ChemNet
 
Химический факультет МГУ

34ая Международная Химическая Олимпиада
Гронинген, понедельник, 8 июля 2002 г.
Задания практического тура
Химия и качество жизни идут рука об руку

Ферментативный гидролиз метилового эфира N-ацетил-фенилаланина
Синтез бензилгидантоина
Определение железа в таблетке

Вводные замечания

  • Все время, пока вы находитесь в лаборатории, вы должны быть в защитных очках или в своих собственных очках. Используйте только грушу для набора жидкости в пипетку. Принимать любую пищу в лаборатории строго запрещено.
  • Участникам следует работать внимательно, вести себя осторожно, сохранять оборудование и рабочее место в чистоте. Нарушение этих требований может привести к штрафным баллам. Не стесняйтесь обращаться к ассистентам по любым вопросам, касающимся техники безопасности.
  • При входе в лабораторию обратите внимание на расположение аварийного выхода и аварийного душа.
  • Перед началом работы внимательно прочитайте текст заданий и изучите листы ответов. Проверьте наличие и расположение оборудования и принадлежностей. В вашем распоряжении имеется 15 минут для подготовки к выполнению практического задания.
  • Начать работу следует только после подачи команды СТАРТ.
  • Вам выделяется 5 часов на выполнение всех практических задач и запись результатов в листы ответов. За 15 минут до истечения 5 часов вас предупредят об приближении окончания тура. После подачи команды СТОП вы обязаны немедленно прекратить работу. Задержка в выполнении этого требования на 5 минут приведет к аннулированию текущей задачи и нулевому результату за нее.
  • Практическое задание состоит из трех задач. Для того чтобы использовать выделенное время эффективно, необходимо хорошо спланировать работу. Внимательно прочитайте содержание всех трех задач. Параллельное выполнение нескольких задач может сэкономить вам много времени.
  • Впишите свою фамилию и личный код (проставленный на вашем рабочем месте) в соответствующем месте каждого листа.
  • Все результаты должны быть вписаны в соответствующие места на листах ответов. Результаты, записанные в других местах не будут оцениваться. Не пишите ничего на обратной стороне листов ответов. Если вам необходима писчая бумага для работы или требуется заменить испорченный лист ответа, попросите их у ассистента.
  • После окончания работы вы должны поместить все бумаги в выданный вам конверт и заклеить его. Проверяться и оцениваться будут только листы из этого конверта.
  • Не выходите из лаборатории до тех пор, пока вам не разрешат сделать это. При выходе из лаборатории вам будет выдана квитанция за сданный вами конверт.
  • Используйте только принадлежности и калькулятор, которые были выданы вам.
  • Периодическая система элементов прилагается в конце задания.
  • Число значащих цифр в численных ответах должно соответствовать правилам определения экспериментальных погрешностей. Неверное число значащих цифр приведет к снижению баллов за задачу, даже если эксперимент выполнен безупречно.
  • Данное задание включает 5 листов ответов.
  • Официальная английская версия текста задания будет вам выдана, если вы попросите.

Техника безопасности

Строго следуйте правилам, описанным в комплекте Подготовительных заданий.

Удаление отходов реактивов, пролитых жидкостей и разбитого стекла

Органические отходы, а также другие отходы следует помещать в сосуд с надписью "Waste".
Используйте соответствующие сосуды для химических и других отходов.
Разбитое стекло выбрасывайте в ведро для мусора.

Уборка рабочего места

Рабочее место следует вытереть влажной салфеткой.

Инструкция к калькулятору Texas Instruments TL-83 plus

Для Олимпиады хватит этой инструкции.
Включить: Нажать кнопку ‘ON’.
Выключить: Сначала нажать кнопку ‘2nd’, а затем –кнопку ‘ON’.
Сложение, вычитание, умножение и деление выполняются как обычно:
Например, сложение: Число 1 + Число 2 ‘enter’
Можно использовать скобки.
Кнопки для ln, log, x-1 и x2 находятся на панели.
Для операции ex сначала нажмите кнопку ‘2nd’, а затем – кнопку ‘ln’ ; наберите число и ‘enter’.
Для операции 10x сначала нажмите кнопку ‘2nd, а затем – кнопку ‘log’; наберите число и ‘enter’.
Для операции Цx нажмите кнопку ‘2nd, а затем – кнопку ‘x2 ; наберите число и ‘enter’.
Чтобы набрать e = 2.71828 сначала нажмите кнопку ‘2nd, а затем – кнопку ‘-:- ’ .
Чтобы набрать p =3.14 сначала нажмите кнопку ‘2nd , а затем – кнопку ‘ ^ ’ .
Общее замечание: Желтые функции активируются простым нажатием ‘2nd (желтая кнопка) с последующим нажатием необходимой функции.
Для очистки экрана нажмите кнопку ‘clear’.

