TENTAMEN I ALLMÄN OCH ORGANISK KEMI

Transkript

1 KARLINSKA INSTITUTET Biomedicinprogrammet (Kandidat) TENTAMEN I ALLMÄN C RGANISK KEMI MÅNDAGEN DEN 6 APRIL 2009, och Tentamen är uppdelad i två pass med en uppsättning frågor för varje pass. Dessa skrivs under tiderna och Frågorna i denna mapp hör till det första passet och skall inlämnas senast BS! Texta tydligt! Efternamn:... Mappnr:... Förnamn:... Personnr:... Resultatsammanställning: Totalsumma: Resultat: BS! MYCKET VIKTIGT!! FÖRSE VARJE SIDA MED MAPPNUMMER! Besvara frågorna direkt i det utdelade materialet. Använd helst inte andra lösa blad, och var i så fall noga med att skriva namn och mappnummer på alla inlämnade papper! Lägg in samtliga blad i den bifogade mappen. Inga blad får plockas bort! Poängen står angiven vid varje fråga. Skrivningar får ej tas med ut från skrivsalen. Tillåtna hjälpmedel: Molekylmodeller, periodiskt system, kalkylator. Betyg (preliminär poäng): A 54-60, B , C , D , E , F x , F

2 1. Nedan visas strukturen för carnitin. Svara på följande frågor rörande denna förening: (8 x 0.5 p) a) i vad löser sig carnitin bäst - vatten eller kloroform? b) ange hybridiseringstyp för alla atomer utom vätena. c) vilken typ av amin ingår i strukturen? d) hur benämns en sådan här dubbelladdad struktur? e) vilken konfiguration har den chirala kolatomen enl. R/S-systemet (Cahn-Ingold-Prelog)? f) vilken konfiguration har den chirala kolatomen enl. D/L-systemet (Fischer)? g) finns prochirala kolatomer - vilka är de i så fall? h) ange oxidationstalet för karboxylkolet resp. β-kolet. a) water b) kväve = sp 3, all oxygens except the carbonyl oxygen=sp 3, carbonyl oxygen=sp 2, all carbons except C1=sp 3, C1=sp 2 c) quarternary amine d) zwitter ion e) S f) D g) C2 and C4 h) +3 and 0 2. Rita strukturformler för den principiella uppbyggnaden av: (1+1 p) a) en organoboran R2 R1 B R3 b) en enol R1 R2 R3

3 3. Definiera begreppet Lewissyra och ge ett exempel! (2 p) Can accept a pair of electrons Anhydrous metal salts such as ZnCl 2, AlCl 3, FeCl 3, but also + and BF 3 4. Du har fått fram en fast produkt vid en syntes. ur gör du för att rena den från kvarvarande små mängder av kontaminerande fasta substanser och annat som damm och hår? Beskriv metoden och vad den grundar sig på i detalj. ur avgör du om slutprodukten är ren och vad måste beaktas? (3 p) mkristallisation med varmfiltrering Metoden grundar sig på att ämnet och föroreningar ofta har lika löslighetsegenskaper. Efter upplösning i lämpligt, varmt lösningsmedel kristalliseras ämnet ut i kyla, nu betydligt renare, medan föroreningar stannar kvar i moderluten. mkristallisation kan delas in i fem moment: 1. Upplösning av produkten i varmt och lämpligt lösningsmedel produkten skall vara ganska lättlöslig vid hög temperatur (vätskans kokpunkt) men relativ svårlöslig vid rumstemperatur eller i kyla. 2. Varmfiltrering för att avlägsna fasta föroreningar som damm, hår eller tillsatt kol 3. Utkristallisering Lösningen blir övermättad när den kyls ner. Kristallisationen sker spontant eller kan framkallas genom ympning med en liten kristall eller genom skrapning på glasväggen. 4. Sugfiltrering av kristallerna. 5. Torkning av kristallerna. Smältpunktsbestämning för att avgöra om slutprodukten är homogen en ren substans smälter mycket skarpt medan en oren blir klibbig och börjar smälta långt under den temperatur där sista kristallen smälter. Kristallerna måste vara torra. 5. (3E, 5E)-ktadien bestrålas med UV-ljus varvid det bildas en cyklisk förening. Ange vilken substans som bildas, inklusive stereokemi och förklara hur reaktionen sker samt varför just den produkten bildas! (2 p) cis-3,4-diethylcyclobuten 4n electrons, photochemically induced cyclization, disrotatory motion

4 6. En kemiskt inriktad biomedicinare studerade nedbrytningsprodukter av cellulosa. I ett försök där cellulosa refluxades med saltsyra erhölls en reaktionsprodukt ur vilken han isolerade den kristallina substansen X (smältpunkt o C). För att strukturbestämma X gjordes följande analyser: a) Några mg sändes för elementaranalys vilket gav molekylformeln C b) Masspektrum: c) IR-spektrum:

5 d) 1 NMR-spektrum: (förtydligande: topparna är från vänster till höger: singlett, triplett, triplett, singlett) Vilken är föreningen X (namn och formel)? Motivera! (4 p) 4-oxopentanoic acid (levulinic acid) Molecular formula: two double bond equivalents must be present IR spectrum: exhibits typical C= absorption (~1700 cm -1 ) as well as an - band (~3200 cm -1 ) 1 NMR spectrum: together with the IR-spectrum, the offset singlet at δ10.9 reveals that the compound is a carboxylic acid; the two triplets indicated the presence of a -C 2 -C 2 - group; the remaining singlet indicates the presence of isolated protons (no neighbors), most likely belonging to a C 3 -group Together with the fragmentation pattern from the mass spectrum (loss of carboxyl group, loss of C 3 C-group, etc.), these spectra indicate that compound X is 4-oxopentanoic acid.

6 7. Ett protein består av en kedja av aminosyror i en viss ordning. Normalt veckar denna kedja ihop sig på ett bestämt sätt och en tredimensionell struktur bildas. m man gradvis höjer temperaturen på en proteinlösning kommer förr eller senare proteinerna veckas ut, denatureras. Den temperatur vid vilken denna process skett till hälften kallas T m (transition temperature). Vid T m är hälften av proteinmolekylerna i sitt veckade tillstånd (det nativa tillståndet) och hälften i det oveckade tillståndet (det denaturerade tillståndet). För ribonukleas A är T m 63.9 C och Δ för denatureringsreaktionen är vid denna temperatur 519 kj/mol (gäller vid p 7.0). a) Vad är ΔG och ΔS för reaktionen vid T m? (Ledtråd: Vad är jämviktskonstanten K eq vid T m?) (2 p) b) Utgående från reaktionen, resonera dig fram till varför tecknen på Δ och ΔS måste bli som de blir och tala om varför proteiner är stabila vid lägre temperaturer men alltid denatureras när temperaturen höjs tillräckligt. (2 p) a) Jämvikten är definierad som: nativt protein denaturerat protein K eq = [denaturerat protein] / [nativt protein] Eftersom [denaturerat protein] = [nativt protein] vid T m blir K eq = 1 ΔG = -RTlnK eq = 0 Formeln ΔG = Δ - T * ΔS gäller, således är ΔS = (Δ ΔG)/T = (519 * ) / ( ) = 1.54 kj/(mol*k) b) m proteinet utsatts för alltför hög temperatur, fel p, alltför hög salthalt eller något liknande kan proteinet denatureras, vecklas ut. I detta tillstånd ser inte alla proteinmolekyler i lösningen lika ut. De är inte alla spikraka eller liknande, utan det kan finnas större eller mindre fragment av den nativa strukturen kvar och proteinmolekylerna har stor individuell rörelsefrihet. Detta är ett annat exempel på att entalpi vägs mot entropi. I det nativa tillståndet bildas många bindningar mellan de olika aminosyrorna och det krävs tillförd värme att bryta dem. Denaturerings-reaktionen är endoterm och Δ > 0. Entropin favoriseras å andra sidan av det denaturerade tillståndet, eftersom oordningen är så stor och ΔS > 0. Precis som för vatten som kokar får entropin större och större tyngd med ökad temperatur och det är anledningen till att proteiner denatureras om temperaturen blir tillräckligt hög (även om den exakta temperaturen då detta sker varierar mycket mellan olika proteiner).

7 8. Vad bildas vid reaktionen nedan? Redogör för mekanismen. (3 p) 9. Redogör för ett sätt att tillverka 2-oktanon. Det finns många sätt men du är begränsad av att dina utgångsmaterial får innehålla högst 6 kolatomer. Detaljerade mekanismer behövs ej. (2 p)

8 10. Ge strukturformeln inklusive stereokemi för huvudprodukten i följande reaktioner. (4 1 p) N 3 + överskott (excess) Na N 2 Na Mn 4 - värme (heat) + Br 2 i 2 Br and its enantiomer

9 KARLINSKA INSTITUTET Biomedicinprogrammet (Kandidat) TENTAMEN I ALLMÄN C RGANISK KEMI MÅNDAGEN DEN 6 APRIL 2009, och Tentamen är uppdelad i två pass med en uppsättning frågor för varje pass. Dessa skrivs under tiderna och Frågorna i denna mapp hör till det andra passet och skall inlämnas senast BS! Texta tydligt! Efternamn:... Mappnr:... Förnamn:... Personnr:... BS! MYCKET VIKTIGT!! FÖRSE VARJE SIDA MED MAPPNUMMER! Besvara frågorna direkt i det utdelade materialet. Använd helst inte andra lösa blad, och var i så fall noga med att skriva mappnummer på alla inlämnade papper! Lägg in samtliga blad i den bifogade mappen. Inga blad får plockas bort! Poängen står angiven vid varje fråga. Skrivningar får ej tas med ut från skrivsalen. Tillåtna hjälpmedel: Molekylmodeller, periodiskt system, kalkylator. Betyg (preliminär poäng): A 54-60, B , C , D , E , F x , F

10 11. Vilken eller vilka av nedanstående föreningar är aromatiska? Förklara! (2 p) a b c d - : : - C and D are aromatic (4n+2 pi electrons, all carbons sp2-hybridized and should be planar); A and B, although both having 4n+2 pi-electrons, aren t aromatic because they contain sp3- hybridized carbons and are hence not planar 12. Ge fullständig mekanism med samtliga resonansstrukturer och intermediärer för reaktionen med brombensen (i överskott) och 2-klorpropan i närvaro av aluminiumklorid. (3 p)

11 13. För att få släppas ut på marknaden ska kemiska produkter vara klassificerade och märkta. Klassificeringen ska baseras på kemikaliens eller produktens inneboende egenskaper kemisk/fysikaliska, toxikologiska och ekotoxikologiska egenskaper. Nämn fyra hälsofarliga egenskaper som ska bedömas. (4 0.5 p) cancerframkallande, mutagent, reproduktionstoxiskt, allergiframkallande, frätande, irriterande, dödligt. 14. Serinproteaser är viktiga för digestion, koagulering av blod och immunförsvar. De katalyserar klyvning av peptidbindningar och innehåller en karakteristisk triad av katalytiskt aktiva aminosyror: histidin, aspartat och serin. Ange generellt vilken typ av kemisk reaktion som katalyseras och beskriv kortfattat den roll respektive aminosyra i triaden spelar! (2 p) Briefest possible answer (sufficient to obtain both points): A nucleophilic acyl substitution reaction is catalyzed (proceeding via a covalent intermediate). Serine active site nucleophile istidine and aspartate increase serine nucleophilicity by deprotonation, acid/base catalysis 15. Nämn tre viktiga kol- resp väte-isotoper samt ange vilka av dessa som är radioaktiva! (3 p) Svar: 12 C, 13 C, 14 C radioaktiv; 1, 2, 3 radioaktiv

