PODSTAWY CHEMII DLA BIOLOGÓW

Transkrypt

1 PODSTAWY CHEMII DLA BIOLOGÓW CHEMIA ORGANICZNA - instrukcje oraz wymagania do ćwiczeń laboratoryjnych I ROK BIOLOGII Białystok 2019

2 HARMONOGRAM zajęć 2018/19 Grupa 4 Czwartek 10:15-13:15 Laboratorium 1100 zajęcia organizacyjne DESTYLACJA Zaliczenie destylacji EKSTRAKCJA Zaliczenie ekstrakcji CHROMATOGRAFIA Zaliczenie chromatografii pracownia zaliczeniowa Postanowienia ogólne 1 p - za wykonanie ćwiczenia 8 p - teoria zaliczenie 15 min na zakończenie zajęć, niezaliczona nie pozwala uczestniczyć w następnych zajęciach tydzień na zaliczenie - poprawa niezaliczonej wejściówki -7 p - poprawa zaliczonej wejściówki -8 p - kolejna poprawa niezaliczonej wejściówki 4 p 1 p - sprawozdanie: na następne zajęcia (spóźnienie o tydzień 0,5 p), nie przepisywać instrukcji. Sprawozdania w zeszytach 16k. (jeden na parę) Poprawiać można do następnych ćwiczeń (konsultacje: środa 10:00-12:00, pok. 1093). Dostęp do wyników online na HASŁO ilość punktów ogółem bhp, wykonanie zaliczenie sprawozdanie ćwiczenia destylacja ekstrakcja chromatografia Punktacja: (zgodna z Uchwałą nr 1/2018 Rady Wydziału Biologiczno-Chemicznego UwB) ocena punkty Ocena uzyskana z tych 3 ćwiczeń z chemii organicznej jest oceną cząstkową. Do ostatecznej oceny brane będą pod uwagę oceny uzyskane z ćwiczeń z chemii nieorganicznej.

3 WYMAGANIA DO ĆWICZEŃ I. Bezpieczeństwo pracy w laboratorium chemii organicznej II. Ogólne wiadomości o technice laboratoryjnej. Szkło stosowane w laboratorium chemii organicznej III. Podstawowe techniki laboratoryjne 1. Destylacja: zasada działania, rodzaje destylacji, zestawy do destylacji prostej i frakcyjnej, zasada działania kolumny rektyfikacyjnej. Zapobieganie przegrzewaniu się cieczy. Krzywa zależności temperatury od ilości destylatu mieszanin dwu- i więcej składnikowych. Zastosowanie i wykorzystanie destylacji. 2. Ekstrakcja: rodzaje ekstrakcji, prawo podziału Nernsta, efekt wysolenia, dobór rozpuszczalników do ekstrakcji, zastosowanie ekstrakcji. 3. Chromatografia: zasada działania, rodzaje chromatografii: cienkowarstwowa i kolumnowa, dobór rozpuszczalników do chromatografii (szereg eluotropowy rozpuszczalników), wykonywanie chromatogramu, rozwijanie i wywoływanie, R f, zastosowanie chromatografii. LITERATURA: 1. Laboratorium chemii organicznej. Techniki pracy i przepisy BHP. Piotr Kowalski. Wydawnictwa Naukowo Techniczne. 2. Ćwiczenia laboratoryjne z chemii organicznej, E. Białecka-Florjańczyk, J. Włostowska, Wydawnictwo SGGW 2013, wyd. VII rozszerzone. 3. Preparatyka i elementy syntezy organicznej. Praca zbiorowa pod red. Jerzego T. Wróbla, wyd. II, PWN, Warszawa Preparatyka organiczna, wyd. III, A.I.Vogel, WNT, Warszawa Preparatyka organiczna. Tłumaczenie zbiorowe z języka niemieckiego pod red. B. Bochwica, PWN, Warszawa 1975.

4 DESTYLACJA Destylacja prosta Do kolby okrągłodennej poj. 250 ml wlać 120 ml mieszaniny acetonu (56ºC) i toluenu (111ºC) i zmontować zestaw do destylacji prostej. Po wrzuceniu porcelanki kolbę ogrzewać i zbierać destylat z szybkością 2-3. krople na sekundę do cylindra miarowego. Zanotować początkową temperaturę oraz temperatury po odebraniu każdych 5 ml destylatu. W opisie ćwiczenia umieścić tabelę z odczytami temperatury oraz wykres zależności temperatury od objętości destylatu. Destylacja frakcyjna Do kolby okrągłodennej o poj. 250 ml wlać 120 ml mieszaniny i zmontować zestaw do destylacji frakcyjnej. Po wrzuceniu kamyczków wrzennych kolbę ogrzewać i zbierać destylat do cylindra miarowego. Zanotować początkową temperaturę oraz temperaturę po zebraniu każdych 5 ml destylatu. W opisie ćwiczenia umieścić tabelkę z odczytami temperatury oraz wykres zależności temperatury od objętości destylatu (zaznaczyć przedgon, frakcje główne, frakcje pośrednie, pogon, oraz temperatury wrzenia składników mieszaniny). Sporządzić wykres temp. wrzenia w funkcji ilości otrzymanego destylatu i porównać wyniki dla destylacji prostej i frakcyjnej.

5 D e s t y l a c j a. Podczas destylacji cieczy może nastąpić jej przegrzanie, to znaczy ogrzanie powyżej temperatury wrzenia. Wówczas, w wyniku wibracji lub obniżenia ciśnienia, zaczyna się spontaniczne wrzenie, zwane potocznie rzucaniem". Dlatego też, podczas destylacji ciecz należy intensywnie mieszać, np. mieszadłem magnetycznym, bądź też dodać kawałeczki kamyczka wrzennego", np. wyprażonego kaolinu. Kaolin należy dodawać do zimnej jeszcze cieczy. Po jednorazowym użyciu kamyczek wrzenny" traci swoje właściwości. Zatężanie cieczy przeprowadza się często w próżniowych odparowywaczach rotacyjnych (rotatorach). Ponieważ operację taką prowadzi się pod zmniejszonym ciśnieniem, urządzenie należy instalować pod wyciągiem lub zaopatrzyć w ochronny ekran.

6 Sprawozdanie 1 DESTYLACJA Destylacja prosta i frakcyjna Wykonanie: skrótowy opis w czasie przeszłym dokonanym (zmontowano, zrobiono itp.) Rysunek odręczny schematyczny z zaznaczeniem i podpisaniem elementów szklanych zestawu do destylacji prostej Rysunek odręczny schematyczny z zaznaczeniem i podpisaniem elementów szklanych zestawu do destylacji frakcyjnej Obserwacje: tabela z wynikami pomiaru oraz wykresy zależności temperatury od objętości destylatu, na wykresie destylacji frakcyjnej należy zaznaczyć frakcje (przedgony, f. właściwe i pogony); krótki komentarz o różnicach pomiędzy destylacjami Wnioski

7 EKSTRAKCJA Ekstrakcja substancji stałych waparacie Soxhleta Aparat Soxhleta służący do ekstrakcji ciągłej substancji stałych gorącym rozpuszczalnikiem pokazano na rys 1. Substancję przeznaczoną do ekstrakcji umieszcza się w gilzie A wykonanej z twardej bibuły filtracyjnej. Gilzę wsuwa się do wewnętrznej rury aparatu B, pod którym montuje się kolbę C wypełnioną rozpuszczalnikiem do ekstrakcji. U góry aparatu montuje się chłodnicę zwrotną D. Kolbę z rozpuszczalnikiem ogrzewa się do osiągnięcia stanu łagodnego wrzenia zawartości. Pary rozpuszczalnika przepływają do chłodnicy, tam skraplają się i zostają zawrócone do gilzy. Po zebraniu takiej porcji rozpuszczalnika w gilzie, że jego górny poziom osiąga wysokość bocznej rurki F, ekstrakt zostaje przelany syfonem do kolby. Proces ten powtarza się automatycznie aż do zakończenia ekstrakcji. Rys. 1. Aparat Soxletha

8 Ekstrakcja jodu z roztworu jodku potasu chlorkiem metylenu Do rozdzielacza o pojemności 100 ml wlać 20 ml roztworu jodu w jodku potasu i ekstrahować 15 ml chlorku metylenu. Po dokładnym wytrząśnięciu pozostawić zawartość do rozdzielenia się warstw. Warstwę organiczną przenieść do erlenmajerki. Ekstrakcję powtórzyć trzykrotnie, obserwując zachodzące zmiany. Porównaj, czy ekstrakcja jednokrotna (45 ml chlorku metylenu), czy trzykrotna ta samą ilością rozpuszczalnika (3 x 15 ml) jest bardziej wydajna. E k s t r a k c j a. Proces ekstrakcji stosowany jest do wydzielania, np. z roztworu wodnego, substancji lepiej rozpuszczającej się w cieczy, niemieszającej się z wodą. Ekstrakcję prowadzi się najczęściej w rozdzielaczach. Podczas mieszania się dwóch ciekłych faz, w rozdzielaczu bardzo często wytwarza się nadciśnienie, w związku z czym, proces należy prowadzić nadzwyczaj ostrożnie, usuwając nadciśnienie z wnętrza naczynia. W tym celu wylot rozdzielacza należy skierować ku górze, najlepiej pod wyciągiem, a następnie ostrożnie wyrównywać ciśnienie, otwierając powoli kurek. Pod żadnym pozorem wylotu rozdzielacza nie można kierować w kierunku laboratorium lub ku sąsiadom. Szczególnie niebezpieczne są ekstrakcje fazy wodnej, zawierającej węglany, rozpuszczalnikami takimi, jak np. chloroform, zawierającymi niewielkie ilości chlorowodoru. Tworzy się wówczas dwutlenek węgla, a powstałe nadciśnienie może wyrzucić na zewnątrz zawartość rozdzielacza. Tego typu ekstrakcje bezpieczniej jest prowadzić w otwartym naczyniu, w którym miesza się obydwie ciecze do chwili, aż przestanie wydzielać się gaz. Następnie zawartość naczynia przelewa się do rozdzielacza w celu oddzielenia faz. Podczas ekstrakcji należy zakładać okulary i jednorazowe rękawice ochronne.

9 Sprawozdanie 2 EKSTRAKCJA 1) Ekstrakcja w aparacie Soxletha Wykonanie: skrótowy opis w czasie przeszłym dokonanym (zmontowano, zrobiono itp.) Co było ekstrahowane? Jakim rozpuszczalnikiem? Rysunek odręczny schematyczny z zaznaczeniem i podpisaniem elementów szklanych zestawu do ekstrakcji w aparacie Soxletha Obserwacje Wnioski 2) Ekstrakcja jodu z roztworu jodku potasu Wykonanie: skrótowy opis w czasie przeszłym dokonanym (zmontowano, zrobiono itp.). Rysunek odręczny rozdzielacza. Obserwacje: porównanie ekstrakcji 1- i 3-krotnej Wnioski

10 CHROMATOGRAFIA Chromatografia cienkowarstwowa I. Rozdzielanie aminokwasów 1) Przygotowanie komory chromatograficznej. Do komory chromatograficznej wyłożonej bibułą nalewa się mieszaninę rozpuszczalników: propan-1-ol amoniak (7:3) (układ rozwijający), aby grubość warstwy wyniosła 0,5 cm. Komorę zamknąć i odstawić na kilkanaście minut celem nasycenia komory parami rozpuszczalników. 2) Przygotowanie chromatogramu. Na płytce chromatograficznej zaznaczyć delikatnie ołówkiem linię startu w odległości 1 cm od brzegu wzdłuż krótszego boku płytki. 3) Nanoszenie substancji. Za pomocą cienkiej kapilary na linii startu w równych odległościach nanieść kolejne roztwory wzorcowe aminokwasów i ich mieszaninę. Plamki można suszyć ostrożnie strumieniem powietrza. Roztwory do nanoszenia: I DL-alanina II L-leucyna III L-lizyna IV mieszanina aminokwasów 4) Rozwijanie chromatogramu. Płytkę włożyć do uprzednio przygotowanej komory chromatograficznej tak, aby dolna krawędź była w momencie zanurzenia możliwie równoległa do powierzchni cieczy w komorze. Należy zwrócić uwagę aby krawędzie boczne nie dotykały ścian komory, gdyż powoduje to nierównomierne wznoszenie się rozpuszczalnika na wysokość około 0,5 cm od góry. Płytkę należy następnie wyjąć, zaznaczyć linię czoła rozpuszczalników i wysuszyć dokładnie suszarką.

11 5) Wywołanie chromatogramu. Wysuszoną płytkę zanurzyć w roztworze ninhydryny i wypalić plamki nagrzewnicą. Zaznaczyć plamki odpowiednich aminokwasów. 6) Opis ćwiczenia - rysunek wykonanego chromatogramu - wartość R f otrzymanych plamek II. Rozdzielanie izomerów nitroaniliny Wykonać analogicznie jak przy rozdziale aminokwasów. Jako układ rozwijający: benzen/octan etylu (4:1) Roztwory do nanoszenia: I o-nitroanilina II m-nitroanilina III p-nitroanilina IV mieszanina wszystkich izomerów Rys. 1. Chromatografia cienkowarstwowa

12 III. Badanie składu barwników roślin zielonych W skład barwnika roślin zielonych wchodzą chlorofile: a i b, oraz karotenoidy: karoten i ksantofil. Rys. 2. Budowa chemiczna dwóch najbardziej rozpowszechnionych form chlorofilu H 3 C CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C R R CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C CH 3 R = H -karoten R = OH ksantofil Wykonanie: Rys. 3. β-karoten i ksantofil barwy jesieni Zielone liście uciera się w moździerzu z odrobiną piasku (w celu łatwiejszego zniszczenia tkanek komórkowych) i kilkoma kroplami acetonu, a następnie za pomocą kapilary nanosi na płytkę i rozwija w układzie aceton-toluen 1:2. Próbkę należy nanosić kilkakrotnie w tym samym miejscu, zachowując jednocześnie małą średnicę plamki. Po rozwinięciu należy szybko analizować, gdyż barwniki łatwo blakną. Plamki obu chlorofili są blisko siebie, wyraźnie natomiast oddziela się od nich karoten i ksantofil.

13 Chromatografia kolumnowa Na dnie kolumny chromatograficznej umieszczamy niewielką ilość waty, następnie napełniamy silikażelem do 3/4 wysokości. Na tak przygotowaną kolumnę wprowadzamy od 1 cm 3 mieszaniny barwników. Chromatografię prowadzimy dodając kolejno następujące eluenty: - octan etylu - mieszanina etanolu i acetonu w stosunku 1:4. Rozdzielone roztwory barwników zbieramy do osobnych kolbek. W opisie ćwiczeń podać barwę mieszaniny substancji, przebieg chromatografii oraz barwy substancji wchodzących w skład mieszaniny. Rys. 4. Zestaw aparatury do chromatografii kolumnowej

14 Sprawozdanie 3 CHROMATOGRAFIA 1) Chromatografia cienkowarstwowa (TLC) a) Rozdzielanie aminokwasów Wykonanie: skrótowy opis w czasie przeszłym dokonanym (zrobiono itp.), jakie substancje były naniesione na TLC? Jaki układ został zastosowany do rozwinięcia chromatogramu? Jaki wywoływacz zastosowano? Obserwacje: wkleić TLC, zinterpretować chromatogram (polarność substancji, jakie substancje są w mieszaninie), obliczyć Rfy Wnioski b) Rozdzielanie izomerów nitroaniliny Wykonanie: skrótowy opis w czasie przeszłym dokonanym (zrobiono itp.), jakie substancje były naniesione na TLC? Jaki układ został zastosowany do rozwinięcia chromatogramu? Jaki wywoływacz zastosowano? Obserwacje: wkleić TLC, zinterpretować chromatogram (polarność substancji, jakie substancje są w mieszaninie), obliczyć Rfy Wnioski c) Badanie składu roślin zielonych Wykonanie: skrótowy opis w czasie przeszłym dokonanym (zrobiono itp.) w jaki sposób otrzymano substancję do naniesienia na TLC? Jaki układ został zastosowany do rozwinięcia chromatogramu? Jaki wywoływacz zastosowano? Obserwacje: wkleić TLC, zinterpretować chromatogram (jakie substancje w mieszaninie) Wnioski 2) Chromatografia kolumnowa Wykonanie: skrótowy opis w czasie przeszłym dokonanym (zmontowano, zrobiono itp.), jaka substancja była rozdzielana? Jaki układ rozpuszczalników został zastosowany. Obserwacje: kolejność schodzenia barwników (kolory i polarność, jaki barwnik przy jakim układzie) Wnioski