NTNU Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Fakultet for naturvitenskap og teknologi Institutt for kjemi ide 1 (av 6) Kontaktperson : Rudolf chmid Institutt for kjemi, Realfagbygg Tlf.: 735 96203 (evt.91375546) tud nr. : - EKAMEN I EMNENE TKJ 4180 G IK 3064 FYIKALK RGANIK KJEMI FREDAG 19. DEEMBER 2003, TID: KL. 09:00-14:00 I denne filen/utgaven skal feilene som fantes i original-oppgavesettet være rettet (forhåpentligvis alle), og noe tekst-redigering /-forbedring (?) foretatt. Tillatte hjelpemidler : D Godkjent enkel lommekalkulator linjal molekylmodeller. Ingen trykkte eller håndskrevne hjelpemidler er tillatt Dette oppgavesett består av 6 sider : 1 forside (s. 1), 4 sider med 8 oppgaver (s. 2-5) og 1 tabell/data-ark (s. 6). Vektingen av hver oppgave er oppgitt, maksimal poengtall er 100. Alle oppgaver må besvares for 100 poeng (men se merknad om MsE nedenfor, for 2003). pesielt for denne eksamenen (høst 2003) p.g.a. Midtsemester-eksamen i TKJ 4180: pørsmål fra midtsemester-eksamenen 2003 som er gjentatt her, er markerte med MsE. For MsE-merkede spørsmål teller den beste av besvarelsene fra denne eller fra midtsemestereksamenen. ensurdato : Mandag, 19.01.2004 Postadresse: Besøksadresse: Telefon +47 73 55 08 70 ide 1 av 10 Realfagbygget, Telefaks +47 73 55 08 77 4180-eksam-03h-ok_kor_noen-svarforv.doc Institutt for kjemi Høgskoleringen 5 N-7491 Trondheim rom D2-136 rg.nr. 974 767 880
ide 2 (av 10) ppgave 1 : (2 poeng pr. del-svar, maks. 5 av 6 : maks. 10 poeng ) Definer, kort (!) : a) Konformasjonell fri energi (-ΔGº) av en substituent, b) Kinetisk oppløsning (av enantiomerer), c) Hyperkonjugasjon, d) pesifikk basekatalyse, e) Hammonds postulat, f) Fase-transfer-katalyse. (C/ A4 (2000), ch.3.3, p.139f) (C/ A4 (2000), ch.2.2, p.89ff) (C/ A4 (2000), ch.1.7, p.54ff; ch.6.7, p.383f) (C/ A4 (2000), ch.4.8, p.229f) (C/ A4 (2000), ch.4.4.2, p217ff) (C/ A4 (2000), ch.4.11, p242) ppgave 2 : ( 5 + 5 = 10 poeng) a. Gjør rede for Curtin-Hammet prinsippet. (C/ A4 (2000), ch.4.4.3, p220ff) b. Hva er et kiralt NMR-skift-reagens, til hvordan og til hvilket formål brukes det, og hvordan fungerer det (forklar enkelt og kort)? Finnes alternative reagenser som gir lignende informasjon ved bruk av den aktuelle instrumentelle metoden, og hva er forskjellen(e) sammenlignet med det kirale skiftreagenset, fordeler og ulemper? (C/ A4, ch.2, s. 95 og (93) Paramagnetisk lantanid-ion-kompleks m. kirale ligander. Det danner diastereomere komplekser med de to enantiomere av en heterokiral prøve. I dette komplekset blir de ellers like NMR-signalene av enantiomerene forskjellige. I tillegg induserer skiftreagensets paramagnetiske metallion store endringer i kjemisk skift (og koblingskonstanter) og gjør mindre forskjell i NMR-signaler (v. antatt magnetisk inaktiv sentralion) mellom de diastereomere prøve-skiftreagens-kompleksene meget tydelig. Alternativer : Lage "ekte", kovalent diastereomerer med et (homo-)kiralt reagens, f.eks. Mosher-reagenset. Fordeler: veldefinerte egenskaper (inkl. signalegenskaper) fra hvert sitt stabile stoff. Ulemper : definitiv kjemisk forandring av prøven, mindre forskjell i NMRsignaler enn ved bruk av skift-reagenser.
ide 3 (av 10) ppgave 3 : ( 15 poeng ; MsE) Anta at litiumaluminiumhydrid (LiAlH 4 ) i dietyleter foreligger nesten utelukkende som dimer, med kun lav konsentrasjon av monomeren. Dersom denne monomeren er det aktive reagenset som reduserer ketoner, vis at hastigheten for reduksjonen er gitt ved hast. = k obs [dimer] ½ [keton] Hva er sammenhengen mellom k obs, hastighetskonstanten k 2 for reduksjonstrinnet og likevektskonstanten K d for dissosiasjonen av dimeren? K 1 Likevekt : ½ (LiAlH 4 ) 2 <=> LiAlH 4 ; K 1 = 1 / (K d ) ½ dim mono k 2 Monomer + keton ---> produkt (alkohol) d[prod] / dt = k 2 [mono][keton] (1) Edukt-likevekt : K 1 = [mono] / [dim] ½ (2) [mono] = K 1 [dim] ½ (3) (3) i (1) d[prod]/dt = k 2 K 1 [dim] ½ [keton] (4) d[prod]/dt = k obs [dim] ½ [keton] med k obs = k 2 K 1 q.e.d. eller k obs = k 2 (K d ) -½ Alternativ evt.: anvendelse av full "teady-tate" ppgave 4 : ( 10 poeng ) (Ref.: G.olladié & al., J.rg. Chem. 60, 4988, (1995)) (N.B.: Les oppgavene 4-6 i sammenheng først, informasjon gitt i et delsspørsmål kan være nyttig i andre.) Beskriv mekanismen for den første reaksjonen (4.1, nedenfor) i en syntese (som fortsettes i oppgaver 5 og 6). Hvorfor og hvordan benyttes bensen som løsningmiddel? Ketaliseringen er gjort for å beskytte karbonylgruppen i midten. Hvilke reaksjonsbetingelser må unngås for å beholde beskyttelsen i de videre syntesetrinnene? Dersom keton-oksygenatomet var 18 -isotopmerket, i hvilken grad kunne merkingen gjenfinnes i produktet? (4.1) HCH 2 CH 2 H Et Et Et Et + H 2 PPT Bensen (PPT = Pyridinium-p-toluensulfonat-salt; (mulig alternativ : p-toluensulfonsyre)) (C/ A4 (2000), ch.8.1, p.451)
ide 4 (av 10) - Produktdannelse standard, via semiacetal (jfr. ref. i C/). Det trengs syrekatalyse for det andre trinnet, og da er betingelsene slike at også første trinnet nok foregår med syrekatalyse. - Bensen brukes ved koking med tilbakeløp (refluks) til fjerning av avspaltet vann (azeotrop bensen-vann, "Dean-tark"-vann-avskiller) for å drive likevekten mot produktsiden. - Ketaliseringen er reversibel ved syrekatalyse, derfor er ketalen stabil i basiske miljø. - Begge oksygenene i ketalringen er fra etylenglykolen. Karbonyloksigenet forventes å bli spaltet av med vannmolekylene. Derfor finnes ikke isotopmerkingen i ketalen. ppgave 5 : (7 + 3 + 5 = 15 poeng ) (Ref.: G.olladié & al., J.rg. Chem. 60, 4988, (1995)) (N.B.: Les oppgavene 4-6 i sammenheng først, informasjon gitt i et delsspørsmål kan være nyttig i andre.) a) Tegn opp ditt forslag til reaksjonsmekanisme for det neste syntesetrinnet (5.1, nedenfor, i praksis tilsettes sulfoksidet til LDA, deretter tilsettes ketal-diesteren). Tegn kun for én av de to symmetriske gruppene. ulfoksonium-ylid angriper ester-karbonyl-c, det tetrahedrale mellomproduktet eliminerer etoksid til keton, som deprotneres til enolat fram til opparbeidelsen, der protonering gir produkt-keton. b) For reaksjonstrinnet (5.1) nedenfor, beskriv konfigurasjonen av de stereogene sentrene i produktet v.h.a. R/-konvensjonen. Hvilken konfigurasjon har sulfioksid-reagenset (utled fra produkt og mekanisme)? Begge sulfoksid- i produktet er R; utgangssulfoksid bevarer konfigurasjonen omkring svovelatomet: derfor er utgangsstoffet også R) c) (For vanskelig 5.c? Ingen riktige svar!) I syntesen (5.1.) tilsettes diester-ketalen til en blanding av litt over 4 ekvivalenter av sulfoksid og LDA-base; reaksjonen avsluttes ved tilsats av mettet vandig ammoniumkloridløsning. Gi en forklaring for at det må brukes totalt minst 4 ekvivalenter med sufoksid og base for å få produkt i tilfredstillende utbytte. Det dannede addisjonsproduktet inneholder en relativ sur metylengruppe (mellom ketonkarbonyl og sulfoksid). Denne deprotoneres sannsynligvis av reagens-sulfoksidanionet, som forbruker 1 ekvivalent reagens pr. sulfoksid-fragment. Dette hindrer samtidig også at det dannede ketonet kan angripes en gang til av en nukleofil og reagere videre til en tertiær alkohol. Reprotonering til isolert produkt skjer ved opparbeidelsen (med vandig ammoniumklorid-løsning - ammoniakk-bufret saltsyre). (5.1.) Et Et C H 3 LDA {= Li N(i-Pr) 2 } THF - 40 0 C
ide 5 (av 10) ppgave 6 : (7 + 3 + 5 = 15 poeng ) (Ref.: G.olladié & al., J.rg. Chem. 60, 4988, (1995)) (N.B.: Les oppgavene 4-6 i sammenheng først, informasjon gitt i et delsspørsmål kan være nyttig i andre.) a) Reduksjonen (6.1, nedenfor) av de to ketogruppene med Lewissyren DIBAL-H (der Al(III) er det harde Lewis-basiske senteret) gir to nye kirale sentra i en enantioselektiv reaksjon. Beskriv (for én side av molekylet) ditt forslag til reaksjonsmekanisme, som også kan forklare hvordan enantioselektiviteten induseres. (6.1) Diisobutylaluminiumhydrid { = DIBAL, DIBAL-H } - 78 0 C. THF / toluen H H Merk at svovelatomet i sulfoksidgruppen er stereogent/asymmetrisk. Aluminium i BIBAlH assosierer seg med den mest nukleofile oksygenen, sulfoksid-'et (ovenfor, etter origianlartikkelen, tegnet som ylen-struktur, men som i ylid-strukturen har negativ formalladning på oksygen). H R' - + R' (i-bu) 2 Al (i-bu) 2 Al - + H Tol Tol En 6-ring (stol-)-t-struktur kan tegnes, der DIBAl-hydridet-koordineres til karbonyl-c. Det finnes 4 T-konformasjoner, med tolyl og R' (= resten av molekylet) enten ekvatorial eller aksial (glem den minst aktuelle med begge aksial): Der kan det også utledes om det reduserte karbonylkarbonet blir angrepet fra re- el. si-siden (oppg. 6.b). (Tegning for "venstre siden" av molekylet): i-bu i-bu R' i-bu i-bu R' i-bu - H Al C Al H Al C H C - + - + i-bu R' ekv.(tol) ekv.(r') ekv.(tol) aks.(r') aks.(tol) ekv.(r') re-angrep si-angrep si-angrep blir ()-karbon blir (R)-karbon blir (R)-karbon - Tol + R' - (i-bu) 2 Al Den antatt mest stabile konformasjonen med de to største konformasjonsbestemmende "6-ringsubstituentene" ekvatoriale gir det oppgitte produktet med alkohol-c med -konfigurasjon, mens de to alternative aks/ekv. kombinasjonene ville gitt "feil produkt. Asymmetrien på (R)-sulfoksidsvovelen bestemmer dermed konfigurasjonen på karbonet i produktet. - - + R' H
ide 6 (av 10) b) (i) Fra hvilke(n) prokiral(e) side(r) er hydridangrepet fra DIBAL-H i (6.1)? Hvilket prokiralt forholt har de to adderte hydrogenene til hverandre? Angrepssidene er på begge karboner fra re-siden (s.o.), som danner et ()-karbonatom. Hvis vi foretar den formelle D-substitusjonen sees at produktene blir identiske (symmetri via C2- akse gjennom molekyl-midten. Hydrogenene på alkohol-c er hopmotope i forhold til hverandre. (ii) Beskriv topisiteten til hydrogenene i ketal-dioksolan-ringen (relasjonen for geminale, cis-vicinale og trans-vicinale H-par) i produktet av (6.1). Hvis vi foretar den tanke-eksperimentelle H/D-substitusjonen for å kunne bestemme topisiteten sees det at - de geminale "produktene" gir diastereotope R,,(d),,R og R,, R(d),,R - vicinal-cis-protoner gir samme resultat : R,,(d),,R og R,, R(d),,R: de er diasteotope. - vicinal-trans-protoner er homotope : resultatet blir enten R,, (d),,r i begge tilfeller eller R,, R(d),,R for det andre vic-trans-paret. (CIP-indeksene hhv. for, C, dioksolan-c, C' og '.) (iii) Beskriv, analog til (ii), topisiteten til hydrogenene (gem, cis-vic og trans-vic) i dioksolan-ringen i etylenglykol-ketalen av aceton (= 2,2-dimetyldioksolan). Til forskjell fra 6.d.(ii) er metylgruppene i aceton.ketalen (2,2-dimetyl-dioksolan) akirale. H 3 C H 3 C Hvis vi her foretar den tanke-eksperimentelle H/D-substitusjonen for å kunne bestemme topisiteten sees det at - de geminale "produktene" gir enantiomerer : H'ene er enantiotope. - vicinal-cis-protoner gir samme resultat som de geminale : de er også enantiotope for begge par. - vicinal-trans-protoner er homotope : for begge par. c) Anta at omsetningen i (6.1) ble gjentatt med aktivt deuterium i DIBAL (= DIBAL-D) istedenfor med aktiv 1 H-isotop. Basert på mekanismeforslaget ditt, hvorfor hadde, eller hadde ikke, du forventet å måle en kinetisk isotopeffekt, og i tilfelle ja hvilken type og omtrent hvilken størrelse ville du forvente? annsynligvis er hydridoverføringen det hastighetskontrollerende trinnet i denne reaksjonen. Den berører direkte knytting/brudd i T av bindinger til det isotopbyttede atom. Det forventes derfor en primær kinetisk isotopeffekt på k H /k D godt over 2.
ide 7 (av 10) ppgave 7 : (8 + 5 + 7 10 + 4 + 6 = 20 poeng ; MsE) yrekonstanten, K a, for en serie substituerte bensenselensyrer, X-Ph-eH, er bestemt i vann ved 25º C: ubst. X K a x 10 5 log K a H- 1,6-4,7959 p-ch 3-0,89-5,0506 m-ch 3-2,2-4,6576 m-cl- 3,5-4,4559 m-n 2-8,5-4,0706 p-br- 3,2-4,4948 a) Vis at likevekten for reaksjonen Ar-eH + H 2 Are 2 + H 3 + følger en Lineær fri energi relasjon. Bestemm reaksjonskonstanten, ρ, for serien. kal det brukes σ m,p eller σ + eller σ i beregningen? (utvalgte ρ- og σ verdier finnes i Tabellen (4.5) på siste side; skisser de ulike relasjonene med enkel plott på ruteark.) Det er ikke noe direkte resonans mellom ladningssenteret (på selen-oksygen) og fenylringen, derfor er σ m,p førstevalget til å testes. σ + eller σ trenges kun testes mot para-derivater (ingen direkte-resonans mulig med meta-posisjonen); de to aktuelle para-ikke-h-substituentene har ingen σ -verdier i appendiksens tabell. 0,8 0,8 0,6 0,6 log (Ka/K0a) 0,4 0,2 0-0,5 0 0,5 1-0,2 log (Ka/K0a) 0,4 0,2 0-1 -0,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2-0,2-0,4 sigma-p sigma-(+) -0,4 Kurven viser ganske god linearitet for regresjonen med σ m,p (korrelasjonskoeff. r = 0,985) med ρ = + 1,1. yrekonstantene følger åpenbart en LFER. (For σ + : ρ = + 1,22, r = 0,913) b) Er fortegn og størrelsen til ρ som forventet? Grunngi. Fortegn positiv : stemmer med en oppbygging av negativ ladning i reaksjonssenteret. tørrelse : omkring 1,0 omtrent det samme som bensosyre-ioniseringen (som har 1,000 eksakt). Tyder på at aromatiske selensyrer ioniseres omtrent likt som aromatiske karboksylsyrer.
ide 8 (av 10) c) Beregn dissosiasjonskonstanten for p-nitrobensenselensyre (og sammenlign med den eksperimentelt bestemte verdien K a = 1,0 10-4 ). Bruk Hammet-likningen : log (K a (p-n 2 -R) / K 0 (HR)) = ρ σ. log (K a (X) = ρ σ(p-n 2 ) + log K 0 (H) log (K a (X) = 1,1 0,81 + (-4,7959) = 0,89-4,80 = -3,91 K a (X) = 10-3,91 = 1,2 10-4, Eksperimentelt bestemt verdi på 1,0 10-4 : er urimelig nær, tatt i betrakning usikkerheten for ρ og at hele LFER-konseptet er en approksimasjon.
ide 9 (av 10) ppgave 8 : ( 5 poeng ) Hvilken av de to laktonene 8A eller 8B dannes raskere? Grunngi valget ditt. DM Br 8A DM Br 8B (Øving 2 og C/ A4 (2000), ch.3, p.180, probl. 7.d) Ringslutningene er hhv. 5-exo-tetra og 6-exo-tetra - begge "favorable" etter Baldwins regler (-sp 2 -orbital er aktiv; evt kan 6-endo-trig vurderes for 6-ring-dannelsen, mens 5- endo-trig for 5-ringen er "unfavorable"). Når begge er "favorable", er ofte ringslutningen til en 5-ring raskere enn den til en 6-ring. Termodynamisk er ofte stabilitetene ( ΔHº) av 5- og 6-ringen relativt like. Fordi aktiveringsentropien for ringslutningen øker med ringstørrelse favoriseres ringslutning til 5- ringen (Mer sannsynlig at endene møtes til ringslutning på en kortere kjede enn på en lengre). Jfr. C/A4, cheme 3.4 & Fig. 3.11.a (s. 168 & 169): 8A ringslutter 90x raskere enn 8B. C. Galli, G. Illurninati, L Mandolini, and P. Tarnborra, J. Am. Chem. oc. 99:2591 (1977; C/, A4,(2000), ch. 3.9, p. 166 ff. og ch. 3/probl. 7.d
ide 10 (av 10) Universell gasskonstant. R = 1,987 cal/k mol = 8,315 J/K mol Hammet -parametre (Tab. 4.5) og utvalgte ρ-parametere (Tab. 4.6) (fra C/ 4.utg.)