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Internet -> WWW -> Chemie(unterricht)

III. Darstellung von (Molekül)-Strukturen

Inhalt

Einleitung
1. Datenquellen
2. Datenformate
3. Umsetzung in Grafikprimitive (VRML)
4. Chemiespezifische Darstellungsprogramme
5. Beispiele

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Einleitung: Molekül- und Strukturdarstellungen

statisch (Bücher, Dias) --> gif, jpg
bewegt (Filme, Videos) --> mpeg , java
bewegbar (Modelle) --> vrml oder chemiespezifische Programme
bewegt und bewegbar ( -- ) --> vrml-2, java

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Einleitung: Darstellungsarten

generelle Unterscheidung:

ohne Translationssymmetrie (einzelne Moleküle)
mit Translationssymmetrie (komplette Kristallstrukturen)

spezieller:
- Wireframes (Bsp. Adamantan)
- Sekundärelemente (bei Proteinen, z.B. Calmodulin)
- Polyeder (z.B. Rutil)
- Schwingungsellipsoide
- ....

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?? Fragen ??

Wie gelangt man an die Daten/Koordinaten der interessierenden Moleküle oder Festkörperstrukturen?
Wie werden sie in bewegbare Bilder umgesetzt?
Welche freien Programme gibt es dafür?
Wie lassen sich bewegbare Bilder im WWW bereitstellen?
Wie sehen mögliche Anwendungen im Unterricht aus? Beispiele?

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1. Datenquellen: Woher kommen die Daten?

Beugungsmethoden (Röntgenstrukturanalysen) --> kristallographische Koordinaten
Modelling-Packete --> (kartesische) Koordinaten, Konnektivität, interne Koordinaten
Spektroskopie (z.B. NMR) --> Konnektivität
...

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1. Datenquellen: Woher bekommt man die Daten?

Tabellenwerke, Bücher, ...

Datenbanken
- Brookhaven Protein Database: Biomoleküle, PDB-Format, frei zugänglich
- Cambridge Structural Database organische und metallorganische Verbindungen, eigenes internes Format, freier Zugang (mit Anmeldung) mit zeitlicher Beschränkung
- Inorganic Crystal Structural Database (ICSD) anorganische Verbindungen, eigenes Format, nur 4 % Subset frei zugänglich
Self-Made
WWW-Server wissenschaftlicher Zeitschriften (z.B. Acta Cryst. C )
Molekül-Zeichen-Programme (z.B. ISIS/Draw (frei) oder ChemWeb (nur Demo Frei!)
diverse andere WWW-Sites -->>

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1. Datenquellen: andere WEB-Seiten

Cheminfo (Univ. Indiana) Visualisierung allgemein, viele Tools und Links
Molecules (Lebanon Valley College) (viele PDB-Files, Links usw.)
MathMol-Library (New York Univ.) VRML, PDB und Gifs von einfachen Molekülen bis Biochemie
Molecular Models (Okanagan University College, CA) sehr große Sammlung an pdbs aus der organischen Chemie
Klotho (Washington) viele kleine organische Moleküle, Biochemie
die britische Chemielehrer-Seite mit vielen Links u.a. zu PDB-Datenbanken
Cyber-Mol (VRML2-Format!)
WEB-Molecule (VRML2-Format)
Camsoft Liste mit Chemie-Webseiten

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2. Formate

kristallographische Formate

Gitterkonstanten der Elementarzelle
Symmetrieinformation (Raumgruppensymbol)
fraktionale Atomkoordinaten

kartesische Formate

XYZ, MM2, MOPAC, Gaussian,CHarmm ... (Modelling-Formate)

Formate mit internen Koordinaten

Atomabstände, Winkel, Torsionswinkel

Seite mit Beispieldateien

Konverter zwischen vielen dieser Formate: BABEL

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3. Umsetzung in Grafikprimitive: Virtual Reality Modelling Language (VRML)

Virtual Reality Modelling Language (VRML)
- weit verbreitetes Format
- kennt nur einfache Objekte (Kugeln, Ellipsoide, Flächen, Zylinder)
- Viewer in die üblichen Browser eingebaut (Plugin)
- stete Viewer-Weiterentwicklung/Verbesserung/Beschleunigung (Editierfunktionen, VRML-2)
- vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten bei der Erstellung
- vielfältige Betrachtungs- und Bewegungsmöglichkeiten
Voraussetzungen zum Betrachten
- oft: Viewer in Browser eingebaut --> keine Installationen
- alternativ: große Auswahl externer Viewer (vrweb, vmd, cosmoplayer, webspace ...) für alle Plattformen
- externe Viewer: Dateityp 'x-world/x-vrml' definieren (z.B. im WinXX-Netscape: Options-Preferences-Helpers)

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3. VRML: Erstellen von Strukturdarstellungen

Online-Programme (cgi-Skripte im WWW)
- VRML-Generator (aus Erlangen), Input: Smiles String
- Corina (Erlangen), Online-Konverter (VRML oder java)
- xtal_3d (ILL), die Online-Version
spezielle freie Programme
- DRAWxtl viele Input-Formate, Spezialität: Polyeder und Raytracer-Output (kleines C-Programm, für alle Plattformen verfügbar, mit GUI)
- xtal_3d vergleichbar DRAWxtl, VRML2
- pdb2vrml Konverter von PDB-Format in VRML (für Proteine)
- MOLDA mit Modelling- und Editierfunktionen (nur winXX)
Output chemiespezifischer Programme, (noch) selten

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4. Chemiespezifische Programme freie Programme

rasmol/chime sehr gut geeigneter Molekübetrachter; für alle Plattformen; Quellen verfügbar; optimiert auf Biochemie (im Browser: 'chemical/x-pdb' festlegen)
COSMOS kommerzielles Programm, aber mit freier Demo; nur winXX
WEBLabviewer (MSI) nur WinXX und Mac
Molmol Proteinpacket; sehr mächtig und groß, Original für Unix, aber auch für andere Plattformen
XRSC (Structure Viewer) einfacher Strukturbetrachter; auch Quellen
MolView Biochemie; Mac-Spezial
ORTEP mit Schwingungsellipsoiden, _DAS_ Programm der Röntgenbeuger auch für WinXX
PLATON/PLUTON umfassendes kristallographisches Packet mit 2 Arten von Strukturbetrachtern; Quellen verfügbar; Binaries für viele Plattformen, Quellen
XMol einfacher Viewer, nur für X11

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Vergleich 2. VRML <--> 3. Chemiespezifische Programme

	VRML	Chemie-spezifische Programme

Vorteile	keine Installationen zum Betrachten	chemie-spezifische Editierfunktionen
	Gestaltungsmöglichkeiten bei der VRML-Erstellung
	rasche Entwicklung der Viewer
	Viewer von anderen Anwendungen bekannt
	vielfältige Möglichkeiten der Bewegung in der Szene

Nachteile	keine chemie-spezifischen Editierfunktionen	div. Installationen auf den Client-Rechnern
	Extra-Schritt Erstellen von VRML	plattformabhängig

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5. Beispiele I

einige Beispiele für Strukturbilder auf Web-Seiten:

Die Kohlenstoffmodifikationen (VRML, PDB, externe Links)
Subsitutionsmuster bei oktaedrischen Komplexen (PDB und VRML)
Alkane (PDB)
Einige interessante Biomoleküle (PDB)

externe Links:

Anwendungen von Rasmol für den Unterricht (von Martin Rausch (Stuttgart))
Organik-'Galerie' vom TZ in Darmstadt (interessante organische Moleküe; von Martin Kroeker)

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5. Beispiele II

einige Seiten für die Studenten in Freiburg (meist recht spezielle Themen)

Strukturchemie von Oxiden (Hauptstudium, Volltext-Vorlesung)
Chemie der Metalle (Grundstudium, nur Material)
Chemie der Nichtmetalle (Grundstudium, nur Material)
SiO₂ und Silicate (mit Gif-Bildern)
VRMLs zu VSEPR
Intermetallische Phasen (Hauptstudium, Volltext, im Aufbau)