Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кемеровский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации Кафедра фармацевтической и общей химии Котова Т. В., Пинчук Л. Г. ХИМИЯ БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Рабочая тетрадь для обучающихся по основной профессиональной образовательной программе высшего образования – программе специалитета по специальности 31.05.01 «Лечебное дело» Кемерово 2024 УДК 54(075.8) ББК 24я73 К 736 Котова, Т. В. Химия. Биоорганическая химия : рабочая тетрадь для обучающихся по основной профессиональной образовательной программе высшего образования – программе специалитета по специальности 31.05.01 «Лечебное дело» / Т. В. Котова, Л. Г. Пинчук. − Кемерово, 2024. – 97 с. В рабочей тетради изложено описание учебного эксперимента (методика лабораторных опытов) и задания, позволяющие закрепить теоретический материал на основании выполненных опытов. Рабочая тетрадь по дисциплине «Химия» составлена в соответствии с ФГОС ВО по специальности 31.05.01 «Лечебное дело», квалификация «Врач-лечебник», утвержденным приказом Министерства образования и науки Российской Федерации № 988 от «12» августа 2020 г. (рег. в Министерстве юстиции РФ № 59493 от 26.08.2020 г.) и рабочей программой по дисциплине «Химия». Предназначена для обучающихся по основной профессиональной образовательной программе высшего образования – программе специалитета по специальности 31.05.01 «Лечебное дело». Содержит методики выполнения лабораторных работ, вопросы и задания, базирующиеся на знании теоретического материала, что способствует закреплению у обучающихся практических умений и навыков. Авторы: Котова Татьяна Вячеславовна – д-р техн. наук, доц., проф. кафедры фармацевтической и общей химии ФГБОУ ВО КемГМУ Минздрава России; Пинчук Людмила Григорьевна – д-р с.-х. наук, проф., проф. кафедры фармацевтической и общей химии ФГБОУ ВО КемГМУ Минздрава России. Рецензенты: Пеганова Юлия Александровна – канд. биол. наук, доц. кафедры медицинской биохимии ФГБОУ ВО КемГМУ Минздрава России; Танцерева Ирина Герасимовна – канд. фарм. наук, доц., доц. кафедры фармации ФГБОУ ВО КемГМУ Минздрава России. Рекомендовано Центральным методическим советом Кемеровского государственного медицинского университета в качестве рабочей тетради для обучающихся по основной образовательной программе высшего профессионального образования – программе специалитета по специальности 31.05.02 «Педиатрия», протокол № 4 от 24.04.2024 г. ©ФГБОУ ВО КемГМУ Минздрава России, 2024 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………. 8 ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ …………………………………………… 10 ИОННЫЕ (ЭЛЕКТРОФИЛЬНЫЕ, НУКЛЕОФИЛЬНЫЕ), РАДИКАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕАКЦИЙ ………………………………. 13 Реакции электрофильного присоединения (AE) и замещения (SE) Опыт 1. Получение этилена и изучение его свойств ……………………….. 13 Опыт 2. Окисление боковых цепей гомологов бензола …………………….. 14 Опыт 3. Реакция замещения атомов водорода в феноле бромом …………... 15 Реакции нуклеофильного замещения (SN) и присоединения (AN) Опыт 4. Получение этилхлорида (хлорэтана) из этилового спирта ……….. 16 Опыт 5. Реакции окисления этилового спирта ……………………………… 17 5.1. Окисление хромовой смесью …………………………………………. 17 5.2. Окисление перманганатом калия в кислой среде …………………… 17 Опыт 6. Дезинфицирующее действие формалина (40 % раствор формальдегида) ……………………………………………………………….. 18 Опыт 7. Реакция диспропорционирования формальдегида в водных растворах ……………………………………………………………………….. 18 Опыт 8. Окисление альдегидов и кетонов под влиянием сильных окислителей ……………………………………………………………………. 19 Опыт 9. Окисление формальдегида и ацетона щелочными растворами оксидов тяжелых металлов (слабыми окислителями) ………………………. 20 9.1. Окисление гидроксидом диамминсеребра (реакция Толленса или «серебряное зеркало») ………………………………………………………. 20 9.2. Окисление гидроксидом меди (II) (реакция Троммера или «медное зеркало») ……………………………………………………………………… 20 Опыт 10. Реакция открытия ацетона переводом в йодоформ («йодоформная проба») ……………………………………………………….. 3 21 Опыт 11. Реакции солеобразования карбоновых кислот …………………… 22 Опыт 12. Реакция открытия уксусной кислоты …………………………….. 22 Опыт 13. Восстановительные свойства муравьиной кислоты …………….. 23 13.1. Окисление перманганатом калия …………………………………… 23 13.2. Окисление гидроксидом диамминсеребра (реакция «серебряного зеркала») ………………………………………………………………………. 24 Опыт 14. Реакция получения сложных эфиров (реакция этерификации) …. 25 Кислотно-основные свойства органических соединений Опыт 15. Кислотный характер фенола ………………………………………. 26 Опыт 16. Антисептические свойства фенола ………………………………... 27 Опыт 17. Цветные реакции на фенольную группу ………………………….. 27 17.1. Цветная реакция комплексообразования с хлоридом железа (ІІІ) 27 17.2. Индофеноловая проба ……………………………………………… 28 Опыт 18. Реакция получения глицерата меди ……………………………….. 29 Опыт 19. Кислотные свойства карбоновых кислот …………………………. 30 Опыт 20. Реакция открытия щавелевой кислоты в виде кальциевой соли ... 31 ЛИПИДЫ ……………………............................................................................ 33 Опыт 1. Реакция изомеризации олеиновой кислоты (демонстрационный опыт) …………………………………………………………………………… 33 Опыт 2. Реакция окисления олеиновой кислоты перманганатом калия …... 34 Опыт 3. Реакция выделение свободных жирных кислот из мыла …………. 35 Опыт 4. Реакция на непредельные жирные кислоты ……………………….. 36 Опыт 5. Реакция образования нерастворимых кальциевых солей жирных кислот ………………………………………………………………………….. 36 Опыт 6. Определение йодного числа жиров и масел ……………………….. 37 6.1. Определение йодного числа (по методике ГФ XIV) ………………… 37 6.2. Определение йодного числа (методика II) …………………………… 38 Опыт 7. Реакция окисления терпенов перманганатом калия ………………. 40 Опыт 8. Реакция активирования кислорода терпенами …………………….. 40 4 ГЕТЕРОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ (ГИДРОКСИ-, ОКСОКИСЛОТЫ, ФЕНОЛОКИСЛОТЫ, АМИНОСПИРТЫ) ..…………… 42 Опыт 1. Реакция идентификации винной кислоты как двухосновной карбоновой кислоты …………………………………………………………... 42 Опыт 2. Реакция идентификации винной кислоты как двухатомного спирта …………………………………………………………………………... 43 Опыт 3. Реакция разложения молочной кислоты серной кислотой ………... 44 Опыт 4. Реакция разложения лимонной кислоты …………………………… 45 Опыт 5. Доказать отсутствие свободного фенольного гидроксила в аспирине и гидролиз аспирина ……………………………………………….. 47 АМИНОКИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ. БЕЛКИ ………………………………….. 49 Опыт 1. Реакция образования внутренней соли глицина …………………... 49 Опыт 2. Реакция глицина с формальдегидом (связывание аминогруппы формальдегидом с образованием N-метилиденового производного (азометина) …………………………………………………………………….. 50 Опыт 3. Реакция глицина с азотистой кислотой (на первичную аминогруппу) …………………………………………………………………... 51 Опыт 4. Реакция образование комплексной соли меди (II) с глицином …… 52 Опыт 5. Амфотерные свойства α-аланина …………………………………… 53 Опыт 6. Биуретовая реакция на пептидную связь …………………………... 54 Опыт 7. Качественная реакция на ароматические аминокислоты свободные и в составе белков (ксантопротеиновая реакция) ………………. 56 Опыт 8. Качественная реакция на присутствие в белках α-аминокислот, содержащих слабо связанную серу (серосодержащих цистеин и цистин, реакция Фоля) ………………………………………………………………….. 57 ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ………………………………….. 59 Опыт 1. Растворимость пиридина и его основной характер ……………….. 59 Опыт 2. Реакция образования комплексного соединения пиридином с 60 5 ионом меди (II) ………………………………………………………………… Опыт 3. Отношение пиридина к окислению ………………………………… 60 Опыт 4. Растворимость мочевой кислоты и её натриевой соли в воде ……. 61 Опыт 5. Реакция открытия (качественной идентификации) мочевой кислоты (мурексидная проба) ………………………………………………… 63 Опыт 6. Реакция образования труднорастворимой аммониевой соли мочевой кислоты ………………………………………………………………. 64 Опыт 7. Реакции антипирина с азотистой кислотой ………………………... 65 Опыт 8. Реакция образования тиохрома из витамина В1 (тиамина) ……….. 66 Опыт 9. Реакции на витамин В2 (рибофлавин) ……………………………… 67 9.1. Реакция с концентрированной серной кислотой …………………….. 67 9.2. Реакция с нитратом серебра …………………………………………… 68 9.3. Реакция восстановления рибофлавина ……………………………….. 69 Опыт 10. Реакции на витамины В3 (ниацин, никотиновая кислота и никотинамид) ………………………………………………………………….. 70 10.1. Реакция с ацетатом меди (II) …………………………………………. 70 10.2. Реакция с сульфатом меди (II) ……………………………………….. 70 10.3. Реакция восстановления гидросульфитом натрия …………………. 71 10.4. Реакция обнаружения аминогруппы в никотинамиде ……………... 72 Опыт 11. Качественные реакции на витамин В6 (пиридоксин) …………….. 73 11.1. Реакция с хлоридом железа (III) (феррохлоридная проба) ………... 74 11.2. Реакция осаждения витамина В6 фосфорномолибденовой кислотой (общеалколоидными реактивами) ……………………………………………. 75 УГЛЕВОДЫ: МОНО-, ДИ- И ПОЛИСАХАРИДЫ .………………………… 76 Опыт 1. Реакция глюкозы как многоатомного спирта ……………………… 76 Опыт 2. Восстановление гидроксида меди (II) глюкозой …………………... 77 Опыт 3. Восстановление гидроксида диаминсеребра глюкозой и фруктозой (реакция серебряного зеркала) …………………………………... 78 Опыт 4. Реакция Селиванова на фруктозу …………………………………... 79 6 Опыт 5. Изучение отсутствия восстанавливающей способности у сахарозы ………………………………………………………………………... 80 Опыт 6. Гидролиз сахарозы …………………………………………………... 81 Опыт 7. Кислотный гидролиз крахмала ……………………………………... 82 НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. КОФЕРМЕНТЫ …………………………… 84 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………….. 89 ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………….. 90 Приложение А Электронные эффекты заместителей ………………………. 91 Приложение Б Некоторые функциональные группы и соответствующие классы органических соединений …………………………………………… 92 Приложение В Стандартные окислительно-восстановительные (редокс-) потенциалы (φ°) редокс-пар ………………………………………………….. 93 Приложение Г Кислотные и основные свойства биоорганических соединений ……………………………………………………………………. 94 Приложение Д Высшие жирные карбоновые кислоты …………………….. 95 Приложение Е Значение йодные числа некоторых жиров и масел ………... 96 Приложение Ж Кислотно-основные свойства белковых аминокислот ……. 97 7 ВВЕДЕНИЕ Химия – одна из фундаментальных наук и важный инструмент исследования и познания процессов в живых системах, поэтому лабораторные работы по химии, являются важным этапом учебного процесса, позволяющим совершенствовать теоретическую и практическую подготовку обучающихся. Основной целью изучения дисциплины «Химия» является способность осуществлять критический анализ проблемных ситуаций на основе системного подхода, вырабатывать стратегию действий (УК-1). Освоение дисциплины «Химия» формирует у обучающихся системные знания о строении и механизмах функционирования биологически активных соединений; об основных физико-химических закономерностях протекания биохимических процессов (в норме и патологии) на молекулярном уровне; естественно-научное мышление специалистов медицинского профиля. Задачи: – стимулирование интереса к выбранной профессии при формировании у обучающихся представлений о физико-химических аспектах важнейших биохимических процессов и различных видах гомеостаза в организме; – формирование знаний о свойствах веществ органической и неорганической природы; свойствах растворов, различных видов равновесий химических реакций и процессов жизнедеятельности; механизмах действия буферных систем организма, их взаимосвязи и роли в поддержании кислотно-основного гомеостаза; особенностях кислотно-основных свойств биологически активных веществ; – формирование знаний о закономерностях протекания физико- химических процессов в живых системах с точки зрения их конкуренции, возникающей в результате совмещения равновесий разных типов; роли биогенных элементов и их соединений в живых системах; физико-химических основах поверхностных явлений и факторах, влияющих на свободную поверхностную энергию; особенностях адсорбции на различных границах разделов фаз; осо8 бенностях биологического функционирования дисперсных систем; – формирование у обучающихся практических умений постановки и выполнения экспериментальной работы. Рабочая тетрадь для обучающихся составлен в соответствии с ФГОС ВО по основной профессиональной образовательной программе высшего образования – программе специалитета по специальности 31.05.01 «Лечебное дело», утвержденным приказом Министерства образования и науки Российской Федерации № 988 от «12» августа 2020 г. (рег. в Министерстве юстиции РФ № 59493 от 26.08.2020 г.) и рабочей программой по дисциплине «Химия». 9 ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ При работе в химической лаборатории необходимо знать и соблюдать следующие правила: – все работы в химической лаборатории проводить в специальной одежде (халатах); – на рабочих столах не должно быть посторонних предметов. Работать можно только с исправным оборудованием и приборами; – лабораторную работу можно начинать только после изучения методики и ознакомления с правилами работы на соответствующих приборах. Проводить опыты, только предусмотренные в соответствующем руководстве; – склянки с реактивами держать закрытыми; – опыты с легко воспламеняющимися веществами проводить вдали от огня; с летучими, ядовитыми и сильно пахнущими веществами – в вытяжном шкафу. При разбавлении концентрированных кислот необходимо вливать осторожно кислоту в воду небольшими порциями, не наоборот; – при нагревании растворов в пробирке, необходимо пользоваться держателем, отверстие пробирки направлять в сторону от работающего и соседей по рабочему столу; в случае нагревания реакционной смеси на плитке, спиртовке, использовать посуду со знаком термостойкости; – со стеклянной посудой и приборами следует обращаться бережно и осторожно. Осколки разбитой посуды убирать с помощью веника и совка; – после выполнения опытов необходимо тщательно вымыть руки. В лаборатории запрещается принимать пищу. В конце занятия дежурный проверяет порядок на рабочих местах, закрывает водопроводные краны, выключает электроприборы. 10 Оказание первой помощи Перевязочные средства (вата, бинт, лейкопластырь), растворы и необходимые медикаменты находятся в аптечке в лаборантской. При порезах стеклом удалить пинцетом кусочки стекла из раны. Затем смазать рану спиртовым раствором йода и наложить повязку. При сильном кровотечении, связанном с ранением более крупных сосудов, временно перетянуть руку эластичным жгутом выше раны. При попадании на кожу (рук, лица и т.д.) кислот немедленно промыть обожженное место большим количеством проточной воды, обработать 1 % раствором гидрокарбоната натрия (соды), а затем наложить компресс из ваты или марли, смоченной этим раствором. При сильных ожогах, после оказания первой помощи, обратиться к врачу. При ожоге кожи растворами щелочей промывать водой до тех пор, пока кожа не перестанет быть скользкой на ощупь, после чего наложить компресс из ваты, смоченной 2 % раствором борной кислоты. При попадании брызг кислоты или щелочи в глаза немедленно промыть поврежденный глаз большим количеством воды и обратиться к врачу. При отравлении хлором, бромом, сероводородом, оксидом углерода (II) немедленно вывести пострадавшего на воздух и одновременно обратиться к врачу. Правила работы с химическими реактивами Реактивы, используемые в лабораторном практикуме, должны храниться в склянках с притертой пробкой. На склянках должны быть этикетки с указанием названия реактива и степени его чистоты. Растворы реактивов, используемые в лабораторном практикуме, необходимо: предохранять от загрязнений, расходовать экономно, закрывать своими пробками, использовать по назначению, в соответствии с методикой лабораторного опыта. Отработанные растворы (кислоты, щелочи, органические вещества) необходимо слить в специальную склянку, находящуюся в вытяжном шкафу. Ис11 пользуемое оборудование – вернуть на место (в лоток, под тягу, на полку лабораторного стола). Химическая посуда, используемая в лаборатории Химическая посуда делится на стеклянную и фарфоровую. Основные требования, предъявляемые к стеклянной посуде: – химическая устойчивость – это свойство стекла противостоять разрушающему действию растворов щелочей, кислот и других веществ; – термическая устойчивость – способность посуды выдерживать резкие колебания температуры. По назначению химическая посуда делится на: 1. Общего назначения (используется для выполнения нескольких химических операций): пробирки, стаканы, плоскодонные, конические и круглодонные колбы, колбы Вюрца (круглодонные с газоотводной трубкой), кристаллизаторы, воронки, часовые стекла, бюксы; 2. Мерная посуда: цилиндры, мензурки, пипетки Мора и градуированные пипетки, мерные колбы; 3. Посуда специального назначения: бюретки, аппарат Киппа, установка для фильтрования под вакуумом, состоящая из колбы Бунзена, воронки Бюхнера, склянки-ловушки и водоструйного насоса; 4. Посуда из фарфора и других материалов: шпатели, ступки, выпарительные чашки, тигли. 12 ИОННЫЕ (ЭЛЕКТРОФИЛЬНЫЕ, НУКЛЕОФИЛЬНЫЕ), РАДИКАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕАКЦИЙ ЗАНЯТИЕ 9 Дата Цель занятия: изучение механизмов радикальных, электрофильных и нуклеофильных реакций, кислотности и основности, а также реакционной способности гомо- и полифункциональных биоорганических соединений. РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ (AE) И ЗАМЕЩЕНИЯ (SE) Опыт 1. Получение этилена и изучение его свойств В пробирку поместить 0,5 мл этанола, добавить 8-10 капель концентрированной серной кислоты и с помощью стеклянной палочки немного оксида алюминия в качестве катализатора. Дополнительно в две другие пробирки внести по 1 мл в одну 0,1 % раствор перманганата калия, в другую – бромную воду. Пробирку со смесью этанола и серной кислоты закрыть пробкой с газоотводной трубкой и нагреть смесь (осторожно, кислота!) на пламени спиртовки. Не прекращая нагревания, погрузить газоотводную трубку сначала в раствор перманганата калия, а затем в бромную воду. Не прекращая нагревать смесь, поджечь газообразный этилен у конца газоотводной трубки. 1) Наблюдения реакций внести в таблицу: КMnO4 Добавляемые реагенты Br2 наблюдаемый эффект горение [O] тип реакции по направлению (или конечному продукту) 13 2) Написать уравнения реакций и назвать продукты реакции по международной номенклатуре (МН, номенклатура ИЮПАК): – получения этилена из этанола, указать тип реакции по направлению (или конечному продукту): Тип реакции по направлению: – окисления этилена перманганатом калия: Тип реакции по направлению: – взаимодействия этилена с бромом (Приложение А): Тип реакции по направлению: – горения (жёсткое окисление) этилена Тип реакции по направлению: Опыт 2. Окисление боковых цепей гомологов бензола В пробирку с 0,5 мл воды поместить 2 капли 2 % раствора перманганата калия и 2 капли 10 % раствора серной кислоты. Добавить 0,5 мл (7-10 капель) толуола и, постоянно встряхивая, осторожно нагреть. 1) Отметить наблюдение и объяснить, чем они обусловлены: 14 2) Написать уравнения реакций окисления толуола, назвать продукт реакции и класс, к которому относится данное соединение (Приложение Б): Опыт 3. Реакция замещения атомов водорода в феноле бромом В пробирку внести несколько капель прозрачной фенольной воды и добавить по каплям бромной воды до образования белого объёмного осадка – трибромфенола. 1) Объяснить, чем обусловлено образование осадка: 2) Написать уравнения реакций бромирования фенола, назвать продукт реакции, тип реакции по направлению (или конечному продукту): Тип реакции по направлению: 15 Вывод: (Объяснить, почему данные реакции протекают по электрофильному механизму?) РЕАКЦИИ НУКЛЕОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ (SN) И ПРИСОЕДИНЕНИЯ (AN) Опыт 4. Получение этилхлорида (хлорэтана) из этилового спирта В пробирку поместить 2 лопаточки кристаллического хлорида натрия, прилить 8-10 капель этанола и 4-5 капель концентрированной серной кислоты. Пробирку закрыть пробкой с газоотводной трубкой и осторожно нагреть на пламени спиртовки. Поджечь выделяющийся хлорэтан у отверстия газоотводной трубки при горении которого образуется кольцо зеленого цвета. Реакция протекает во времени (т.е. образование хлорэтана начинается не сразу). 1) Написать уравнения реакций получения хлорэтана и его окисления при горении, типы реакций по направлению (конечному продукту): Тип реакции по направлению: 2) Какую роль в данной реакции играет серная кислота? 16 Опыт 5. Реакции окисления этилового спирта 5.1. Окисление хромовой смесью В пробирку поместить 5 капель этанола, добавить 2 капли 10 % раствора серной кислоты и 5 капель 5 % раствора дихромата калия. Полученный оранжевый раствор нагреть над пламенем спиртовки, пока раствор не начнет приобретать синевато-зеленую окраску. Одновременно ощущается характерный запах уксусного альдегида, напоминающий запах яблочной эссенции. Внести 2-3 капли полученного раствора в другую пробирку с 5 каплями фуксинсернистой кислоты (реактив Шиффа). Появляется розово-фиолетовое окрашивание (цветная реакция на альдегид). 5.2. Окисление перманганатом калия в кислой среде В пробирку поместить 5 капель этанола, 5 капель 10 % раствора перманганата калия и добавить 5-7 капель 10 % раствора серной кислоты. Слегка нагреть пробирку над пламенем спиртовки до обесцвечивания розового окрашивания раствора. 1) Написать уравнения реакций, назвать продукты, образующиеся при этом: 5.1. 5.2. 17 Опыт 6. Дезинфицирующее действие формалина (40 % раствор формальдегида) На предметное стекло нанести несколько капель раствора яичного белка и добавить 2-3 капли формалина (40 % раствора формальдегида), отметить изменения, происходящие с белком через несколько минут. Постепенно при стоянии образуется осадок белка (белок денатурирует, что приводит к гибели микроорганизмов и лежит в основе дезинфицирующее действие формалина). 1) Написать структурную формулу формальдегида, указать к какому классу органических соединений относится, функциональную группу: Опыт 7. Реакция диспропорционирования формальдегида в водных растворах Поместить в пробирку 7-10 капли 40 % водного раствора формальдегида (формалина). Добавить 2-3 капли 0,2 % раствора индикатора метилового красного, диапазон изменения окраски которого лежит в интервале рН 4,2-6,2 с изменение окраски от красной к желтой. Раствор приобретает красное окрашивание, что указывает на кислую реакцию среды. 1) Записать уравнения протекающей реакции, назвать образующиеся соединения, к каким классам они относятся, выделить функциональные группы: 18 2) Указать механизм реакции диспропорционирования формальдегида по направлению (конечному продукту): . Опыт 8. Окисление альдегидов и кетонов под влиянием сильных окислителей В двух пробирках приготовить подкисленный раствор перманганата калия (0,5 мл 2 % раствора перманганата калия и 4-5 капель 10 % раствора серной кислоты). Затем в одну из пробирок добавить 5-6 капель формалина, в другую 5-6 капель ацетона. Полученные растворы нагреть на водяной бане. 1) Наблюдаемые изменения внести в таблицу и объяснить, чем они обусловлены (за счет какой функциональной группы идут) (Приложение Б): Формальдегид Ацетон наблюдаемый эффект реакции реакция обусловлена: 2) Записать уравнения протекающих реакций и назвать образующиеся соединения, их класс и функциональные группы: 19 Опыт 9. Окисление формальдегида и ацетона щелочными растворами оксидов тяжелых металлов (слабыми окислителями) 9.1. Окисление гидроксидом диамминсеребра (реакция Толленса или «серебряное зеркало») В две чистые сухие пробирки поместить по 7-10 капель 5 % раствора нитрата серебра и по 7-10 капель 10 % раствора гидроксида натрия. К полученному бурому осадку гидроксида серебра добавить по каплям 10 % водный раствор аммиака до полного растворения осадка. В растворе аммиака гидроксид серебра образует комплексное соединение (гидроксид диамминсеребра), известное как реактив Толленса: AgNO3 + NaOH → Ag2O + NaNO3 + H2O; Ag2O + NH3 + H2O → [Ag(NH3)2]OH. Затем в первую пробирку внести 5-7 капель 40 % раствора формальдегида (формалина), а во вторую 5-7 капель ацетона. В первой пробирке образуется осадок черного цвета, который при осторожном нагревании может выделиться на стенках пробирки в виде блестящего зеркального налёта – реакция «серебряного зеркала». Во второй пробирке выпадение осадка не наблюдается. 9.2. Окисление гидроксидом меди (II) (реакция Троммера или «медное зеркало») В каждую из двух пробирок поместить по 5 капель 10 % раствора гидроксида натрия и воды, добавить по 3-5 капли 2 % раствора сульфата меди (II). К выпавшему осадку гидроксида меди (II) прибавить в первую пробирку 3-4 капли формалина, во вторую 3-4 капли ацетона. Пробирки нагреть (осторожно!) до кипения. В первой пробирке осадок приобретает сначала желтую окраску, затем красную, если пробирка очень чистая, то на её стенках может выделиться металлическая медь («медное зеркало»). 1) Записать уравнения реакции окисления формальдегида в реакции 9.1 и 9.2, назвать образующиеся соединения 20 9.1. 9.2. 2) Вступает ли в данные реакции окисления ацетон. Ответ пояснить (указать условия и особенности окисления кетонов по сравнению с альдегидами): Опыт 10. Реакция открытия ацетона переводом в йодоформ («йодоформная проба») В пробирку поместить 1 мл (20 капель) ацетона и 0,5 мл (10 капель) 2 % раствора гидроксида натрия, затем по каплям добавить раствор йода в йодиде калия до появления жёлтого осадка с резким характерным запахом: I2 + 2NaOH → NaOI + NaI + H2O; 3NaOI + CH3COCH3 → I3C–CO–CH3 + 3NaOH; I3C–CO–CH3 + NaOH → CHI3 + CH3COONa. йодоформ натрия ацетат 21 1) Какая функциональная группа в органических соединениях обуславливает данную реакцию? 2) Этанол вступает в данную реакцию? Опыт 11. Реакции солеобразования карбоновых кислот В одну пробирку поместить маленький кусочек карбоната кальция (СаСО3, мела) в другую – пластинку цинка, к содержимому обеих пробирок прилить по 1-2 мл раствора уксусной кислоты. 1) Отметить наблюдения: 1 пробирка (мел – CaCO3) _____________________________________________, 2 пробирка (цинк – Zn) ________________________________________________. 2) Написать уравнения протекающих реакций и назвать образующиеся продукты, их класс (Приложение Б): Опыт 12. Реакция открытия уксусной кислоты В пробирку поместить по 5 капель уксусной кислоты и воды. Определить рН по лакмусу (или универсальному индикатору). К раствору прибавить 4-5 капель 10 % раствора гидроксида натрия до полной нейтрализации уксусной кислоты. После этого добавить 4-5 капель 1 % раствора хлорида железа (III). Появляется жёлто-красное окрашивание ацетата железа (III). Нагреть раствор до кипения на спиртовке. При этом появляется краснобурый осадок нерастворимой основной соли – ацетата гидроксожелеза (III) – 22 (СН3СОО)3FeОН. Получающийся над ним раствор, не содержащий ионов железа, становится бесцветным: CH3COO– + Fe3+ + H2O t° –CH3COOH [Fe3(OH)2(CH3COO)6]+ → (CH3COO)2FeOH↓ гидроксид диацетата железа 1) Какой процесс (реакция) лежит в основе образования ацетата гидроксожелеза (III) – (СН3СОО)3FeОН: Опыт 13. Восстановительные свойства муравьиной кислоты 13.1. Окисление перманганатом калия Поместить в первую пробирку 5-6 капель муравьиной кислоты, 2 капли 10 % раствора серной кислоты и 5 капель 2 % раствора перманганата калия. Плотно закрыть пробирку пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опустите во вторую, предварительно подготовленную, пробирку с 1 мл баритовой воды (Ва(ОН)2). Осторожно нагреть первую пробирку до появления осадка во второй пробирке. 1) Дописать уравнение реакции, расставить коэффициенты: НСООН + KMnO4 + H2SO4 → 2) Какое вещество, образующееся при этом, взаимодействует с баритовой водой с образованием осадка. Написать уравнение реакции: 23 13.2. Окисление гидроксидом диамминсеребра (реакция «серебряного зеркала») В пробирку внести 2-3 капли 1 % раствора нитрата серебра и 2-3 капли 10 % раствора гидроксида натрия. Образовавшийся осадок оксида серебра растворить, прилив 2-3 капли 10 % раствора аммиака и 2-3 капли воды. Затем к содержимому пробирки добавить 3-5 капель муравьиной кислоты и осторожно нагреть. 1) Отметить наблюдения: 2) Дописать уравнение реакции: Н–CОOН + [Ag(NH3)2]OH → 3) Восстановителем или окислителем в данной реакции является муравьиная кислота и за счет какой функциональной группы (Приложение Б): 4) Написать редокс-пары, участвующие в данной реакции: первая редокс-пара: вторая редокс-пара: 5) Из справочных таблиц привести значения их стандартных редокспотенциалов (φ°) и исходя из их значений указать направление реакции (Приложение В): 24 Опыт 14. Реакция получения сложных эфиров (реакция этерификации) а) В сухую пробирку поместить порошок безводного ацетата натрия (высота около 2 мм) и 1 мл (20 капель) этанола. Добавить 5-10 капель концентрированной серной кислоты и (осторожно, раствор может выплеснуться) нагреть над пламенем спиртовки. Через несколько секунд появляется приятный освежающий запах этилацетата. Реакция используется для открытия этанола. 1) Написать уравнение реакции, назвать полученный сложный эфир по международной (ИЮПАК) и радикально-функциональной номенклатуре: б) Проделать аналогичный опыт, вместо этанола взять пентанол (пентиловый или амиловый спирт). После нагревания смеси появляется характерный запах грушевой эссенции. 1) Написать уравнение реакции, назвать полученный сложный эфир по международной и радикально-функциональной номенклатуре: 25 Вывод: (Пояснить, что значит: реакции протекают по нуклеофильному механизму?) КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Опыт 15. Кислотный характер фенола (делается только при наличии вытяжки!) В пробирку поместить 0,5 мл эмульсии фенола и добавить по каплям 10 % раствор гидроксида натрия до образования прозрачного раствора. Для выделения чистого фенола из этого раствора, его нейтрализуют несколькими каплями 10 % раствора серной кислоты. 1) Написать уравнение реакции, назвать продукт, тип реакции по направлению (конечному продукту) и типу реагента: 1) Почему добавление серной кислоты к продукту вызывает помутнение раствора? Ответ подтвердить уравнением реакции и сравнением рКа фенола и серной кислоты (справочные таблицы) (Приложение Г): 26 рКа фенола = рКа1 серной кислоты = 1) Почему фенол, в отличии от спиртов, способен взаимодействовать со щелочами (объяснить, чем обусловлены его более сильные кислотные свойства)? Опыт 16. Антисептические свойства фенола (делается только при наличии вытяжки!) На предметное стекло нанести несколько капель 1 % раствора белка (яичного альбумина) и добавить 2-3 капли 3 % раствора фенола. Антисептические свойства фенола обусловлены денатурацией белка. 1) Наблюдения:__________________________________________________ 2) Денатурация – это _____________________________________________ ____________________________________________________________________. 3) Почему денатурация лежит в основе антисептических свойств? Опыт 17. Цветные реакции на фенольную группу (делается только при наличии вытяжки!) 17.1. Цветная реакция комплексообразования с хлоридом железа (ІІІ) В пробирку поместить 0,5 мл (10 капель) прозрачной фенольной воды и добавить 2-3 капли 1 % раствора хлорида железа (III) – появляется синефиолетовое окрашивание. Это характерная реакция на фенолы, т. к. все фенолы дают с FeCl3 различно окрашенные комплексы, представляющие собой хелат27 ные соединения, в которых железо связано с фенольными гидроксилами тремя ковалентными и тремя донорно-акцепторными связями: O H O O H Fe3+ О O H O 17.2. Индофеноловая проба Более чувствительной реакцией на фенол является индофеноловая проба. В пробирку поместить несколько кристаллов нитрита натрия и 3 капли концентрированной серной кислоты. К раствору добавить 3-5 капель исследуемого соединения (фенол). Через несколько минут появляется грязно-фиолетовое окрашивание за счёт образования красящего вещества – индофенола, в молекуле которого имеется характерная хиноидная группировка. Фенол взаимодействует с нитритом натрия в присутствии минеральной кислоты. Образующийся п-нитрозофенол изомеризуется в п-бензохинонмонооксим. NaNO2 + HCl → HNO2 + NaCl При конденсации фенола и п-бензохинонмонооксима в присутствии избытка серной кислоты образуется индофенол: 28 Опыт 18. Реакция получения глицерата меди В пробирку внести 1-2 мл 2 % раствора сульфата меди (II) и по каплям 10 % раствор гидроксида натрия до образования голубого студенистого осадка гидроксида меди (II). Добавить к нему по каплям глицерин, встряхивая пробирку после добавления каждой капли, пока осадок не растворится. Эта реакция используется для обнаружения органических соединений, содержащих диольный фрагмент (две гидроксильные группы у соседних атомов углерода). 1) Написать уравнение реакции глицерина с гидроксидом меди (II): 2) Почему с помощью данной реакции можно отличить многоатомные спирты от одноатомных, ответ пояснить: 3) Чем обусловлены более сильные кислотные свойства многоатомных спиртов по сравнению с одноатомными? 29 Опыт 19. Кислотные свойства карбоновых кислот Карбоновые кислоты в целом – слабые кислоты. В водных растворах они слабо диссоциируют, рН среды (в данном случае кислая) определяется с помощью кислотно-основных индикаторов. В четыре пробирки поместить по 1 капле уксусной кислоты и воды. В первую пробирку добавить 1 каплю метилового оранжевого (интервал перехода рН 3,1-4,4), во вторую – 1 % спиртового раствора фенолфталеина (интервал перехода рН 8,2-10,0), в третью – бромтимолового синего (интервал перехода рН 6,0-7,6), в четвертую – метилового красного (интервал перехода рН 4,4-6,3). Отметить, в каких пробирках происходит изменение окраски индикатора, и на основе этого определить приблизительное значение рН раствора уксусной кислоты. 1) Наблюдения внести в таблицу: Пробирки и индикаторы 2 3 1 метиловый оранжевый (интервал перехода рН 3,1-4,4) фенолфталеин (интервал перехода рН 8,2-10,0) бромтимоловый синий (интервал перехода рН 6,0-7,6) 4 метиловый красный (интервал перехода рН 4,4-6,3) наблюдаемые изменения окраски индикаторов 1* 2* 1* – исходная окраска индикатора; 2* – окраска индикатора после добавления к кислоте. 2) Указать приблизительное значение рН раствора уксусной кислоты: 3) Написать уравнение диссоциации уксусной кислоты, выражение константы диссоциации и значение рКа (Приложение Г): 30 Опыт 20. Реакция открытия щавелевой кислоты в виде кальциевой соли В пробирку поместить лопаточку щавелевой кислоты и прилить 10 капель воды до полного её растворения. Пипеткой перенести 1-2 капли полученного раствора на предметное стекло, добавить 1-2 капли 5 % раствора хлорида кальция. Кристаллы оксалата кальция обнаруживаются при клиническом исследовании мочи. Они имеют форму почтовых конвертов и хорошо видны под микроскопом. 1) Написать уравнение реакции, назвать продукты, тип реакции по направлению (конечным продуктам) и типу реагента: Тип реакции: по реагенту: по направлению: 31 Вывод: (Какие вещества по Бренстеду являются кислотами? Какая функциональная группа определяет кислотные свойства карбоновых кислот?) 32 ЛИПИДЫ ЗАНЯТИЕ 10 Дата Цель занятия: изучить строение и химические свойства триацилглицеринов, фосфолипидов и неомыляемых липидов, их структурных компонентов. Опыт 1. Реакция изомеризации олеиновой кислоты (демонстрационный опыт) Жидкая олеиновая кислота, содержащаяся в маслах и жирах, представляет собой цис-изомер. Под влиянием оксидов азота она изомеризуется в твёрдую элаидиновую кислоту – транс-изомер. На этом превращении основана так называемая элаидиновая проба. В пробирку поместить около 1 мл растительного масла, 10-15 капель 20 % раствора азотной кислоты и 1-2 мл 10 % раствора нитрита натрия. Смесь перемешать (осторожно!). 1) Отметить наблюдения: 2) За счет какой связи и её особенности в молекуле олеиновой кислоты для нее характерна цис- и транс-изомерия? Связь: Особенность связи: 3) Написать структурные формулы цис- и транс-изомеров олеиновой кислоты: 33 4) Какой высшей жирной карбоновой кислоте по количеству атомов углерода соответствует олеиновая кислота? Опыт 2. Реакция окисления олеиновой кислоты перманганатом калия В пробирку поместить 10-15 капель олеиновой кислоты, добавить 2-3 капли 5 % раствора карбоната натрия и 2-3 капли 2 % раствора перманганата калия. Содержимое пробирки перемешать. 1) Отметить наблюдения: 2) Химические свойства какого класса органических соединений проявляет олеиновая кислота в данной реакции? 3) Написать уравнение реакции окисления олеиновой кислоты, (Приложение Д): 34 Опыт 3. Реакция выделение свободных жирных кислот из мыла В пробирку внести небольшое количество измельченного хозяйственного мыла, растворить в 2-3 мл дистиллированной воды. Пять капель приготовленного концентрированного раствора мыла перенести в другую пробирку и добавить одну каплю 10 % раствора серной кислоты. Выпавший белый хлопьевидный маслянистый осадок свободных жирных кислот сохранить для следующих опытов 4 и 5. 1) Написать уравнении происходящей реакции на примере стеарата натрия и назвать полученное соединения, воспользовавшись приложением Д: 2) Почему серная кислота вытесняет жирные кислоты из их солей. Привести значения pKa для стеариновой и серной кислот (Приложение Г)? pKa стеариновой кислоты pKa серной кислоты 3) На какой особенности строения молекулы основаны свойства мыла как поверхностно активного вещества (ПАВ)? 35 Опыт 4. Реакция на непредельные жирные кислоты В пробирку с выделенными в предыдущем опыте 3 жирными кислотами добавить 2-4 капли бромной воды. 1) Отметить наблюдения: 2) Написать уравнение реакции бромирования на примере арахидоновой кислоты (Приложение Д): 3) К какому типу реакций по реагенту и направлению (конечному) продукту) относится данная реакция? Тип реакции: по реагенту: по направлению: Опыт 5. Реакция образования нерастворимых кальциевых солей жирных кислот В пробирку поместить 5 капель концентрированного раствора мыла (опыт 3), добавить 4-5 капель 10 % раствора хлорида кальция. Энергично взболтать. 1) Отметить наблюдения: 2) Написать уравнение реакции образования кальциевой соли пальмитиновой кислоты (Приложение Д): 36 3) По какой функциональной группе жирные кислоты вступают в данную реакцию, тип реакции по реагенту и направлению: Функциональная группа: ______________________________________________. Тип реакции: ________________________________________________________. 4) Почему моющие свойства мыла понижаются в жесткой воде? ____________________________________________________________________ Опыт 6. Определение йодного числа жиров (масел) Йодным числом (II) называют количество йода, выраженное в граммах, необходимое для связывания 100 г испытуемого образца. Йодное число характеризует содержание в испытуемом образце непредельных соединений (например, непредельных жирных кислот в жирах или жирных маслах). 6.1. Определение йодного числа (по методике ГФ XIV) В колбу с притёртой пробкой вместимостью 250 мл поместить точную навеску испытуемого образца растительного масла или жира в количестве, указанном в таблице 1 (в зависимости от значения его йодного числа), и растворить в 3 мл эфира или хлороформа, прибавить 20,0 мл 0,1 М раствора йода монохлорида, закрыть колбу пробкой, смоченной калия йодида раствором 10 %, осторожно встряхнуть и выдержать в тёмном месте в течение 1 ч. Прибавить последовательно 10,0 мл калия йодида 10 % раствора, 50 мл воды и титровать 0,1 М раствором натрия тиосульфата при постоянном энергичном встряхивании до светло-жёлтой окраски раствора. Прибавить 3 мл хлороформа, сильно встряхнуть, затем прибавить 1 мл 1 % раствора крахмала и продолжить титрование до обесцвечивания раствора. Параллельно провести контрольный опыт, отличающийся тем, что титрование проводится аналогично 37 опытному, но без добавления жира или растительного масла. При анализе твёрдых жиров навеску испытуемого образца растворить в 6 мл эфира, прибавить 20,0 мл 0,1 М раствора йода монохлорида и 25 мл воды. Дальнейшее определение проводят, как указано выше. Таблица 1 Величина навески испытуемого образца в зависимости от ожидаемого йодного числа Ожидаемое йодное число менее 30 31-50 51-100 101-150 более 150 Навеска испытуемого образца, г 1,1-0,7 0,7-0,5 0,5-0,25 0,25-0,15 менее 0,15 Йодное число Ii, г, рассчитать по формуле: 𝐼𝑖 = где V1 – 0,01269∙(𝑉2 −𝑉1 )·100 𝑎 , объём 0,1 М раствора натрия тиосульфата, израсходованный на титрование в основном опыте, мл; V2 объём 0,1 М раствора натрия тиосульфата, израсходованный в контрольном опыте, мл; а навеска испытуемого вещества, г; 0,01269 количество йода, соответствующее 1 мл 0,1 М раствора натрия тиосульфата, г. 6.2. Определение йодного числа (методика II) В одну колбу поместить 0,1 г растительного масла, в другую 0,1 г сала (твёрдого жира) (точная навеска). В каждую колбу добавить 12,5 мл этилового спирта для растворения навески. Для ускорения растворения подогреть на водяной бане. В третью колбу (контрольный опыт) налить 12,5 мл спирта. Во все три колбы добавить по 6,5 мл спиртового 0,2 моль/л раствора йода, перемешать, 38 прилить по 50 мл дистиллированной воды, закрыть пробкой, тщательно встряхнуть. Через 15 мин содержимое колб оттитровать 0,1 моль/л раствором тиосульфата натрия до появления слабожёлтого окрашивания, прибавить 1 мл 0,5 % раствора крахмала, титровать до исчезновения синего окрашивания. Учитывать общий объём раствора тиосульфата натрия, пошедшего на титрование. Разность между количеством раствора тиосульфата натрия, затраченного на титрование контроля и жира, является показателем количества йода, связанного с ненасыщенными жирными кислотами, содержащимися в навеске растительного масла или сала. 1) На чем основана реакция жиров с йодом? 2) Рассчитать йодное число анализируемого жира Ii, г, по формуле: 𝐼𝑖 = где (𝑉1 − 𝑉2 )×0.0127×100 𝑎 , a– точная навеска масла или жира, г; V1 – объём 0,2 моль/л раствора тиосульфата натрия, пошедшего на титрование контроля, мл; V2 – объём 0,2 моль/л раствора тиосульфата натрия, пошедшего на титрование масла или жира, мл; 0,0127 – Вывод: титр 0,1 моль/л раствора тиосульфата натрия по йоду, г/мл. (Указать соответствие полученного йодного числа анализируемого масла (жира) норме (Приложение Е)) 39 Опыт 7. Реакция окисления терпенов перманганатом калия В пробирку поместить 1-2 капли 2 % раствора перманганата калия и 5-7 капель воды. Прилить 3-5 капель скипидара и встряхнуть. Основным компонентом скипидара является терпен α-пинен, обуславливающий взаимодействие скипидара с перманганатом калия. 1) Наблюдения: _________________________________________________ 2) Написать уравнение реакции взаимодействия α-пинена с перманганатом калия: 3) За счет какого фрагмента молекулы α-пинена вступает в реакцию с перманганатом калия? 4) Почему α-пинена относится к неомыляемым липидам? 5) К какой группе неомыляемых липидов относится α-пинен? Опыт 8. Реакция активирования кислорода терпенами В пробирку поместить несколько капель 0,5 % раствора крахмального клейстера, добавить 2-3 капли 10 % раствора йодида калия и 2-4 капли скипи40 дара, встряхнуть содержимое пробирки. Появляется темно-фиолетовое переходящее в синее окрашивание, что указывает на выделение свободного йода вследствие окисления йодида калия. Терпены (α-пинен) легко окисляются кислородом воздуха по месту разрыва двойной связи с образованием пероксидов, которые разлагаются, активируя кислород до озона (О3), проявляющего сильные окислительные свойства. Схема процесса: = С = С = + О2 → = С – С = + О2 → = С – С = + О3 | | \/ О–О О Образование озона под действием терпенов хвойных деревьев объясняется состояние воздуха сосновых лесов, благоприятное для легочных больных, на этом же эффекте основано применение эфирных масел для дезинфекции. 1) Наблюдение _________________________________________________ 2) Появление темно-фиолетового переходящего в синее окрашивания, связано с выделение свободного йода вследствие окисления йодида калия, протекающего по схеме: KI + 3O3 = KIO3 + 3O2. За счет чего в конце опыта появляется синее окрашивание? 41 ГЕТЕРОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ (ГИДРОКСИ-, ОКСОКИСЛОТЫ, ФЕНОЛОКИСЛОТЫ, АМИНОСПИРТЫ) ЗАНЯТИЕ 11 Дата Цель занятия: изучить особенности пространственного строения и реакционной способности гетерофункциональных соединений – аминоспиртов и кислот с окси- и оксофункциями как основу для понимания их метаболических превращений в организме. Опыт 1. Реакция идентификации винной кислоты как двухосновной карбоновой кислоты В пробирку поместить 10-15 капель 10 % раствора винной кислоты и несколько 3-5 капель 5 % раствора гидроксида калия и встряхнуть до появления белого кристаллического осадка малорастворимой в воде кислой калиевой соли – гидротартрата калия. Для ускорения образования осадка содержимое пробирки охладить под струёй холодной воды при потирании внутренней стенки пробирки стеклянной палочкой. Добавить к содержимому пробирки ещё 5-10 капель раствора гидроксида калия. Кристаллический осадок постепенно растворяется, т.к. образуется хорошо растворимая в воде средняя калиевая соль винной кислоты – тартрат калия. Раствор тартрата калия сохранить для следующего опыта. 1) Назвать винную кислоту по международной номенклатуре: ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ 2) Написать уравнение реакции образования кислой и средней соли винной кислоты: 42 3) Чем объясняется способность винной кислоты образовывать средние и кислые соли? Опыт 2. Реакция идентификации винной кислоты как двухатомного спирта В 2 пробирки поместить по 10-15 капель 2 % раствора сульфата меди (II) и 10 % раствора гидроксида натрия. В первую пробирку к выпавшему голубому осадку гидроксида меди (II) добавить несколько капель раствора тартрата калия, полученного в предыдущем опыте (см. опыт 1). Осадок гидроксида меди (II) растворяется. Образовавшийся синий раствор называется реактивом Фелинга и применяется для обнаружения глюкозы в моче – реакция окисления с жидкостью Фелинга. Вторая пробирка контрольная. Содержимое обеих пробирок нагреть до кипения. 1) Отметить наблюдения: Первая пробирка Вторая пробирка 2) За счет какой функциональной группы винная кислота вступает в данную реакцию 43 3) К какому классу органических соединений по функциональным группам относится винная кислота (Приложение Б)? Опыт 3. Реакция разложения молочной кислоты серной кислотой В сухую пробирку поместить 5-10 капель молочной кислоты и 5-10 капель концентрированной серной кислоты. Осторожно нагреть пробирку над пламенем спиртовки! Жидкость при этом темнеет и пенится с выделением газа. Поджечь газ у отверстия пробирки, он горит голубоватым пламенем. Проделать этот же опыт с разбавленной серной кислотой (во избежание полимеризации образующегося карбонильного соединения). В пробирку, снабжённую газоотводной трубкой, поместить 10-15 капель воды и по 5-10 капель молочной и концентрированной серной кислот. Конец газоотводной трубки опустить в другую пробирку, содержащую 5-7 капель раствора йода в йодиде калия и 5-6 капель 10 % раствора гидроксида натрия. Пробирку с газоотводной трубкой нагреть над пламенем спиртовки. Через некоторое время во второй пробирке появляется желтоватый осадок йодоформа с характерным «медицинским» запахом. 1) Написать структурную формулу молочной кислоты и назвать по международной номенклатуре. Чем объясняется оптическая активность молочной кислоты и в чем она проявляется? 2) Какие классы соединений по функциональным группам представлены в молочной кислоте? 44 3) Написать уравнение реакции разложения молочной кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты, назвать продукты: 4) За счет какого продукта реакции разложения молочной кислоты наблюдается положительная реакция с йодом в щелочной среде (йодоформная проба)? Какой фрагмент молекулы обуславливает данную реакцию? Написать уравнение реакции: Опыт 4. Реакция разложения лимонной кислоты В сухую пробирку с газоотводной трубкой поместить небольшое количество кристаллической лимонной кислоты и 10-15 капель концентрированной серной кислоты. Осторожно нагреть реакционную смесь над пламенем спиртовки. Через некоторое время поджечь у отверстия газоотводной трубки выделяющийся газ. Он горит характерным голубоватым пламенем. Затем, продолжая нагревать первую пробирку, опустить конец газоотводной трубки во вторую пробирку, содержащую 10-15 капель насыщенного раствора гидроксида бария (баритовая вода). После помутнения этого раствора, не переставая нагревать первую пробирку, перенести конец газоотводной трубки в третью пробир45 ку, содержащую 5-10 капель раствора йода в йодиде калия, обесцвеченного добавлением нескольких капель 10 % раствора гидроксида натрия. Образуется йодоформ – желтоватый осадок с характерным запахом. 1) Написать структурную формулу лимонной кислоты и назвать по международной номенклатуре. К каким кислотам она относится по количеству карбоксильных групп? 2) Написать реакцию разложения лимонной кислоты под действием концентрированной серной кислоты, назвать продукты: 3) Какой продукт разложения лимонной кислоты вступает в реакцию с баритовой водой (Ва(ОН)2). Написать уравнение: 46 Опыт 5. Доказать отсутствие фенольного гидроксила в аспирине и его идентификация после гидролиза аспирина В пробирку поместить небольшое количество кристаллического аспирина (ацетилсалициловой кислоты) и добавить 15-20 капель воды при встряхивании до полного растворения. Разделить раствор на 2 пробирки. В первую добавить 1-2 капли 1 % раствора хлорида железа (III), при этом фиолетовая окраска не появляется. Это указывает на отсутствие в ацетилсалициловой кислоте свободного фенольного гидроксила. Раствор во второй пробирке прокипятить в течение 30 секунд на пламени спиртовки, охладить и прибавить 3-5 капель 1 % раствора хлорида железа (III). Появляется красновато-фиолетовое окрашивание, характерное для фенольной группы. 1) Написать структурную формулу аспирина (ацетилсалициловой кислоты), назвать по международной номенклатуре. К какому классу она относится по строению радикала? Указать функциональные группы: 2) Написать уравнение реакции гидролиза аспирина, назвать продукты по международной номенклатуре: 47 3) Написать уравнение реакции продукта гидролиза аспирина салициловой кислоты с хлоридом железа (III): Вывод: (Почему аспирин вступает в реакцию с хлоридом железа (III) только после гидролиза? За счет какого продукта гидролиза и функциональной группы возможна данная реакция?) 48 АМИНОКИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ. БЕЛКИ ЗАНЯТИЕ 12 Дата Цель занятия: изучить строение, классификацию и физико-химические свойства важнейших α-аминокислот как структурных единицы молекул пептидов и белков. Опыт 1. Реакция образования внутренней соли глицина В пробирку поместить 5 капель 1 % раствора глицина, добавить 1 каплю раствора метилового красного. Отметить окраску раствора и определить его рН учитывая, что зона перехода окраски для метилового красного от красной к желтой находится при рН = 4,4÷6,2 (Приложение Ж). Сохранить полученный раствор для следующего опыта! 1) Изменение окраски и приблизительное значение рН глицина в растворе: 2) Какие функциональные группы в молекуле аминокислот (по Бренстеду) обуславливают кислотные и основные свойства? кислотные свойства за счет группы: основные свойства за счет группы: 3) Написать уравнение реакции внутримолекулярной кислотно-основной диссоциации глицина. Назвать глицин по международной номенклатуре: 49 Вывод: (Объяснить почему раствор глицина и других моноаминомонокарбоновых кислот имеют нейтральную реакцию среды (рН)) Опыт 2. Реакция глицина с формальдегидом (связывание аминогруппы формальдегидом с образованием N-метилиденового производного (азометина) Данная реакция используется для количественного определения аминокислот по методу Сёренсена, называемого формольным титрованием, основанном на связывании аминогруппы формальдегидом с образованием N-метилиденового производного (азометина), проявляющего выраженные кислотные свойства, за счет освобождения карбоксильной группы от влияния заблокированной α-аминогруппы, за счет реакции протекающей по уравнению: К полученному в опыте 1 нейтральному раствору глицина (жёлтая окраска) добавить равный объём формалина. Наблюдается переход желтой окраска содержимого пробирки в красную. 1) Чем обусловлено изменение окраски индикатора жёлтой на красную? 50 Вывод: (Объяснить почему добавление формальдегида к водному раствору глицина сместило рН среды в кислую область?) Опыт 3. Реакция глицина с азотистой кислотой (на первичную аминогруппу) В пробирку поместить по 5 капель 1 % раствора глицина и 5 % раствора нитрита натрия. Добавить 2-3 капли концентрированной соляной (хлороводородной) кислоты и осторожно взболтать смесь. Наблюдать выделение пузырьков газа. 1) Для чего в реакции добавляются нитрит натрия и соляная кислота? Написать уравнение реакции взаимодействия нитрита натрия и соляной кислоты. Сравнит рКа соляной (хлороводородной или хлористоводородной) и азотистой кислот (Приложение Г): рКа соляной кислоты: рКа азотистой кислоты: 2) Написать уравнение реакции глицина с азотистой кислотой, назвать продукты по международной номенклатуре. Какой газ выделяется в результате реакции? К какому классу относится образующаяся органическая кислота? 51 Вывод: (За счет какой функциональной группы глицин и другие αаминокислоты вступает в реакцию с азотистой кислотой?) Опыт 4. Реакция образование комплексной соли меди (II) с глицином В пробирку поместить около 1 мл (15-20 капель) 1 % раствора глицина. Добавить на кончике лопаточки (или шпателя) небольшое количество оксида меди (II) и смесь нагреть. Дать отстояться избытку черного порошка оксида меди (II). Раствор приобретает синюю окраску, что свидетельствует об образовании медной соли глицина. К отстоявшемуся раствору, окрашенному в синий цвет (не отделяя его от черного осадка), прибавить 1 каплю 10 % раствора гидроксида натрия. Выпадения осадка гидроксида меди (II) не происходит. Так как при взаимодействии глицина с оксидом меди (II) образуется внутрикомплексное хелатное соединение. 1) Написать уравнение реакции глицина с оксидом меди (II): 2) Какие функциональные группы глицина участвуют в образовании ионных и донорно-акцепторных связей с ионом меди (II)? ионные связи – функциональная группа донорно-акцепторные связи – функциональная группа Вывод: (Какие функциональные группы молекул аминокислот участвуют в образовании комплексных солей (хелатов?) 52 Опыт 5. Амфотерные свойства α-аланина В две пробирки поместить по 5-10 капель 1 % раствора аланина. В первую пробирку добавить по каплям 0,1 % раствор соляной (хлороводородной) кислоты, подкрашенной индикатором конго красного в синий цвет, до появления в пробирке розово-красного окрашивания. Конго красный имеет интервал перехода окраски при рН 3,0-5,2. В кислой среде окраски синяя (фиолетовая) в слабокислой, нейтральной и щелочной - красная. Во вторую пробирку добавить по каплям 0,1 % раствор гидроксида натрия, подкрашенный фенолфталеином в малиновый цвет, до исчезновения в пробирке окрашивания. Область перехода окраски фенолфталеина находится при рН 8,0-10,0. При рН >10 он имеет малиновую окраску, при pH < 8 – бесцветен. 1) Написать структурную формулу аланина, назвать по международной номенклатуре, объяснить наличие оптических свойств – способности вращать плоскость поляризованного света: 2) Учитывая значения областей перехода окрасок индикаторов конго красного и фенолфталеина, указать изменение рН аланина в водном растворе при добавлении растворов соляной кислоты и гидроксида натрия: При добавлении НСl pH При добавлении NaOH рН Подтвердить уравнениями реакций (превращение внутримолекулярной соли – биполярного иона аланина в кислой и щелочной средах): 53 3) Написать уравнения реакций аланина с соляной кислотой и гидроксидом натрия: Вывод: (Проявляют ли аминокислоты амфотерные свойства, если да, то за счёт каких особенностей строения молекулы?) Опыт 6. Биуретовая реакция на пептидную связь В пробирку поместить 15-20 капель раствора яичного белка, добавить равный объём 10 % раствора гидроксида натрия и по стенке прилить 3-5 капель 2 % раствора сульфата меди (II). Появляется красно-фиолетовое окрашивание. полипептид 54 лактимная форма полипептида 1) В ниже приведенной формуле, указать ионные и донорно-акцепторные связи, образуемые ионом меди (II) с белками: Биуретовый медный комплекс фиолетового цвета 2) Является ли данная структура комплексным соединением? Почему (наличие какой связи отличает комплексные соли от остальных солей)? 3) Все ли пептиды и белки вступают в биуретовую реакцию? Ответ пояснить: 55 Вывод: (За счет какой функциональной группы пептиды и белки вступают в биуретовую реакцию?) Опыт 7. Качественная реакция на ароматические аминокислоты свободные и в составе белков (ксантопротеиновая реакция) В пробирку поместить 10-15 капель раствора яичного белка и 3-5 капель концентрированной азотной кислоты. Смесь осторожно нагреть, непрерывно встряхивая. Раствор и осадок окрашиваются в жёлтый цвет. Пробирку охладить и добавить 5-7 капель 10 % раствора гидроксида натрия до появления оранжевого окрашивания. Уравнение реакции на примере аминокислоты тирозин: НО СН2 СН СООН HNO3(к) , to H2O НО NH2 СН2 NO2 СН СООН NaOH NH2 желтая окраска СН2 О O N СН СОО Н NH2 ONa оранжевая окраска 1) К каким аминокислотам относится тирозин по количеству амино- и карбоксильных групп? 2) Назвать аминокислоты, входящие в состав белков, обнаруживаемые с помощью ксантопротеиновой реакции? 56 3) Чем обусловлено появление желтых пятен на коже при попадании на неё концентрированной азотной кислоты? Вывод: (За счет какого фрагмента молекулы происходит ксантопротеиновая реакция на ароматические аминокислоты?) Опыт 8. Качественная реакция на присутствие в белках α-аминокислот, содержащих слабо связанную серу (серосодержащих цистеин и цистин, реакция Фоля) В пробирку поместить 10 капель раствора яичного белка и вдвое больший объём 30 % раствора гидроксида натрия. Содержимое пробирки перемешать и нагреть до кипения. Затем к полученному раствору добавить 5 капель 10 % раствора ацетата свинца (II) и вновь нагреть. Уравнение реакции разложения цистеина при нагревании с гидроксидом натрия: HS-H2C-CH-COOH + 2NaOH | NH2 цистеин Н2О HOCH2-CH-COOH + Na2S+2H2O | NH2 серин 1) Наблюдения 2) а – Назвать цистеин по международной номенклатуре ИЮПАК. б – К каким аминокислотам относится по строению углеводородного радикала? а –__________________________________________________________________ б –__________________________________________________________________ 57 3) а – В виде какого соединения при разложении цистеина выделяется сера. б – Написать уравнение реакции его обнаружения с ацетата свинца (II). а –__________________________________________________________________ б– 1) Написать уравнение реакции превращения цистеина в цистин. Вывод: (За счет какого элемента строения молекулы цистеин и его окисленная форма – цистин вступают в данную реакцию?) 58 ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ЗАНЯТИЕ 13 Дата Цель занятия: изучить строение и особенности химического поведения биологически активных гетероциклических соединений. Опыт 1. Растворимость пиридина и его основной характер В пробирку поместить 5 капель пиридина, добавить 5 капель воды – получается прозрачный раствор. Добавить ещё несколько капель воды. Пиридин хорошо растворяется в воде. Полученный водный раствор пиридина сохранить для выполнения последующих опытов. Проба на лакмус. На полоску красной лакмусовой бумаги с помощью стеклянной палочки нанести 1 каплю водного раствора пиридина. Происходит изменение окраски красной лакмусовой бумаги: красная окраска меняется на синюю, что указывает на слабоосновной характер пиридина. Переход от красной окраски к синей у лакмуса происходит при рН 5,0-8,0. 1) Написать уравнение реакции пиридина с водой: 2) Назвать тип реакции по направлению (конечному продукту) и типу реагента: 3) Дать определение пиридина по строению цикла, виду и количеству гетероатомов: 59 Вывод: (Какой фрагмент строения молекулы пиридина определяет его основные свойства (в соответствии с теорией Бренстеда?) Опыт 2. Реакция образования комплексного соединения пиридином с ионом меди (II) К водному раствору пиридина (см. опыт 1) добавить осторожно по стенкам пробирки 2 капли 2 % раствора сульфата меди (II). Обязующийся вначале голубой осадок гидроксида меди (II) быстро растворяется. Появляется синее окрашивание вследствие образования растворимого в воде комплексного медного соединения с пиридином подобно комплексному соединению меди с аммиаком. 1) Отметить наблюдения: 2) За счет какого элемента строения молекулы пиридин вступает в реакцию комплексообразования? Какие связи при этом образуются? за счет: образующиеся связи: Опыт 3. Отношение пиридина к окислению В пробирку с 3 каплями пиридина поместить по 3 капли 2 % раствора перманганата калия и 5 % раствора карбоната натрия. Содержимое пробирки тщательно встряхнуть и нагреть до кипения (под тягой). 1) Происходит ли обесцвечивание раствора перманганата калия? Ответ объяснить: 60 (Указать какие свойства пиридина были изучены и какими элементами строения его молекулы эти свойства обусловлены – 1, 2, 3) Вывод: Опыт 4. Растворимость мочевой кислоты и её натриевой соли в воде В пробирку поместить небольшое количество (на кончике лопаточки) кристаллической мочевой кислоты. Прибавить по каплям воду, встряхивая пробирку. Обратить внимание на плохую растворимость мочевой кислоты в воде. В холодной воде мочевая кислота практически нерастворима: 1 часть её растворяется в 39000 частях воды. После добавления 8-10 капель воды растворение незаметно. К содержимому пробирки добавить 2-3 капли 10 % раствора гидроксида натрия, мутный раствор моментально становится прозрачным вследствие образования легкорастворимой двухзамещённой натриевой соли мочевой кислоты. Трёхзамещенные соли мочевой кислоты неизвестны. Полученный раствор сохранить для последующих опытов 5 и 6! OH OH NaOH N N N N N N мочевая кислота NaOH Н N N ONa OН ОН OH Н Н ОН N ONa N ОNa дигидроурат натрия 61 N N гидроурат натрия 1) Назвать гетероцикл, лежащий в основе мочевой кислоты, охарактеризовать гетероциклы из которых он состоит (по строению и гетероатомам). 2) Что значит конденсированный гетероцикл и какой гетероцикл в данном соединении является конденсированным? 3) Пронумеровать атомы и назвать мочевую кислоту по международной номенклатуре ИЮПАК: 4) Какие свойства проявляет мочевая кислота в данной реакции и указать номера атомов гетероцикла молекулы, участвующих в реакции образования соли? 5) Написать лактимную и лактамную формы молекулы мочевой кислоты, в какой из них она вступает в реакцию солеобразования со щелочами: 62 Вывод: (Объяснить почему мочевая кислота образует кислые и средние соли, указать тип реакции по направлению и типу реагента) Опыт 5. Реакция открытия (качественной идентификации) мочевой кислоты (мурексидная проба) На предметное стекло пипеткой поместить 1 каплю раствора натриевой соли мочевой кислоты (опыт 4). Добавить 1 каплю концентрированной азотной кислоты и осторожно выпарить, нагревая стекло над пламенем спиртовки на расстоянии около 10 см. Нагревание продолжать до слабого покраснения пятна на месте бывшей капли. Дать стеклу остыть, сбоку от пятна поместить 1 каплю 10 % раствора аммиака. На месте соприкосновения пятен наблюдается появление полоски пурпурно-фиолетового цвета (мурексидная проба). При окислении азотной кислотой мочевая кислота, как и прочие пуриновые основания (например, кофеин, тебромин, теофиллин), образует аллоксантин. При смачивании полученного аллоксантина раствором аммиака образуется аммонийная соль очень неустойчивой в свободном виде пурпуровой кислоты – мурексид. Мурексидная проба применяется при анализе мочевых камней, а также 63 при открытии кофеина, теобромина, теофиллина и других пуриновых оснований. Реакция протекает по схеме: H3C [O] C CH3 N + O N N NH2 O HCl N O OH O CH3 O O H3C O O NH3 N O O N O CH3 N N N CH3 CH3 O CH3 3 H3C OH N O CH3 пурпурная кислота Вывод: O O N N N CH CH3 H3C O H3C H N O N N O O CH3 O O H NO 4 N N O CH3 аммониевая соль пурпурной кислоты (На присутствие какого гетероцикла в соединениях указывает положительная мурексидная проба?) Опыт 6. Реакция образования труднорастворимой аммониевой соли мочевой кислоты Труднорастворимые в воде мононатриевая и аммониевые соли мочевой кислоты являются компонентами мочевых камней. К оставшейся части прозрачного раствора двузамещённой натриевой соли мочевой кислоты (опыт 4) добавить 1-3 капли насыщенного раствора хлорида аммония. 1) Отметить наблюдения__________________________________________ 2) Написать уравнение реакции превращения гидроурата натрия в гидроурат аммония: 64 Опыт 7. Реакции антипирина с азотистой кислотой В пробирку поместить несколько кристаллов антипирина, добавить 1 мл воды, 4-5 капель 2 н. раствора серной кислоты и 4-5 капель 0,5 н. раствора нитрита натрия. Появится изумрудно-зеленое окрашивание (нитрозоантипирин), постепенно исчезающее, особенно быстро при относительном избытке нитрита натрия. Реакция протекает по уравнению: антипирин нитрозоантипирин 1) Назвать гетероцикл, лежащий в основе антипирина: ____________________________________________________________________ Охарактеризовать его строение: ____________________________________________________________________ Название антипирина по международной номенклатуре: ____________________________________________________________________ 2) Указать и пояснить тип данной реакции по направлению (конечному продукту) и типу реагента: ____________________________________________________________________ 65 ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ 3) Для чего в данной реакции добавляется серная кислота? Написать уравнение реакции нитрита натрия с серной кислотой и назвать образующийся продукт реакции: Опыт 8. Реакция образования тиохрома из витамина В1 (тиамина) К 0,5 мл 0,2 % раствора тиамина прилить 2 мл раствора феррицианида (II) калия (K3[Fe(CN)6]), 1 мл раствора гидроксида натрия, 5 мл изоамилового спирта, встряхнуть и дать отстояться. В верхнем слое возникает наблюдаемая в УФсвете синяя флюоресценция, исчезающая при подкислении и вновь возникающая при подщелачивании раствора. Реакция основана на расщеплении тиазольного кольца в щелочной среде с последующим окислением в тиохром: 1) Назвать гетероциклы лежащие в основе витамина В1 (тиамина), и дать их характеристику по строению (величине гетероцикла и видам гетероатомов) 66 __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 2) Указать в данной реакции: восстановитель , окислитель ? Опыт 9. Реакции на витамин В2 (рибофлавин) 9.1. Реакция с концентрированной серной кислотой Реакция основана на способности рибитола – пятиатомного спирта, входящего в состав витамина В2, образовывать с серной кислотой сложный эфир, окрашенный в вишнёво-красный цвет. В фарфоровой чашке крупинку витамина В2 смочить одной каплей концентрированной серной кислоты, образуется вишнёво-красное окрашивание. Диметилизоаллоксазин-N-CH2-(CHOH)3-CHOH + H2SO4 → Диметилизоаллоксазин-N-CH2-(CHOH)3-CHO-SO3H + H2O. Строение витамина В2 (рибофлавин) ← Диметилизоаллоксазин ← Рибитол (пятиатомный спирт) 1) За счет какой функциональной группы витамин В2 вступает в реакцию этерификации с серной кислотой? 67 2) Назвать тип реакции по направлению (конечному продукту) и типу реагента: 9.2. Реакция с нитратом серебра Рибофлавин проявляет очень слабые кислые свойства, но образует устойчивые окрашенные соли с ионами тяжелых металлов. При добавлении к водному раствору рибофлавина раствора нитрата серебра образуется окрашенное соединения красного (розового) цвета. Схема уравнения реакции: Рибофлавин (желтого цвета) Серебряная соль рибофлавина (красного или розового цвета) К 2 мл 1 % раствора рибофлавина прилить 1 мл 2 % раствора нитрата серебра – появляется оранжевое окрашивание, постепенно переходящие в красное или розовое. 1) Написать уравнение лактим-лактамной таутомерии (рибофлавина витамин В2), выделить атомы участвующие в данном процессе. В лактимной или лактамной форме вероятнее всего образование солей с тяжелыми металлами? 68 9.3. Реакция восстановления рибофлавина В пробирке растворить несколько кристаллов рибофлавина в 1-2 мл воды, при этом наблюдается жёлтое окрашивание и флюоресценция. К раствору добавить 1 мл концентрированной соляной кислоты и гранулы цинка. Жидкость постепенно окрашивается в розовый цвет, а затем обесцвечивается. Изменение окраски обусловлено восстановлением рибофлавина, выделяющимся водородом через родофлавин (красный цвет) в бесцветный лейкофлавин по схеме: рибофлавин (витамин В2) лейкофлавин При взбалтывании вновь появляется окрашивание, за счёт окисления лейкофлавина кислородом воздуха до рибофлавина. Реакция основана на наличии в изоаллаксизиновом кольце диазиновой группы, способной присоединять и отдавать два атома водорода. окисленная форма рибофлавина восстановленная форма рибофлавина Таким образом, рибофлавин, принимая два атома водорода, легко восстанавливается до лейкорибофлавина. При этом нарушается сопряженная система связей, что сопровождается исчезновением окраски. Лейкорибофлавин легко окисляется (в организме под действием НАД+) до рибофлавина. Благодаря этим химическим свойствам коферменты, образующиеся из рибофлавина – ФМН и ФАД, участвуют в окислительно-восстановительных процессах, происходящих 69 в клетке. 1) В выше представленных формулах выделить диазиновую группу в окисленной и восстановленной форме рибофлавина. Опыт 10. Реакции на витамины В3 (ниацин, никотиновая кислота и никотинамид) 10.1. Реакция с ацетатом меди (II) Реакция основана на образовании медной соли никотиновой кислотой по карбоксильной группе. В пробирке растворить небольшое количество порошка витамина В3 в 1 мл 10 % раствора уксусной кислоты при нагревании до кипения (до полного растворения порошка). К горячему раствору прилить 1 мл 5 % раствора ацетата меди (II). При охлаждении наблюдается выпадения осадка синего цвета. никотиновая кислота ацетат меди никотинат меди уксусная кислота 10.2. Реакция с сульфатом меди (II) В две пробирки прилить по 2 мл 1 % раствора никотиновой кислоты, затем добавить в первую – 1 мл 10 % раствора сульфата меди, во вторую – 0,5 мл 10 % раствора сульфата меди и 2 мл 1 % раствора роданида аммония. В первой пробирке образуется осадок синего цвета, во второй – раствор зелёного цвета. Уравнения реакций: синий 70 1) Назвать никотиновую кислоту по международной номенклатуре (ИЮПАК): 2) Назвать и охарактеризовать строение гетероцикла, производным которого является витамин В3: 3) Указать тип реакции по направлению и типу реагента, пояснить: 10.3. Реакция восстановления гидросульфитом натрия Реакция основана на восстановлении витамина В3 гидросульфитом натрия. В пробирке к 0,5 мл (0,005-0,010 мг) раствора витамина В3 прилить 1-2 мл 10 % раствора гидрокарбоната натрия и 1-2 мл 10 % раствора гидросульфита натрия. Появляется жёлтое окрашивание. Восстановление никотиновой кислоты происходит за счет внутримолекулярной перегруппировки связей в пиридиновом цикле. На примере механизма действия никотинамида в составе ферментов класса оксидоредуктаз никотинзависимых дегидрогеназ никотинамидадениндинук71 леотид (НАД+) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+) схема процесса выглядит следующим образом: 10.4. Реакция обнаружения аминогруппы в никотинамиде При нагревании в присутствии гидроксида натрия амидная связь в никотинамиде гидролизуется с выделением аммиака. В пробирку поместить 5-10 мг порошка витамина В3, прибавить 2 мл 0,1 М раствора гидроксида натрия и нагреть до кипения. Ощущается запах образующегося аммиака. Обнаруживаемый по посинению влажной розовой лакмусовой бумажки и с реактивом Несслера (щелочной раствор тетрайодомеркуриата калия – (K2[HgI4] + KOH), который при взаимодействии с катионом аммония образует красно-бурый осадок йодида оксодимеркураммония. : NH3 + H2O ⇄ NH4+ + OH– NH4+ + 2[HgI4]2– + 4OH– [OHg2NH2]I + 7I– + 3H2O реактив Несслера оксодимеркураммония йодид 1) К какому классу органических соединений относится амид никотиновой кислоты? 72 2) Какие соединения называются функциональными производными карбоновых кислот? Назвать классы соединений, относящихся к функциональными производными карбоновых кислот. 3) Дать определение амидов как функциональных производных карбоновых кислот? Назвать тип реакции их образования по направлению и реагенту: Тип реакции: Опыт 11. Качественные реакции на витамин В6 (пиридоксин) Активностью витамина В6 обладают три соединения, объединенных под названием «пиридоксин»: 73 11.1. Реакция с хлоридом железа (III) (феррохлоридная проба) Реакция основана на образовании соединений типа фенолятов железа красного цвета. В пробирке в 1 мл воды растворить крупинку витамина В6, добавить 2-3 капли 2 % раствора хлорида железа (III). Появляется красное окрашивание. 1) Назвать витамин В6 по международной номенклатуре (ИЮПАК), указать функциональные группы: 2) Указать за счет какой функциональной группы витамина В6 вступает в данную реакцию? 3) Написать схему реакции с хлорида железа (III) на примере с пиридоксамином: 4) Назвать тип реакции по направлению и типу реагента: Тип реакции: по реагенту: по направлению: 74 11.2. Реакция осаждения витамина В6 фосфорномолибденовой кислотой (общеалколоидными реактивами) Пиридоксин, являясь производным пиридина, осаждается фосфорномолибденовой, пикриновой, фосфорновольфрамовой кислотами и другими реактивами на алкалоиды (общеалколоидные реактивы). К 2-3 каплям 1 % раствора витамина В6 добавить 2-3 капли 1 % раствора фосфорномолибденовой кислоты. Наблюдается появление осадка. 1) Объяснить термин «общеалкалоидные реактивы»: 2) Какой фрагмент молекулы витамина В6 обуславливает его реакцию с фосфорномолибденовой кислотой, как общеалколоидным реактивом? Вывод: (Указать какие гетероциклы были изучены и на примере каких биологически активных веществ) 75 УГЛЕВОДЫ: МОНО-, ДИ- И ПОЛИСАХАРИДЫ ЗАНЯТИЕ 14 Дата Цель занятия: изучить стереохимическое строение, таутомерное равновесие и химические свойства моносахаридов; состав, строение, структурную организацию и основные химические превращения важнейших олигосахаридов лежащих в основе их биологических функций. Опыт 1. Реакция глюкозы как многоатомного спирта В пробирку поместить 0,5 мл 0,5 % раствора глюкозы, добавить 10 капель 10 % раствора гидроксида натрия и 3-4 капли 2 % раствора сульфата меди (II). Выпавший вначале осадок гидроксида меди (II) быстро растворяется. Получающийся прозрачный раствор имеет интенсивную синюю окраску. Сохранить его для следующего опыта. 1) К какому классу моносахаридов по положению карбонильной группы и количеству атомов углерода относится глюкоза? 2) За счет какой реакции (функциональной группы) происходит растворение голубого осадка гидроксида меди (II) в присутствии глюкозы с образованием соединения интенсивно синего цвета? Написать уравнение реакции данного процесса: 76 3) На принадлежность к какому классу органических соединений глюкозы (моносахаридов) указывает положительный результат данной реакции: 4) Чем объясняются более сильные кислотные свойства многоатомных спиртов по сравнению с одноатомными? 5) Назвать тип реакции по реагенту и направлению: 6) Будут ли в аналогичную реакцию вступать глицерин, винная кислота и другие моносахариды и объяснить почему? Опыт 2. Восстановление гидроксида меди (II) глюкозой Эта реакция называется пробой Троммера и используется для открытия глюкозы в моче. К полученному в опыте 1 раствору добавить несколько капель воды, перемешать и разделить раствор поровну на две пробирки. Одну из них нагреть над пламенем спиртовки до начала кипения, но не кипятить. Наблюдается образование осадка жёлто цвета, при дальнейшем нагревании изменяющего окраску на оранжево- (или кирпично-) красную (сравните с пробиркой, которую не нагревали). Вторая пробирка – контрольная. 1) По какой функциональной группе глюкоза вступает в окислительновосстановительные реакции? 77 2) Написать уравнение реакции, назвать образующиеся продукты, её тип по реагенту и направлению: Тип реакции: 3) В данной окислительно-восстановительной реакции глюкоза восстановитель или окислитель? 4) Объяснить изменение окраски осадка в процессе нагревания, подтвердить уравнениями реакций, происходящих при этом: Опыт 3. Восстановление гидроксида диаминсеребра глюкозой и фруктозой (реакция серебряного зеркала) В 2 пробирки поместить по 2 капли 5 % раствора нитрата серебра, по 4 капли 10 % гидроксида натрия и по 5-6 капель 10 % раствора гидроксида аммония (аммиака) до растворения образовавшегося осадка гидроксида серебра. Полученный раствор называется реактивом Толленса. К содержимому первой пробирки добавить несколько капель 0,5 % раствора глюкозы, второй – 0,5 % раствора фруктозы. Слегка нагреть пробирки до начала побурения раствора. Через несколько минут на стенках пробирок оса78 ждается серебро в виде зеркального налёта (если пробирки не были достаточно чистыми, то серебро выпадает в виде серого осадка). Реакция образования гидроксида диаминсеребра: Ag2O + 4NH4OH => 2[Ag(NH3)2]OH + Н2O. 1) Написать уравнение реакции глюкозы с гидроксидом диаминсеребра. До соединения какого класса при этом окисляется глюкоза? Назвать его: 2) Почему фруктоза, являющаяся кетогексозой (в её молекуле отсутствует альдегидная группа), даёт положительную реакцию «серебрянного зеркала»? Привести реакцию эпимеризации: Опыт 4. Реакция Селиванова на фруктозу В пробирку поместить 0,5 мл раствора фруктозы и добавить 1 мл реактива Селиванова (0,5 % раствор резорцина в 20 % растворе соляной кислоты) и 79 нагреть до начала кипения. Постепенно раствор приобретает красную окраску. При нагревании в присутствии соляной кислоты фруктоза превращается в 5гидроксиметилфурфурол, который вступает в реакцию конденсации с резорцином, с последующей внутримолекулярной перегруппировкой связей в ароматическом кольце с образованием окрашенного соединения (хромофор). Схема процесса: фруктоза 5-гидроксиметилфурфурол 1) За счет какой функциональной группы 5-гидроксиметилфурфурол взаимодействует с резорцином? Назвать тип реакции по реагенту и направлению Функциональная группа: Тип реакции: Опыт 5. Изучение отсутствия восстанавливающей способности у сахарозы В пробирку поместить 0,5 мл 1 % раствора сахарозы, 0,5 мл 2 % раствора гидроксида натрия и добавить 0,5 мл 2 % раствора сульфата меди (II). Образу80 ется прозрачный раствор комплексной соли меди (II). Разделить раствор поровну на две пробиркам. Одну из них нагреть до кипения, но не кипятить. Изменение окраски раствора не происходит (сравнить с пробиркой, которую не нагревали – контрольной). 1) Написать структурную формулу сахарозы. Указать моносахариды, входящие в её состав и связь с помощью, которой они соединены: 2) Объяснить, почему сахароза не проявляет восстановительных свойств: ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Опыт 6. Гидролиз сахарозы В пробирку поместить 1 мл раствора сахарозы и 0,5 мл 10 % раствора серной кислоты, осторожно, в течение 30-60 секунд нагреть смесь над пламенем спиртовки. Полученные продукты гидролиза – глюкозу и фруктозу – обнаруживают по реакции восстановления гидроксида меди (II), а фруктозу – дополнительно по реакции Селиванова (см. опыты 2, 4). 1) Написать уравнение реакции гидролиза сахарозы (структурные формулы), назвать сахарозу и образующиеся продукты по международной номенклатуре: 81 Опыт 7. Кислотный гидролиз крахмала В пробирку поместить 0,5 мл 1 % водного раствора крахмала. Добавить 0,5 мл 10 % раствора серной кислоты и поместить пробирку в кипящую водяную баню. Смесь становится прозрачной приблизительно через 20 минут. Пипеткой нанести 1 каплю гидролизата на предметное стекло и добавить 1 каплю раствора йода в йодиде калия, разбавленного водой до светло-жёлтой окраски. Если проба не даёт положительной йодкрахмальной реакции (образуется синее окрашивание), то к содержимому пробирки добавить 1,0 - 1,5 мл 10 % раствора гидроксида натрия для создания щелочной среды. Затем добавить 5-10 капель 2 % раствора сульфата меди (II) и осторожно нагреть пробирку до кипения. Наблюдается изменение интенсивно-синей окраски раствора на образование осадка жёлто-красного цвета (см. опыт 2). 1) Из каких моносахаридов состоит крахмал (гликоген), какими связями структурирован? Моносахариды: Связи: 2) Написать реакцию гидролиза мальтозы – структурной единицы амилозной части крахмала, назвать мальтозу и продукты реакции по международной номенклатуре: 82 3) О каких изменениях в структуре крахмала свидетельствует отрицательная йодкрахмальная проба? ____________________________________________________________________ 4) Назвать промежуточные олигосахариды, образующиеся при гидролизе крахмала: ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ 5) На что указывает положительная проба Троммера (реакция с сульфатом меди (II) в щелочной среде при нагревании)? 83 НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. КОФЕРМЕНТЫ ЗАНЯТИЕ 15 Дата Цель занятия: изучить химический состав нуклеиновых кислот, строение нуклеозидов, нуклеотидов как химическую основу формирования различных уровней структурной организации макромолекул нуклеиновых кислот (полинуклеотидных цепей) и действия нуклеотидных коферментов. 1) Написать формулы сахарных компонентов молекул ДНК и РНК: 2) Назвать – по каким нуклеиновым основаниям отличаются ДНК и РНК: 3) Пронумеровать атомы в формулах нуклеиновых оснований и указать по каким положениям образуются нуклеозиды (присоединяется сахарная компонента): Пуриновые основания (в лактамной форме) Пиримидиновые основания (в лактамной форме) NH2 O N N H цитозин NH O NH2 O СН3 N H тимин N NH O N H O N H N N аденин урацил 84 O N N H NH N гуанин NH2 4) Назвать соединения по систематической и тривиальной номенклатурам: O H2N O N H N N NH O N N N HO HO H H HO N NH2 O O H NH N H H H H O H OH H O P O- O- А Б А В Б В 5) Написать структурные формулы лактим-лактамных таутомеров ниже приведенных нуклеиновых оснований и указать (+), какие из них участвует в образовании нуклеозидов: а) урацила; б) тимина; в) цитозина; 85 г) аденина; д) гуанина. 6) Привести структурные формулы тимидина, тимидин-5'-фосфата и тимидин-3'-фосфата. 7) Написать структурные формулы аденозин-5'-фосфата, аденозин-5'дифосфата, аденозин-5'-трифосфата. Указать отличия между данными соединениями. 86 8) Объяснить – почему по химической природе нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды. Назвать связь, с помощью которой нуклеозидмонофосфаты соединяются между собой в молекулах нуклеиновых кислот. 9) Что представляет собой ниже приведенное соединение, написать структурную формулу продукта его восстановления, биологическая роль данной реакции в организме: Никотинамидные коферменты НАД+ и НАДФ+ (окисленная форма) ОR CONH2 OH Продукт О N N H 2N N O CH2 O P O-Н N O O P O O O-Н H N H H OH H ОН НАД+ (R=H) НАДФ+ (R=PO3H2) 87 восстановления ↔ … 10) Назвать витамин, входящий в состав данного (кофермента): Флавинадениннуклеотид (ФАД) NH2 N нуклеотидный фрагмент фрагмент рибита N O O CH2 O P O P O H H H O-Н O-Н HO HO HO O H H H OH H ОН H2C H3C H3C N N N C C O NH фрагмент изоаллоксазина O 88 N N соединения СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Тюкавкина, Н. А. Биоорганическая химия: учебник / Н. А. Тюкавкина, Ю. И. Бауков, С. Э. Зурабян. – М. : ГЭОТАР-Медиа, 2024. – 416 с. – ISBN 9785-9704-7209-5. Текст : непосредственный. 2. Общая химия с элементами биоорганической химии: учебник / О. В. Нестерова, И. Н. Аверцева, Д. А. Доброхотов [и др.]; под ред. В. А. Попкова. – Электрон. изд. – М. : Лаборатория знаний, 2020. – 378 с. – ISBN 978-5-00101868-1. – Текст : непосредственный. 3. Тюкавкина, Н. А. Биоорганическая химия: руководство к практическим занятиям: учеб. пособие / под ред. Н. А. Тюкавкиной – М. : ГЭОТАРМедиа, 2017. – 168 с. – ISBN 978-5-9704-4209-8. – Текст : электронный // ЭБС «Консультант студента». 4. Ершов, Ю. А. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов в 2 кн. Книга 1: учебник для вузов / Ю. А. Ершов, В. А. Попков, А. С. Берлянд. – 10-е изд., испр. и доп. – М. : Издательство Юрайт, 2023. – 215 с. – ISBN 978-5-9916-8659-4. – Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. – URL: https: urait.ru/bcode/513135. 5. Ершов, Ю. А. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов в 2 кн. Книга 2: учебник для вузов / Ю. А. Ершов, В. А. Попков, А. С. Берлянд. – 10-е изд., испр. и доп. – М. : Издательство Юрайт, 2023. – 360 с. – – ISBN 978-5-9916-8660-0. Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. – URL: https: urait.ru/bcode/513136. 6. Химия. Биоорганическая химия : лабораторный практикум для обу- чающихся по основной профессиональной образовательной программе высшего образования – программе специалитета по специальности 31.05.02 «Педиатрия» / Л. Г. Пинчук, Т. В. Котова, О. В. Гришаева, А. С. Вальнюкова. − Кемерово, 2023. – 89 с. // Электронные издания КемГМУ. – URL:http:moodle.kemsma.ru. – Режим доступа: для зарегистрир. пользователей. – Текст : электронный. 89 ПРИЛОЖЕНИЯ 90 Приложение А Электронные эффекты заместителей Заместитель Электронные эффекты индуктивный мезомерный Алкильные группы (R) +I – –O- +I +M –NH2, –NHR, –NR2 –I +M –OH, –OR –I +M –NH3+, –NR3+ –I – Галогены (F, Cl, Br, I) –I +M >C=O –I –M –COOH, –COOR –I –M –NO2 –I –M –C≡N –I –M –SO3H –I –M 91 Характер совместного действия Электронодонорный Электроноакцепторный Приложение Б Некоторые функциональные группы и соответствующие классы органических соединений Функциональная группа формула Класс название название Сульфоновые кислоты Карбоновые кислоты общая формула R−SO3H −SO3H Сульфо −СООH Карбоксильная −СОOR R-оксикарбонильная (сложноэфирная) Сложные эфиры R−СОOR −СОNH2 Амидная Амиды R−СОNH2 −СН=О >С=О Карбонильная Альдегиды, кетоны R−С(Н)=О R−С(О)−R −ОН Гидроксильная Спирты, фенолы R−ОН −SH Меркапто Тиолы R−SH −NH2 Амино Амины R−NH2 −Сl, −F, −Br, −I Галогены (−Hal) Галогенопроизводные R−Hal −O− Окси Простые эфиры R−O−R −NO2 Нитро Нитросоединения R−NO2 92 R−СООН Приложение В Стандартные окислительно-восстановительные (редокс-) потенциалы (φ°) редокс-пар Редокс-пара Редокс-потенциалы (φ°) CH2O / CH3OH -0,59 CH3OH / CH3COOH -0,13 HCOOH / CH2O +0,06 CH3CHO / C2H5OH +0,19 HCOOH / CO2 (газ) -0,20 HCOOH / CO2 -0,14 CO3–2 / HCOO– -0,95 C2O4–2 / 2CO2 -0,49 [Ag(NH3)2]+ / Ag0 +0,37 MnO4– / Mn+2 +1,51 MnO4– / MnO2 (OH–) +0,57 MnO4– / MnO2 (H2O) +1,70 MnO4– / MnO4–2 +0,56 Cr2O7–2 / Cr+3 +1,33 CrO4–2 / Cr+3 +1,48 93 Приложение Г Кислотные и основные свойства биоорганических соединений Структурная формула Название Органические кислоты рКа Муравьиная кислота НСООН 3,75 Уксусная кислота СН–СООН 4,76 Щавелевая кислота НООС–СООН 1,23 Малоновая кислота НООС–СН2–СООН 2,80 Янтарная кислота НООС–СН2–СН2–СООН 4,17 Бензойная кислота С6Н5–СООН 4,19 Фумаровая кислота Малеиновая кислота НООССН=СНСООН 3,02 1,92 Метанол СН3–ОН 15,5 Этанол С2Н5–ОН 16,0 Фенол С6Н5–ОН 10,0 Стеариновая кислота С17Н35СООН 4,75 Серная кислота H2SO4 рКа1 – 3,00 рКа2 – 1,94 Органические основания рКb Аммиак NH3 4,75 Метиламин CН3NH2 3,36 Этиламин С2Н5NH2 3,33 Анилин С6Н5–NH2 9,38 Пиридин С5Н5N 8,96 Мочевина NH2–С(О) –NH2 13,90 94 Приложение Д Высшие жирные карбоновые кислоты Тривиальное название Число атомов углерода и двойных связей Пальмитиновая С15Н31СООН С16 Стеариновая С17Н35СООН С18 Олеиновая С17Н33СООН С18:1 Тип кислоты Формула СООН СH3 СООН СH3 ω-9 *Линолевая С17Н31СООН С18::2 ω-6 *Линоленовая С17Н29СООН С18:3 ω-3 9 СH3 12 9 15 12 9 СООН СООН СH3 H3C *Арахидоновая С20:4 ω-6 С19Н31СООН CH3 * – незаменимые высшие жирные кислоты 95 COOH 14 11 8 5 COOH Приложение Е Значение йодные числа некоторых жиров и масел Жир и масло Значение йодного числа Молочный жир 24-45 Говяжий жир 32-47 Свиной жир 46-66 Китовый жир 108-130 Жир печени трески 118-186 Кокосовое масло 8-12 Хлопковое масло 100-116 Подсолнечное масло 119-136 Льняное масло 175-201 96 Приложение Ж Кислотно-основные свойства белковых аминокислот Аминокислота Ионогенных рКа(СООН) рКа(NH3 ) групп в радикале + pI Аланин 2,35 9,87 Аргинин 2,20 8,99 Аспарагин 2,00 8,80 Аспарагиновая кислота 1,99 9,90 Валин 2,29 9,74 6,0 Глицин 2,35 9,78 6,0 Глутаминовая кислота 2,10 9,47 Глутамин 2,17 9,13 5,7 Лейцин 2,33 9,74 6,0 Лизин 2,16 9,06 Пролин 1,95 10,64 6,3 Серин 2,19 9,21 5,7 Тирозин 2,20 9,21 Треонин 2,09 9,10 5,6 Триптофан 2,40 9,40 5,9 Фенилаланин 2,20 9,10 5,5 Метионин 2,30 9,20 5,8 Цистеин 1,92 10,70 97 6,0 12,50 10,8 5,4 3,80 4, 07 10,54 10,40 8,37 3,0 3,2 9,8 5,7 5,0
