Schriftliche Prüfung Analytische Chemie I&II Winter 2012/2013 Vorname: Legi-Nr.: Name: Es sind alle Aufgaben zu lösen. Jede Aufgabe wird separat benotet. Zeit: 120 Min. Teilen Sie sich Ihre Zeit gut ein. Es sind alle Hilfsmittel mit Ausnahme von Computern und Telekommunikation erlaubt. Unleserliche Texte, unklare Formulierungen oder unsaubere Skizzen können nicht bewertet werden. Bitte bemühen Sie sich um eine saubere Darstellung. Beginnen Sie jede Aufgabe auf einem neuen Blatt und schreiben Sie jedes abzugebende Blatt einzeln mit Ihrem Namen und Vornamen an. Notizen auf den Spektren werden nicht bewertet. Dieses Deckblatt ist ausgefüllt abzugeben. Die Aufgabenstellung ist ebenfalls einzureichen. Wir bitten Sie um Fairness und wünschen Ihnen viel Erfolg! 1 of 17
Prüfungsaufgabe 1: Spektrenübung 1 Auf den folgenden Seiten finden Sie die IR-, Massen-, 13 C-NMR und 1 H-NMR-Spektren der Verbindung A27. a) Ermitteln Sie die Summenformel und die Doppelbindungsäquivalente der Verbindung A27 und leiten Sie ab, ob und welche Art von Ringen, Doppelbindungen und funktionellen Gruppen im gesuchten Molekül vorhanden sind. Welche spektralen Daten legen Sie Ihrer Auswahl zugrunde? Verwenden Sie für die NMR-Spektren die beigefügten Tabellen. b) Leiten Sie aus den gefundenen Strukturelementen die Konstitution von A27 her. c) Ordnen Sie in den beigefügten Tabellen alle Signale in den NMR-Spektren soweit wie möglich zu. d) Erklären Sie das breite Signal zwischen 2400 und 3400 cm -1 im IR. e) Welches Experiment würde die Zuordnung der Signale bei 130.7, 130.1 und 127.4 ppm im 13 C-NMR wesentlich vereinfachen? Bemerkung: Anhand des Kopplungsmusters im 1 H-Spektrum sind 3 Konstitutionen ableitbar, zwischen welchen Sie nicht unterscheiden müssen. 2 of 17
Vorname: Name: zu Prüfungsaufgabe 1: Spektrenübung 1 a) und c) 1 H-NMR-Interpretation δ in ppm Anzahl Protonen Interpretation Zuordnungs- Nr. Bitte zeichnen Sie unter diesen Satz Ihren Strukturvorschlag für A27 und benennen Sie die entsprechenden Atome mit Zahlen, die Sie für die Zuordnung verwenden! Strukturvorschlag für A27: Klausur 2013 3 of 17
Vorname: Name: zu Prüfungsaufgabe 1: Spektrenübung 1 a) und c) 13 C-NMR-Interpretation δ in ppm Interpretation Zuordnungs- Nr. Bitte zeichnen Sie unter diesen Satz Ihren Strukturvorschlag für A27 und benennen Sie die entsprechenden Atome mit Zahlen, die Sie für die Zuordnung verwenden! Strukturvorschlag für A27: Klausur 2013 4 of 17
A27 IR: Perkin-Elmer Spectrum Optica in CDCl 3 [% ] 80 60 40 20 0 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 0 800 600 [cm -1 ] MS: EI [% ] 80 105 150 60 40 91 133 20 39 51 77 79 135 0 20 40 60 80 120 140 160 m/z 5 of 17
A27 13 C-NMR: MHz, aufgenommen in DMSO (d6) oben: breitband-entkoppelt unten: DEPT 167.918 142.248 136.980 130.704 130.079 128.807 127.370 20.009 19.760 131.0 129.0 127.0 20.2 19.8 220 200 180 160 140 120 80 60 40 20 0 ppm CH 3, CH 131.0 129.0 127.0 20.2 19.8 CH 2 CH 131.0 129.0 127.0 220 200 180 160 140 120 80 60 40 20 0 ppm 6 of 17
A27 1 H-NMR: 400 MHz, aufgenommen in DMSO (d6) 12.8 12.6 7.9 7.7 7.5 7.3 7.1 2.3 2.1 ppm 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm 7 of 17
Prüfungsaufgabe 2: Spektrenübung 2 Auf den folgenden Seiten finden Sie die IR-, Massen-, 13 C-NMR-, 1 H-NMR-Spektren sowie die 1 H, 1 H(COSY)- und 1 H, 13 C(HSQC)- Korrelationsspektren der Verbindung A29. Bearbeiten Sie folgende Fragen zu A29: 5 6 4 Si 7 1 2 3 8 13 14 15 O 18 9 O 10 11 A29 12 17 16 a) Zum IR-Spektrum: - Ordnen Sie drei Banden im IR-Spektrum zu. Welche Molekülschwingungen verursachen diese Banden? b) Zum Massenspektrum: - Welches ist der Molekülionpeak? - Welche Fragmentierung/Umlagerung schlagen Sie vor, um das Signal bei m/z 121 zu erklären? Zeichnen Sie detailliert die entsprechende Fragmentierung/Umlagerung mit Elektronenflusspfeilen ausgehend vom Molekülion bis zu den resultierenden Fragmentierungs-/Umlagerungsprodukten. - Welches Fragment verursacht wahrscheinlich das Signal bei m/z 73? c) Zum 1 H-NMR-Spektrum: Führen Sie soweit wie möglich in den beigefügten Tabellen eine Zuordnung aller Signale im 1 H-NMR-Spektrum zu den Protonen der Verbindung A29 durch. Nehmen Sie hierfür das 1 H, 13 C(HSQC)-Korrelationsspektrum zu Hilfe und verwenden Sie die Nummerierung der obenstehenden Abbildung. - Führen Sie die Zuordnung durch und begründen Sie. - Wie können Sie die beiden Protonen an Position 1 unterscheiden? Welche Signale im 1 H- NMR gehören jeweils zu diesen Protonen? d) Zum 13 C-NMR-Spektrum: Führen Sie soweit wie möglich in den beigefügten Tabellen eine Zuordnung der Signale im 13 C-NMR-Spektrum zu den Kohlenstoff-Atomen der Verbindung A29 durch. Nehmen Sie hierfür das 1 H, 13 C(HSQC)-Korrelationsspektrum zu Hilfe und verwenden Sie die Nummerierung der obenstehenden Abbildung. Quarternäre Kohlenstoffatome müssen dabei nicht unterschieden werden, benennen sie die entsprechenden Signale in der beigefügten Tabelle mit einem q. 8 of 17
Vorname: Name: zu Prüfungsaufgabe 2: Spektrenübung 2 c) 1 H-NMR-Interpretation δ in ppm Anzahl Protonen Zuordnungs-Nr. evt. Bemerkungen 7.28 6.89 6.74 5.24 5.18 5.12 4.46 3.83 3.44 2.52 1.68 0.01 A29: Klausur 2013 9 of 17
Vorname: Name: zu Prüfungsaufgabe 2: Spektrenübung 2 d) 13 C-NMR-Interpretation δ in ppm Zuordnungs-Nr. evt. Bemerkungen 159.08 135.68 133.41 130.57 129.20 124.26 114.10 113.70 72.51 70.02 55.20 28.12 22.41-1.09 A29: Klausur 2013 10 of 17
A29 IR: Perkin-Elmer thin film [% ] 80 60 40 20 0 4000 MS: 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 0 800-1 [cm ] 600 EI, 75 ev 121 73 [% ] 304 80 60 40 300 20 0 45 50 77 305 170 94 134 157 150 209 200 304 250 300 350 11 of 17
A29 159.080 135.679 133.407 130.572 129.195 124.258 114.091 113.701 72.505 70.022 55.201 28.115 22.406-1.089 220 200 180 160 140 120 80 60 40 20 0 ppm 12 of 17
A29 1 H-NMR: 600 MHz, aufgenommen in CDCl 3 7.3 7.2 6.9 6.7 5.3 5.1 4.5 ppm 3.9 3.8 3.5 3.4 2.5 1.7 1.6 0.0 ppm 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm 13 of 17
A29 HSQC: aufgenommen in CDCl 3 : CH oder CH 3 negativ: CH 2 0.01 3.83 1.68 2.52 3.44 4.46 5.12 5.18 5.24 6.74 6.89 7.28-1.089 0 ppm 22.406 28.115 negativ negativ 20 40 55.201 60 70.022 72.505 negativ negativ 80 113.701 114.091 124.258 129.195 130.572 133.407 135.679 negativ negativ 120 140 159.080 160 ppm 7 6 5 4 3 2 1 0 14 of 17
A29 HSQC: aufgenommen in CDCl 3 Ausschnitt, Vergrösserung : CH oder CH 3 negativ: CH 2 6.89 7.28 5.12 5.18 5.24 6.74 ppm 110 113.701 114.091 negativ 120 124.258 129.195 130.572 130 133.407 135.679 ppm 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 140 4.5 15 of 17
Prüfungsaufgabe 3 -Trennmethoden Das Glykosylierungsmuster von Antikörpern ist für deren Funktion von zentraler Bedeutung. Die untenstehende Abbildung zeigt die Trennung von verschiedenen Glykanen, die enzymatisch von einem Antikörper abgespaltet wurden. (Oben) Strukturen der häufigsten N- Glykane, die in menschlichen Antikörpern vorkommen. (Rechts) (A) Trennung von verschieden langen Glucose- Oligomeren (mit 1... 17 Einheiten), Maltose, und einem weiteren internen Standard (IS) als Referenzen. (B, C) Trennung der Glykan- Addukte. Quelle: C. Wacker et al., Eur. J. Pharmac. Biopharm. 79 (2011) 503. Beantworten Sie folgende Fragen: a) Obwohl unüblich bei dieser Art von Trennung wäre es möglich, aufgrund der Glukose-Multimeren, die in A eingesetzt wurden, einen Retentionsindex zu definieren. Machen Sie einen Vorschlag für einen solchen Retentionsindex, und berechnen Sie darauf basierend den Retentionsindex für das Glykan G3. b) Berechnen Sie die theoretische Bodenzahl für das Glykan G0 in B respektive C c) Berechnen Sie die Auflösung anhand der beiden Signale für das Glykan G1 in B respektive C d) Die Glykane wurden mit 8-aminopyren-1,3,6,-trisulfonat (APTS) derivatisiert. Auf welche Art würden Sie demnach die Detektion vornehmen? e) Um welche Trennmethode dürfte es sich aufgrund der APTS-Derivatisierung sowie der Resultate aus a) und b) handeln? 16 of 17
Prüfungsaufgabe 4 Sie sollen die Zusammensetzung von Klärschlamm bestimmen. Dazu sollen Sie ein Analysenschema von der Probennahme, Probenvorbereitung bis zu den Messlösungen sowie die Konzentrationsbereiche für die anschliessende Kalibration erarbeiten. Sie sollen Natrium, Calcium, Mangan, Eisen, Arsen und Cadmium in Klärschlamm bestimmen. Die erwartenden Konzentrationsbereiche für die Elemente finden Sie in Tabelle 1. Na, Ca 0 mg/kg Mn, Fe 10 mg/kg As, Cd 0.1 10 mg/kg Tabelle 1: Erwartet Konzentrationsbereich im Klärschlamm. a) Beschreiben Sie die Probennahme und die Probenvorbereitung bis zur Messlösung und gehen Sie im Detail auf die Verdünnung der drei Konzentrationsbereiche ein. b) Bezogen auf die von Ihnen gewählte Probenvorbereitung in a), wählen Sie eine in der Vorlesung behandelten Methoden aus und erklären Sie diese kurz (Skizze und Stichworte). c) Anhand der von Ihnen gewählten Verdünnungen in a) geben Sie den Bereich für die Kalibration für die drei Messlösungsbereiche an. d) Nennen und erklären Sie alle Voraussetzungen für die Verwendung der Standardadditionsmethode zur Bestimmung der Konzentration. Zusatzfrage) Die Konzentration von Arsen wurde in allen Proben zu hoch bestimmt, spekulieren Sie anhand ihrer gesamten Probenvorbereitung und der von Ihnen gewählten Methode über mögliche Ursachen. 17 of 17