Диссертация (1091574), страница 20
Текст из файла (страница 20)
40б) мультиплетная стуктура упростилась незначительно.Для дальнейшего упрощения мультиплетной структуры мы задействовали техникутройного резонанса с одновременной гетероядерной развязкой от фосфора и гомоядернойразвязкой от одного протонного резонанса 1H{31P; 1H-sel.}. В полученных спектрахнаблюдается упрощение мультиплетной структуры, достаточное для того, чтобы порасщеплениям резонансных мультиплетов определить необходимые вицинальные КССВ.Поскольку3J4-H,5-H = 7.0 Гц, протоны 4-H и 5-H имеют псевдоаксиальнуюориентацию, а заместители при 4-C и 5-C ориентированы псевдоэкваториально. Величина3J5-H,6-H = 4.3 Гц свидетельствует о том, что протон 6-H ориентирован псевдоэкваториаль-но, а группа 6-Me псевдоаксиально.
Величины остальных вицинальных КССВ(3JN(3)-H,4-H = 2.3 Гц;3JN(1)-H,6-H = 3.0 Гц) между протонами цикла согласуются сустановленной ориентацией заместителей. Таким образом, нами была установленаконфигурация производного гексагидропиримидинтиона – диэтил (4R*,5S*,6R*)-6-метил4-этил-2-тиоксогексагидропиримидин-5-фосфоната (рис. 41) [170].1221-H3-H6-H4-H5-HабвгдРис. 40. Спектры ЯМР производного гексагидропиримидинтиона (600 МГц): 1H (а);1H{31P} (б); 1H{31P; 1H-sel.,5-H} (в); 1H{31P; 1H-sel.,1-H} (г); 1H{31P; 1H-sel.,3-H}.Рис. 41. Относительная стереохимическая конфигурация производногогексагидропиримидинтиона.1234.
Экспериментальная часть4.1. Протокол регистрации спектров ЯМРДля получения спектров высокого качества (с разрешением до 0.05 Гц) былипредприняты следующие шаги:1. Базовое шиммирование спектрометров ЯМР с применением алгоритма ортогонализации и последующей оптимизации композитных шимм [35]. С помощью этого методаудалось получить разрешение в два-три раза превышающее паспортное. Наш лучшийрезультат теста “Lineshape hump test”, полученный на приборе Bruker “AV-600” составил 0.23/2.4/4.6 Гц (ширины линии на 50, 0.55 и 0.11 % высоты сигнала хлороформа).По спецификации производителя эти величины составляют 0.3/6.0/12.0 Гц. Для подстройки разрешения в некоторых случаях также использовали градиентное шиммирование [34] (Bruker “AV-600”, Bruker TopShim 3.0).2. Предварительный отбор ампул посредством измерения в них спектров остаточных протонов дейтероацетона. Оценивалась форма линии и наличие боковых полос от вращения.3.
При приготовлении образцов 0.5 M растворов стирола и коричного альдегида в дейтерохлороформе, дейтеробензоле и дейтероацетонитриле, проводили их дегазированиепутем трехкратного охлаждения до температуры жидкого азота, вакуумирования до~510мм.рт.ст. и разморозки, после чего ампулы запаивали. Образцы растворов0.03 и 0.1 M пролина в дейтерометаноле, 5 мМ, 2 мМ и 30% ментола в дейтерохлороформе исследовали без дегазирования.4. Регистрацию спектров ЯМР проводили на спектрометрах Bruker “AV-600” и Bruker“DPX-300” с термостатированием образцов при 303 K.
Условия накопления подбиралитаким образом, чтобы разрешение ССИ не превышало 0.02 Гц (время сбора данных~21 c), число точек устанавливали кратным степени 2, возбуждение производили 90°импульсами, релаксационная задержка составляла 12 с, спектры накапливали за 16прохождений. Предварительную обработку спектров выполняли с применением модифицированного алгоритма деконволюции по реперному сигналу [36].
При этом ССИоднократно дополняли нулями, затем осуществляли преобразование Фурье, фазовуюкоррекцию и коррекцию базовой линии спектра. Из спектра выделяли экспериментальный реперный сигнал (ТМС). Теоретический сигнал ТМС симулировали с ширинойлинии 0.05 Гц с учетом29Si-сателлитных сигналов, при этом подбирались частотасигнала ТМС, резонансная частота изотопомераСателлитные сигналы от1329SiMe4, а также константа 2JSi,H.С-изотопомеров в расчете не учитывались. Мнимые компо124ненты спектров восстанавливали с помощью преобразования Гильберта посредствомобратного преобразования Фурье и отсечения половины точек, в результате чеговосстанавливалось исходное разрешение ССИ.
После этого производили комплексноеделение преобразованного экспериментального ССИ на ССИ, содержащий реперныйсигнал, и комплексное умножение на ССИ, содержащий теоретический реперный сигнал. Полученный ССИ подвергали, при необходимости, дополнительному взвешиванию экспоненциальной функцией и преобразованию Фурье с однократным дополнением нулями (для получения спектра с цифровым разрешением 0.02 Гц).
Обработанныетаким образом спектры далее анализировали по полной форме линии.Двумерные эксперименты гетероядерной J-спектроскопии и Soft-COSY регистрировали на спектрометре Bruker “AV-600” с помощью созданных нами импульсныхпоследовательностей, тексты которых приведены в приложении.4.2. Процедура калибровки селективных импульсовВ отличие от прямоугольных импульсов, импульсы со сложной формой (например,семейства BURP [68, 69]) невозможно калибровать, варьируя мощность радиочастотногополя при фиксированной длительности. Поскольку для селективных импульсов, модулированных по амплитуде, угол поворота намагниченности строго в резонансепорционален площади огибающей импульса∝про-[68], калибровку се-лективного импульса можно свести к подбору мощности π-импульса прямоугольной формы соответствующей площадью и амплитудой.Таким образом, при калибровке селективных импульсов необходимо выполнитьследующие шаги:1.
Исходя из формы селективного импульса, провести расчет частотной полосы егодействия (возбуждения, инверсии или рефокусировки). Как правило, произведение длительности и полосы действия является известной заранее безразмернойхарактеристикой селективного импульса (например, для EBURP2.4.952 , по которой вычисляют длительность селективного им-пульса для требующейся полосы действия.3. Провести расчет длительности эквивалентного π-импульса прямоугольной формыисходя из площади огибающей и длительности селективного импульса.4.
Провести подбор мощности радиочастотного поля для эквивалентного прямоугольного π-импульса по синглетному сигналу в резонансе.1254.3. Особенности компьютерных вычисленийПрограммные комплексы VALISA-CSS и SpinAnneal написаны на языке C++.Диагонализацию матрицы Гамильтониана осуществляли с помощью алгоритма Хаусхолдера. Алгоритм имитации отжига был реализован в соответствии с описанием метода[156] для исполнения в среде распределенных вычислений MPI. Расчеты, связанные сметодом имитации отжига, проводили на суперкомпьютере МВС-100К межведомственного суперкомпьютерного центра РАН с использованием 128 вычислительных ядер.Дополнительную локальную оптимизацию решения после отжига проводили методомПауэлла [154].
Инициализацию генератора псевдослучайных чисел в каждом вычислительном процессе (MPI) проводили на основании системного времени и номера вычислительного процесса. С++ код процедур расчета спиновой квантовой механики (класс“Hamiltonian”) приведен в приложении.1265.
Выводы1. Детально проанализированы особенности обратной задачи по расшифровке мультиплетной структуры спектров ЯМР высокого разрешения. Показано, что главным препятствием, возникающем при расшифровке спектров методами, основанными наконцепции дополнительного уширения, являются неустранимые локальные минимумы.2.
Разработан новый программный комплекс VALISA-CSS для анализа спектров ЯМР высокого разрешения по полной форме линии, в котором реализована концепция дополнительного уширения и три метода локальной оптимизации (Левенберга-Марквардта,Гаусса-Ньютона по главным компонентам и метод Пауэлла). Метод Пауэлла для анализа спектров ЯМР высокого разрешения применен впервые.
При расчете Гамильтонианаи оператора наблюдения впервые применены побитовые операции процессора.3. Впервые для расшифровки тонкой мультиплетной структуры спектров ЯМР по полнойформе линии применен метод Монте-Карло (имитации отжига), реализованный в разработанном (для исполнения в среде распределенных вычислений MPI) программномкомплексе SpinAnneal.
