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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГООБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА»ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиЧЕШКОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧНОВЫЕ ПОДХОДЫ К ИЗВЛЕЧЕНИЮ СТРУКТУРНОЙИНФОРМАЦИИ ИЗ ОДНОМЕРНЫХ И ДВУМЕРНЫХСПЕКТРОВ ЯМР ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ02.00.04 – физическая химияДИССЕРТАЦИЯна соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор химических наук,ведущий научный сотрудникЧертков Вячеслав АлексеевичМосква – 2017Оглавление1. Введение ..................................................................................................................................... 42.

Обзор литературы ...................................................................................................................... 82.1. Методы определения параметров спектров ЯМР высокого разрешения ......................8 2.1.1. Анализ одномерных спектров ЯМР высокого разрешения ..................................... 9 2.1.1.1. Прямая спектральная задача. Расчет одномерных спектров ЯМР ...................

9 2.1.1.2. Способы задания оценочной функции .............................................................. 12 2.1.1.3. Методы оптимизации спектральных параметров ............................................ 16 2.1.2. Особенности подготовки и обработки экспериментальных спектров .................. 17 2.1.2.1. Методы получения однородного магнитного поля.................................... 17 2.1.2.2. Методы предварительной обработки спектров ................................................

20 2.1.3. Методы многоимпульсной и многомерной спектроскопии .................................. 24 2.1.3.1. Прямое наблюдение сигнала ЯМР ..................................................................... 24 2.1.3.2. Генерация частот в непрямом измерении .........................................................

25 2.1.3.3. Моделирование многоимпульсного эксперимента ЯМР................................. 28 2.1.4. Определение спектральных параметров с помощью многоимпульсныхэкспериментов ........................................................................................................... 31 2.1.4.1. Метод спинового эха ........................................................................................... 31 2.1.4.2. Измерение величин и установление относительных знаков КССВ по кросспикам COSY .........................................................................................................

36 2.1.4.3. Методы измерения КССВ по двумерным мультиплетам ................................ 40 2.1.4.4. Селективные импульсы для регистрации фрагмента двумерного спектра ... 42 2.1.4.5. Методы измерения КССВ между спинами с низким естественнымсодержанием ......................................................................................................... 43 2.2. Методы теоретического предсказания констант спин-спинового взаимодействия ... 55 2.2.1. Конформационные зависимости констант спин-спинового взаимодействия ......

56 3. Обсуждение результатов ........................................................................................................ 603.1. Постановка задачи настоящего исследования ............................................................... 60 23.2. Развитие методов анализа одномерных спектров .........................................................

62 3.2.1. Усовершенствование подхода VALISA ................................................................... 62 3.2.2. Исследование стратегии дополнительных уширений в случае локальныхминимумов ................................................................................................................

63 3.2.3. Метод имитации отжига ............................................................................................ 66 3.3. Анализ формы линий сигналов в двумерных гетероядерных J-спектрах ...................75 3.4. Демонстрация возможностей разработанных методов расшифровки мультиплетнойструктуры для характеристики структурных свойств молекул .................................. 81 3.4.1.

Анализ спектров ЯМР стирола ................................................................................. 81 3.4.1.1. Анализ протонных спектров ЯМР стирола....................................................... 81 3.4.1.2. Измерение некоторых гетероядерных 1H -13C КССВ в стироле .....................88 3.4.2. Анализ спектров коричного альдегида ....................................................................

92 3.4.3. Анализ спектров (-)-ментола ..................................................................................... 96 3.4.3.1. Анализ протонных спектров (-)-ментола .......................................................... 96 3.4.3.2. Измерение некоторых гетероядерных 1H -13C КССВ в (-)-ментоле ............. 101 3.4.3.3. Измерение 13C-13С КССВ в (-)-ментоле ........................................................... 105 3.4.3.4.

Исследование конформационного равновесия в растворе ментола ............. 108 3.4.4. Анализ спектров L-пролина .................................................................................... 116 3.4.5. Определение относительной конфигурации производногогексагидропиримидинтиона по данным 1H ЯМР спектров. ...............................122 4. Экспериментальная часть ..................................................................................................... 1244.1.

Протокол регистрации спектров ЯМР .......................................................................... 124 4.2. Процедура калибровки селективных импульсов ......................................................... 125 4.3. Особенности компьютерных вычислений.................................................................... 126 5. Выводы ................................................................................................................................... 1276. Список публикаций по теме диссертации...........................................................................

1287. Приложение ........................................................................................................................... 1308. Список литературы................................................................................................................ 13931. ВведениеАктуальность работы.Спектроскопия ЯМР составляет важнейшую часть комплекса физико-химическихметодов исследования строения и свойств органических соединений. Использование различных методик ЯМР позволяет получать информацию не только о структуре и конформационной динамике молекулярных систем, но также о супрамолекулярных взаимодействиях и ориентации молекул в магнитных полях. Для решения таких задач необходимыточные значения констант спин-спинового взаимодействия, включая их относительныезнаки.

