Diese Seite erklärt, welche Konventionen beim Erstellen von chemischen Strukturformeln für die Wikipedia beachtet werden sollten.
Leitfaden zur Erstellung einer Strukturformel Ein Schritt-für-Schritt-Tutorial für 2D-Darstellungen mit verschiedenen Softwarepaketen findet sich unter WP:WEIS/TUT. |
Bevor man einen Chemikalienartikel mit einer Strukturformel versieht, sollte man überlegen und ggfs. in der Fachliteratur oder einem Lehrbuch nachsehen, welche Bindungsart überhaupt vorliegt.
Generell gilt: Wenn es sich um rein ionische Verbindungen handelt (das sind zumeist anorganische Salze), dann ist eine Strukturformel mit Valenzstrichen fehl am Platz.
Valenzstrichformeln kommen eigentlich nur bei Verbindungen zur Anwendung, die auch tatsächlich kovalente Bindungen enthalten. Es gibt natürlich Grenzfälle, in denen sowohl kovalente als auch ionische Bindungen vorkommen. Diese sind dann so darzustellen, dass klar hervorgeht, welche Bindungen ionisch und welche kovalent sind. Bei nichtionischen anorganischen Verbindungen kann – soweit vorhanden und aussagekräftig – eine Kristallstruktur angegeben werden. Eine Valenzstrichformel sollte stets gewählt werden, wenn die Bindungsverhältnisse (Einfach- und Mehrfachbindungen, freie Elektronenpaare) relevant sind. Die Kristallstruktur kann dann zusätzlich neben den Text gesetzt werden.
In komplexen Metall-Koordinationsverbindungen können Bindungsstriche verwendet werden, diese deuten dann aber eher die Geometrie der Ligandenanordnung an, als dass sie auf die Bindungsart Bezug nehmen. Die Angabe von Ladungen ionischer Liganden ist dann sehr sinnvoll.
Falls nicht klar ist, welche Strukturdarstellung in Frage kommt, ist die Redaktion Chemie gerne bereit, mit Rat und Tat zu helfen. Ansonsten ist es besser, die Struktur zunächst einmal wegzulassen. Dies gilt besonders für die bzgl. der Strukturen etwas problematischen ionischen Verbindungen. Eine einfache Ionendarstellung wie in obiger Tabelle ist sicher kein Fehler, eine Kristallgitterdarstellung sollte man aber nur versuchen, wenn man ein gewisses „Gefühl“ für die richtige Perspektive und den richtigen Ausschnitt des Gitters besitzt, sonst verwirrt eine solche Darstellung mehr, als sie zur Erklärung der strukturellen Verhältnisse beiträgt.
Formel-Editoren sind in großer Auswahl erhältlich als Freeware / Open Source Programme. Die folgende Liste darf (und soll) ergänzt werden:
Für das Anfertigen von 2D-Strukturformeln findet sich auf einer Unterseite ein Tutorial, das für verschiedene Softwarepakete eine Schritt-für-Schritt-Anleitung enthält, wie die Software mit welchen Einstellungen zu installieren ist, wie die gezeichneten Formeln gespeichert und ggf. konvertiert werden müssen, damit sie den Festlegungen der Redaktion Chemie entsprechen.
Strukturformeln sollten möglichst als Vektorgrafik im SVG-Format hochgeladen werden, alternativ können sie auch im PNG-Format erstellt werden. Bilder im PNG-Format sollten eine hohe Auflösung haben (Breite von 1000 bis 2000 Pixeln), um in druckbaren Medien genutzt werden zu können. Bei so hoher Auflösung ist ein zusätzliches Glätten entbehrlich. Bei SVG spielt die Auflösung keine Rolle.
Das Hochladen auf Wiki Commons ermöglicht es Schwester-Projekten, die Strukturformeln mitnutzen zu können. Daraus folgt auch, dass Verbindungsnamen oder anderer deutschsprachiger Text in der Bildlegende untergebracht werden sollte, nicht auf dem Bild selbst. Einen Link zum bereits ausgefüllten Hochladeformular findet man unter Commons WikiProject Chemistry.
Da Strukturformeln nicht die nötige Schöpfungshöhe erreichen, um geschützt zu sein, sollen sie immer unter einer Public Domain-Lizenz eingestellt werden.
Lizenzen sind dazu da, geistiges Eigentum zu schützen. Die meisten Strukturformelgrafiken dürften aber aufgrund der geringen bzw. nicht vorhandenen Schöpfungshöhe ohnehin nicht zu den schutzfähigen Werken gehören (vgl. §§ 1 und 2 Abs. 2 UrhG), wären also gemeinfrei und könnten gar nicht geschützt werden. Solche Strukturformelgrafiken sollten daher beim Hochladen auf Commons mit „{{PD-chem}}
“ gekennzeichnet werden.
Die Strukturformeln sollten schwarz auf transparentem (oder allenfalls weißem) Hintergrund gezeichnet werden. Für zusätzliche Angaben wie Lokanten, Bindungslängen oder -winkel empfiehlt es sich, Farben zu wählen, damit sie sich von der eigentlichen Formel abheben.
Die empfohlenen Einstellungen sind unter Wiki: Wie erstelle ich Strukturformeln?/Tutorial Strukturformeln#Maße aufgeführt.
In den Strukturformeln, besonders in der Chemobox, sollten Lokanten nicht abgebildet werden, es sei denn, der Artikel behandelt explizit die Nomenklatur der Verbindung. Zur Abgrenzung sollten die Lokanten in einer anderen Farbe dargestellt werden.
Bei organisch-chemischen Verbindungen ist das explizite Zeichnen von Kohlenstoffatomen unüblich, außer wenn das Atom eine besondere Bedeutung in der Struktur besitzt (als Reaktionspartner, um eine Stereoisomerie zu markieren etc.) oder allgemein in Verbindungen mit weniger als zehn Atomen. Eine solche Darstellung nennt man Gerüstdarstellung oder Skelettformel. Sie eignet sich insbesondere für Strukturformeln großer Moleküle, bei denen die Angabe von Wasserstoffatomen selbst an endständigen Gruppen zur Unübersichtlichkeit führen würde. Endständige Kohlenstoffatome sind mit den entsprechenden Bindungspartnern einzuzeichnen.
Die explizite Anführung von Wasserstoffatomen an Gerüstkohlenstoffatomen ist in der Regel nicht nötig. Eine Ausnahme bildet die Aldehydgruppe, die normalerweise, falls sie mit Bindungen ausgeschrieben wird, auch den aldehydischen Wasserstoff zeigt. Wasserstoffatome an Heteroatomen sollten dagegen grundsätzlich angeführt werden, da die Wertigkeiten unterschiedlich sein können und die Zahl der „fehlenden“ H-Atome nicht immer unbedingt klar erkennbar ist. Bei kleinen Molekülen sollten aus ästhetischen Gründen auch die endständigen Methylgruppen als –CH3 dargestellt werden, da die strenge Skelettformel hier zu spartanisch wirkt und es für Nicht-Chemiker zu Informationsverlust oder zu Missverständnissen kommen kann. Sollte die Angabe der endständigen CH3-Gruppen bei größeren Molekülen zur „Überladung“ und „Gedränge“ in der Strukturformel führen, verwendet man besser die Gerüstdarstellung. Innerhalb einer Strukturformel sollte einheitlich verfahren werden, also nicht etwa eine Methylgruppe mit H-Atomen, eine andere dagegen nur als Strich.
In der Chemie ist es üblich, immer wieder auftretende Strukturteile, Reste oder Schutzgruppen abzukürzen, um die Strukturformeln übersichtlicher zu gestalten. Oft werden Methylgruppen als „–Me“, Ethylgruppen als „–Et“, Phenylgruppen als „–Ph“ oder „–Φ“ abgekürzt. Die Liste der gängigen Abkürzungen ist lang und beschränkt sich nicht nur auf einfache Reste, sondern sogar auf komplexere Moleküle (z. B. Aminosäuren oder Kohlenhydrate). In der Wikipedia sollte nach Möglichkeit auf solche Abkürzungen verzichtet werden, da man von Laien nicht erwarten kann, dass sie ständig eine Liste parat haben (oder aufrufen), die ihnen solche Abkürzungen in verständliche Strukturen „übersetzt“. Abkürzungen können ausnahmsweise dann verwendet werden, wenn es aus zeichnerischen Gründen geboten erscheint. Es dürfen aber nur Abkürzungen benutzt werden, die sich entweder selbst erklären (Me, Et) oder auch in allgemein zugänglichen Lehrbüchern zu finden sind. Auch hier sollte innerhalb einer Strukturformel, einer Reaktionsgleichung oder eines Reaktionsmechanismus Einheitlichkeit herrschen, also nicht Abkürzungen und Strukturdarstellungen von Resten gemischt verwendet werden.
In Molekülen mit mehreren verschiedenen allgemeinen organischen Resten R, sollten diese durchnummeriert werden. So ist es richtig: R1, R2, R3 usw.– So ist es falsch: R1, R2, R3. Die Bezeichnungen R´, R´´, R´´´ usw. sind wegen der Durchgängigkeit zu vermeiden.
Sind freie Elektronenpaare mit Bezug auf die jeweilige Verbindung von Interesse, so soll die Strukturformel in der Chemobox auch mit den relevanten Elektronenpaaren (i. d. R. als Strich, nicht als Pünktchen oder Ladungswolken) dargestellt werden. Mögliche Verwechslungen mit Buchstaben aus Elementsymbolen wie Cl und I sind durch die Art der Darstellung (z. B. Drehung/Spiegelung des Moleküls) zu vermeiden.
Bei der Verwendung von Keilstrichen zur Veranschaulichung der Konfiguration eines Stereozentrums sind die Keilstriche stets mit dem schmalen Ende zum Stereozentrum zu zeichnen. Damit wird den Empfehlungen der IUPAC entsprochen. Keilstriche dürfen nie zur Verbindung zweier Stereozentren verwendet werden, da eine eindeutige Bestimmung der Konfiguration dann nicht möglich ist.
Nichtkoordinative Molekülbindungen, wie z. B. das Kristallwasser in hydratisierten Salzen, werden im Fließtext als Hochpunkt „·“ dargestellt. In TeX ist der Befehl „\cdot“ zu verwenden.
Beim Aufstellen linearer Alkylketten schreibt man immer zuerst das Kettenglied und nachfolgend die Atome, die daran gebunden sind: CH3—CH2—CH3. Mit Heteroatomen sollte wie folgt vorgegangen werden: CH3–(CH2)10–C=O(OH). Andere Schreibweisen, etwa H2C=CH2, sind nur dann darzustellen, wenn sie der Veranschaulichung dienen.
Strukturformeln von Polymeren sollen so dargestellt werden, dass die Wiederholeinheit in eckigen Klammern geschrieben wird, der nachfolgende tiefgestellte Index kursiv gesetzt und die Bindungen zu Molekülteilen außerhalb der eckigen Klammern normal durchgehend gezeichnet sind.
Das Erstellen idealer 3D-Modelle, zum Beispiel mit Molecular Modelling, erfordert Sachverstand! 3D-Modelle sind dort sinvoll, wo sie durch Illustration Zusammenhänge verständlicher machen. Das kann dann der Fall sein, wenn z. B. sterische und/oder elektronische Charakteristika eines Pharmakophors erklärt oder räumliche Aspekte von Reaktionen sichtbar gemacht werden sollen. Eine Inflation „bunter Bildchen“ soll hingegen vermieden werden. 3D-Darstellungen sollen grundsätzlich in energieminimierter/-armer Konformation abgebildet werden, andernfalls verfehlen sie ihren Zweck. Dazu sind unbedingt in der Bildbeschreibung (Commons) präzise und ausreichende Angaben zu machen: im Fall berechneter Modelle a) zur benutzten Software, b) zum benutzen Näherungsverfahren und c) ggf. weitere zur Nachvollziehbarkeit nötige Daten. Der Algorithmus sollte bei kleinen Molekülen mindestens „semi-empirisch“ basiert sein. Bei nicht-trivialen Strukturen ist der Abgleich mit der Fachliteratur erforderlich.
Zur Veranschaulichung des Gestaltaspekts ist ein Darstellungsmodus zu bevorzugen, der sowohl einen guten Tiefenblick ermöglicht als auch Atome farblich markiert zeigt. Klobige Kalottenmodelle sind also in der Regel wenig zweckdienlich. Optimal sind für gewöhnlich Stäbchenmodelle (auch Kugel-Stab-Modell, siehe Bild). Als Faustregel kann gelten: wenn eine Kalottenansicht nicht alle Atome zumindest teilweise zeigt, ist ein Stäbchenmodell vorzuziehen. Stärker raumfüllende Modi können gewählt werden, wenn konkret oberflächenspezifische Aspekte (van-der-Waals, elektrostatisches Potenzial) illustriert werden sollen. Zuletzt sollte das Molekül räumlich so gedreht werden, dass die wesentlichen Strukturelemente gut sichtbar sind. In manchen Fällen liefern erst zwei unterschiedliche Ansichten optimalen Informationsgewinn. Solange ein genügender Kontrast gewährleistet ist, sollte die Hintergrundfarbe (im 3D-Editor) möglichst auf „weiß“ gesetzt werden.
CORINA online http://www.molecular-networks.com/online_demos/corina_demo ist ein einfach zu bedienender 3D-Modellgenerator, welcher von dem Arbeitskreis Prof. Gasteiger mit der Zielsetzung entwickelt wurde, die Strukturbestimmung mit besonders geringem Zeitaufwand zu erledigen. Dieser Vorteil wird erkauft mit Abweichungen von der Idealgeometrie. Es wird z. B. mit „Presets“ gearbeitet. Inwieweit diese Abweichungen tolerierbar sind, ist vom Einzelfall sowie vom Qualitätsanspruch abhängig. CORINA ist nicht „idiotensicher“. Als Stolperfallen können sich Pseudochiralitätszentren erweisen (z. B. Amine, bei denen durch Protonierung ein Chiralitätszentrum entsteht). Diese Besonderheiten gilt es im SMILES-Code zu berücksichtigen, d. h. die korrekten relativen Energieminima sind manuell sicherzustellen. Gezeigt wird dies hier am Beispiel Reserpin. Die ältere Bildversion zeigt die falsche Struktur, die durch das Nichtbeachten der erforderlichen künstlichen Konfigurationsangabe entstand.
Weiteres Prozedere zur Bilderstellung: Die von CORINA zurückgelieferte pdb-Datei wurde mit jmol in die optimale Position gebracht und damit auch das Stick-Modell zum Rendern mit Povray produziert, was eine Minute dauert.
Allgemeines: Das Beispiel demonstriert sehr schön, dass man „korrekte“ 3D-Modelle nicht im Vorbeigehen aus dem Hut zaubert, und es erklärt obige „mahnende“ Ausführungen. Die Kenntnis und korrekte Bedienung der Algorithmen ist durchaus das kleinere Problem. Der Zeichner braucht vor allem viel Gespür/Erfahrung und Geduld, bzw. den Willen, Recherche zu betreiben, was auch lästige Fernleihe mit einschließen kann.
Zur Ästhetik: Colorierung, perspektivische Erscheinung, Wahl des Renderings (Sticks) und Bildschärfe sind ausgezeichnet gelungen. Die Perspektive wäre gut gewählt, würde die Formel stimmen.
Aber warum ist die Formel falsch? Alle Atome sind mit den richtigen Partnern verbunden, auch die fünf stereoisometrischen Zentren haben die richtige Anordnung. Die Konformation jedoch offenbart das ganz typische Dilemma. Sie ist aus physikalischer und biologischer Sicht richtig schön falsch und damit aus allgemeiner Sicht irrelevant und – das ist entscheidend – im Gegensatz zur unproblematischen Strukturformel grob irreführend. Der Laie denkt, das Molekül sähe in natura genau so und nicht anders aus, und wird mit diesem Irrtum sich selbst überlassen.
Zur Korrektur: Ring D gehört umgeklappt (an N4 und C15); damit stehen die Ringe C und D cis (also genauso wie die Ringe D und E) zueinander, es ergibt sich also eine „Treppe“. In anderen Worten, bei tertiären Aminen ist die Konformation des Stickstoffatoms zu berücksichtigen (durch Protonierung entsteht ein weiteres Stereozentrum!). Eigenhändiges Nachrechnen bestätigte eine klare Energiedifferenz. In dieser Konformation stehen die Ester schön entspannt äquatorial, statt axial. Schwenkt man dann noch das Indol–OCH3 nach hinten, dann sollte es für mittlere Ansprüche reichen.
Was für kleine Moleküle gilt, ist bei großen akut: wenn es Software gäbe, die die Tertiärstruktur (und damit die exakte räumliche Position der Atome) von Proteinen schnell und korrekt vorhersagen könnte, gäbe es all die Kristallzüchtungsversuche in der Raumstation ISS nicht. Es sind also nur tatsächlich gemessene Werte akzeptabel. Das bedeutet, dass bei Darstellungen von Protein-Tertiärstrukturen
Speziell der prominente Bildbereich der Infobox Protein erfordert als „Hingucker“ weitere Qualitätsbetrachtungen.
Und natürlich gilt
F: Warum schreiben die Engländer dann immer „crystal structure“?
A: Die Struktur des jeweiligen Proteinkristalls ist genaugenommen die gesamte in der PDB-Datei enthaltene Information. Dieses greifbare Forschungsergebnis ist die Kristallstruktur und so wird sie in dem jeweiligen Paper auch genannt. Alle hier besprochenen Modelle sind ihre Visualisierungen mittels verschiedener Modelle.
Proteinmodelle lassen sich recht einfach mit der OpenSource Software PyMol erstellen. Dazu muss man natürlich zuerst PyMOL installieren, unter Linux ist das recht unkompliziert, mit Debian/Ubuntu z. B.:
apt-get install pymol
Unter Windows ist das etwas komplizierter. Entweder man hält sich an die Anweisungen auf http://pymol.org/, wobei man am einfachsten von deren Sourceforge Seite herunterladen kann. Instruktionen dazu gibt es im PyMol Wiki. Falls man sich nicht lange mit dem Studieren von Anleitungen aufhalten will, kann man auch einfach den Anweisungen auf der Seite von Thibault Tubiana folgen. Unter Umständen funktioniert die Batch-Datei (.bat) darin nicht, dann muss man die Datei mit dem Texteditor öffnen und alles von Hand ausführen, wobei man einfach nur %PYTHONPATH%
durch den Pfad ersetzen muss, in den man Python installiert hat.
Ist diese – zugegebenermaßen etwas abschreckende – Hürde genommen, kann man anfangen zu rendern. Dazu braucht man eine PDB-Datei mit den Strukturdaten seines Lieblingsproteins, zum Beispiel von RCSB. Diese kann man dann, wie von sonstiger Software auch gewohnt, einfach im GUI von PyMOL öffnen, und ein wenig mit den Einstellungen herumprobieren. Der Vorteil an den Dateien von RCSB ist, dass sie Lizenzfrei sind, die damit erstellten Bilder sind es also auch. Genaueres dazu findet man auf deren Usage and Policies-Seite.
Eine kleine Anleitung, wie man die erstellten Renderbilder dann in eine taugliche Auflösung bekommt und speichert findet sich auch im PyMol Wiki. Kurzanleitung für ein PNG-Bild mit 2400×2400 Pixeln und 300 dpi Auflösung in der Eingabezeile von PyMOL:
ray 2400,2400 png Pfad\Dateiname, dpi=300
Aber vorsicht: Das Rendern kann je nach Größe und Komplexität des Proteins, und verfügbarer Rechenleistung einige Augenblicke (bis zu einer Minute) dauern. Alternativ kann man Bilder auch mithilfe der GUI speichern.
Proteinbilder sollten dabei immer im PNG-Format gespeichert und hochgeladen werden (kein JPG, kein TIFF). GIF ist nur für animierte Renderfilmchen sinnvoll, die sich mit PyMOL auch erstellen lassen.
Anschließend kann man das erstellte Bild bei Wiki Commons hochladen. Dazu sollte man den PDB-Eintrag mittels {{PDB|ID}}, und den auf der Seite zum Eintrag aufgelisteten Literaturverweis zitieren. Ein Beispiel wie man es machen kann ist c:File:Acetolactate synthase.png.
In der Vorlage „Infobox Chemikalie“ (wenn der Parameter {{{Strukturformel}}}
nicht angegeben wird) wird der Hinweis auf eine fehlende Strukturformel automatisch erzeugt. In dem betreffenden Feld wird dann ein Link auf diese Seite ausgegeben und der Artikel wird in die Kategorie:Wikipedia:Strukturformel nicht vorhanden einsortiert.
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