Показано, что использование этого метода значительно расширяет диапазон сходимости обратных спектро-структурных задач, а также позволяет существенно автоматизировать процесс анализа спектров ЯМР.4. Для измерения параметров спиновых систем адаптированы методы двумерной гомо- игетероядерной спектроскопии. Установлена взаимосвязь числа и формы кросс-пиков вгетероядерных двумерных J-спектрах с параметрами импульсного эксперимента.
Предложен алгоритм обработки гетероядерных двумерных J-спектров, обеспечивающий измерение неискаженных величин КССВ. Реализованы методы получения двумерныхкорреляционных и J-спектров ЯМР высокого разрешения с селективным возбуждением, позволяющие устранять неоднозначности, возникающие при расшифровке мультиплетной структуры спектров ЯМР опубликованными методами.5. С использованием разработанных методов определены параметры спиновых систем дляряда модельных соединений. Детально проанализированы спектры ЯМР 1H и13C рас-творов стирола и коричного альдегида в CDCl3, CD3CN и C6D6 и определены точныезначения КССВ nJH,H, nJC,H; полностью расшифрована тонкая мультиплетная структураспектров ЯМР 1H L-пролина.
Впервые полностью проанализирована мультиплетнаяструктура спектров ЯМР 1H ментола и определены величины КССВ nJH,H, nJC,H, nJC,C. Сиспользованием полученных спектральных данных охарактеризована динамическаяструктура и определены параметры вращения изопропильной и гидроксильной групп вментоле, установлена относительная конфигурация производного гексагидропиримидинтиона.1276.
Список публикаций по теме диссертацииСтатьи1. Ганина Т.А., Чешков Д.А., Чертков В.А. Динамическая структура органическихсоединений в растворе по данным спектроскопии ЯМР и квантовомеханическихрасчетов: II. Стирол // Журнал Органической Химии. – 2017. – Т. 53. – № 1. – С. 19-30.2. Cheshkov D.A., Synitsyn D.O., Sheberstov K.F., Chertkov V.A. High-resolution NMR spectratotal line-shape analysis powered by simulated annealing // Journal of Magnetic Resonance.
–2016. – V. 272. – P. 10-19.3. Чешков Д.А., Синицын Д.О., Чертков В.А. Двумерная J-спектроскопия с селективнымвозбуждением и анализ спектров ЯМР 1H по полной форме линии коричного альдегида// Наноструктуры. Математическая физика и моделирование. – 2014. – Т. 11. – № 1. – С.67-72.4. Синицын Д.О., Чешков Д.А., Чертков В.А. Связь параметров импульсного эксперимента с видом двумерного гетероядерного J-спектра ЯМР // Вестник МосковскогоУниверситета, Серия 3. Физика. Астрономия.
– 2011. – № 3. – С. 24-30.5. Fesenko A.A., Cheshkov D.A., Shutalev A.D. Synthesis of diethyl 2-thioxo-1,2,3,4-tetrahydroand hexahydropyrimidine-5-phosphonates // Mendeleev Communications. – 2008. – V. 18. –No. 1. – P. 51-53.Тезисы конференций1. Cheshkov D.A., Synitsyn D.O., Sheberstov K.F., Chertkov V.A. Total lineshape analysis ofNMR spectra by simulated annealing // Book of abstract EuroMAR. – Aarhus, Denmark,2016. – P. CP8.2. Chertkov V.A., Cheshkov D.A., Ganina T.A., Nechausov S.S., Sheberstov K.F., ShestakovaA.K. Novel high resolution NMR techniques for elucidation of molecular solution-statestructure and dynamics // Book of abstract International Symposium and Summer School inSaint Petersburg “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter”, 11th Meeting “NMRin Life Sciences”.
– Saint Peterburg, 2014. – P. 11-11.3. Chertkov V.A., Chertkov A.V., Cheshkov D.A., Ganina T.A., Pushkareva A.A., Shestakova A.K. Vibration effects in NMR spectroscopy for studies of ultra-fast conformationaldynamics // Book of abstract EuroMAR. – Frankfurt am Main, 2011. – P. Ls299.1284. Cheshkov D.A., Sinitsyn D.O., Chertkov V.A.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
