Un mol de libertad…

Este año, el Premio Nobel de Química, ha recaído sobre tres científicos que, desde la década de los 70, han elaborado el desarrollo de modelos informáticos que permiten visualizar y predecir reacciones químicas.
Aquí la nota de prensa realizada por la Academia sobre las motivaciones de este premio.
El problema residía, sobre todo, en la velocidad de estas reacciones (fracciones de milisegundos) que imposibilitaban su estudio.
Gracias a estas tres personas, se han podido hacer avances, por ejemplo, en el estudio de la fotosíntesis.

Esto me ha hecho recordar que, aunque por intereses económicos, las publicaciones de investigación científica no son accesibles para la mayoría y, desde luego no de manera gratuita; si existen grandes bases de conocimientos científicos y técnicos disponible para cualquiera que quiera consultarlos.
En los sistemas de escritorio GNU/Linux, se han desarrollado herramientas para poder acceder a estas Bibliotecas de Alejandría digitales.
Internet mismo nació con este cometido (comunicación entre universidades y comunicación entre militares), aunque luego se haya diversificado hasta los niveles de hoy en día.

Quizás no sea un cosa práctica, pensarán algunos, a no ser que te dediques a ello…
Eso es debatible, pero como mínimo, dado que es público y compartido, si veo interesante tener la opción de acceder a estas bases.

Esto es lo que pretendo con este post, y os pido disculpas por adelantado, dado que mi conocimiento científico es muy limitado.
Seguramente caeré en múltiples errores, pero como mi intención es que podamos llegar al conocimiento explicado por verdaderos profesionales, espero que podáis disculpar esas erratas.

Para la realización de este artículo, he utilizado un sistema Ubuntu 10.04 LTS Lucid Lynx con entorno GNOME2.

A lo largo de otras publicaciones, iré variando paulatinamente el sabor de esta web.

GNU2Linux4 (Gnulfato de Linuxito)

Como he comentado en la introducción de este post, el estudio de la química molecular se ha incrementado exponencialmente gracias al desarrollo de modelo informáticos.
Resulta que, dentro del mundo molecular, en el desarrollo de los acontecimientos no solamente afectan los componentes que interactúan, sino como están dispuestos.
Véase el ejemplo de los isómeros, cuya formula química es idéntica y exclusivamente varía su disposición estructural.
Es decir, que un mismo número de elementos con distinta estructura espacial, no resultan en la misma molécula.

Antiguamente, y antes de que esta tecnología estuviera tan desarrollada, el estudio de las estructuras moleculares se realizaban con modelos físicos.
Aquí unas pequeñas muestras, cortesía de una amiga, licenciada en Farmacia:

Maqueta molecular

Agradecimientos a Mayte G.H.

2013-11-09 21.57.37

Agradecimientos a Mayte G.H.

2013-11-09 21.59.19

Agradecimientos a Mayte G.H.

Desde luego, el proceso de visualización molecular digital, que aquí intentaré explicar, no introduce a tal nivel las estructuras moleculares en nuestras manos, pero resulta cuantificablemente más económico.
Y permite su estudio al mismo nivel de precisión.

Los desarrolladores de software libre son multidisciplinares, y la ciencia no les asusta en absoluto.
De hecho, en los repositorios de las distribuciones mayoritariamente utilizadas, existe una categoría denominada Ciencia que aglutina una enorme variedad de paquetes, y seguramente garantizarán el entretenimiento de los aficionados.

Empecemos por un conjunto de programas llamado:

GNOME CHEMISTRY UTILS

Este paquete, aunque no forma parte del proyecto GNU, tiene su apoyo y respaldo. De tal manera, que le ofrecen alojamiento en su servicio de hosting para software libre: Savannah.
Consta de varias utilidades químicas que iremos desglosando a continuación.
Procedemos, inicialmente, a su instalación:

Instalación de Gnome Chemistry Utils

Para la instalación de este paquete de utilidades, podemos utilizar nuestro Centro de software, realizando una búsqueda del acrónimo gcu (Gnome Chemisty Utils):

GCU en Centro de Software

GCU en Centro de Software

 

O bien podemos utilizar el Gestor de paquetes Synaptic, con una búsqueda idéntica:

GCU en Gestor de paquetes Synaptic

GCU en Gestor de paquetes Synaptic

 

Independientemente de la vía utilizada, este paquete de utilidades químicas, que consta de cuatro elementos, es tratado como un paquete único dentro de los repositorios y una vez instalado, nos encontraremos con ellos dentro de la ruta Aplicaciones -> Ciencia:

Aplicaciones -> Ciencia -> GCU

Aplicaciones -> Ciencia -> GCU

 

Desglosemos estos componentes:

CALCULADORA QUÍMICA (GChemCalc)

Este pequeño programa se define a si mismo como una calculadora molar química. Calcula la formula cruda, el peso molecular, la composición de masas y los patrones isotópicos.

