前言
化学领域的都知道，Chem3D 这款软件。Chem 3D 是 ChemOffice 软件包中的子软件之一，其可以非常方便的与另外一个子软件 ChemDraw 联动使用。以致于很多人使用 ChemDraw 把画好的结构式转化为 .mol 文件后，再使用 Chem3D 自带的优化功能优化结构，并将得到的结果当做真理，这毫无疑问是一件十分可笑的事。我本人是是否不推荐使用 Chem3D 建模以及使用 Chem3D 自带的优化功能对结构进行优化。本人认为，这是一件十分没有意义的事情，接下来我来谈谈我对这两件事情的看法。
为什么不推荐使用 Chem3D 建模
使用 Chem3D 建模毫无疑问是因为其可以通过 ChemDraw 画出结构式之后，能同时在 Chem3D 中直接显示出来。这对许多化学专业学生，并且特别是买电脑只用来看电视剧的女（男）生，无疑可以降低建模的门槛。但是其建模的效果却是一眼难尽，如果是一些简单的长链脂肪烃还好。要是涉及到几个环几个环的螺环、桥环等复杂的有机物，Chem3D 建的模型直接不忍直视，有时候会直接出现“飞原子”。更别提有些成键更复杂的无机物了，Chem3D 完全无法处理这种很复杂的化合物。
如果你直接从 ChemDraw 里绘制结构式后保存为 .mol 文件，再打开 Chem3D 读取 .mol 文件，依然还是会有“飞原子”的情况出现。所以笔者不推荐使用 Chem3D 建模，有比 Chem3D 更好的建模程序，比如 GaussView、ChemCraft 等。同样都是收费程序，以上两个程序都要比 Chem3D 好用很多，最重要的是它们还能支持产生量化程序的输入文件，学习如何使用 GaussView 建模，这无疑是对量化计非常有帮助的。
注意！很多人总是以为在 ChemDraw 上画完一个结构式后，再用 Chem3D 打开，程序里显示的模型就是该分子的最优构象，这是非常非常愚蠢的认知！要是有这么简单，那科研人员还用费心费力的研究一个化合物的构象吗？直接用 Chem3D 打开不就行了。Chem3D 产生的构象是毫无信服力的，也不能说明什么，也无法在科研中使用，最多只能是在本科教学里糊弄糊弄本科生。
为什么不推荐使用 Chem3D 优化
在介绍为什么不推荐使用 Chem3D 自带的优化功能之前，我们先了解一下它的工作原理。Chem3D 的优化功能并不是基于量子力学的优化方法，而是使用基于牛顿力学的分子力学优化方法，其中使用的分子力场为 MM2。在计算化学中，分子力学一般用于处理大分子，如蛋白质、核酸等，这被称为分子模拟或分子动力学。相反，对于小分子、晶体和团簇等相对较小的化合物，一般使用量子力学的方法处理，也就是所谓的量子化学计算和第一性原理计算。这种区分主要是因为研究目标的不同，分子力学计算通常研究大量分子在宏观尺度上的运动或其他行为，如墨水在水中的扩散。在这种情况下，研究的尺度非常大，我们不需要关注分子中每个原子的行为和电子的行为，只需使用分子力学来处理各个分子的行为。而量子化学计算的关键问题则是解决薛定谔方程，这需要考虑分子中原子的相对位置和其他微观参数，量子化学计算程序的本质是根据这些参数求解薛定谔方程，获得波函数，从而得到能量、频率等物理量以供研究使用。
显然，如果使用分子力学的方法，优化一个小分子并不太好用，有时候连优化结构都是错的，更别说能量准不准确了。适用分子力学完全不能准确的优化分子的结构，这在下面的例子有很好的体现。下图中右边的分子，我在我的第一篇博文中对该分子进行了全面的分析，如果不了解，可以浏览《对化合物 Cyclobuta[1,2,3,4]dicyclopentene 的理论分析》一文。
使用 Chem3D 自带的 MM2 优化方法进行几何优化后，只能得到一个弯曲的结构。甚至在多次尝试中，会得到类似于梯子一样的构象，这显然是不可接受的。在我的之前的研究中，我使用了量子化学的方法对该结构进行了几何优化和振动分析，计算级别为 wB97XD/def-TZVP。结果表明该分子应该是一个具有 D2h 对称性的平面非典型单双键交替的结构，如下图所示。这进一步强调了Chem3D优化方法的不足之处。如果该方法都不能有效地优化刚性分子，那么对于柔性分子的优化更是毫无用处。
结论
因此，对于需要进行分子结构优化的问题，建议使用基于量子力学的优化方法，并选择更加专业的软件如 Gaussian、VASP、ORCA 等进行计算。这些软件可以提供更加精确和全面的结果，对于科研和实验都能够提供更好的帮助。同时，对于建模问题，也可以使用更加专业的建模软件如 GaussView、ChemCraft 等进行建模。虽然这些软件可能需要一些学习成本，但它们可以提供更好的建模和优化功能，为研究和实验提供更好的帮助。