专利名称：分子结构模型的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够准确地表达各种类型键的原子间的距离的分子结构模型，更特别地，涉及的分子结构模型不利用以往的范德华半径或共价键的数值，能够把通过分子结构分析获得的原子间距离表示成两个原子球的和一根键棒长的总长度，以及能够准确地将分子结构直观化。
背景技术：
已知下面的技术用来构建分子结构模型(1)Hinomoto(日之本)合成树脂模型(日本实用新型公开号H3-86378)Hinomoto合成树脂模型(下称“Hinomoto模型”)的特征在于，原子间的距离是通过固定等价的球(多面体)原子，并按照键型改变键棒的长度而确定的。在该方法中，由于根据原子的类型存在多种类型的键，因此也需要准备多种长度的键棒。但是，即使所有的这些构件都准备好了，为了将构件组装起来形成分子结构模型，使用者仍然不得不常常参照一个一个的表，成了麻烦的作业。
该技术中存在的另一个严重的问题在于理论方面，其中Hinomoto模型不能准确地表达原子的任何组合间的距离。例如，当考虑两个碳原子C间的单键距时，当两个原子被单键键合时，测得的距离值是1.527，当两个原子被叁键键合时，测得的距离值是1.377，产生了10％的差别。但是，这种模型通过仅使用一个键棒表达距离。对于原子结构公知的分子，可以通过按照原子间的距离调节键棒的长度进行构建，但是，这样的手工构建需要大量的劳动。另外，该模型不能应用于原子结构未知的那些分子。因此，考虑准确度时，这种传统的模型的应用受到限制。
(2)Bruce Heywood Nicholson模型(美国专利3,841,001)Bruce Heywood Nicholson模型(下称“Bruce模型”)的特征在于，原子球被设计为范德华(van der Waals)半径的1/3，并且棒的部分与球成为一体。原子间的距离是两个球的半径和没有插入两个球中的棒部分的和。该模型的发明人强调通过使用范德华半径而获得了高的准确度。但是，原子间的实际距离是基于球半径和键棒长的总长度，因此专用范德华半径并不具有任何意义。极端地说，球半径可以任何方式设定，只要那些半径和键棒长的总长度可被准确地表达即可。
上面的专利显著地具有这一问题，因为它揭示了不同原子间距离的差是由插口(socket)的深度决定的。这意味着，各种原子对间的键距是由球半径和键棒长的各种组合决定的。因此，Bruce模型比上述的Hinomoto模型更为复杂，因此只适用于进一步受限制的原子对。
另外，详细且重要的另一点是，碳原子的范德华半径实际上并没有测定，因此没有实测值。尽管碳的共价键半径是已知的，但由于定义不同，因此不能与范德华半径混同。总之，Bruce模型不能由范德华半径或共价键半径提供实测值。
从上面参照传统的有代表性的模型的例子可以看出，即使不考虑化学的进步，仍然没有任何简单且准确的分子结构模型的构造的原因是由于下面的问题(1)首先，由于不考虑原子价态的差别使所有原子球的大小相同，因此存在问题。在Hinomoto模型中，所有的原子相互的大小都相同，从而使准确度仅由键棒长的差决定。但是，即使在相同原子对间的键距中忽略价态，也将导致距离很不均一，并且在关于应使用哪一个键棒长上产生混乱，从而使得不可能建立唯一和正确的模型。
在Bruce模型中，通过使用每个元素的范德华而不考虑价态，使原子等同。这种想法相对于Hinomoto模型来说看来有一些优势，但是，它只能对极为受限范围的原子对表达准确度。另外，Bruce模型的唯一差别是Hinomoto模型中的键棒长由球和棒的总长代替，由此仍然存在有待解决的实际问题。因此，与Hinomoto模型类似，Bruce模型不能唯一和准确地表达各种原子对。
另外，由于存在简化分子结构模型的概念的基本要求，因此模型制作者和本领域的专门化学工作者可以看出设法将任何碳的状态收敛为一个数值。由于实际上存在各种原子对间的键距，因此还不存在一个一致且适用的模型的原因主要是由于(1)中的问题。例如，当考虑价态时，碳C可以包括8种不同的类型，其中的一般存在的4个见图1(a)。另外，在本说明书和附图中使用的键的类型的略记号、正式标记见图1(b)。
在各个这些不同的类型中，各电子轨道态不同，因此表达的大小也应该不同。传统的想法是这样的差别可以忽略，但是这将限制准确度，因此不能建立一致和通用的模型。
