用于精细分子控制的化学信息学工具包。SMILES/SDF 解析、描述符(分子量、LogP、TPSA)、指纹、子结构搜索、2D/3D 生成、相似性、反应。对于具有
RDKit 化学信息学工具包是一项面向实际任务的技能,主要用于RDKit 是一个全面的化学信息学库,提供用于分子分析和操作的 Python API;此技能提供读写分子结构、计算描述符、指纹生成、子结构搜索、化学反应、2D/3D 坐标生成和分子可视化的指导;
从功能定位来看,该技能强调把分散的操作要求整理成清晰、可复用的处理流程,使用户能够围绕既定目标快速准备输入、选择执行方式并获得结构化结果。实际使用前应先确认任务范围、数据来源、运行环境、必要权限和关键参数,再依据技能说明逐步执行;
若输入条件不完整,应先补齐信息或采用保守配置,避免因错误假设导致结果偏离需求。执行过程中需要关注工具调用是否成功、接口或依赖是否可用、输出格式是否符合预期,并对异常提示、缺失字段和边界情况进行处理;涉及批量任务时,还应保存进度,避免中断后重复操作。
RDKit 是一个全面的化学信息学库,提供用于分子分析和操作的 Python API。此技能提供读写分子结构、计算描述符、指纹生成、子结构搜索、化学反应、2D/3D 坐标生成和分子可视化的指导。将此技能用于药物发现、计算化学和化学信息学研究任务。
当前基线(2026-06-07 检查): RDKit 2026.03.3 是最新的 GitHub/PyPI 版本(PyPI 上的 rdkit 2026.3.3)。官方安装文档继续推荐大多数用户使用 conda-forge,而跨平台 PyPI wheels 以 rdkit 包名发布。rdkit-pypi 是旧版 PyPI 包名,仅在维护旧环境时出现。
将 uv 用于现有 Python 环境:
uv pip install rdkit
对于可复现的化学环境,尤其是混合编译科学包时,conda-forge 仍是上游推荐:
conda create -c conda-forge -n my-rdkit-env rdkit conda activate my-rdkit-env
避免在同一个环境中同时安装 conda rdkit 和 PyPI rdkit/rdkit-pypi,除非你有意调试打包行为。混合安装可能导致不清楚导入的是哪个二进制扩展。
读取分子:
从各种格式读取分子结构:
from rdkit import Chem
# 从 SMILES 字符串
mol = Chem.MolFromSmiles('Cc1ccccc1') # 返回 Mol 对象或 None
# 从 MOL 文件
mol = Chem.MolFromMolFile('path/to/file.mol')
# 从 MOL 块(字符串数据)
mol = Chem.MolFromMolBlock(mol_block_string)
# 从 InChI
mol = Chem.MolFromInchi('InChI=1S/C6H6/c1-2-4-6-5-3-1/h1-6H')
写入分子:
将分子转换为文本表示:
# 转换为规范 SMILES smiles = Chem.MolToSmiles(mol) # 转换为 MOL 块 mol_block = Chem.MolToMolBlock(mol) # 转换为 InChI inchi = Chem.MolToInchi(mol)
批量处理:
使用 Supplier/Writer 对象处理多个分子:
# 读取 SDF 文件
suppl = Chem.SDMolSupplier('molecules.sdf')
for mol in suppl:
if mol is not None: # 检查解析错误
# 处理分子
pass
# 读取 SMILES 文件
suppl = Chem.SmilesMolSupplier('molecules.smi', titleLine=False)
# 大文件或压缩数据
import gzip
with gzip.open('molecules.sdf.gz') as f:
suppl = Chem.ForwardSDMolSupplier(f)
for mol in suppl:
# 处理分子
pass
# 大数据集的多线程处理
suppl = Chem.MultithreadedSDMolSupplier('molecules.sdf')
# 写入分子到 SDF
writer = Chem.SDWriter('output.sdf')
for mol in molecules:
writer.write(mol)
writer.close()
重要说明:
MolFrom* 函数在失败时返回 None 并附带错误消息NoneRDKit 在解析过程中自动清理分子,执行 13 个步骤,包括化合价检查、芳香性感知和手性分配。
清理控制:
# 禁用自动清理
mol = Chem.MolFromSmiles('C1=CC=CC=C1', sanitize=False)
# 手动清理
Chem.SanitizeMol(mol)
# 在清理前检测问题
problems = Chem.DetectChemistryProblems(mol)
for problem in problems:
print(problem.GetType(), problem.Message())
# 部分清理(跳过特定步骤)
Chem.SanitizeMol(mol, sanitizeOps=Chem.SANITIZE_ALL ^ Chem.SANITIZE_PROPERTIES)
常见清理问题:
访问分子结构:
# 遍历原子和键
for atom in mol.GetAtoms():
print(atom.GetSymbol(), atom.GetIdx(), atom.GetDegree())
for bond in mol.GetBonds():
print(bond.GetBeginAtomIdx(), bond.GetEndAtomIdx(), bond.GetBondType())
# 环信息
ring_info = mol.GetRingInfo()
ring_info.NumRings()
ring_info.AtomRings() # 返回原子索引元组
# 检查原子是否在环中
atom = mol.GetAtomWithIdx(0)
atom.IsInRing()
atom.IsInRingSize(6) # 检查 6 元环
# 查找最小环集 (SSSR)
from rdkit.Chem import GetSymmSSSR
rings = GetSymmSSSR(mol)
立体化学:
# 查找手性中心 from rdkit.Chem import FindMolChiralCenters chiral_centers = FindMolChiralCenters(mol, includeUnassigned=True) # 返回 (atom_idx, chirality) 元组列表 # 从 3D 坐标分配立体化学 from rdkit.Chem import AssignStereochemistryFrom3D AssignStereochemistryFrom3D(mol) # 检查键立体化学 bond = mol.GetBondWithIdx(0) stereo = bond.GetStereo() # STEREONONE, STEREOZ, STEREOE 等
片段分析:
# 获取断开的片段 frags = Chem.GetMolFrags(mol, asMols=True) # 在特定键上断裂 from rdkit.Chem import FragmentOnBonds frag_mol = FragmentOnBonds(mol, [bond_idx1, bond_idx2]) # 计数环系统 from rdkit.Chem.Scaffolds import MurckoScaffold scaffold = MurckoScaffold.GetScaffoldForMol(mol)
基本描述符:
from rdkit.Chem import Descriptors # 分子量 mw = Descriptors.MolWt(mol) exact_mw = Descriptors.ExactMolWt(mol) # LogP(亲脂性) logp = Descriptors.MolLogP(mol) # 拓扑极性表面积 tpsa = Descriptors.TPSA(mol) # 氢键供体/受体数量 hbd = Descriptors.NumHDonors(mol) hba = Descriptors.NumHAcceptors(mol) # 可旋转键数量 rot_bonds = Descriptors.NumRotatableBonds(mol) # 芳香环数量 aromatic_rings = Descriptors.NumAromaticRings(mol)
批量描述符计算:
# 一次计算所有描述符
all_descriptors = Descriptors.CalcMolDescriptors(mol)
# 返回字典:{'MolWt': 180.16, 'MolLogP': 1.23, ...}
# 获取可用描述符名称列表
descriptor_names = [desc[0] for desc in Descriptors._descList]
利平斯基五规则:
# 检查类药性 mw = Descriptors.MolWt(mol) <= 500 logp = Descriptors.MolLogP(mol) <= 5 hbd = Descriptors.NumHDonors(mol) <= 5 hba = Descriptors.NumHAcceptors(mol) <= 10 is_drug_like = mw and logp and hbd and hba
指纹类型:
from rdkit.Chem import rdFingerprintGenerator from rdkit.Chem import MACCSkeys # RDKit 拓扑指纹 rdk_gen = rdFingerprintGenerator.GetRDKitFPGenerator(minPath=1, maxPath=7, fpSize=2048) fp = rdk_gen.GetFingerprint(mol) # Morgan 指纹(圆形指纹,类似于 ECFP) # 使用 rdFingerprintGenerator 的现代 API morgan_gen = rdFingerprintGenerator.GetMorganGenerator(radius=2, fpSize=2048) fp = morgan_gen.GetFingerprint(mol) # 基于计数的指纹 fp_count = morgan_gen.GetCountFingerprint(mol) # MACCS 键(166 位结构键) fp = MACCSkeys.GenMACCSKeys(mol) # 原子对指纹 ap_gen = rdFingerprintGenerator.GetAtomPairGenerator() fp = ap_gen.GetFingerprint(mol) # 拓扑扭转指纹 tt_gen = rdFingerprintGenerator.GetTopologicalTorsionGenerator() fp = tt_gen.GetFingerprint(mol) # Avalon 指纹(如有) from rdkit.Avalon import pyAvalonTools fp = pyAvalonTools.GetAvalonFP(mol)
