend in der Zeichenwerkzeugleiste das Gruppenwerkzeug ( ). Alternativ können Sie auch einen Rechtsklick auf eines der Atome in der markierten Benzoesäure machen und im Kontextmenü Group wählen oder Strg G drücken dadurch öffnet sich das Create Group Fenster (Abbildung ), in dem Sie bei Type R-Group auswählen und bei R#-Number die entsprechende Rx, die Sie verteilt haben. In diesem Beispiel ist das R1. Das Create Group Menü Perfektionisten können auch noch mit einem Sternchen (*) definieren an welcher Stelle die R-Gruppe anhängt, indem sie auf das entsprechende Atom einen Rechtsklick machen und im Kontextmenü (Abbildung ) Attachment Point auswählen. Kontextmenü eines Atoms

18 Nachdem Sie nun beide Edukte erstellt haben, geht es an die Darstellung der eigentlichen mehrstufigen Reaktion: 1. Säurekatalysierte (H + ) Protonierung des Essigsäureanhydrids 2. Nukleophiler Angriff der Hydroxygruppe am Carbokation des (protonierten) Essigsäureanhydrids 3. Abspaltung eines Essigsäuremoleküls 4. Abspaltung eines Protons (H + ) Der erste Schritt erfordert noch die Erstellung eines H + -Atoms, dazu wählen Sieaus der PSE-Leiste (oder durch Drücken auf H) ein Proton aus und legen es auf der Arbeitsoberfläche ab. MarvinSketch macht hier eine Ausnahme und ergänzt nicht automatisch das zweite H-Atom um die Oktettregel zu erhalten, sondern erstellt sofort ein H +. Bisher sollte Sie aus den vorhergehenden Schritten also folgendes auf der Arbeitsoberfläche liegenhaben: (Es kann auch je nach eigenem Willen die Benzoesäure als Rest angelegt sein wie im vorherigen Schritt erklärt. Für die weiteren Schritte ist das aber unerheblich) Für den ersten Reaktionsschritt benötigen Sie die Salicylsäure nicht, daher sollten Sie zunächst in den oberen Arbeitsbereich das Proton und das Essigsäureanhydrid nebeneinander schieben und die Salicylsäure unterhalb unterbringen, wo sie nicht im Weg steht. Um Strukturen zu verschieben, müssen Sie diese markieren und anschließend mit dem Mauszeiger ungefähr in die Mitte fahren. Dann erscheint ein blaues Quadrat. Wenn Sie sich in diesem Bereich befinden können Sie solange sie die linke Maustaste drücken die Struktur verschieben. Wenn Sie nur den Teil einer miteinander verbundenen Struktur verschieben, dann bleiben die nicht markierten Atome an ihrer Stelle und die Bindung zu anderen Atomen wird in die Länge gezogen.