Реактивы, посуда и оборудование:
Набор микропосуды
(a) Термометр (на рабочем месте)
(b) Хроматографическая колонка
(c) Переходник для термометра
(d) Переходник
(e) 2 магнитика для магнитной мешалки
(f) воронка Хирша для фильтрования под вакуумом
(g) одноходовой запорный кран
(h) насадка для дистилляции (60 мм)
(i) колба Бунзена на 25 мл для  фильтрования под вакуумом
(j) соединительная трубка с боковым отводом
(k) резиновая пробка (8 мм )
(l) пластиковый шприц на 1 мл
(m) переходник с держателем
(n) пробирка для центрифугирования (на 15 мл)
(o) колонка для перегонки
(p) пробирки (10 х100 мм)
(q) колба Эрленмейера (на 10 мл)
(r) круглодонная колба на 5 мл с длинным горлом
(s) круглодонная колба на 5 мл с коротким горлом
(t) уплотнитель для фильтра Хирша
(u) шланг тефлоновый (Tubing PTFE 1/16”)
(v) шпатель

Посуда и оборудование

Песчаная баня (электроподогреватель, в который
насыпается песок, коробка с песком стоит на
столе отдельно) 1
Колба Эрленмейера плоскодонная на 50 мл 1
Бюретка на 50 мл 1
Зажим для бюретки 1
Лапка с зажимом 2
Штатив 2
Ступка с пестиком 1
Стакан на 100 мл 1
Мерный цилиндр на 10 мл 1
Мерная колба на 250 мл 1
Мерная колба на 100 мл 2
Стеклянная воронка 1
Пипетка с делениями на 10 мл 2
Резиновая груша для заполнения пипетки 1
Пипетки Пастера 10
Резиновые маленькие груши для пипеток Пастера 3
Бумага для взвешивания 20 (возле весов)
Магнитная мешалка 1
Магнитик для магнитной мешалки 1 (в пробирке)
Пинцет 1
Ложка для песка 1
Большая банка с завинчивающейся крышкой для ТСХ 1
Пластинки для тонкослойной хроматографии (5 10 см) 4
Капилляры для ТСХ 5 (в пробирке)
Кюветы (1.000 см) 2
Стеклянная палочка для перемешивания 1
Пробирки 4
Секундомер 1
Закрывающийся полиэтиленовый пакет 2

Реактивы

Метиловый эфир
N-ацетил-фенилаланина (NаcPheOMe) 500 мг (± 1 мг, точное значение указано на этикетке)
(S)-Фенилаланин (Phe) 500 мг (± 1 мг, точное значение указано на этикетке)
Цианат натрия (NaOCN) 300 мг
Раствор a-химотрипсина (0.05% в воде) 10 мл в пузырьке (попросить у ассистента)
Таблетка с железосодержашим препаратом (в бумажном конверте) 1 таблетка
Метанол (MeOH) 20 мл
Соляная кислота (HCl) 4 M 50 мл
Гидроксид натрия (NaOH) 0.1 M 70 мл (точный титр будет указан)
Гидроксид натрия (NaOH) 1 M 3 мл (в маленьком пузырьке)
Раствор индикатора пропилового красного (0.02% в этаноле) 3 мл (в маленьком пузырьке)
Буферный раствор с pH=8 150 мл
Раствор солянокислого гидроксиламина
(H2NOH* HCl) 100 г/л 10 мл
Раствор 1,10-фенантролина 1 г/л 20 мл
Диизопропиловый эфир 50 мл
Ацетон (высокочистый ) 10 мл
Элюент для ТСХ (2% раствор муравьиной кислоты в этилацетате) 20 мл
Индикаторная pH бумага 4 полоски
Белый сорбент для нанесения на фильтр (в баночке с надписью Hi-flow filter aid) 5 г
Промывалка с ацетоном (для мытья посуды) 250 мл
Промывалка с "деминерализованной" водой 500 мл (demi)

В общем пользовании в лаборатории находятся:
Салфетки, Губка,  Щетка, Контейнер для отходов, Растягивающаяся пластиковая пленка (парафильм)

Оборудование в общем пользовании
Плитка , Ультразвуковая баня, Вакуумный насос для фильтрования, Спектрофотометр, Весы, УФ лампа

Ферментативный гидролиз метилового эфира N-ацетил-фенилаланина

Введение

Фермент a -химотрипсин катализирует реакции гидролиза производных природных a -аминокислот, в частности сложных эфиров. Настоящая задача посвящена изучению гидролиза рацемата метилового эфира N-ацетил-фенилаланина A (см. схему).

За скоростью образования N-ацетил-фенилаланина (B) можно следить, титруя реакционную смесь 0.100 M NaOH в присутствии индикатора пропилового красного.

Методика

Внимание: чтобы избежать снижения каталитической активности, a -химотрипсин храниться в холодильнике. Поэтому, когда Вы приступите к данной задаче, попросите a -химотрипсин у ассистента, который выдаст Вам требуемое количество фермента в пузырьке.

Рацемат метилового эфира N-ацетил-фенилаланина (A) [500 мг, точное значение массы (± 1 мг) приведено на этикетке пузырька, подписанного NacPheOMe] перенесите количественно в колбу Эрленмейера на 50 мл и растворите рацемат в метаноле (~ 2,5 мл). Пипеткой Пастера после этого добавьте 4 капли пропилового красного (0,02% раствор в этаноле). Запустите реакцию (начните кинетический эксперимент) добавлением 10 мл раствора a -химотрипсина (0,05% раствор фермента в дистиллированной воде). Немедленно включите секундомер.

Как только реакционная смесь станет розовой, немедленно титруйте ее 0.100 M NaOH до тех пор, пока смесь снова не станет желтой. Каждый раз, как реакционная смесь будет становиться розовой, добавляйте титрант в таком количестве, чтобы восстановился желтый цвет. При добавлении титранта постоянно перемешивайте содержимое реакционной колбы круговыми движениями.

Внимание: в начале эксперимента изменение цвета будет происходить очень часто.

Вы должны записывать в таблицу показания бюретки 1 раз в каждые 5 минут, указывая при этом точное время.

Следите за реакцией, записывая значения, в течение 75 минут. Постройте график зависимости общего объема раствора NaOH (в мл), израсходованного с начала проведения реакции, от времени реакции.

 

34 МХО Практический тур Лист ответов № 1

12 баллов

1 2 3 4 5 6
Очки 10 30 30 10 10 10

Ферментативный гидролиз метилового эфира N-ацетил-фенилаланина

1 Исходное количество рацемата метилового эфира N-ацетил-фенилаланина (A)

в мг: _________ в ммоль: __________

2 Запишите в таблице точное время (в минутах) и общий объем раствора NaOH (в мл с точностью ± 0,05 мл), израсходованный с начала реакции к моменту измерения. Последнее измерение проводится через 75 минут после начала реакции.

Время (мин)                             75
NaOH (мл)                              

 

3 На миллиметровой бумаге постройте график зависимости общего объема раствора NaOH, израсходованного с начала реакции, от времени реакции.
Укажите следующий масштаб на оси Х: 5 мин в 1 см
Укажите следующий масштаб на оси Y: 1 мл NaOH в 1 см

4 Рассчитайте общее количество вещества NaOH (в ммоль), израсходованного за все время проведения реакции
Ответ: ______________ ммоль

Ваши вычисления:

Ферментативный гидролиз … Лист ответов № 2 (Продолжение)

5. Рассчитайте степень гидролиза метилового эфира N-ацетил-(R,S)-фенилаланина (A) в мольн. %

Ответ: _____________ мольн. %

Ваши вычисления:

6. Какое из приведенных ниже предложений наиболее точно соответствует Вашим экспериментальным результатам? Поставьте галочку только в один квадратик.

    • Фермент катализирует реакцию гидролиза, после окончания которой в реакционной смеси присутствуют метиловый эфир N-ацетил-(S)-фенилаланина и N-ацетил-(R)-фенилаланин.
    • Фермент катализирует реакцию гидролиза, после окончания которой в реакционной смеси присутствует N-ацетил-(R,S)-фенилаланин.
    • Фермент катализирует реакцию гидролиза, после окончания которой в реакционной смеси присутствуют метиловый эфир N-ацетил-(R)-фенилаланина и N-ацетил-(S)-фенилаланин.
    • Фермент теряет каталитическую активность в процессе реакции.

 

Синтез бензилгидантоина

Введение

В этом эксперименте природный S-фенилаланин (A) превращают в 2 стадии в бензилгидантоин (C), полезный интермедиат в синтезе физиологически активных веществ.

Методика

1 Стадия

Сохраните небольшое количество исходного вещества (A) для тонкослойной хроматографии (смотри ниже). В круглодонную колбу с длинным горлом поместите (S)-фенилаланин (A)(500 мг, 3 ммоль, точная масса написана на этикетке пузырька), цианат натрия (300 мг, 4.6 ммоль), воду (3 мл) и магнит для магнитной мешалки и начните перемешивание. Пипеткой Пастера добавьте две капли водного раствора NaOH (1 M) к перемешиваемой суспензии. Соедините колбу с обратным холодильником (колонкой для перегонки) и при перемешивании на магнитной мешалке нагрейте реакционную смесь до 80 oC на песчаной бане, которую необходимо предварительно закрепить в штативе над магнитной мешалкой.

Внимание.Чтобы достичь нужной температуры вовремя и не потерять время, сразу перед началом эксперимента включите нагреватель бани, затем тщательно отрегулируйте температуру песчаной бани, контролируя ее с помощью термометра.

После нагревания реакционной смеси при 80 oC в течение не менее чем 30 минут, полученный прозрачный раствор охладите до комнатной температуры, а затем перенесите в маленькую колбу Эрленмейера вместе с магнитом для перемешивания. Тщательно перенесите остатки из круглодонной колбы в колбу Эрленмейера, смывая их небольшими порциями воды. Раствор подкислите по каплям HCl (4 M) до pH < 3 при перемешивании на магнитной мешалке. Добавьте немного воды к образовавшейся белой суспензии для облегчения перемешивания.

Отфильтруйте белый осадок с использованием вакуума, промойте большим количеством воды на фильтре и затем дважды небольшим количеством диизопропилового эфира, чтобы удалить большую часть впитавшейся воды. Образец производного мочевины (B) выдержите на фильтре под вакуумом не менее 3 минут, чтобы как можно лучше удалить остатки растворителя.

Небольшое количество производного мочевины (B) сохраните для последующей тонкослойной хроматографии.

2 стадия

Производное мочевины (B) поместите в чистую круглодонную колбу с длинным горлом и прибавьте 3 мл HCl (4 M). В колбу поместите магнит и тщательно перемешайте суспензию при нагревании на песчаной бане при 80 oC. Образуется прозрачный раствор. Продолжайте нагревание 30 минут, при этом реакционная смесь может содержать уже немного осадка. Затем охладите реакционную смесь до комнатной температуры. Полученную суспензию отфильтруйте под вакуумом на чистом фильтре, тщательно промойте осадок на фильтре водой и дважды небольшими порциями диизопропилового эфира. Продукт оставьте на фильтре под вакуумом по крайней мере 3 минуты, чтобы он хорошо высох. Перенесите осадок на фильтровальную бумагу и сушите на воздухе не менее 30 минут.

Для всех веществ - (C), (B)и (A), проведите тонкослойную хроматографию. Для этой цели небольшие количества каждого соединения растворите в минимальном количестве высокочистого ацетона. Растворы аккуратно нанесите с помощью трех капилляров на линию старта на пластинке. ТСХ анализ проведите паралельно на двух пластинах. В качестве элюента используйте 2% раствор муравьиной кислоты в этилацетате, небольшое количество которого налейте в банку с завинчивающейся крышкой. После того, как элюент поднимется почти до конца пластины, ее вынимают, сушат и анализируют с использованием УФ лампы. Стартовую линию, фронт растворителя и пятна, которые видны в УФ-свете, четко отметьте карандашом. Скопируйте (перерисуйте) диаграмму в лист ответа. Определите значения Rf. Затем пластинку с наилучшим анализом обтяните пластиковой пленкой (парафильмом) и поместите в закрывающийся полиэтиленовый пакет.

Конечный продукт (C) перенесите в пузырек, масса которого была предварительно определена (вес подписан на этикетке). Взвесьте пузырек с продуктом и рассчитайте выход продукта (C).

Качество полученного бензилгидантоина будет проверено организаторами с помощью определения температуры плавления образца на автоматическом приборе.

34 МХО практический тур Лист ответов 3

18 баллов

1 2 3 4 5 6 7 8
Очки 10 20 10 10 20 10 10 10

Синтез бензилгидантоина

Масса Вашего исходного образца (A)(см. этикетку на пузырьке): ___________ мг

Масса пустого пузырька: _________________ мг

(см. Этикетку на пузырьке: YOUR PRODUCT)

1 Масса пузырька с конечным продуктом (C): _____________ мг
2 Получено бензилгидантоина (C): ___________________ мг
Выход бензилгидантоина (C):
Ответ: _____________ %
Ваши вычисления:

3 Rf производного мочевины (B)
Ответ: ____________
Ваши вычисления:

4 Rf бензилгидантоина (C)
Ответ : _____________
Ваши вычисления:

Синтез бензилгидантоина (продолжение) Лист ответов 4

5 Копию тонкослойной хроматограммы зарисуйте в прямоугольник ниже

 

6 Выводы из результатов тонкослойной хроматографии:

Соединение (B):

  • чистое
  • содержит немного (A)
  • содержит несколько примесей

Соединение (C):

  • чистое
  • содержит немного (B)
  • содержит немного (A) и (B)
  • содержит несколько примесей

7 Внешний вид бензилгидантоина (C), отметьте, что подходит для вашего продукта.