12 16. Stryk under de föreningar som bildar vätebindningar till vattenmolekyler när de löses i vatten. (2 p) tetrabutylammoniumklorid hexan ättiksyrametylester propanol ättiksyrametylester, propanol 17. Ange fullständig reaktionsmekanism och energidiagram för reaktionen av 2-kloro-2-metylbutan med metanol. (3 p)

13 18. Ge reagens för följande omvandlingar. Flera reagens kan vara nödvändiga och i så fall ange i vilken ordning de skall tillsättas. (3 1 p) C 3 C 2 I C 3 C 2 C 2 1. Mg, diethylether 2. C N 2 1. N , Ni Br Br 2 + FeBr 3

14 Frågor i anslutning till artikeln Novel Peptide Mimetic Inhibitors of epatitis C Serine Protease Derived from Isomannide (T.G. Barros, S. Pinheiro, J.S. Williamson, A. Tanuri,.S. Pereira, R.M. Brindeiro, J.B.A. Neto,.A.C. Antunes, E.M.F. Muri, Synthesis , 2009). (Totalt 10 p) Förkortningar: s=singlett, d=dubblett, t=triplett, m= multiplett, BzCl=bensoylklorid, BnCl=bensylklorid, TBAB=tetrabutylammoniumbromid, TsCl=tosylklorid (4-methylbensensulfonylklorid) Artikeln beskriver syntes av en ny klass peptidhomologa föreningar med potential att utvecklas till inhibitorer av hepatit C virus NS3 proteas. 19. Isomannid-skelettet används som strukturell homolog till styva cykliska dipeptider. Det erhålls från sockeralkoholen mannitol som är en reduktionsprodukt av aldohexosen mannos. Rita strukturformeln för den öppna formen av (2S,3S,4R,5R)-mannos i Fischerprojektion. Är det ett L- eller D-socker? (1 p) C C 2 D-mannose 20. -alkyleringen av förening 2 till förening 3 utfördes under phase transfer förhållanden. Förklara hur phase transfer catalysis fungerar och namnge åtminstone en typ av förening vilken ofta används som phase-transfer katalysator. (2 p) The reaction is carried out in a two-phase system. The aqueous phase contains the polar ionic reactants, while the organic phase contains the unpolar reactants. Since the two phases don t mix, the reaction would only occur at the interface. Phase transfer agents that can bind ions and are at least partly soluble in the organic phase are used to transport ions into the organic phase, so that the reaction can also take place therein. Quaternary ammonium salts such as tetraalkylammonium salts and crown ethers are often used as phase transfer agents.

15 21. mvandlingen 3 till 4 leder till en inversion i stereokemin vid det attackerade kolet. Ange reaktionsmekanismen, rita strukturformeln för transition state och förklara inversionen. (1 p) S N 2 reaction, bond breakage and formation occur simultaneously in a concerted process The nucleophile attacks the rear of the molecule relative to the leaving group the other three groups attached to the attacked carbon flatten out in the transition state and then flip to the other side inversion of configuration R1 R3 L R2 Nu R3 R1 [ ] Nu L - L R2 Nu R1 R2 R3 22. Ge en detaljerad reaktionsmekanism för omvandlingen av förening 6 till 7b. (2 p)

16 23. Förening 7 självkondenserar till en azalakton innehållande sura protoner innan den reagerar med R 2 C och bildar föreningarna 8a-o. a) Rita strukturformeln för azalaktonen och markera de sura protonerna. Förklara också vad termen lakton innebär. (1 p) b) Ge en detaljerad reaktionsmekanism med alla intermediärer och resonansstrukturer för efterföljande kondensation med R 2 C. (2 p) N R1 azalactone; lactone= cyclic ester 24. I tabell 2 återfinns 50% cytotoxiska koncentrationer (CC 50 ) och 50% inhibitoriska koncentrationer (IC 50 ) för de syntetiserade peptidhomologerna. Vilken av dessa är den mest lovande föreningen för läkemedelsutveckling om endast aktiviteten övervägs. Varför? (1 p) Compound 9g is most promising; it has the lowest IC 50 and no detectable cytotoxicity (for the tested concentrations)