Materials Studio建模教程-9：layer builder工具建立硅的孪晶结构、建立金属-聚合物-金属体系
Materials Studio建模教程-10：Crystal Builder工具建立晶格和可视化，包括氢键的可视化方法
目的：介绍使用analog builder工具枚举分子库的方法。所用模块：Materials Visualizer高通量实验技术的发展已经被以由数以千计的分子组成的库的设计和组合测试为目标的计算方法的进展反映出来。有两种主要的方法用于枚举此类组合库，一种是反应枚举，定义了通用反应和反应物列表；另一种是Markush枚举，涉及一个核心主干结构和各种可能取代基的定义。Analog Builder使用Markush枚举的方法，从由三维坐标定义的多种核心和片段构造库。一旦定义了主干结构和连接点，就可以设计能被连接的取代基的集合。然后Analog Builder列举出了不同的可能组合，产生一系列数以千计的相似结构。在本教程中，将使用Analog Builder枚举一系列有机金属分子，使用三个不同的金属核心产生包含240个类似物的库。启动Materials Studio并建立一个名为Enumerate的新工程。如想获得关于创建新工程的指导，可参见Project management教程。如果Materials Studio还没有打开，双击桌面上的Materials Studio图标，或者从Windows开始菜单的程序列表中选择BIOVIA | Materials Studio，以启动程序。打开New Project对话框，输入Enumerate作为工程名，单击OK按钮。新工程将以Enumerate为工程名列于Project Explorer中。注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将工程中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。有关恢复默认参数设置的步骤，可参见创建工程教程（Creating a project tutorial）。在Markush组合方案中，核心是取代基或者R基团连接到的分子主干结构。在本教程中，将使用Mn、Cr和Ti作为核心主干结构。在Project Explorer中，右键单击Enumerate工程的根目录，从快捷菜单中选择New | 3D Atomistic Document。在Sketch工具栏上单击Sketch Fragment按钮旁的选项箭头，从下拉列表中选择Fragment Browser。将打开Fragment Browser对话框。将使用该对话框定义金属模板，以作为Markush组合中的核心结构。在Fragment Browser对话框中，展开Metal Templates节点。从展开的金属模板列表中选择4 coordinate Td，从Replace undefined atoms with下拉列表中选择Mn。在新文件中单击一次。在Project Explorer中，右键单击3D Atomistic.xsd，从快捷菜单中选择Rename，将文件名改为Mn.xsd。重复以上操作分别建立包含Cr和Ti核心的名为Cr.xsd和Ti.xsd的新原子结构文件。注意：不必从片段库中获取核心结构。它们可以从随Materials Studio安装提供的预建结构文件夹中导入，或者可以选择绘制要用作核心的结构。有了核心结构，现在准备定义R基团将要连接的连接点。从菜单栏中选择Build | Build Analogs。打开Build Analogs对话框。可以通过选择原子并单击Cores选项卡上的Set按钮定义连接点。在Sketch工具栏上单击3D Viewer Selection Mode按钮，并在Ti.xsd文件中选择一个末端H原子，在Build Analogs对话框中单击Set按钮。对另外两个H原子重复这一操作。已经在主干结构上定义了三个连接点，标记为R1、R2和R3。注意由于单击了Set按钮，R基团数字自动增加。提示：可以将多个原子分配给同一个连接点组。在单击Set按钮之前，选择要定义为连接点组的所有原子。为Analog Builder定义核心的最后一步，是设置将用于建立类似物结构库的核心。在Cores选项卡中，单击表中Core栏的空白单元格，从下拉列表中选择Ti.xsd。在Cr和Mn核心上重复以上步骤，分别定义3个名为R1、R2和R3的连接点，然后把它们添加到Build Analogs对话框中的核心列表里。应该已经在Build Analogs 对话框的Cores选项卡上，完成了3个核心的定义，每个都3包括个相同的连接点群(CPG)，如下图所示：Build Analogs对话框的Cores选项卡，金属核心已定义对话框左下角的Total analogs区域，显示了建立的类似物的总数，其值随着输入和枚举参数的定义不断更新。注意此值当前为3，这是因为还没有定义任何R基团。从Build Analogs对话框中选择Fragments选项卡。可利用该选项卡，为建立过程定义R基团，有3个枚举选项：All groups separate——独立处理所有的R基团。在这种情况下，将为每个核心中的每个R基团定义片段列表。因此，已经定义的3个R基团和3个核心，需要设置9个R基团列表。Match groups across cores——具有相同名称的R基团共享相同的片段列表。在这种情况下，将为每个R基团定义一个片段列表。因此，3个核心中有3个不同的R基团，需要设置3个R基团列表。Match all groups——认为所有的R基团都是相同的。在这种情况下，只需要定义1个单独的片段列表。在Connection point groups列表中显示9个不同的连接点群组，由Ti、Cr和Mn的R1-R3组成。选择Match groups across cores选项。所有的核心都聚集到一起，3个R基团中的每一个都是列表中的条目。注意：如果选择了All groups separate或Match groups across cores选项，并将片段分配给各个连接点组时，应该注意，如果之后选择另一选项，则片段将自动在连接点组之间分配，以符合新设置。但是，如果重新选择最初的选项，片段分配将不会更改，即原始设置将不会恢复。因此，建议在开始选择要附加到连接点组的片段之前，决定要使用的连接选项方案。由于定义了多个核心，将使用Match groups across cores选项。现在可以定义将连接到每个连接点上的片段了。在Connection point groups列表中双击包含R1的行。将打开Choose Fragments对话框，包含从Fragment Browser对话框中的相同片段。因此，如果需要定义自定义片段，必须事先把它们添加到片段库中。关于创建自定义片段的方法，可参见定义新片段（defining new fragments）部分。在Choose Fragments对话框中，展开Ligands节点，按住CTRL键，选择Allyl、Ammonia、Butadienyl和Carbon Monoxide，然后单击按钮。片段被移动到Selected fragments列表中。提示：未关联片段的连接点组将在Connection point groups列表中加粗显示。为R基团定义片段后，粗体文本将变为标准文本。在Connection point groups列表中双击包含R2的行，显示Choose Fragments对话框。在Available fragments列表中展开Ligands节点，并选择Ethenyl、Ethylenediamine和Ethylenediaminetetraacetate，单击按钮把它们移动到Selected fragments列表中。展开Functional Groups节点，选择Thiol，把它移动到Selected fragments列表中，单击OK按钮。在Connection point groups列表中双击包含R3的行，显示Choose Fragments对话框。选择Halogens节点，然后单击按钮。片段库中Halogens目录下的所有片段都移动到Selected fragments列表中。在Choose Fragments对话框中单击OK按钮。在Build Analogs对话框底部的Total analogs区域，表明使用当前的枚举参数将构建总共192个可能的类似物。可以通过单击Connection point groups列表中的行来查看不同的片段组。在Build Analogs对话框的Fragments选项卡中，选择Connection point groups列表中包含R1的行，接着选择包含R2和R3连接点组的行。将显示每个连接点组中包含的片段。可以通过在Selected fragments列表中选择并按下DELETE键，从枚举中删除片段，或者也可以双击片段显示Choose Fragments对话框，然后单击按钮。在Connection point groups列表中选择包含R2的行，在Selected fragments列表中选择Ethylenediaminetetraacetate并按下DELETE键。双击包含R2的行，显示Choose Fragments对话框。从Hydrocarbons库中添加Methyl，从Ligands库添加Phosphine到Selected fragments列表中，然后单击OK按钮。在Build Analogs对话框中的Total analogs区域，所给出的可能的类似物数现在增加到240。可利用Build Analogs对话框的Options选项卡，定义Analog Builder的输出选项。可以选择输出结果到数据表文件、轨迹文件或者两者都选。在本教程中将输出类似物到数据表文件中。注意：这里提到的数据表和轨迹文件，将项目中的类似物存储为隐藏的.sd文件。Analog Builder运行时可能生成的.std和.xtd文件，提供了.sd文件中包含的数据的不同显示方式。如果希望将此文件与其他应用程序一起使用，可以在硬盘上找到本机.sd文件和其他Materials Studio工程文件。选择Build Analogs对话框中的Options选项卡，确保从Return results as下拉列表中选择了Study table only。从Name structures by下拉列表中选择Core and fragment numbers。注意：无法指定数据表文档中嵌入的结构文件的名称。设置的命名选项用于填充数据表中的Structure Name列。也可以选择对Analog Builder建立的类似物进行后处理。选中Clean structures复选框表明将使用Materials Visualizer的Clean功能。该工具可以对每个类似物结构使用常用键长和键角查找表，以产生一个近似合理的初始几何形状。使用这个选项将显著增加相似物建立的时间。注意：Clean操作不应取代具有合适哈密顿量或力场条件下的几何优化。如果已经优化了片段和核心，最好使用经典的、半经验的或量子力学方法来优化它们，而不是使用Clean选项。选中Add hydrogens复选框表明将使用Materials Visualizer的Adjust Hydrogen功能，将用H原子填充空价键，并为每个类似物结构重新计算H原子的位置。选中Clean structures复选框并单击Build按钮。在Materials Studio窗口底部的状态栏显示出Analog Builder的运行过程。不同的阶段，如结构建立、几何构型整理、向数据表中插入类似物等，都在状态栏中显示出来。在本例中，整个过程只需要几秒钟。在过程结束后，将返回一个包括类似物结构的数据表，每个类似物都包括名称（根据所选择的命名方式）、核心和片段。关闭Build Analogs对话框，并双击Ti.std中的一个类似物结构。结构显示在一个Study Table Detail View中。关闭Study Table Detail View。在数据表中选择D列，单击Study Table Viewer工具栏上的Sort Ascending按钮。提示：对于数据表中的类似物有很多可以执行的操作，包括使用Forcite、VAMP或Dmol3模块进行结构优化，或者将其进行对齐。从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。可利用Materials Visualizer的Sketch Fragment工具定义自己的片段，并把它们加入到片段库中，并在随后用于Analog Builder中或进行结构绘制。创建一个新的3D Atomistic Document，将其重命名为phenol.xsd。使用Sketch工具栏上的工具建立苯酚结构。通过单击工具栏上的Adjust Hydrogen按钮向结构添加适当数目的H原子，然后通过单击Clean按钮赋予结构一个合理的初始几何形状。注意：为了使结构能够有效地添加到片段库中，它必须是连续键合的和非周期的。片段可以通过绘制结构构建，也可以从预先存在的文件导入。单击Sketch工具栏上Sketch Fragment按钮旁的选项箭头，从下拉列表中选择Define Fragment。打开Define Fragment对话框。向片段库添加片段的第一步是定义连接点，连接点即为在绘制或类似物建立操作中，能连接其它原子的位置。对苯酚来说，连接点是羟基氢。注意：只有单键的末端原子可以用作连接点。不允许有多个连接点；不能将具有多个连接点的片段添加到片段库中。单击3D Viewer Selection Mode按钮，在phenol.xsd中选择羟基氢原子。在Define Fragment对话框上单击Define按钮。在苯酚分子上定义了一个连接点，用红色线框表示出来。从Fragment library下拉列表中选择Rings，在Fragment Name框中输入名称Phenol，单击Add按钮，关闭对话框。苯酚片段添加到片段库中的Rings区域中，通过状态栏中显示的信息Fragment Phenol created in library
Rings可以确认。提示：还可以通过直接在Fragment library区域中输入名称，为要添加的片段创建一个新的库。现在可以将苯酚片段用于结构绘制或者作为Analog Builder的R基团了。从菜单栏中选择File | Save Project，或在Project工具栏中单击Save Project按钮。