Schriftliche Prüfung BSc Frühling 2015

Prüfungen Analytische Chemie Mittwoch, 4. Februar 2015

Schriftliche Prüfung BSc Frühling 2015

D – CHAB/BIOL

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♦ Jede Aufgabe wird separat bewertet. Die maximal erreichbare Punktzahl beträgt 36.

Die Maximalnote wird mit mindestens 30 Punkten erreicht.

♦ Zeit: 60 Minuten. Teilen Sie sich Ihre Zeit gut ein!

♦ Unleserliche Texte, unklare Formulierungen oder unsaubere Skizzen können nicht bewertet werden. Bitte bemühen Sie sich um eine saubere Darstellung.

♦ Schreiben Sie jedes abzugebende Blatt einzeln mit Ihrem Namen an.

♦ Dieses Deckblatt ist ausgefüllt abzugeben.

♦ Wir bitten Sie um Fairness und wünschen Ihnen viel Erfolg!

1

Aufgabe 1 18 Punkte

Auf den folgenden Seiten finden Sie das IR-, Massen-, ¹H-NMR- und ¹³C-NMR-Spektrum der Verbindung B3. Sie hat folgende Konstitutionen, je nach Umgebung:

O

HO

NH

O

O

NH

+ –

Die Verbindung hat die relative Molmasse M_r = 89. B3 liegt als Festkörper und in wässriger Lösung hauptsächlich als Zwitterion vor. In der Gasphase liegt die linke Spezies vor.

Hinweis zu den ¹H-NMR-Spektren:

B3 wurde in zwei verschiedenen Lösungsmitteln aufgenommen.

D₂O: Protonen, die an O oder N gebunden sind, tauschen in Lösung aus, sie können also von einem Molekül zum nächsten springen. Das gilt auch für die Deuteronen des Lösungsmittels, die chemisch gleich reagieren wie Protonen. Da D₂O in einem grossen Überschuss vorliegt, findet man praktisch alle Protonen auf dem Lösungsmittel. D₂O ist nie vollständig deuteriert.

Das Lösungsmittel enthält also ebenfalls eine kleine, unbekannte Menge Protonen.

CF₃COOH: Trifluoressigsäure ist eine starke Säure, vergleichbar mit HCl. Protonen, die an O gebunden sind, tauschen in Lösung schnell aus. Die chemische Verschiebung ist für alle diese Protonen gleich. Es erscheint also nur ein einziges Signal. Protonen in der Ammoniumgruppe tauschen nur langsam aus. Das führt zu einer kleinen Linienverbreiterung und einer Reduktion der Kopplungskonstanten. Beachten Sie, dass CF₃COOH nicht deuteriert ist.

a) Ordnen Sie die Protonen von B3 den Signalen in den beiden ¹H-NMR-Spektren zu.

Zeichnen Sie die Struktur von B3, wie Sie sie für das Lösungsmittel CF₃COOH erwarten.

Begründen Sie die Zuordnung anhand der Aufspaltungsmuster.

b) Im ¹³C-NMR-Spektrum erscheinen auch die Signale des Lösungsmittels CF₃COOH. Fluor besteht nur aus dem Isotop ¹⁹F, das wie das Proton ein magnetisches Dipolmoment hat.

Daher sind die Kopplungen von ¹⁹F zu ¹³C sichtbar. Die Kopplungskonstanten sind vergleichbar mit jenen von ¹H zu ¹³C. Zeichnen Sie die Struktur des Lösungsmittels.

Ordnen Sie die Signale den C-Atomen des Lösungsmittels zu. Erklären Sie die Auf- spaltungsmuster. Rationalisieren Sie die chemischen Verschiebungen der beiden C-Atome.

c) Erklären Sie den Basispeak im Massenspektrum. Durch welche Fragmentierungsregeln können Sie das Signal rationalisieren? Wenden Sie die Regeln erschöpfend an.

d) Nachdem Sie das ¹H-NMR-Spektrum von B3 in D₂O aufgenommen haben, verdunsten Sie das Lösungsmittel und nehmen vom Rückstand ein Massenspektrum auf. Was erwarten Sie für Veränderungen zum gewöhnlichen MS? Begründen Sie Ihre Ansicht.

e) Spekulieren Sie, warum das IR-Spektrum als KBr-Pressling aufgenommen wurde. Warum hat man nicht eine wässrige Lösung verwendet?

IR:

B3

100

80

60

40

20

0 [%]

4000 3000 2000 1500 1000 [cm ]^–1 500

O

HO

NH

O

O

NH

+ –

MS:

B3

100

%

0 50

0 50 100 m/z

18 89

74 28

44

Lösungsmittel 3

Lösungsmittel 64x verkleinert

3 H

3 H 3 H

1 H

1 H

H-NMR:

1 600 MHz, aufgenommen in D O₂

H-NMR:

1 500 MHz, aufgenommen in CF COOH₃

B3

O

O ND

–

13

C-NMR:

B3

protonen-breitbandentkoppelt

176.58 53.20

16.83 Lösungsmittel-Signale

CH₃ CH

C

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 ppm 0

5

Aufgabe 2 11 Punkte

Orotsäure ist eine Substanz, die für die menschliche Ernährung wichtig ist. Obwohl unser Körper kleine Mengen synthetisieren kann, muss der grösste Teil mit der Nahrung

aufgenommen werden. Orotsäure kommt vor allem in Milchprodukten vor. Die Konzentration in Joghurt beträgt etwa 70 mg/l.

Struktur von Orotsäure:

N H

NH O

O O

OH

Orotsäure hat folgende pK-Werte:

2.4 9.45

> 13

Für die Quantifizierung von Orotsäure wird folgende HPLC-Methode empfohlen:

Säule: Hydrosphere C18 (Umkehrphase), Länge 150 mm, innerer Durchmesser 4.6 mm, Partikeldurchmesser 5 μm

Mobile Phase: 10 mM Natriumphosphat-Puffer von pH 2.6 Flussrate 1.0 ml/min

UV-Detektor bei 280 nm

Aufarbeitung der Probe: Ultrafiltration, dann 10-fache Verdünnung mit Wasser, Einspritzung.

Das Chromatogramm auf der nächsten Seite wurde von einem Joghurt-Drink aufgenommen.

a) Berechnen Sie den Retentionsfaktor (Kapazitätsfaktor) k für den Peak der Orotsäure.

b) Berechnen Sie den Trennfaktor α für die Peaks 2 und 3.

c) Berechnen Sie die Auflösung R_S der Peaks 2 und 3.

d) Berechnen Sie die theoretische Bodenzahl der Säule anhand des Peaks der Orotsäure.

e) Jemand vermutet, dass es sich bei der unbekannten Substanz (Peak 2) um Milchsäure handelt. Was halten Sie von dieser Vermutung?

Struktur von Milchsäure:

O

OH OH

Milchsäure hat einen pK-Wert von 3.86

f) Orotsäure ist sehr stark polar. Die Spezialsäule Hydrosphere C18 ist speziell dafür geeignet.

Welche alternative Methode schlagen Sie vor, um Orotsäure in Joghurt zu bestimmen?

Begründen Sie Ihre Wahl. Charakterisieren Sie die Methode möglichst präzis. Welche Nachteile würden Sie sich allenfalls einhandeln?

0 5 10 15 20 25 mAU

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 min

2

2: unbekannte Substanz

3

3: Orotsäure

1

1: Inertsubstanz

7

Aufgabe 3 7 Punkte

Die Analyse von Pestizidrückständen gehört zu den wichtigen Aufgaben der Lebensmittel- kontrolle. Von den mehr als 200 eingesetzten Substanzen wurden 23 häufig gebrauchte Organo- chlorverbindungen gaschromatographisch untersucht. Das untenstehende GC stammt aus der Methodensammlung eines Herstellers analytischer Geräte. Die Aufnahmebedingungen waren:

Säule: CPsil-8 (apolar, unspezifisch, trennt im Wesentlichen nach Siedepunkten), Länge 9 m, innerer Durchmesser 0.1 mm, Filmdicke 0.1 μm

mobile Phase: H₂

Temperaturprogramm: 1 Minute bei 80° C, dann mit 60° C pro Minute bis 280° C Elektroneneinfang-Detektor (ECD)

Minutes

2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00

Obwohl die Trennung recht gut gelungen ist, sind gewisse Peaks nicht so weit getrennt, dass eine Quantifizierung zuverlässig möglich ist.

a) Welche Massnahmen könnten Sie ergreifen, um die Trennung zu verbessern? Was für Nachteile müssten Sie dafür allenfalls in Kauf nehmen?

b) Ist der Detektor vernünftig gewählt für Organochlorverbindungen?

c) Wenn eine Trennung trotz allen Versuchen nicht gelingen will, könnte man allenfalls zwei Chromatogramme aufnehmen und mit der Wahl eines geeigneten Detektors dafür sorgen, dass von den nicht getrennten Substanzen jeweils nur eine detektiert wird. Für die andere Substanz wäre der Detektor dann "blind". Wie würden Sie das bewerkstelligen? Erklären Sie das Vorgehen.