RDKit|分子修改与编辑

一、初级篇

1.氢原子显示与隐藏

正常情况下，分子在rdkit中存储时，氢以隐式氢的形式存储，即不会在图片中显示出来。当需要加入氢原子时，例如要生成和优化立体结构，可以通过函数加上氢原子。

• 加氢：AddHs()
• 去氢：RemoveHs()

>>> from rdkit import Chem
>>> m = Chem.MolFromSmiles('CCO')
>>> print(m.GetNumAtoms())
3
>>> m2 = Chem.AddHs(m)
>>> print(m2.GetNumAtoms())
9
>>> m2 = Chem.RemoveHs(m2)
>>> print(m2.GetNumAtoms())
3

2.芳香键与kekule式转换

• 芳香键在Rdkit中存储类型为"AROMATIC"，可以转化为kelule式：Kekulize()

>>> m = Chem.MolFromSmiles('c1ccccc1')
>>> print(m.GetBondWithIdx(0).GetBondType())
AROMATIC
>>> Chem.Kekulize(m)
>>> print(m.GetBondWithIdx(0).GetBondType())
DOUBLE
>>> print(m.GetBondWithIdx(1).GetBondType())
SINGLE

转化后，类型中虽然变为单键和双键，但依然是芳香键

• 查看是否为芳香键：GetIsAromatic()

>>> print(m.GetBondWithIdx(1).GetIsAromatic())
True

• 之所以仍然为芳香键，是因为分子有一个跟芳香性相关的属性Flags，记录了芳香性的信息。可以在kelulize时将clearAromaticFlags参数设置为True

>>> Chem.Kekulize(m, clearAromaticFlags=True)
>>> print(m.GetBondWithIdx(0).GetBondType())
DOUBLE
>>> print(m.GetBondWithIdx(1).GetIsAromatic())
False

• 如果想修改回芳香键，可以对分子进行检查：SanitizeMol()

>>> Chem.SanitizeMol(m)
>>> print(m.GetBondWithIdx(0).GetBondType())
AROMATIC

二、高级篇

1.Atom和Bond对象的编辑功能

在rdkit的Atom对象中也提供了一系列功能，可以对分子进行原位编辑。

• 修改形式电荷：atom.SetFormalCharge(int)
• 修改杂化方式为SP3：atom.HybridizationType(Chem.HybridizationType.SP3)
• 修改为芳香原子：atom.SetIsAromatic(True)
• 修改为同位素标记原子：atom.SetIsotope(int)
• 不带隐式氢：atom.SetNoImplicit(True)
• 固定显示氢：atom.SetNumExplicitHs(int)

Bond对象类似

• 修改键的显示方式：SetBondDir(Chem.BondDir.BEGINDASH)
• 修改为芳香键：SetBondType(Chem.BondType.AROMATIC)
• 修改键芳香性的Flags：SetIsAromatic(bool)
• 是否共轭：SetIsConjugated(bool)

不挨个说明了，感兴趣可以试试各个函数及相关参数，举几个可能会遇到的例子

• 修改手性碳：SetChiralTag()
  参数设置为Chem.ChiralType.CHI_TETRAHEDRAL_CCW时，为S型（Counter Clockwise，逆时针）
  参数设置为Chem.ChiralType.CHI_TETRAHEDRAL_CW时，为R型（Clockwise，顺时针）
  还有CHI_OTHER、CHI_UNSPECIFIED不指定类型

>>> m = Chem.MolFromSmiles('OC(N)C')
>>> m.GetAtomWithIdx(1).SetChiralTag(Chem.ChiralType.CHI_TETRAHEDRAL_CW)
>>> m

• 修改原子：atom.SetAtomicNum()

>>> m = Chem.MolFromSmiles('c1ccccc1')
>>> m.GetAtomWithIdx(0).SetAtomicNum(7)
>>> Chem.SanitizeMol(m)
>>> Chem.MolToSmiles(m)
'c1ccncc1'

• 别忘了检查步骤，虽然有时候看起来没什么问题

>>> m = Chem.MolFromSmiles('c1ccccc1')
>>> m.GetAtomWithIdx(0).SetAtomicNum(8)
>>> Chem.MolToSmiles(m)
'c1ccocc1'

• 但该分子本身其实是错误的：SanitizeMol()

>>> Chem.SanitizeMol(m)
---------------------------------------------------------------------------
KekulizeException                         Traceback (most recent call last)
<ipython-input-80-8aabfab76642> in <module>
----> 1 Chem.SanitizeMol(m)

KekulizeException: Can't kekulize mol.  Unkekulized atoms: 1 2 3 4 5

2.RWMol类的编辑功能

更复杂的操作可以使用rdkit.Chem.rdchem.RWMol类（用于分子读写的类）。这个类在修改分子方面，性能更好，它可以提供一个“活动的”分子，并且共享了mol对象的操作接口。修改完毕后，只需要用GetMol()就可以获得最终的分子

>>> m = Chem.MolFromSmiles('CC(=O)C=CC=C')
>>> mw = Chem.RWMol(m)
>>> mw

• 替换原子：ReplaceAtom(index, newAtom, …)
  index：要替换的原子索引
  newAtom：新的原子对象

>>> mw.ReplaceAtom(4, Chem.Atom(7))
>>> mw

• 添加原子：AddAtom(atom)
  atom：要添加的原子对象
  返回值是新添加原子的索引

>>> mw.AddAtom(Chem.Atom(6))
>>> mw.AddAtom(Chem.Atom(6))
>>> mw

• 添加键：AddBond(beginAtomIdx, endAtomIdx, order)
  beginAtomIdx：键的起始原子
  endAtomIdx：键的末尾原子
  order：键的类型

>>> mw.AddBond(6, 7, Chem.BondType.SINGLE)
>>> mw.AddBond(7, 8, Chem.BondType.DOUBLE)
>>> mw.AddBond(8, 3, Chem.BondType.SINGLE)
>>> mw

• 删除原子：RemoveAtom()
  传入原子索引
  每次删除后，索引都会更新

>>> mw.RemoveAtom(0)
>>> mw

• 其他一些操作Mol的方法，对RWMol也同样适用

>>> print(Chem.MolToSmiles(mw))
O=CC1=NC=CC=C1
>>> print(Chem.SanitizeMol(mw))
SANITIZE_NONE
>>> print(Chem.MolToSmiles(mw))
O=Cc1ccccn1

• 修改完后，可以获取该分子的Mol对象：mw.GetMol()

>>> m_edit = mw.GetMol()
>>> type(m_edit)
rdkit.Chem.rdchem.Mol

• 大功告成

本文参考自rdkit官方文档。
代码及源文件在这里。