題材4 複素環をSMILES・構造式ファイルから作る（カフェイン）

骨格テンプレートにない縮合環の分子は、SMILES（1行の構造式）か、ほかのソフトで描いた構造式ファイルから作ります。カフェインをSMILESから3Dで作る方法と、2次元で描いた .sdf を開いて水素を補い、3D構造を作り直す方法の2通りを試し、B3LYP/6-31G*で構造を最適化します。

作るもの	内容
分子	カフェイン C₈H₁₀N₄O₂（24原子・電荷 0・一重項）
使う機能	SMILESから作成、パレットの検索からのSMILES、構造ファイルを開く、水素を補完、3Dを再生成、骨格テンプレートの複素環
計算	B3LYP/6-31G*、構造最適化
計算時間の目安	約59分（MPI 6プロセス、ほかの計算と並行）
計算環境	AMD Ryzen 7 2700X（8コア・16スレッド）、メモリ 32 GB、NWChem 7.3.1（Linux）
練習データ	`caffeine.molforma.json`（SMILESから作った構造）、`caffeine_2d.sdf`（水素のない2次元の構造式）

SMILESから作ったカフェインの候補

1. SMILESから作る

「ファイル → SMILESから作成…」を選びます（ヘッダー左のファイル名のメニューにも同じ項目があります）。
入力欄に Cn1cnc2c1c(=O)n(C)c(=O)n2C を入れて「3Dで作成」を押します。Open Babelが水素を付けて3D構造を作り、力場（MMFF94）で整えた結果が候補になります（「変更候補: SMILESから分子を作成」）。別プロセスで動くので、時間がかかる分子では3D画面の上の「整形を中止」で止められます。

図1 「ファイル → SMILESから作成…」のダイアログにSMILESを入れて「3Dで作成」を押します。
候補が C8H10N4O2 · 24原子 · 25結合であることを確かめて「変更を確定」します。芳香環の結合は破線付きの二重線で表示されます。

図2 3D構造は候補として表示されます。原子数と結合数を確かめて確定します。

図3 確定したカフェイン（C8H10N4O2 · 24原子）。

SMILESを読めないときは理由を表示し、「SMILESを修正…」で入力し直せます。今の分子を残したまま横に加える場合は「ファイル → SMILESから断片を追加…」を使います。部品パレットの検索欄にSMILESを入れると、どの部品にも当たらない場合に「SMILES「…」から3Dで作成」が出て、クリックすると今の分子の横に候補を作ります。

2. 2次元の構造式ファイルから作る

構造式エディタで描いて書き出した .sdf / .mol は、平面の座標（z = 0）で水素がないことがよくあります。

「ファイル → 開く…」で caffeine_2d.sdf を開きます。重原子だけの C8N4O2 · 14原子が平面に並びます。

図4 2次元の構造式ファイルを開いたところ。水素がなく、原子が平面に並んでいます。
3D画面の上の「水素を補完」を押します。足りない水素が付いて C8H10N4O2 · 24原子になります（原子を選んでいなければ全体が対象）。

図5 「水素を補完」で足りない水素が付き、24原子になります。形はまだ平面のままです。
「ツール → 3Dを再生成」を押します。結合から3D座標を作り直し、力場で整えた結果が候補になります（「変更候補: 3Dを再生成」）。確かめて「変更を確定」します。

図6 「ツール → 3Dを再生成」の結果は候補として表示されます。

開ける形式は XYZ・MOL・SDF・Mol2・CML・PDB・NWChem入力（.nw）・Gaussian入力（.gjf）です。XYZは結合を距離から推定するので、イオンでは形式電荷を設定してから水素を補完してください。座標の表の「構造 → 構造ファイルを読み込む…」で読むと、計算条件を残したまま構造だけを置き換えます。

3. テンプレートとの使い分け

骨格テンプレートには単環の複素環（ピリジン・ピロール・フラン・チオフェン・イミダゾール・ピリミジン）とナフタレンがあります。これらに置換基を付けて作れる分子はテンプレートから組み（題材3）、プリン骨格のような縮合複素環や大きな分子はSMILESか構造ファイルから作ります。

4. 計算して結果を見る

「2 計算条件」で、計算目的を「構造最適化」、手法を「DFT」（B3LYP）、基底関数を「6-31G*」にします。全電荷 0・多重度 1です。
「計算を実行」（F5）で計算します。

図7 計算後の「結果ビューア」の「概要」。

図8 「最適化」タブ。初めの数ステップでエネルギーが大きく下がり、残りはメチル基の回転などの小さな調整です。

実行した結果

項目	値
計算のエネルギー	−680.376988294 Eh
構造最適化	29ステップで収束
双極子モーメント	3.83 D

縮合環の骨格は初期構造（SMILESからの3D）でほぼ決まっていて、ステップの多くは3つのメチル基の回転に使われます。振動数も計算すると、極小であること（虚振動なし）を確かめられます。

うまくいかないとき

「SMILESを解析できません」括弧・環番号の対応、芳香族の小文字（c・n）の書き方を確かめます。電荷は [NH4+] のように角括弧で書きます。
2次元のまま平らになっている「3Dを再生成」を使います。「全体整形」は今の座標から力場で整えるだけなので、平面の初期構造から立体を起こすには向きません。
固定原子があると3D再生成できない3D再生成は全原子の座標を作り直すので、固定原子があると拒否します。