Prüfungen Analytische Chemie

Donnerstag, 7. Februar 2019

Schriftliche Prüfung BSC Analytik

Winter 2018/19

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! ♦ 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: Disziplinarverordnung RSETH 361.1 ♦ Präsenzkontrolle. Bitte legen Sie Ihre Legi offen auf den Tisch. ♦ Viel Erfolg!

1

Aufgabe 1 12 Punkte

Auf den folgenden Seiten finden Sie das IR-, Massen-, 1H-NMR- und 13C-NMR-Spektrum derVerbindung D6. Die Verbindung hat die relative Molmasse Mr = 114.

O

OHR

Der Substituent R ist unbekannt.

a) Identifizieren Sie die Signale im 13C-NMR-Spektrum, die zum Substituenten R von D6gehören. (1 Punkt)

b) Ordnen Sie die Signale im 1H-NMR-Spektrum den Protonen zu. Eine Begründung ist nichtnötig. Identifizieren Sie die Signale, die zum Substituenten R gehören. Hinweis: Bei C=C-Doppelbindungen können kleine sichtbare Kopplungen über 4 Bindungen auftreten, soferndie Doppelbindung eine davon ist. (3 Punkte)

c) Erklären Sie das Aufspaltungsmuster des Signals bei 6.9 ppm im 1H-NMR-Spektrum.Welche Molekülteile sind für das Signal verantwortlich? (2 Punkte)

d) Erklären Sie den Basispeak im Massenspektrum. Wenden Sie die Fragmentierungsregeln,die das Signal stützen, möglichst oft an. (3 Punkte)

e) Das IR-Spektrum wurde in CHCl3 aufgenommen. Dadurch erscheint ein schmalesSperrgebiet bei 3025 cm–1 (mit Pfeil bezeichnet). Es handelt sich dabei um die C–H-Streckschwingung des Chloroforms. Schätzen Sie die Lage dieses Sperrgebiets ab, wenndas Spektrum stattdessen in CDCl3 aufgenommen wird. Die Wellenzahl einesharmonischen Oszillators berechnet sich folgendermassen:

12 c

km1 m2

m1 m2

~

mit den Massen m1 und m2, der Kraftkonstanten k und der Lichtgeschwindigkeit c. NehmenSie an, dass die Kraftkonstante durch die Deuterierung nicht verändert wird. (3 Punkte)

2

Problem 1 12 points

On the following pages you find the IR, mass, 1H-NMR- and 13C-NMR spectrum ofcompound D6. The relative molecular mass of the compound is Mr = 114.

O

OHR

Substituent R is unknown.

a) Identify the signals in the 13C-NMR spektrum belonging to substituent R of D6. (1 point)

b) Assign the signals in the 1H-NMR spectrum to the protons in D6. A justification is notrequired. Identify the signals belonging to substituent R. Hint: Protons in the vicinity ofC=C double bonds may show small visible couplings over 4 bonds, if the double bond isone of them. (3 points)

c) Explain the splitting pattern of the signal at 6.9 ppm in the 1H-NMR spectrum. Which partsof the molecule are responsible for the signal? (2 points)

d) Explain the base peak in the mass spectrum. Apply the fragmentation rules supporting thesignal as often as possible. (3 points)

e) The IR spectrum was recorded with CHCl3 as solvent. There is a small region at 3025 cm–1

(indicated by arrow) where the solvent blocks all light. It is the area of the C–H strechingvibration of chloroform. Estimate where this region will appear if the spectrum is recorded inCDCl3 instead. The wave number of a harmonic oscillator is calculated as follows:

12 c

km1 m2

m1 m2

~

with masses m1 and m2, force constant k, and the speed of light c. Assume the force constantdoes not change by deuteration. (3 points)

3

IR: aufgenommen in CHCl3 D6100

80

60

40

20

0

[%]

4000 3000 2000 1500 1000 500[cm ]–1

O

OHR

MS: EI, 70 eV

%

0

80

100

60

40

20

0 100 m/z

114

80604020 120

69

41

9953

4518 29

H-NMR:1400 MHz, aufgenommen in CDCl

4

3 H3 H2 H

1 H

1 H

TMS

TMS

3

D6

C-NMR:13100 MHz, protonen-breitbandentkoppeltaufgenommen in CDCl

CH2

CH3

CH

3

11.8

CH312.9

22.3

174.2

146.8

126.7C C

160180 140 120 100 80 60 40 20 ppm 0

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm

Lösungsmittel

1.1 1.01.81.92.3 2.26.9 6.87.0

O

OHR

5

Aufgabe 2 6 Punkte

Auf der folgenden Seite finden Sie das IR- und Massenspektrum der Verbindung D7. DieVerbindung hat die relative Molmasse Mr = 84.

a) Die Bande bei 1630 cm–1 im IR-Spektrum stammt von der C=C-Streckschwingung. Sie istsehr scharf. Warum? (2 Punkte)

b) Sie vermuten, dass die Bande bei 1590 cm–1 im IR-Spektrum von einer Oberschwingungstammt. Wie können Sie diesen Verdacht erhärten oder widerlegen? (1 Punkt)

c) Erklären Sie die Signale m/z 41 und 69 im MS. Wenden Sie die Fragmentierungsregeln, diedie Signale stützen, möglichst oft an. (3 Punkte)

Problem 2 6 points

On the following pages you find the IR and mass spectrum of compound D7. The relativemolecular mass of the compound is Mr = 84.

a) The band at 1630 cm–1 in the IR spektrum originates from the C=C stretching vibration. It isvery sharp. Why? (2 points)

b) You suppose the band at 1590 cm–1 in the IR spektrum originates from an overtone. Howcan you corroborate or disprove this suspicion. (1 point)

c) Explain the signals at m/z 41 and 69 in the MS. Apply the fragmentation rules supportingthe signals as often as possible. (3 points)

6

IR: aufgenommen in CHCl3 D7100

80

60

40

20

0

[%]

4000 3000 2000 1500 1000 500[cm ]–1

MS: EI, 70 eV

%

0

80

100

60

40

20

0 100 m/z80604020 120

69

41

9956

29

84

7

Aufgabe 3 11 Punkte

Nonylphenol wird als Rohmaterial für die Produktion von oberflächenaktiven Substanzeneingesetzt. Es wird auch verwendet, um Antioxidantien zum Schutz von Gummi undKunststoffen herzustellen. Nonylphenol ist ein endokriner Disruptor (hormonaktive Substanz).Wenn es in Flüsse gelangt, kann es dort Lebewesen schädigen und könnte auch in Trinkwasserauftauchen. In der EU ist Nonylphenol seit 2003 für viele Zwecke verboten. Es gelangt aberüber Textilien aus Schwellenländern nach Europa.

Die Synthese von Nonylphenol aus Propen und Phenol führt zu einem Isomerengemisch ausetwa 22 Isomeren mit der relativen Molmasse 220. Das Gemisch wird ungetrennt verwendet. Siehaben die Aufgabe, ein Analysensystem zu entwerfen, mit dem Sie die 13 wichtigsten Isomere(siehe Seite 9) in Flusswasser quantifizieren können. Konzentrationen von 100 μg/l könnenbereits toxisch wirken.

Es hat bereits jemand ein erstes Experiment durchgeführt. Ein Gemisch der 13 Isomere wurdemittels GC getrennt.

Trennbedingungen:

Säule: Rxi-5ms (apolar)Länge: 30 minnerer Durchmesser: 0.25 mmFilmdicke: 0.25 μm

Temperaturprogramm: 1 min bei 50°Cmit 8°/min bis 300°

Detektor: Quadrupol-MassenfilterElektronenstoss-IonisierungSignal: Totalionenstrom (alle Massen addiert)

Es wurde folgendes Chromatogramm erhalten:

1

2

4 56

78

9

10

11

1213

3

18.50 19.0018.75 19.25 19.50 19.75 20.0018.25

8

Problem 3 11 points

Nonyl phenol is utilized as raw material for the production of surfactants. In addition it is usedto produce antioxidants for the protection of rubber and plastics. Nonyl phenol is an endocrinedisruptor (hormonally active substance). If it is present in rivers, it can harm living beings. Itcould also appear in drinking water. Nonyl phenol is banned for many puropses in the EU since2003. However, it is imported into Europe in textiles from newly industrializing countries.

The synthesis of nonyl phenol from propene and phenol leads to a mixture of approximately 22isomers with the relative molecular mass 220. The mixture is used inseparatedly. You have thejob to design an analytical system to quantify the 13 most important isomers (page 9) in riverwater. Concentrations of 100 μg/l may already be toxic.

Somebody has already performed a first experiment. A mixture of the 13 isomers has beenseparated by GC.

Separation conditions:

Column: Rxi-5ms (apolar)length: 30 minner diameter: 0.25 mmfilm thickness: 0.25 μm

Temperature programm: 1 min at 50°Cwith 8°/min up to 300°

Detector: quadrupole mass filterelektron impact ionisationsignal: total ion current (all masses added)

The following chromatogram was obtained:

1

2

4 56

78

9

10

11

1213

3

18.50 19.0018.75 19.25 19.50 19.75 20.0018.25

9

Zu trennende Substanzen:

OH OH OH OH

OH OH OH OH

OH OH OH OH

OH

1 2 3 4

5 6 7 8

9 10 11 12

13

Bei den Substanzen 4 und 6,8 und 10sowie 9 und 13handelt es sich um Diastereomere

10

a) Schätzen Sie anhand des Peaks 2 die Anzahl theoretischer Böden der Säule ab. Erklären Siedas Vorgehen. (1 Punkt)

b) In der Art wie das Chromatogramm aufgenommen wurde, ist die Auflösung vieler Peaksungenügend. Sie verfügen ebenfalls über einen Quadrupol-Massenfilter. Spekulieren Sie,wie Sie den Detektor einsetzen können, um die Situation zu verbessern. Was wären dieVoraussetzungen, damit das Vorhaben gelingen kann? (3 Punkte)

c) Wie würden Sie Flusswasser aufarbeiten, um die Nonylphenol-Isomere zu isolieren?(2 Punkte)

d) Wie führen Sie die Quantifizierung durch? Welche Art der Kalibrierung wählen Sie?Begründen Sie. (2 Punkte)

e) Können Sie die Methode, die Sie in Aufgabe b) entwickelt haben, ohne weiteres aufFlusswasser-Proben übertragen? Welche Schwierigkeiten könnten Ihnen begegnen?(3 Punkte)

a) Estimate the number of theoretical plates of the column using peak 2. Explain the procedure.(1 point)

b) In the way the chromatogram was recorded, the resolution of many peaks is insufficient. Youalso have a quadrupole mass filter at your disposal. Speculate how you can use the detectorto improve the situation. What are the requirements for the approach to be successful?(3 points)

c) How would you process river water to isolate the nonyl phenol isomers? (2 points)

d) How do you quantify? What kind of calibration do you employ? Justify. (2 points)

e) Can you transfer the method developed in b) to river water samples without problems? Whatdifficulties could you encounter? (3 points)

11

Aufgabe 4 7 Punkte

Tetracyclin-Antibiotika werden in der Veterinärmedizin eingesetzt, um Milch produzierendesVieh vor Infektionen zu schützen. Der Konsum von Milch mit Tetracyclin-Rückständen kannResistenzen und allergische Reaktionen auslösen. Weltweit ist der Grenzwert für Tetracycline inMilch auf 100 μg/l festgelegt.

Sie haben die Aufgabe, eine schnelle und billige Analysenmethode zu entwickeln, um dreiwichtige Tetracycline (unten) in Milch zu bestimmen. Erst wenn Tetracycline gefunden werden,soll danach eine wesentlich aufwendigere und teurere Methode angewendet werden.

OH O O

OH

O

NH

OHOH

NHO OH

2

OH O O

OH

O

NH

OHOH

NHO

2

OH O O

OH

O

NH

OHOH

NHOCl

2

1 2 3

Sie finden in der Literatur eine Methode, die einen UV-Detektor und eine Aufarbeitung mitFestphasen-Extraktion einsetzt. Tetracycline sind starke Chelatbildner und komplexierenMetallionen wie Ca2+, was zu Störungen im Trennprozess führt. Daher werden bei derAufarbeitung und Trennung noch stärkere Komplexbildner (Oxalsäure) eingesetzt.

Trennbedingungen:

Säule: XBridge BEH C18Länge: 100 mminnerer Durchmesser: 4.6 mmPartikelgrösse: 2.5 μm

Eluent A: 10 mM Oxalsäure in WasserEluent B: 10 mM Oxalsäure in AcetonitrilGradient: 0 min: 15% B, auf 50% B innert 8 min

50% B bis 11.25 min, zurück zu 15% B innert 0.35 minEquilibrierung bis 12.85 min, danach kann eine neue Einspritzung erfolgen

Detektor: UV, 355 nm

Ihr Kollege hat nach Literaturangaben 1.5 ml Milch aufgearbeitet. Danach hat er zur erhaltenenLösung die drei Tetracyclin-Antibiotika zugegeben, so dass die Konzentration 50 μg/l Milchentsprach, also dem halben Grenzwert. Folgendes Chromatogramm wurde erhalten:

12

3

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

0

5

10

15

20

25mAU

min

12

Problem 4 7 points

Tetracycline antibiotics are employed in veterinary medicine to protect cattle from infections.Consumption of milk with tetracycline residues may induce resistence and allergic reactions.The legal limit for tetracyclines in milk is defined worldwide as 100 μg/l.

You have the job to develop a fast and inexpensive analytical method to quantify three importanttetracyclines (below). Only after finding tetracyclines, a more sophisticated and expensivemethod will be employed.

OH O O

OH

O

NH

OHOH

NHO OH

2

OH O O

OH

O

NH

OHOH

NHO

2

OH O O

OH

O

NH

OHOH

NHOCl

2

1 2 3

You find a method in the literature using a UV detector and processing by solid phaseextraction. Tetracyclines are strong chelating agents. They complex metal ions such as Ca2+

leading to disturbances in the separation process. Therefore, even stronger complexing agents(oxalic acid) are used in processing and separation.

Separation conditions:

Column: XBridge BEH C18length: 100 mminner diameter: 4.6 mmparticle size: 2.5 μm

Eluent A: 10 mM oxalic acid in waterEluent B: 10 mM oxalic acid in acetonitrileGradient: 0 min: 15% B, to 50% B within 8 min

50% B till 11.25 min, back to 15% B within 0.35 minequilibration till 12.85 min, after that the next injection is possible

Detektor: UV, 355 nm

Your colleague has processed 1.5 ml milk according to literature. After that he added the threetetracycline antibiotics to the liquid, resulting in a concentration of 50 μg/l in milk, which is halfof the legal limit. The following chromatogramm was obtained:

12

3

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

0

5

10

15

20

25mAU

min

13

a) Schätzen Sie die Auflösung der Peaks 1 und 2 ab. Erklären Sie das Vorgehen. (1 Punkt)

b) Sind Sie überzeugt, dass die Methode funktioniert? Sind Sie mit der Trennung zufrieden?Können Sie sicher sein, eine Überschreitung des Grenzwertes zu erkennen? Haben SieVerbesserungsvorschläge? Welche? (3 Punkte)

c) Betrachten Sie den Gradienten kritisch. Ist er sinnvoll aufgesetzt? Könnten Sie ihn nochdeutlich verbessern? Wenn ja, wie? Wenn nein, warum nicht? (3 Punkte)

a) Estimate the resolution of peaks 1 and 2. Explain the procedure. (1 point)

b) Are you certain that the method works? Are you satisfied with the separation? Can you besure to recognize an exceedance of the legal limit? Do you propose any improvements?Which ones? (3 points)

c) Consider the gradient critically. Is it reasonable? Could you improve it considerably? If yes,how? If no, why not? (3 points)