Modelo que llena el espacio

En química , un modelo de relleno espacial , también conocido como modelo de Calotte , es un tipo de modelo molecular tridimensional (3D) donde los átomos se representan mediante esferas cuyos radios son proporcionales a los radios de los átomos y cuyas distancias entre centros son proporcionales a las distancias entre los núcleos atómicos , todo en la misma escala. Los átomos de diferentes elementos químicos suelen representarse mediante esferas de distintos colores.

Los modelos de calotte que llenan el espacio también se conocen como modelos CPK, en honor a los químicos Robert Corey , Linus Pauling y Walter Koltun , quienes a lo largo del tiempo desarrollaron el concepto de modelado hasta convertirlo en una forma útil. ^{[ 1 ]} Se distinguen de otras representaciones 3D, como los modelos de bolas y varillas y los esqueléticos , por el uso de esferas que llenan el espacio a "tamaño completo" para los átomos. Los modelos son táctiles y se pueden rotar manualmente. Son útiles para visualizar la forma efectiva y las dimensiones relativas de una molécula y (debido a la posibilidad de rotación) las formas de la superficie de los distintos conformeros . Por otro lado, estos modelos enmascaran los enlaces químicos entre los átomos y dificultan la visualización de la estructura de la molécula que queda oculta por los átomos más cercanos al observador en una posición determinada. Por este motivo, estos modelos resultan más útiles si se pueden utilizar de forma dinámica, especialmente cuando se utilizan con moléculas complejas (por ejemplo, véase la mayor comprensión de la forma de las moléculas que se obtiene al hacer clic en el modelo de THC para rotarlo).

Los modelos de relleno espacial surgen del deseo de representar las moléculas de forma que reflejen las superficies electrónicas que presentan, las cuales determinan cómo interactúan entre sí (o con superficies, o macromoléculas como enzimas, etc.). Los datos cristalográficos son el punto de partida para comprender la estructura molecular estática, y estos datos contienen la información rigurosamente necesaria para generar representaciones de relleno espacial (por ejemplo, véanse estos modelos cristalográficos ); sin embargo, lo más frecuente es que los cristalógrafos presenten las ubicaciones de los átomos derivadas de la cristalografía mediante " elipsoides térmicos " cuyos parámetros de corte se establecen por conveniencia para mostrar las ubicaciones de los átomos (con anisotropías ) y permitir la representación de los enlaces covalentes u otras interacciones entre átomos como líneas. En resumen, por razones de utilidad, los datos cristalográficos históricamente se han presentado de forma más parecida a los modelos de esferas y varillas. Por lo tanto, si bien los datos cristalográficos contienen la información para crear modelos que llenan el espacio, correspondió a las personas interesadas en modelar la forma estática efectiva de una molécula, el espacio que ocupa y las formas en que podría presentar una superficie a otra molécula, desarrollar el formalismo mostrado anteriormente.

En 1952, Robert Corey y Linus Pauling describieron modelos a escala precisos de moléculas que habían construido en Caltech . ^{[ 1 ]} En sus modelos, concibieron la superficie de la molécula como determinada por el radio de van der Waals de cada átomo de la molécula, y crearon átomos como esferas de madera dura con un diámetro proporcional al radio de van der Waals de cada átomo, en la escala de 1  pulgada = 1 Å . Para permitir enlaces entre átomos, se cortó una porción de cada esfera para crear un par de caras planas coincidentes, con los cortes dimensionados de manera que la distancia entre los centros de las esferas fuera proporcional a las longitudes de los tipos estándar de enlaces químicos. ^{[ 1 ]} Se diseñó un conector: un casquillo metálico que se enroscaba en cada esfera en el centro de cada cara plana. Las dos esferas se mantenían firmemente unidas por una varilla metálica insertada en el par de casquillos opuestos (con fijación mediante tornillos). Los modelos también tenían características especiales para permitir la representación de enlaces de hidrógeno . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

En 1965, Walter L. Koltun diseñó y patentó un sistema simplificado con átomos de plástico moldeado de varios colores , unidos mediante conectores a presión especialmente diseñados; este sistema más simple lograba esencialmente los mismos objetivos que el sistema Corey-Pauling, ^{[ 4 ] [ 5 ]} y permitió el desarrollo de los modelos como una forma popular de trabajar con moléculas en entornos de formación e investigación. Estos modelos de relleno espacial de tipo van der Waals, codificados por colores y con longitud de enlace definida, se conocen ahora comúnmente como modelos CPK, en honor a estos tres desarrolladores del concepto específico.

En las investigaciones modernas, se ha vuelto a prestar atención al uso de modelos cristalográficos con gran cantidad de datos, combinados con métodos computacionales tradicionales y novedosos, para generar modelos de moléculas, tanto simples como complejas, que rellenen el espacio. En estos modelos visuales se puede incorporar información adicional, como qué partes de la superficie de la molécula son fácilmente accesibles al disolvente , o cómo se pueden añadir las características electrostáticas de una representación que rellene el espacio (que en el caso del CPK se deja casi por completo a la imaginación). Las dos imágenes finales muestran ejemplos de este último tipo de cálculo y representación, así como su utilidad.

• Modelo de bolas y varillas : representación de los enlaces y la estructura tridimensional de una molécula. 
• Superficie de Van der Waals : modelo de interacción de moléculas 
• Código CPK : Convención de colores para diferenciar átomos. 
• Gráficos moleculares – Gráficos por computadora 
• Software para modelado molecular
• Software de diseño molecular
• Fórmula estructural : representación gráfica de una estructura molecular. 

• Más información sobre modelos moleculares y un par de ejemplos de química y biología (el artículo está en alemán).