LÄÄKETIEDE VALINTAKOE 2015 VALMENNUSKESKUKSEN TEKEMÄT KEMIAN TEHTÄVIEN MALLIRATKAISUT

Transkriptio

1 LÄÄKETIEDE VALINTAKOE 2015 VALMENNUSKESKUKSEN TEKEMÄT KEMIAN TEHTÄVIEN MALLIRATKAISUT

2 2015 / 1B Tehtävässä esitettiin oikein-väärin-väittämiä sähkökemiaan (k-m) ja orgaaniseen kemiaan (n-p) liittyen. - Väiteryhmä k 53. VÄÄRIN Pelkkä sinkin hapettuminen yksinään ei ole mahdollista, vaan jonkun täytyy myös pelkistyä, jotta sähkövirta lähtisi kulkemaan. 54. OIKEIN Johtimet kuljettavat elektronit sinkkielektrodilta kuparielektrodille, joten johtimien irrottaminen johtaa hapetus-pelkistysreaktioiden huomattavaan hidastumiseen. Kenno voi toimia pelkän suolasillan avulla, mutta huomattavan hitaasti. 55. OIKEIN Galvaanisessa kennossa anodi on negatiivisesti varautunut ja katodi positiivisesti varautunut, mutta liuosten varaukset ovat vastakkaismerkkiset. Anodia ympäröivä liuos saa positiivisen varauksen ja katodia ympäröivä negatiivisen, joten suolasillan positiiviset ionit (kationit) kulkevat negatiivista katodiliuosta kohti. 56. VÄÄRIN Sinkkisulfaatti on liukoinen suola (kiinteä ioniyhdiste), joten liuoksessa on sinkki- ja sulfaatti-ioneja. - Väiteryhmä l 57. VÄÄRIN Elektronit vastaanotetaan johdinta pitkin, ei suolasiltaa pitkin. 58. VÄÄRIN Suolasillan puuttuessa liuososien varaukset eivät tasaantuisi, vaan anodiliuos jäisi positiiviseksi ja katodiliuos negatiiviseksi, mikä estäisi hapetus-pelkistysreaktioiden tapahtumisen ja siten sähkövirran kulun. Suolasilta vaaditaan, jotta galvaaninen kenno toimisi. 59. VÄÄRIN Sinkkikloridi on myös liukoinen suola (kts. väite 56), joten liuoksessa on sinkki- ja kloridi-ioneja ja kenno toimii samoin kuin Daniellin pari. 60. OIKEIN Kun sinkki- ja kuparilevyt laitetaan samaan kuparisulfaattiastiaan, tapahtuu kuparin pelkistyminen sinkkilevyn pinnalle. Hapetus-pelkistysreaktiot tapahtuvat niin kauan kunnes koko nestepinnan alla oleva sinkkilevy on päällystynyt kuparilla. - Väiteryhmä m 61. VÄÄRIN Galvaanisessa kennossa katodi on positiivisesti ja anodi negatiivisesti varautunut, mutta sinkki hapettuu ja kupari pelkistyy. Varaukset johtuvat siitä, että sinkin hapettuessa sinkki-ioni irtoaa liuokseen, jolloin sinkkielektrodille jää elektroniylimäärä. Vastaavasti kupari-ionin pelkistyessä kupari-elektrodille tulee elektronivaje. 62. OIKEIN Koska sinkki hapettuu, sen hapettumispotentiaali on pelkistymispotentiaalin käänteisluku = +0,76 V ja täten kennon kokonaispotentiaali on +1,10 V. 63. VÄÄRIN Kennon jännite on niin pieni (kts. kohta 62), että siitä ei saa kouristuksia aiheuttavaa sähköiskua. 64. VÄÄRIN Koska reaktion oksaloasetaatti malaatti E = -0,166 V, on reaktion malaatti oksaloasetaatti E = 0,166 V (vertaa kohta 62). Tällöin kennon jännite on 0,166 V + -0,320 V = -0,154 V. Koska kennopotentiaali on negatiivinen, ei kennoa synny ja hapetus-pelkistysreaktiot eivät tapahdu spontaanisti. - Väiteryhmä n 65. VÄÄRIN Isomeereilla on sama molekyylikaava (sama määrä jokaista atomia). Nateglinidillä on vain yksi typpiatomi, repaglinidillä on kaksi. 66. VÄÄRIN Nateglinidin molekyylikaava on C19H27NO3, eli hiiliatomeja on kaksi enemmän. 67. OIKEIN Amidisidoksessa typpiatomin vieressä on karbonyyliryhmä, eli sidos on tyyppiä -CO-NH- tai -CO- NR VÄÄRIN Syklinen rakenne tarkoittaa rengasrakennetta, jollaista ei ole metformiinissa. 69. OIKEIN Typpi- ja happiatomien vapaat elektroniparit voivat muodostaa vetysidoksia veden vetyatomien kanssa. 70. VÄÄRIN sp3-hybridisoituneesta hiilestä lähtee vain yksinkertaisia sidoksia, ja tällaisia hiiliä on kaikissa viidessä lääkeaineessa. - Väiteryhmä o 71. VÄÄRIN Aldehydeillä on molekyylin päässä oleva karbonyyliryhmä, -CHO eli C=O, jossa hiileen on sitoutunut vety. Tällaista ei ole millään kolmella mainitulla lääkeaineella. 72. VÄÄRIN Sekä nateglinidillä että repaglinidillä on karboksyyliryhmä -COOH, joka on happamissa olosuhteissa happomuodossa ja voi täten reagoida etanolin kanssa muodostaen esterin. 73. OIKEIN Etyyliryhmä on -CH2-CH3 - ryhmä, jollainen löytyy sekä pioglitatsonista (viimeiseen renkaaseen sitoutuneena) että repaglinidistä (eetterihappeen sitoutuneena). 74. VÄÄRIN

3 Primäärisessä aminoryhmässä on aminotyppeen sitoutuneena kaksi vetyä, eli -NH2, ja tällainen löytyy vain sitagliptiinistä ja metformiinista. 75. VÄÄRIN Nateglinidissa on hapan karboksyyliryhmä -COOH, joka esiintyy vesiliuoksessa anionina -COO -, mutta nateglinidin amidoryhmä -CO-NH- on neutraali. Kahtaisioni vaatisi aminoryhmän. Aminohapot esiintyvät kahtaisioneina. 76. VÄÄRIN Nateglinidissä ja repaglinidissä on isopropyyliryhmä, eli (CH3)2-CH- ryhmä, mutta missään lääkeaineessa ei ole alkoholista hydroksyyliryhmää -OH. - Väiteryhmä p 77. OIKEIN Kiraalinen hiili löytyy sitagliptiinistä (-NH2-hiili), nateglinidistä (-COOH-hiili), pioglitatsonista (ensimmäisen renkaan S- ja CO-ryhmien välissä oleva hiili) ja repaglinidistä (isopropyylihiili). 78. VÄÄRIN Repaglinidissä on bentsoehappo-osa, joka voi pelkistyä ensin aldehydiksi ja sitten edelleen bentsyylialkoholiksi, mutta jälkimmäinen on eri asia kuin fenoli. Fenolissa -OH-ryhmä on kiinni suoraan bentseenirenkaassa. 79. VÄÄRIN Nateglinidissä ei ole aminoryhmää, vaan amidoryhmä, eli se on amidi, ei amiini. 80. OIKEIN Kaikissa alkuaineissa on joko N- tai O-atomi/-eja, jotka ovat selvästi hiiltä elektronegatiivisempia. 81. VÄÄRIN Eettereissä on happisilta kahden hiilen välillä, eli -C-O-C- -rakenne. Tämä löytyy pioglitatsonista ja repaglinidistä, mutta ei nateglinidistä tai sitagliptiinistä. 82. OIKEIN Kaavakokoelman yhteydestä taulukosta löytyy aminohappo fenyylialaniin rakenne, jolloin huomataan, että nateglinidi on fenyylialaniinijohdannainen, jonka aminoryhmään on esteröitynyt karboksyylihappo (nateglinidin vasen osa). fenyylialaniini 2015/2 Tehtävässä piti päätellä, onko yhdisteen 0,100 M vesiliuos hapan, emäksinen vai neutraali. 1. Ammoniumkloridi on suola, se liukenee: NH4Cl NH4 + + Cl - NH4 + on hapan ioni ja selvästi vahvempi happo (Ka = 5, ) kuin käytännössä neutraali Cl - -ioni (Kb = ). 2. Ammoniumasetaatti on suola, se liukenee: CH3COONa CH3COO - + Na + CH3COO - on emäksinen ioni (Kb = 5, ), Na + on neutraali ioni. 3. Natriumkarbonaatti on suola, se liukenee: Na2CO3 2 Na + + CO3 2- Na + on neutraali ioni, CO3 2- on emäksinen ioni (Kb = 2, ). 4. Kalsiumhydroksidi on suola, se liukenee: Ca(OH)2 Ca OH - Kalsiumhydroksidin liuetessa liuokseen tulee hydroksidi-ioneja. Kalsiumhydroksidi on melko niukkaliukoinen, mutta sitä liukenee riittävästi liuoksen tekemiseksi emäksiseksi. 5. Ammoniumasetaatti on suola, se liukenee: CH3COONH4 + CH3COO - + NH4 + NH4 + on hapan ioni (Ka = 5, ), CH3COO - on emäksinen ioni (Kb = 5, ). Happo- ja emäsvakioiden arvoja vertaamalla huomataan niiden olevan samat, joten kumpikin on yhtä heikko kumpikaan ei protolysoidu. NEUTRAALI 6. Metyyliamiinikloridi on suola, se liukenee: CH3NH3Cl CH3NH3 + + Cl - CH3NH3 + on emäksisen metyyliamiinin CH3NH2 happomuoto eli hapan. Happovakio voidaan laskea metyyliaminin happovakiosta veden ionitulon avulla: Ka = Kw / Kb = 1, / 4, = 2, , joka on selvästi happamampi kuin käytännössä neutraali Cl - (Kb = ). 7. Dietyyliamiini on kaikkien amiinien tapaan heikko emäs (Kb = 5, ), se protolysoituu: CH3NHCH3 + H2O CH3NH2 + CH3 + OH - 8. Kaliumvetysulfaatti on suola, se liukenee: KHSO4 K + + HSO4 - HSO4 - on amfolyytti, eli se voi toimia sekä happona että emäksenä. Se on kuitenkin erittäin paljon voimakkaampi happona (Ka = 1, ) kuin emäksenä (Kb = ), joten se toimii happona. 9. Natriumdivetyfosfaatti on suola, se liukenee: NaH2PO4 Na + + H2PO4 - H2PO4 - on amfolyytti, eli se voi toimia sekä happona että emäksenä. Se on kuitenkin voimakkaampi happona (Ka = 6, ) kuin emäksenä (Kb = 1, ), joten se toimii happona.

4 10. Etanoli CH3CH2OH ei protolysoidu vesiliuoksissa. NEUTRAALI 11. Etikkahappo on kaikkien karboksyylihappojen tavoin heikko happo (Ka = 1, ), se protolysoituu: CH3COOH + H2O CH3COO - + H3O Metyyliamidi CH3CONH2 on neutraali, sillä karbonyyliryhmä C=O estää typpeä vastaanottamasta protonia. Amidit eivät siis ole emäksiä, toisin kuin amiinit. NEUTRAALI 2015/3 Tehtävässä oli annettu yhdeksän lääkeaineen isomeeriä ja näistä piti tunnistaa annetuille pareille millä tavalla ne olivat toistensa isomeerejä (sama yhdiste, rakenneisomeerejä, konformaatioisomeerejä, peilikuvaisomeerejä vai cis-trans-isomeerejä). Tehtävää vaikeuttaa huomattavasti se, että lääkeaineissa oleva sykloheksaanirengas on osassa molekyylejä esitetty tasomaisena ja osassa ns. tuolimuodossa, jolloin osa ryhmistä sijoittuu ns. aksiaalisesti (kohtisuoraan rengastasosta) ja osa ekvatoriaalisesti (rengastason suuntaisesti). Esimerkkimolekyyleistä vasemmanpuoleisessa metyyliryhmä on ekvatoriaalinen ja oikeanpuoleisessa aksiaalinen. Rengas voi vaihtaa konformaatiota siten, että ekvatoriaalinen ryhmä muuntuu aksiaaliseksi. 1 ja 2: cis-trans-isomeerejä Molekyylit ovat muuten samanlaiset, mutta nuolella merkitty sidos on molekyylissä 1 eri puolella rengastasoa kuin isopropyyliryhmä (trans-isomeeri) ja kakkosmolekyylissä samalla puolella rengastasoa (cis-isomeeri). Täten 1 ja 2 ovat cis-trans-isomeerejä. 1 ja 3: sama yhdiste 1 ja 3 ovat sama molekyyli, mutta kolmosessa sykloheksaanirengas on piirretty ns. tuolimuotoon, jossa sykloheksaaniin liittyneet kaksi ryhmää ovat ns. ekvatoriaalisia. Tarkasti katsellen huomataan, että isopropyyliryhmä osoittaa alaspäin ja amidoryhmä puolestaan osoittaa ylöspäin. Eli nämä ryhmät ovat eri puolella rengasta (trans-isomeeri). Jos tätä ei helposti huomaa, voi tarkastella näkyviin piirrettyjä vetyjä. Koska vedyt ovat eri puolilla rengastasoa toisiinsa nähden, myös liittyneiden ryhmien täytyy olla eri puolilla rengasta toisiinsa nähden, koska samaan hiileen liittyneet ryhmät ovat aina renkaan eri puolilla. Myös molekyylissä 1 ryhmät ovat eri puolilla (trans-isomeeri) ja täten molekyyli 3 on sama kuin molekyyli 1.

5 1 ja 8: peilikuvaisomeerejä 1 ja 4: peilikuvaisomeerejä Huomataan, että kaikki stereorakenteen omaavat sidokset (merkitty nuolilla) ovat eri konfiguraatiossa molekyyleissä 1 ja 4. Täten molekyylit ovat toistensa peilikuvia. Vertaa tilannetta molekyylien 1 ja 3 vertailuun. Tilanne on muuten sama, paitsi yksi sidos (nuolella osoitettu) on vaihtanut konfiguraatiota. Täten kyse tämän sidoksen suhteen on peilikuvaisomeriasta. 1 ja 9: cis-trans-isomeerejä 1 ja 5: rakenneisomeerejä On helppo huomata, että molekyyleissä 1 ja 5 amidoryhmän atomit ovat sitoutuneet eri järjestyksessä. Täten 1 ja 5 ovat rakenneisomeerejä. 1 ja 6: sama yhdiste Verrataan jälleen tilannetta molekyylien 1 ja 3 vertailuun. Silloin molemmat ryhmät olivat ekvatoriaalisia, nyt isopropyyliryhmä on aksiaalinen. Täten isopropyyli- ja amidoryhmät ovat molekyylissä 8 rengastason yläpuolella eli samalla puolella (cis-isomeeri), kun taas molekyylissä 1 ne ovat eri puolilla (trans-isomeeri). Tällöin molekyylit 1 ja 9 ovat cis-trans-isomeerejä. 3 ja 6: sama yhdiste ja konformaatioisomeerejä Tilanne on sama kuin molekyylien 1 ja 3 vertailussa, paitsi nyt renkaaseen liittyneet ryhmät ovat aksiaalisia. Nyt on helpompi havaita, että ryhmät sijaitsevat rengastason eri puolilla (trans-isomeeri), joten molekyyli 6 on sama kuin molekyyli 1. 1 ja 7: rakenneisomeerejä Nyt molekyylit 3 ja 6 on molemmat piirretty tuolimuotoon. Huomataan, että molekyylissä kolme renkaaseen liittyneet ryhmät ovat ekvatoriaalisia, kun taas molekyylissä 6 ryhmät ovat aksiaalisia. Tarkkaan katsoen huomaa kuitenkin, että renkaan tuolimuoto on piirretty molekyyleissä eri tavalla, eli on tapahtunut ns. renkaan muuntuminen (ring flip), jossa aksiaaliset ryhmät muuntuvat ekvatoriaalisiksi ja ekvatoriaaliset aksiaalisiksi. Tämän huomaa myös vedyistä. Tällainen renkaan muuntuminen on samanlainen kuin muuntuminen tuoli- ja venemuodon välillä. Kyseessä on siis sama molekyyli, mutta sen kaksi eri konformaatiota. Se, että kyseessä on sama molekyyli, voidaan todeta aikaisemmista päättelyistä: jos 1 ja 3 sekä 1 ja 6 ovat keskenään samoja, myös molekyylien 3 ja 6 täytyy olla keskenään samoja. Nyt on myös helppo havaita, että molekyylissä 1 on ensin amidoryhmä ja sitten karboksyyliryhmä, molekyylissä 7 on ensin esteriryhmä ja sitten amidoryhmä. Tarkkaan katsoen kuitenkin huomaa, että atomien lukumäärä on sama, joten molekyylit ovat rakenneisomeerejä.

6 3 ja 9: cis-trans-isomeerejä 2015/7 Tässä ns. MacGyver-tehtävässä oli annettu lista välineitä ja aineita, joiden avulla piti valmistaa puolessa tunnissa saippuaa. Huomataan, että molekyylissä 3 molemmat ryhmät ovat ekvatoriaalisia, mutta molekyylissä 9 isopropyyliryhmä on aksiaalinen. Eli molekyylissä 3 ryhmät ovat eri puolilla rengastasoa (trans), mutta molekyylissä 9 ne ovat samalla puolella (cis). Täten kyse on cis-trans-isomeriasta. Saman voi päätellä myös aiemmasta: jos 1 ja 9 ovat cis-trans-isomeerejä, sekä 1 ja 3 ovat sama yhdiste, ovat 3 ja 9 myös keskenään cis-trans-isomeerejä. Tarvikkeet olivat: - kirurginveitsi - pankreatiinikapseleita haiman eksokriiniseen vajaatoimintaan (kapselit sisältävät haiman tuottamia entsyymejä) - ruokasoodaa (sisältää pääasiassa NaHCO3:a) - vettä - oliiviöljyä - kahvia suljetussa termospullossa Saippua on rasvahappojen natriumsuola. Oliiviöljy on rasva eli kemiallisesti esteri (triglyseridi), joka hydrolysoituu vedessä glyseroliksi ja rasvahapoiksi. Hydrolyysi kuitenkin tapahtuu vedessä erittäin hitaasti. Tehtävän avainkohta olikin tietää, että haiman entsyymeihin kuuluu lipaasi, joka katalysoi rasvojen hydrolyysiä. Saippua valmistetaan seuraavasti. - Käytetään termospulloa reaktioastiana, eli kaadetaan kahvi pois ja laitetaan oliiviöljyä ja vettä termokseen (tilavuuksilla ei tässä ole väliä). - Rikotaan pankreatiinikapselit kirurginveitsellä ja kaadetaan sisältö reaktioastiaan, jolloin oliiviöljy alkaa hydrolysoitua glyseroliksi ja vapaiksi rasvahapoiksi. Samalla rasvahapot siirtyvät vesifaasiin. - Odotetaan hieman samalla pulloa varovasti sekoittaen heiluttamalla, jotta hydrolyysiä ehtii tapahtua tarpeeksi. - Laitetaan ruokasoodaa veteen. Se on vesiliukoinen suola (natriumvetykarbonaatti), joka reagoi vesifaasissa olevien rasvahappojen kanssa neutraloitumisreaktiossa: R-COOH(aq) + NaHCO3(aq) R-COO - Na + (aq) + H2O(l) + CO2(g) (reaktioyhtälöä ei vaadittu). - Syntyy rasvahappojen natriumsuolaa eli saippuaa. Tehtävänanto ei edellyttänyt saippuan eristämistä.

7 2015/11 Tehtävä koostui erilaisista kemian peruslaskuista, joista a-c liittyivät annostuksiin, d:ssä titrattiin heikko happo ja e:ssä oli polttoanalyysitehtävään yhdistettynä kaasulasku. a-c -kohdissa riitti vastaukseksi pelkkä tulos oikealla ilmoitustarkkuudella. a) m(näyte) = 0,5052 g = 0, kg, V(näyteliuos) = 50,0 ml Näyteliuoksesta otetaan 10,0 ml osanäyte, jonka m(pd) = 0,095 µg = 0, mg Pd-pitoisuus näyteliuoksessa = 0, mg / 10,0 ml 50,0 ml = 0, mg Näytteen palladiumpitoisuus (mg/kg) = 0, mg / 0, kg = 0,9402 mg/kg 0,94 mg/kg (2 merkitsevää numeroa) b) V(perusliuos) = 30,0 ml, c(perusliuos) = 0,010 g / ml m(perusliuos) = c V = 0,30 g Perusliuos laimennetaan 250 ml:aan c(perusliuos, laimennettu) = m / V = 1,2 g / l Potilaan tarvitsema annos = 3,00 mg/kg 56 kg = 168 mg = 0,168 g Infuusioliuosta annetaan 0,168 g / 1,2 g / l = 0,14 l (2 merkitsevää numeroa) c) c(keittosuolaliuos) = 6,00 g / l. Kahden ensimmäisen tunnin aikana annetaan 40,0 ml / h 2 h = 80,0 ml = 0,0800 l Potilaan saama annos kahden ensimmäisen tunnin aikana = c V = 0,480 g Potilaan tarvitsema vuorokausiannos = 4,00 g Potilas tarvitsee 22 tunnin aikana 4,00 g - 0,480 g = 3,52 g Tarvittava tilavuus = m / c = 3,52 g / 6,00 g / l = 0, l = 586,667 ml Tarvittava annostelunopeus = 586,667 ml / 22 h = 26,6667 ml / h 26,7 ml/h (3 merkitsevää numeroa) d) c(ha, alku) = 0,100 mol/l, V(HA, alku) = 50,0 ml n(ha, alku) = c V = 0,00500 mol Titrauksessa happo neutraloidaan kokonaan natriumhydroksidilla: HA(aq) + NaOH(aq) Na + (aq) + A - (aq) + H2O(l) A - (aq) + H2O(l) HA(aq) + OH - (aq) alku (mol/l) 0, muutos (mol/l) -x +x +x tasapaino (mol/l) 0, x x x Emäsvakio saadaan happovakiosta veden ionitulon (kaavakokoelmasta) avulla: mol K = [HA] [OH ] x x [A = ] 0, x =K = 1, ( ) l K 5,37 10 mol =1, "mol l l Saadaan (ilman yksiköitä): x 2 + 1, x - 0, , = 0 Ratkaistaan 2.asteen yhtälöstä x, saadaan: x1 = -1, , x2 = 1, [OH-] = x2 = 1, mol/l 1, mol/l e) Polttoanalyysissä aine poltetaan hapen ylimäärässä, jolloin kaikki hiili muuttuu hiilidioksidiksi ja kaikki vety vedeksi. n(c) = n(co2) pv = nrt n(co2) = #$(%& ') () m(c) = n(c) M(C) = n(co2) M(C) = #$(%& ') () M(C) Sijoitetaan p(co2) = 1,01325 bar = Pa, V(CO2) = 1,413 dm 3 = 1, m 3, R = 8,314 J mol -1 K -1 (kaavakokoelmasta) = 8,314 Pa m 3 mol -1 K -1 T = 273,15 K, M(C) = 12,010 g/mol. Saadaan m(c) = 0,75717 g n(h) = 2 n(h2o) m(h) = n(h) M(H) = 2 n(h2o) M(H) = 2 m(h2o) / M(H2O) M(H) Sijoitetaan m(h2o) = 0,785 g, M(H2O) = 18,0148 g/mol, M(H) = 1,0079 g/mol Saadaan m(h) = 0, g m(o) = m(näyte) - m(c) - m(h) = 1,00 g - 0,75717 g - 0, g = 0, g Hapen m-% = 0, g / 1,00 g 100 % = 15,4991 m-% 15,5 m-% Ekvivalenttipisteessä n(naoh) = n(ha) = 0,005 mol, c(naoh) = 0,200 mol/l V(NaOH) = n / c = 0,0250 l Happoliuos laimennettiin V = 250 ml, joten V(liuos, loppu) = 0,250 l + 0,025 l = 0,275 l Heikon hapon vastinemäs protolysoituu: A - (aq) + H2O(l) HA(aq) + OH - (aq) c(a-) = n(ha) / V(liuos) = 0,00500 mol / 0,275 l = 0, mol/l Tehdään taulukko: