TENTAMEN I ALLMÄN OCH ORGANISK KEMI

Transkript

1 KARLINSKA INSTITUTET Biomedicinprogrammet (Kandidat) TENTAMEN I ALLMÄN C RGANISK KEMI MNDAGEN DEN 23 AUGUSTI 2010, 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 (sidor 1-7) och skall inlämnas senast BS! Texta tydligt! Kontrollera att alla sidor är med! 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. Nedanstående förening triprolidine är ett antihistamin som används för att behandla symptom av allergier. Besvara följande frågor som rör föreningen: a) Ringa in alla sp 3 -hybridiserade kolatomer som finns i föreningen. (1 p) b) Ange oxidationstalet för atomerna a, b, c. (1 p) II, -III, +I c) Vilken är dubbelbindningens (markerad d) geometriska konfiguration? (0.5 p) E d) Klassificera varje amin kväve som primär, sekundär, tertiär eller quaternär. (0.5 p) b=tertiary e) Vad kallas den typ av 6-rings-heterocykel som ingår i strukturen? (0.5 p) pyridin f) Anta att gruppen är bunden till kolatom e. Vilken stereokonfiguration skulle kolatomen ha enligt R/S-systemet (Cahn-Ingold-Prelog)? (0.5 p) S g) Vilken del av föreningen är mer basisk, 5- eller 6-rings-heterocykeln? (0.5 p) 5-heterocykeln a e d b N N c 2. Rita strukturformler som visar den principiella uppbyggnaden hos följande föreningar: (4 1 p) a) karboxylsyra R b) tiol R S c) aldehyd d) hemiacetal R R 1 R 2

3 3. Definiera följande begrepp: a) enantiomer, b) mutarotation. (2 1 p) a) mirror images (spegelbildisomerer), often containing a sp 3 -hybridised carbon atom with four different substituents. They have the same physical properties except for the direction of rotation of plane-polarized light and the interaction with other chiral molecules (e.g. with other molecules of the same compound in a crystal). b) Change in optical rotation of carbohydrate solutions due to the slow conversion of pure anomers into a mixture of anomers. ccurs by a reversible ring-opening of each anomer to the open-chain form, followed by reclosure. 4. Namnge nedanstående förening! Stereokemin ska framgå ur namnet. (1 p) (3S)-7-methyl-3-propyl-oktanal 3

4 5. Ge strukturformler för de organiska huvudprodukterna i följande reaktioner (aromatiska ringen är inte reaktiv i något fall). (4 1 p) Br Br Cl 2, 2 Cl 1. s 4 2. NaS 3 1. B , - R 6. Rita alla vätebindningar som förekommer i hydroxyetylpropyleter (IUPAC namn=2- propoxyetan- 1-ol). (1.5 p) Svar: 4

5 7. Intramolekulär aldolcyklisering av heptan-2,5-dion med Na (aq) ger en blandning av två enon produkter i ungefär förhållande av 9:1. uvudprodukten visar två singlett absorptioner i 1 NMR spektrum vid 1.65 δ och 1.90 δ, och inga absorptioner mellan 3 δ och 10 δ. a) Ge fullständig mekanism med samtliga intermediärer, (de)protoneringssteg och resonansstrukturer för bildning av varje produkt. (3 p) b) Identifiera huvudprodukten av reaktionen. (0.5 p) 5

6 8. Ange vilken spektral teknik, NMR, IR, UV eller MS, du skulle använda för att lättast särskilja föreningarna av varje nedanstående par. Motivera ditt svar. (4 1 p) C 3 C 3 a) 3 C C Cl 2 C C C 3 Cl C 3 Svar: NMR (same MW, no strong IR peaks, no UV absorption). The compound on the left will have a single peak in its 1 NMR spectrum, while the compound on the right will have three multiplets. b) Svar: UV (similar NMR, IR and mass spectra). The UV spectra will be significantly different since the compound on the left is conjugated. c) Svar: IR - (same MW, similar nmr (one singlet) and no strong UV). The compound on the right will have a strong carbonyl absorption in its IR spectrum which the other compound will not have. d) Br I Svar: MS (similar NMR, IR and UV spectra). These compounds have different molecular weights. 6

