可生成任意聚合度线形聚合物结构、拓扑以及电荷的在线程序

王纪峰

摘要：在含有聚合物的分子动力学模拟中，用户常常面临着高聚合度的聚合物结构搭建复杂，原子电荷赋予困难，难以构建非均聚物等问题。在这里，我们提出了一种基于原子编辑、节点矩阵以及邻接矩阵的聚合物生成方法，可生成任意聚合度线形聚合物结构（.pdb，.mol2，.xyz）、拓扑文件（Gromacs的.itp，.top）以及RESP电荷的在线程序。并且将其集成在了课题组开发的在线平台中（arXiv preprint arXiv:2507.04423, 2025.）（https://cleanenergymaterials.cn），用户仅需要选择生成聚合物的类别（均聚物、嵌段共聚物、交替共聚物、无规共聚物），并且输入每个组分的SMILES式以及重复单元数量，即可进行生成。平台同时也集成了基于组分贡献法预测用户输入的聚合物性质（Tg，Tm，拉伸强度、杨氏模量与静态介电常数）。


使用方法：
（1）首先进入CEMP平台的聚合物模块（https://cleanenergymaterials.cn/polymer/generate_polymer_display），然后按照下图按顺序填写内容。

其中需要特别注意的是，组分的SMILES必须含有明确的键接位点，例如对于乙烯基片段，应该写成 (论坛似乎打不出来这个“方括号+星号+方括号”)，而非CC，如果不按照要求，则会报错。
这种SMILES的获取方式可以通过chemdraw绘制，如下图所示：

绘制后，框选分子，右键——molecule——copy as——SMILES，即可将分子复制到黏贴版上
除此之外，还需要注意Name必须由“英文字母”，“下划线”，“数字”构成（或者只包含英文字母），如果只使用数字，则可能产生不识别的问题。

用户初次体验时，可能存在对“带有键接”位点的SMILES了解的不够准确，导致写入错误的键接位点，平台提供了SMILESDrawer功能，能够快速帮助用户查看自己绘制的SMILES是否符合预期
SMILESDrawer：https://cleanenergymaterials.cn/autocompute/smilesdrawer


（2）填写完毕后，用户可以点击“Predict Polymer”按钮进行初步性质预测（未上线，已接受，Chin. J. Polym. Sci.  https://doi.org/10.1007/s10118-025-3402-y），也可以直接点击“Generate Polymer”开始聚合物生成。
值得注意的是，聚合物生成相对较慢，因为会调用结构优化对组分片段进行初步优化（b3lyp/6-311G** em=gd3bj scale=0.9682）并且生成计算RESP所必须的量子化学检查点文件，所以首先会返回任务的ID号，用户此时可以等待任务完成，任务完成后会发送提醒邮件到用户的注册邮箱中。

（3）任务完成后，进入Query查询界面（https://cleanenergymaterials.cn/query/），上进行查看任务进度，任务完成后，将任务的TASK ID输入到上方搜索框中，并提交。

此时会返回绘图文件的下载链接。

（4）其中第一个链接为用户填写的表格，第二个链接为生成的聚合物的结构和拓扑文件：

查看生成的效果：

查看给出的itp以及top文件


注意事项：
1.        拓扑文件的生成基于sob老师开发的Sobtop实现，力场为GAFF（暂时不支持更改）。
2.        目前仅支持生成适配Gromacs的itp以及top文件。
3.        RESP电荷计算基于Multiwfn实现，需要引用Tian Lu, J. Chem. Phys., 161, 082503 (2024) DOI: 10.1063/5.0216272
4.        需要引用CEMP平台arXiv preprint arXiv:2507.04423, 2025.

王纪峰

科研小白0126 发表于 2025-8-20 15:59
您好方便问一下您这是chemdraw哪个版本吗，我的ChemDraw 22.0.0 64未找到该工具

其实不需要使用工具来写键接位点，直接使用文本编辑，在键接位点处用文本写入*即可（注意对其位点）

科研小白0126

王纪峰 发表于 2025-8-20 20:12
后台发现您这边输入的单体SMILES过于复杂，在转化为SMILES转化为3D结构的过程出现了问题，导致失败，目前 ...

好的谢谢您

王纪峰

科研小白0126 发表于 2025-8-19 21:50
大佬我这是smile格式不对吗，纯小白
Failed to run notebook: 2_Polymer_chg_and_Polymer_creation_ Linea ...

后台发现您这边输入的单体SMILES过于复杂，在转化为SMILES转化为3D结构的过程出现了问题，导致失败，目前正在想方法解决。

科研小白0126

科研小白0126 发表于 2025-8-20 18:12
打扰您了，我这个两个任务正在进行是只有完全结束才会显示在下面的任务历史的吗

这两个任务是我的吗老师，我看下面历史记录和我提交的时间不一样

科研小白0126

打扰您了，我这个两个任务正在进行是只有完全结束才会显示在下面的任务历史的吗

牧生

科研小白0126 发表于 2025-8-20 15:59
您好方便问一下您这是chemdraw哪个版本吗，我的ChemDraw 22.0.0 64未找到该工具

你能给某个原子标正负电荷，就能标上那个*

我用的很旧了，还是2012版的

科研小白0126

牧生 发表于 2025-8-20 12:22
一般情况下，很多人用chemdraw画结构式，没有很注意那个连接位点，包括我自己也从来就没注意过那个*号表示 ...

您好方便问一下您这是chemdraw哪个版本吗，我的ChemDraw 22.0.0 64未找到该工具

科研小白0126

王纪峰 发表于 2025-8-20 10:29
认真看帖子，写的SMILES明显不对，键接位点呢

万分感谢您的回复

科研小白0126

牧生 发表于 2025-8-20 12:22
一般情况下，很多人用chemdraw画结构式，没有很注意那个连接位点，包括我自己也从来就没注意过那个*号表示 ...

感谢大神终于知道怎么在smiles里找连接位点了

xiaowu759

It sounds good. I'll try it.

牧生

一般情况下，很多人用chemdraw画结构式，没有很注意那个连接位点，包括我自己也从来就没注意过那个*号表示连接点。。

我在这里帖一下方法。。

用丙烯酸为例：

因为组合成聚合物链，是一个重复过程，所以，必须画重复的单元，*号视为那个连接的点，需要在两端分别点上一个*号，且电荷必须正确。



得到的结果就是这样的结构式


然后复制为SMILES



得到

王纪峰

SMILES的问题在上面已经回答的非常详细了，请仔细核对SMILES是否正确，类似问题不再回答

王纪峰

科研小白0126 发表于 2025-8-19 21:50
大佬我这是smile格式不对吗，纯小白
Failed to run notebook: 2_Polymer_chg_and_Polymer_creation_ Linea ...

认真看帖子，写的SMILES明显不对，键接位点呢

科研小白0126

大佬我这是smile格式不对吗，纯小白
Failed to run notebook: 2_Polymer_chg_and_Polymer_creation_ Linear_polymer.ipynb
Return Code: 1
Standard Output:

Standard Error:
[NbConvertApp] Converting notebook /data/jupyternotebook_public/Project15_AI_ML_BMS_JZZ/cemp/media/Polymer/GeneratePolymer/20250819_212106_f3b689/2_Polymer_chg_and_Polymer_creation_ Linear_polymer.ipynb to notebook
Traceback (most recent call last):
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/bin/jupyter-nbconvert", line 10, in
    sys.exit(main())
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/jupyter_core/application.py", line 283, in launch_instance
    super().launch_instance(argv=argv, **kwargs)
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/traitlets/config/application.py", line 1075, in launch_instance
    app.start()
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/nbconvertapp.py", line 420, in start
    self.convert_notebooks()
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/nbconvertapp.py", line 597, in convert_notebooks
    self.convert_single_notebook(notebook_filename)
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/nbconvertapp.py", line 563, in convert_single_notebook
    output, resources = self.export_single_notebook(
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/nbconvertapp.py", line 487, in export_single_notebook
    output, resources = self.exporter.from_filename(
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/exporters/exporter.py", line 201, in from_filename
    return self.from_file(f, resources=resources, **kw)
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/exporters/exporter.py", line 220, in from_file
    return self.from_notebook_node(
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/exporters/notebook.py", line 36, in from_notebook_node
    nb_copy, resources = super().from_notebook_node(nb, resources, **kw)
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/exporters/exporter.py", line 154, in from_notebook_node
    nb_copy, resources = self._preprocess(nb_copy, resources)
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/exporters/exporter.py", line 353, in _preprocess
    nbc, resc = preprocessor(nbc, resc)
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/preprocessors/base.py", line 48, in __call__
    return self.preprocess(nb, resources)
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/preprocessors/execute.py", line 103, in preprocess
    self.preprocess_cell(cell, resources, index)
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbconvert/preprocessors/execute.py", line 124, in preprocess_cell
    cell = self.execute_cell(cell, index, store_history=True)
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/jupyter_core/utils/__init__.py", line 165, in wrapped
    return loop.run_until_complete(inner)
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/asyncio/base_events.py", line 647, in run_until_complete
    return future.result()
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbclient/client.py", line 1062, in async_execute_cell
    await self._check_raise_for_error(cell, cell_index, exec_reply)
  File "/data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/nbclient/client.py", line 918, in _check_raise_for_error
    raise CellExecutionError.from_cell_and_msg(cell, exec_reply_content)
nbclient.exceptions.CellExecutionError: An error occurred while executing the following cell:
------------------
if __name__ == '__main__':
    main()
------------------

----- stdout -----
--------PQx-IT-------PQx-IT----------PQx-IT--------PQx-IT---------PQx-IT-------PQx-IT----------PQx-IT--------PQx-IT--------
------------------

---------------------------------------------------------------------------
FileNotFoundError                         Traceback (most recent call last)
Cell In[26], line 2
      1 if __name__ == '__main__':
----> 2     main()

Cell In[25], line 16, in main()
     14 smiles = df.loc[df['Name'] == name, 'SMILES'].values[0]
     15 n = int(df.loc[df['Name'] == name, 'repeating unit'].values[0])
---> 16 processing(name, smiles, n)
     17 print(f"--------{name}-------{name}----------{name}--------{name}---------{name}-------{name}----------{name}--------{name}--------")

Cell In[24], line 16, in processing(polymer_name, smiles, n, nproc, mem)
     13 mol = Chem.MolFromSmiles(smiles)
     15 # 获取聚合物链重复单元的原子电荷
---> 16 repeat_unit_charges = repeat_unit_charge_list(chg_filename)
     18 # 获取聚合物链端基聚合位点的原子电荷信息
     19 end_group_atom_charges_dict = create_end_group_atom_charges_dict(repeat_unit_charges, mol, n)

Cell In[5], line 7, in repeat_unit_charge_list(chg_filename)
      3 '''
      4 chg_filename：聚合物单个重复单元的电荷信息文件
      5 '''
      6 repeat_unit_charges = []
----> 7 with open(chg_filename, 'r') as file:
      8     for line in file:
      9         # 假设电荷信息在每行的最后一列
     10         repeat_unit_charges.append(float(line.split()[-1]))

File /data/jiazheju/anaconda3/envs/cemp_env/lib/python3.9/site-packages/IPython/core/interactiveshell.py:284, in _modified_open(file, *args, **kwargs)
    277 if file in {0, 1, 2}:
    278     raise ValueError(
    279         f"IPython won't let you open fd={file} by default "
    280         "as it is likely to crash IPython. If you know what you are doing, "
    281         "you can use builtins' open."
    282     )
--> 284 return io_open(file, *args, **kwargs)

FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: 'PQx-IT.chg'