Schriftliche Prüfung BSc Analytik Sommer 2018

Samstag, 25. August 2018

Schriftliche Prüfung BSc Analytik

Sommer 2018

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!

Aufgabe 1 11 Punkte

Die in der Schweiz für Kosmetika zugelassenen UV-absorbierenden Inhaltsstoffe sind in einer Verordnung namentlich aufgeführt. Andere Substanzen sind verboten. Entwickeln Sie eine Methode, um die acht wichtigsten UV-Filter zu quantifizieren. Sie sollen auch nachzuweisen, dass keine unerlaubten Substanzen vorhanden sind.

Ein Hersteller analytischer Geräte hat eine HPLC-Methode entwickelt, die es erlaubt, die Substanzen zu trennen:

Trennmethode Umkehrphasen-HPLC:

Säule: Poroshell 120 EC-C18

Länge: 75 mm, Partikelgrösse: 2.7 μm

Mobile Phase: Eluent A: Wasser : Acetonitril : Essigsäure 90 : 10 : 0.1 Eluent B: Wasser : Acetonitril : Essigsäure 10 : 90 : 0.1 Gradient: 0 min: 50 % B

auf 70 % B bis 0.1 min auf 85 % B bis 2 min

Equilibrierung bei 50 % B während 1 min Flussrate: 1 ml/min

Detektor: Dioden-Array 190–800 nm, ausgewählte Wellenlänge: 304 nm

Die Substanzen auf Seite 3 wurden in gleicher Konzentration in Eluent A + Eluent B 1:1 gelöst und in den Chromatographen eingespritzt. Dabei wurde folgendes Chromatogramm erhalten.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

0 20 40 60 80

mAU 1

2 3

4

5 6

7 8

min

Problem 1 11 points

The UV absorbing additives in cosmetics permitted in Switzerland are itemized in an ordinance.

Other compounds are not permitted. Develop a method to quantify the eight most important UV filters. You are also supposed to verify that no forbidden compounds are present.

A manufacturer of analytical instruments has developed an HPLC method to separate the compounds.

Separation method: Reversed phase HPLC:

Column: Poroshell 120 EC-C18 Length: 75 mm, particle size: 2.7 μm

Mobile Phase: eluent A: water : acetonitrile : acetic acid 90 : 10 : 0.1 eluent B: water : acetonitrile : acetic acid 10 : 90 : 0.1 gradient: 0 min: 50 % B

to 70 % B until 0.1 min to 85 % B until 2 min

equilibration at 50 % B for 1 min Flow rate: 1 ml/min

Detector: diode array 190–800 nm, chosen wavelength: 304 nm

The compounds on page 3 were dissolved in eluent A + eluent B 1:1 at equal concentration and injected into the chromatograph. The following chromatogram was obtained:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

0 20 40 60 80

mAU 1

2 3

4

5 6

7 8

min

Compound

number Compound Structure UV Spectrum

1 Aminobenzoic acid

2 Dioxybenzone

3 Oxybenzone

4 4-Methyl benzylidene camphor

5 Avobenzone

6 Octylmethoxycinnamate

7 Octocrylene

8 Octyl salicylate

COOH

NH₂

nm 250 300 350

nm 250 300 350 OH

O OH

H₃OC

O O

N C O

H₃

C H₃ CH₃

CH₃ O

O

H₃OC

O O O

O OH

O

nm 250 300 350

nm 250 300 350

nm 250 300 350

O O

OH

nm 250 300 350

nm 250 300 350

nm 250 300 350

a) Schätzen Sie die Auflösung der Peaks 6 und 7 ab. Wie gehen Sie vor? (1 Punkt)

b) Was ist der Sinn der Zugabe von Essigsäure zum Eluenten? (2 Punkte)

c) Beurteilen Sie die vorgeschlagene Methode kritisch bezüglich Auflösung und Analysenzeit.

Akzeptieren Sie die Methode als Ausgangspunkt? Hat die Methode Verbesserungspotential?