7 9. Varmvatten extrakt av mark pil (engl. ground willow) och poppel (engl. poplar) bark är ett effektivt smärtstillande medel. Den aktiva substansen i dessa infusioner är salicin, en β-glykosid av D- glukopyranos och fenoliska hydroxylgruppen av 2-(hydroxymetyl) fenol. a) Rita strukturformeln för salicin som visar glukosringen i aworth projektionen. (1.5 p) b) I stället för det ganska bitter smakande bark extraktet använder vi numera den besläktade föreningen acetylsalicylsyra (aspirin, kemisk formel nedan) för att minska smärta. Föreslå reagens för reaktioner I och II i 3-stegs omvandlingen av salicin till acetylsalicylsyra och rita strukturformler för reaktionens intermediärer A och B. Tips: den reaktionen som omvandla A till B är en oxidation. (4 p) reagens(er) I Jones reagens reagens(er) II? A B salicin acetylsalicylsyra Svar: a) salicin = C 2 b) A= B= I= + / 2 (hydrolysis) II= acetic acid anhydride, + (acid-catalyzed esterification) 7

8 KARLINSKA INSTITUTET Biomedicinprogrammet (Kandidat) TENTAMEN I ALLMÄN C RGANISK KEMI MNDAGEN DEN 23 AUGUSTI 2010, 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 (sidor 8-15) och skall inlämnas senast BS! Texta tydligt! Kontrollera att alla sidor är med! 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

9 10. Redogör för två sätt att tillverka följande alkohol utgående från en aldehyd eller keton. Ge reagenser. Mekanismer behövs ej. (2 1 p) C 5 9 MgBr + C 5 9 CC(C 3 ) 2 + (C 3 ) 2 CC NaB 4 also possible: (C 3 ) 2 CMgBr +C 5 9 C 11. Förutsäg de organiska huvudprodukterna i följande reaktioner. Ge strukturformler. Förtydliga stereokemin i produkten av reaktion a). (4.5 p) a) 300 o C b) C 3 2, 2 S 4 värme (heat) + 3 C c) C 3 + Na C 3 - Na C C d) 1. CN , värme (heat) 9

10 12. Bensaldehyd bromeras. Redogör för produkt(er) och reaktionsmekanism och förklara varför just denna/dessa produkt(er) bildas. Ange också om någon katalysator behövs och i så fall vilken! (3 p) Svar: Katalysator FeBr, ger möjlighet för Br + att attackera π-elektronmolnet. 3 δ+ δ- Br Br FeBr 3 Kolet i aldehydgruppen är partiellt positivt. Därför är den resonansform som har positiv laddning på kol 1 i ringen ogynnsam, dvs har hög energi. Produkten blir därför metasubstituerad, meta-brombensaldehyd eller 3-brombensaldehyd. Slutligen lämnar den extra protonen så att den aromatiska ringen återställs. C C Br 10

11 13. Reaktionen av metylbromid med natriumhydroxid i vatten ger metanol. astigheten av reaktionen ökar dramatisk om natriumjodid tillsätts till reaktionsblandningen. Svara på följande frågor: a) Vilken mekanism följer reaktionen av metylbromid med natriumhydroxid? Rita reaktionsenergidiagram som visar förloppet av reaktionen. (2 p) b) Vad sker när natriumjodid tillsätts? Ge reaktionsekvation(er). (1 p) c) Redovisa/förklara varför tillsättning av natriumjodid ökar reaktionshastigheten. (1 p) a) S N 2 TS Energy C 3 Br C 3 Reaction progress b) C 3 Br + I - C 3 I + Br - C 3 I + - C 3 + I - c) I - is a better nucleophile than, so we would expect the reaction between C 3 Br and I - to proceed faster than the reaction between C 3 Br and. C 3 I is a more reactive alkylhalide than C 3 Br because I - is a better leaving group than Br -. So when C 3 I forms it reacts faster with - than C 3 Br to form methanol. The overall result is a faster formation of methanol from C 3 Br when NaI is added. 14. Vad menas med prodrugs och hur aktiveras den? (1.5 p) Svar: A prodrug is a drug that is administered in an inactive or significantly less active form (usually to overcome problems with solubility and hence increase bioavailability). It is metabolized in vivo into the active drug. 11

12 15. Rita och beskriv en glasuppsättning för destillation under atmosfärstryck. Ange vad man bör tänka på för att genomföra destillationen på ett säkert sätt. (3 p) Svar: För säkerheten krävs att glasvaror är intakta, slangarna ordentligt fastsatta och allt fixerat i ett stativ. Magnet eller kokstenar behövs för att det inte ska stötkoka. 16. Vilka isotoper av väte och kol är stabila? Ange beteckning och kärnans sammansättning. (2 p) Svar: 12 C, 6 protons, 6 neutrons 13 C, 6 protons, 7 neutrons 1, 1 proton 2, 1 proton, 1 neutron 12

