55iiit.pdf

I 28.03.2009

Z a d a n i a t e o r e t y c z n e

Z ADANIE 1

Bioczujniki enzymatyczne

Przedmiotem zainteresowania współczesnej chemii analitycznej są w coraz większym stopniu

techniki oznaczania substancji o znaczeniu biologicznym. Wśród nich wyróżniają się metody

wykorzystujące enzymy specyficzne dla analizowanego związku – w wyniku reakcji enzymatycznej

wytwarza się produkt, którego zawartość (zależna od stężenia substratu reakcji enzymatycznej)

może być łatwo mierzona.

Rozpatrzymy model reakcji enzymatycznej, w której powstają m.in. jony OH - . Reakcję tę można

opisać uproszczonym schematem: , gdzie S – analizowany substrat, P – produkt

( ogólnie S i P mogą być jonami lub obojętnymi cząsteczkami ).

⎯

⎯→

−

Reakcja przebiega w środowisku buforu, którego obecność jest niezbędna, dla zapewnienia

właściwego działania enzymu. Analiza polega na śledzeniu wzrostu pH spowodowanego

przebiegiem reakcji enzymatycznej z udziałem substratu, S.

Pomiary przeprowadzono w roztworze o objętości 1 cm 3 zawierającym bufor fosforanowy

(utworzony przez NaH 2 PO 4 i Na 2 HPO 4 w równych stężeniach) i enzym, do układu tego wprowadzano

substrat, S o stężeniu w zakresie od 0,001 do 0,005 mol/dm 3 . Przy założeniu, że stężenie substratu i

enzymu w czasie reakcji jest stałe, spełniona jest zależność η= k [S] t , gdzie η jest liczbą moli

jonów OH - wytwarzanych w jednostce objętości, t jest czasem, jaki upłynął od momentu

wprowadzenia substratu, a k jest pewną stałą charakterystyczną dla określonego stężenia enzymu.

Polecenia:

a . ( 4 pkt. ) W zastosowanych warunkach eksperymentalnych k = 0,004 min -1 . Określ, jakie stężenie

buforu fosforanowego należy wybrać, aby dla wymienionego w treści zakresu stężeń substratu i

po czasie 10 minut uzyskać największe zmiany pH (ale nieprzekraczające jednej jednostki).

Odpowiedź uzasadnij. Masz do dyspozycji bufory o następujących stężeniach, zarówno formy

kwasowej jak i zasadowej: 0,05 mol/dm 3 ; 0,005 mol/dm 3 ; 0,0005 mol/dm 3 i 0,0001 mol/dm 3 .

b . ( 6 pkt. ) Dla wybranego buforu oblicz początkową wartość pH (przed dodaniem substratu) oraz

wartość pH zarejestrowaną po upływie 10 minut dla dwóch oddzielnych dodatków substratu o

stężeniu w badanym roztworze: 0,001 mol/dm 3 i 0,005 mol/dm 3 .

c . ( 2 pkt. ) Wskaż kierunek zmian i oblicz wartość zmiany potencjału elektrody pehametrycznej

(ΔE) wywołane opisanymi wyżej (w punkcie b. ) dodatkami substratu do buforu (czyli o

stężeniach substratu w roztworze badanym: 0,001 mol/dm 3 i 0,005 mol/dm 3 ). Potencjał

elektrody, E (wyrażony w mV), jest opisany równaniem: E = const –59 . pH.

d. ( 6 pkt. ) Oblicz stężenie substratu S w próbce, dla której zarejestrowana zmiana potencjału

wyniosła 10 mV. Przyjmując, że najmniejsza mierzalna zmiana potencjału to 1 mV, oblicz

minimalne stężenie substratu S, możliwe do oznaczenia tą metodą.

e. ( 2 pkt. ) Zaproponuj dwa sposoby zmniejszenia minimalnego stężenia, możliwego do oznaczenia

stosowaną metodą.

Wartości stałych dysocjacji H 3 PO 4 wynoszą: K a1 = 6 . 10 -3 ; K a2 = 6 . 10 -8 ; K a3 = 5 . 10 -13 .

enzym

Z ADANIE 2

Związki boru

Z wodnego roztworu otrzymanego w wyniku zobojętniania 40% roztworu kwasu

tetrafluoroborowego za pomocą wodorotlenku litu wykrystalizowano bezwodną sól A . Związek A

w ilości m 1 = 11,25 g ogrzewano w temperaturze ok. 350 °C a wydzielający się gaz (związek B )

pochłaniano w eterze dietylowym. Stały produkt rozkładu termicznego (związek C ) miał masę m 2 =

3,1128 g. Roztwór eterowy związku B wykorzystano w kolejnych reakcjach, które prowadzono w

atmosferze gazu obojętnego (N 2 ).

W reakcji I użyto reagentów w stosunku molowym 3:4 (LiH : B ). Otrzymano gazowy związek

D , a z roztworu po odparowaniu eteru wykrystalizował związek A . Związek D jest bardzo

reaktywnym, toksycznym gazem o gęstości 1,23 kg/m 3 (w warunkach normalnych), utleniającym

się w atmosferze powietrza i reagującym łatwo z wodą.

Do reakcji II wzięto 0,763 g LiH i 1/5 część otrzymanego eterowego roztworu związku B . W

trakcie reakcji, w której nie wydzielał się gaz powstał, między innymi, związek E o budowie

jonowej. Do mieszaniny poreakcyjnej dodano następnie roztwór eterowy zawierający 1,90 g

fluorowodorku trimetyloaminy. Po odparowaniu eteru z produktów reakcji wydzielono przez

sublimację biały, krystaliczny związek F . W pozostałym produkcie stwierdzono obecność jedynie

związku C . Analiza elementarna związku F wykazała, że zawiera on 14,8 % B, 49,4 % C i 19,2 % N.

W reakcji III do 1/6 części eterowego roztworu związku B dodano 1,182 g trimetyloaminy.

Rozpuszczalnik odparowano a uzyskany związek G oczyszczono przez sublimację pod

zmniejszonym ciśnieniem. Otrzymano 2,31 g związku G w postaci heksagonalnych kryształów,

izotypowych z kryształami związku F .

Polecenia:

a. (4 pkt.) Podaj równanie reakcji rozkładu termicznego związku A oraz wzór związków B i C .

Odpowiedź uzasadnij i potwierdź obliczeniami.

b. (5 pkt.) Określ wzór związku D i napisz równanie reakcji jego otrzymywania (reakcja I).

Przedstaw strukturę przestrzenną związku D oraz opisz wiązania w nim występujące.

c. (1 pkt.) Napisz równanie reakcji związku D z wodą.

d. (3 pkt.) Podaj wzór związku E i napisz równanie reakcji jego otrzymywania (reakcja II).

Zaproponuj budowę przestrzenną anionu występującego w jego strukturze. Odpowiedź

uzasadnij i potwierdź obliczeniami.

e. (3 pkt.) Określ wzór związku F i napisz równanie reakcji jego otrzymywania. Odpowiedź

uzasadnij i potwierdź obliczeniami.

f. (4 pkt.) Przedstaw strukturę przestrzenną związku G . Oblicz wydajność reakcji otrzymywania

tego związku.

W obliczeniach przyjmij następujące wartości mas molowych:

H – 1,008 g/mol; B – 10,81 g/mol; N – 14,01 g/mol; C – 12,01 g/mol; F – 19,00 g/mol; Li – 6,94 g/mol;

oraz objętość molową gazu w warunkach normalnych V m =22,41·10 −3 m 3 /mol

Z ADANIE 3

Selektywność reakcji rodnikowej

Reakcje alkanów z chlorowcami biegną według łańcuchowego mechanizmu rodnikowego

składającego się z trzech zasadniczych etapów: inicjacji, propagacji i terminacji. O selektywności

reakcji decyduje względna szybkość reakcji elementarnych tworzenia różnych rodników alkilowych

z wyjściowego alkanu. Selektywność reakcji zależy m. in. od rodzaju chlorowca, co dobrze ilustrują

reakcje propanu z dichlorem i dibromem biegnące z utworzeniem mieszanin odpowiednich

monochlorowcopochodnych w różnych proporcjach (warunki reakcji dobrano tak, aby

zminimalizować powstawanie produktów podstawienia więcej niż jednego atomu wodoru):