  • Белый цвет
  • Желтоватый цвет
  • Липкий
  • Кристаллический
  • Порошок

8.Температура плавления бензилгидантоина (C) будет определена позже организаторами _____________ oC
Поместите запакованную пластинку тонкослойной хроматографии (см. методику) в конверт с Вашим именем и кодом студента.

Определение железа в таблетке

Введение

Препараты, содержащие железо, используются для восполнения его недостатка в организме. В состав таблеток входит железо в виде фумарата железа(II), а также связующие вещества. Структура фумаровой кислоты:

Фумаровая кислота

Железо(II) образует с 1,10-фенантролином красный комплекс состава [(C12H8N2)3Fe]2+.

1,10-фенантролин

Содержание железа в таблетке можно определить по оптической плотности этого комплекса, измеренной при длине волны 510 нм в буферном растворе с pH=8. Поскольку 1,10-фенантролин образует комплекс только с железом(II), а оно легко окисляется до железа(III), то для восстановления железа(III) до железа(II) в раствор добавляют солянокислый гидроксиламин. Упрощенная схема реакции:

2 NH2OH + 4 Fe3+ > N2O + 4 H+ + H2O + 4 Fe2+

Методика

Взвесьте таблетку на весах с точностью 1 мг. Аккуратно разотрите таблетку в ступке и количественно перенесите ее в стакан на 100 мл с помощью небольшого количества воды из промывалки. Добавьте 5 мл 4М соляной кислоты. Стакан с содержимым нагрейте на плитке до ~ 60 oC. Раствор станет желтым.

Поставьте стакан в ультразвуковую баню не меньше, чем на 5 минут (стакан в бане держится на пенопласте). За это время подготовьте воронку Хирша для последующего фильтрования. Для этого нанесите на фильтр воронки тонкий слой увлажненного сорбента (hi-flow filter aid) и уплотните его. Полученную в ультразвуковой бане суспензию отфильтруйте на воронке Хирша под вакуумом. Промойте фильтр избытком дистиллированной воды. Фильтрат аккуратно перенесите в мерную колбу на 250 мл и доведите объем до метки водой из промывалки при постоянном перемешивании. Пипеткой отберите аликвоту 10 мл этого раствора и перенесите в мерную колбу на 100 мл. Снова доведите объем до метки водой из промывалки при перемешивании содержимого колбы.

Отберите пипеткой аликвоту 10 мл полученного раствора и перенесите в другую мерную колбу на 100 мл. Затем добавьте 10 мл раствора 1,10-фенантролина и 1 мл раствора солянокислого гидроксиламина. Доведите объем раствора до метки с помощью буферного раствора с pH = 8.

С помощью спектрофотометра измерьте оптическую плотность полученного раствора относительно чистой воды при длине волны 510 нм, используя кюветы с оптической длиной пути 1.000 см.

Используя значение мольного коэффициента поглощения (коэффициента экстинкции) комплекса железа(II) с фенантролином при 510 нм: e = 11100 M-1*см-1, рассчитайте содержание железа в таблетке (массу в мг и массовую долю в процентах).

Внимание! Для того, чтобы учесть аппаратную ошибку, вводится поправочный фактор, который указан на вашем спектрофотометре. Для того, чтобы получить истинную оптическую плотность раствора, необходимо измеренную оптическую плотность умножить на этот фактор.

Практический тур 34й МХО Лист ответа 5

Сумма 10 баллов

1 2 3 4 5
Очки 15 40 20 10 15

 

Определение железа в таблетке

1 Масса таблетки _____________ мг
Номер спектрофотометра ______________
Поправочный фактор _______________

2 Показание спектрофотометра: ___________
истинная оптическая плотность: ____________ ед. оптической плотности

3 Концентрация комплекса железа(II) с фенантролином в кювете: ________ ммоль*
Ваши вычисления:

4 Общая масса железа(II) в таблетке: __________ мг
Ваши вычисления:

5. Рассчитайте массовую долю железа в таблетке в %
Ответ: ______________________%
Ваши вычисления:




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору