FR2554927A1

FR2554927A1 - Procede et appareil pour determiner la structure chimique d'une substance inconnue

Info

Publication number: FR2554927A1
Application number: FR8417554A
Authority: FR
Inventors: Yoshiaki Ishida; Keiji Saito; Tokio Oshima
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1983-11-16
Filing date: 1984-11-16
Publication date: 1985-05-17
Also published as: US4719582A; DE3441833A1; JPS60107554A; FR2554927B1; JPH0141936B2

Abstract

L invention concerne le traitement de signaux sonores. Un dispositif de traitement de signal incorporé dans un stéthoscope comprend notamment un microphone 18, un convertisseur analogique- numérique 19, une unité centrale de traitement/mémoire 20, un convertisseur numérique- analogique 21 et un haut-parleur 22. Le dispositif reproduit par exemple deux fois en succession chaque demi-cycle du signal sonore d'entrée, de façon à donner un signal sonore de sortie qui a la même hauteur et la même tonalité que le signal d'entrée mais qui est plus lent. Application au matériel médical.

Description

1 2554927

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour déterminer la structure chimique

d'une substance inconnue par analyse des données spec-

trales de la substance inconnue obtenues avec un appa-

reil d'analyse, en particulier un appareil de résonance

magnétique nucléaire du carbone 13 (ci-après 13 C-RMN).

Jusqu'à ce jour, l'analyse de la structure d'une substance inconnue a été effectuée à partir de données spectrales par un travail manuel etintellectuele des spectroscopistes reposant sur leur expérience personnelle et la théorie spectroscopique. Ce travail

d'analyse comprend la comparaison des spectres stan-

dars de nombreuses substances connues, l'évaluation des caractéristiques de la substance inconnue qui sont communes avec les spectres des substances connues, puis la déduction des éléments constitutifs de la structure moléculaire, c'est-à-dire des structurés partielles. Ce travail d'analyse des données est long et nécessite une

expérience considérable.

Récemment, dans le domaine de l'analyse chi-

mique structurale, les opérations précédemmenteffectuées

manuellement par des opérateurs humains ont été ef-

fectuées par des recherches de données mises sur ordina-

teur, ce qui a permis de comparer des dizaines de mil-

liers d'ensembles de données spectrales standards de

substances connues aux données spectrales de la substan-

ce inconnue afin de déterminer la structure chimique de

cette substance.

Cependant, dans ce procédé classique, il

n'est possible d'identifier une substance inconnue com-

me étant une substance connue que lorsque les données

spectrales standards de la substance connue et les don-

nées spectrales de la substance inconnue sont parfaite-

ment concordantes. Par conséquent, un inconvénient est

qu'aucune information ne peut être obtenue sur une sub-

stance inconnue dont le spectre ne figure pas dans les données spectrales standards. En d'autres termes, ce

2 2554927

procédé classique considère inconditionnellement la po-

sition de l'intensité des signaux spectraux dans les données spectrales standards des substances connues et le spectre de la substance inconnue comme des valeurs

spécifiques et exige une correspondance totale des si-

gnaux spectraux comme condition de l'identification.

L'inconvénient est donc qu'une différence de densité électronique due à une légère différence de structure moléculaire ou un écart de la valeur numérique dû à une erreur de mesure rend impossible l'identification

d'une substance même connue.

De plus, à ce jour, les données spectrales des substances connues accumulées pour les appareils de 13 C-RMN ne couvrent qu'environ 35.000 composés, même dans le cas de la collection la mieux connue des données

spectrales standards réunie par Satler Co. Elle ne con-

tient presque pas de données relatives à des composés

synthétisés chaque jour pour la rmise au point et la recher-

che de produits industriels et, pour cette raison, il est presque impossible, en particulier, de déterminer

la structure chimique de sous-produits, etc. de réac-

tions de synthèse en utilisant le procédé classique de

recherche des données.

Le but de la présente invention est, en rai-

son des problèmes précités de l'art antérieur, de four-

nir un procédé et un appareil pour déterminer la struc-

ture chimique d'une substance inconnue, dans lesquels les structures partielles de substances connues et les valeurs du déplacement chimique correspondantes sont

préalablement stockées dans un appareil de mémoire et.

les valeurs du déplacement chimique et les données spec-

trales de la substance inconnue sont utilisées pour éva-

luer, avec une fonction d'appartenance, la possibilité que les structures partielles soient contenues dans la

substance inconnue et, à partir de ce principe, de dé-

duire et faire sortir automatiquement et rapidement à partir du spectre de 13 C-RMN les structures partielles

3 2554927

contenues dans une substance inconnue ou une substance

connue, les spectroscopistes et autres pouvant facile-

ment déterminer la structure moléculaire à partir de

ces résultats de sortie.

Selon la présente invention, on fournit un appareil pour déterminer la structure chimique d'une

substance inconnue comprenant: un dispositif pour dé-

tecter les données spectrales. de la substance incon-

nue; un dispositif de mémoire pour mettre en mémoire

au moins les valeurs de déplacement chimique correspon-

dant aux structures partielles de substances connues; un dispositif pour trouver une évaluation ponctuelle exprimant le degré dè possibilité de présence des structures partielles dans la substance inconnue à partir des données spectrales de la substance inconnue et des données stockées dans le dispositif de mémoire;

un dispositif de comparaison pour décider si l'évalua-

tion ponctuelle est égale ou supérieure à une valeur seuil prédéterminée; et un dispositif de sortie pour afficher les structures partielles qui ont une grande

possibilité d'être présentes dans la substance incon-

nue à partir de la sortie du dispositif de comparaison.