13 Frågor i anslutning till artikeln Fluorinated β 2 - and β 3 -Amino Acids: Synthesis and Inhibition of α-chymotrypsin (V. Peddie, M. Pietsch, K.M. Bromfield, R.N. Pike, P.J. Duggan & A.D. Abell, SYNTESIS 11, , 2010). (Totalt 10 p) Artikeln är relativt lång. För att svara på frågorna är det inte nödvändigt att läsa metodbeskrivningen och avsnittet Synthesis of β 2 -Amino Acid Derivatives. 17. När du besvarar följande frågor, relatera vad du läst i introduktionen till de resultat som beskrivs i avsnittet Inhibition of α-chymotrypsin : (2 p) a) Vilka skillnader finns i struktur och egenskaper mellan α-aminosyror och β-aminosyror? b) Vilken effekt har utbytet av väte mot fluor på egenskaper hos biologiskt aktiva föreningar, dels generellt, dels specifikt på de här beskrivna syntesprodukterna? Svar: a) in α-amino acids, the amino group is attached to the carbon that is α to the carboxyl group; in β-amino acids, it is attached to the β-carbon; peptides containing β-amino acids are often stable to proteolysis; (α-fluorinated β-amino acids are more stable than α-fluorinated α-amino acids; peptides containing fluorinated β-amino acids exhibit antimicrobial activity) exchange of phenylalanine in the chymotrypsin substrate by the corresponding β-amino acid did indeed result in proteolytic stability b) fluorination causes changes in physical, chemical and biological properties (e.g. acidity/basicity; changes in reactivity of neighboring groups, protection against metabolic transformation). the fluorinated β-amino acids compounds, whose synthesis is described, are usually more potent inhibitors of chymotrypsin than their non-fluorinated counterparts most likely because the fluorine atom can hydrogen-bond to amide protons of the oxyanion hole 18. Vad är funktionen av trietylamin (Et 3 N) i reaktionerna visade i Schema 1? Varför tillsätts den? (1 p) Svar: Triethylamine is used as a base in the preparation of amides (and esters) from acyl chlorides. The reaction leads to the production of hydrogen chloride which combines with triethylamine to form the salt triethylamine hydrochloride. In absence of additional base the protons released by the reaction would otherwise bind to the substrate amine and decrease its nucleophilicity. Thus, addition of Et 3 N (or another base) is required for the reaction to proceed to completion. 13

14 19. Ge reaktionsmekanismen i detalj (intermediärer, resonansstrukturer, protonerings- och deprotoneringssteg) för omvandling av förening 14 till 1a. (3 p) 20. Några av de föreningar som används eller tillverkas i de beskrivna synteserna har en Boc (eller tboc = tert-butyl dicarbonate) grupp bunden. Boc-modifikationen används ofta i organiska synteser för att skydda aminogrupper, eftersom det är en bra blockerande grupp. Vilka två kriterier måste uppfyllas av en kemisk grupp för att vara en bra blockerande grupp? (1 p) Svar: 1) they should be inert to the reaction conditions needed for the desired chemical transformation 2) they should be readily removable when the synthesis is complete 14

15 21. Syftet med de beskrivna synteserna är att tillverka potenta inhibitorer för serinproteaser. Vilken reaktion katalyseras av serinproteaser som α-chymotrypsin? Ge en kortfattad beskrivning av huvudkomponenterna i enzymets aktiva centrum och deras funktion i den katalytiska cykeln (t. ex. oxyanion hole nämnd i artikeln). (3 p) Svar: reaction catalyzed: hydrolysis of peptide bonds (1 p) active site components: (2 p) catalytic triad consisting of - a serine = active site nucleophile that after activation attacks the carbonyl carbon of the scissile peptide bond - a histidine = accepts a proton from the serine hydroxyl group and thus facilitates its activation and the subsequent nucleophilic attack - an aspartic acid = hydrogen-bonds to the histidine and thus makes the proton-accepting nitrogen more electronegative, oxyanion hole (formed by backbone amide groups of conserved residues) - stabilizes the negatively charged tetrahedral intermediate (and transition states) via hydrogen-bonding 15