(3 Punkte)

d) Kosmetika sind oft komplexe Gemische. Wie würden Sie das Ausgangsmaterial aufarbeiten, um schliesslich eine Flüssigkeit in den Chromatographen einspritzen zu können? (2 Punkte)

e) Was könnte die saubere Quantifizierung eines UV-Absorbers vereiteln? Wie würden Sie dem Problem begegnen? Könnte allenfalls der Detektor helfen? (3 Punkte)

___________________________________________________________________________

a) Estimate the resolution of peaks 6 und 7. How do you proceed? (1 point)

b) What is the reason for adding acetic acid to the eluent? (2 points)

c) Critically scrutinize the proposed method with regard to resolution and separation time. Do you accept the method as a starting point for further development? Does the method exhibit a potential for improvement? (3 points)

d) Cosmetics are often complex mixtures. How would you process the material to eventually obtain a liquid to be injected into the chromatograph? (2 points)

e) What could hinder the proper quantification of a UV filter? How would you address the problem? Could the detector possibly help? (3 points)

Aufgabe 2 7 Punkte

Sie haben mit grossem Aufwand eine Substanz (unten) synthetisiert, von der Sie 10 mg reinstes Material für weitere Versuche benötigen. Sie haben 500 mg Ausgangsmaterial mit einer Reinheit von ca. 50%. Sie wollen die Reinigung möglichst kostengünstig durchführen.

O SH

N N O

OH HO

PH

Cl

OH

Ihr Nachbar hat ein Semester Chemie studiert und weiss Rat: präparative HPLC, also Chromatographie mit grossen Mengen. Während der Peak der Substanz erscheint, fängt ein Fraktionensammler das Eluat auf. Ihr Berater schlägt folgendes Vorgehen vor, ohne allerdings ein Experiment durchgeführt zu haben:

Trennsäule: Länge 500 mm

innerer Durchmesser 10 mm

stationäre Phase: Saccharose, fein gepulvert, in jedem Lebensmittelladen erhältlich mobile Phase: Eluent A: Isopropanol

Eluent B: Dichlormethan Gradient: 0–5 min: 30 % B

von 5–15 min auf 80 % B bis 30 min 80% B

Flussrate: 20 ml/min

Detektor: UV-Spektrometer, Wellenlänge 350 nm

Sie sind skeptisch. Ihr Nachbar ist hauptberuflich Astrologe. Sie vermuten, dass er die Trennbedingungen aus der Konstellation der Planeten hergeleitet hat.

a) Um welche Art Chromatographie handelt es sich? Was ist das Trennkriterium? (2 Punkte) b) Was halten Sie von diesem Trennsystem? Geben Sie dem Vorgehen prinzipiell eine Chance,

Ihr Problem zu lösen? Was sind Vor- und Nachteile, wenn das System denn überhaupt funktioniert? (3 Punkte)

c) Unabhängig davon, ob das Trennsystem überhaupt funktionieren würde, betrachten Sie den Gradienten kritisch. Nachdem bisher kein Experiment durchgeführt wurde, würden Sie ihn sicher optimieren müssen. Was würden Sie zuerst anpassen? (2 Punkte)

Problem 2 7 points

With great effort you have synthesized a compound (below) of which you need 10 mg of highest purity for further investigations. You have 500 mg of raw material at your disposal with a purity of roughly 50 %. You aim for a purification procedure as inexpensive as possible.

O SH

N N O

OH HO

PH

Cl

OH

Your neighbor studied chemistry for one semester and has advice: preparative HPLC, i.e.,

chromatography with large amounts. A fraction collector collects the eluate, while the peak of the compound appears. Your advisor proposes the following procedure, without actually having performed any experiment:

Column: length: 500 mm inner diameter: 10 mm

stationary phase: sucrose, finely ground, available in every grocery store mobile phase: eluent A: isopropanole

eluent B: dichloromethane gradient: 0–5 min: 30 % B

from 5–15 min to 80 % B until 30 min 80% B Flow rate: 20 ml/min

Detector: UV spectrometer, wavelength 350 nm

You are sceptical. Your neighbor's main profession is astrologist. You suppose that he has deduced the separation conditions from the constellation of the planets.

a) Which kind of chromatography does this system represent? What is the separation criterion? (2 points)

b) What do you think of this separation system? Do you give this scheme any chance to solve your problem? What are the advantages and disadvantages, provided the scheme works at all? (3 points)

c) Independent of the usefulness of the scheme, critically consider the gradient. As no

experiment has been performed so far, you would certainly have to optimize it. What would you adjust first? (2 points)

Aufgabe 3 18 Punkte

Auf den folgenden Seiten finden Sie das IR-, Massen-, ¹H-NMR- und ¹³C-NMR-Spektrum der Verbindung D5. Sie hat die relative Molmasse M_r = 161.

O O

NH

a) Erklären Sie die Entstehung der Signale bei m/z 30 und 103 im Massenspektrum. Wenden Sie alle Fragmentierungsregeln an, die die Signale stützen, allenfalls mehrfach. (5 Punkte) b) Ordnen Sie die Signale im ¹H-NMR-Spektrum den entsprechenden Protonen von D5 zu.

Die Signale bei 1.6 ppm und 1.5 ppm können auch vertauscht zugeordnet werden. Eine Begründung ist nicht notwendig. Beachten Sie auch den Hinweis in Aufgabe c). (4 Punkte) c) Erklären Sie das Aufspaltungsmuster der Signale bei 3.8 und 3.4 ppm im ¹H-NMR-

Spektrum. Hinweis: Beachten Sie die Geometrie des Moleküls (unten). Die Teilspektren sind weitgehend 1. Ordnung mit einem klar erkennbaren Teil höherer Ordnung. Alle Signale können verstanden werden. (3 Punkte)

NH₂ H

HH H

H H O O H

H

H H H

d) Ob die Protonen der NH₂-Gruppe mit den benachbarten Protonen der CH₂-Gruppe koppeln, hängt von den Aufnahmebedingungen ab. In CDCl₃ ist die Kopplung oft nicht zu sehen, weil Verunreinigungen im Lösungsmittel einen schnellen chemischen Austausch der NH₂-Protonen katalysieren. Ist die Kopplung sichtbar? Begründen Sie. (2 Punkte)

e) Die Aufspaltungsmuster der Signale bei 1.6 und 1.5 ppm im ¹H-NMR-Spektrum sind nicht ohne Weiteres zu verstehen. Warum nicht? (1 Punkt)

f) Im Infrarot-Spektrum erscheint eine Bande für die N–H-Streckschwingungen der NH₂- Gruppe bei 3370 cm^–1. Weniger klar ersichtlich sind andere Banden zwischen 3400 und 2600 cm^–1, (teilweise verdeckt durch die Banden um 3000 cm^–1) die auch zur NH₂-Gruppe gehören. Spekulieren Sie, warum die letzteren Banden einen so grossen Bereich einnehmen.

Hinweis: Eine grosse Verdünnung der Probe ändert wenig am Spektrum. (2 Punkte) g) Erklären Sie die sehr hohe chemische Verschiebung der CH-Gruppe im ¹³C-NMR-

Spektrum. (1 Punkt)

Problem 3 18 points

On the following pages you find the IR-, mass, ¹H-NMR and ¹³C-NMR spectrum of compound D5. It has the relative molecular weight M_r = 161.

O O

NH

a) Explain the formation of the signals at m/z 30 und 103 in the mass spectrum. Apply all fragmentation rules supporting the signals, more than once if necessary. (5 points)

b) Assign the signals in the ¹H-NMR spectrum to the protons in D5. The signals at 1.6 and 1.5 ppm may be assigned interchanged. A justification is not required. Note the hint provided in task c). (2 points)

c) Explain the coupling pattern of the signals at 3.8 and 3.4 ppm in the ¹H-NMR spectrum.

Hint: Consider the geometry of the molecure (below). The partial spectra are essentially first order with a clearly recognizable part of higher order. All signals can be understood. (3 points)

NH₂ H

HH H

H H O O H

H

H H H

d) Whether the protons of the NH₂ group couple with the neighboring protons of the CH₂ group depends on the acquisition conditions. The coupling is often not present in CDCl₃ because impurities in the solvent catalyze a fast chemical exchange of the NH₂ protons. Is the coupling recognizable? Justify. (2 points)

e) The splitting pattern of the signals at 1.6 and 1.5 ppm in the ¹H-NMR spectrum are not easily understandable. Why not? (1 point)

f) A band for the N–H streching vibrations of the NH₂ group appears in the infrared spectrum at 3370 cm^–1. Less obvious are other bands between 3400 and 2600 cm^–1, (partially covered by the bands around 3000 cm^–1) also belonging to the NH₂ group. Speculate why these bands cover such a wide range. Hint: a large dilution of the sample does not change the spectrum substantially. (2 points)

g) Explain the large chemical shift of the CH group in the ¹³C-NMR spectrum. (1 point)

IR:

D5

100

80

60

40

20

0 [%]

4000 3000 2000 1500 1000 [cm ]^–1 500

O O

NH

MS:

D5

%

0 80 100

60 40 20

0 50 100 150 m/z

161 70

103

115 99

86 75

58 47 43

30

D5

H-NMR:

1 400 MHz, aufgenommen in CDCl

2 H

1 2

3 4

5 6

7

8 0 ppm

CH₂

Lösungsmittel

TMS TMS

Lösungsmittel

3

D5

C-NMR:

13 100 MHz, protonen-breitbandentkoppelt aufgenommen in CDCl

102.8 CH

29.0 CH₂ 30.1 CH₂

61.0

CH₂ 42.0

CH₃ 15.3 3

2 H

2 H 2 H

1 H

4 H 6 H

O

O NH

1.10 1.20

4.40 4.50

3.50 3.40

3.60 3.70

2.65 2.75

1.50 1.40

1.70 1.60