bij dit examen
Tenzij anders vermeld, is er sprake van standaardomstandigheden:
T = 298 K en p = p0.
opgave 1DCDA
Dicyaandiamide (DCDA, zie figuur 1) is een wit kristallijn poeder. Het is onder andere een bouwsteen in de synthese van medicijnen. figuur 1 In figuur 2 is het industriële productieproces van DCDA vereenvoudigd met een blokschema weergegeven. Calciumcyaanamide ( CaCN 2 ), water en koolstofdioxide worden reactor 1 (R1) ingeleid. Calciumcyaanamide is een sterke base. In R1 reageren calciumcyaanamide, koolstofdioxide en een overmaat water tot het zwakke zuur cyaanamide ( H 2 N ‒ C ≡ N ) en de vaste stof X. Stof X wordt in scheidingsruimte 1 (S1) verwijderd. Hierbij wordt het mengsel in S1 op kamertemperatuur gehouden. figuur 2
Bereken de pH van deze cyaanamide-oplossing. Gebruik de K z . Neem aan dat de pH van de cyaanamide-oplossing uitsluitend wordt bepaald door cyaanamide. DCDA is een dimeer van cyaanamide. In reactor 2 (R2) reageert cyaanamide door een dimerisatie-reactie tot DCDA. Bij de dimerisatie van cyaanamide treedt het stikstofatoom in de NH 2 -groep van cyaanamide op als nucleofiel deeltje. Cyaanamide is een amfolyt. Dat betekent dat de stof ook als base kan reageren. Als de pH te laag is, neemt de NH 2 -groep van cyaanamide een H + -ion op. De gevormde groep kan dan niet meer als nucleofiel deeltje reageren en daardoor kan geen dimerisatie van cyaanamide tot DCDA meer plaatsvinden. Na de reactie laat men DCDA in scheidingsruimte 2 (S2) uitkristalliseren en wordt DCDA als vaste stof afgescheiden.
In oplossingen van DCDA treedt omkeerbare structuurisomerisatie op. Dit evenwicht is weergegeven in figuur 3. figuur 3 Het is onmogelijk om een van de twee structuurisomeren zuiver te verkrijgen. In het massaspectrum van DCDA zijn daarom fragment-ionen van beide isomeren herkenbaar. Behalve de piek van het molecuul-ion (M + ) zijn twee kenmerkende pieken aanwezig: − Bij m/z = 43 bevindt zich een piek die maar van één structuurisomeer in figuur 3 afkomstig kan zijn. − Bij m/z = 68 bevindt zich een piek die van beide structuurisomeren afkomstig kan zijn. De fragment-ionen worden gevormd doordat in het molecuul-ion slechts één enkele binding wordt verbroken. Op de uitwerkbijlage is figuur 3 twee keer weergegeven.
Voer de volgende opdrachten uit op de uitwerkbijlage: − Omcirkel bij a in de juiste isomeer het fragment dat de piek bij m/z = 43 veroorzaakt. − Omcirkel bij b in elke isomeer het fragment dat een piek bij m/z = 68 veroorzaakt. DCDA dient onder andere als beginstof voor de synthese van metformine. Zie figuur 4. Metformine wordt vooral voorgeschreven als medicijn bij de behandeling van diabetes mellitus type 2 (suikerziekte). Metformine kan met behulp van een bepaald reactietype in één stap worden gemaakt uit DCDA en één andere beginstof. In deze reactie is metformine het enige product. figuur 4
opgave 2Gaatjes
Veel mensen krijgen er vroeg of laat in hun leven mee te maken: een
gaatje in een kies of tand. Gaatjes worden veroorzaakt door bacteriën in
tandplak die suikers uit voeding omzetten tot zuren, waardoor de pH in de
tandplak daalt. Een voorbeeld van zo’n bacteriële omzetting is de reactie
van sacharose met één andere stof tot 2-hydroxypropaanzuur. Hierbij is
2-hydroxypropaanzuur het enige reactieproduct.
72p
Geef de vergelijking van deze omzetting.
− Gebruik molecuulformules.
− Gebruik Binas-tabel 67F2 of ScienceData-tabel 13.1.
Tandglazuur bestaat voor 95% uit calciumhydroxyapatiet (HA) en kan
worden weergegeven met de formule Ca5(PO4)3OH. In de mond staat het
oppervlak van het tandglazuur continu in contact met tandplak en
speeksel, waarbij ionen worden uitgewisseld. In figuur 1 is deze
uitwisseling weergegeven als een evenwicht.
figuur 1
Als de pH in tandplak door de zuurproductie van bacteriën daalt tot 5,5 of
lager, lost tandglazuur deels op, waardoor een gaatje kan ontstaan. Dit
oplossen heet demineralisatie. Speeksel kan ervoor zorgen dat de pH
weer hoger wordt dan 5,5, waardoor remineralisatie optreedt. Hierdoor
kan een beginnend gaatje worden hersteld. Remineralisatie gebeurt ook
als bacteriën in de tandplak niet meer voldoende suikers kunnen
omzetten.
82p
Leg uit, aan de hand van het evenwicht in figuur 1, hoe gaatjes kunnen
ontstaan door de aanwezigheid van zuren.
Door goed te poetsen en te flossen wordt tandplak verwijderd en kunnen
gaatjes worden tegengegaan. Tandpasta met fluoride beschermt het
glazuur nog beter tegen tandbederf. Fluoride-ionen in de tandpasta
worden namelijk uitgewisseld met hydroxide-ionen in HA. HA wordt zo
omgezet tot calciumfluor-apatiet (FA): Ca5(PO4)3F.
De demineralisatie van FA is vergelijkbaar met die van HA (figuur 1). De
pH-waarde waarbij demineralisatie optreedt bij FA is 4,5 of lager. Bij
kinderen wordt soms een fluoridebehandeling toegepast. Hierbij komt het
tandglazuur enige tijd in aanraking met een hoge concentratie
fluoride-ionen en wordt HA omgezet tot FA.
92p
Leg uit in welk pH-gebied de toepassing van de fluoridebehandeling het
meest effectief is:
− in gebied 1: 3,5 < pH ≤ 4,5 of
− in gebied 2: 4,5 < pH ≤ 5,5 of
− in gebied 3: 5,5 < pH < 6,5.
Bij het vullen van gaatjes wordt als vulmateriaal steeds vaker gekozen
voor tandkleurige composieten. In deze composieten zijn onder andere
additiepolymeren verwerkt. De polymeren zijn zo gekozen dat tijdens het
uitharden van het vulmateriaal in de mond een driedimensionaal
polymeernetwerk ontstaat. Een veelgebruikt monomeer voor dergelijke
polymeren is BisGMA. In figuur 2 is de structuurformule van BisGMA
vereenvoudigd weergegeven. De letter R stelt hier een atoomgroep voor
die niet aan de polymerisatiereactie kan deelnemen.
figuur 2
104p
Voer de volgende opdrachten uit:
− Teken de structuurformule van een fragment uit het midden van één
BisGMA-polymeerketen:
1 Laat hierbij twee BisGMA-eenheden met elkaar koppelen.
2 Gebruik in de BisGMA-eenheden de letter R.
− Leg uit hoe tijdens de polymerisatie van BisGMA een netwerk kan
ontstaan.
Als een diep gaatje gevuld moet worden, dan moet het composietmengsel
laag voor laag worden aangebracht. In het composietmengsel zit ook een
initiator. Een veelgebruikte initiator is kamferquinon (figuur 3). Een aantal
C-atomen in kamferquinon zijn genummerd.
figuur 3
112p
Leg uit of er van kamferquinon spiegelbeeldisomeren bestaan. Gebruik
figuur 3.
Bij het opvullen van een gaatje wordt elke aangebrachte laag beschenen
met een lampje. Daarna pas start de polymerisatie van deze laag en hardt
de laag uit.
121p
Leg uit waarom de polymerisatie pas start na het beschijnen van het
composietmengsel met het lampje.
opgave 33x productie van aniline
Aniline (figuur 1) behoort tot de meest geproduceerde
stoffen in de chemische industrie. Het wordt gebruikt als figuur 1
grondstof voor veel synthetische kleurstoffen en
kunststoffen. Ruim 100 jaar geleden werd aniline
industrieel geproduceerd met het Béchamp-proces: in
enkele stappen reageert nitrobenzeen (C6H5NO2)
met ijzer en water tot aniline en Fe3O4.
132p
Geef de systematische naam van aniline.
143p
Geef de vergelijking van het Béchamp-proces in molecuulformules.
Het Béchamp-proces wordt niet meer ingezet voor de productie van
aniline, maar wel voor de productie van Fe3O4, dat als zwart pigment
wordt gebruikt. Fe3O4 is een dubbelzout. In Fe3O4 komen zowel Fe2+-ionen
als Fe3+-ionen voor.
152p
Leid de molverhouding tussen Fe2+-ionen en Fe3+-ionen in dit dubbelzout
af.
Tegenwoordig wordt vrijwel alle aniline geproduceerd met een van de
volgende processen:
− het nitrobenzeen-proces, gebaseerd op de reactie van nitrobenzeen
met waterstof;
− het fenol-proces, gebaseerd op de reactie tussen fenol en ammoniak.
Beide processen worden commercieel uitgevoerd in de gasfase en in de
vloeibare fase.
nitrobenzeen-proces
Op de uitwerkbijlage bij vraag 16 is het blokschema van het nitrobenzeen-
proces onvolledig weergegeven. In reactor 1 (R1) verloopt reactie 1.
C6H5NO
NH2 (g) + 2 H2O (g) (reactie 1)
NH2 (g) + 2 H2O (g) (reactie 1)In scheidingsruimte 1 (S1) wordt de temperatuur zo ingesteld dat een van
de stoffen S1 verlaat in de gasfase. De andere stoffen verlaten S1 als
vloeibaar mengsel. In de volgende scheidingsruimtes (S2 en S3) wordt
het overgebleven mengsel gedestilleerd. De temperaturen in S2 en S3
zijn steeds zo gekozen dat slechts één stof de ruimte in de gasfase kan
verlaten.
163puitwerkbijlage
Maak op de uitwerkbijlage het blokschema van het nitrobenzeen-proces
compleet. Selecteer hiervoor de juiste informatie uit de tabellen op de
uitwerkbijlage en je informatieboek.
− Noteer in iedere scheidingsruimte de maximale temperatuur.
− Noteer de namen van de stoffen bij de pijlen. Waar een * staat, hoef je
niets in te vullen. Laat gasvormige stoffen de scheidingsruimtes aan
de bovenkant verlaten.
− Houd rekening met hergebruik van stoffen.
Voor een constante productkwaliteit moet de temperatuur in R1 gelijk
blijven tijdens het proces. Dit doet men door te koelen. Er komt namelijk
warmte vrij tijdens reactie 1.
173puitwerkbijlage
Bereken de reactiewarmte per mol aniline van het nitrobenzeen-proces
(reactie 1). Ga uit van een proces waarbij alle stoffen reageren in de
gasfase. Selecteer hierbij de juiste informatie uit de tabellen op de
uitwerkbijlage en je informatieboek.
Door de temperatuur in de reactor te variëren, wordt het
nitrobenzeen-proces geoptimaliseerd. Hierbij wordt gestreefd naar een
hoge opbrengst van aniline in een zo kort mogelijke tijd. Bij verhoging van
de temperatuur verschuift het evenwicht in R1 naar links. Dit verschuiven
hoeft niet nadelig te zijn voor de opbrengst.
183p
Voer de volgende opdrachten uit:
− Leg uit dat het evenwicht naar links verschuift bij verhoging van de
temperatuur in R1.
− Leg uit hoe het verhogen van de temperatuur in R1 toch voordelig kan
zijn voor de opbrengst. Gebruik het botsende-deeltjesmodel.
fenol-proces
Bij het fenol-proces wordt een overmaat ammoniak gemengd met fenol.
In dit proces verloopt reactie 2.
C6H5OH + NH
NH2 + H2O
NH2 + H2O(reactie 2)
Omdat een deel van het gebruikte fenol reageert tot nevenproducten, is
het rendement lager dan 100%.
193puitwerkbijlage
Bereken het rendement van het fenol-proces. Selecteer hiervoor de juiste
informatie uit de tabellen op de uitwerkbijlage.
opgave 4De geur van kater-urine
Urine van katers (kater-urine) heeft een penetrante en onprettige geur.
Dat komt door de afbraakproducten van het aminozuur felinine (figuur 1).
Katers ouder dan drie maanden hebben in hun urine een hoog gehalte
van het aminozuur felinine. Bij poezen is dat gehalte een stuk lager. Een
volwassen kater plast gemiddeld drie keer per dag, en per keer gemiddeld
30 mL urine. Per dag scheidt een volwassen kater gemiddeld 122 µmol
felinine per kilogram lichaamsgewicht uit.
figuur 1
203p
Bereken het gemiddelde gehalte felinine in g L–1 urine voor een
volwassen kater van 4,6 kg.
De meeste gezonde zoogdieren scheiden weinig eiwitten en aminozuren
uit via de urine, om zo kostbare bouwstoffen te behouden. Katten zijn
hierop een uitzondering. Katten-urine bevat behalve felinine ook een
relatief hoog gehalte aan het enzym cauxine. Cauxine is een zogeheten
carboxyl-esterase. De meeste zoogdieren hebben andere carboxyl-
esterases, die niet via de urine worden uitgescheiden. Dit type enzym
wordt hieronder ‘normale’ carboxyl-esterase genoemd.
Het fragment van het uiteinde van de aminozuurketen in ‘normale’
carboxyl-esterase kan worden weergegeven door ~DEL. In deze codering
is elk aminozuur weergegeven met het 1-lettersymbool.
Cauxine is een relatief klein carboxyl-esterase en heeft andere
aminozuren aan het uiteinde dan ‘normale’ carboxyl-esterase. Het stukje
van de coderende streng van het DNA dat codeert voor de laatste drie
aminozuren van cauxine, is:
~ ATT GTC CCC
213p
Voer de volgende opdrachten uit:
− Geef de 1-lettersymbolen van de drie laatste aminozuureenheden van
cauxine.
− Teken de structuurformule van het fragment van cauxine met de drie
laatste aminozuureenheden.
222p
Leg uit of het fragment van de laatste drie aminozuureenheden in cauxine
meer of minder hydrofiel is dan het fragment van de laatste drie
aminozuureenheden in ‘normale’ carboxyl-esterase.
Felinine wordt in het lichaam van katten door hydrolyse gevormd uit MBG.
In figuur 2 zijn de betrokken omzettingen vereenvoudigd weergegeven.
figuur 2
Op de uitwerkbijlage is de reactievergelijking van stap 1 nogmaals
weergegeven.
233puitwerkbijlage
Maak op de uitwerkbijlage de reactievergelijking van stap 1 compleet.
− Gebruik (eventueel schematische) structuurformules.
− Gebruik voor de formule van glutaminezuur Binas-tabel 67H1 of
ScienceData-tabel 13.7c.
Met behulp van dunnelaag-chromatografie is onderzocht of het enzym
cauxine een rol speelt bij de omzettingen in figuur 2. Hiertoe zijn de
volgende zes oplossingen bereid:
a en b: MBG zonder en met cauxine
c en d: MBCG zonder en met cauxine
e:
glycine
f:
felinine
Na een reactietijd van 10 uur bij 38 °C (voor oplossingen a tot en met d)
werd van alle oplossingen een chromatogram gemaakt. De resultaten van
de experimenten zijn in figuur 3 weergegeven. Cauxine is op deze
chromatogrammen niet zichtbaar.
figuur 3
De onderzochte hypothesen zijn:
Hypothese 1: Cauxine is betrokken bij de omzetting van MBG tot
MBCG (stap 1).
Hypothese 2: Cauxine is betrokken bij de omzetting van MBCG tot
felinine (stap 2).
242p
Leg uit voor elke hypothese of die wordt ondersteund door de resultaten
in figuur 3.
Felinine heeft van zichzelf weinig geur. Nadat felinine via de urine in de
bodem terecht is gekomen, wordt dit onder andere door micro-organismen
omgezet tot een reeks verschillende stoffen die wel een geur hebben,
zoals de stoffen X en Y. Zie figuur 4.
figuur 4
Uit onderzoek met bodemmonsters met katten-urine blijkt dat de stoffen X
en Y ook in de bodem voorkomen als gecastreerde katers (GK), poezen
(P) en jonge katers (JK) hebben geürineerd. Er zijn ook bodemmonsters
onderzocht met urine van niet-gecastreerde katers (NGK). De geur van
deze bodemmonsters is veel intenser dan die van de monsters van GK, P
en JK. Om te bepalen welke stof met name verantwoordelijk is voor de
geur, zijn gaschromatogrammen gemaakt van alle monsters. De
hoeveelheid urine is in elk monster gelijk. Van de stoffen X en Y zijn
vervolgens de piekoppervlaktes bepaald. Zie figuur 5.
figuur 5
Van stof X is bekend dat deze stof bij een tien maal zo lage concentratie,
een hogere geurintensiteit geeft dan stof Y. Uit figuur 5 kan worden
afgeleid dat stof X meer van invloed is op de intensiteit van de geur van
kater-urine dan stof Y.
252p
Voer de volgende opdrachten uit:
− Licht toe waarvoor de piekoppervlaktes in deze gaschromatogrammen
worden gebruikt.
− Geef een argument waaruit blijkt dat stof X een grotere invloed heeft
op de intensiteit van de geur van de urine van niet-gecastreerde
katers (NGK) dan stof Y. Gebruik hiervoor figuur 5. Neem aan dat de
gevoeligheid van de detector voor de stoffen X en Y gelijk is.
In een vervolgexperiment is de snelheid van de hydrolyse van MBCG
onderzocht in een oplossing met 7,4 g L–1 MBCG. Na een reactietijd van
5,0 minuten bleek MBCG voor 1,20·10–2% te zijn omgezet.
264p
Bereken de gemiddelde reactiesnelheid van de omzetting van MBCG in
nmol L–1 s–1 gedurende deze 5,0 minuten.
− De molaire massa van MBCG is 264 g mol–1.
− Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.
Bronvermelding
Een opsomming van de in dit examen gebruikte bronnen, zoals teksten en afbeeldingen, is te vinden in het bij dit examen
behorende correctievoorschrift.
vraag 5
vraag 16
vraag 23
12p
22p
34p
43p
52p
62p
72p
82p
92p
104p
112p
121p
132p
143p
152p
163p
173p
183p
193p
203p
213p
222p
233p
242p
252p
264p
