home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ MacWorld 1997 September / Macworld (1997-09).dmg / Serious Software / Cherwell Scientific Demos / gNMR□□ / gNMR Guided Tour < prev    next >
Text File  |  1997-06-17  |  23KB  |  483 lines

  1.  
  2.                   ******************* 
  3.                    gNMR GUIDED TOUR 
  4.                   *******************
  5.  
  6.  
  7. Welcome to the gNMR GUIDED TOUR.  We hope you will find it useful
  8. in finding your way around the gNMR demo v 3.6.5.
  9.  
  10.  
  11.  
  12. NMR Simulation for Windows and Macintosh
  13. ****************************************
  14.  
  15. If you need a versatile software package to speed up your analysis of spectral
  16. data, then take a look at gNMR! This short guided tour of the program takes you
  17. through several examples and lets you see how easy it is to use.
  18.  
  19.  
  20. Terminology
  21. ***********
  22.  
  23. This guide covers the use of both Macintosh and Windows versions. Where there is
  24. a difference in the command or filename, written, the Macintosh instructions are
  25. in brackets immediately after the Windows instructions.
  26.  
  27. The use of various symbols has also been made to indicate keyboard presses: 
  28.  
  29. <Tab>     = Tab key
  30. <Ctrl>+     = Hold Control key (Windows) or Command key (Mac) while pressing
  31. additional key
  32.  
  33.  
  34. Limitations of the demo
  35. ***********************
  36.  
  37. This demo contains a fully functional version of the gNMR main simulation
  38. program, with only the following two differences: 
  39.  
  40. * You cannot save files
  41.  
  42. * Printed output, clipboard copies, and sometimes screen displays of spectra will
  43. have the word "DEMO" in big letters over it.
  44.  
  45. The full gNMR package contains several auxiliary programs for importing and
  46. editing spectra. With it, you will receive a manual that not only documents gNMR
  47. itself but also explains in detail how to use simulation to interpret NMR
  48. spectra.
  49.  
  50. The size of systems gNMR can handle is determined mainly by the amount of RAM in
  51. your system. A system of 10 inequivalent nuclei is usually the limit. See Step 8
  52. on Simulatating Large Molecules for more details.
  53.  
  54.  
  55. NMR simulation - an introduction
  56. ********************************
  57.  
  58. gNMR has been designed to help the simulation process right from the start of
  59. entering information through to the data processing and actual simulation. gNMR
  60. places particular emphasis on the analysis of second-order effects and allows the
  61. direct comparison between experimentally acquired NMR data and simulated spectra.
  62. gNMR can also help distinguish between reaction mechanisms of rearrangements via
  63. inter- and intramolecular exchange processes.
  64.  
  65. Exact calculation of higher-order spectra for larger molecules can take a lot of
  66. time and memory. gNMR will typically handle systems with up to 10 or 11 nuclei
  67. (chemical-exchange calculations are limited to even smaller systems). In the
  68. presence of symmetry or magnetic equivalence, you may be able to handle slightly
  69. larger systems. If you try to do a simulation of a molecule that is too large for
  70. gNMR, you may see a warning message suggesting that you save your data first (we
  71. recommend that you do so). It is particularly easy to enter too-large systems
  72. when you use structure import (Step 4 of this demo) and Step 8 gives some hints
  73. for doing simulation of larger molecules. Simulation can be a process of trial
  74. and error in an attempt to achieve the best fit between experimental and
  75. simulated data, the process of assignment and full-lineshape iteration (see Step
  76. 7) will help match simulated data to your experimental results.
  77.  
  78. ***************************************************************
  79. * Step 1: Simulating a simple first-order spectrum of ethanol *
  80. ***************************************************************
  81.  
  82. Getting started
  83. ***************
  84.  
  85. Double-click on the gNMR program icon in your gNMR working directory to start
  86. gNMR. It will start with the File Options dialog, in which you can set various
  87. parameters including spectrometer frequency. Click on OK to accept the default
  88. settings. The Molecule window will appear, in which you can enter shifts,
  89. coupling constants etc. for a single molecule.
  90.  
  91.  
  92. Entering data
  93. *************
  94.  
  95. Let us first simulate the spectrum of very pure ethanol. Press <Tab>  to move to
  96. the column labelled Group #n (number of nuclei). Enter a "3" (the CH2 group, 3
  97. equivalent hydrogens) and press <enter> to move to the next row. Enter a "2" (the
  98. methylene group), press <enter>, and enter a "1" for the OH group. Now we have
  99. the nuclei we need we will enter their chemical shifts. Press <enter> twice to
  100. move to the top of the next column, and then type "1.3",<enter>, "3.7", <enter>,
  101. "5.0". The next column contains linewidths, which we don't need now. Press
  102. <(enter>, <enter>, <Tab> (to skip to the next column) and enter the coupling
  103. constants: "7.5", <Tab>, "6.0". 
  104.  
  105. These are all the data we need: now click on the Recalculate button to calculate
  106. the spectrum . A new window will appear containing the spectrum. 
  107.  
  108. Once you have a spectrum on the screen, you can change its appearance in a number
  109. of ways. 
  110.  
  111. Clicking the arrow button-bar buttons (or choosing their menu equivalents) lets
  112. you expand or contract the spectrum. Dragging in the empty area immediately above
  113. the spectrum lets you move the spectrum; by Shift-dragging in the same area you
  114. can select a subspectrum. To return to the full spectrum choose Plot|Full
  115. Spectrum.
  116.  
  117. The Plot|Options dialog gives more precise control over many aspects of your
  118. spectrum display. You can also copy or print the spectrum (it will have the text
  119. DEMO over it).
  120.  
  121. **********************************************
  122. * Step 2: Simulating a second order spectrum *
  123. **********************************************
  124.  
  125. Now, change the chemical shift of the CH3 group to "3.3" by clicking on the
  126. number "1.3" in the Molecule window and entering the new value; click on
  127. Recalculate to calculate the new spectrum. Click on the Spectrum window to bring
  128. it to the front. This will look much more complicated: the close proximity of the
  129. CH3 and CH2 groups results in strong second-order effects. Now change the shift
  130. value back to "1.3" , Recalculate and move to the spectrum window.
  131.  
  132.  
  133. ********************************************
  134. * Step 3: Adding chemical exchange effects *
  135. ********************************************
  136.  
  137. Usually, ethanol contains some acidic impurities that exchange with the hydroxyl
  138. proton and cause loss of the CH2-OH coupling. Let us try to simulate this (this
  139. exchange calculation will take a while on a slow system, it takes 20 seconds on a
  140. Pentium 90, 3 minutes on a Quadra 650 running the FPU version, or 35 seconds on a
  141. PowerMac 8100). Select Molecule|Go To|Molecule 2 to add a second molecule to this
  142. "sample". Set its chemical shift to 9.5 ppm (it is acidic after all). Click on
  143. the Options button of this window, set the concentration to "1e-5" and click OK. 
  144.  
  145. If you recalculate the spectrum now (Plot|Go To Window|Window 1), a larger range
  146. is shown (to include the peak at 9.5 ppm, which is too small to show), but
  147. otherwise the spectrum would be unchanged. 
  148. Now select Molecule|Exchange. Enter a rate ("10") and then press <enter>, "=",
  149. <enter>(, "=", <enter>, "2-1", <enter>, "1-3". 
  150.  
  151. What you have entered are the positions that each nucleus moves to in the
  152. exchange reaction. From the ethanol molecule, nuclei 1 and 2 do not move ("="),
  153. but the third one moves to the position of Molecule 2 - nucleus 1 ("2-1") and
  154. vice-versa ("1-3"). 
  155.  
  156. All done? Press <Ctrl>+1(on the Mac :command key - 1) (equivalent to Plot|Go To
  157. Window|Window 1) to recalculate the spectrum. 
  158.  
  159. This example has also been prepared: ethanol.dta 
  160. (on the Mac : ethanol exchange).
  161.  
  162. This may take some time: exchange calculations, especially intermolecular ones,
  163. take much longer than normal simulations. 
  164.  
  165. Play a bit with the rate to see which value gives the strongest broadening and
  166. what rate you need to see the fast-exchange limit.
  167.  
  168. **************************************************
  169. * Step 4: Importing data via chemical structures *
  170. **************************************************
  171.  
  172. Pasting in structures
  173. *********************
  174.  
  175. gNMR can import chemical structures drawn with a number of chemical drawing
  176. packages. Among the DEMO files, you will see ChemDraw, ChemIntosh and ISIS/Draw
  177. files for o-chloro-aniline; we will show how to import these in gNMR. Now import
  178. a structure file by choosing File|Import Molecule and selecting either 
  179. oca.cd2 (on the Mac : o-Chloro-Aniline (ChemDraw)), 
  180. oca.cw2 (on the Mac : o-Chloro-Aniline (ChemIntosh)) or oca.mol file (ISIS/Draw
  181. for Windows only).
  182.  
  183. Note:     If you have one of these programs, you can also open the file from
  184. within its creator program, copy the molecule to the clipboard, and then paste it
  185. into an empty gNMR Molecule window using Edit|Paste Molecule.
  186.  
  187. A dialog will appear. Click on OK to use the defaults. gNMR will now take some
  188. time to read in the structure and try to predict shifts and coupling constants.
  189. This procedure uses a fragment list to help predict the shifts and coupling
  190. constants and the predicted values provide a good starting point for the
  191. simulation process.
  192.  
  193. After this, the Structure window appears, showing the molecular structure and
  194. fields to enter parameters. Click on the aromatic proton to the left of the NH2
  195. group and then enter a value for its linewidth (L.W.) field ("0.5"). Then click
  196. on one of the NH2 protons (the one that results in a display of parameter values)
  197. and enter a much larger linewidth ("10"). Finally click on the Recalculate button
  198. to compute the spectrum. If you want to change parameters, you can do so via the
  199. Structure window and/or the Molecule window used in the previous example.
  200.  
  201. ************************************************
  202. * Step 5: Dealing with other NMR-active nuclei *
  203. ************************************************
  204.  
  205. Other nuclei
  206. ************
  207.  
  208. Chlorine consists of a mixture of 35Cl and 37Cl, both with spin 3/2. Normally,
  209. you don't see any coupling to Cl in NMR because relaxation is rapid. But in a
  210. simulation you can change this. Click on the Cl atom and then on the Add button.
  211. Then Shift-click on the hydrogen next to the chlorine, and enter a value of 40 in
  212. the Jij field. The molecule will now contain an NMR-active chlorine atom with a
  213. coupling constant of 40 Hz between 35Cl and 1H(and approx 33 Hz between 37CL and
  214. 1H).  Click on the Recalculate button: the Plot Options dialog appears, allowing
  215. you to choose between 1H, 35Cl and 37Cl nuclei. Press <enter> to accept the
  216. default 1H.
  217.  
  218.  
  219. *****************************************************
  220. * Step 6: Chemical exchange and reaction mechanisms *
  221. *****************************************************
  222.  
  223. NMR can not only be used to understand the static structure of a compound, but
  224. also (in favourable cases) to distinguish between reaction mechanisms of
  225. rearrangements. As an example, we will consider two possible mechanisms for the
  226. fluorine scrambling in Me2NPF4. They are called the "one-pair" and "two-pair"
  227. mechanisms.
  228.  
  229.  
  230. Low temperature simulation
  231. **************************
  232.  
  233. To save you some time, the input files for both systems have already 
  234. been prepared for you.
  235.  
  236. me2npf41.dta (on the Mac: Me2NPF4 one-pair exchange), 
  237. me2npf42.dta (on the Mac: Me2NPF4 two-pair exchange)
  238.  
  239. In each mechanism, there are several equivalent ways in which the nuclei can
  240. move; these will of course have the same rates. You have to tell gNMR about this,
  241. which makes the Exchange windows more complicated than in the ethanol exchange
  242. example of Step 3. For both cases, you can simulate the slow-exchange (static)
  243. spectrum by entering a rate of 0: the results will be identical (triplet of
  244. triplets). At very high rates (say, 10E5), both systems will give identical
  245. quintets (try this out!). But at intermediate exchange rates (around 300) you
  246. will see that the broadening of the centre line compared to the outer lines is
  247. more pronounced in the one-pair mechanism; there are also distinctive differences
  248. in the behaviour of the other lines. The best way to see this is to open both
  249. files simultaneously (gNMR allows you to have several open files) and display the
  250. calculated spectra side by side in separate Plot windows. The differences are
  251. clear enough that a comparison with experimental 
  252. data has been used to prove the two-pair exchange mechanism for this compound.
  253.  
  254.  
  255. Dealing with other NMR active nuclei
  256. ************************************
  257.  
  258. gNMR can also simulate the 19F spectrum of Me2NPF4 and this can be displayed
  259. using Plot|Options and changing from 31P to 19F and the new spectrum is
  260. displayed. The 19F spectrum is also rate-dependent and shows similar exchange
  261. processes to the 31P spectrum. Why not try this out?
  262.  
  263.  
  264. *********************
  265. * Step 7: Iteration *
  266. *********************
  267.  
  268. Helping spectra assignment
  269. **************************
  270.  
  271. Calculating a spectrum and playing with the effects of changing shifts and
  272. couplings can be interesting. But often, you have a measured spectrum, and you
  273. want to know whether you can reproduce it by a simulation. This may be to see
  274. whether your idea about the structure of the compound is correct, or it may be to
  275. extract accurate shifts and couplings. In either case, you will not be satisfied
  276. by trial-and-error methods: you want to have some kind of "best fit".
  277.  
  278. In NMR, there are two ways to do this. You can try to fit the positions of all
  279. peaks in the spectrum by entering positions (and possibly intensities) obtained
  280. from a measured spectrum; this is called "assignment iteration". Or
  281. alternatively, you can try to fit on the whole spectrum; this is called
  282. "full-lineshape iteration". The former procedure is much faster but also requires
  283. more understanding and a better initial guess by the user; the second method
  284. requires a measured spectrum in electronic form. It would take too much space
  285. here to explain how to set up such calculations; this demo contains two
  286. ready-to-go examples for the rather simple example of o-dichlorobenzene.
  287.  
  288.  
  289. Assignment iteration
  290. ********************
  291.  
  292. For the assignment iteration example, open the file odcbex1.dta (on the Mac :
  293. Assignment Iteration) in the gNMR working directory. The Molecule window will
  294. show not only shifts and coupling constants, but also a set of "names" ("a",
  295. "aa'", etc.) indicating which spectral parameters are to be optimized; equal
  296. names mean that the parameters will be kept equal. Select Plot|Go To
  297. Window|Window 1 to see the calculated and observed spectra together. 
  298.  
  299. Observed spectra can be read in from external files created by a wide variety of
  300. spectrometers eg Bruker and Varian. A conversion utility (gCVT, see later on) for
  301. these files is provided in the full release of gNMR. Example files are already
  302. prepared for this demo version.
  303.  
  304. If you want to inspect the list of calculated and observed peak positions, choose
  305. Iterate|Assignments, and select 1H from the Nucleus pop-up in the dialog that
  306. appears. Press OK and the log window will fill with data. To start the iteration,
  307. select Iterate|Go. After a few short cycles, the procedure has converged: the
  308. calculated and observed spectra will now be rather similar. If you again select
  309. Iterate|Assignments|1H,(ensure that the Molecule or Spectrum window is active)
  310. you will see a much closer match between the observed and calculated positions.
  311.  
  312.  
  313. Full-lineshape iteration
  314. ************************
  315.  
  316. Full-lineshape iteration does not require the user to enter a list of peak
  317. positions. To start this example, open the file odcbex2.dta (on the Mac:
  318. Full-lineshape Iteration) file. The Molecule window will show the same set of
  319. "names" as in the previous example. Display the calculated and observed spectra
  320. by selecting Plot|Go To Window|Window 1. You will see that the match between
  321. observed and calculated spectra is much worse than in the assignment iteration
  322. example: we have made this example more difficult by choosing poorer starting
  323. values for the shifts and coupling constants. In the Plot|Options dialog section
  324. Experimental, the items Full-lineshape Iteration and Iterate on Linewidth have
  325. been checked to tell gNMR to use this window for iteration. To start this
  326. calculation, again choose Iterate|Go and sit back (this takes about 2 minutes on
  327. a 486 66, 40 seconds on a Pentium 90, 5 minutes on a Quadra 650 and 50 seconds on
  328. a PowerMac 8100). The results illustrate clearly that near
  329. -perfect fits are possible. For a more spectacular example, you might want to run
  330. the example.dta (on the Mac : Large Iteration Example) file. For best results,
  331. open Plot windows 1 and 2 before starting the iteration. This should take up to 5
  332. minutes on a Pentium 90 and 6 minutes on a 8100 Power Mac.
  333.  
  334.  
  335. **************************************
  336. * Step 8: Simulating large molecules *
  337. **************************************
  338.  
  339. The first thing to do when you want to simulate a large molecule is to make sure
  340. that gNMR has enough available memory and disk space. Allocating up to 10 Mb of
  341. both can be useful; if a simulation requires even more, gNMR will run into other
  342. limitations before then or the simulation will take unacceptably long anyway.
  343.  
  344. Let's suppose you want to simulate a molecule containing about 20 nuclei. Doing a
  345. full and exact calculation on such a molecule is currently impossible on any
  346. computer. The best way to approach this problem is to break it up into pieces. If
  347. this can be done in such a way that there are no couplings between the pieces,
  348. you will still get the correct result. In gNMR, you can put the pieces in
  349. separate "molecule" windows. The file largamin.dta (on the Mac: Large Amine)
  350. shows how this can be done: the full molecule 1, file largamin.cw2 (on the Mac:
  351. Large Amine - ChemIntosh) was pasted in three Molecule windows of the same file,
  352. and two rings in every molecule window were then excluded from the simulation.
  353. Simulation of this 17-spin system then runs without problems. Depending on a
  354. number of settings, gNMR may do such a reduction internally, so the simulation of
  355. the full molecule may also succeed if you do not break it up yourself.
  356.  
  357. For cases where such a division of the molecule is not possible, gNMR has a new
  358. method ("chunking") for doing approximate calculations. Basically, this
  359. calculates spectra piecemeal by including, for each nucleus, only its relevant
  360. environment in the calculation. As long as there are no nuclei in the system that
  361. couple to nearly every other nucleus, this method can work well. Because it is
  362. still considered experimental, this method is disabled by default, but you can
  363. enable it by setting the Chunking Method in the File/Options dialog (Symmetry
  364. section) to Fine (most accurate variation; recommended) or "Coarse".
  365.  
  366. If you want to test this (only recommended for 486 or higher and PPC systems),
  367. open the file vrylarge.dta (on the Mac: Very Large System), which contains
  368. molecule 2 (a 12-spin system) with chunking enabled.
  369.  
  370. Simulation (click on the Recalculate button) is no problem here, although it will
  371. take a fair amount of computer time. Provided you have allocated enough memory to
  372. gNMR, this spectrum can also be calculated exactly (set "Chunking Method" to
  373. "None"). If you do this and compare it with the approximate result, you will see
  374. that the differences are very small. For a more extreme example, open the file
  375. toolarge.dta (on the Mac: Too Large System) corresponding to 16-spin molecule 3.
  376. This still runs because chunking has been enabled, but if you disable it and try
  377. to recalculate the spectrum the program will exit with the message "System Too
  378. Large".
  379.  
  380.  
  381. gNMR's other features include:
  382. ******************************
  383.  
  384. * Simulate spectra of mixtures containing up to 10 different compounds
  385.  
  386. * One-dimensional polymer simulation
  387.  
  388. * Baseline and phasing parameters
  389.  
  390. * Anisotropy
  391.  
  392. * Quadrupoles and more.
  393.  
  394. There are options for creating PostScript in clipboard copies (Mac) and .PS
  395. files(Windows), customizing the appearance of spectra, and changing the defaults
  396. for nearly all gNMR settings. This demo version supports all the features of the
  397. commercially available full version of gNMR, except the saving of files and
  398. utilities to convert and edit measured NMR spectra.
  399.  
  400.  
  401. What you get with gNMR
  402. **********************
  403.  
  404. The full gNMR package also includes gCVT (conversion of many spectrum formats to
  405. gNMR format), gSPG (editing spectra, baseline correction, etc.) and a utility for
  406. constructing symmetry databases for gNMR. The comprehensive gNMR manual explains
  407. all of these, and also gives a critical overview of the use of simulation for
  408. interpreting NMR spectra.
  409.  
  410.  
  411. The gCVT File Conversion Program
  412. ********************************
  413.  
  414. The gCVT file conversion program can be used to import experimental spectra from
  415. a number of 'foreign' file formats: Bruker Win-NMR, Bruker Aspect, Lybrics,
  416. General Electric GE-SUN and Varian VNMR. As the most general-purpose exchange
  417. format, plain ASCII import is also available. In addition, gCVT can be used to
  418. move gNMR data and spectrum files between different versions of gNMR (both
  419. Windows and Macintosh). This is useful if you want to exchange data with
  420. colleagues who use a different version of gNMR.
  421.  
  422.  
  423. gSPG Spectral Editor
  424. ********************
  425.  
  426. Experimental spectra are seldom perfect: they show noise, baseline drift,
  427. impurity peaks, imperfect phasing, etc. This can be annoying, especially if you
  428. need a good picture for a paper. And if you want to use the spectrum for a
  429. full-lineshape iteration, such imperfections are often fatal. Obviously, the
  430. first remedy to this problem is to obtain high-quality experimental data.
  431. Sometimes, however, you just have to make do with a given spectrum. Even for
  432. imperfect spectra, it pays to spend time on careful phasing and baseline
  433. corrections; you may also want to try adjusting various weighting functions to
  434. enhance the quality of the spectrum.
  435.  
  436. If you have done your best to obtain a good spectrum, but the iteration still
  437. doesn't produce reasonable results, the most probable causes are baseline errors
  438. and impurity peaks in the experimental spectrum: you can use the gSPG
  439. spectrum-editing utility to do primitive baseline corrections and remove impurity
  440. peaks.
  441.  
  442.  
  443. How to order gNMR
  444. *****************
  445.  
  446. You can order a full version of gNMR for evaluation on our risk-free 30-day
  447. money-back guarantee. Order today and it could be on your desk in just a few
  448. days. Ask about our special prices for multiple copies. Show gNMR to your
  449. colleagues and we're sure they'll be grateful.
  450.  
  451. Call, fax or e-mail your nearest Cherwell Scientific office or your local
  452. reseller to place your order, or visit our web site at
  453. http://www.cherwell.com
  454.  
  455. Cherwell Scientific Publishing 
  456. The Magdalen Centre
  457. Oxford Science Park
  458. Oxford OX4 4GA
  459.  
  460. Tel:  +44 (0) 1865 784800
  461. Fax: +44 (0) 1865 784801
  462. e-mail:  csp@cherwell.com
  463.  
  464. Cherwell Scientific Publishing 
  465. c/o CHEM Research GmbH 
  466. Hamburger Allee 26-28
  467. D-60486 Frankfurt
  468.  
  469. Tel: 069 970841-11
  470. Fax: 069 970841-41
  471. e-mail:  csp.d@cherwell.com
  472.  
  473. Cherwell Scientific Publishing Inc
  474. 744 San Antonio Road
  475. Palo Alto, Ca 94303
  476. USA
  477.  
  478. Tel:  (415) 852 0720
  479. Fax: (415) 852 0723
  480. e-mail:  csp.usa@cherwell.com
  481.  
  482. We look forward to receiving your order.
  483.