相似性计算:
from rdkit import DataStructs from rdkit.Chem import rdFingerprintGenerator # 使用生成器生成指纹 mfpgen = rdFingerprintGenerator.GetMorganGenerator(radius=2, fpSize=2048) fp1 = mfpgen.GetFingerprint(mol1) fp2 = mfpgen.GetFingerprint(mol2) # 计算 Tanimoto 相似性 similarity = DataStructs.TanimotoSimilarity(fp1, fp2) # 计算多个分子的相似性 fps = [mfpgen.GetFingerprint(m) for m in [mol2, mol3, mol4]] similarities = DataStructs.BulkTanimotoSimilarity(fp1, fps) # 其他相似性指标 dice = DataStructs.DiceSimilarity(fp1, fp2) cosine = DataStructs.CosineSimilarity(fp1, fp2)
聚类与多样性:
# 基于指纹相似性的 Butina 聚类
from rdkit.ML.Cluster import Butina
# 计算距离矩阵
dists = []
mfpgen = rdFingerprintGenerator.GetMorganGenerator(radius=2, fpSize=2048)
fps = [mfpgen.GetFingerprint(mol) for mol in mols]
for i in range(len(fps)):
sims = DataStructs.BulkTanimotoSimilarity(fps[i], fps[:i])
dists.extend([1-sim for sim in sims])
# 使用距离阈值聚类
clusters = Butina.ClusterData(dists, len(fps), distThresh=0.3, isDistData=True)
基本子结构匹配:
# 使用 SMARTS 定义查询
query = Chem.MolFromSmarts('[#6]1:[#6]:[#6]:[#6]:[#6]:[#6]:1') # 苯环
# 检查分子是否包含子结构
has_match = mol.HasSubstructMatch(query)
# 获取所有匹配(返回包含原子索引的元组的元组)
matches = mol.GetSubstructMatches(query)
# 仅获取第一个匹配
match = mol.GetSubstructMatch(query)
常见 SMARTS 模式:
# 伯醇
primary_alcohol = Chem.MolFromSmarts('[CH2][OH1]')
# 羧酸
carboxylic_acid = Chem.MolFromSmarts('C(=O)[OH]')
# 酰胺
amide = Chem.MolFromSmarts('C(=O)N')
# 芳香杂环
aromatic_n = Chem.MolFromSmarts('[nR]') # 环中的芳香氮
# 大环(> 12 个原子的环)
macrocycle = Chem.MolFromSmarts('[r{12-}]')
匹配规则:
反应 SMARTS:
from rdkit.Chem import AllChem
# 使用 SMARTS 定义反应:反应物 >> 产物
rxn = AllChem.ReactionFromSmarts('[C:1]=[O:2]>>[C:1][O:2]') # 酮还原
# 将反应应用于分子
reactants = (mol1,)
products = rxn.RunReactants(reactants)
# Products 是元组的元组(每组产物一个元组)
for product_set in products:
for product in product_set:
# 清理产物
Chem.SanitizeMol(product)
反应特性:
反应相似性:
# 生成反应指纹 fp = AllChem.CreateDifferenceFingerprintForReaction(rxn) # 比较反应 similarity = DataStructs.TanimotoSimilarity(fp1, fp2)
2D 坐标生成:
from rdkit.Chem import AllChem
# 为描绘生成 2D 坐标
AllChem.Compute2DCoords(mol)
# 将分子对齐到模板结构
template = Chem.MolFromSmiles('c1ccccc1')
AllChem.Compute2DCoords(template)
AllChem.GenerateDepictionMatching2DStructure(mol, template)
3D 坐标生成与构象:
# 使用 ETKDG 生成单个 3D 构象
AllChem.EmbedMolecule(mol, randomSeed=42)
# 生成多个构象
conf_ids = AllChem.EmbedMultipleConfs(mol, numConfs=10, randomSeed=42)
# 使用力场优化几何
AllChem.UFFOptimizeMolecule(mol) # UFF 力场
AllChem.MMFFOptimizeMolecule(mol) # MMFF94 力场
# 优化所有构象
for conf_id in conf_ids:
AllChem.MMFFOptimizeMolecule(mol, confId=conf_id)
# 计算构象间的 RMSD
from rdkit.Chem import AllChem
rms = AllChem.GetConformerRMS(mol, conf_id1, conf_id2)
# 对齐分子
AllChem.AlignMol(probe_mol, ref_mol)
约束嵌入:
# 将分子部分约束到特定坐标进行嵌入 AllChem.ConstrainedEmbed(mol, core_mol)
基本绘图:
from rdkit.Chem import Draw
# 将单个分子绘制为 PIL 图像
img = Draw.MolToImage(mol, size=(300, 300))
img.save('molecule.png')
# 直接绘制到文件
Draw.MolToFile(mol, 'molecule.png')
# 在网格中绘制多个分子
mols = [mol1, mol2, mol3, mol4]
img = Draw.MolsToGridImage(mols, molsPerRow=2, subImgSize=(200, 200))
突出显示子结构:
# 突出显示子结构匹配
query = Chem.MolFromSmarts('c1ccccc1')
match = mol.GetSubstructMatch(query)
img = Draw.MolToImage(mol, highlightAtoms=match)
# 自定义高亮颜色
highlight_colors = {atom_idx: (1, 0, 0) for atom_idx in match} # 红色
img = Draw.MolToImage(mol, highlightAtoms=match,
highlightAtomColors=highlight_colors)
自定义可视化:
from rdkit.Chem.Draw import rdMolDraw2D
# 使用自定义选项创建绘图器
drawer = rdMolDraw2D.MolDraw2DCairo(300, 300)
opts = drawer.drawOptions()
# 自定义选项
opts.addAtomIndices = True
opts.addStereoAnnotation = True
opts.bondLineWidth = 2
# 绘制分子
drawer.DrawMolecule(mol)
drawer.FinishDrawing()
# 保存到文件
with open('molecule.png', 'wb') as f:
f.write(drawer.GetDrawingText())
Jupyter Notebook 集成:
# 在 Jupyter 中启用内联显示 from rdkit.Chem.Draw import IPythonConsole # 自定义默认显示 IPythonConsole.ipython_useSVG = True # 使用 SVG 代替 PNG IPythonConsole.molSize = (300, 300) # 默认大小 # 分子现在自动显示 mol # 显示分子图像
可视化指纹位:
# 显示指纹位代表的分子特征 from rdkit.Chem import Draw from rdkit.Chem import rdFingerprintGenerator # 对于 Morgan 指纹 additional_output = rdFingerprintGenerator.AdditionalOutput() additional_output.AllocateBitInfoMap() morgan_gen = rdFingerprintGenerator.GetMorganGenerator(radius=2, fpSize=2048) fp = morgan_gen.GetFingerprint(mol, additionalOutput=additional_output) bit_info = additional_output.GetBitInfoMap() # 绘制特定位的环境 img = Draw.DrawMorganBit(mol, bit_id, bit_info)
添加/去除氢原子:
# 添加显式氢原子 mol_h = Chem.AddHs(mol) # 去除显式氢原子 mol = Chem.RemoveHs(mol_h)
凯库勒化与芳香性:
# 将芳香键转换为交替单键/双键 Chem.Kekulize(mol) # 设置芳香性 Chem.SetAromaticity(mol)
替换子结构:
# 用另一个结构替换子结构
query = Chem.MolFromSmarts('c1ccccc1') # 苯
replacement = Chem.MolFromSmiles('C1CCCCC1') # 环己烷
new_mol = Chem.ReplaceSubstructs(mol, query, replacement)[0]
中和电荷:
# 通过添加/去除氢原子去除形式电荷 from rdkit.Chem.MolStandardize import rdMolStandardize # 使用 Uncharger uncharger = rdMolStandardize.Uncharger() mol_neutral = uncharger.uncharge(mol)
分子哈希:
from rdkit.Chem import rdMolHash # 生成 Murcko 骨架哈希 scaffold_hash = rdMolHash.MolHash(mol, rdMolHash.HashFunction.MurckoScaffold) # 规范 SMILES 哈希 canonical_hash = rdMolHash.MolHash(mol, rdMolHash.HashFunction.CanonicalSmiles) # 区域异构体哈希(忽略立体化学) regio_hash = rdMolHash.MolHash(mol, rdMolHash.HashFunction.Regioisomer)
随机化 SMILES:
# 生成随机 SMILES 表示(用于数据增强) from rdkit.Chem import MolToRandomSmilesVect random_smiles = MolToRandomSmilesVect(mol, numSmiles=10, randomSeed=42)
药效团特征:
from rdkit.Chem import ChemicalFeatures
from rdkit import RDConfig
import os
# 加载特征工厂
fdef_path = os.path.join(RDConfig.RDDataDir, 'BaseFeatures.fdef')
factory = ChemicalFeatures.BuildFeatureFactory(fdef_path)
# 获取药效团特征
features = factory.GetFeaturesForMol(mol)
for feat in features:
print(feat.GetFamily(), feat.GetType(), feat.GetAtomIds())
from rdkit import Chem
from rdkit.Chem import Descriptors
def analyze_druglikeness(smiles):
mol = Chem.MolFromSmiles(smiles)
if mol is None:
return None
# 计算利平斯基描述符
results = {
'MW': Descriptors.MolWt(mol),
'LogP': Descriptors.MolLogP(mol),
'HBD': Descriptors.NumHDonors(mol),
'HBA': Descriptors.NumHAcceptors(mol),
'TPSA': Descriptors.TPSA(mol),
'RotBonds': Descriptors.NumRotatableBonds(mol)
}
# 检查利平斯基五规则
results['Lipinski'] = (
results['MW'] <= 500 and
results['LogP'] <= 5 and
results['HBD'] <= 5 and
results['HBA'] <= 10
)
return results
from rdkit import Chem
from rdkit.Chem import rdFingerprintGenerator
from rdkit import DataStructs
def similarity_screen(query_smiles, database_smiles, threshold=0.7):
query_mol = Chem.MolFromSmiles(query_smiles)
if query_mol is None:
return []
morgan_gen = rdFingerprintGenerator.GetMorganGenerator(radius=2, fpSize=2048)
query_fp = morgan_gen.GetFingerprint(query_mol)
hits = []
for idx, smiles in enumerate(database_smiles):
mol = Chem.MolFromSmiles(smiles)
if mol:
fp = morgan_gen.GetFingerprint(mol)
sim = DataStructs.TanimotoSimilarity(query_fp, fp)
if sim >= threshold:
hits.append((idx, smiles, sim))
return sorted(hits, key=lambda x: x[2], reverse=True)
from rdkit import Chem
def filter_by_substructure(smiles_list, pattern_smarts):
query = Chem.MolFromSmarts(pattern_smarts)
hits = []
for smiles in smiles_list:
mol = Chem.MolFromSmiles(smiles)
if mol and mol.HasSubstructMatch(query):
hits.append(smiles)
return hits
解析分子时始终检查是否为 None:
mol = Chem.MolFromSmiles(smiles)
if mol is None:
print(f"解析失败: {smiles}")
continue
使用安全的存储格式:
import base64
import json
from pathlib import Path
from rdkit import Chem
# SMILES 和 SDF 等可移植交换格式对共享数据最安全。
# 对于本地缓存,RDKit 的二进制分子表示避免了通用 pickle。
payload = [base64.b64encode(mol.ToBinary()).decode("ascii") for mol in mols]
Path("molecules.rdmol.json").write_text(json.dumps(payload))
cached = json.loads(Path("molecules.rdmol.json").read_text())
mols = [Chem.Mol(base64.b64decode(item)) for item in cached]
不要从未受信任的来源加载 Python pickle 文件。Pickle 反序列化可以执行任意代码;对于数据交换,优先使用 SMILES/SDF;对于受信任的本地缓存,使用 RDKit 二进制负载。
使用批量操作:
from rdkit import DataStructs from rdkit.Chem import rdFingerprintGenerator # 一次计算所有分子的指纹 morgan_gen = rdFingerprintGenerator.GetMorganGenerator(radius=2, fpSize=2048) fps = [morgan_gen.GetFingerprint(mol) for mol in mols] # 使用批量相似性计算 similarities = DataStructs.BulkTanimotoSimilarity(fps[0], fps[1:])
当精确的分子标识符或数值特征作为持久化数据集、模型特征管道或受监管报告的一部分时,请固定 RDKit 版本。最近的版本在多个 Python 接口领域更改或记录了行为:
rdkit.Chem.Draw 画布模块和函数(如 MolToImageFile、MolToMPL 和 MolToQPixmap)已被移除;请使用 Draw.MolToFile、Draw.MolToImage 或 rdMolDraw2D。rdkit.Chem.MolStandardize.rdMolStandardize;旧的 Python MolStandardize 实现已被移除。GetSimilarityMapFromWeights()、GetSimilarityMapForFingerprint() 和 GetSimilarityMapForModel() 现在需要 rdMolDraw2D 绘图对象。RDKit 操作通常在以下方面是线程安全的:
非线程安全: 同时访问的 MolSuppliers。
对于大型数据集:
# 使用 ForwardSDMolSupplier 避免加载整个文件
with open('large.sdf') as f:
suppl = Chem.ForwardSDMolSupplier(f)
for mol in suppl:
# 一次处理一个分子
pass
# 使用 MultithreadedSDMolSupplier 进行并行处理
suppl = Chem.MultithreadedSDMolSupplier('large.sdf', numWriterThreads=4)
DetectChemistryProblems() 进行调试AddHs()此技能包括详细的 API 参考文档:
api_reference.md - RDKit 模块、函数和类的全面列表,按功能组织descriptors_reference.md - 可用分子描述符的完整列表及描述smarts_patterns.md - 官能团和结构特征的常见 SMARTS 模式在需要特定 API 细节、参数信息或模式示例时加载这些参考文件。
只有 references/ 和 scripts/ 下列出的文件是捆绑的本地资源。rdkit、datamol、scipy 和 sklearn 等名称指的是可安装的 Python 包,而非此技能中的本地文件。
常见 RDKit 工作流的示例脚本:
molecular_properties.py - 计算全面的分子属性和描述符similarity_search.py - 执行基于指纹的相似性筛选substructure_filter.py - 按子结构模式过滤分子这些脚本可以直接执行或用作自定义工作流的模板。
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