CH 2

Cl 2

h ν

CH 2

CHCl

CH 3

+ HCl

ClH 2 C

CH 3

H 3

CH 3

H 3

40%

60%

CH 2

Br 2

h ν

BrH 2 C

CH 2

CHBr

CH 3

+ HBr

H 3

CH 3

H 3

W poniższej tabeli podano wartości entalpii dysocjacji wiązań, które mogą być przydatne do

rozwiązania zadania:

96%

wiązanie

Δ H dys , kJ mol -1

Cl-Cl

+242

Br-Br

+193

H-Cl

+431

H-Br

+366

H-(1-propyl)

+410

H-(2-propyl)

+395

Polecenia:

a . (2 pkt.) Oblicz stosunek reaktywności pierwszo- i drugorzędowych atomów wodoru w reakcjach

propanu z dichlorem i dibromem.

b . (2 pkt.) Zaproponuj mechanizm reakcji propanu z dichlorem z utworzeniem 2-chloropropanu z

podziałem na inicjację (jedna reakcja elementarna), propagację (dwie reakcje) i terminację

(jedna z kilku możliwych reakcji).

c . (4 pkt.) Na podstawie właściwych danych termochemicznych oblicz entalpie elementarnych

reakcji równoległych tworzenia rodników 1- i 2-propylowego pod wpływem chloru (Δ H I , Δ H II ),

a także analogicznych reakcji z udziałem bromu (Δ H III , Δ H IV ). Porównaj uzyskane wyniki i

określ, ile wynosi różnica entalpii reakcji równoległych tworzenia rodników 1- i 2-propylowego.

d . (6 pkt.) Narysuj diagram energetyczny ilustrujący przebieg reakcji równoległych tworzenia

rodników 1- i 2-propylowego pod wpływem chloru (z maksimami energii dla odpowiednich

stanów przejściowych). Zwróć uwagę, że różnica energii jako funkcja współrzędnej reakcji

zmienia się monotonicznie. Przy konstrukcji wykresów pamiętaj o poprawnym skalowaniu i

czytelnym opisie. Zaznacz odcinki odpowiadające energiom aktywacji i entalpiom obu reakcji.

Narysuj analogiczny diagram dla reakcji z bromem.

e . (4 pkt.) Porównaj oba diagramy i określ, które z reakcji równoległych bardziej różnią się

wartościami energii aktywacji. Oceń, czy jest to zgodne z danymi doświadczalnymi dotyczącymi

selektywności reakcji chlorowania i bromowania propanu.

f . (2 pkt.) Dla porównania, oszacuj różnice energii aktywacji rozpatrywanych wyżej reakcji

równoległych (Δ E a(I,II) i Δ E a(III,IV) ) korzystając z równania Arrhenius’a oraz wyników obliczeń

uzyskanych w punkcie a . Przyjmij, że czynniki przedwykładnicze mają dla tych reakcji taką

samą wartość i że temperatura wynosi 298 K.

Z ADANIE 4

Enole i enolany w chemii organicznej

Schemat 1 ilustruje pewne zjawisko, które stanowi podstawę wielu ważnych reakcji

organicznych, ale jest też często przyczyną niekorzystnych reakcji ubocznych. Poniżej

przedstawiono kilka problemów związanych z tym zjawiskiem.

1. Izopropylofenyloketon poddano działaniu LDA (Diizopropyloamidek litu), a następnie

alkilowaniu z użyciem siarczanu(VI) dimetylu (patrz schemat 2). W wyniku reakcji otrzymano dwa

produkty A i B . Stosunek ilości powstałych izomerów można zmieniać modyfikując warunki

reakcji. Polarne rozpuszczalniki aprotyczne (np. HMPA, heksametylofosforoamid) będą

powodować zwiększanie się udziału produktu A w mieszaninie poreakcyjnej, podczas gdy alkohol

tert-butylowy będzie powodował efekt odwrotny, zwiększając udział B .

