2.2.2: Anatomie einer MOL-Datei

Hack-a-Mol

Hier ist eine Website des St. Olaf College, auf der man mit der Beziehung zwischen 2D-Strukturen, 3D-Renderings, Identifikatoren und Verbindungstabellen spielen kann, mit freundlicher Genehmigung des Chemoinformatikers Bob Hanson. Auf der Seite gibt es einen Link zu einem Dokument, das erklärt, „wie es funktioniert“ (auch hier verlinkt). Im weiteren Verlauf dieses Kurses werden Sie lernen, wie wir mit dem NCI-Resolver und PubChem kommunizieren, und viele der grundlegenden Funktionen dieser Anwendung kennenlernen.

Wir haben unten auch Hack-a-Mol eingebettet, und wenn Sie Ihre Aufgaben erledigen, sollten Sie es in einem neuen Fenster öffnen.

Werfen wir einen weiteren Blick auf Benzoesäure. Lösche das 2D-Skizzenfenster mit der weißen Schaltfläche oben, zweite von links, und zeichne dann Benzoesäure. Klicken Sie auf die Schaltfläche mit dem Pfeil nach rechts. Dies sollte eine 3D-Struktur im Fenster rechts darstellen und eine MOL-Datei im Textfenster darunter erzeugen. (Einzelheiten darüber, woher diese Daten stammen, finden Sie in den Abschnitten „2D zu 3D“ und „3D zu Strukturdaten“ in „Funktionsweise“)

Schauen Sie sich nun die MOL-Datei im Textfenster an. Sie werden feststellen, dass Hack-a-Mol standardmäßig explizites H in die von ihm erzeugten MOL-Dateien einfügt. (Weitere Informationen finden Sie in der Diskussion über explizites und implizites H weiter oben in diesem Modul.)

Identifizieren Sie die Atome und Bindungen, aus denen der Ring besteht. (Diese variieren je nachdem, wie Sie das Molekül gezeichnet haben – die 2D-Skizzenanwendung nummeriert die Atome und Bindungen in der Reihenfolge, in der sie gezeichnet werden.) Denken Sie daran, dass die ersten beiden Spalten in jedem Eintrag in der Bindungstabelle auf Zeilen in der Atomtabelle verweisen und die dritte Spalte den Bindungstyp (1=Einfachbindung, 2=Doppelbindung usw.) angibt, der diese beiden Atome verbindet. (Sie können dies selbst überprüfen, indem Sie mit dem Mauszeiger über die Atome im 3D-Fenster fahren oder auf den Link „labels“ oberhalb dieses Fensters klicken.)

Wenn Sie die sechs Ringbindungen in der MOL-Datei identifiziert haben, passen Sie sie manuell an, um die andere Kekulé-Struktur des Rings zu erzeugen. (Das heißt, tauschen Sie in den Feldern für den Bindungstyp (dritte Spalte) der Bindungstabelleneinträge für die sechs Ringbindungen die 1en gegen 2en und die 2en gegen 1en aus.) Wenn sich der Cursor noch im Textfenster befindet, drücken Sie die Eingabetaste. Dies sollte die andere Kekulé-Struktur für Benzoesäure sowohl im 3D- als auch im 2D-Fenster erzeugen.

Lassen Sie uns zur Abwechslung einmal eine unsinnige Struktur erzeugen. Ändern Sie alle Ringbindungen in Doppelbindungen, und drücken Sie die Eingabetaste. Sie sollten nun eine chemisch anstößige Struktur mit einem Cyclohexahexenring mit sechs positiv geladenen Kohlenstoffatomen erhalten, die gegen die Valenzregeln verstößt. Die Software wird Ihnen nicht sagen, dass Ihre Strukturdaten chemisch unsinnig sind, es sei denn, sie ist darauf programmiert.

Kehren Sie zur Benzoesäure zurück, indem Sie entweder die Bindungen manuell zurück ändern oder einfach das 2D-Skizzenfenster löschen, neu zeichnen und erneut auf die rechte Pfeiltaste klicken.

Jetzt fügen wir ein Chloratom in den Benzolring ein. Suchen Sie in den Atom- und Bindungstabellen den Eintrag für einen Ringwasserstoff in ortho-, meta- oder para-Stellung zur Carboxylgruppe (wählen Sie aus!). Ändern Sie das Atomsymbol in diesem Eintrag der Atomtabelle von H in Cl und drücken Sie die Eingabetaste. Sie sollten nun das Chlorbenzoesäure-Isomer Ihrer Wahl sowohl im 3D- als auch im 2D-Fenster haben.

Noch eine weitere Übung: Machen wir aus unserer Benzoesäure Pyridin-3-carbonsäure – das heißt Benzoesäure mit N anstelle eines der Ringkohlenstoffe in meta-Stellung zur Carboxylgruppe. Dies ist die Verbindung, die besser als Niacin (Vitamin B3) bekannt ist.

(Spaßfakt am Rande: Niacin, das als saures Reaktionsprodukt von Nikotin entdeckt wurde, hieß ursprünglich Nikotinsäure. In den 1930er Jahren stellte man fest, dass es der essentielle Nährstoff ist, der Pellagra verhindert, eine verheerende Krankheit, die im frühen zwanzigsten Jahrhundert in den amerikanischen Südstaaten weit verbreitet war. Die Gesundheitsbehörden propagierten die Anreicherung von Mehl mit Nikotinsäure, und die Pellagra-Epidemie begann zu verschwinden. Ärzte und Wissenschaftler waren jedoch besorgt, dass der Name „Nikotinsäure“ den Eindruck erweckte, sie würden eine Massenkrankheit heilen, indem sie Tabak ins Brot mischten. Ein Ausschuss des Nationalen Forschungsrats beschloss, den Namen der Substanz in „Niacin“ zu ändern, kurz für „Nikotinsäure-Vitamin“.)

Also: Finden Sie den Eintrag für einen Ringkohlenstoff in der Metastellung zur Carboxylgruppe. (Tipp: 1) Benutzen Sie die Atom- und Bindungstabellen, um das Kohlenstoffatom zu identifizieren, das an die beiden Sauerstoffatome gebunden ist; 2) suchen Sie den Ringkohlenstoff, der an diesen Carboxylkohlenstoff gebunden ist; 3) suchen Sie einen Ringkohlenstoff, der zwei Bindungen von diesem carboxylsubstituierten Ringkohlenstoff entfernt ist.) Ändern Sie dieses Kohlenstoffatom in N und drücken Sie die Eingabetaste.

Nun haben wir das N-Atom in unserem Ring, aber Sie werden feststellen, dass es positiv geladen ist. Wir haben keine der expliziten Wasserstoffatome verändert, also bleibt das N-Atom protoniert, wie das C-Atom, das es ersetzt hat. Lassen Sie uns das Wasserstoffatom loswerden. Suchen Sie den Eintrag für die N-H-Bindung in der Bindungstabelle und den Eintrag für das entsprechende H-Atom in der Atomtabelle, und löschen Sie beide. Drücken Sie die Eingabetaste.

Wenn Sie kein großes Glück hatten, sollten Sie jetzt ein monströses Durcheinander im 3D-Fenster und gar nichts im 2D-Fenster haben. Oh-oh. Gehen Sie zurück zum MOL-Dateifenster, drücken Sie zweimal ctrl-Z, um das Löschen dieser Zeilen rückgängig zu machen, und drücken Sie die Eingabetaste. Damit sind Sie wieder bei N-protoniertem Niacin.

Durch das Löschen einer Zeile der Atomtabelle haben wir alle nachfolgenden Einträge der Atomtabelle neu nummeriert. Da wir die Atomreferenzen in der Bindungstabelle nicht geändert haben, wurden alle Bindungen zu diesen neu nummerierten Atomen zerstört.

Löschen Sie erneut die N-H-Bindung aus der Bindungstabelle und den Eintrag für dieses H-Atom in der Atomtabelle. Korrigieren Sie nun jedoch die Verweise in der Bindungstabelle, indem Sie **die Atomzahl für alle Atome unterhalb der gelöschten Zeile um 1** verringern. (Das heißt, wenn der gelöschte Wasserstoff der 13. Eintrag in der Atomtabelle war, ändern Sie jede 14 in den ersten beiden Spalten der Bindungstabelle in eine 13 und jede 15 in den ersten beiden Spalten der Bindungstabelle in eine 14.)

Tippen Sie auf Enter. Igitt – Ihre Struktur ist wahrscheinlich **wieder** durcheinander, auch wenn Sie die Umnummerierung korrekt durchgeführt haben. Vielleicht haben Sie aus irgendeinem Grund sogar Ihren Ring verloren.

Schauen Sie sich die Zählungszeile der MOL-Datei an – die Zeile über der Atomtabelle, direkt unter dem Dateikopf. Die ersten beiden Zahlen in dieser Zeile beziehen sich auf die Anzahl der Atome und Bindungen im Molekül. Da wir ein Atom und eine Bindung gelöscht haben, müssen wir jede dieser Zahlen von 15 auf 14 verringern. Tun Sie dies, und drücken Sie dann erneut die Eingabetaste. Sie sollten jetzt Niacin haben.

Wow. Gott sei Dank lässt sich die Handhabung von Verbindungstabellen so gut automatisieren!

Spielen Sie noch ein wenig mit Hack-a-Mol herum. Werfen Sie einen Blick auf die Seite „Wie es funktioniert“ – viele der Notationen, Anwendungen und Prozesse, auf die auf dieser Seite Bezug genommen wird, werden in den folgenden Wochen behandelt. Es kann nützlich sein, immer wieder auf diese Seite zurückzukommen und mit ihr zu spielen, während Sie in diesem Kurs fortfahren.