Автореферат (Новые подходы к извлечению структурной информации из одномерных и двумерных спектров ЯМР высокого разрешения)

На правах рукописиЧешков Дмитрий АлександровичНОВЫЕ ПОДХОДЫ К ИЗВЛЕЧЕНИЮ СТРУКТУРНОЙ ИНФОРМАЦИИИЗ ОДНОМЕРНЫХ И ДВУМЕРНЫХ СПЕКТРОВЯМР ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯСпециальность 02.00.04 — физическая химияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква — 2017 Работа выполнена на кафедре органической химии химического факультетаФедерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшегообразования “Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова”. Научный руководитель:доктор химических наукЧертков Вячеслав АлексеевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорФельдман Эдуард Беньяминовичзаведующий лабораторией спиновой динамики испинового компьютинга ФГБУН Институт проблемхимической физики РАНкандидат химических наук, старший научный сотрудникСтреленко Юрий Андреевичстарший научный сотрудник лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов ФГБУНИнститут органической химии им.

Н.Д. ЗелинскогоВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт “Международный томографическийцентр” Сибирского отделения Российской академиинаукЗащита состоится 29 ноября 2017 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного советаД 212.131.10 при ФГБОУ ВО «Московский технологический университет» по адресу:119571, Москва, проспект Вернадского, д.

86 (аудитория М-119).Отзывы на автореферат направлять по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, д.86,ФГБОУ ВО «Московский технологический университет» (МИТХТ).С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского технологическогоуниверситета по адресу: 119454, Москва, пр. Вернадского, д. 78 и на сайтеhttps://www.mirea.ru/science-and-innovation/dissertation-tips/dissertation-council-d-212-131-10/Автореферат разослан «____» ___________ 2017 г.Ученый секретарь диссертационного советак.х.н.  А.Ю. Путин ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.

Спектроскопия ЯМР составляет важнейшую часть комплексафизико-химических методов исследования строения и свойств органических соединений. Использование различных методик ЯМР позволяет получать информацию не только о структуре иконформационной динамике молекулярных систем, но также о супрамолекулярных взаимодействиях и ориентации молекул в магнитных полях. Для решения таких задач необходимы точныезначения констант спин-спинового взаимодействия, включая их относительные знаки.

Установление величин констант спин-спинового взаимодействия по спектрам ЯМР сложных молекулярных систем требует комплексного подхода, включающего решение обратной задачи прианализе одномерных спектров с дополнением недостающих данных из двумерных спектровЯМР. Недостатками существующих реализаций данного подхода являются: необходимостьпредварительного извлечения точных значений частот переходов из экспериментальныхспектров (при использовании программных комплексов семейства LAOCOON, LAOCOONPAREMUS); трудоемкость или невозможность (в случае спектров сложных многоспиновыхсистем) ручного соотнесения экспериментальных и теоретических значений частот линий (впрограммном комплексе LAOCOON); недостаточная эффективность методов сглаживанияоценочной функции при анализе спектров по полной форме линии (в программных комплексахNMRCON, VALISA, PERCHit). Кроме того, во всех случаях в расчетных методах реализованыалгоритмы локальной оптимизации, использование которых накладывает определенные ограничения на начальные значения оптимизируемых параметров.

Таким образом, разработка новыхметодов расшифровки мультиплетной структуры спектров ЯМР, в том числе с привлечениемданных, получаемых из двумерных спектров, является актуальной задачей.Цель работы. Разработка комплексного подхода к получению точных значений параметров спиновых систем при анализе одномерных и двумерных спектров ЯМР высокого разрешения. Для достижения поставленной цели планировалось решить следующие задачи:- детально проанализировать существующие подходы к расшифровке тонкой мультиплетнойструктуры спектров ЯМР, выявить преимущества и ограничения опубликованных методов;- разработать методы, позволяющие преодолеть ограничения существующих подходов, повысить эффективность и степень автоматизации процесса анализа тонкой мультиплетной структуры спектров ЯМР;- адаптировать методики двумерной гомо- и гетероядерной спектроскопии ЯМР для измеренияпараметров спиновых систем (реализовать режимы регистрации двумерных спектров свысоким разрешением);- определить параметры спиновых систем для ряда модельных соединений с использованиемразработанных методов.3 Научная новизна работы.- Разработан новый подход с оптимизацией методом Монте-Карло (имитация отжига) дляанализа тонкой мультиплетной структуры спектров ЯМР высокого разрешения по полнойформе линии.- Показано, что неградиентный алгоритм локальной оптимизации Пауэлла обладает лучшейсходимостью и устойчивостью при поиске решения спектральных задач в подходе VALISA посравнению с методом Левенберга-Марквардта.- Установлена связь параметров гетероядерного импульсного эксперимента J-спектроскопии свидом двумерного спектра.

Предложен метод обработки спектральных данных двумерныхгетероядерных J-спектров, позволяющий получать надежные значения КССВ.- Полностью расшифрована мультиплетная структура спектров ЯМР 1H растворов стирола, коричного альдегида в CDCl3, CD3CN, C6D6, ментола в CDCl3, L-пролина в CD3OD.

С помощьюдвумерных J-спектров с селективной инверсией определены основные конформационно значимые константы nJC,H в стироле и ментоле. Методами 2D-INADEQUATE установлены значения КССВ nJC,C для ментола.- На основе полученных данных проведено исследование конформационного равновесия вментоле, учитывающее одновременное вращение гидроксильной и изопропильной групп. Сиспользованием точных значения КССВ установлена относительная конфигурация производного гексагидропиримидинтиона.Теоретическая и практическая значимость результатов работы.

Разработанный вработе подход к анализу спектров ЯМР высокого разрешения по полной форме линии с применением вероятностного метода оптимизации (имитации отжига) позволяет в значительной степени автоматизировать процесс расшифровки тонкой мультиплетной структуры спектров, существенно повысить сходимость и устойчивость процесса поиска решения, а также обеспечитьнадежность получаемых результатов. Предложенный в работе алгоритм регистрации и обработки гетероядерных J-спектров с селективной инверсией предоставляет возможность точного измерения малых по величине гетероядерных КССВ nJXH.

Данные, извлекаемые из спектров ЯМРс использованием разработанных методик, позволят надежно охарактеризовывать структуру идинамику молекулярных систем.Личный вклад автора. Систематизация литературных данных. Реализация импульсныхэкспериментов 2D гетероядерной J-спектроскопии, 1H,1H-Soft-COSY, включая разработку импульсных последовательностей, оптимизацию параметров накопления и обработки спектров.Разработка программы анализа спектров по полной форме линии с применением метода симулированного отжига на стадии оптимизации; практическая реализация алгоритма деконволюции спектров по опорному сигналу при обработке одномерных спектров. Расшифровка мультиплетной структуры экспериментальных спектров модельных соединений с помощью существу4  ющего и разработанного программного обеспечения. Подготовка материалов к публикации,представление полученных результатов на конференциях.Положения, выносимые на защиту.- Новый метод анализа спектров ЯМР по полной форме линии с применением вероятностногометода оптимизации (алгоритм симулированного отжига).

Метод успешно проверен натестовых задачах по расшифровке четырех модельных спектров сильносвязанных систем типаABCD, использован при анализе экспериментального спектра L-пролина.- Параметры спиновых систем (включая относительные знаки дальних КССВ nJH,H) и полностьюрасшифрованная тонкая мультиплетная структура протонных спектров стирола и коричногоальдегида (растворы в CDCl3, CD3CN и C6D6), ментола в CDCl3, L-пролина в CD3OD.- Связь вида двумерного гетероядерного J-спектра с параметрами импульсного эксперимента;алгоритм обработки двумерных гетероядерных J-спектров, позволяющий получать пикилоренцевой формы линии в обоих частотных измерениях.- Величины основных конформационно значимых константnJCH для стирола и ментола,измеренные с помощью двумерных гетероядерных J-спектров с селективной инверсией; величины констант nJC,C для ментола, измеренные с помощью 2D INADEQUATE.- Исследование конформационного равновесия в ментоле, связанного с одновременным вращением гидроксильной и изопропильной групп.Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены на международнойконференции “EuroMAR 2011” (Германия, Франкфурт-на-Майне, 2011); V всероссийской конференции “Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях” (Россия, Казань, 2011); 10международном симпозиуме и летней школе “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter”(Россия, Санкт-Петербург, 2013), 11 международном симпозиуме и летней школе “NuclearMagnetic Resonance in Condensed Matter” (Россия, Санкт-Петербург, 2014), международнойконференции “EuroMAR 2016” (Дания, Орхус, 2016).Публикации.

По материалам диссертации опубликованы 4 статьи в научных журналах,отвечающих требованиям ВАК, и тезисы 6 докладов на конференциях.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, списка публикаций автора по теме диссертации, приложения и списка литературы. Материал диссертации изложен на 153 страницах,содержит 21 таблицу и 67 рисунков.