Установление величин констант спин-спинового взаимодействия по спектрам ЯМРсложных молекулярных систем требует комплексного подхода, включающего решениеобратной задачи при анализе одномерных спектров с дополнением недостающих данныхиз двумерных спектров ЯМР. Недостатками существующих реализаций данного подходаявляются: необходимость предварительного извлечения точных значений частот переходов из экспериментальных спектров (при использовании программных комплексов семейства LAOCOON, LAOCOON-PAREMUS); трудоемкость или невозможность (в случаеспектров сложных многоспиновых систем) ручного соотнесения экспериментальных итеоретических значений частот линий (в программном комплексе LAOCOON); недостаточная эффективность методов сглаживания оценочной функции при анализе спектров пополной форме линии (в программных комплексах NMRCON, VALISA, PERCHit).

Крометого, во всех случаях в расчетных методах реализованы алгоритмы локальной оптимизации, использование которых накладывает определенные ограничения на начальные значения оптимизируемых параметров.Таким образом, разработка новых методов расшифровки мультиплетной структурыспектров ЯМР, в том числе с привлечением данных, 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 мультиплетной структуры спектров ЯМР, выявить преимущества и ограничения опубликованных методов;4- разработать методы, позволяющие преодолеть ограничения существующих подходов, повысить эффективность и степень автоматизации процесса анализа тонкоймультиплетной структуры спектров ЯМР;- адаптировать методики двумерной гомо- и гетероядерной спектроскопии ЯМР дляизмерения параметров спиновых систем (реализовать режимы регистрации двумерных спектров с высоким разрешением);- определить параметры спиновых систем для ряда модельных соединений сиспользованием разработанных методов.Научная новизна работы.- Разработан новый подход с оптимизацией методом Монте-Карло (имитация отжига)для анализа тонкой мультиплетной структуры спектров ЯМР высокого разрешенияпо полной форме линии.- Показано, что неградиентный алгоритм локальной оптимизации Пауэлла обладаетлучшей сходимостью и устойчивостью при поиске решения спектральных задач вподходе VALISA по сравнению с методом Левенберга-Марквардта.- УстановленасвязьпараметровгетероядерногоимпульсногоэкспериментаJ-спектроскопии с видом двумерного спектра.

Предложен метод обработки спектральных данных двумерных гетероядерных J-спектров, позволяющий получатьнадежные значения КССВ.- Полностью расшифрована мультиплетная структура спектров ЯМР 1H растворовстирола, коричного альдегида в CDCl3, CD3CN, C6D6, ментола в CDCl3, L-пролина вCD3OD. С помощью двумерных J-спектров с селективной инверсией определены основные конформационно значимые константы nJC,H в стироле и ментоле. Методами2D-INADEQUATE установлены значения КССВ nJC,C для ментола.- На основе полученных данных проведено исследование конформационного равновесия в ментоле, учитывающее одновременное вращение гидроксильной и изопропильной групп. С использованием точных значения КССВ установлена относительная конфигурация производного гексагидропиримидинтиона.Теоретическая и практическая значимость результатов работы.Разработанный в работе подход к анализу спектров ЯМР высокого разрешения пополной форме линии с применением вероятностного метода оптимизации (имитации отжига) позволяет в значительной степени автоматизировать процесс расшифровки тонкоймультиплетной структуры спектров, существенно повысить сходимость и устойчивостьпроцесса поиска решения, а также обеспечить надежность получаемых результатов.

Предложенный в работе алгоритм регистрации и обработки гетероядерных J-спектров с селек5тивной инверсией предоставляет возможность точного измерения малых по величине гетероядерных КССВ nJXH.Данные, извлекаемые из спектров ЯМР с использованием разработанных методик,позволят надежно охарактеризовывать структуру и динамику молекулярных систем.Личный вклад автора.-Систематизация литературных данных.-Реализация импульсных экспериментов 2-D гетероядерной J-спектроскопии,1H,1H-Soft-COSY, включая разработку импульсных последовательностей, оптими-зацию параметров накопления и обработки спектров.-Разработка программы анализа спектров по полной форме линии с применениемметода симулированного отжига на стадии оптимизации; практическая реализацияалгоритма деконволюции спектров по опорному сигналу при обработке одномерных спектров.-Расшифровка мультиплетной структуры экспериментальных спектров модельныхсоединений с помощью существующего и разработанного программного обеспечения.-Подготовка материалов к публикации, представление полученных результатов наконференциях.Положения, выносимые на защиту.- Новый метод анализа спектров ЯМР по полной форме линии с применением вероятностного метода оптимизации (алгоритм симулированного отжига).