Dane 1 H NMR zw A: 5H, multiplet, 7 ppm; 3H, singlet, 3,3 ppm; 3H, singlet, 1,8 ppm; 3H, singlet, 1,7 ppm

Dane 1 H NMR zw B: 5H, multiplet, 7 ppm oraz 9H, singlet, 1,2 ppm

Schemat 1

LDA

(CH 3 )SO 4

LDA

izopropylofenyloketon

2. Alfa-beta nienasycony keton, przedstawiony na schemacie 3, w zależności od użytego

nukleofila może ulegać reakcji addycji 1,2, bądź addycji 1,4 (addycja Michaela). W reakcji ze

związkiem Grignarda powstał związek C , natomiast w reakcji z tiofenolem związek D .

Schemat 2

MgBr

2. H 2 O

3. Cykloheksanon oraz metylowinyloketon pod wpływem zasady ulegają annulacji Robinsona

(Schemat 4). Jest to proces, w którym możemy wyróżnić trzy etapy. Pierwszym z nich jest wyżej

wspomniana addycja Michaela, związek pośredni E otrzymany w wyniku tej addycji ulega

następnie wewnątrzcząsteczkowej reakcji aldolowej dając związek F , który z kolei ulega eliminacji

tworząc ostateczny produkt annulacji Robinsona, związek G o wzorze sumarycznym C 10 H 14 O.

Najistotniejsze dane 1 H NMR oraz IR związku G : W widmie IR występuje intensywne pasmo

absorpcji przy 1705 cm -1 . W widmie 1 H NMR występuje szereg sygnałów pochodzących od

protonów związanych z atomami węgla o hybrydyzacji sp 3 oraz jeden sygnał od protonu związanego

z atomem węgla o hybrydyzacji sp 2 .

Schemat 3

MgBr

2. H 2 O

Schemat 3

NaOH

H 2 O

(C 10 H 14 O)

addycja

Mic haela

reakcja

aldolowa

eliminacja

Uwaga : interpretacja danych spektralnych pełni pomocniczą rolę w rozwiązaniu zadania i nie jest

konieczna w odpowiedzi.

Polecenia

a. (1 pkt.) Nazwij zjawisko przedstawione na schemacie 1.

b. (4 pkt.) Narysuj wzory strukturalne związków A i B .

c. (2 pkt.) Wyjaśnij opisany w podpunkcie 1 wpływ rozpuszczalnika na dystrybucję produktów

reakcji alkilowania.

d. (1 pkt.) W zdaniu "LDA jest silną/słabą zasadą Brönsteda oraz silnym/słabym nukleofilem"

wykreśl dwa wyrazy aby było ono prawdziwe. Wybór krótko uzasadnij.

e. (4 pkt.) Narysuj wzory strukturalne C i D .

f. (2 pkt.) W oparciu o teorie miękkich i twardych kwasów oraz zasad (HSAB) uzasadnij strukturę

produktów C i D .

g. (6 pkt.) Narysuj wzory strukturalne związków pośrednich E , F oraz produktu końcowego

annulacji Robinsona G .

Schemat 4

Z ADANIE 5

Peptydy i peptydomimetyki

W badaniach nad zależnością aktywności biologicznej peptydów od ich struktury chemicznej

często wykorzystuje się analogi wyjściowych peptydów, które zawierają w swojej strukturze

usztywniony fragment o ograniczonej rotacji. Związki te (peptydomimetyki) umożliwiają

dokładniejsze zbadanie konformacji badanego związku, a przez to określenie położenia łańcuchów

bocznych aminokwasów koniecznego do wykazywania przez ten związek działania biologicznego.

Określ budowę pewnego peptydomimetyku P , wiedząc że:

- związek ten jest zbudowany z 2 reszt aminokwasowych oraz reszty fragmentu X;

- masa molowa tego związku wynosi 533 g/mol;

- w wyniku działania 1-fluoro-2,4-dinitrobenzenem na ten związek, otrzymano pochodną o

masie molowej 241 g/mol;

- działanie karboksypeptydazą na ten związek prowadzi do otrzymania aminokwasu, który

można również otrzymać w wyniku poniższych przekształceń.

CHO

KCN/NH 4 Cl

H 2 O/HCl

C 6 H 12 N 2

- do związku X prowadzą następujące przekształcenia:

NaOH

H 2 O

(C 10 H 14 O)

eliminacja

addycja

Mic haela

reakcja

aldolowa

Schemat 4

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: