Question 1 part (b) is on the next page

Question 1 continued

(b)     Sketch the NMR spectra for the specified nuclei in molecules (D), (E) and (F). The

answer should state the number of signals expected, the multiplicity of each signal and the relative intensities within each signal. You do not need to include specific   chemical shifts or specific coupling constants in the answer.

Note that for: 1H, I = ½; 19F, I = ½; and 31P, I = ½. Assume 100% abundance for 1H, 19F and 31P isotopes. Assume there is no coupling to the Cl atom in (E). Yang Hui's            triangle (Pascal’s triangle) is given for reference.

(i)      31P NMR spectrum for (D).

(ii)     31P NMR spectrum for (E).

(iii)    19F NMR spectrum for (F).

(c)      Gallium trihydride, GaH3, is a molecule with trigonal symmetry and is either planar (D3h) or pyramidal (C3v).

(i)      Sketch the two structures of GaH3, showing all symmetry elements.

(ii)     Carry out a full group theoretical analysis for both possible structures to

determine the symmetries of the Ga–H stretching vibrations.

(iii)    The infrared spectrum of GaH3 consists of a single Ga–H stretching band. What

is the structure of GaH3?                                              

2.    (a)     The Schrödinger equation for a diatomic harmonic oscillator is

− 2μ d2  + 2 2Ψ = Ψ

where x = r − re and r is the internuclear separation.

(i)       Explain what the two terms on the left hand side of the equation represent.

(ii)      Draw a labelled diagram showing the energy levels that result from solving this

Schrödinger equation.

(b)     Infrared spectroscopy is an alternative to microwave spectroscopy for extracting

information on the rotational structure of molecules. Give the selection rules for      infrared vibration-rotation transitions in linear molecules. Hence, explain the key     features of an IR vibration-rotation spectrum and sketch an appropriate diagram to illustrate your answer.

(c)     The following are consecutive lines observed in the fundamental (infrared) vibration- rotation spectrum of H35Cl:  2970.4, 2949.2, 2928.1, 2906.9, 2864.5 and 2843.3 cm−1 .

(i)      Assign the rotational quantum numbers in both the v = 0 and v = 1 vibrational states for each transition.

(ii)      Determine the rotational constant and hence use this information to calculate

the equilibrium bond length of HCl.

(iii)    Calculate the approximate region of the infrared spectrum where the

corresponding vibration-rotation lines of DCl would be found. 

3.    (a)     Signal 1 and Signal 2 are from different 1H NMR spectra recorded on a 400 MHz spectrometer.

(i)      State the multiplicity of signal 1.

(ii)     Calculate the coupling constant in signal 1. Give the answer in Hz.

(iii)    State the multiplicity of signal 2.

(iv)    Calculate the coupling constant(s) in signal 2. Give the answer in Hz.

(v)     Calculate the chemical shifts of signal 1 and signal 2. Give the answer in ppm.

Question 3 part (b) is on the next page

Question 3 continued

(b)     Answer the following questions about the 1H NMR spectrum of molecule (A). Note

that the signals labelled a to j inclusive are the result of different proton resonances.

(i)      Signals e and h correspond to two CH2 environments. Assign the signals e and

h. Justify the answer.

(ii)     Signals e and i are part of the same spin system, and signals h and j are part of

the same spin system. Assign the signals i and j. Justify the answer.

(iii)    Signals a, b and c correspond to the aromatic protons in (A). Assign signal c.

Justify the answer based on chemical shift.

(iv)    Assign signals a and b based on their multiplicity. Justify the answer.

Question 3 part (c) is on the next page