Face your challenge,
Be smart
面對挑戰,
要機靈
理論測驗
JULY 20, 2013
MOSCOW, RUSSIA
注
意 事 項
- 將你的姓名(Name)和學生代碼(student code)寫在本卷每一頁上。 - 作答時間共 5 小時,聽到 STOP 後仍未停止作答,會導致本測驗零分。 - 所有的答案必須寫在規定的格子內,寫在其他地方均不予計分。有要求時,必 須寫出你的推導或計算過程。 - 只能用大會提供的筆和計算機。 - 考卷的背面可以當計算紙!它們不會被評分。 - 本試題暨答案卷有39 頁,包含答案格、封頁及週期表。 - 可以索取英文試題,以釐清對題目的疑慮。 - 需要去廁所時,舉手,會有人帶你去。 - 停止作答訊號”STOP”響起後,將本試題暨答案卷置於信封中(無須封起來)。將 信封放在桌上,等到許可才可離開。 - 你有額外的15分鐘,可以流覽試題。物理常數、單位與方程式 亞彿加厥常數 NA = 6.0221 × 1023 mol–1 光速 c = 2.9979 × 108 m·s–1 理想氣體常數 R = 8.3145 J·K–1·mol–1 蒲朗克常數 h = 6.6261 × 10–34 J·s 重力加速度 g = 9.81 m·s–2 法拉第常數 F = 96485 C·mol–1 攝氏零度 273.15 K 標準壓力 p° = 1 bar = 105 Pa = 750 mmHg 大氣壓力 1 atm = 1.013 × 105 Pa = 760 mmHg 1 奈米 (nm) = 10–9 m 1 Da = 1 原子質量單位 1 電子伏特 (eV) = 1.6022⋅10–19 J = 96485 J·mol–1 波長為λ的光子之能量 E = hc / λ 1 莫耳上述光子之能量: Em = hcNA / λ Gibbs 自由能: G = H – TS 平衡常數和標準Gibbs 自由能的關係: K = exp RTG ⎛ Δ ⎞ ⎜− ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ o 標準Gibbs 自由能和標準電動勢的關係
=
G
nFE
Δ
o
−
o
Clapeyron 相變過程的方程式: dp = H dT T V Δ Δ Clausius-Clapeyron 氣體相變過程方程式: 2 1 1 2 1 1 ln p = H p R T T ⎛ ⎞ Δ − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 反應Gibbs 能和濃度或壓力的關係: prod reag = lna G G RT a Δ Δ o+ , 物質為溶液態時:a = c / (1 mol/L) 物質為氣態時:a = p / (1 bar) 半徑為R 的球體體積 4 3 3 V= πR 半徑為R 的球體表面積 S = 4πR2 水壓 p = ρgh問題一、甲烷水合物(Clathrate)之槍 (8 分)
Question 1 2 3 4 5 6 Total
Marks 2 1 3 5 6 2 19
The only gun that is able to kill all living people in one shot
可一擊殺死所有人類的唯一一種槍 在海洋底部蘊藏著以甲烷水合物的形式存在的大量甲烷儲存。 這些儲存可被開採做為能源或有機合成之原料。然而,科學家 非常擔憂海洋溫度上升會造成甲烷水合物自發性分解的可能 性。據信若有足夠量的甲烷釋放至大氣中時,海洋會因溫室效 應而更快速地暖化,並進一步加速甲烷水合物的分解。由於所 生成之甲烷-空氣混合物的爆炸及/或空氣組成的改變,所有之 生物都將滅絕。這種世界末日之場景稱為甲烷水合物之槍。 當 1.00 g 具有固定組成之甲烷水合物在 25°C 及 1 大氣壓(101.3 kPa)分解,會釋放 出205 mL 甲烷。 1. 決定甲烷水合物之化學式 CH4⋅nH2O,中之 n 值(n不一定為整數)。 計算過程: 答案: 真正的甲烷水合物之組成為非化學計量,但很接近 CH4·6H2O。一大氣壓時,甲烷水 合物會在 –81°C 分解。但在高壓時(例如海洋底部),其穩定存在的溫度會大為提 高。甲烷水合物的分解會生成氣態甲烷及固態或液態的水(視溫度而定)。 2. 寫出 1 莫耳 CH4·6H2O 分解形成固態水(冰)H2O(s)之化學反應式。 上述反應之焓(enthalpy)為 17.47 kJ∙mol‐1。假設焓不隨溫度和壓力而變,而甲烷水
計算過程: 答案: 4. 試問甲烷水合物在純水底下可以穩定存在的最小深度為何? 回答此題時,你必須先決定甲烷水合物和液態水共存之最低溫度。勾選(3)正確答 案。 272.9 К 273.15 К 273.4 К 計算過程: 答案:
2009 年 7 月深海潛水船«Mir-2»的工作人員在俄國也是全世界最大的淡水湖-貝加爾 湖(Baikal lake)的湖底發現大量的甲烷水合物儲存。在從深度 1400 公尺上升的過程 中,甲烷水合物的樣品在深度372 公尺處開始分解。 5. 計算在貝加爾湖深度 372 公尺處的溫度。冰的熔化焓為 6.01 kJ·mol-1。 計算過程: 答案: 地球上甲烷水合物的總量不低於5·1011公噸。 6. 當這麼大量的甲烷和空氣中的氧氣完全反應(燃燒)時,地球大氣的溫度將會升
上多少度?甲烷的燃燒焓為 889 kJ∙mol‐1,地球上大氣的總熱容量(heat capacity)為
4∙1021 J∙К‐1。 計算過程:
問題二、光合作用之拆解-Hill 反應(7 分) 3 4 Question 1 2 a b c a b 5 6 Total Points 1 2 2 2 3.5 1 2 3 2.5 19 在研究光合作用的歷史中,有許多突破性的實驗大大地增加了我們對這個複雜過程的 認知。其中一個實驗是 1930 年代英國生化學家 Robert Hill 所進行。在本題中,我們 考慮了一些他的數據以及更多最近完成的實驗數據。 1. 植物照光時,二氧化碳被還原為醣(以{CH2O}表示)且產生氧氣。寫出植物進行 光合作用之全反應。 大部分的光合作用是在葉綠體中進行,葉綠體存在於植物的細胞中,內含葉綠素。 Hill 在蔗糖水溶液中研磨樹葉而分離出葉綠體。不在細胞中之葉綠體即使在照光及 CO2存在下也無法產生氧氣。然而,當在葉綠體懸浮液中添加草酸鐵酸鉀 (K3[Fe(C2O4)3])(含過量草酸鉀)時,Hill 發現即使沒有 CO2,照光後也能產生氧 氣。 2. Hill 的實驗能夠決定光合作用中氧氣的來源。寫出在植物細胞中的光合作用以及沒 有細胞之葉綠體的光合作用中( Hill 反應)的氧化劑及還原劑之化學式。 天然光合作用 Hill 反應 (氧化劑) (還原劑) (氧化劑) (還原劑)
Hill 利用肌肉之血紅素(Hill 以 Hb 表示)來測定釋出之氧氣量,因為所有生成的氧 氣分子都會和Hb 以 1:1 方式結合,生成 HbO2。Hb 之初始濃度為 0.6⋅10–4 M。不同濃 度之草酸鐵離子(ferrioxalate)對應之動力學曲線顯示於下圖中(最上面的曲線之草 酸鐵離子濃度為2.0⋅10–4 M)。 Hill 發表之原始數據圖:縱軸(%HbO2)為結合氧分子 之血紅素(HbO2)所佔的比例(相對於 Hb 之初始量)。圖 中 "×" 號表示反應終了。 3. a. 根據上圖估計反應終了時,Fe / O2之莫耳數比。不需考慮Hb 中的鐵。 b. 寫出 Hill 反應方程式,假設其反應產率極高。 c. 利用下表之標準電極電位,決定 Hill 反應在 T = 298 K,氧氣壓力 1 mmHg, pH = 8 及其他物種為標準狀態濃度時的 Gibbs 自由能。此反應在這些條件下是否 為自發性反應? Half-reaction E°, V O2 + 4H+ + 4e → 2H2O +1.23 CO2 + 4H+ + 8e → {CH2O} + H2O –0.01 Fe3+ + e → Fe2+ +0.77 Fe3+ + 3e → Fe0 –0.04 [Fe(C2O4)3]3– + e → [Fe(C2O4)3]4– +0.05 [Fe(C2O4)3]4– + 2e → Fe + 3C2O42– –0.59
a. 計算過程: n(Fe) / n(O2) = b. 反應式: c. 計算過程: ΔG = 此反應為
Spontaneous(自發性) not spontaneous(非自發性)
現在「Hill 反應」的名稱是指使用二氧化碳以外的任何氧化劑,在植物細胞或分離之 葉綠體催化下所進行之水分子的光化學氧化反應。
在 1952 年的另一個實驗中,以酸性溶液之醌(quinone)作為氧化劑,照光激發綠藻
(Chlorella algae)葉綠體以啟動 Hill 反應。實驗數據如下圖所示。每克葉綠素,每一次
閃光所產生氧氣體積(以 mm3表示,溫度為 10℃,壓力為 740 mmHg)對光的強度
作圖(針對天然光合作用及分離之葉綠體各自作圖)。結果顯示,天然光合作用和 Hill 反應所產生之氧氣的最大產量相同。
摘錄自期刊之原始數據圖:比較天然光合作用,及使用分離之葉綠體進 行Hill 反應在不同光強度下,每克葉綠體產生的氧氣體積 4 a. 判斷光化學 Hill 反應在低及高的光強度照射之兩種情況下,對光強度之反應 級數 (reaction order)。分別在下列三個選項中勾選一項。 反應級數:
Low intensity(低強度光) High intensity(高強度光)
0 1 2 0 1 2 相對光強度 每次閃光產生之氧氣體積 (mm 3 )/ 每克葉綠體 分離葉綠體之Hill 反應 分離葉綠體之Hill 反應 天然葉綠體之光合作用
b. Hill 反應達飽和極限時,欲生成每一個氧分子需有多少個葉綠素分子參與? (葉綠素的分子量約為 900 Da) 計算過程: n(Chl) / n(O2) = 照光氧化還原反應之量子需求量(quantum requirement)定義為由還原劑轉移一個電子 至氧化劑所需之光子的平均數目 (不一定為整數)。用入射光能量為 0.503 mJ/s 之單色 光(波長為 672 nm)照射分離之葉綠體 2 小時,所產生之氧氣總體積為 47.6 mm3 (條件 與第4 小題相同)。 5. 計算Hill 反應之量子需求量。 計算過程: 量子需求量: 6. 試由上述反應(第 2-5 小題)做出結論。針對下面每一個敘述勾選 “Yes” 或 “No”. Yes No 在天然光合作用中,水的氧化和CO2的還原是在不同的地方進行。 在葉綠體中,O2係來自CO2。 在葉綠體中,水的氧化需照光。 在葉綠體中,大部分的葉綠素都直接參與光化學反應生成O2。 在分離的葉綠體中,每吸收一個光子,就會造成一個電子的轉移。
問題三、Meerwein-Schmidt-Ponndorf-Verley 反應 1 Question a b 2 3 4 Total Marks 7 3 8.5 6 8 32.5 Meerwein-Schmidt-Ponndorf-Verley (MSPV) 反應可將酮類或醛類還原成醇。這個 反應是以鋁或其他金屬的烷氧化物作為催化劑,以低分子量的醇(如異丙醇)還原酮的 碳氧雙鍵,如式(1)。 OH R1 R2 O OH O R1 R2 Al(OiPr)3 (1) MSPV 反應機制包含幾個步驟。首先酮類的羰基會與鋁烷氧化物錯合,然後所 形 成 的 錯 合 物 進 行 分 子 內 氫 負 離 子(hydride) 轉 移 反 應 , 接 著 鋁 金 屬 烷 氧 化 物 (aluminum alkoxide)和異丙醇進行烷氧基交換反應,如式(2)所示 (簡潔起見,最後一 步的烷氧基交換是以一個步驟表示)。 Al O O O O R1 R2 O R1 R2 Al O O O H O R1 R2 Al O O H O iPrOH Al O O O OH R1 R2 O 式(2) MSPV 反應為可逆反應,為了使反應平衡偏向產物,要添加過量的還原劑。某 些情況下(例如還原芳香醛或酮類),平衡常數非常大,可忽略逆反應。 下表列出一些室溫下為液態的化合物之標準熵(So298)和標準生成焓(ΔfHo298),以及 1 bar 下的沸點(tvap)。
化合物 ΔfHo298, kJ/mol So298, J/(mol·K) tvap, оС
丙酮 –248.4 200.4 56
異丙醇 –318.1 180.6 82
環己酮 –271.2 229.0 156
1a. 在 T = 298K 下,若要使產率達到 99% 以上,起始物異丙醇和環己酮的最小質量 比為何?假設 a) 反應結束時達到平衡。b)反應一開始時沒有任何產物存在。 計算或推導過程: 答案: m(C3H8O) : m(C6H10O) = 1b.下列哪個(或哪些)做法可提高環己醇的產率? 注意:選錯會倒扣。 提高溫度至50оC 並進行回流。 提高溫度至60оС,使丙酮揮發。 在反應混合物中添加乙醇 在反應混合物中添加乙醛 2. 通常 MSPV 反應的速率決定步驟是氫負離子的轉移反應,或者是氫負離子轉移後 進行的鋁金屬烷氧化物之醇解反應。根據式(2)提出的反應機制,分別推導這兩種情 況得出的反應速率式(以酮類、異丙醇、催化劑的濃度表示),並決定此兩種情況之 反應速率式對於各反應物和催化劑來說各是幾級反應。 此處假設所有先於速率決定步驟的每一步都是快速的可逆反應(需要的話可假設平 衡)。推導時使用以下代號:酮類=A,異丙醇=B、催化劑=C。你可任意決定中間產 物的代號。
速率決定步驟是氫負離子轉移反應的情況 推導過程: 反應速率定律式 r = 答案: 對酮類(carbonyl compound)之反應級數=________ 對異丙醇(isopropanol)之反應級數=________ 對催化劑(catalyst)之反應級數=________ 速率決定步驟是鋁金屬烷氧化物和異丙醇進行烷氧基交換的情況 推導過程: 反應速率定律式 r = 答案: 對酮類(carbonyl compound)之反應級數=________
MSPV 反應若使用有掌性的催化劑,就可得到掌性的醇類。例如,Campbell 研究群曾 使用有掌性的BINOL (2,2’-dihydroxy-1,1’-binaphtyl)、三甲基鋁,以及異丙醇混合形 成的(BINOL)Al(OiPr)化合物作為掌性催化劑,如式(3): O O Al O OH OH Al(CH3)3 O O Al iPrOH (BINOL)Al(OiPr) (3) BINOL 會有掌性,是因為兩個萘環之間的碳-碳單鍵旋轉時有立體阻礙。BINOL 在室 溫下可維持穩定的掌性,但在高溫下會因碳-碳單鍵旋轉而消旋。 3. 在室溫下,下列哪些酚類會形成穩定的鏡像異構物,可用來合成上述這種掌性催化 劑?在對的選項打勾。 注意:選錯有倒扣。 化合物 可使用 化合物 可使用 OH OH OCH3 OCH3 OH OH OH OH OCH3 OCH3 OCH3 OH HO CH3O BINOL
OH OH
OH OH
4. 鏡像異構物過量值(Enantiomeric excess, ee)可用來定量掌性化合物的鏡像純度。 ee 的定義為混合的鏡像異構物中,R 型和 S 型之濃度差除以濃度和,如下式: [ ] [ ] [ ] [ ] R S ee R S − = + 純R 型的 ee 值=1,外消旋混合物(racemic mixture)的 ee 值為 0。 當使用純的鏡像異構物(BINOL)Al(OiPr)作為催化劑還原
α-溴化苯乙酮(α-bromoacetophenone, C6H5COCH2Br)時,產物的 ee=81%。若使用 ee=50%的催化劑,
則產物的ee 為何?注意:計算時須寫出推導過程。
Derivation: 推導過程:
問題四、簡單的無機實驗 (6 points)
Question 1 2 3 Total Marks 5 12 7 24 含金屬 X 的無色晶體固體化合物 A,極易溶於水。A 常用來作為分析試劑,在鹼性 條件下,會形成含氧 6.9 % (質量%) 的二元化合物 B。當 A 被加熱分解時,會損失 36.5% 的質量。 1. 判斷金屬X 和化合物 A、B 各為何。 計算或推導過程: X =______ A = ______ B = ______ 2. 當加入一些硫代硫酸鈉到 A 的溶液時,其顏色立即變成紅色,然後變成紅褐 色,幾分鐘後,產生深棕色的沉澱物C (反應 1)。沉澱物上方溶液是無色的。 在空氣中加熱C 至 600°C時,會得到X 的灰色粉末(反應 2),秤重顯示 1.10 g 的 C 可 得0.90 g 的 X。 在真空中加熱C (反應 3),則會生成一氣體,此氣體可被氫氧化鈣懸浮溶液吸收(反應 4)。 將過氯酸鋇溶於0.1 М 的過氯酸溶液達飽和,並將沉澱物 C 儲存於此溶液中。長時間 後,沉澱物的顏色看來變得較淺,但若儲存在含飽和過氯酸鎂之 0.1 М 的過氯酸溶液 中,則不會得到這樣的效果。C 是什麼?寫出平衡的反應式 (1 – 4)。
計算或推導過程: C = _______ 反應式(1 – 4): 3. 若將沉澱物C 儲存在含有過量 A 的溶液中,它會轉化成 D,其顏色變為黃色。 若將鋇離子加到此溶液中,會產生白色沉澱,和D 形成混合物。已知 D 含 77.5% (質 量%) 的 X,判斷 D 的化學式,並寫出形成 D 的平衡反應式。 計算或推導過程: D = _______ 反應式:
問題五、簡單估計石墨烯的性質 1 Question a b 2 3 Total Marks 2 2.5 4 5.5 14 石墨烯是單層碳的二維物質,而石墨則是許多片石墨烯層層相疊而成,如下圖1。早
年一般認為石墨烯的結構並不穩定。2004 年 Andrey Geim 和 Konstantin Novoselov 首
次成功製造出石墨烯的樣品,因此獲得2010 年的諾貝爾獎。 S = 5.16 ·10-20 m2 (a) (b) 圖1. (a)石墨烯的結構。碳原子(圓球)排成六角形結構。每個六角形內部的面積為 5.16⋅10-20 m2。(b)石墨的晶體結構。此圖畫出三層石墨烯。 石墨烯的實驗研究仍相當受限,因為大量合成石墨烯仍深具挑戰性。因此有關石墨烯 的許多性質都是靠估計而來。通常我們缺乏足夠的資訊來進行嚴謹的計算,所以必須 做一些假設,並忽略不重要的因子。本題中你要估計的是石墨烯的吸附性質。
1a. 計算石墨烯的比表面積(單位 m2/g)。(此處假設石墨烯沒有附著在任何固體或液體 物質上。) 計算過程 答案: 比表面積S = _________ m2/g 下圖 2 顯示氮氣分子吸附在石墨表面的排列方式。假設氮氣吸附在石墨烯表面上時也 是同樣的排列方式。 圖2. 氮氣分子(灰色圓形)吸附於石墨表面的排列方式 1b. 計算每克石墨烯可吸附的氮氣克數(mN2)。(此處假設石墨烯是放置在一個固體基 座上。) 另外,計算原本吸附在 1g 的石墨烯上的氮氣全部脫離石墨烯後所佔據的氣體 體積(VN2 )。(P = 1 bar,T = 298K) 計算過程 答案:
吸附反應可視為化學平衡反應,如式1:
gas ads
A ←⎯⎯→ A , (1)
其中Agas表示氣相的分子A,Aads表示吸附在某表面上的分子A。
當表面所吸附的分子數量不多時,吸附反應的平衡常數K 是表示為每 m2表面所吸附 的氣體分子莫耳數,和氣體分壓的比值,如下式: ads gas 2 A A (mol/m ) (bar) n К p = 石墨烯的吸附特性可用一般石墨的吸附反應數據來估計。平均來說,任何分子吸附在 石墨烯上的吸附焓(式 1 之 ΔHo),是同種分子吸附在石墨上之吸附焓的 90%。分子吸 附在石墨表面上時,鍵結較強,這是因為分子也會同時與石墨表面下方數層的石墨烯 作用,因此吸附焓較負。此處假設石墨烯和石墨兩種吸附反應的標準反應熵一樣大。 2. T=293 K 時,CCl4吸附在石墨表面的吸附焓 = -35.1 kJ/mol。此時當 CCl4 的分壓 p(CCl4) = 6.6⋅10–5 bar 下,達平衡時每 m2石墨表面吸附2.0⋅10–7莫耳CCl4。 計算當CCl4 的分壓 p(CCl4) = 10–4 bar 時,每 g 石墨烯會吸附幾莫耳 CCl4?(此處假設 石墨烯是放在一層固體基座上,並且CCl4吸附在石墨烯表面時,下方的基座不會影 響吸附焓的大小。) 計算過程 答案: CCl4莫耳數:n(CCl4) = _______
石墨烯可做為敏銳的氣體偵測器。只要每cm2的石墨稀表面上有超過109個待測氣體 分子吸附,就會造成夠大的石墨烯電阻變化,因而可偵測到環境中特定的氣體分子。 3. 計算在大氣壓力(1 atm)下,T=293K 時,石墨烯偵測器所能偵測到乙烷的最低含 量,以莫耳百分比(mol.%)表示。此處假設空氣分子不會干擾乙烷的吸附。 烷類吸附在石墨表面的實驗數據如下圖3。 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 ln K ln M (a) 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 -40 -36 -32 -28 -24 -20 -16 -12 -8 ΔΗ 0 , kJ m o l -1 ln M (b) 圖3:烷類吸附在石墨表面的熱力學性質。(a) ln K 對 ln M 作圖 (K 為吸附反應平衡常 數,M 為烷類分子量) (b) 石墨的吸附焓(ΔHo)對 ln M 作圖。此處假設(a)與(b)都是線性 關係。
計算過程:
問題 6、簡單、有趣的環丙烷分子 Question 1 2 3 Total Marks 8 22 70 100 當環丙烷分子之相鄰的兩個碳上分別具有電子予體 (donor) 和電子受體 (acceptor) 的取 代基時(如化合物A),會表現出具有1,3-正、負電荷 (1,3-zwitterion,如化合物 B) 的 高反應性。 因此,A1分子 (X = 4-OMe) 在路易士酸催化下,可以與親核試劑 1,3-二甲氧基苯進行 三員環的開環反應得到產物C。 1. 畫出C 的結構式 C 的結構式: A1 分子可參與環加成反應 (cycloadditions)、環化反應 (annulations)、寡合反應 (oligomerizations)、以及其他反應。因此,A1 可以與 4-甲氧基苯甲醛進行 [3+2]-環加 成反應得到五員環產物D。D 可以進一步進行脫羧酸基反應 (decarboxylation),將所 有羧酸基 (carboxylic groups) 移除之後得到產物 E (C18H20O3),且 E 分子具有一個對稱 平面。
2. 畫出D 和 E 的結構,並分別指出 D 和 E 上面之取代基的相對立體化學關係。 D E 另外,此 A 類型化合物可在只有催化劑作用下、或都沒有其他試劑的條件下,進行 多種轉化反應 (transformations),下圖列出 A1 分子的一些典型轉化反應: 化合物 F-J 的結構可由一系列的物理和化學數據來決定,請看表一、以及下列的描 述: a) F、G 和 A1 具有相同的分子式。 b) G 為最穩定的立體異構物 (stereoisomer)。 c) H 和 I 互為結構異構物。 d) H 為單一的立體異構物 (diastereomer),且具有一個 C2對稱軸 (即該分子以對稱軸旋 轉180 度後與原分子相同)。 e) I 為兩個立體異構物 (diastereomer) 的混合物。 f) J 為具有萘環的化合物。 在合成I 的反應過程中,需有兩個 A1 分子反應,其中一個 A1 分子具有與 B 分子相 同的化學反應性,而另一個A1 分子則不同,而且後面這個 A1 分子的化學反應性與 環丙烷A2 [X = 3,4,5-(MeO)3] 相同,A2 分子進一步在 SnCl4的作用下可以得到K,K 為兩個立體異構物的混合物,且主產物具有中心對稱 (center of symmetry)。類似的化 學反應性也可在A2 和 G 的加成反應中被觀察到,在 Sn(OTf)2 的催化下可以產生 L 化合物。有關K 和 L 的資訊請看表一。
表一:A1 和化合物 F-L 的資訊
Ratio of the number of hydrogen-containing groups Non-aromatic CH CH2 CH3 OH Aromatic CH Empirical formula A1 1 1 1+1+1 0 2+2 (C14H16O5)n F 1 1 1+1+1 0 2+2 (C14H16O5)n G 1+1+1 0 2+1 0 2+2 (C14H16O5)n H 1 1 1+1+1 0 2+2 (C14H16O5)n I 1+1+1 1+1 2+1+1+1+1 0 2+2+1+1+1 (C14H16O5)n J 0 0 1+1 1 1+1+1+1+1 (C13H12O4)n K 1+1 1 2+1+1+1 0 1 (C16H20O7)n L 1+1+1+1+1 1 2+2+1+1+1+1 0 2+2+1 (C5H6O2)n 3.寫下化合物 F-J、K 的主要產物、以及 L 的結構式。 F G H I
J K (主要產物)
問題七、多變化的過錳酸根滴定法 (8 points) 3 4 5 Total Quest. 1 2 a b c d a b Marks 2 2 4 2 2 6 7 7 2 34 許多還原劑的定量,可用過錳酸根離子在鹼性條件下,還原成錳酸根離子之滴定來決 定。 1. 寫出用過錳酸根滴定甲酸根之離子反應式,滴定反應在含~0.5 M NaOH 的水 溶液中進行。 在鹼性條件下的過錳酸根滴定法,經常加入鋇離子鹽類,用以產生BaMnO4沉澱。 2. 哪些錳酸根離子的氧化還原反應,會被添加鋇鹽而抑制?寫出任一反應之平衡 反應式。 將10.00 mL (VMn),0.0400 М (сMn) 的 KMnO4溶液置於3 個燒杯 А,В,С 中,分別進 行不同的反應。
3. 燒杯 А:加入含有未知量的巴豆酸 (crotonic acid, CA);СН3–СН=СН–СООН (mCA)
溶液,並加入鹼液和硝酸鋇(均過量),讓混合物反應 45 分鐘。已知在此實驗條件
下,每個巴豆酸分子會失去10 個電子。 CA 的莫耳質量是 86.09 g/mol.。
a)寫出總反應的平衡離子方程式。
上述反應完成後,再加入8.00 mL (VCN),0.0100 М (cCN) 的氰化鉀溶液。這會導致下
列反應:
2Ba2+ + 2MnO4– + CN– + 2OH– = 2BaMnO4 + CNO– + H2O
b)寫出最初添加銀離子到氰根離子溶液時,形成的錯合物的分子式(形成沉澱物 前)。 c)寫出沉澱物的分子式。 d)計算巴豆酸的含量(用 mg 為單位),若達到滴定終點,共使用 5.40 mL (VAg) 的銀 鹽溶液。 計算及答案:
4. 燒杯 В:加入另一巴豆酸樣本(不同濃度)和過量的鹼液。此樣本不含鋇鹽。加入過 量的KI 作為還原劑 (而不是氰化物)。將混合物再酸化,所生成的碘可用 0.1000М (cS) 的硫代硫酸鈉溶液滴定定量。到達終點時,使用4.90 mL (VS1) 的滴定劑。 計算巴豆酸的含量(用 mg 為單位)。 計算及答案: 5. 燒杯 С:加入含二價錫之樣品,將溶液調至弱鹼性。二價錫完全氧化成 Sn(OH)62– ,同時有一過錳酸鹽還原產物沉澱。此沉澱物被分離、水洗、在 250°С 乾燥後稱重, (不含水的沉澱物為 MnxOy 之二元化合物,質量(mprec) 為 28.6 mg)。將此沉澱物完全 溶解在含過量碘化鉀的硫酸溶液中。所生成的碘用0.1000М (cS) 的硫代硫酸鈉溶液滴 定定量。到達終點時,使用2.50 mL (VS2) 的硫代硫酸鈉溶液。
a)判斷 x 和 y。寫出沉澱反應。 計算或推導過程:
沉澱反應
b)計算樣品中的錫的含量(用 mg 為單位) 計算過程:
問題 八、古菌的獨特生命 9 Question 1 2 3 4 5 6 7 8 a b Total Marks 2 7 3 8 4 4 5 4 3 5 45 古菌(Archaea)又稱為古細菌(Archaebacteria),是一種單細胞微生物,在分子層 面上與細菌和真核細胞有很大的差異。 有些古菌的主要能量來源,是由酵素催化甲胺和水進行反應而來。在一個特別實驗 中,科學家使用碳十三標記的甲胺 (13СH3NH2)作為唯一的營養物,在無氧且中性 (pH 7) 的條件下進行培養,他們發現有二種氣體 A 和 B 的混合物產生,且莫耳比例為 1 比3,平均氣體密度為氫氣的 12 倍。 1. 計算混合物裡氣體A 和 B 的體積分率 (volume fractions),以百分比 % 表示。 2. 決定A 和 B 的分子式 (注意:此氣體混合物不含氮原子) 。 推導過程: A B 3. 寫出上述酵素催化有碳十三標記的甲胺 (13СH3NH2)和水的平衡全反應式。
在很多古菌中發現它們的酵素都含有一個特殊的胺基酸單元 X,以下是有關 X 的描 述: • 由 4 種元素之原子所組成 • 其中氧元素的質量佔全部分子量的 18.8 % • 在進行轉譯時,有單一且個別的 tRNA 能將它載入蛋白質的生合成裡。 L-lysine 胺基酸 (結構顯示在下頁的反應式中) 是古菌生合成 X 的前驅物,X 的所 有碳和氮原子都是由兩個L-lysine 胺基酸衍生而來。為瞭解 X 的詳細生合成過程,具 有不同同位素的L-lysine 被用來進行研究,實驗的結果如下面的表格所示:
不同同位素組成的L-lysine 接到tRNA 時,X 部分 [RCH(NH2)CO] 的
分子量,以 g/mol 表示 正常 (所有的碳都是 12С、氮都是14N) 238 所有的碳都是13С、氮都是15N 253 只有ε-胺基的氮有 15N 標示 239 4. 決定 X 的分子式。 計算過程: X 的分子式:
下列反應式表示古菌中 X 的生合成 (E1–E3 為酵素): HOOC NH2 NH2 E1
C
E2D
E3E
SpontaneouslyX
-H2O ? -H2O L-lysine HOOC NH2 NH2 L-lysine在第一步反應中,lysine 先轉變成另一結構異構物 C (也是一種 α–amino acid);化合
物D 含有一個胜肽鍵;化合物 E 含有一個甲醛基 [formyl group, C O H]。上列反應式 裡所有的反應係數都是 1。 5. 寫下C、D 和 E 的分子式 (包括計算過程)。另外,從下列反應類型中勾選出 Е3 是催化哪一種反應類型。 計算過程: C 的分子式: D 的分子式: E 的分子式: 氧化去氨反應 Oxidative deamination; 去羧酸基反應 Decarboxylation; 分子間去氨反應 Intermolecular deamination; 羥基化反應 Hydroxylation;
Х 分子含有下列的環狀部分: N (R,Me,H) (H,Me,R) (R,Me,H) 3 4 5 R 是一個大的取代基 (分子量大於 100 g/mol),第四和第五碳原子是掌性中心,但第 三個碳原子不是掌性中心,五圓環上的每一個碳原子都至少連接一個氫原子,且每個 取代基 (H, Me, and R) 只能出現一次。 6. 寫出三個取代基H, Me, and R 個別連接的位置。 推導過程: 7. 畫出化合物 C 與 X 的分子結構,並且仔細標示所有的立體化學,其中將 X 的每 個掌性中心都須標示R 或 S (注意:從 C 反應至 X 的過程中,掌性中心都沒有受到影 響)。 C X
在古菌的蛋白質轉譯中,只有一個密碼子(codon)會轉譯出 X 胺基酸。此密碼子包含 的含氮鹼基總共有兩個環外胺基和三個環外氧原子。RNA 中的四種鹼基結構如下 圖: 8. 在底下空格內寫出這個(對應 X 胺基酸的)密碼子中,各種鹼基的數目。注意:每 行只要勾選一個空格! 推導過程: 在此密碼子中鹼基的數目 含氮鹼基 1 個 2 個 3 個 0 或 1 個 1 或 2 個 A C G U
下列 mRNA 序列片段可以轉譯出一段古菌蛋白質胜肽鏈。此序列含有對應到 X 胺基 酸的密碼子。 5’…AAUAGAAUUAGCGGAACAGAGGGUGAC…3’ 9a. 使用題目最後所附的遺傳密碼表,對此 mRNA 序列片段進行轉譯,請問此胜肽 鏈含有幾個胺基酸單元? 胺基酸單元數=____ 9b. 依序由 N 端至 C 端將此 mRNA 序列片段轉譯出的胺基酸名稱填入方格中。(注 意:此序列含有的 X 胺基酸不只一個。此外,下列方格數目會超過此胺基酸序列的 單元數。如果某位置有多種可能的胺基酸,請填在同一個格子中,並以「/」分隔。 如果轉譯停在某個位置,寫下「Stop」,右邊剩下的方格留白。)
(a) RNA 密碼子對應的二十種胺基酸 Amino-acid abbreviations:
第二個鹼基
U C A G Ala = Alanine
Phe Ser Tyr Cys U Arg = Arginine
Phe Ser Tyr Cys C Asn = Asparagine
Leu Ser STOP STOP A
Asp = Aspartic acid
U
Leu Ser STOP Trp G Cys = Cysteine
Leu Pro His Arg U
Glu = Glutamic acid
Leu Pro His Arg C Gln = Glutamine
Leu Pro Gln Arg A Gly = Glycine
C
Leu Pro Gln Arg G His = Histidine
Ile Thr Asn Ser U Ile = Isoleucine
Ile Thr Asn Ser C Leu = Leucine
Ile Thr Lys Arg A Lys = Lysine
A
Met(star
t) Thr Lys Arg G Met = Methionine
Val Ala Asp Gly U
Phe =
Phenylalanine
Val Ala Asp Gly C Pro = Proline
Val Ala Glu Gly A Ser = Serine
G
Val Ala Glu Gly G
第三個鹼基
Thr = Threonine
Trp = Tryptophan
Tyr = Tyrosine