Donnerstag, 10. August 2017
Schriftliche Prüfung BSc Analytik
Sommer 2017
D – CHAB/BIOL
Vorname:... Name:...
♦ 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!
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♦ Dieses Deckblatt ist ausgefüllt abzugeben.
♦ Wir bitten Sie um Fairness und wünschen Ihnen viel Erfolg!
Aufgabe 1 18 Punkte
Die forensische Untersuchung nach Sprengstoffexplosionen gestaltet sich oft schwierig. Es sind meist nur noch winzige Mengen Sprengstoff und Reaktionsprodukte vorhanden, die zudem auf grosse Flächen verteilt sein können. Die Substanzen auf Seite 3 sollen in Erdreich nachgewiesen werden. In einer älteren Publikation aus dem Jahr 1985 wird folgende Methode vorgeschlagen:
Probenvorbereitung:
Das Erdreich wird mit möglichst wenig Wasser ausgezogen. Der filtrierte Extrakt wird mit festem NaCl versetzt, bis die Lösung an NaCl gesättigt ist. Nun wird dreimal mit wenig Acetonitril ausgeschüttelt. Die überstehenden Phasen werden gesammelt und direkt in einen HPLC eingespritzt.
Trennmethode Umkehrphasen-HPLC:
Säule: C18-Material. Details nicht beschrieben
Mobile Phase: Acetonitril und Wasser, Einzelheiten nicht beschrieben Detektor: Duales UV-Spektrometer, 254 nm und 210 nm Wellenlänge
Die Substanzen auf Seite 3 wurden in gleicher Konzentration in Acetonitril gelöst und in den Chromatographen eingespritzt. Dabei wurden folgende Chromatogramme erhalten. Oben bei der Wellenlänge 254 nm, unten bei 210 nm simultan aufgenommen.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 20
210 nm 254 nm
HMX RDX 1,3,5-TNB 1,3-DNB NB Tetryl 2,4,6,TNT 2-Am-4,6-DNT 4-Am-2,6-DNT
2,4-DNT 2,6-DNT 2-NT 4-NT 3-NT
min 18
Problem 1 18 points
The forensic investigation after the detonation of explosives is often difficult. There are only small amounts of explosives and degradation products left, often distributed over a large area.
The compounds on page 3 are to be determined in soil. The following method is mentioned in an older publication from 1985:
Sample preparation:
The soil is extracted with an amount of water as small as possible. Solid NaCl is added to the filtered extract until the solution is saturated in NaCl. The solution is three times shaken out with a small amount of acetonitrile. The supernatant layers are collected and directly injected into an HPLC instrument.
Separation method: Reversed phase HPLC:
Column: C18 material, details not communicated
Mobile phase: Acetonitrile and water, details not communicated
Detector: Dual UV spectrometer, 254 nm und 210 nm wavelength
The compounds on page 3 were dissolved in acetonitrile in equal concentrations and injected into the HPLC instrument. The following chromatograms were recorded simultaneously.
Wavelength 254 nm above and 210 nm below
0 2 4 6 8 10 12 14 16 20
210 nm 254 nm
HMX RDX 1,3,5-TNB 1,3-DNB NB Tetryl 2,4,6,TNT 2-Am-4,6-DNT 4-Am-2,6-DNT
2,4-DNT 2,6-DNT 2-NT 4-NT 3-NT
min 18
N N
N
N NO2
NO2 O2N
O2N
HMX
N N N NO2
NO2 O2N
RDX
NO2
NO2 O2N
O2N NO2
1,3,5-TNB
1,3,5-TNB
N
NO2 O2N
NO2 NO2
Tetryl
NO2
NB
NO2 NO2 O2N
2,4,6-TNT
NH2 NO2 O2N
4-Am-2,6-DNT
NH2
NO2 O2N
2-Am-4,6-DNT
NO2
NO2 2,4-DNT
NO2 NO2
2,6-DNT
NO2
2-NT
NO2
3-NT
NO2 4-NT
a) Was ist der Sinn der etwas aussergewöhnlichen Probenvorbereitung? Warum hat man den wässrigen Extrakt nicht einfach mit Hexan ausgeschüttelt? (2 Punkte)
b) Die Substanzen haben zum Teil Eigenschaften, die eine Probenaufarbeitung schwierig machen. Welche Eigenschaften? Wie gehen Sie mit den Schwierigkeiten um? (2 Punkte) c) Was ist der Vorteil, das Chromatogramm bei zwei verschiedenen Wellenlängen
aufzunehmen? (2 Punkte)
d) Die genauen Trennbedingungen werden nicht mitgeteilt. Spekulieren Sie, ob ein Konzentrationsgradient eingesetzt wurde. Wie könnte sich die Zusammensetzung der mobilen Phase zeitlich entwickelt haben? Konsultieren Sie dazu das UV-Differenzspektrum von Acetonitril (positiv) gegen Wasser (negativ). Siehe unten. (2 Punkte)
e) Schätzen Sie die Auflösung der Peaks von Tetryl und 2,4,6-TNT ab. Wie gehen Sie vor?
Welches Chromatogramm wählen Sie aus? Warum? (2 Punkte)
f) Eine Methode zur Quantifizierung wird nicht mitgeteilt. Warum ist eine saubere Quantifizierung in der gegebenen Situation nicht so wichtig? Warum würde sie recht schwierig? (2 Punkte)
g) Sprengstoffe enthalten oft auch anorganische Salze wie Nitrate, Chlorate, Perchlorate.
Inwiefern eignen sich die hier gegebene Probenvorbereitung und die HPLC-Trennmethode für solche Materialien? Was würden Sie allenfalls ändern? Begründen Sie. (4 Punkte) h) Die hier beschriebene Methode wird heute nicht mehr in dieser Form eingesetzt. Wo
vermuten Sie die grössten Unzulänglichkeiten? Wie würden Sie heutige moderne
Instrumente einsetzen, um die Substanzen auf Seite 3 zu bestimmen? Würden Sie eher das Trennsystem oder die Detektion anpassen? (2 Punkte)
220 240 260 nm 280
mAU
0 2 4 6 8 10 12 14
–2 –4
Wellenlänge Absorbanz
UV-Differenzspektrum von Acetonitril (Probestrahl) und Wasser (Referenzstrahl). Je 10 mm Schichtdicke.
a) What is the sense of the somewhat extraordinary preparation procedure? Why was the extract not simply shaken out with hexane? (2 points)
b) Some of the compounds have properties making sample preparation tricky. What properties? How would you address the difficulties? (2 points)
c) What is the advantage of recording the chromatogram at two different wavelengths? (2 points)
d) The precise separation conditions have not been communicated. Speculate whether or not a concentration gradient was applied. How could the composition of the mobile phase have developed over time? Have a look at the UV difference spectrum of acetonitrile (positive) against water (negative) below. (2 points)
e) Estimate the peak resolution of Tetryl und 2,4,6-TNT. Describe the procedure. Which chromatogram do you choose for the task? Why? (2 points)
f) A quantification method is not communicated. Why is a proper quantification not of major importance in this situation? Why would it be quite difficult. (2 points)
g) Explosives often contain inorganic salts such as nitrates, chlorates, perchlorates. To what extent do the given sample preparation procedure and HPLC separation method suit for these materials? What would you change if necessary? Justify your answer. (4 points) h) Today the method described here is no longer applied in this form. Where do you suspect
the most severe deficiencies? How would you employ today's modern instrumentation to separate the compounds on page 3? Would you rather adjust the separation system or the detection? (2 points)
220 240 260 nm 280
mAU
0 2 4 6 8 10 12 14
–2 –4
Wavelength Absorbance
UV difference spektrum of acetonitrile (sample beam) and water (reference beam). 10 mm path length each..
Aufgabe 2 12 Punkte
Auf den folgenden Seiten finden Sie das IR-, Massen-, 1H-NMR- und 13C-NMR-Spektrum der Verbindung D3. Sie hat die relative Molmasse Mr = 198.
O
O
O
O
a) Erklären Sie die Entstehung der Signale bei m/z 41 und 69 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 D3 zu.
Eine Begründung ist nicht notwendig. Die Signale oberhalb von 5 ppm können auch vertauscht zugeordnet werden. (2 Punkte)
c) Erklären Sie das Aufspaltungsmuster des Signals bei 1.95 ppm im 1H-NMR-Spektrum.
Hinweis: Protonen koppeln erkennbar über 4 Bindungen, wenn eine der Bindungen eine C=C-Doppelbindung ist (allylische Kopplung). Die Kopplungskonstante ist nur ca. 2 Hz, was aber zu einer erkennbaren Signalaufspaltung führt. (2 Punkte)
d) Die Protonen einer CH2-Gruppe in der Mitte des Moleküls haben zwei Nachbarn in 3 Bindungen Abstand (die andere CH2-Gruppe). Warum erscheint das Signal im 1H-NMR- Spektrum nicht als Triplett? (2 Punkte)
e) Das Infrarot-Spektrum wurde als Chloroform-Lösung aufgenommen. An welchen Merkmalen im Spektrum erkennen Sie das? (1 Punkt)
Problem 2 12 points
On the following pages you find the IR-, mass, 1H-NMR and 13C-NMR spectrum of compound D3. It has the relative molecular weight Mr = 198.
O
O
O
O
a) Explain the formation of the signals at m/z 41 und 69 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 D3. A justification is not
required. The signals above 5 ppm may be assigned interchanged. (2 points)
c) Explain the splitting pattern of the signal at 1.95 ppm in the 1H-NMR spectrum. Hint:
Protons couple recognizably over 4 bonds, provided one of these bonds is a C=C double bond (allylic coupling). The coupling constant is only around 2 Hz, but this leads to a recognizable signal splitting (2 points)
d) The protons of a CH2 group in the middle of the molecule have 2 neighbors in 3 bonds distance (the other CH2 group). Why doesn't the signal in the 1H-NMR spectrum appear as a triplet? (2 points)
e) The infrared spectrum was recorded as chloroform solution. From which features in the spectrum do you recognize this? (1 point)
IR:
aufgenommen als Chloroform-LösungD3
100
80
60
40
20
0 [%]
4000 3000 2000 1500 1000 [cm ]–1 500
O
O O
O
MS:
EI, 70 eVD3
%
0 20 30
10
0 50 100 150 m/z 180
170 41
113 69
100%
D3
H-NMR:
1 400 MHz, aufgenommen in CDCl
6 H 4 H
2 H 2 H
1 2
3 4
5 6
7
8 0 ppm
CH2 CH2
Lösungsmittel TMS
Verunreinigung
TMS
Lösungsmittel
3
D3
C-NMR:
13 100 MHz, protonen-breitbandentkoppelt aufgenommen in CDCl
6.13 6.11 6.15
1.96 1.94
5.60 5.62
4.40 4.42
167.1
136.0 126.0
C
C
62.4
CH3 18.3
O
O O
O
3
Aufgabe 3 6 Punkte
Für die Verbindung D3 werden die alternativen Strukturen 1 bis 3 vorgeschlagen. Finden Sie für jede Alternative mindestens zwei spektroskopische Argumente, die gegen sie sprechen. Ihnen stehen nur die Spektren und die jeweils falsche Struktur zur Verfügung. Vergleiche mit der richtigen Struktur sind unzulässig.
(1 Punkt für jedes Argument, maximal 2 Punkte pro Alternative.)
Problem 3 6 points
The alternative structures 1-3 are suggested for compound D3. Find at least two spectroscopic arguments against them. You have only the spectra and the corresponding wrong structure.
Comparison with the correct structure is not permitted.
(1 point for each argument, maximum 2 points per alternative.)