Acerca de gchemcalc_004

Acerca de GChemCalc

Chemical calculator_005

Calculadora química

Analizando su interfaz, podemos observar que disponemos de un recuadro para poder insertar nuestros datos.
Los datos que podemos insertar son, obviamente, elementos químicos. De manera que introduciendo los componentes y su número de átomos, la calculadora nos mostrará diferentes datos sobre dicha formula.
En primer lugar, nos mostrará la primera molécula coherente con dichos elementos y número de átomos.
Pongamos, por ejemplo, el dióxido de carbono (CO):

Chemical calculator_006

Dióxido de carbono en Chemical Calculator

Una vez hemos introducido la formula, la calculadora realizará automáticamente ciertos cálculos para ofrecernos datos útiles sobre dicha molécula.
En este ejemplo, nos muestra el peso molar de dicha molécula y que el 100% de su masa se puede otorgar a su forma molecular más simple, monóxido de carbono (CO):

Chemical calculator_007

Datos relevantes de la pestaña Composition en Chemical Calculator

Realicemos otro ejemplo, esta vez elegimos el agua (HO):

Chemical calculator_008

Agua en Chemical Calculator

En esta ocasión, el peso molecular se debe en un 88% a su elemento oxígeno (O), mucho más pesado que el elemento más simple que existe, el hidrógeno (H).
Nos ofrece además otros datos de interés, como su masa monoisotópica, en la segunda pestaña inferior:

Chemical calculator_009

Pestaña de patrones isotópicos en Chemical Calculator

Masa monoisotópica: Es la suma de las masas monoisotópicas de cada elemento del analito. Es la que se emplea cuando se hacen medidas en alta resolución dentro de la Espectrometría de Masas.

Además, este paquete soporta paréntesis y corchetes, por lo que podemos introducir formulas con mayor nivel de complejidad.

Chemical calculator_045

Ferrocianuro de potasio en Chemical Calculator

Naveguemos por sus diferentes menús.
En primer lugar nos encontramos con su menú File, que contiene las siguientes acciones:

Chemical calculator_046

Menú File en Chemical Calculator

Dentro de la pestaña Composition estas acciones están deshabilitadas, pero si cambiamos a la pestaña Isotopic Pattern, donde aparece la gráfica de sus patrones isotópicos, las acciones se volverán activas:

Chemical calculator_047

Menú File habilitado en Chemical Calculator

El mismo comportamiento podremos observar a través del segundo menú Edit:

Chemical calculator_048

Menú Edit en Chemical Calculator

Chemical calculator_049

Menú Edit habilitado en Chemical Calculator

En el tercer menú, encontramos distintos métodos de interpretación de la formula introducida:

Chemical calculator_050

Menú Mode en Chemical Calculator

    Modos de interpretación en las formulas de GChemCalc:
  • Guess: La calculadora química intentará interpretar cada dato introducido como un átomo, tal y como hemos venido haciendo hasta ahora, o como un grupo conocido. Por ejemplo, un grupo Fenilo (Ph o φ), será perfectamente reconocido por la calculadora:
Chemical calculator_051

Reconocimiento de grupos en Chemical Calculator

  • Atoms: Los símbolos ambiguos serán reconocidos como átomos.
  • Nickname: Los símbolos ambiguos serán reconocidos como grupos.

En el cuarto y último menú Help, el usuario podrá encontrar diversos items de ayuda para poder utilizar:

Chemical calculator_052

Menú Help en Chemical Calculator

VISOR 3D MOLECULAR (GChem3D)

En la introducción de este apartado, comentaba la mejoría, en el ámbito de estudio molecular, que trae consigo esta tecnología. Y este modulo, seguramente sea quien mejor define esta afirmación.

Acerca de GChem3D Viewer_010

Acerca de GChem3D

GChem3D Viewer_011

Visor tridimensional de moléculas

Analizando este paquete, lo primero que nos llama la atención, es que como buen visor, no tiene opción de construir una molécula.

Está diseñado para visualizar estructuras ya definidas.
Para construir una molécula existen otros paquetes de software que veremos más adelante.
El primer item que observamos en su menú principal es Open:

GChem3D Viewer_012

Menú Open en GChem3D

En la siguiente ventana de diálogo, observamos la posibilidad de elegir diversos formatos de archivo:

Abrir_013

Ventana de diálogo Abrir en GChem3D

Formatos de GChem3D

Formatos admitidos en GChem3D

Fijándonos, por ejemplo, en el último formato: Chemical Markup Language (*.cml), y realizando una búsqueda en Google, encontramos diversos repositorios donde tenemos definidas una variedad de moléculas muy amplia.

Os pongo, como muestra, este enlace:

WEB KDE DATA KALZIUM

Categorizadas y ordenadas en grupos, podemos descargar unas muestras de moléculas para poder observar las capacidades de nuestro visualizador.
Observemos algunos ejemplos:

Azane_014

Amoníaco

1,3,7-Trimethylpurine-2,6-dione_015

Cafeína

adenine_016

Adenina

Estos modelos tridimensionales son totalmente manejables, y con el cursor de nuestro ratón podemos observarlos por todos sus ángulos y facetas.

Amoniaco

Amoníaco en movimiento

Cafeina

Cafeína en movimiento

Adenina

Adenina en movimiento

Otro detalle a tener en cuenta de este visor, es la posibilidad de variar las estructuras visuales de los modelos, a través de su menú View:

Azane_017

Balls and sticks en GChem3D

Azane_018

Space filling en GChem3D

Azane_019

Cylinders en GChem3D

Azane_020

Wireframe en GChem3D

Todos ellos resultan manejables y servirán en la visualización tridimensional de la molécula seleccionada.

Y por último, a través de su menú Help, tenemos distintas posibilidades de ayuda en nuestro papel de usuarios del software:

GChem3D Viewer_053

Menú Help en GChem3D

TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS (GChemTable)

Aunque podríamos pensar que se trata de una simple tabla periódica, este paquete trae consigo algunas funcionalidades realmente competentes.

Acerca de gchemtable_021

Acerca de GChemTable

Tabla periódica de los elementos_022

Tabla periódica de los elementos

Cada elemento es seleccionable, y al pulsarlo, despliega una lista informativa realmente sorprendente. Observemos la información que nos ofrece del hidrógeno (H):

Hydrogen_023

Pestaña Main en ventana informativa del hidrógeno

En la primera pestaña de esta ventana de información nos ofrece los siguientes elementos informativos.

        Elementos de la pestaña:

Main

  • Nombre del elemento químico en diversos idiomas
  • Número atómico del elemento químico: Número total de protones que contiene el elemento.
  • Peso atómico del elemento químico: Masa promedio de sus átomos a razón de 1/12 de la masa de un átomo C.
  • Configuración electrónica del elemento químico: Disposición de los electrones en los átomos sujetas a las reglas de la mecánica cuántica. Combinación de estados cuánticos que son solución para la ecuación de Schrödinger de dicho átomo.

En la segunda pestaña de esta ventana de información nos ofrece los siguientes elementos informativos.

Hydrogen_024

Pestaña Electronic properties en ventana informativa del hidrógeno

        Elementos de la pestaña:

Electronic properties

  • Electronegatividad de Pauling y su gráfica:
Pauling electronegativity_025

Gráfica de la electronegatividad de Pauling en el hidrógeno

Electronegatividad: Medida de la capacidad de un átomo para atraer electrones. La escala de Pauling es una de las más utilizadas.

  • Energías de ionización y su gráfica:
1st. ionization energy_026

Gráfica de energía de ionización del hidrógeno

Energía de ionización: Energía necesaria para separar un electrón en su estado fundamental de un átomo.

  • Afinidades electrónicas y su gráfica:
Electron affinity_027

Gráfica de afinidad electrónica en el hidrógeno

Afinidad electrónica: Energía liberada cuando un átomo gaseoso neutro en su estado fundamental, captura un electrón y forma un ion mononegativo.

En la tercera pestaña de esta ventana de información nos ofrece los siguientes elementos informativos.

Hydrogen_028

Pestaña Radii en ventana informativa del hidrógeno

        Elementos de la pestaña:

Radii

  • Radio covalente y su gráfica:
Covalent radii_029

Gráfica de radio covalente en el hidrógeno

Radio covalente: Mitad de la distancia entre dos átomos iguales que forman un enlace covalente.

  • Radio de Van der Waals y su gráfica:
Van der Waals radii_030

Gráfica de radio de Van der Waasl en el hidrógeno

Radio de Van der Waals: Radio de una esfera sólida imaginaria empleada para modelizar el átomo.

  • Radio metálico: En este ejemplo no es aplicable. Mitad de la distancia entre núcleos de átomos “vecinos” en un cristal metálico.
  • Radio iónico y sus valores: La distancia entre el centro del núcleo del ion y su electrón estable más alejado.

En la cuarta pestaña de esta ventana de información nos ofrece los siguientes elementos informativos.

Hydrogen_031

Pestaña Thermodynamics en ventana informativa del hidrógeno

        Elementos de la pestaña:

Thermodynamics

  • Temperatura de licuación y su gráfica
Melting point_032

Gráfica de temperatura de licuación del hidrógeno

  • Temperatura de vaporización y su gráfica
Boiling point_033

Gráfica de temperatura de vaporización del hidrógeno

Como podemos observar, para poder congelar hidrógeno tendríamos que exponerle a temperaturas bastante extremas:

ConvertAll_034

Conversión de grados Kelvin a grados Celsius

¿Bastante frío, no?
Pues ahora observaremos que no ostenta este record…

Otra de las posibilidades de esta magnifica tabla periódica, es poder variar la visualización de sus elementos teniendo en cuenta otros criterios. Desde la ruta View -> Color scheme:

Tabla periódica de los elementos_035

Menú View -> Color scheme

Las dos primeras opciones que observamos serían No colors y Default, siendo ésta última observable desde el principio, donde cada elemento está representado por un color distinto.

Tabla periódica de los elementos_054

No colors en View -> Color scheme

Tabla periódica de los elementos_055

Default en View -> Color scheme

Pero si nos vamos a la tercera opción Physical states, aparece una barra de temperatura (Kelvin) modificable, para poder observar el cambio de estado en cada elemento a distintas temperaturas:

Tabla periódica de los elementos_056

Physical states en View -> Color scheme

Tabla periódica de los elementos_036

Estado físico de los elementos a 0 grados Kelvin

Aquí nos muestra el hecho de que a 0 Kelvin, todos los elementos son sólidos.
Pero si aplicamos el más mínimo calor, veamos que sucede:

Tabla periódica de los elementos_037

Estado físico de los elementos a 1 grado Kelvin

Vaya, con 1 simple Kelvin, el helio (He) pasa inmediatamente a un estado líquido. Dicho de manera inversa, para congelar helio deberíamos exponerlo a temperaturas increíbles:

ConvertAll_038

Conversión de temperatura de grados Kelvin a grados Celsius

Es decir, que para mantener al helio en estado sólido debe permanecer a ¡¡menos de -273 grados Celsius!!.
Además de ponernos voces graciosas, ya sabemos que elemento ostenta el título en dificultad de congelación.
Al más mínimo estímulo energético, los átomos de este gas noble pierden su estabilidad y empiezan a moverse y vibrar, cambiando su estado.

Esta opción también explica ciertas tendencias, por ejemplo, porque la tecnología más resistente tiende a ser en fibra de carbono.
Observar al carbono (C) en su celda:

Tabla periódica de los elementos_039

Detalle del carbono en la tabla periódica de los elementos

Y ahora, vayamos aumentando la temperatura gradualmente mientras vemos quien permanece fuerte:

Carbono temperatura

Resistencia del carbono a la temperatura

ConvertAll_040

Conversión de temperatura de grados Kelvin a grados Celsius

Vaya, no me extraña la elección…
Y eso que no hemos añadido su ligereza y resistencia como factores de esta decisión.

La cuarta opción, en esta visualización de esquemas, se trata de una categorización por familia de elementos: Family.
Desplegando la lista de categorías por familia, el programa nos irá mostrando los elementos que componen dicha categoría, quedando el resto disipados de color.
Los datos son recogidos desde el repositorio de datos Blue Obelisk. De hecho, es uno de los paquetes dependientes recibidos durante la instalación de Gnome Chemistry Utils.

Tabla periódica de los elementos_057

Family en View -> Color scheme

Tabla periódica de los elementos_043

Familias de elementos en la tabla periódica

Familias de elementos

Lista desplegable de familia en los elementos de la tabla periódica

La quinta opción se trata de una visualización de los elementos, recogidos esta vez con el criterio de la electronegatividad de Pauling. El esquema de colores irá desde el rojo (baja electronegatividad) hasta el azul (alta electronegatividad).
Los datos recogidos para este esquema están obtenidos desde el repositorio de datos Blue Obelisk.
Los elementos no coloreados no significan que no presenten electronegatividad, sino que no se obtienen datos de ellos desde esta base de datos.

Tabla periódica de los elementos_058

Electronegativity en View -> Color scheme

Tabla periódica de los elementos_041

Electronegatividad de los elementos en la tabla periódica

La sexta opción es una visualización de los elementos, desde el prisma de su radio atómico. El esquema de colores irá desde el rojo (radios menores) hasta el azul (radios altos).
De idéntica manera que las anteriores visualizaciones, estos datos son recogidos desde el repositorio Blue Obelisk y los elementos no definidos con color, significan una ausencia de datos.

Tabla periódica de los elementos_059

Atomic radius en View -> Color scheme

Tabla periódica de los elementos_042

Radio atómico de los elementos de la tabla periódica

La séptima y última opción de visualización categoriza los elementos por bloques, es decir, categoriza los componentes de la tabla según el orbital que estén ocupando sus electrones más externos.

Tabla periódica de los elementos_060

Block en View -> Color scheme

Tabla periódica de los elementos_044

Bloques de los elementos en la tabla periódica

Como en los paquetes anteriores, esta tabla periódica viene con un menú de ayuda al usuario, del que podemos concluir diferentes aspectos del uso de este paquete:

Tabla periódica de los elementos_061

Menú Help en GChemTable

VISOR DE ESPECTROS (GSpectrum)

Este visor de espectrometría, de la misma manera que el visualizador tridimensional de móleculas, no tiene la capacidad de generar nada.
Pero permite la visualización de diferentes espectrometrías, tales como:

    Clase de espectrometrías permitidas
  • UV-visible: luz ultravioleta.
  • IR: luz infrarroja.
  • Raman: láser en un rango de luz visible, entre el infrarrojo cercano y el ultravioleta cercano.
  • NMR: Resonancia magnética nuclear.
  • Mass: Espectrometría de masas.

La espectrometría, a grandes rasgos, es un método de análisis de componentes, teniendo en cuenta la forma en que éstos devuelven reflejada la luz.
Y con luz, me refiero a todos los rangos de luz.
Los humanos solo percibimos parte de ese espectro. Una misma flor se vuelve bastante distinta en los ojos de una abeja, que puede percibir luz ultravioleta.

Esta técnica es utilizada para separar los distintos componentes de una sustancia y ver la cantidad de cada uno de ellos.
En un laboratorio farmacéutico, utilizan espectrografía infrarroja para verificar que un principio activo está presente donde debería estar y su nivel de pureza.

Esta técnica es utilizada también en astronomía.
Con ella se puede observar y cuantificar los componentes que forman un cuerpo celeste.

Gracias a esta técnica, se ha descubierto, por ejemplo, que en la débil atmósfera de Marte, se producen en su ecuador grandes cantidades de metano.
Un tanto misterioso, teniendo en cuenta que, según nuestros conocimientos, esta molécula se forma en procesos metabólicos de seres vivos o teniendo agua líquida en altas temperaturas.
Resulta una molécula bastante inestable y todavía no se sabe que puede estar generándola en nuestro rojo vecino.
Por cierto, rojo por su óxido de hierro, abundante en su superficie.

Otro tanto para la espectrometría.

Celestia_064

Marte, el planeta rojo

También se quedarían sorprendidos los marcianos, si al utilizar esta técnica, observarán nuestra, todavía más inestable, atmósfera rica en oxígeno del planeta azul.
Deducirían que algo lo genera, algo vivo, el reino vegetal…

Una vez hecha esta pequeña y, espero, suficientemente correcta presentación (agradecimientos a Carmen M.V, por su tiempo y agradable conversación), pasemos a analizar nuestro modulo.

Acerca de GSpectrum_062

Acerca de GSpectrum

GSpectrum_063

Visor de espectrografías

Para ser sincero, no he conseguido encontrar gran cantidad de archivos para poder mostrar el potencial de este visualizador. Pero leyendo su manual incorporado, me encontré con esto:

Introduction_065

Ayuda de GSpectrum

Realizando una búsqueda de ese formato de archivos JCAMP – DX, me encontré con el siguiente enlace, que trae un pequeño muestrario perfectamente funcional con nuestro modulo:

TEST DATA

Recogiendo uno de ellos, al azar, podemos visualizar como aparecen estos datos en nuestro visor de espectrografías:

2-Chlorphenol_066

Espectrometría del 2-Chlorphenol

Estos datos, en ojos expertos, son los que proporcionan valiosa información sobre la composición de una sustancia en particular.
Dependiendo del tipo de espectrometría utilizado en el archivo, la barra de modificación cartesiana se volverá más o menos completa, dejándonos controlar otros factores de visualización.
Como podemos observar en las siguientes capturas, sus menús de acción son muy similares a los anteriormente analizados:

GSpectrum_067

Menú File en GSpectrum

GSpectrum_068

Menú Edit en GSpectrum

GSpectrum_069

Menú Help en GSpectrum

Una vez hemos terminado con este paquete de “pequeñas” utilidades químicas, procedemos a completar el software con otros dos programas de interesante utilidad.

EDITOR 2D DE ESTRUCTURAS QUÍMICAS (GChemPaint)

Aunque en su web, informan de su integración con GNOME CHEMISTRY UTILS, dejando atrás sus inicios como proyecto por separado, en realidad este paquete se sigue instalando de manera independiente.
Abrimos el Centro de software o el Gestor de paquetes Synaptic, realizando una búsqueda de su nombre, gchempaint :

Centro de software de Ubuntu_070

GChemPaint en Centro de Software

Gestor de paquetes Synaptic _071

GChemPaint en Gestor de paquetes Synaptic

Desde luego, ambos gestores si relacionan este paquete con gcu. Pero su instalación, como he dicho, se realiza todavía por separado.
Una vez finalizada la instalación, nos encontramos con este paquete en la ruta Aplicaciones -> Ciencia:

Menú_072

Aplicaciones -> Ciencia -> GChemPaint

Antes de explicar su funcionamiento, es buen momento para realizar un par de comentarios sobre este paquete.
Este software es el primer constructor químico que aparece en el artículo, y aunque es perfectamente capaz de gestionar formulación inorgánica, parece diseñado con el propósito de trabajar en el ámbito de la química orgánica.
Esto lo digo, teniendo en cuenta los distintos elementos que aparecerán, ahora lo veremos, en su cuadro de herramientas.
Los distintos elementos seleccionables, para facilitarnos la edición y gestión de formulas químicas, siguen las pautas y reglas de la formulación esqueletal y la estereoquímica, que es parte de la primera.
Ambas ramas de estudio de la química tienen muy en cuenta la disposición estructural de la molécula representada.
Esto no es ninguna casualidad, el desarrollador de este software es el mismo que Gnome Chemistry Utils, Jean Bréfort. Y como buen autor de software, ha pensado en el uso transversal de sus programas.
Los formatos aceptados por GChemPaint son los siguientes:

    Formatos aceptados en GChemPaint:
  • Native format (*.gchempaint)
  • Chemical Markup Language files (*.cml)
  • MDL MOL files (*.mdl; *.mol)
  • PDB files (*.pdb; *.ent)
  • ChemDraw eXchange files (*.cdx)
  • ChemDraw eXchange XML files (*.cdxml)
  • PubChem ASN.1 ASCII Format files (*.asn)
  • PubChem ASN.1 Binary Format files (*.asn; *.val)
  • PubChem ASN.1 XML Format files (*.pc)
  • XYZ Co-ordinate Animation Format (*.xyz)

Exceptuando el formato nativo, todos los demás formatos serán aceptados con la dependencia OpenBabel, instalable como cualquier otro software:

Gestor de paquetes Synaptic _096

OpenBabel en Gestor de paquetes Synaptic

Como habéis podido observar, he remarcado en cursiva, los formatos que son compartidos con nuestro visor tridimensional de moléculas, analizado anteriormente.
Tal y como estaréis suponiendo, un mismo archivo puede ser abierto por ambos programas, permitiéndonos en cierta manera, construir modelos moleculares tridimensionales a partir de una edición en dos dimensiones.

Por ejemplo, si yo intentó abrir la molécula de amoníaco, utilizada anteriormente con GChem3D, veremos que sucede:

Untitled 1_097

Abrir un archivo en GChemPaint

Abrir_098

Ventana de diálogo Abrir archivo en GChemPaint

Azane_099

Amoníaco en GChemPaint

Desde una representación tridimensional, nuestro editor nos transforma esta molécula en su formula esqueletal de dos dimensiones.

¿Situación inversa?… Por supuesto, escojamos una plantilla predefinida que nos ofrece nuestro editor en dos dimensiones, el benceno, y lo salvamos con un formato .cml.

Benceno

Añadiendo benceno en GChemPaint

Save as_100

Guardar benceno en formato .cml

El paso siguiente es intentar abrirlo con nuestro visor tridimensional, GChem3D:

Benceno2

Benceno en GChem3D

De esta manera, nuestro editor de estructuras químicas bidimensional, nos sirve de una manera bastante simple, como constructor tridimensional.
Posteriormente analizaremos otro constructor tridimensional molecular más completo.

Procedamos, ahora, a desglosar el paquete que centra nuestra atención.

El software, una vez iniciado, consta de dos interfaces. Un cuadro de herramientas, donde iremos seleccionando los distintos componentes y enlaces para nuestra formulación química y un editor, que nos irá mostrando los resultados de nuestra formulación.

Acerca de GChemPaint_095

Acerca de GChemPaint

Escritorio 1_073

GChemPaint al completo

_074

Cuadro de herramientas GChemPaint

Untitled 1_075

Editor GChemPaint

Observemos, en primer lugar, nuestro cuadro de herramientas, para analizar las diferentes opciones de construcción y formulación de las que dispone.
En su parte superior, dispone de cinco botones que nos permitirán diferentes acciones, sobre todo relacionadas con la edición de los elementos de nuestro editor:

  • Selección de objetos: Seleccionar y mover en nuestro editor los distintos componentes de la formula química.
_076

Seleccionar objetos en GChemPaint

Al tener seleccionado este elemento, en la parte inferior aparecen distintas acciones para un rápido acceso a los distintos movimientos del componente:

Movimiento en el eje vertical:

_089

Movimiento en el eje vertical

Movimiento en el eje horizontal:

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Movimiento en el eje horizontal

Movimiento de rotación:

_091

Movimiento de rotación

Unión de moléculas:

_092

Unión de moléculas

Union y rotacion benceno

Ejemplo de unión y rotación en dos moléculas de benceno

  • Borrador: Eliminar componentes en nuestro editor de formulas químicas.
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Borrador en GChemPaint

  • Uso de plantillas predeterminadas: Uso de determinadas plantillas con grupos químicos categorizados.
_078

Plantillas predefinidas en GChemPaint

Plantillas en GChemPaint

Listado de plantillas predefinidas en GChemPaint

  • Publicación de Wikipedia: Exporta nuestras ediciones en un formato adecuado para Wikipedia.
_079

Exportar a Wikipedia en GChemPaint

  • Texto: Añadir un texto aclaratorio o explicativo en nuestra formulación química
_080

Añadir texto en GChemPaint

En la segunda hilera de botones, nos encontramos con los siguientes elementos, que nos permitiran la acción directa sobre los elementos químicos que vamos a utilizar:

  • Añadir o modificar un átomo: Introduce en nuestra formula, átomos simples de elementos.
_081

Añadir un átomo en GChemPaint

Al tener seleccionada esta acción, podemos introducir los elementos de dos maneras:

1.- Escribiendo la inicial del elemento sobre el editor, nos aparecerán los distintos elementos que contengan esa inicial.

Untitled 1_093

Introducir átomo directamente en el editor GChemPaint

2.- La lista desplegable de tabla periódica, que se encuentra en la parte inferior del cuadro de herramientas.

Escritorio 1_094

Lista desplegable de tabla de los elementos en GChemPaint

  • Añadir o modificar un grupo: Introduce en nuestra formula química, un grupo de átomos de elementos.
_082

Introducir grupos de átomos en GChemPaint

Cuando escogemos este item, el editor nos permite la introducción de grupos de átomos de manera directa:

*Untitled 1_101

Introducir grupos de átomos en GChemPaint

  • Incrementar la carga positiva de un átomo.
_083

Incrementar la carga positiva local en GChemPaint

Incrementemos, a modo de ejemplo, la carga de una molécula de metano.

*Untitled 1_102

Metano en GChemPaint

*Untitled 1_103

Metano después de incrementar su carga positiva local

  • Incrementar la carga negativa de un átomo.
_084

Incrementar la carga negativa local en GChemPaint

Incrementemos, al modo anterior, la carga de una molécula de metano.

*Untitled 1_104

Metano en GChemPaint

*Untitled 1_105

Metano después de incrementar su carga negativa local

  • Añadir un número par de electrones a un átomo.
_085

Añadir un número par de electrones en GChemPaint

Por ejemplo, se lo añadimos a una molécula de agua. En esta ocasión, nuestro editor utiliza simbología propia de la estructura de Lewis.

*Untitled 1_106

Agua en GChemPaint

*Untitled 1_107

Par de electrones añadidos al átomo de oxígeno. Dos electrones para dos hidrógenos.

Si mantenemos pulsado el botón de nuestro ratón, mientras añadimos este par de electrones, podemos incluso elegir la disposición angular respecto del átomo al que los añadimos.

Posicion par electrones

Disposición elegida del par de electrones añadidos

  • Añadir un número impar de electrones a un átomo.
_086

Añadir un número impar de electrones en GChemPaint

Hagamos el ejemplo con nuestra molécula de agua.

*Untitled 1_108

Agua en GChemPaint

*Untitled 1_109

Electrón añadido en el elemento oxígeno. Un sólo electrón conlleva la perdida de un hidrógeno al no tener electrón que lo enlace.

De la misma manera que realizamos anteriormente, podemos elegir el ángulo y disposición espacial del electrón añadido.

Posicion electron

Disposición del electrón añadido a nuestro átomo

La tercera hilera de botones, más relacionada con los enlaces entre los átomos o grupos de éstos, tiene las siguientes funcionalidades.

  • Añadir o modificar un enlace.
_087

Añadir un enlace simple en GChemPaint

La representación común de un enlace en formulación orgánica suele ser la de un enlace covalente carbono – carbono o carbono – hidrógeno.
También se usa para representar un enlace con un heteroátomo, siendo este último representado por su nomenclatura química ordinaria ( N para el nitrógeno, Cl para el cloro, etc…)
No ofrece información de disposición estructural, por lo que no nos aporta datos estereoquímicos, aunque podemos determinar su posición y ángulo si así lo deseamos.
Añadiendo varios puede representar enlaces dobles o triples.

  • Añadir una cadena.
_088

Añadir una cadena en GChemPaint

Buscando la simplificación en la representación, cuando añadimos una cadena, y sabiendo que el átomo de carbono buscará su octeto más estable, no representamos sus enlaces covalentes con los 3 hidrógenos en los extremos o con 2 hidrógenos en las partes intermedias de la cadena.
Suele representar una estructura lineal de carbonos enlazados.

  • Añadir un enlace en cuña continuo.
_110

Añadir enlace en cuña continuo en GChemPaint

Representación de un enlace que se acerca al observador.

Es la manera de representar cercanía en una formulación de dos dimensiones.

  • Añadir un enlace en cuña discontinuo.
_111

Añadir un enlace en cuña discontinua en GChemPaint

Representación de un enlace que se aleja del observador.

Es la manera de representar lejanía en una formulación de dos dimensiones.

  • Añadir un enlace en forma ondeada.
_112

Añadir un enlace en forma ondeada en GChemPaint

Representación de un enlace con una estereoquímica desconocida.

Es decir, se desconoce la disposición estructural de este enlace.

  • Añadir un enlace en negrita.
_113

Añadir un enlace simple en el mismo plano espacial en GChemPaint

Representación de una enlace que se mantiene en el mismo plano estructural desde el punto de vista del observador.

La cuarta hilera de botones viene concebida para la introducción de distintos tipos de ciclos orgánicos, con su número de miembros.

_001

Ciclos orgánicos dispuestos según su número de miembros en GChemPaint

De izquierda a derecha, los tipos de ciclos introducidos serán de tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho o un número indeterminado de miembros.
En la naturaleza, los ciclos orgánicos más habituales suelen ser de cinco o seis miembros.

La quinta hilera de botones está diseñada para la representación de reacciones químicas.
Reacción química: Todo proceso termodinámico en el cual una o más sustancias, por efecto de un factor energético, se transforman, cambiando su estructura molecular y sus enlaces.

    Tipos de reacción química representados:
  • Reacción irreversible
_002

Reacción química irreversible en GChemPaint

  • Reacción reversible
_003

Reacción química reversible en GChemPaint

  • Síntesis
_004

Síntesis en GChemPaint

  • Isomería
_005

Isomería en GChemPaint

Para introducir una reacción química, pongamos por ejemplo, la hidrogenación del benceno, solamente tenemos que añadir los componentes, seleccionarlos con el ratón y hacer click en el botón derecho.
Aparecerá un menú contextual, que nos ofrecerá la agrupación o alineación de los componentes y la posibilidad de realizar una reacción entre ellos:

Añadir reaccion quimica

Añadir reacción química en GChemPaint

El menú contextual del editor, nos ofrece además otros valiosos recursos, siguiendo con la tónica de nuestra molécula de benceno, veamos que nos ofrece:

Menu contextual benceno

Menú contextual del editor en una molécula de benceno

Vaya, os habéis fijado en la ruta Molecule -> Open in a calculator?

Menú_007

Menú contextual Molecule -> Open in Calculator

Como anteriormente he referido, a este autor le gusta el uso transversal de sus programas:

Chemical calculator_008

Chemical calculator abierta desde GChemPaint

Solamente nos resta estudiar, los distintos tipos de menús que ofrece nuestro editor para ayudarnos a gestionar el software, junto con su barra de herramientas para acceso rápido a ciertas funciones.
En primer lugar, observamos su menú File, donde encontraremos componentes para generar, abrir, guardar, imprimir o salir del programa:

Untitled 1_001

Menú File en GChemPaint

En segundo lugar, observamos su menú Edit, donde encontraremos items para deshacer, rehacer, cortar, copiar, pegar, limpiar (memoria de edición, no el editor), seleccionar y por último las preferencias del editor, a las que echamos un breve vistazo:

Untitled 1_002

Menú Edit en GChemPaint

GChemPaint Preferences_003

Ventana Preferencias en GChemPaint

En las preferencias podemos observar que, este paquete nos ofrece la posibilidad de gestionar tres temas distintos de presentación. Por defecto, su tema es GChemPaint.

En tercer lugar, observamos su menú View, donde nos ofrece la posibilidad de aplicar más o menos zoom a nuestro editor y así tener un control más óptimo de nuestras formulas:

Untitled 1_004

Menú View en GChemPaint

En cuarto lugar, observamos su menú Tools, que nos ofrece una interesante gestión de los residuos generados en las reacciones formuladas:

Untitled 1_005

Menú Tools en GChemPaint

Residues_006

Gestión de residuos en GChemPaint

Podemos introducir la gestión de un residuo nuevo, como observamos en la captura anterior, o podemos modificar las plantillas de residuos existentes, como observamos en la siguiente captura:

Residuos

Lista predefinida de gestión de residuos en GChemPaint

En quinto lugar, observamos su menú Windows:

Untitled 1_007

Menú Windows en GChemPaint

Y en sexto y último lugar, observamos su menú Help, que como en todos los paquetes anteriores, nos proporciona ayuda de uso para este programa:

Untitled 1_008

Menú Help en GChemPaint

En su parte inferior, tenemos una barra de acceso rápido para ciertas funciones:

Untitled 1_009

Barra rápida de acciones en GChemPaint

Finalizamos con este paquete, y procedemos a analizar el último paquete, en este artículo.

VISOR DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS (GCrystal)

Al igual que sucedía con GChemPaint, este paquete tiene tendencia a unirse con el grupo de utilidades químicas GCU (Gnome Chemistry Utils).
Esa es la decisión del autor de todos los programas GNOME que aparecen en este post, Jean Bréfort, unificar todo su creación de software químico.
Pero, actualmente, la instalación se realiza de manera independiente.

Abrimos nuestro Centro de software o nuestro Gestor de paquetes Synaptic, y realizamos la búsqueda de su nombre, gcrystal:

Centro de software de Ubuntu_001

GCrystal en Centro de Software

Gestor de paquetes Synaptic _002

GCrystal en Gestor de paquetes Synaptic

Encontramos nuestro programa en la ruta Aplicaciones -> Ciencia -> GCrystal:

Menú_003

Aplicaciones -> Ciencia -> GCrystal

Esta herramienta cristalográfica, es un visualizador ligero de estructuras cristalinas, y además se puede utilizar perfectamente como constructor de éstos.
Material cristalino: Es aquel en el que los átomos se estructuran en redes basadas en la repetición tridimensional de sus componentes. A la estructura que se repite se la denomina célula o celda cristalina.

Acerca de gcrystal_004

Acerca de GCrystal

Gnome Cristal_005

Visualizador cristalográfico

Este paquete funciona con los siguientes formatos:

    Formatos admitidos por GCrystal:
  • Crystallographic Information Format (*.cif)
  • Crystalline structure model

Esperándonos en la red, existen varios repositorios de modelos cristalinos. Sobre todo en formato CIF, donde existen bases con un gran volumen de estas estructuras.
Os pongo un enlace desde donde os podéis descargar muchos ejemplos:

CRYSTALLOGRAPHY OPEN DATABASE

Una vez descargados, los podemos abrir y visualizar desde nuestro visor:

7015747.cif_006

Estructura cristalina en GCrystal

De la misma manera que GChem3D, estos modelos son manejables con el cursor de nuestro ratón y podemos desplazarnos por su estructura a nuestro deseo:

Cristal

Estructura cristalina en movimiento

Procedamos, ahora, a visualizar sus diferentes menús.
En primer lugar, nos encontramos con su menú File, desde donde podemos gestionar acciones tales como abrir, guardar, imprimir y salir del modulo.

SinNombre1_007

Menú File en GCrystal

En segundo lugar, nos encontramos con su menú Edit, desde donde podemos gestionar las preferencias del paquete:

SinNombre1_008

Menú Edit en GCrystal

Preferences_009

Preferencias de GCrystal

Las preferencias que podemos modificar van relacionadas con la visualización e impresión del modelo.

En tercer lugar, nos encontramos con un menú muy interesante, Crystal. Y nos detenemos a analizarlo, con mayor profundidad, puesto que este menú es sirve como constructor de modelos cristalinos.

SinNombre1_010

Menú Crystal en GCrystal

    Elementos del menú Crystal:
  • Lattice: Enrejado o entramado. Desde este menú podemos decidir que aspecto tendrá la estructura repetida dentro de un orden en nuestro cristal
Cell_011

Ventana Lattice en GCrystal

Podemos desplegar la lista Red, para elegir el patón que más convenga a nuestros deseos:

Lista patrones

Lista de patrones Lattice en GCrystal

  • Atoms: Definición de los elementos del cristal y su posición dentro de la celda cristalina
Átomos_012

Ventana Atoms en GCrystal

Las coordenadas x, y, z decidirán en que lugar de la celda cristalina irá el átomo, por ejemplo, en las coordenadas 0, 0, 0 se representará el átomo en el vértice, y con las coordenadas 5, 5, 5 se representará el átomo en el centro de la celda.

Podemos incluso elegir que tipo de enlaces formarán dichos átomos:

Átomos_013

Selección de enlaces en ventana Atoms de GCrystal

  • Bond and lines: Visualización de enlaces y bordes de la estructura
Lines_014

Ventana Lines en GCrystal

  • Size: Definición del tamaño de la celda cristalina
Crystal size_015

Ventana Size en GCrystal

Clivajes_016

Ventana Clivajes en GCrystal

Atendiendo a todas estas definiciones de propiedades cristalográficas, podemos construir cualquier modelo cristalino.

En cuarto lugar, nos encontramos con su menú View, desde donde podemos gestionar las preferencias de visualización:

SinNombre1_017

Menú View en GCrystal

View settings_018

Configuración de vista en GCrystal

En quinto lugar, nos encontramos con su menú Windows, desde donde podemos abrir nuevas ventanas o cerrar la ventana en la que nos encontramos:

SinNombre1_019

Menú Windows en GCrystal

Y en sexto lugar, no podía faltar nuestro menú Help, para poder entender mejor el uso de este fantástico modulo.

SinNombre1_020

Menú Help en GCrystal

Y para el próximo post, construcción y visualización de moléculas biológicas complejas y secuenciación de genes.

Epidemia de pingüinos. Pandemia de ñus…

Espero que os haya gustado.

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