Сборник методических указаний по органической химии. 243.МУЛР.ПН.ОП.03.КНГС.001-17. Сборник методических указаний для студентов по выполнению лабораторных работ по учебной дисциплине
 Скачать 1.06 Mb.
|
|
Тема «Амины» Лабораторная работа № 11 «Получение и свойства анилина» Цель: получить анилин и исследовать его свойства. Образовательные результаты, заявленные во ФГОС: Студент должен уметь: применять безопасные приемы при работе с органическими реактивами и химическими приборами; проводить реакции с органическими веществами в лабораторных условиях; знать: получение ихимическиесвойства анилина. Краткие теоретические материалы Амины – органические производные аммиака, в которых один, два или все три атома водорода замещены на углеводородные радикалы. Простейшие амины – газы с аммиачным запахом, высшие — жидкости или твёрдые вещества. Алифатические амины обычно получают алкилированием аммиака, ароматические – восстановлением нитросоединений. Амины проявляют свойства оснований. С кислотами амины образуют соли замещенного аммония. Большое значение имеет реакция аминов с азотистой кислотой. Первичные ароматические амины образуют с ней диазосоединения, имеющие широкое применение в лабораторном и промышленном синтезе. Первичные алифатические амины превращаются HNO 2 в спирты, вторичные – дают нитрозамины, третичные амины с HNO 2 не реагируют. Этой реакцией пользуются для распознавания первичных, вторичных и третичных аминов. Водные растворы алифатических аминов проявляют щелочную реакцию, т.к. при их взаимодействии с водой образуются гидроксиды алкиламмония, аналогичные гидроксиду аммония. Амины, особенно ароматические, легко 56 окисляются на воздухе. В отличие от аммиака, они способны воспламеняться от открытого пламени. Порядок выполнения работы: Обратите внимание! ПТБ № 4, 8, 11 Приборы и реактивы: штатив с пробирками, металлический штатив, спиртовка, спички, асбестированная сетка, газоотводная трубка, пробирка - приемник, химический стакан, гранулы цинка, конц. соляная кислота, нитробензол, анилин, растворы серной кислоты (10 %), бромной воды, гидроксида натрия (10%), свежеприготовленной хлорной извести, вода. Опыт № 1 Получение анилина Маленькую колбочку поставьте в стакан с холодной водой, внесите 1 мл нитробензола, 3-4 гранулы цинка и 1 мл соляной кислоты (конц.). Наблюдается бурное выделение водорода, разогревание и образование осадка гидроксида цинка. После исчезновения запаха нитробензола (5 мин) добавьте к реакционной смеси при встряхивании 8-10 капель раствора щелочи для растворения всего осадка амфотерного гидроксида цинка, что будет гарантией выделения анилина щелочью из хлористоводородной соли. Укрепите колбочку наклонно в лапке штатива, присоедините газоотводную трубку, опустите ее конец в пробирку-приемник, охлаждаемую холодной водой, и проведите отгонку анилина. В приемник быстро переходит 1 -2 мл анилина, он отгоняется вместе с парами воды в виде смеси. При стоянии из отгона выделяется желтоватый маслянистый слой анилина (ρ = 1,03), имеющего своеобразный запах (аммиака). Запишите наблюдения, подтверждая их уравнениями реакций: 1) восстановление нитробензола; 2) образование хлористоводородного анилина; 57 3) взаимодействие анилина со щелочью. Сделайте вывод. Опыт № 2 Свойства анилина а) Растворимость анилина и его солей В пробирку с 1-2 каплями анилина поместите 1 мл воды и встряхните. Обратите внимание на появление эмульсии (помутнение), т.к. анилин плохо растворим в воде. Разлейте смесь на две пробирки и добавьте в одну 2-3 капли раствора хлороводородной кислоты (10 %), до исчезновения эмульсии, во вторую 1-2 капли раствора (10%) серной кислоты при встряхивании до выпадения кристаллического осадка. Запишите наблюдения и уравнения реакций получения хлороводородного анилина и гидросульфата анилина в молекулярном виде. б) Бромирование анилина В пробирку поместите 1 мл бромной воды и 2-3 капли анилиновой воды при встряхивании до образования белого осадка. Для приготовления анилиновой воды в пробирку помещают 10 мл воды и 1 каплю анилина, содержимое энергично перемешивают. Запишите наблюдения и уравнение реакции получения триброманилина. в) Цветная реакция анилина с хлорной известью CaCl(OCl) Поместите в пробирку 1 мл анилиновой воды и добавьте 1 мл раствора свежеприготовленной хлорной извести. Появляется красно-фиолетовое окрашивание, переходящее в синее – качественная реакция на анилин. Запишите наблюдения. Сделайте вывод. Выполните задания: 1. Получите диметилаланин из анилина реакцией Гофмана. 2. Получите пропилаланин из фталимида калия синтезом Габриэляна. 58 Раздел «Гетерофункциональные соединения» Тема «Углеводы» Лабораторная работа № 12 « Свойства углеводов» Цель: исследовать свойства глюкозы как гетерофункционального соединения. Исследовать свойства дисахаридов и полисахаридов. Образовательные результаты, заявленные во ФГОС: Студент должен уметь: применять безопасные приемы при работе с органическими реактивами и химическими приборами; проводить реакции с органическими веществами в лабораторных условиях; знать: строение молекул, физические и химические свойства, способы получения углеводов. Краткие теоретические материалы Углеводы – органические соединения, имеющие сходное строение и свойства, состав которых выражен формулой С n (H 2 O) m. Углеводы – обширный класс органических соединений. Главным образом – это оксиальдегиды, оксикетоны и их производные. Углеводы – природные соединения. Они являются основой жизни растений, входят в состав пищи человека, являются основным источником энергии в процессах жизнедеятельности. Углеводы в зависимости от их строения можно подразделить на моносахариды, дисахариды и полисахариды. В молекулах моносахаридов может содержаться от четырех до десяти атомов углерода. Названия всех групп моносахаридов, а также названия 59 отдельных представителей оканчиваются на - оза. Поэтому в зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды подразделяют на тетрозы, пентозы, гексозы и т. д. Наибольшее значение имеют гексозы и пентозы. Глюкоза C 6 H 12 O 6 , химическое строение глюкозы можно выразить формулой: O // CH 2 OH - CHOH - CHOH - CHOH - CHOH - C \ H Вывод: глюкоза - многоатомный альдегидоспирт. В водном растворе глюкозы находятся в динамическом равновесии три изомерные формы: α-форма, альдегидная и β-форма. К дисахаридам относятся: сахароза (сахар), мальтоза, лактоза. Все они имеют молекулярную формулу С 12 Н 22 О 11 . Часто сведения о строении веществ можно получить путём расщепления - гидролиза молекул. Анализ продуктов гидролиза позволяет обнаружить фруктозу и глюкозу. (Молекулы сахарозы состоят из остатков α-глюкозы и β-фруктозы). Крахмал - полисахарид. Это белый аморфный порошок, не растворимый в воде. В горячей воде крахмальные зёрна набухают и образуют коллоидный раствор, называемый крахмальным клейстером. Крахмал - природное высокомолекулярное соединение, формула (С 6 Н 10 О 5 ) n (n - от нескольких сотен до нескольких тысяч). О строении крахмала можно судить по продуктам его гидролиза. Гидролиз обычно проходит постепенно: в начале образуются продукты с меньшей молекулярной массой, чем крахмал, - декстрины, затем дисахарид - мальтоза и, наконец, глюкоза. Схема гидролиза: (С 6 Н 10 О 5 ) n → (С 6 Н 10 О 5 ) n-x → C 12 H 22 O 11 → C 6 H 12 O 6 Установлено, что в результате гидролиза крахмала образуется α-глюкоза. Порядок выполнения работы: Обратите внимание! ПТБ № 4, 8, 11 60 Приборы и реактивы: штатив с пробирками, лакмус, спиртовка, спички, 10%- ный раствор глюкозы, этанол, аммиачный раствор глюкозы, растворы гидроксида натрия и сульфата меди (II), асбестированная сетка, термостойкий стакан 50 мл, водяная баня, стеклянная палочка, йодная вода, крахмал, сухое молоко, мука, сырой картофель, , белый хлеб, растворы сахарозы, едкого натра, сульфата меди, вода. Опыт № 1 Физические свойства глюкозы Глюкоза – бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворяется в воде и плохо в спирте. Поместите по 0,2 г порошка глюкозы в две пробирки, добавьте в первую 0,5 мл воды, во вторую 0,5 мл этанола, при встряхивании сравните скорость растворения кристаллов. При помощи лакмусовой бумажки определите, какую среду имеет водный раствор глюкозы. Установлено, что в кристаллическом состоянии молекула глюкозы имеет циклическое строение, в водных растворах она существует в различных формах, взаимно превращающихся друг в друга: α-D-глюкопираноза ↔ альдегидная форма ↔ β-D-глюкопираноза циклическая формула проекционная формула циклическая формула Хеуорса Э.Фишера Хеуорса Напишите структурные формулы по приведенной схеме, охарактеризуйте растворимость глюкозы и рН среды. Сделайте вывод. Опыт № 2 Взаимодействие глюкозы со свежеосажденным гидроксидом меди (II) без нагревания (реакция замещения по гидроксильным группам) В пробирку поместите 1 мл раствора щелочи и 1 -2 капли раствора сульфата меди до образования голубого осадка Сu(ОН) 2 . Добавьте 1 мл 61 раствора глюкозы при встряхивании и растворении осадка с получением прозрачного раствора синего цвета. Напишите уравнение реакции образования глюконата меди в молекулярном и структурном виде, дайте название веществам, отметьте окраску осадка и раствора, сделайте вывод. Опыт № 3 Восстановительные свойства глюкозы (реакция окисления по альдегидной группе) а) Взаимодействие глюкозы со свежеосажденным гидроксидом меди(II) при нагревании Полученный в первом опыте синий раствор глюконата меди нагрейте до кипения, держа пробирку наклонно. В измененных условиях глюкоза взаимодействует с гидроксидом меди по альдегидной группе, окисляясь до глюконовой кислоты. Наблюдается появление осадка и переход окраски через зеленую до желтой (СuОН) и далее через оранжевую до кирпично-красной (Cu 2 О). Напишите уравнение реакции в молекулярном и структурном виде, объясните изменение окраски смеси, назовите функциональную группу глюкозы, которая участвует в реакции, дайте название веществам, сделайте вывод. б) Реакция «серебряного зеркала» Внесите в тщательно промытую щелочью и водой пробирку 1 мл аммиачного раствора глюкозы, встряхните, равномерно нагрейте до начала кипения и почернения смеси (лучше нагревать на водяной бане или держа пробирку в стакане с кипящей водой, нужная температура 60-80°С). Далее реакция идет без нагревания, на стенках пробирки выделяется серебро в виде блестящего слоя; если пробирка была не промыта, выпадает черный осадок. Запишите наблюдения, составьте уравнение реакции в молекулярном и структурном виде, дайте название веществам, сделайте вывод. Какое практическое применение имеет данная реакция? 62 Опыт № 4 Свойства сахарозы К 1 мл раствора щелочи прибавьте 1-2 капли раствора сульфата меди до получения осадка гидроксида меди (II) голубого цвета и приливайте при встряхивании раствор сахарозы. Образуется синий прозрачный раствор сахарата меди. Нагревайте пробирку со смесью 1-2 минуты. Красный осадок закиси меди не образуется. Напишите в молекулярном виде уравнение реакции получения сахарата меди (II). Сделайте вывод о наличии в сахарозе свободных альдегидных и гидроксильных групп. Напишите структурную формулу сахарозы и объясните, почему дисахариды такого типа относятся к не восстанавливающим? Опыт № 5 Свойства крахмала Качественная реакция на крахмал с йодом Поместите в одну пробирку щепотку муки, в другую - сухого молока, взболтайте с водой, в третью налейте 4-5 мл приготовленного крахмального клейстера и добавьте во все пробирки 2-3 капли йодной воды. Чистым концом стеклянной палочки перенесите каплю йодной воды на свежесрезанный кусочек сырого картофеля, вареного картофеля, белого хлеба и зелёного яблока. Отметьте появление темно-синего окрашивания (качественная реакция на крахмал) в ряде случаев, запишите наблюдения, сделайте вывод. Учитывая компонентный состав крахмала и форму макромолекул компонентов, сформулируйте причины образования клейстера и изменения окраски йодной воды. Выполните задания: 1. Напишите в молекулярном и структурном виде уравнение реакции восстановления глюкозы до шестиатомного спирта сорбита. 2. Напишите уравнения реакции спиртового, молочнокислого, маслянокислого брожения сахаров. Охарактеризуйте условия протекания и значение. 63 Раздел «Элементы биоорганической химии» Тема «Элементы биоорганической химии» Лабораторная работа № 13 «Свойства белков» Цель: исследовать химические свойства белков. Образовательные результаты, заявленные во ФГОС: Студент должен уметь: применять безопасные приемы при работе с органическими реактивами и химическими приборами; проводить реакции с органическими веществами в лабораторных условиях; знать: строение молекул, физические и химические свойства белков. Краткие теоретические материалы Белки – природные полимеры, состоящие из большого числа остатков α-аминокислот, связанных между собой пептидными связями. Белки – это природные вещества сложного строения, важнейшая составная часть живых организмов, основа процессов их жизнедеятельности. Структурную основу белков составляют пептиды – соединения, состоящие из остатков α-аминокислот, связанных пептидной –С – NH – связью. В состав белка могут входить более 20 аминокислот, по числу аминокислотных остатков белки классифицируют на ди-, три-, тетра- и полипептиды. Белки – высомолекулярные полипептиды, представляют собой сложные биополимеры. Их различают по составу и форме молекул, растворимости и т.п. По форме белки бывают фибриллярные, глобулярные и др. По составу – протеины (простые) и протеиды (сложные). По строению молекулы и способу ее упаковки в пространстве различают четыре структуры белка: первичную – последовательность аминокислотных остатков; вторичную – расположение 64 полипептидной цепи в пространстве; третичную – определяет сворачивание полипептидной цепи в клубки (субъединицы); четвертичную – расположение в пространстве клубков. Белки обладают большой молекулярной массой, растворимые в воде – образуют коллоидные рас- творы. При нагревании или под действием некоторых реактивов (соли тяжелых металлов) они денатури- руют – подвергаются разрушению вторичная, третичная, четвертичная структуры белка при сохранении первичной. При нагревании с водными растворами кислот и щелочей происходит полное разрушение всех структур белка – гидролиз до аминокислот, из остатков которых он был построен. Порядок выполнения работы: Обратите внимание! ПТБ № 8, 9, 11 Приборы и реактивы: штатив с пробирками, асбестированная сетка спиртовка, спички, пробиркодержатель, тигельные щипцы, молоко, мука, формалин, азотная кислота (к), шерстяная нить, растворы яичного белка, метилового оранжевого, гидроксида натрия, сульфата меди, ацетата свинца, фенола, аммиака (к), глицина (1%). Опыт № 1 Амфотерные свойства глицина В пробирку поместите 0,5 мл раствора глицина и добавьте 1 каплю метилового оранжевого (гелиантина). Раствор имеет оранжево-жёлтую окраску, т.к. среда нейтральная. Добавьте 2-3 капли формалина и отметьте появление красной окраски, т.к. среда стала кислой. Напишите: 1) формулу внутренней соли (биполярного иона) глицина; 2) реакцию взаимодействия глицина с формалином. Сделайте вывод о среде раствора глицина. 65 Опыт № 2 Действие на белки химическими реактивами и нагреванием а) Свертывание белков при кипячении. В пробирку поместите 0,5 мл яичного белка и нагрейте до кипения. Содержимое пробирки охладите и попытайтесь растворить его в воде и в щелочи. Хлопья свернувшегося белка нерастворимы в воде, а в щелочи быстро растворяются. Как называется процесс свертывания белков? Какие изменения происходят в структуре белка при нагревании? Какие виды связей сохраняются? Напишите уравнение реакции щелочного гидролиза трипептида произвольного состава. NH 2 - СН - СО - NH - СН - СО - NH - СН - СООН + 2NaOH → R 1 R 2 R 3 б) Осаждение белков В две пробирки налейте по 0,5 мл раствора яичного белка и прибавьте при встряхивании в первую -2 капли раствора сульфата меди (II), во вторую - раствора фенола. Напишите наблюдение. Напишите формулы аминокислот, имеющих в радикалах свободные карбоксильные (моноаминодикарбоновые) и аминогруппы (диаминомонокарбоновые). Сделайте вывод. Опыт № 3 Качественные реакции на белки а) Биуретовая реакция. В три пробирки поместите по 1 мл раствора яичного белка, молока и муки, 0,5 мл раствора щелочи и 1-2 капли сульфата меди (II). Появляется фиолетовое окрашивание. Дипептиды дают синюю окраску, трипептиды - фиолетовую, а тетра - и более сложные пептиды - красную. Реакцию детально исследовал НИ. Гаврилов в 1941 - 48 гг. (Москва). Сделайте вывод. 66 б) Ксантопротеиновая реакция В пробирку поместите 1 мл раствора яичного белка и 2 капли конц. азотной кислоты. Смесь осторожно нагрейте до появления ярко-желтого осадка и охладите. Добавление по каплям концентрированного раствора аммиака вызывает образование оранжевой окраски. Напишите формулы аминокислот, наличие которых обусловливает изменение окраски в данной реакции. Сделайте вывод. в) Горение белков Внесите в пламя шерстяную нитку, держа их тигельными щипцами. Отметьте характерное медленное обугливание белковых веществ с образованием черного хрупкого шарика и распространением специфического запаха паленого пера, жженого волоса. Напишите формулы аминокислот, присутствие которых в кератине волос, шерсти и роговых покровов млекопитающих при горении дает запах жженого волоса. Сделайте вывод. Выполните задания: 1. Какие аминокислоты называют «незаменимыми»? Сколько их существует в природе? Напишите формулы двух незаменимых аминокислот. 2. Какие причины вызывают денатурацию белков? Приведите пример обратимой денатурации. 3. Напишите уравнение реакции синтеза пентапептида состава: цис – лиз - тир - асп - ал. 4. Напишите уравнение реакции гидролиза тетрапептида состава: вал - сер -ф/ал - лей. 67 |