借助ChemDraw和Chem3D构建大分子模型

想必不少读者都用过ChemDraw和Chem3D来建模，先用ChemDraw画出体系的结构式，保存为cdx格式文件，再用Chem3D打开，用自带的MM2或MMFF94力场粗略优化结构，最后保存成一些量子化学程序支持的格式，例如Gaussian的gjf文件。这个过程对小分子来说经常屡试不爽，有时候比直接在GaussView的构建结构要方便得多。但是有时候对于大一些的体系，Chem3D在打开cdx文件将结构转化为立体结构时，得到的结构会与我们期望的结果大相庭径。这时我们可以借助Chem3D中的Edit → Paste Special → Preserve Coordinates来获得稍微理想一些的结构，以下举两个实例。

第一个例子来自文献J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 7723的图1，如下所示：

我们尝试构建M1的结构。首先在ChemDraw中画出结构，如下图所示：

这个结构如果我们保存cdx后用Chem3D打开，或者在ChemDraw中复制，再到Chem3D中粘贴，会得到如下的结构：

虽然环的形状保持了，但是接下来用MM2优化的时候结构始终不能优化得比较理想，环扭曲得比较严重。笔者还曾遇到过分子完全乱套的情况。这时我们可以在ChemDraw中将整个分子复制后，在Chem3D中用 Edit → Paste Special → Preserve Coordinates 来粘贴，能够得到一个环状的结构，这样做的缺点是会完全保持平面结构，如下图所示：

这个时候再用力场优化一下，得到的结构还算可以：

这样的结构用MOPAC或GFN-xTB之类的程序再优化一下，就比较理想了。需要注意的是在用MM2力场优化时，程序会给N或O之类的原子加上一个lone pair，保存为gjf文件时也会保存下来，可以在Chem3D中通过Structure → Lone Pairs → Remove来删除，然后再保存。

第二个例子是COF-5的孔道，来自文献Science, 2005, 310, 1166。原文其实提供了CCDC号，直接用晶体结构建模即可，此处只是作为示例。其结构如下：

这个例子在笔者的电脑上用Chem3D直接打开cdx文件，或直接粘贴时，Chem3D竟然直接闪退了，估计这个结构对Chem3D来说太难了，在用其内部算法转成立体结构时直接崩溃了，而用上面的保留坐标的方式粘贴则没问题，如下图：

这个结构甚至可以直接丢给量化程序去进一步优化结构。

这是笔者今天刚学到的一点小技巧，分享给大家，感谢参与讨论的同学。如果读者对本文内容有补充，欢迎留言交流。