19 Um das Objekt zu drehen bewegen Sie den Mauszeiger in den Bereich etwas weiter außerhalb der Mitte bis das Zahnrad erscheint. Wenn Sie sich in diesem Bereich befinden können Sie solange sie die linke Maustaste gedrückt halten die Struktur frei drehen. Nachdem nun das Proton und das Essigsäureanhydrid wie in einer Reaktion üblich nebeneinander stehen könnten Sie im Normalfall über die Zeichenwerkzeugleiste einen passenden Reaktionspfeil auswählen. Da MarvinSketch allerdings noch alle Strukturen vor und nach dem Reaktionspfeil durch ein + automatisch miteinander verbindet ist das in diesem Fall der falsche Weg, da die Reaktion mehrschrittig ist und auch die untereinander stehenden Strukturen automatisch ein + dazu bekämen. Außerdem können Sie im Programm bisweilen nur einen Reaktionspfeil malen. Chemaxon arbeitet bereits daran dieses Problem zu beheben. 7 Bis zur Lösung müssen Sie sich mit den anfangs erwähnten grafischen Pfeilen behelfen, die Sie unter diesem Button finden und die nötigen + über das Textwerkzeug selbst ergänzen. Die Pfeile werden wie z.b. aus Microsoft Word gewohnt durch Ziehen bei gedrückter linker Maustaste erstellt. Das Ergebnis mit zwei Pfeilen sollte dann in etwa so aussehen: Anmerkung: Der Gleichgewichtspfeil entspricht auf diese Weise leider nicht der Norm, allerdings ist das wie bereits erwähnt nur eine Übergangslösung Da als Produkt das Essigsäureanhydrid (in protonierter Form) erneut gebraucht wird ist der einfachste Weg dieses zu markieren, zu kopieren und auf der rechten Seite wieder einzufügen um anschließend das Wasserstoffatom anzuhängen. Um zu kopieren markieren Sie das Objekt und Klicken entweder auf den Button ( allgemeinen Werkzeugleiste oder auf der Tastatur Strg C. Durch das Klicken auf den ) in der danebenliegenden Button oder durch Strg V wird die kopierte Struktur auf den Mauszeiger geklebt, so dass Sie diese an einer beliebigen Position mit einem Klick ablegen können. Anmerkung: Strg C und Strg V sind häufig verwendete Shortcuts, die in vielen Anwendungen zum Kopieren und Einfügen funktionieren. Um es sich zu merken, kann man sich für Strg C Copy merken. Bei Strg V dagegen eine Art Spitze einer Klebertube oder einfach dadurch, dass diese Taste direkt neben dem C zum Kopieren liegt. An eines der (terminalen) Sauerstoffatome des eingefügten Essigsäureanhydrids fügen Sie nun ein Wasserstoffatom an. MarvinSketch wird danach sofort mit einem roten Strich anmerken, dass hier ein Verstoß gegen die Oktettregel vorliegt, es aber nicht automatisch korrigieren ( chemical awareness ). 7 (Stand: )

20 Sie müssen also zunächst die Doppelbindung mit einem Klick darauf zu einer Einfachbindung machen. Die Programmroutine von MarvinSketch setzt daraufhin an das C 1 -Atom zu dem zuvor die Doppelbindung ging ein Wasserstoffatom zum Ladungsausgleich. Dieses Wasserstoffatom wird bei den Standardeinstellungen zwar nicht angezeigt, ist aber vorhanden! Um also ein Carbokation zu erhalten muss das C-Atom eine positive Ladung erhalten, dadurch wird automatisch auch der (unsichtbare) Wasserstoff entfernt. Dazu wählten Sie in der Zeichenwerkzeug-Leiste den Button aus oder drücken alternativ auf der Tastatur + und klicken einmal auf das betreffende C- Atom. (Analog können Sie auch mit dem - verfahren, wenn die Oxidationszahl eines Atoms erniedrigen wollen) Eine alternative Methode zum Einfügen des Wasserstoffs ist sich die chemical awareness von MarvinSketch in diesem Fall zu Nutze zu machen, indem Sie die Doppelbindung zu einer Einfachbindung umwandeln, indem Sie entweder so oft darauf klicken bis Sie die Einfachbindung erhalten oder über das Bindungswerkzeug ( ) die Einfachbindung direkt wählen und sie einfügen. Da wie schon oft erwähnt MarvinSketch bei fehlenden Atomen automatisch mit Wasserstoff ergänzt um die Oktettregel zu erhalten wird der Wasserstoff automatisch ergänzt. Natürlich klappt das nur mit Wasserstoff und ist daher nur in so einem Fall eine gute Alternative. Das Ergebnis sollte nun der erste Reaktionsschritt der Synthese der Acetylsalicylsäure sein. Für den nachfolgenden Reaktionsschritt (der nukleophile Angriff) benötigen Sie die Salicylsäure und das Carbokation aus dem ersten Schritt. Diese werden in der nächsten Zeile angeordnet. Zur besseren Übersicht ist es nun notwendig das Carbokation so zu drehen, dass die Angriffsstelle zur Hydroxygruppe der Salicylsäure gerichtet ist. Dafür markieren Sie das Carbokation und drehen es über die bereits bekannte Drehfunktion ( Zahnrad ) um 90 (). Anschließend spiegeln Sie es über Edit -> Transform -> Mirror horizontally bzw. mirror vertically. ().

21 Achtung: Ob sie horizontal oder vertikal spiegeln müssen hängt in diesem Fall davon ab, ob sie die Verbindung vorher nach rechts oder nach links um 90 gedreht haben. Horizontales Spiegeln bzw. Wenden/Drehen wird dabei an einer gedachten vertikalen Achse durchgeführt. Vertikales Spiegeln bzw. Wenden/Drehen dagegen an einer gedachten horizontalen Achse. MarvinSketch bietet einseits das Spiegeln (Mirror) an, andererseits das Wenden/Drehen (Flip) einer Verbindung. Der Unterschied besteht darin, dass Flip das Stereozentrum falls vorhanden behält, während das Spiegeln das Stereozentrum invertiert. Um zu verdeutlichen wo der Angriff stattfindet ist es nicht unüblich einen (gekrümmten) Pfeil vom Nukleophil zum Elektrophil zu zeichnen. Das lässt sich durch das Zeichenwerkzeug für Kästen, Pfeile, etc. leicht erledigen ( ). Hierzu wählen Sie das Polyline-Werkzeug und malen eine einfache gerade Linie zwischen Nukleophil und Elektrophil. Nach der Abwahl markieren Sie mit dem Polyline- Werkzeugs (ESC) die gezeichnete Linie und ziehen am mittleren Kreis mit gedrückter Maustaste in die Biegerichtung. Um den Pfeil zu komplettieren müssen Sie nun noch mit dem normalen Linienwerkzeug, das ebenfalls unter ( ) zu finden ist die Pfeilspitze anzeichnen. Nun fehlt noch die Beschriftung nukleophiler Angriff unterhalb der Edukte. Diese fügen Sie über das Textwerkzeug ( ) hinzu. Durch einen Klick auf die Arbeitsoberfläche mit diesem Werkzeug wird ein Textfeld erzeugt, in das Sie reinschreiben können. Im unteren Bereich des Programmes befinden sich weitere Formatierungsmöglichkeiten wie Schriftgröße, Schriftart, kursiv, etc.

22 Auf die Seite der Produkte können Sie die beiden Elemente der Edukte kopieren und anschließend mit Hilfe des Bindungswerkzeuges ( ) an der richtigen Stelle miteinander indem Sie die Bindung vom einen Atom zum anderen ziehen. Die Ladungen müssen Sie anschließend ebenfalls über die bekannten Schritte anpassen. Es kann durchaus sein, dass an dieser Stelle einige kosmetische Schritte notwendig werden um Bindungslängen zu korrigieren oder die Übersichtlichkeit zu wahren. Das können SIe einerseits über die 2D-Bereinigung (Structure -> Clean in 2D) erledigen oder manuell durch das Verschieben markierter Teile der Verbindung. Achtung: Die automatische Bereinigung ist manchmal wenig hilfreich, da es die Verbindungen dreht oder unübersichtliche Strukturen hervorbringt. Die manuelle Bereinigung kann unter diesen Umständen unter Vernachlässigung der absoluten Korrektheit der Bindungslängen und Winkel vorteilhafter sein. Um bestimmte für die Reaktion wichtige Gruppen zu verdeutlichen können Sie um diese mit MarvinSketch auch einen Kasten zeichnen. Dazu wählen Sie das Rectangle -Werkzeug aus ( ). Die Farbe der Linien lässt sich über einen Rechtsklick auf das gezeichnete Rechteck und Format im aufgegangen Kontextmenü jederzeit ändern. Übungsaufgaben zu Abschnitt 2.2.2: 1. Vervollständigen Sie die Darstellung der Acetylsalicylsäure nach folgendem Vorbild: 2. Ersetzen Sie die Benzoesäure in der Synthese durch einen Rest R 1, beispielsweise wie im nachfolgenden Bild des letzten Reaktionsschrittes:

23 2.2.3 Grundlegende Darstellungsveränderungen (Implizite, explizite Wasserstoffdarstellung) In diesem Kapitel wurde bereits erwähnt, dass Sie einige Einstellungen bezüglich der Darstellung innerhalb MarvinSketchs verändern können. Dies Darstellung bzw. auch Nicht-Darstellung von Wasserstoffatomen in den Strukturen ist durch mehrere Optionen leicht zu ändern. MarvinSketch unterscheidet dabei zwischen der Darstellung implizierter Wasserstoffatome und der Darstellung explizierter Wasserstoffatome. Ersteres beinhaltet die Darstellungsmöglichkeiten der Wasserstoffatome ohne eigene Bindung als Gruppen (z.b. CH 3 ). Die Möglichkeiten sind dabei (von links nach rechts) nur an Hetero-Atomen und terminalen Gruppen sichtbar, alle Wasserstoffatome sichtbar und alle Wasserstoffatome unsichtbar Diese Einstellung können Sie unter View -> Implicit Hydrogens verändern. Wichtig ist dabei, dass die hier vorgenommen Änderungen global sind, d.h. sie betreffen jede Verbindung auf der Arbeitsoberfläche von MarvinSketch und nicht nur eine markierte Verbindung. Zweiteres ist die Darstellung der Wasserstoffatome mit jeweils einer eigenen Bindung.

24 Diese Option ist für jede Struktur einzeln auswählbar, indem Sie sie vorher markieren. Sie befindet sich unter Structure -> Add -> Explicit hydrogens. Ebenso können Sie die hinzugefügten expliziten Wasserstoffatome jederzeit durch Structure -> Remove -> Explicit Hydrogens entfernt werden. Es ist Ihnen sicher schon aufgefallen, dass nur in seltenen Fällen die C-Atome als solche dargestellt werden. Auch diese Option ist änderbar. Sie können unter Edit -> Preferences -> Structure die Anzeige der carbon label ändern. Zur Verfügung stehen von links nach rechts: always, never und at straight angles and at implicit H atoms (Standard). Durch die Kombination der Darstellungen der Wasserstoffatome und der Kohlenstoffatome lassen sich viele verschiedener Darstellungen erreichen, hier einige Beispiele: Carbon Always on Always on Always on Always on Hydrogen Explicit Implicit Terminal Implicit all Off Übungsaufgabe zu Abschnitt Erreichen Sie durch Änderungen an der Darstellung der Wasserstoff-Atome und Kohlenstoff-Atome folgende Darstellungen einer Verbindung (Nicht alle gleichzeitig möglich, sondern oft nur nacheinander):

25 Lösung der Übungsaufgabe zu Abschnitt 2.2.3: Darstellungsformen: Carbon labels: always Implicit H: terminal Carbon labels: off Explicit H Carbon labels: terminal Implicit H: terminal Carbon labels: always Implicit H: on all Carbon labels: off Implicit H: off Carbon labels: always Implicit H: off

26 3. Die wichtigsten Werkzeuge ( Tools ) in Marvinsketch MarvinSketch beinhaltet einige gut ausgereifte Werkzeuge, mit denen die verschiedensten Berechnungen an gezeichneten Strukturen schnell und einfach durchgeführt werden können. Die Werkzeuge sind über Tools in der oberen Leiste verfügbar. Einige davon sind mehr oder weniger selbsterklärend, andere dagegen benötigen eine etwas detailliertere Erklärung 3.1 Was Sie in diesem Kapitel (kennen) lernen Die Errechnung verschiedener molekularer Eigenschaften aus der Struktur (Masse, Summenformel, prozentuale Massenzusammensetzung) Die Erstellung eines IUPAC konformen Namens bzw. falls vorhanden eines Trivialnamens (nach englischsprachigen IUPAC-Richtlinien) aus einer Struktur. Die Berechnung/Abschätzung von pka-werten und die Darstellung der prozentualen Abgabe von Protonen bei bestimmten ph-werten o Abschätzung der pka-werte einer Verbindung o Berechnung der am Häufigsten vorliegenden Spezies bei einem gegebenen ph- Wert o Berechnung der am Häufigsten vorliegenden Spezies bei einem gegebenen ph- Wert o Berechnung des isoelektrischen Punktes eines Zwitterions Berechnungen zur Lipophilie bzw. Hydrophilie einer Verbindung (Oktanol-Wasser- Verteilungskoeffizient) Berechnung des Ladungsverhältnisses innerhalb einer Verbindung auf Basis der Mulliken-Elektronegativitätsskala Automatische Erstellung verschiedener Isomere einer Verbindung o Diastereomere und Enantiomere o Tautomere o Konformationsisomere o Simulation der intramolekularen Bewegung, die zu Konformationsänderungen führt 3.2 Die Anleitung

27 3.2.1 Die Errechnung verschiedener molekularer Eigenschaften MarvinSketch bietet unter Tools -> Elemental Analysis die Möglichkeit einige Berechnungen an den auf der Arbeitsoberfläche liegenden Strukturen durchzuführen. Diese Berechnungen ersparen unter Umständen mehrere Minuten zählen von Atomen und (mühevolles) Ausrechnen mit dem Taschenrechner bzw. Nachschlagen in Büchern oder dem Internet. Nach dem Aufrufen der Elemental Analysis erscheint das folgende Fenster in dem Sie auswählen können, welche Berechnungen ( type ) durchgeführt werden sollen. Standardmäßig sind alle Berechnungen ausgewählt. Die Berechnungsdauer ist deswegen nicht wahrnehmbar länger, so dass es nur, wenn man unnötige Verwirrungen bzw. Daten verhindern möchte, nötig ist die unnötigen Berechnungen zu deselektieren. Mass Exact mass Formula Isotope formula Dot-disconnected formula Die Molekularmasse, die auf den durchschnittlichen Standardgewichten unter Berücksichtigung der prozentualen Isotopenzusammensetzung beruht. Diese Massenangabe wird geläufig angegeben Die exakte Masse, die auf den Massen der Elemente beruhen, die am häufigsten vorkommen. (Beispielsweise nur C 12 statt der Masse der prozentualen Zusammensetzung aller Isotope des Kohlenstoffs) Summenformel der Struktur. Kohlenstoffe und Wasserstoffe werden immer zuerst genannt, danach erfolgt die alphabetische Auflistung aller anderen Elemente. Bei fehlendem Kohlenstoff werden alle Elemente alphabetisch sortiert angegeben. Befinden sich in der Struktur verschiedene Isotope eines Elements, werden diese im Gegensatz zur normalen Summenformel hier in eckigen Klammern gesondert angegeben. Befinden sich mehrere voneinander getrennte Strukturen auf der Arbeitsoberfläche, so wird zwar standardmäßig eine gesamte Formel unter Formula errechnet (z.b. ergeben 2

28 Dot-disconnected isotope formula Composition Isotope Composition Atom Count CH 4 als Summenformel C2H8), allerdings werden in dieser Formel alle einzelnen Summenformeln mit einem Punkt voneinander getrennt (2 CH 4 ergibt CH4.CH4) Trennt Isotope mit einem Punkt von der restlichen Strukturformel Berechnet die prozentuale Massenzusammensetzung der Elemente einer Struktur Berechnet die prozentuale Massenzusammensetzung unter Berücksichtigung der verschiedenen Isotope in der Verbindung, so dass kein Massenanteil des jeweiligen Elements berechnet wird, sondern der Massenanteil der Isotope untereinander aufgeschlüsselt wird. Zählt die Anzahl der Atome in der Struktur Wie in der Tabelle erwähnt berechnet MarvinSketch standardmäßig ein Gesamtergebnis für alle auf der Arbeitsoberfläche befindlichen Strukturen, das ist z.b. sinnvoll, wenn man die Berechnung für ein Salz durchführen lässt und diese als Ionen auf der Arbeitsoberfläche liegen. Möglicherweise benötigen Sie aber die einzelnen Massen, daher können Sie durch das Einschalten der Option single fragment mode vor dem Bestätigen eine getrennte Auflistung erhalten. Die Berechnungen sehen am Beispiel der Salicylsäure wie folgt aus: Die automatische Benennung der Verbindungen Die automatische Benennung einer Struktur unter Tools -> Naming funktioniert bisher leider nur mit den englischsprachigen Abwandlungen der IUPAC-Nomenklatur. Diese sprachtypischen Unterschiede 8 sind leider unumgänglich und machen die Übertragung auf den Unterricht recht 8

29 schwer. Chemielehrer werden in der Regel kaum Probleme haben die kleinen Abwandlungen zu erkennen und in die deutsche Nomenklatur zu übertragen. Für einen Schüler könnten die Unterschiede und die damit einhergehende Übertragung eher Verwirrung stiften, statt zu helfen. So wird aus Natriumchlorid, z.b. Sodiumchlorid oder aus Oktan wird octane. MarvinSketch beherrscht neben der IUPAC Nomenklatur auch viele Trivialnamen, Sie können kann nach der Auswahl des Namensgenerators auswählen ob dieser einen IUPAC Namen generieren soll oder den Trivialnamen. Sollte für die Verbindung kein Trivialname in der Datenbank existieren, dann wird automatisch der IUPAC Name generiert. Wie auch bei dem Tool Elemental analysis können Sie auswählen, ob verschiedene Verbindungen als solche gehandhabt werden sollen und für jede ein eigener Name gesucht werden soll (single fragment mode an) oder ob ein Name aus mehreren Verbindungen erstellt werden soll (single fragment mode aus). Letzteres ist sinnvoll, wenn Sie z.b. ein Salz aus seinen Ionen aufgebaut auf der Arbeitsfläche liegen haben und es benannt werden soll. So werden z.b. Ca 2+ und SO 4 2- im single fragment mode beide einzeln für sich benannt und ohne single fragment mode als calcium sulfate Die Nomenklatur unterstützt nach momentanem Entwicklungsstand noch keine Verbindungen mit mehreren Radikalen Isotope Aminosäuren MarvinSketch kann zudem über Insert -> IUPAC Name unter eine markierte Verbindung den Namen einsetzen. Dieser Name verändert sich entsprechend den Veränderungen an der Verbindung

30 3.2.3 Die Berechnung/Abschätzung von pka-werten und die Darstellung der prozentualen Abgabe von Protonen bei bestimmten ph-werten Tools: Protonation -> pka MarvinSketch bietet die Möglichkeit den pka-wert einer bestimmten Struktur zu berechnen. Die Berechnung ist dabei allerdings nur als ein Anhaltspunkt zu betrachten, da sie oftmals vom experimentell ermittelten Wert geringfügig abweicht, die Tendenz ist aber in der Regel richtig. In der nachfolgenden Tabelle sind ein paar Beispiele verfügbar. Verbindung Errechneter Wert Experimenteller Wert 9 Essigsäure 4,54 4,75 Schwefelsäure -3,03-3 Iodwasserstoff Ammonium 8,86 9,25 Neben der Berechnung des pka-wertes erstellt MarvinSketch zudem eine grafische Darstellung der prozentualen (De)Protonierung einer Verbindung zwischen selber definierten ph-wert Grenzen. Nach der Auswahl über Tools -> Protonation pka erscheint das Auswahmenü in dem im Normalfall keine Einstellungen verändert werden müssen. Bei besonders schwachen Basen bzw. besonders starken Säuren sollte man allerdings den min basic pka und max basic pka -Wert verändern. Durch die Option show microspecies distribution können Sie einstellen, ob Sie die grafische Darstellung der prozentualen (De)Protonierung einer Verbindung erhalten möchten oder nur den reinen pka-wert. Sollten Sie den Graphen berechnen lassen, haben Sie außerdem die Wahl innerhalb welcher ph-grenzen sich dieser befinden soll und wie viele Rechenzwischenschritte eingefügt werden sollen. 9

31 Das Ergebnis einer kompletten Berechnung samt microspecies distribution schaut am Beispiel der Essigsäure so aus: Auf der linken oberen Seite befindet sich die berechnete Struktur samt pka-wert. Darunter die tabellarische Auflistung der prozentualen Protonierung bzw. Deprotonierung bei jeweils einem ph- Wert pro Zeile. Rechts daneben werden die Werte in zwei Graphen dargestellt. Ein Graph (in diesem Fall Orange) stellt die Reaktion CH 3 -COOH -> CH 3 -COO - + H + dar, der andere Graph die Rückreaktion in Abhängigkeit des ph-wertes. Tools: Protonation -> Major Microspecies Das Tool Major Microspecies erlaubt es für eine gezeichnete Struktur die Form zu berechnen, die bei einem bestimmten ph-wert mit größerem Anteil vorkommt (>50%). Ob eine Verbindung in der protonierten Form oder der deprotonierten Form vorkommt kann natürlich auch aus den errechneten pka-wert und dem Graphen des vorhergehenden Tools direkt abgelesen werden. Die Major Microspecies sind aber allenfalls eine gute Ergänzung, wenn man nur schnell erfahren will, wie die gezeichnete Verbindung bei einem bestimmten ph-wert verhält ohne zu viele Details zu erhalten.

32 Beispielsweise erhält man für die ph-werte 4,54 und 4,55 bei der Essigsäure einmal die protonierte Form und einmal die deprotonierte Form. Überhalb von einem ph-wert von 4,55 liegt also laut MarvinSketch über 50% das Azetat vor, unterhalb von 4,54 zu über 50% die Essigsäure. also 4.55 statt 4,55. Wichtig ist bei der Eingabe des ph- Wertes keine Kommas zu verwenden, sondern einen Punkt, Tools: Protonation -> Isoelectric Point Bei Zwitterionen mit mehr als einer funktionellen Gruppe, die sowohl positiv als auch negativ geladen sein können, gibt es einen bestimmten ph-wert, an dem gleich viele funktionelle Gruppen protoniert und deprotoniert sind. Die Verbindung ist dann elektrisch neutral. Häufig ist dies bei Aminosäuren anzutreffen. MarvinSketch kann von diesen Zwitterionen den isoelektrischen Punkt über Tools -> Protonation -> Isoelectric Point berechnen und ebenso wie beim pka-wert einerseits als Wert, andererseits als Graph ausgeben. Auch hier gilt, dass die berechneten Werte nicht immer exakt mit den experimentell ermittelten Werten übereinstimmen müssen, aber in der Regel recht nah heran kommen. Verbindung Errechneter Wert Experimenteller Wert 10 Alanin 5,98 6 Glycin 5,78 6,06 Lysin 10,37 9,74 Serin 5,69 5,68 10

33 In der nachfolgenden Grafik ist die Berechnung des isoelektrischen Punktes am Beispiel von Alanin aufgeführt. Übungsaufgaben zu Abschnit Ermitteln Sie den pka-wert des korrespondierenden Säure-Base Paares H 2 CO 3 /HCO 3-2. Berechnen Sie den isoelektrischen Punkt von Cystein Lösung der Übungsaufgaben zu Abschnitt Den Wert ermitteln Sie beispielsweise über Tools -> Protonation -> pka. Bei der Darstellung des pka-wertes der Kohlensäure werden für beide Protonabgaben die entsprechenden pka-werte ermittelt. Natürlich ist die Abgabe des ersten Protons die leichtere und geschieht daher beim niedrigeren pka-wert, also 6, Über Tools -> Protonation -> Isoelectric Point erhalten Sie als Ergebnis 5,67

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