(2)下一个问题是缺少对键型的考虑，即，不能单独地表达单键、双键、叁键的键距。按照分子轨道理论，以单键是一个σ键、双键是互相重叠的一个σ键和一个π键、叁键是相互重叠的一个σ键和两个π键进行区别。尽管存在各种原子对，但关于这样的键距是否具有共同性的详细研究至今天还没有进行。最多是研究可能一直到发现相同原子对间的键距按叁键、双键和单键的顺序变得越来越长。至于键长的数值，单键双键和叁键的共价键半径是分别测定的。
关于传统的模型，Hinomoto模型作了形式的区别，但是，它没有提到任何关于键棒长的内容。在Bruce模型中，形式和长度都没有考虑。基于鲍林(Pauling)键型的共价键半径被认为具有极佳的应用价值，但是，例如在(＝C＜)等的价态中，碳原子不能表达为球。另外，它们的数值在表达各种价态的原子对间的键距的准确度方面是不充分的。因此，上面提到的两个问题可以说是至今仍然没有一个简单、通用、唯一和准确的分子结构模型的主要原因。
发明内容
因此，鉴于传统模型的问题，本发明的一个目的是提供一种分子结构模型，它能够表达基于分子结构分析数据确定的原子间距。
本发明的另一个目的是提供一种分子结构模型，它能够将原子间的距离表达为两个原子球的和一根键棒的总长度。
本发明的再一个目的是提供一种分子结构模型，它通过采用以原子间的价态而非元素本身区别的原子球的半径，能够直观化有通用性的准确的分子结构。
本发明的再一个目的是提供一种分子结构模型，它通过即使在相同的元素中也应用不同的半径长度并采用通过原子间的键合态区别的键棒长，能够直观化有通用性的准确的分子结构。
为达到上述的目的，本发明的分子模型的构成体以下面的方式构造。
即，按照本发明的第一方面，通过分子结构分析数据获得的原子间的距离被表达为两个原子球的和一根键棒的长的总长度。原子球的半径按照价态分类原子种类，并提供根据价态的尺寸值，且键棒被按照原子间的键级分类原子种类，并提供根据键级的尺寸值。原子球的和键棒的尺寸值分别通过用相同的系数乘尺寸值而被直观化。
在本发明中，通过分子结构分析数据获得的分子结构中原子对间的距离被理解为两个原子球的半径和一根键棒的总长度。在此，原子不仅按每个元素分类，而且通过即使是相同元素的原子价态进行分类，且对各原子提供尺寸值。
另外，键棒不根据原子而改变其键距，而是严格地分为三种类型的键，其中有键级为1的单键，键级为2的双键和键级为3的叁键。另外，键级也表达为键级为1.5和键级为2.5等的共轭键或共振杂化体。这是基于这样一个事实，即与原子的半径相比，每种类型的原子的键距并不大大地变化。因此，即使原子种类变化，如果给出仅反映键型的键棒长，则不必过多地考虑原子种类的差别。以这样的方式获得的尺寸值被共同的系数乘。例如，如果1被直观化为1cm，这样的原子球的和键棒可用来组装结构模型，以及用于CG(计算机制图)。
根据本发明的第二方面，按本发明的第一方面将键级定义为1的单键棒的尺寸值的以氢分子的键距进行表征。在此，作为标准棒长的单键的棒长可以是在键距范围内的任何数值。氢原子在分子结构模型中经常被省略，并且考虑到实际的分子结构模型，与氢原子的键距相对应的键棒长的数值被设定为0.7，考虑其他原子的半径，该数值也是优选的。
根据本发明的第三方面，当上面的第二方面中定义的键级n＝1的单键棒长L1＝0.7时，键棒长Ln和键级n(n＝1～3)的关系表达为下面的方程Ln＝L1+0.01(n-1)(2n-15)当单键距为L1＝0.7时，通过使用上述方程作为近似方程，也可用于分子结构数据的抽出样本数(extracted sample number)少的共轭键(键级n为1.5或2.5时)和共振杂化体的键距的确定和评价。
根据本发明的第四方面，上述的第一方面至第三方面中相同原子或键型有多种时的尺寸值由加权平均值、算术平均值、中值或最频值(mode)的任何一种进行表征。
在分子结构分析数据中，即使分子结构局部地由一对相同的原子构成，如果分子结构全体不同(即使相邻的α原子相同，β原子和其后的原子也不同的情况)，则数值当然也不同。此时，考虑原始数据的个数，且采用从加权平均值、算术平均值、中值或最频值获得的有代表性的值，确定与作为整体的分子结构分析数据中的实测值匹配良好的组合。
图1(a)是说明碳C的价态实例图，图1(b)是说明表达键型的略记号的例子的图。
图2是说明新模型的原子间距离与实测值的误差、以及传统模型的原子间距离与实测值误差的图。
图3是说明关于新模型的原子球半径和键棒长的球棒尺寸的数据实例表。
图4是说明单键棒长与原子球的半径和键棒长尺寸值(大小)关系的实例数据表。
图5是说明单键棒长与原子球的半径和键棒长的尺寸值(大小)的关系的一例的图。
图6是说明关于互相以单键键合的原子间的距离，新模型和实测平均值的比较数据的一例的数据表。
图7是说明关于互相以单键键合的原子间的距离，新模型和实测平均值的比较数据的另一例的数据表。
图8是说明关于互相以单键键合的原子间的距离，新模型和实测平均值的比较数据的再一例的数据表。
图9是说明关于互相以单键键合的原子间的距离，新模型和实测平均值的比较数据的再一例的数据表。
图10是说明关于互相以双键键合的原子间的距离，新模型和实测平均值的比较数据的一例的数据表。
图11是说明关于互相以双键键合的原子间的距离，新模型和实测平均值的比较数据的另一例的数据表。
图12是说明关于互相以叁键键合的原子间的距离，新模型和实测平均值的比较数据的一例的数据表。
图13是说明关于与硫S11原子有关的键距的实测数据的一例的数据表。
图14是说明关于与氢h10原子有关的键距的实测数据的一例的数据表。
图15是说明键级n、键棒长Ln和常数An间关系的一例的数据表。
图16是说明基于新模型的共价键半径与基于传统模型(鲍林)的共价键半径的比较数据的一例的数据表。
图17是说明将有关新模型和鲍林间的共价键半径的图16的比较数据用图形表现的图。
图18是说明对于范德华半径而言，与新模型、鲍林和Bondi的半径有关的比较数据的数据表。
图19是说明对于范德华半径而言，将有关新模型、鲍林和Bondi的半径的图18的比较数据用图形表现的图。
图20是说明有关由基于Shannon和Prewitt的实测值确定的离子半径的数据的一例的数据表。
图21是说明本发明模型与传统模型间离子半径的比较的图。
图22是说明基于新模型的氢键距和基于实测值的氢键半径间的比较数据的一例的数据表。
图23是说明将有关新模型和实测值间的氢键距的图22的比较数据用图形表现的图。
图24(a)和24(b)是说明各种半径和模型间关系的图。
图25是说明新模型中原子种类-C-和其他原子种类的键合关系的图。
图26(a)和26(b)是说明在氟和碘分子的情况下，新模型和传统模型间的差的图。
具体实施例方式
下面将参照附图更详细地说明本发明。本发明的分子结构模型被设计成将通过分子结构分析数据获得的原子间的距离表达为两个原子球的和一根键棒的总长度。本发明的分子结构模型通过下面的(a)和(b)提供了一种具有通用性的一般解决方案(a)按价态而非元素单位区分原子球的半径，并且对于相同的元素也采用不同的半径长度，和(b)采用由原子间的键合态区分的键棒长。注意本发明的一般解决方案是从已知的分子结构数据获得，而不是来源于使用已知的范德华半径或共价键半径的数值是重要的。
因此，需要基于与许多已知分子结构数据的键距的实测值相匹配的上述概念(a)和(b)，统计地确定原子球的半径和键棒长。将原子球的半径和键棒长确定为一组(set)，同时将最终得到的数值的组合调节至与实测值良好地符合是重要的。
为获得这样的数值的组合，必须假定性地确定任何部件的至少一个数值。最方便的一个是使用最多的单键的键棒长。一旦其被确定，剩余的数值将自动地导出(reach)。结果，本发明模型的制作方法的基础在于概念(a)和(b)，以及适宜地确定球半径或键棒长。本方法的特征是用新的分子结构的实测值数据，通过进行统计计算和微调整，修正准确度提高的分子结构模型。
新模型的概念表达原子间距离所需的参数很显然地是第一个原子球的半径、键棒和第二原子球的半径。接下来，当考察如何变化那些参数以表达正确的原子间距离，下面的三种方法是可能的(a)保持所有原子球的半径恒定，并变化键棒的长度(Hinomoto模型)。
(b)变化原子球的半径和键棒的长度(Bruce模型)。
(c)根据每种元素的价态变化原子球的半径，并根据键合态变化原子间的键棒长度(新模型)。
当考察为建立具有通用性的准确模型哪种类型好时，方法(b)可以认为是缺乏通用性的最受限制的模型，但是事实上，方法(a)与方法(b)一样。即使球半径都相等，由于球和键棒的总长度将随键型而变化，所以方法(a)被认为是方法(b)的一种特殊形式。因此，方法(a)和方法(b)对于本发明的达到高准确度、一致性和通用性的目的不适合。
因此，本发明的新模型使用方法(c)，但是，如何确定原子球的半径是一个间题。很自然地，共价键半径看来适用，但是该方法中的半径不能充分地与图2所示的实测值(分子结构分析数据)匹配，图2中C代表计算值，M代表实测值。因此，本发明采用一种全新的方法，即(a)基于价态的原子球的半径和(b)基于键型的键棒长。在此强调的是，在本发明中不使用已知的方法，如使用范德华半径或共价键半径的数值的方法。换句话说，新的解决方案将从已知的分子结构数据统计地确定。该新模型的的有用性将通过考察新模型能够将实际分子的原子间距离准确表达到什么程度加以证明。
本发明中原子球的半径的确定方法的细节如下所述。
(1)第一，由已知的分子结构分析数据，收集整理考虑了价态的每对原子对的键距。然后将所有的键分解成各种原子对，原子对的类型理论上达到2850种。用于建立本发明模型的实际分子结构数据是基于参考文献“化学手册基础第二次修订第4版”(Chemical Handbook，Fundamental Volume，2ndRevision，4thEdition)(日本化学会编，丸善)。
以此方法得到的数据与大约650种类型的分子结构相对应，单键类型的数目是180，双键类型的数目是59，叁键类型的数目是10。另外，调查非金属元素的共价键的结果是，考虑了价态的原子种类的数目是75。可以利用的分子结构数据不限于上面的文献。
(2)其次，确定原子球的半径或键棒长。如上所述，作为第一步，优选确定用得最多的单键棒长。在此，单键棒长是标准棒长，可以获得键距范围内的任何数值。在分子结构模型中，氢原子通常省略，并且在同时考虑实际分子结构模型的情况下，即使从下述的理由来说，单键棒长为与氢分子间的键距相应的0.7也是优选的。
(3)最后，确定基于价态的原子球的半径和基于键合态的键棒长。确定单键的键棒长后，例如，由-C-C-的实测值确定原子种类-C-的球半径。接下来，基于＝C-C-的实测值确定原子种类＝C-的球半径。结果，可以由-C＝C-的实测值得到双键的键棒长。重复这样的步骤，确定所有数值的组合。
但是，这些数值中，在即使是局部相同的原子对，但全体是不同的分子结构的情况下(即，α原子相同，但β原子和其后的原子不同的情况)，很自然地，数值也将不同。此时，需要考虑原始数据的个数，采用由加权平均值、算术平均值、中值或最频值获得的有代表性的值，确定与实测值符合很好的组合。
为简化新模型以及容易地由唯一的过程组装模型，需要分别赋予单键、双键和叁键固定的键棒长。如上所述，在本发明模型中，首先确定单键棒长，然后确定原子球的半径。如果在计算那些各种原子种类的半径的过程中存在不一致，则必须调整数值，以使所得的数值作为整体与实测值相符。另外，也需要确认通过前面的假定导出的双键和叁键的键棒长，由此获得的恒定值作为整体是否很好地相符和均衡。通过上面的过程确定的新模型中原子球的半径和键棒长的球/棒尺寸如图3的表中所示。
基于键态的键棒长在本发明的新模型中，由于原子间的键距用作标准，因此一旦一个部件的尺寸被确定，其他部件的尺寸也将因此而被确定。图4和图5表示了单键棒长与原子球的半径和键棒长的尺寸值的关系。由于每根键棒上有两个原子，因此原子球的半径相对于单键棒长倾斜了-1/2。双键和叁键的棒长比单键棒长短，因此，仅在尖端部分不同。当将本发明(新)模型作为实际分子结构模型进行构建时，由于球和键棒的尺寸不能表达为负值，因此单键棒长的可能范围是从图5中叁键变为正的0.18至图5中氢h10变为正的0.7。
在此，当单键的标准棒长是0.7(原子球的半径不为负的最小值)，原子i的标准原子球的半径为Ris时，考虑了价态的原子i的半径Ri以下面的单键棒长L1的函数表达Ri＝Ris+(0.7-L1)/2基于价态(1)的原子半径以下将就单键棒长L1＝0.7，说明图3的数据表中原子c12的球半径R(c12)的确定过程。图6-9表示了就相互以单键键合于其它原子的原子间距离而言，新模型与实测平均值间的比较数据。图10和图11表示了就相互以双键键合于其它原子的原子间的距离而言，新模型与实测平均值间的比较数据。图12表示了就相互以叁键键合的原子间的距离而言，新模型与实测平均值间的比较数据。基于价态确定原子种类的半径的过程如下进行。
(1)首先，从表示单键距的图6-9和表示双键距的图10和11，抽出与具有与C和N相关的单键和双键的原子种类相关的距离Di。
(2)其次，通过对包括原子c12的单键距及C和C以外的原子间的键距的所有数值取平均，计算原子c12的球半径R(c12)。
例如，在图7中，由于序列号1-60的原子种类c12c12的键距D60＝1.455且抽出的样本数n＝47，因此在对称型键合中原子球的半径R(c12)可表达如下R(c12)＝(D60-L1)/2＝(1.455-0.7)/2＝0.378()同样，在图7中，由于序列号1-61的原子种类c12c13的键距D61＝1.512且抽出的样本数n＝59，因此在对称型键合中原子球的半径R(c12)可使用图3的原子c13的半径R(c13)＝0.415表达如下R(c12)＝D61-L1-R(c13)＝1.512-0.7-0.415＝0.397()通过顺次得到半径R(c12)，通过如下计算加权平均值，确定键型c12(图3)的球半径R(c12)＝∑(R(c12)i×ni)/∑ni＝0.380()通过类似的过程，键型n12(图3)的半径确定为R(n12)＝0.344。
(3)最后一步，对于各种原子间的各种键距，确认通过上述的过程确定的原子半径是否存在不一致。
基于价态(2)的原子半径以下将说明使用单键棒长L1＝0.7，就图3中硫s11和氢原子h10，确定原子球半径的方法。
(1)首先，从图6-9的表抽出包含硫s11的键距数据，并将其表示为键距Dsi(图13)。
(2)在对称原子的情况下，例如，序列号1-165的原子种类s11s11的键距Ds165＝2.015。由此，通过从键距Ds165中减去标准单键棒长0.7并将结果被2除，如下计算硫原子的半径R(s11)R(s11)＝(Ds165-L1)/2＝(2.015-0.7)/2＝0.658()
(3)在不对称原子的情况下，例如，序列号1-85的原子种类c13s11的键距Ds85＝1.820。由此，通过从键距Ds85中减去标准单键棒长0.7和图3中的原子半径R(c13)＝0.415，如下计算硫原子的半径R(s11)R(s11)＝Ds85-L1-R(c13)＝1.820-0.7-0.415＝0.705()(4)通过上面的步骤，对所有平均键距Dsi确定原子半径R(s11)，并求得其加权平均值作为如下的最终值R(s11)＝(∑R(s11)i×ni)/(∑ni)＝0.674()(5)然后，从图6-9的表中抽出包括氢原子h10的键距数据，并将其表示为键距Dhi(图14)。在上例中，假定氢原子半径R(h10)为0，计算硫s11的半径。在此，使用s11的原子半径的平均值，基于序列号1-26中的原子种类h10s11的键距Dh26＝1.336确定氢原子的原子半径。因此，半径R(h10)计算如下R(h10)＝Dh26-L1-R(s11)＝1.336-0.7-0.674＝-0.038()当以类似的方式由许多其他的键型计算h10(H-)的原子半径R(h10)并确定其加权平均值时，半径R(h10)计算如下R(h10)＝(∑R(h10)i×ni)/(∑ni)＝-0.004()考虑到上面的两个方程，假定氢原子的半径为0显然不存在问题。这样，所有的原子种类都相互关联，由此当可使用新数据确定适用于所有键和原子而非特定的键和原子的符合良好的值时，对于所有类型的原子，将原子半径的计算重复数次。
第n级键棒长另外，在本发明的新模型中，第n键级(其中分别使单键的n＝1、双键的n＝2、叁键的n＝3)的键棒长(Ln)表达为Ln＝L1+An(A是第n键级固有的常数，其中A1＝0)。通过使用这样的表达，在共轭键的情况下(即，键级n＝1.5或n＝2.5)，其中π电子被离域，可以容易地评价其他的第n级键的棒长和共轭键的棒长是否一致。以下将说明确定上面的表达式中Ln和An的过程。
(1)首先，从表示包括原子种类c12的双键的键距的图10抽出指示双键棒长的数据，并对数据取平均，得到与单键键距相关联的双键棒长。
例如，图10中序列号2-13的原子种类c12c12，键距是Dc13＝1.343，抽出的样本数为n＝67，同样地，原子种类序列号2-15的原子种类c12c12的键距是D15＝1.314，样本数是n＝29。从表示原子球的半径的图3的表格，由于半径分别是R(c12)＝0.380和R(n12)＝0.344，因此原子种类c12c12的键棒长L2是L2＝D13-2R(c12)＝1.343-2×0.380＝0.583()另外，原子种类c12n12的L2为L2＝D15-R(c12)-R(n12)＝1.343-0.380-0.344＝0.590()最后，以上述与单键键距关联的值的加权平均值，得到双键的键棒长L2。
L2＝∑(L2i×ni)/∑niL2＝(0.583×67+0.590×29)/(67+29)＝0.585()另外，由于Ln＝L1+An，因此当单键棒长L1＝0.7时，常数A2为A2＝L2-L1＝0.585-0.7＝-0.115通过对图3和12的其他数据使用同样的过程，可以得到下面的键棒长和常数L3＝0.520()A3＝L3-L1＝0.520-0.7＝-0.180
(2)从所得的棒长Ln、常数An和键级n的关系，可以通过下面的关系式很好地近似相对于第n级键合的常数AnAn＝0.01(n-1)(2n-15)由此，对于n＝1、2和3，棒长Ln和键级n间的关系可以用下式表达Ln＝L1+0.01(n-1)(2n-15)＝0.7+0.01(n-1)(2n-15)该方程式对于确定和评价分子结构数据的抽出数少的共轭键的键距(键级n为1.5或2.5)特别有用。棒长Ln、和常数An和键级n的关系如图15所示。
当分子结构数据的母群体不同或对L1采用不同的值时，或当使用加权平均值以外的值时，对于n＝1、2和3，棒长Ln和键级n的关系可以通过与上面不同的近似进行表达。
新模型和共价键半径间的关系鲍林得到的共价键半径(L.Pauling；The Nature of the ChemicalBond，第三版，Cornell University Press，1960)相当于新模型中键棒长为0的情况。利用上面的关系式，新模型(Takamatsu或“t”)中的原子i共价键(或“cb”)的半径Ritcb与在原子i的标准原子球的半径Ris上加上第n级键棒长Ln的1/2倍的值符合得很好。
Ritcb(n)＝Ris(n)+0.5Ln＝Ris(n)+0.5L1+0.005(n-1)(2n-15)因此，单键的共价键半径表达为Ritcb(1)＝Ris(1)+0.5L1＝Ris(1)+0.35双键的共价键半径表达为Ritcb(2)＝Ris(2)+0.5L1-0.055＝Ris(2)+0.295叁键的共价键半径表达为Ritcb(3)＝Ris(3)+0.5L1-0.09＝Ris(3)+0.26图16和图17表示将基于新模型的共价键半径Ritcb(n)与基于鲍林的共价键半径Ritcb(n)(或“p”)进行比较的数据。新模型得到的值平均比鲍林的值小0.03，但是，标准偏差是0.05，其符合得很好。
新模型与范德华半径间的关系根据鲍林，范德华半径是范德华模型中原子间的引力和斥力相互平衡时的原子半径。由于弱的键合，范德华半径的值比单键的共价键半径大约大0.75和0.8。根据鲍林和Bondi的范德华半径(A.Bondi，J.Phys.Chem.，68，441-451，1964)如图18的表所示。根据Bondi(或“b”)的碳原子的范德华半径1.70是基于苯的厚度的实测值，但是，鲍林没有采用该值作为范德华半径。
比本发明的新模型的共价键半径大0.85的值被认为是范德华半径。因此，新模型中原子i的范德华半径Ritvdw和本发明新模型中单键的共价键半径Ritcb(1)与下面的关系式符合得很好Ritvdw＝Ritcb(1)+0.85＝Ris+1.2图18和图19的表显示了就范德华(或“vdw”)半径概念而言，新模型的半径(Ritvdw)、鲍林的半径(Ripvdw)和Bondi的半径(Ribvdw)间进行比较的数据。该表说明，新模型与Bondi数据对于Se以上的元素符合得不太好，但与鲍林的数据符合得很好。
新模型和离子半径从基于Shanon和Prewitt(R.D.Shannon，C.T.Prewitt，ActaCrystallogr.，B25，925-946，1969，R.D.Shannon，Acta Crystallogr.，A32，751-767，1976)的实测值确定的离子半径抽出本发明研究的非金属元素并表示在图20中。该表中，负离子半径采用各元素的最大值，正离子半径采用各元素的最小值。在离子半径中，通过使用本发明新模型的标准原子球半径和单键棒长，可以实现与以下关系式的良好符合，原子i的负离子半径为Rit-1时为Rit-1＝Ris(1)+1.5L1＝Ritcb(1)+L1以及原子i的正离子半径为Rit+1时为Rit+1＝Ris(1)-1.5L1＝Ritcb(1)-L1由新模型中的上述关系式确定的离子半径和传统模型的离子半径的比较如图21所示。当将本发明的新模型的计算值与基于传统模型中Shannon/Prewitt的值进行比较时，计算值与Shannon/Prewitt值在正和负离子半径中均最大部分地符合。因此，从上述简单的方程式得到了离子半径的良好近似值。
新模型中的氢键氢键被认为是半共价键，但是，目前其被视为一种静电相互作用。氢键半径并不特别地提倡，然而，如果用与其他键半径同样的方式进行定义，从(原子a)-(氢H)··(原子b)的键距Dh(a-b)减去原子a的球半径和单键棒长L1的结果计算为氢键半径。氢键(或“hb”)半径被认为与负离子半径最为接近，但是，其多少比它大一些。在本发明的新模型中，与氢原子键合的原子b的氢键半径Rbhb与相对于标准原子半径Rbs加上1.55所得的值符合得很好。
Rbhb＝Rbs+1.55另外，当标准单键棒长L1＝0.7时，其他半径间的关系以下面的关系式表达Rbhb＝Rbs+L1+0.85＝Rbvdw+0.5L1＝Rbvdw+0.35＝Rb-i+0.5L1+0.15＝Rb-i+0.5
图22和23表示了基于新模型的氢键键距Rthb和基于实测值的氢键半径Rbhb间进行比较的数据。基于实测值的氢键键距的数据来自Pimentel(C.C.Pimentel，A.L.McClellan，“The Hydrogen Bond”，Freeman，1960)和Kuleshova(L.N.Kuleshova，P.M.Zorkii，ActaCrystallogr.，B37，1363-1366，1981)。由于氢键是弱键，因此键距发生变化，但是，在新模型的关系式中，其可以表达得很好。
新模型与各种半径本发明的新模型的目的是准确地表达基于分子结构分析数据的分子结构。通过上述的关系式，本发明的新模型也能够表达共价键、范德华半径、离子键以及氢键半径。图24示出了新模型与原子关联半径的相对关系数据，图24(a)是单键的情况，图24(b)是第n级键的情况。图24(a)中，单键棒长是L1＝0.7。在表达这些关系时，通过使用约0.7的单键，仅需要本发明的新模型中的标准原子球的半径和第n级键的键棒长。
另外重要的一点是，即使本发明的新模型中的共价键半径和单键棒长被任意地确定，也可以被表达，但是，其他的半径如范德华半径和离子半径可以通过氢分子键距，一致地表达单键棒长。这看来说明了不管哪种元素，与键有关的电子云半径都基本相同(共价键的情况下，氢分子键距的1/2)。
因此，为表达共价键，新模型的单键棒长可以从0.18至0.7的范围任意选择。但是，为建立具有能够表达其他类型的键的通用性的分子模型的结构体，最优选将氢分子键键距的单键棒长设定在0.6至0.7的范围。
在本发明的分子结构模型中，可以采用其他公知的分子结构模型的原子球结构和键棒。新模型可与各种键角对应，而无需任何应力。当组装本发明的实际分子结构模型时，通过首先选择考虑到元素的价态的球，然后选择基于键型的键棒，可以在球、棒的选择中没有任何模糊地容易地进行。重复该过程，制备分子结构模型。
有一种分子结构显示软件，是用VRML(Virtual Reality ModelingLanguage)记述的，如MOLDA(广岛大学理化系，吉田弘等)。但是，该软件对原子球半径使用范德华半径。而使用本发明的球/棒尺寸和共价键、范德华半径、离子半径和氢键半径间的关系式，通过VRML阅读器可以简单地表示和直观化各种键合状态。
本发明的实施方式下面将说明单键棒长为0.7时，本发明的分子结构模型的一个具体实施例。
图3的表显示了新模型中的键棒长和原子的球半径。在本实施方式中使用基于“Chemical Handbook，Fundamental Volume II，第二次修订第4版”(日本化学会编，丸善)的650个分子结构实测值数据。该数据包括180种单键原子、59种双键原子和10种叁键原子。另外，对非金属元素的共价键的调查结果是，存在考虑了价态的75种原子。
图2显示了新模型的原子间距离与实测值的误差，以及传统模型原子间距离与实测值的误差。新模型中原子间距离是由图3所示的原子球半径和键型的键棒长确定的。也显示了新模型与由简单的共价键确定的传统模型的计算值的差别。在基于简单的共价键半径的传统模型中，实测值产生8.8±10.2％的误差。另一方面，在本发明的新模型中，误差为-0.5±4.1％。
另外在图2中，新模型中误差小于10％的原子对的比例是约96％，而在基于简单的共价键半径的传统模型中为约61％。在新模型中误差小于5％的原子对的比例是约91％，而在基于简单的共价键半径的传统模型中为约44％。因此，就准确度而言，本发明的新模型通过使用在传统模型中不可知或未用过的概念和方法达到了目的。
图25是表示就原子-C-与其他原子种类的键距而言，新模型与来自分子结构分析数据的实测值的比较图。单键棒长表达为L1＝0.7，但是，当组装本发明的分子结构模型时，可以建立可容许的误差范围内的准确的模型。
另外，由于原子球半径的差别表现了一定程度的电子云，新模型在表达分子的尺寸方面比传统模型更好，其中在传统模型中所有的原子球的半径都相同。图26显示了氟分子和碘分子，图26(a)是新模型，图26(b)是传统模型。特别地在碘分子模型中，传统模型和新模型间存在明显的差别。新模型没有表达说明电子云扩展的范德华半径，但是其能够比仅显示键距的传统模型更准确地直观化分子的尺寸。
如上所述，在本发明的分子结构模型中，由分子结构分析数据获得的原子间距由两个原子球的半径和一根键棒长度的总和来表达。另外，本发明的分子结构模型通过下面的(a)和(b)建立了一种具有通用性的普遍解决方案(a)基于价态而非元素单位区分原子球的半径，且即使在相同的元素中也采用不同的半径长度，和(b)采用由原子间的键合状态区分的键棒长。本发明的解决方案是根据现存的分子结构分析数据确定的，而不是根据现存的范德华半径或共价键半径的数值。因此，本发明可以对实际分子结构表现极为可靠的的直观化。
具体地，在本发明中，由已知的分子结构数据确定单键棒长，然后，确定考虑了基于实测值导出的价态的原子的球半径，作为各原子种类的标准半径。另外，双键和叁键的键棒长表达为简单的二次函数，可以容易地应用于含有共轭结构的分子。此外，基于这样的球半径的值和棒长，共价键半径、范德华半径、离子半径和氢键半径可以由线性函数来表达。
因此，当将本发明的球半径和键棒长的关系式应用于MOLDA(使用范德华半径作为原子的球半径的VRML分子结构显示软件)时，可以在计算机上容易地直观化各种键合状态。另外，从球棒模型变为空间填充型模型可以容易地做到。此外，由于氢键在生物化学领域是重要的，因此本发明在制作含有这样的氢键的分子结构模型方面极为有用。
另外，当实际地组装本发明的分子结构模型时，首先考虑到元素和价态选择球，然后基于键型选择棒。通过重复这些步骤建立分子模型，棒的选择将容易且一致地做到而不会有误差。为表达各种原子种类，球的类型将增加，但是，在表达化学多样性时忽略误差的简单化是不理想的，因为这将变得难以掌握。在本发明中，因为球半径随元素的价态不同而变化，并且棒长随键合状态的不同而变化，因此分子结构模型的组装可能容易地做到而不会有误差。因此，如碳钠米管和C60这样的结构可以基本忠实地再现，其教育的和工业的效果极其显著。
尽管参照优选实施方式说明了本发明，但本领域的技术人员将容易地理解在不背离本发明的思想和范围的情况下，可以进行各种修改和变更。这样的修改和变更被认为属于附后的权利要求书及其等价物的权限和范围内。
权利要求
1.一种通过各种键型的原子间距离准确地表达分子结构的分子结构模型，其中由分子结构分析数据得到的原子间距离被表征为两个原子球的半径和一根键棒的总长度，其中根据价态将原子分类成不同类型并各自赋予尺寸值，基于原子间的键级将棒分类成不同的键型并各自赋予尺寸值，且对于原子球的半径和棒的尺寸值各乘以相同的系数，从而可以直观化那些原子球和棒。
2.根据权利要求1所述的分子结构模型，其中键级为1的单键的键棒的尺寸值被表征为氢分子的键距。
3.根据权利要求1所述的分子结构模型，其中当键级n＝1的单键的键棒的尺寸值为L1＝0.7时，基于键级n的每个键型的键棒的尺寸值Ln与键级n的关系用下面的式1表示式1Ln＝L1+0.01(n-1)(2n-15)。
4.根据权利要求1-3所述的分子结构模型，其中当存在若干相同的原子种类和键型时的尺寸值被表征为加权平均值、算术平均值、中值或最频值的任一种。
全文摘要
本发明涉及一种分子结构模型，它可以将由分子结构分析获得的分子间距离表达为两个原子的球和一根键棒的总长度，并且能够准确地直观化分子结构而不使用范德华半径或共价键半径的数值。该分子模型用于通过下面的(a)和(b)建立一种具有通用性的普遍解决方案(a)根据价态而不是元素单位区分原子的球半径，并且即使在相同的元素中也采用不同的半径长度，和(b)使用根据原子间的键合状态区分的键棒。
文档编号G09B23/26GK1437154SQ031029
公开日2003年8月20日 申请日期2003年1月24日 优先权日2002年2月8日
发明者高松尚久 申请人:株式会社太朗