Egalement, selon l'invention, on fournit un procédé pour déterminer la structure chimique d'une substance inconnue comprenant la détection des données spectrales de la substance inconnue, l'obtention d'une évaluation ponctuelle exprimant le degré de possibilité de présence de structures partielles dans la substance inconnue à partir des données spectrales et des valeurs de déplacement chimique préalablement mises en mémoire correspondant aux structures partielles de substances connues, la décision que l'évaluation ponctuelle est égale ou supérieure à une valeur seuil prédéterminée;

et la découverte et l'affichage des structures partiel-

les qui ont une grande possibilité d'être présentes dans la substance inconnue en fonction des résultats

de sortie de décision.

4 2554927

L'invention sera mieux comprise à la lectu-

re de la description qui suit faite en regard des des-

sins annexés dans lesquels: la figure 1 est un diagramme illustrant la structure d'un appareil selon un mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est un diagramme montrant les opérations de traitement pour déterminer la structure chimique d'une substance inconnue dans l'appareil de la figure 1; la figure 3 est un graphique expliquant le procédé de calcul de la fonction d'appartenance; -la figure 4 est un diagramme illustrant les détails du traitement pour le calcul de l'évaluation ponctuelle dans la figure 2; les figures 5A et SB sont des graphiques

expliquant en détail le procédé de calcul de l'évalua-

tion ponctuelle; et la figure 6 est un diagramme montrant des

détails du traitement pour calculer l'évaluation ponc-

tuelle indiquant la possibilité d'un isomère de posi-

tion de substitution d'un noyau aromatique dans la figu-

re 2.

On trouvera ci-après une description détail-

lée des modes de réalisation préférés du procédé et de

l'appareil de l'invention faite en regard des dessins.

La figure i illustre la structure schémati-

que d'un appareil pour déterminer la structure chimique d'une substance inconnue selon l'invention. Sur cette

figure, la référence 1 représente un appareil de traite-

ment des données comprenant une unité centrale de trai-

tement, un circuit entrée/sortie et une unité de mémoi-

re interne. L'appareil de traitement des données 1 est raccordé par le circuit entrée/sortie à un appareil de 13 C-RMN 2, une imprimante série 3, un clavier 4, des

disquettes souples 5 et 6, un affichage à tube cathodi-

que 7, etc. L'appareil de 13 C-RMN 2 émet un signal

2554927

spectral de la substance inconnue en réponse à une en-

tree de signal de contrôle de l'appareil de traitement

des données 1 et l'introduit dans l'appareil de traite-

ment des données 1. L'appareil de 13 C-UmN 2 est raccor-

dé à un traceur X-Y 8 et à un traceur numérique 9 pour la sortie et l'affichage des données spectrales de la

substance inconnue selon respectivement un mode analo-

gique et un mode numérique. Le clavier 4 raccordé à l'appareil de traitement des données 1 est utilisé pour introduire divers signaux de commande pour l'appareil

de traitement des données 1 ou pour effectuer la dési-

gnation ou similaires des conditions de traitement.

L'imprimante série 3 et -l'affichage à tube cathodique

7 affichent les structures partielles obtenues par sui-

te du traitement analytique par l'appareil de traite-

ment des données 1 et d'autres opérations. Les disquet-

tes souples 5 et 6 stockent respectivement, par exemple les valeurs du déplacement chimique correspondant aux

structures partielles des substances connues, et stoc-

kent les valeurs du déplacement chimique correspondant

aux atomes de carbone du noyau aromatique.

Le mode de traitement analytique des structu-

res partielles d'une substance inconnue par l'appareil de la figure 1 va maintenant être expliqué en regard de la figure 2. Tout d'abord, les données spectrales de la substance inconnue sont introduites par l'appareil de

13 C-RMN 2 dans l'appareil de traitement des données 1.

L'appareil de 13 C-RMN 2 fournit les données spectrales de la substance inconnue selon des techniques connues de mesure. La mesure en découplage complet fournit des données comprenant la position (exprimé en ppm) et l'intensité (abondance relative) de plusieurs groupes

de signaux, c'est-à-dire de groupes de signaux spectraux.

La mesure hors résonance fournit les données que 1'opé-

rateur identifie sous forme de données numériques indi-

quant la multiplicité des signaux (singulet, doublet, triplet, quadruplet, et autres multiplets). Le tableau

6 2554927

1 illustre un exemple des données spectrales de 13 C-

RMN dans le cas du 2,2,4-triméthylpentane.

Tableau 1

Signal N Position Intensité Multiplicité

1 24,8 1,5 2

2 25,5 5,4 4

3 30,1 8,9 4

4 31,0 1,0 1

5 53,3 2,0 3

Ces données spectrales sont à la fois intro-

duites dans l'appareil de traitement des données 1 et

affichées par le traceur X-Y 8 et le traceur digital 9.

Dans l'invention, on utilise les données

spectrales reposant sur une mesure en découplage com-

plet. Cependant, les données spectrales obtenues par

mesure hors résonance peuvent être ajoutées pour ac-

croitre la précision de l'analyse. En plus de l'appa-

reil de 13 C-RMN 2, un appareil d'analyse élémentaire

carbone-hydrogène-azote (CHN) et un appareil de déter-

mination du spectre de masse (SM), etc. peuvent être raccordés à l'appareil de traitement des données, les données fournies par ces appareils étant analysées et

les formules moléculairesou les formules de composi-

tion atomique déterminée étant utilisées pour accrol-

tre de façon semblable la précision de l'analyse. On notera que lès données spectrales et autres précitées peuvent également être introduites à partir du clavier

4 raccordé à l'appareil de traitement des données 1.

Ensuite, les données spectrales ainsi in-

troduites dans l'appareil de traitement des données 1 et, par exemple, les données des tables de déplacement chimique et autres stockées dans la disquette 5, sont

utilisées pour calculer une évaluation ponctuelle in-

diquant le degré de possibilité de la présence des

structures partielles dans la substance inconnue.

7 2554927

On entend ici par "table de déoplacement chimique" une table numérique comprenant des données, telles que la position des signaux spectraux, etc. correspondant aux structures partielles. Dans ce cas, une structure partielle unique comprend de 1 à 10 atomes de carbone, et constitue un groupe d'atomes comprenant des atomes contigus d'hydrogène, d'oxygène

d'azote, de soufre, de phosphore, d'halogènes ou au-

tres et à au maximum cinq signaux spectraux correspon-

dants. En d'autres termes, une "structure partielle"

est un groupe d'atomes constituant la structure molé-

culaire d'un composé organique et comprend des combi-

naisons de types et de nombres différents d'atomes et

diverses combinaisons entre les atomes selon des sim-

ples liaisons, des doubles liaisons, des triples liai-

sons et d'autres modes de liaison chimique. Il existe

d'innombrables groupes d'atomes, mais la présente in-

vention traite les données structurales à partir des

constitutionsdes atomes de carbone obtenues avec l'ap-

pareil de 13 C-RMN en envisageant les structures par-

tielles relatives aux atomes de carbone et en définis-

sant les autres atomes comme étant contigus. La struc-

ture partielle peut contenir deux ou plusieurs atomes

de carbone considérés comme équivalents selon la théo-

rie de la spectroscopie PNN et qui correspondent sou-

vent à un signal spectral unique, mais, en principe, la table de déplacement chimique est sous forme d'un tableau numérique indiquant les positions des signaux correspondant à un maximum de cinq atomes de carbone

dans la structure partielle.

En ce qui concerne les structures partielles ci-dessus, une disposition statistique des positions des signaux spectraux apparaissant dans les données

spectrales des substances connues montre que les si-

gnaux spectraux correspondant à des atomes de carbone specifi-

ques sont compris dans une gamme spécifique. La distri-

bution de leur fréquence se rapproche d'une distribu-

8 2554927

tion gaussienne lorsque le nombre des données statisti-

ques s'accroit. Si l'on fixe comme centre la position qui apparaît le plus fréquemment, on peut trouver une

symétrie gauche et droite de la distribution. Il sem-

ble que la raison de la dispersion soit la nature

electronique et géométrique des atomes ou groupes d'a-

tomes adjacents raccordés avec les liaisons libres de-

meurant dans les structures partielles et également d'autres facteurs chimiques et physiques. Donc, pour déterminer les structures partielles contenues dans une substance inconnue, il est impossible de préciser

exactement la position d'un signal spectral correspon-

dant. Par conséquent, dans l'invention, on utilise la

position centrale et l'écart type obtenus par traite-

ment statistique pour exprimer l'intervalle d'appari-

tion d'un signal spectral. D'autre part, plus les cinq

atomes de carbone de la structure partielle correspon-

dent aux positions des liaisons libres précitées, plus

l'intervalle d'apparition du signal spectral correspon-

dant est étroit. L'intervalle de l'atome de carbone ap-

partenant à la position terminale de la structure par-

tielle est le plus étroit et c'est celui qui contribue

le plus à la-détermination de la structure partielle.

Donc, les cinq atomes de carbone diffèrent par leur

importance dans la détermination de la structure par-

tielle et un coefficient relatif est donc attribué aux

signaux respectifs et figure dans la table de déplace-

ment chimique. De plus, la multiplicité obtenue par me-

sure hors résonance figure dans la table de déplacement

chimique car elle correspond au nombre d'atomes d'hy-

drogène directement raccordés aux atomes de carbone se-

lon la théorie spectroscopique. Le tableau 2 illustre un exemple de table de déplacement chimique dans le cas

d'une structure partielle exprimant le groupe n-propyle.

9 2554927

Tableau 2

CH3CH2CH 2- Composition atomique C3H7

Signal No. Position Ecart Coefficient Multipli-

centrale type cités

1 14 5 4 4

2 22 8 4 3

3 38 10 2 3

Le procédé de calcul de l'évaluation ponc-

tuelle précitée va maintenant être expliqué. L'inven-

tion permet la détermination d'une similitude de struc-

ture partielle, même lorsque le signal spectral de la substance inconnue s'écarte de la position des signaux

spectraux standards figurant dans la table de déplace-

ment chimique par emploi d'une fonction d'appartenance

de la théorie du système incohérent. La fréquence d'ap-

parition d'un écart d'un signal spectral mesuré d'une

substance inconnue s'est révélée, par traitement sta-

tistique des spectres d'un grand nombre de substances

connues, être une distribution gaussienne. Par consé-

quent, on utilise la fonction gaussienne comme fonction

d'appartenance. Une telle fonction d'appartenance, com-

me le montre la figure 3, a pour valeur 1,00 lorsque la position d'un signal spectral spécifique des données

spectrales d'une substance inconnue correspond exac-

tement à la position centrale des signaux spectraux fi-

gurant dans la table de déplacement chimique et s'annule à 0,00 en l'absence de correspondance, lorsqu'on admet que le degré d'écart suit une distribution gaussienne en fonction de la distance à la position centrale. Plus la fonction est proche de 1,00, plus la similitude est grande entre le signal spectral spécifique des données

spectrales de la substance inconnue et le signal spec-

tral appartenant à une structure partielle correspon-

dante. La fonction d'appartenance 0(t)i est définie comme suit: 0lo 2554927 p -p

O PK

t. -... (1) (t). = exp(-1 t.)... (2)

Dans la formule ci-dessus, P0 est la posi--

tion centrale, c'est-à-dire la fréquence centrale; Pk est la position du signal spectral spécifique de la substance inconnue, c'est-à-dire la fréquence; et

est l'écart type.

Une explication détaillée du traitement pour le calcul de l'évaluation ponctuelle, en regard de la figure 4, va maintenant être présentée. Tout d'abord, on lit un ensemble de données correspondant à une

structure partielle dans la table de déplacement chi-

mique introduite dans l'appareil de mémoire.

Ensuite, lorsqu'une formule moléculaire ou une formule de composition atomique est introduite, on décide si elle englobe ou non la composition atomique

indiquée dans la table de déplacement chimique pour la-

dite structure partielle. Lorsqu'elle ne l'englobe pas, il est évident que la structure partielle ne figure pas dans la substance inconnue en raison de la nature et du nombre des atomes de la substance inconnue. Donc, le traitement de calcul de l'évaluation ponctuelle indiqué ci-après n'est pas effectué et on passe au traitement

d'une structure partielle suivante. Si les données re-

latives à la formule moléculaire et autres introduites

* englobent la composition atomique indiquée dans la ta-

ble de déplacement chimique pour la structure partiel-

le, le signal spectral de la substance inconnue placé le plus près de la position centrale figurant dans les données lues dans la table de déplacement chimique est

sélectionné parmi les données introduite.

Ace moment, lorsque les données de mesure hors résonance sont introduites, on décide si le nombre

des multiplicités du signal d'entrée introduit corres-

il 2554927 pond ou non au nombre des multiplicités indiqué dans la table de déplacement chimique. Dans le cas d'une

correspondance, le calcul de la fonction d'appartenan-

ce précitée est effectué pour le signal spectral. Si

le nombre des multiplicités ne correspond pas, le cal-

cul de la fonction d'appartenance n'est pas effectué.

De la sorte, le calcul de la fonction d'appartenance est effectué ou n'est pas effectué pour chaque signal spectral de l'ensemble lu dans la table de déplacement

chimique.

Ensuite, le coefficient contenu dans les données lues dans la table de déplacement chimique est utilisé pour déterminer la moyenne pondérée du maximum de cinq signaux spectraux par emploi de la formule (3) suivante et l'évaluation ponctuelle de la possibilité de présence de la structure partielle dans

la substance inconnue est calculée.

Wi.f (t) i i 23 T i... (3) i

Le traitement ci-dessus est appliqué suc-

cessivement à toutes les structures partielles conte-

nues dans la table de déplacement chimique, si bien que le traitement de calcul de l'évaluation ponctuelle

est achevé.

Un exemple concret du procédé de calcul de l'évaluation ponctuelle dans le cas du groupe n-propyle va être présenté en regard de la figure 5. La figure

5(A) présente de façon générale sous forme d'un graphi-

que les données de la table de déplacement chimique du

groupe n-propyle qui figurent dans le tableau 2 précité.

Comme le montre nettement le tableau 2, le groupe n-pro-

pyle a trois signaux spectraux 1, 2 et 3 dont les posi-

tions centrales P0' P02 et PO3 sont respectivement à

14 ppm, 22 ppm et 38 ppm. Les écarts types correspon-

dants 1 6- 2 et - 3 sont de 5, 8 et 10 ppm. A cet i, 2 3o

12 2554927

égard, les signaux spectraux 1, 2 et 3 correspondent respectivement aux groupes atomiques CH3, 2CH2- et

-3CH2-- -

Les données de la table de déplacement chi-

os05 mique attribuent aux données spectrales trois signaux spectraux ayant les positions centrales Pkl' Pk2 et

Pk3 indiquées dans la figure 5(B). A l'aide de la for-

mule (1) précitée, on détermine les valeurs de t.

(i = 1, 2 et 3) correspondant aux signaux spectraux: l - Pkl[ t1 = O2 k2l t2 i5 P03 Pk3 t3 = t3 On introduit les valeurs de t1, t2 et t3 indiquées ci-dessus dans la formule (2) précitée pour déterminer les fonctions d'appartenance 5(t)1.1 (t)2 et ç(t)3. On utilise ensuite la formule (3) précitée pour calculer l'évaluation ponctuelle XT' Dans ce cas, XT devient Wl1(t) 1+ W20f(t)2 + W3.(t)3 T =w w +w

1 + W2 + W3

W1, W2 et W sont des valeurs indiquant les 2 3 coefficients des signaux spectraux 1, 2 et 3 figurant

dans la table de déplacement chimique précitée du ta-

bleau 2.

On décide si l'évaluation ponctuelle ainsi

obtenue est ou non égale ou supérieure à un seuil pré-

déterminé, par exemple de 0,70 ou plus. Lorsque la

possibilité qu'une structure partielle ayant une éva-

luation ponctuelle égale ou supérieure au seuil prédé-

13 2554927

terminé figure dans la substance inconue est grande,

elle est affichée par l'imprimante série 3 et l'affi-

chage à tube cathodique 7, etc. dans l'appareil de la figure 1. Le traitement ci-dessus est effectué de façon répétée pour chacun de tous les ensembles de

données figurant dans la table de déplacement chimique.

L'affichage des structures partielles dont la présence dans la substance inconnue est jugée importante selon

le traitement ci-dessus, peut, bien entendu, être éga-

lement effectué après achèvement de la totalité du traitement.

L'affichage des résultats analytiques com-

prend par exemple toutes les données introduites de la substance inconnue, les formules chimiques des

structures partielles exprimées en utilisant des sym-

boles de code des structures partielles ou des valeurs alpha-numériques, les positions des signaux spectraux utilisés pour le calcul de la fonction d'appartenance, les évaluations ponctuelles, etc. L'affichage de la

position des signaux spectraux, des évaluations ponc-

tuelles, etc. peut être supprimé de la sortie si il

est inutile.

Le mode opératoire ci-dessus permet la dé-

termination des structures partielles qui sont conte-

nues dans une substance inconnue. Cependant, l'inven-

tion fournit d'autres types de traitement selon les-

quels un mode opératoire semblable à celui précédent est utilisé pour estimer de plus la possibilité que la

substance inconnue soit un substituant noyau aromati-

que ou un autre substituant, pour clarifier encore la

structure chimique de la substance inconnue. Par exem-

ple, lorsque la substance inconnue comprend un noyau

aromatique substitué, en se référant à nouveau au dia-

gramme de la figure 2, après avoir achevé le traitement précité en utilisant la table de déplacement chimique correspondant aux structures partielles, on détermine la possibilité que la substance inconnue ait un noyau

14 2554927

benzène ou un autre noyau aromatique. S'il est possi-

ble qu'un noyau aromatique existe dans la substance inconnue, la table de déplacement chimique des atomes

de carbone du noyau aromatique est utilisée pour cal-

os05 culer l'évaluation ponctuelle indiquant la possibilité des structures isomères de la position substituée de la substance inconnue en utilisant la même fonction

d'appartenance que celle précédemment décrite.

Dans ce cas, la table de déplacement chimi-

que des atomes de carbone de noyau aromatique contient

les positions, etc. des signaux spectraux correspon-

dant à plusieurs structures partielles de noyau aroma-

tique de substances connues. En général, une structure

partielle de noyau aromatique est une structure par-

tielle n'ayant qu'un atome de carbone dans le noyau o un substituant spécifique est introduit, et un seul signal spectral correspondant. L'atome de carbone de la racine du substituant est appelé ci-après "atome

de carbone cyclique significatif". La structure par-

tielle de noyau aromatique est définie par l'atome sub-

stituant directement l'atome de carbone cyclique signi-

ficatif, les atomes des substituants des positions or-

tho par rapport à l'atome de carbone cyclique signifi-

catif et l'atome du substituant de la position para par rapport au cycle. Il s'agit d'une définition propre

à l'invention. Par exemple, dans le cas du noyau benzè-

ne, la structure partielle est définie comme suit:

Ci-dessus, X est l'atome du groupe substi-

tuant spécifique,. est l'atome de carbone cyclique si-

gnificatif, A et B sont les atomes des groupes substi-

tuants des positions ortho, et C est l'atome du groupe

substituant de la position para.

X -H I C

2554927

Les composés aromatiques sont constitués

d'une portion cyclique chimiquement stable, dans laquel-

le des atomes de carbone, d'oxygène, d'azote, de soufre

et autres forment une structure cyclique, et d'une por-

tion de groupes substituants comprenant des groupes ato-

miques semblables aux structures partielles précitées.

Dans'le cas d'un composé benzénoide, la portion cycli-

que est constituée de six atomes de carbone et a des

positions permettant une liaison en six emplacements.

Dans le substituant lui-même, de nombreuses combinai-

sons des modes de liaisons avec les atomes sont possi-

bles. Par conséquent, il existe d'innombrables structu-

res de portions cycliques aromatiques.

Une compilation statistique des signaux spectraux apparaissant dans les données spectrales de diverses substances connues montre que les signauxspectraux des atomes de carbone cycliques significatifs précités d'une structure partielle de noyau aromatique

présentent une distribution gaussienne dans un inter-

valle spécifique. La raison de cette dispersion semble être les effets électroniques et géométriques exercés sur l'atome de carbone cyclique significatif par les atomes ou groupes atomiques unis au-delà des atomes en position ortho, en position para et aux atomes fixés

directement. Par conséquent, pour déterminer la struc-

ture partielle de noyau aromatique contenue dans une

substance inconnue, comme la position du signal spec-

tral correspondant ne peut pas être précisée, l'inven-

tion fournit une table numérique utilisant les deux

extrémités de l'intervalle de déplacement obtenues par -

traitement statistique (position maximale et position

minimale). Le tableau 3 illustre un exemple d'une ta-

ble de déplacement chimique d'un atome de carbone cy-

clique aromatique dans le cas de la substitution de groupes méthyles dans les positions 1, 2, 4 et 6 du noyau benzène, c'est-à-dire ayant la structure suivante (composition atomique: CoH12): 12

2554927

CH3

CH3 D CH

14 2 groupe substituant CH" groupe substituant quelconque quelconque Tableau 3 Composition atomique ' C1oH12 position maximale position minimale (ppm)

131,5 134,5

En utilisant la table de déplacement chimi-

que de l'atome de carbone cyclique aromatique ci-des-

sus, on calcule l'évaluation ponctuelle indiquant la possibilité que la substance inconnue soit un isomère de position de substitution d'un noyau aromatique. 0E calcule les évaluations ponctuelles pour toutes les structures partielles de noyau aromatique. Toutes les

structures partielles de noyau aromatique pour lesquel-

les l'évaluation ponctuelle atteint ou dépasse un seuil

prédétermine, par exemple 0,30 ou plus, sont extraites.

La combinaison de ces structures partielles de noyau aromatique permet de trouver une structure de noyau aromatique unique. Les évaluations ponctuelles pour

l'ensemble des structures partielles de noyau aromati-

que ainsi combinées sont ensuite calculées. Lorsque les évaluations ponctuelles atteignent ou dépassent un seuil prédéterminé, par exemple de 0,70 ou plus, on

considère que la substance inconnue contient l'ensem-

ble des structures partielles de noyau aromatique, com-

me mentionné ci-dessus, et ces structures partielles

de noyau aromatiques sont affichées.

Le traitement ci-dessus va être expliqué de façon détaillée en regard de la figure.6. On détermine

17 2554927

tout d'abord la possibilité que la substance inconnue

soit un substituant d'un composé aromatique en utili-

sant les données d'entrée des spectres de 13 C-MlN.

Lorsqu'il est possible que la substance inconnue soit os05 un substituant d'un composé aromatique, on prélève un

ensemble de données dans la table de déplacement chimi-

que des atomes de carbone de noyau aromatique. Lors-

qu'une formule moléculaire ou une formule de composi-

tion atomique est introduite, les données de la for-

mule moléculaire, etc. sont comparées à la formule de

composition de la structure partielle de noyau aromati-

que et on détermine si ladite structure partielle de

noyau aromatique englobe la composition atomique indi-

quée dans la table de déplacement chimique. Si elle ne l'englobe pas, on passe au traitement d'une structure

partielle de noyau aromatique suivante. Si elle l'en-

globe, on effectue un traitement de substitution en supposant que le point central entre la fréquence de

la position maximale comprise dans les données préle-

vées dans la table de déplacement chimique et la fré-

quence de la position minimale est la fréquence centra-

le, c'est-à-dire la position centrale, pour simplifier,

et que la distance entre la position maximale et la po-

sition minimale est l'écart type. Les données spectra-

les de la substance inconnue correspondant à la posi-

tion la plus proche de la position centrale substituée

sont choisies comme données d'entrée. -

D'autre part, lorsqu'on introduit les don-

nées de mesure hors résonance, on détermine si la mul-

tiplicité du signal spectral correspond à la multipli-

cité indiquée par le symbole de code d'une structure partielle de noyau aromatique figurant dans la table de déplacement chimique. En l'absence de concordance, on passe au traitement d'une structure partielle de

noyau aromatique suivante.

En utilisant comme caractéristique que la - multiplicité du signal spectral est 2 lorsque l'atome

18 2554927

uni à l'atome de carbone cyclique significatif est

l'hydrogène et est 1 pour un autre atome, et en uti-

lisant le symbole de code indiquant la structure partielle de noyau aromatique figurant dans la table de déplacement chimique de l'atome de carbone de noyau aromatique, on compare les multiplicités. Lorsque les multiplicités coïncident, on utilise les formules (1)

et (2) précitées pour calculer la fonction d'apparte-

nance. Lorsque la valeur de la fonction d'appartenan-

ce est inférieure à la valeur seuil, par exemple de 0,30, fixée pour simplifier, la structure partielle de noyau aromatique est éliminée et ne figure pas dans la

structure de la substance inconnue.

On effectue le traitement précité pour tou-

tes les structures partielles de noyau aromatique con-

tenues dans la table de déplacement chimique de l'ato-

me de carbone cyclique aromatique.

On détermine ainsi les structures partielles de noyau aromatique égales ou supérieures au seuil

fixé; on détermine à partir de ces structures partiel-

les de noyau aromatique les combinaisons formant des

structures cycliques mutuellement adjacentes; on cal-

cule une moyenne simple en utilisant 1 comme coeffi-

cient des signaux spectraux avec la formule (3); et on calcule l'évaluation ponctuelle de la possibilité de présence dans la substance inconnue sous forme d'une structure cyclique globale. En d'autres termes, la structure partielle de noyau aromatique correspond à un signal spectral ne correspondant qu'à un atome

de carbone cyclique significatif, mais définit la po-

sition ortho, la position para et les atomes des grou-

pes substituants fixés directement comme information annexe pour exprimer la structure partielle. Ainsi, par exemple, dans le cas d'un noyau benzène o six

structures partielles de noyau aromatique sont envisa-

gées, il existe une combinaison qui satisfait à l'in-

formation concernant les groupes substituants et qui

19 2554927

peut expliquer la relation de position dans le cycle

de la totalité des six atomes de carbone et la rela-

tion de position des groupes substituants.

Par exemple, l'ensemble des structures

partielles de noyau aromatique dans le cas du 2,4-

diméthvlphénol est le suivant.

OH CH3 H

CE_ _ K

H3 H 3C

" CH

I l, I t I

OH CH,

La combinaison de ces structures partielles

de noyau aromatique permet de trouver la structure cy-

clique suivante J!CH

H 41 3 H

CI 3

Après détection de la combinaison des struc-

tures partielles de noyau aromatique, comme décrit ci-

dessus, on calcule les évaluations ponctuelles par sim-

ple établissement de la moyenne, comme précédemment ex-

2554927

pliqué. Lorsqu'on calcule les évaluations ponctuelles

pour toutes les combinaisons, on détermine si lesdi-

tes évaluations ponctuelles sont ou non égales ou su-

périeures à une valeur seuil, par exemple de 0,70 ou os05 plus, et on détermine si les structures cycliques

peuvent être comprises dans la substance inconnue.

On affiche donc sur l'appareil de sortie, de la même façon que décrit cidessus, la structure cyclique présentant la possibilité maximale de présence dans

la structure chimique de la substance inconnue.

L'invention est illustrée par les exemples suivants. (1) Exemple d'analyse de la chalcone

Si l'on suppose que la chalcone est la sub-

stance inconnue, les données d'entrée sont les sui-

vantes: Formule moléculaire: C15H12 Position Déplacement chimique Intensité Multiplicité du signal (ppm)

1 122,0 2,0 2

2 128,4 9,3 2

3 128,8 4,8 2

4 130,3 2,1 2

132,5 2,2 2

6 134,8 1,4 1

7 138,2 1,0 1

8 144,4 1,8 2

9 189,9 1,1 1

Comme résultats de sortie de ces données, on obtient les cinq structures partielles suivantes

constituant les structures partielles ayant une gran-

de possibilité de figurer dans la structure de la sub-

* stance. Deux d'entre elles sont des structures benzé-

niques assemblées par les structures partielles de

noyau aromatique.

21 2554927

1. C H -CIH = CH-CO-

6 5-

2. C H -C0-

6 5

3. C6H5-CH = CH-

4. - _

5..

H C=C-

H C6H5 exprime le benzène monosubstituant, 6 5 exrm CH=CH ou C=C la portion à double liaison, et CO le

groupe carbonyle (jC=0). Les cinq structures partiel-

les ci-dessus comprennent des contenus mutuellement compatibles. A partir de ces résultats, il est facile de déterminer la formule développée de la chalcone:

C ---= CE-

O' (2) Exemple du m-bromotoluène Si l'on suppose que le m-bromotoluène CR3 IC. Br est la substance inconnue, les données introduites sont les suivantes:

22 255492?

Formule moléculaire: C7H7Br

N de position Déplacement chimi- Intensité Multi-

du signal que (ppm) plicité

1 21,0 3,9 4

2 122,3 5,0 1

3 127,6 8,8 2

4 128,5 8,2 2

129,6 7,8 2

6 132,0 7,7 2

7 139,9 3,0 1

Deux structures partielles sortent comme

résultat, dont l'une correspond à la formule dévelop-

pée exacte assemblée par les structures partielles de

noyau aromatique.

1. CE 3-(PHENYL)

2. C__

1.!

E __

(3) Exemple de la bis-(4-diméthylamine).thio-

benzophénone Si l'on suppose que la bis-(4-diméthylamine) thiobenzophénone

- CHE3 CHE

C--

C C-S C

30. est la substance inconnue, les données introduites sont les suivantes: Formule moléculaire: C17H20N2S

No de position Déplacement chimi- Intensité Multipli-

du signal que (ppm) cité

1 40,0 7,5 4

OS 2 110,0 10,0 2

3 132,7 8,5 2

4 136,3 1,7 1

152,9 1,4 1

6 228,7 - 0,4 1

Les trois structures partielles suivantes consituent les résultats de sortie et, parmi elles,

les structures 1 et 3 sont exactes. Le groupe isocya-

nate n 2 est inexact et la position du signal spec-

tral ne concorde que par coïncidence. Une structure partielle constituant un résultat de sortie erroné

ressemblant à la structure partielle exacte est par-

fois appelée "bruit".

1. (CH3)2N-(PHENYL)

2. S=C=N-(PHENYL)

3. F<

X _

Comme expliqué dans le texte et les exemples

ci-dessus, l'invention permet, pour déterminer la struc-

ture chimique d'une substance inconnue, de déterminer rapidement les structures partielles contenues dans la substance inconnue à partir des données spectrales de la substance inconnue, ce qui permet au spectroscopiste ou au spécialiste de la chimie générale de déterminer facilement et rapidement la structure chimique. De plus, l'invention ne nécessite pas des connaissances et une expérience importantes des techniques spectroscopiques et supprime les erreurs dues aux idées préconçues et

aux oublis propres aux opérations humaines en permet-

tant ainsi la détermination précise des structures chi-

miques.

24 2554927

Claims

REVENDICATIONS

1. Appareil pour la détermination de la

structure chimique d'une substance inconnue, compre-

nant: un dispositif pour détecter les données spec-

trales de la substance inconnue; un dispositif de mémoire pour mettre en mémoire au moins les valeurs de déplacement chimique correspondant aux structures partielles de substances connues; un dispositif pour trouver une évaluation ponctuelle exprimant le degré de possibilité de présence des structures partielles

dans la substance inconnue à partir des données spec-

trales de la substance inconnue et des données stoc-

kées dans ledit dispositif de mémoire; un dispositif de comparaison pour déterminer si ladite évaluation

ponctuelle est inférieure ou égale à un seuil prédé-

terminé; et un dispositif de sortie pour afficher les structures partielles ayant une grande possibilité d'être présentes dans la substance inconnue à partir

de la sortie dudit dispositif de comparaison.

2. Appareil selon la revendication 1, dans

lequel lesdites structures partielles sont celles con-

cernant les atomes de carbone et les autres atomes sont définis comme ceux adjacents auxdits atomes de carbone. 3. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit dispositif de mémoire stocke une table

de déplacement chimique comprenant au moins la posi-

tion centrale et l'écart type de chaque signal spec-

tral pour toute structure partielle.

4. Appareil selon la revendication 3, dans lequel ladite table de déplacement chimique comprend

de plus des coeffficients pour chaque signal spectral.

5. Appareil selon la revendication 3, dans lequel ladite table de déplacement chimique comprend de plus des données de multiplicité pour chaque signal spectral. 6. Appareil selon la revendication 1, dans

2554927

lequel ladite évaluation ponctuelle est obtenue par

détermination successive des données de chaque struc-

ture partielle, par calcul d'une fonction d'apparte-

nance (t)i pour chaque donnée spectrale de chaque

structure partielle comprise dans la substance incon-

nue selon les formules suivantes: ti = 'd(t) = exp(- ti2) dans lesquelles P0 est la fréquence centrale, Pk est la fréquence de chaque donnée spectrale, et C est l'écart type, et par calcul de la moyenne pondérée 3T

des fonctions d'appartenance desdites données spec-

traies de ladite structure partielle selon la formule suivante:

wld(t)1 + W23f(t)2 +.

T

W1 + W2 +

dans laquelle W1, W2... sont des coefficients desdites données spectrales, ladite moyenne pondérée 3T étant

utilisée comme dite évaluation ponctuelle.

7. Appareil selon la revendication 6, dans

lequel ladite fonction d'appartenance est calculée uni-

quement pour chaque donnée spectrale d'entrée dont la multiplicitécoincide avec la multiplicité des données

spectrales de la structure partielle.

8. Appareil selon la revendication 1,!dns lequel ledit dispositif de mémoire stocke les valeurs de déplacement chimique correspondant à plusieurs

structures partielles de noyau aromatique de substan-

ces connues.

9. Appareil selon la revendication 8, dans

lequel lesdites valeurs de déplacement chimique compren-

nent les données des positions supérieures et inférieu-

res de l'intervalle de déplacement du signal spectral

de chaque structure partielle.

26 255492F

10. Appareil selon la revendication 8, dans lequel ladite évaluation ponctuelle est obtenue par

détermination successive des données de chaque struc-

ture partielle de noyau aromatique, par calcul d'une

fonction d'appartenance d(t)i pour chaque donnée spec-

trale.de chaque structure partielle de noyau aromatique comprise dans la. substance inconnue selon les formules suivantes: -!0 Do xl t. = -_ _ _ l xo- (t). = exp(- 1 2) 2ti dans lesquelles P est la fréquence centrale, Pk est la fréquence de chaque donnée spectrale, et y est l'écart-type, par combinaison des. structures partielles

de noyau aromatique ayant chacune une fonction d'appar-

tenance égale ou supérieure à un seuil prédéterminé pour former une structure cyclique, et par calcul de la moyenne pondérée eT des fonctions d'appartenance

desdites données spectrales desdites structures partiel-

les selon la formule suivante: Wg(t)1 + W2 (t)2 + XT-

25.W1 + w2 +...

dans laquelle W1, W2... sont des coefficients desdites données spectrales, ladite moyenne pondérée XT étant

utilisée comme dite évaluation ponctuelle.

11. Appareil selon la revendication 10, dans

lequel ladite fonction d'appartenance est calculée uni-

quement pour chaque donnée spectrale d'entrée dont la multiplicité coïncide avec la multiplicité des données

spectrales de la structure partielle de noyau aromati-

que.

12. Appareil selon la revendication 1, dans

lequel le dispositif de détection des données spectra-

27 2554927

les d'une substance inconnue est un appareil de 13 C-

RM. 13. Procédé pour déterminer la structure

chimique d'une substance inconnue comprenant la détec-

tion des données spectrales de la substance inconnue, la détermination d'une évaluation ponctuelle exprimant

le degré de possibilité de présence de structures par-

tielles dans-la substance inconnue à partir desdites

données spectrales et des valeurs de déplacement chimi-

que préalablement mises en mémoire correspondant aux

structures partielles de substances connues, l'estima-

tion du fait que ladite évaluation partielle est ou

non égale ou supérieure à un seuil; et la détermina-

tion et l'affichage des structures partielles ayant

une forte possibilité d'être contenues dans la substan-

ce inconnue selon la sortie desdits résultats d'estima-

tion. 14. Procédé selon la revendication 13, dans

lequel lesdites structures partielles sont celles con-

cernant les atomes de carbone, et les autres atomes sont définis comme ceux adjacents auxdits atomes de carbone. 15. Procédé selon la revendication 13', dans

lequel lesdites valeurs de déplacement chimique préa-

lablement mises en mémoire comprennent au moins la po-

sition centrale et l'écart type de chaque signal spec-

tral pour chaque structure partielle.

16. Procédé selon la revendication 15, dans

lequel lesdites valeurs de déplacement chimique préala-

blement mises en mémoire comprennent de plus des coef-

ficients pour chaque signal spectral.

17. Procédé selon la revendication 15, dans

lequel lesdites valeurs de déplacement chimique préala-

blement mises en mémoire comprennent de plus les don-

nées de multiplicité pour chaque signal spectral.

18. Procédé selon la revendication 13, dans

lequel ladite évaluation ponctuelle est obtenue par dé-

28 2554927

termination successive des données de chaque structure partielle, par calcul d'une fonction d'appartenance 3(t)i pour chaque donnée spectrale de chaque structure partielle comprise dans la substance inconnue selon les formules suivantes: t0! oK t.

- J i -.

e(t). = exp(- Lt.2)

2

dans lesquelles P0 est la fréquence centrale, Pk est la fréquence de chaque donnée spectrale, et 6- est l'écart type, et par calcul de la moyenne pondérée XT

des fonctions d'appartenance desdites données spec-

trales de ladite structure partielle selon la formule suivante: Wl(t) + W 2 (t)2 +

W1 W2 + W...

dans laquelle W1, W2... sont des coefficients desdites données spectrales, ladite moyenne pondérée T étant

utilisée comme dite évaluation ponctuelle.

19. Procédé selon la revendication 18, dans

lequel ladite fonction d'appartenance est calculée uni-

quement pour chaque donnée spectrale de sortie dont la multiplicité coïncide avec la multiplicité des données

spectales de la structure partielle.

20. Procédé selon la revendication 13, dans

lequel lesdites valeurs de déplacement chimique préala-

blement mises en mémoire comprennent celles correspon-

dant à plusieurs structures partielles de noyau aroma-

tique de substances connues.

21. Procédé selon la revendication 20, dans

lequel lesdites valeurs de déplacement. chimique préala-

blement mises en mémoire comprennent les données des positions supérieures et inférieures de l'intervalle de déplacement du signal spectral de chaque structure

29 2554927

partielle. 22. Procédé selon la revendication 20, dans lequel ladite évaluation ponctuelle est obtenue par

détermination successive des données de chaque struc-

ture partielle, par calcul d'une fonction d'appartenan-

ce (t)i pour chaque donnée spectrale de chaque struc-

ture partielle de noyau aromatique comprise dans la substance inconnue selon les formules suivantes:

I2 0 PKI

10. t. -

ti = _____ 2) (t) i = exp(- 1t dans lesquelles P0 est la fréquence centrale, P est la fréquence de chaque donnée spectrale, et er est

l'écart type, par combinaison des structures partiel-

les de noyau aromatique ayant chacune une fonction

d'appartenance égale ou supérieure à un seuil prédé-

terminé pour former une structure cyclique, et par

calcul de la moyenne pondérée T des fonctions d'ap-

partenance desdites données spectrales desdites struc-

tures partielles selon la formule suivante: wl (t) 1+ W23(t)2 +

T W ±W +

i 2 dans laquelle W1, W2... sont des coefficients desdites données spectrales, ladite moyenne pondérée XT étant

utilisée comme dite évaluation ponctuelle.

23. Procédé selon la revendication 22, dans

lequel ladite fonction d'appartenance est calculée uni-

quement pour chaque donnée spectrale de sortie dont la multiplicité coincide avec la multiplicité des données

spectrales de la structure partielle de noyau aromati-

que. 24. Procédé selon la revendication 13, dans

lequel lesdites données spectrales d'une substance in-

connue sont détectées par un appareil de 13 C-RIN.