Q5 50M Compulsory discuss Organic chemistry and spectroscopy
(a) Write the structures of nucleosides and nucleotides, and discuss the primary structures of DNA and RNA. (10 marks)
(b) Write down the products obtained after photolysis of 2-methylcyclohexanone in solution phase. Explain the formation of products. (10 marks)
(c) (i) By using appropriate reactants, reagents and conditions and using acetylene as starting material, how will you synthesize the following compound?
(ii) Identify the products W, X, Y and Z in the following reactions: (10 marks)
(d) (i) How will you distinguish between NH stretching absorption of a primary amine and a secondary amine by using IR spectroscopy?
(ii) How will you distinguish among primary, secondary and tertiary alcohols on the basis of PMR spectroscopy? (8 marks)
(e) Given below are the IR and NMR spectral characteristics of three compounds:
(i) IR : 1750 cm⁻¹; NMR : δ 2·0 (s, 3H), 5·1 (s, 2H) and 7·3 (s, 5H)
(ii) IR : 1740 cm⁻¹; NMR : δ 3·5 (s, 3H), 3·6 (s, 2H) and 7·4 (s, 5H)
(iii) IR : 3200–2800 (various bands) and 1700 cm⁻¹; NMR : δ 2·75 (t, 2H), 2·95 (t, 2H), 7·4 (s, 5H) and 12·0 (s, 1H)
Match each of these spectral data with one of the following structures: (1), (2), (3), (4), (5) (10 marks)
हिंदी में पढ़ें
(a) न्यूक्लियोसाइड व न्यूक्लियोटाइड की संरचना लिखिए तथा डी० एन० ए० एवं आर० एन० ए० की प्राथमिक संरचनाओं की विवेचना कीजिए। (10 अंक)
(b) 2-मेथिलसाइक्लोहेक्सानोन की विलयन प्रावस्था में प्रकाश-अपघटन के पश्चात् उत्पन्न उत्पाद को लिखिए। उत्पादों के बनने की व्याख्या कीजिए। (10 अंक)
(c) (i) ऐसीटिलीन को आरंभिक द्रव्य लेते हुए उपयुक्त अभिक्रियकों, अभिकर्मकों तथा दशा के प्रयोग से आप निम्नलिखित यौगिक का संश्लेषण कैसे करेंगे?
(ii) निम्नलिखित अभिक्रियाओं में उत्पादों W, X, Y और Z को पहचानिए: (10 अंक)
(d) (i) आप प्राथमिक ऐमीन व द्वितीयक ऐमीन के बीच NH तरंग अवशोषण को IR स्पेक्ट्रमिकी द्वारा कैसे पहचानेंगे?
(ii) आप प्राथमिक, द्वितीयक तथा तृतीयक ऐल्कोहॉलों को PMR स्पेक्ट्रमिकी के आधार पर कैसे पहचानेंगे? (8 अंक)
(e) नीचे तीन यौगिकों की IR व NMR स्पेक्ट्रमी विशेषताएँ दी गई हैं:
(i) IR : 1750 cm⁻¹; NMR : δ 2·0 (s, 3H), 5·1 (s, 2H) और 7·3 (s, 5H)
(ii) IR : 1740 cm⁻¹; NMR : δ 3·5 (s, 3H), 3·6 (s, 2H) और 7·4 (s, 5H)
(iii) IR : 3200–2800 (विभिन्न बैंड) तथा 1700 cm⁻¹; NMR : δ 2·75 (t, 2H), 2·95 (t, 2H), 7·4 (s, 5H) और 12·0 (s, 1H)
इनमें से प्रत्येक स्पेक्ट्रमी डेटा को निम्नलिखित संरचनाओं में से किसी एक से मिलाइए: (1), (2), (3), (4), (5) (10 अंक)
Answer approach & key points
This multi-part question requires balanced coverage across 8 sub-parts totaling 48 marks. Allocate approximately 20% time to part (a) on nucleic acids, 20% to part (b) on photochemistry, 20% to part (c) on synthesis and reaction identification, 17% to part (d) on spectroscopic distinctions, and 23% to part (e) on spectral interpretation. Begin each sub-part with clear structural diagrams, follow with mechanistic or explanatory text, and conclude with specific applications or distinctions requested.
- Part (a): Correct structures of nucleoside (base + sugar) and nucleotide (base + sugar + phosphate); DNA vs RNA primary structure differences in sugar (deoxyribose vs ribose) and bases (T vs U)
- Part (b): Norrish Type I cleavage products from 2-methylcyclohexanone; biradical intermediate formation and subsequent fragmentation pathways in solution phase
- Part (c)(i): Multi-step synthesis from acetylene using appropriate reagents (NaNH₂, alkyl halides, hydration, oxidation, etc.); (c)(ii): Identification of products W, X, Y, Z with correct structures
- Part (d)(i): IR distinction of 1° vs 2° amines by NH stretching (doublet vs singlet, ~3400-3300 cm⁻¹ region); (d)(ii): PMR distinction using OH proton exchange, coupling patterns, and chemical shift differences
- Part (e): Correct matching of spectral data to structures—(i) ester with benzyl group, (ii) methyl ester with CH₂, (iii) carboxylic acid with broad OH and characteristic α-protons
Q6 50M explain Organic reactions and polymer chemistry
(a) (i) Predict the products in the following reactions: Propose suitable mechanism to justify your answer.
(ii) Giving justification, write the major and minor product(s). Comment upon the chirality of recovered reactant (if any). (5+10=15 marks)
(b) (i) How will you synthesize polypropylene (PP) by using Ziegler-Natta catalysis? Discuss the mechanism and its advantages over conventional polymerization. (10 marks)
(ii) How is Perlon synthesized from ε-Caprolactam? Give the mechanism of the reaction. (5 marks)
(c) (i) Write the structures of the products X, Y and Z in the following reactions and indicate the mechanism for the formation of X: (1) OsO₄, Pyridine (2) H⁺, H₂O; X →[HIO₄] Y + Z (10 marks)
(ii) Write the major and minor products in the following reaction. Discuss the stereochemistry along with reaction mechanism for the formation of the major product: Ph-C(=O)-CH₃ →[m-CPBA] ? + ? (Major product + Minor product) (10 marks)
हिंदी में पढ़ें
(a) (i) निम्नलिखित अभिक्रियाओं में उत्पादों का अनुमान लगाइए: अपने उत्तर का औचित्य सिद्ध करने के लिए उपयुक्त क्रियाविधि प्रस्तावित कीजिए।
(ii) औचित्य प्रदान करते हुए मुख्य तथा अल्प उत्पाद/उत्पादों को लिखिए। पुनःप्राप्त अभिक्रियक (अगर कोई है) की काइलतता पर टिप्पणी कीजिए। (5+10=15 अंक)
(b) (i) ज़िग्लर-नाट्टा उत्प्रेरण के प्रयोग से आप पॉलीप्रोपिलीन (PP) का संश्लेषण कैसे करेंगे? क्रियाविधि बताइए तथा पारंपरिक बहुलकन (पॉलिमराइजेशन) की अपेक्षा फायदों की विवेचना कीजिए। (10 अंक)
(ii) ε-कैप्रोलैक्टम से पर्लन को कैसे संश्लेषित करते हैं? अभिक्रिया की क्रियाविधि दीजिए। (5 अंक)
(c) (i) निम्नलिखित अभिक्रियाओं में उत्पादों X, Y और Z की संरचना लिखिए तथा X के बनने की क्रियाविधि का उल्लेख कीजिए: (1) OsO₄, पिरिडीन (2) H⁺, H₂O; X →[HIO₄] Y + Z (10 अंक)
(ii) निम्नलिखित अभिक्रिया में मुख्य तथा अन्य उत्पादों को लिखिए। मुख्य उत्पाद के बनने की विषम रसायन के साथ अभिक्रिया क्रियाविधि की विवेचना कीजिए: Ph-C(=O)-CH₃ →[m-CPBA] ? + ? (मुख्य उत्पाद + अन्य उत्पाद) (10 अंक)
Answer approach & key points
Explain the reaction mechanisms and product formations across all four sub-parts, allocating approximately 30% time to (a)(i)-(ii) combined (15 marks), 30% to (b)(i)-(ii) combined (15 marks), and 40% to (c)(i)-(ii) combined (20 marks). Begin with clear product predictions and mechanisms for each transformation, using curved-arrow notation and stereochemical representations throughout. Conclude with comparative remarks on catalytic systems where relevant.
- (a)(i) Correct prediction of products with detailed mechanistic pathway showing electron flow and intermediates
- (a)(ii) Identification of major vs minor products with regio/stereochemical justification; analysis of chirality in recovered reactant
- (b)(i) Ziegler-Natta synthesis of polypropylene: TiCl₄/AlEt₃ system, coordination-insertion mechanism, isotactic control, advantages over free-radical polymerization
- (b)(ii) Perlon (Nylon-6) synthesis: ε-caprolactam ring-opening polymerization, acid/base-catalyzed mechanism with initiation and propagation steps
- (c)(i) OsO₄ dihydroxylation product X, HIO₄ cleavage to carbonyl fragments Y and Z; syn-addition mechanism with cyclic osmate ester intermediate
- (c)(ii) Baeyer-Villiger oxidation: regioselectivity based on migratory aptitude (Ph > CH₃), retention of configuration, stereochemical outcome with mechanism
Q7 50M discuss Protein structures and spectroscopic analysis
(a) Discuss the different types of secondary structures of proteins and compare these structures with tertiary structure of proteins. 15 marks
(b) Complete the following reactions and give suitable mechanisms for the formation of products:
(i) CH₃—CH₂—CH₂—C(=O)—Cl (1) 2NaBH₄ → ?
(2) H₃O⁺
(ii) CH₃—C≡C—CH₃ Na in liq. NH₃ → ?
10+5=15 marks
(c) (i) A compound (A) containing C, H and O has molecular weight 102 and displays two signals in the ¹H NMR spectrum at δ 1·1 (d) and 3·55 (septet) in the integral ratio of 6:1. Treatment of A with 1 mole of HI gives rise to B and C. In the IR spectrum, B gives a strong absorption band at 3330 cm⁻¹, whereas its ¹H NMR spectrum shows signals at δ 1·05(d, 6H), 3·6 (septet, 1H) and 4·4 (s, 1H, disappeared with D₂O). The ¹H NMR spectrum of C gives signals at δ 1·9(d, 6H) and 4·25 (septet, 1H). Reaction of A with excess of HI gives only C. Identify A, B and C. Write all the reactions involved. 10 marks
(ii) Three isomeric compounds having MF C₅H₁₀O give positive 2,4-DNP test and display the following NMR spectral characteristics. Identify the compounds. Among them, one isomeric compound on treatment with KOH (concentrated) gives two products. Write their structures also:
(1) A triplet at δ1.05 and a quartet at δ2.47
(2) Two singlets
(3) A doublet at δ1.0, a singlet at δ2.1 and a septet at δ2.2
10 marks
हिंदी में पढ़ें
(a) प्रोटीन के भिन्न प्रकारों की द्वितीयक संरचनाओं की विवेचना कीजिए तथा इन संरचनाओं की तुलना प्रोटीन के तृतीयक संरचना से कीजिए। 15 अंक
(b) निम्नलिखित अभिक्रियाओं को पूर्ण कीजिए तथा उत्पादों के बनने की उपयुक्त क्रियाविधि दीजिए :
(i) CH₃—CH₂—CH₂—C(=O)—Cl (1) 2NaBH₄ → ?
(2) H₃O⁺
(ii) CH₃—C≡C—CH₃ तरल NH₃ में Na → ?
10+5=15 अंक
(c) (i) C, H तथा O के एक यौगिक (A) का आणविक भार 102 है और ¹H NMR स्पेक्ट्रम में दो सिग्नल δ 1·1 (d) तथा 3·55 (सेप्टेट) पर अभिन्न अनुपात 6:1 में देता है। A का विवेचन जब 1 मोल HI के साथ किया जाता है, तो B तथा C उत्पाद बनते हैं। B के IR स्पेक्ट्रम में 3330 cm⁻¹ पर एक प्रबल अवशोषण बैंड है, जबकि ¹H NMR स्पेक्ट्रम में δ 1·05(d, 6H), 3·6 (सेप्टेट, 1H) और 4·4 (s, 1H, D₂O में लुप्त) पर सिग्नल दिखाता है। C के ¹H NMR स्पेक्ट्रम में δ 1·9(d, 6H) तथा 4·25 (सेप्टेट, 1H) पर सिग्नल देता है। यदि A की अभिक्रिया अतिरिक्त HI से की जाती है, तो केवल C बनता है। A, B तथा C को पहचानिए। सभी संबंधित अभिक्रियाओं को लिखिए। 10 अंक
(ii) तीन समावयवी यौगिकों, जिनका आणविक सूत्र (MF) C₅H₁₀O है, 2,4-DNP परीक्षण सकारात्मक देते हैं तथा निम्नलिखित NMR स्पेक्ट्रमी अभिलक्षण देते हैं। यौगिकों को पहचानिए। इनमें एक समावयवी यौगिक KOH (संद्रित) के साथ विवेचन करने पर दो उत्पाद देता है। उत्पादों की संरचना भी बताइए :
(1) δ1.05 पर एक ट्रिप्लेट और δ2.47 पर एक क्वार्टेट
(2) दो सिंगलेट
(3) δ1.0 पर एक डबलेट, δ2.1 पर एक सिंगलेट और δ2.2 पर एक सेप्टेट
10 अंक
Answer approach & key points
The directive 'discuss' for part (a) requires comprehensive coverage with critical comparison, while parts (b) and (c) demand mechanistic and analytical problem-solving. Allocate approximately 30% time/words to part (a) (15 marks), 30% to part (b) (15 marks), and 40% to part (c) (20 marks). Structure: begin with protein secondary structures and their comparison with tertiary structure; proceed to complete reaction mechanisms with clear electron-flow arrows; conclude with systematic spectral analysis for structural elucidation of unknowns.
- Part (a): Description of α-helix (right-handed, 3.6 residues/turn, 0.54 nm pitch, intrachain H-bonds) and β-pleated sheet (parallel and antiparallel, interchain H-bonds); comparison with tertiary structure (3D folding, hydrophobic interactions, disulfide bridges, ionic bonds, hydrogen bonds)
- Part (b)(i): Recognition that NaBH₄ reduces acid chloride to aldehyde then to primary alcohol; mechanism involves hydride attack on carbonyl carbon followed by protonation; final product CH₃CH₂CH₂CH₂OH
- Part (b)(ii): Birch reduction of internal alkyne; trans-alkene formation via radical anion mechanism; product is trans-2-butene
- Part (c)(i): Structure determination of A as isopropyl isopropyl ether (diisopropyl ether), B as isopropanol, C as isopropyl iodide; interpretation of NMR splitting patterns (d and septet indicating isopropyl group), IR OH stretch at 3330 cm⁻¹, and D₂O exchange
- Part (c)(ii): Identification of three isomers—(1) pentan-2-one, (2) pentan-3-one, (3) 3-methylbutan-2-one; recognition that pentan-3-one undergoes self-condensation with concentrated KOH to give diacetone alcohol and mesityl oxide
Q8 50M explain Spectroscopic techniques in organic chemistry
(a) (i) Among the following compounds I and II, which has more carbonyl stretching frequency in IR spectra? Explain:
I
II
5 marks
(ii) Complete the following reaction. Write the structures of A, B and C, and explain how IR spectroscopy is helpful to distinguish among them:
H₃C OH CH₃
H⁺
A + B + C
10 marks
(b) (i) Calculate the λ_max values of the following compounds:
(1)
(2)
10 marks
(ii) Explain why 1,3-butadiene exhibits a lower λ_max for π → π* transitions compared to that of 1,3,5-hexatriene.
5 marks
(c) (i) What is McLafferty rearrangement? Discuss the mass spectral fragmentation of butyl butyrate with the following given data of ions:
m/z 101, m/z 73, m/z 71 and m/z 56
Write the structures of fragment ions.
10 marks
(ii) (1) A compound with MF C₂H₂BrCl exhibits two doublets (J = 16 Hz) in its PMR spectrum. Suggest a suitable structure along with other possible structures.
(2) How can the structures of A and B be decided based on their UV spectral data?
[ λ_max = 296 nm (ε_max = 10700) and
λ_max = 281 nm (ε_max = 20800) ]
10 marks
हिंदी में पढ़ें
(a) (i) निम्नलिखित यौगिकों I तथा II में किसकी कार्बनिल तनन आवृत्ति IR स्पेक्ट्रा में अधिक है? व्याख्या कीजिए :
I
II
5 अंक
(ii) निम्नलिखित अभिक्रिया को पूर्ण कीजिए। A, B और C की संरचना लिखिए तथा व्याख्या कीजिए किस प्रकार से IR स्पेक्ट्रमिकी इनमें अंतर बताने में सहायक है :
H₃C OH CH₃
H⁺
A + B + C
10 अंक
(b) (i) निम्नलिखित यौगिकों की λ_max मानों का परिकलन कीजिए :
(1)
(2)
10 अंक
(ii) 1,3-ब्यूटाडाइन के π → π* संक्रमण का λ_max मान 1,3,5-हेक्साट्राइन की तुलना में कम क्यों है? व्याख्या कीजिए।
5 अंक
(c) (i) मैकलफर्टी पुनर्विन्यास क्या है? ब्यूटिल ब्यूटिरेट के द्रव्यमान स्पेक्ट्रमी खंडन में निम्नलिखित आयन प्राप्त हुए हैं :
m/z 101, m/z 73, m/z 71 और m/z 56
इनकी विवेचना कीजिए। खंड आयनों की संरचना लिखिए।
10 अंक
(ii) (1) एक यौगिक, जिसका आण्विक सूत्र (MF) C₂H₂BrCl है, PMR स्पेक्ट्रम में दो डबलेट (J = 16 Hz) देता है। एक उपयुक्त संरचना का सुझाव दीजिए तथा संभावित दूसरी संरचनाएं भी दीजिए।
(2) A तथा B की संरचना को UV स्पेक्ट्रमी आँकड़ों के आधार पर कैसे तय कर सकते हैं?
[ λ_max = 296 nm (ε_max = 10700) और
λ_max = 281 nm (ε_max = 20800) ]
10 अंक
Answer approach & key points
Begin with a concise introduction on spectroscopic techniques as structural tools. For (a), allocate ~15 marks worth: explain carbonyl frequency trends using conjugation/hybridization effects, then complete the dehydration reaction identifying A (alkene), B (ether), C (alkene isomer), with IR distinguishing C=C vs C=O regions. For (b), spend ~15 marks: apply Woodward-Fieser rules for λ_max calculations, then explain conjugation length effect on HOMO-LUMO gap. For (c), allocate ~20 marks: define McLafferty rearrangement with radical mechanism, draw fragmentation pathway for butyl butyrate showing m/z 101 (acylium), 73, 71, 56; for (c)(ii) deduce trans-1-bromo-2-chloroethene from J=16 Hz coupling, and assign λ_max 296 nm to trans-stilbene (higher ε, planar) vs 281 nm to cis-stilbene using steric hindrance arguments. Conclude with integration of spectroscopic data for structural elucidation.
- (a)(i) Correct identification of higher ν(C=O) in compound with less conjugation/stronger C=O bond; explanation via resonance and bond order effects
- (a)(ii) Acid-catalyzed dehydration of 2-butanol giving 1-butene (A), 2-butene mixture (B=trans, C=cis or B=ether if intermolecular); IR distinguishes O-H (3300 cm⁻¹), C=C (1650 cm⁻¹), C-O (1100 cm⁻¹) regions
- (b)(i) Accurate Woodward-Fieser rule application: base value + substituent increments + solvent corrections for both diene/triene systems
- (b)(ii) Explanation of bathochromic shift with extended conjugation: decreased HOMO-LUMO energy gap in hexatriene vs butadiene
- (c)(i) McLafferty rearrangement definition: γ-hydrogen transfer via six-membered cyclic TS with radical cation cleavage; specific fragment structures for butyl butyrate (m/z 101: CH₃CH₂CH₂CO⁺, m/z 73: CH₃CH₂CO⁺, m/z 71: C₄H₉⁺, m/z 56: C₄H₈⁺·)
- (c)(ii)(1) trans-1-bromo-2-chloroethene from J=16 Hz (trans vicinal coupling); cis isomer excluded by large J value
- (c)(ii)(2) UV assignment: higher λ_max with lower ε (296 nm, ε=10700) for trans-stilbene vs lower λ_max with higher ε (281 nm, ε=20800) for cis-stilbene due to steric hindrance reducing planarity and conjugation efficiency in cis form