4433

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

ХИМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Методические указания к лабораторным работам для студентов по направлению подготовки 19.03.01 – Биотехнология,

профиль – Промышленная экология

Воронеж 2017

2

УДК 630*81

Дмитренков, А.И. Химия биологически активных веществ [Текст]: методические указания к лабораторным работам для студентов по направлению подготовки 19.03.01 - Биотехнология, профиль – Промышленная экология / А.И. Дмитренков, Л.А. Новикова, Л.И. Бельчинская; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2017. – 43 с.

Рецензент: канд. хим. наук, доцент кафедры неорганической химии и химической технологии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Ю. С. Перегудов

Научный редактор канд. техн. наук, доц. А. И. Дмитренков

Лабораторная работа № 3. Получение солей различных оксикислот и изучение их свойств………………………………………………………………. ………….. 11 Лабораторная работа № 4 Выделение алкалоидов из чайного листа и качест-

тельной биомассе………………………………………………………. ………….. 22

вых кислот…………………………………………………………………………... 39 Библиографический список ……………………………………………………….. 42

4

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания предназначены для бакалавров лесопромышленного факультета по направлению подготовки 19.03.01 - «Биотехнология» профиль – Промышленная экология при изучении дисциплины «Химия биологически активных веществ» и содержат лабораторные работы по данному курсу. При освоении данной дисциплины студент должен приобрести знания о строении биологически активных веществ, их физико-химических свойствах и механизме функционирования в живых организмах. Студент должен получить практические навыки решения задач и выполнения химических экспериментов.

Дисциплина «Химия биологически активных веществ» использует знания, полученные в курсе «Общая химия», «Органическая химия» и «Экология полимерных композиционных материалов».

Методические указания включают лабораторные работы по основным разделам «Химии биологически активных веществ».

При самостоятельной подготовке к лабораторной работе студент должен составить конспект лабораторной работы и изучить теоретический материал по соответствующему разделу химии древесины. Для получения допуска к лабораторной работе студент представляет конспект и отвечает на вопросы преподавателя по теории и порядку выполнения опытов.

Оформление отчета по лабораторной работе студент выполняет по следующей форме:

1)тема работы;

2)название опыта;

3)химизм опыта: уравнения реакций;

4)необходимые расчеты определяемых показателей;

5)выводы: что наблюдалось, объяснение причины явления и итогов проведенных расчетов.

Отчет по лабораторной работе сдается преподавателю, при этом студент должен уметь ответить на вопросы по теме лабораторной работы.

Техника безопасности при выполнении лабораторных работ

Перед лабораторной работой изучите теоретический раздел и описание лабораторной работы. Покажите преподавателю конспект теоретической и

5

практической части лабораторной работы. Сдайте преподавателю допуск для проведения лабораторной работы.

Уясните технику выполнения лабораторной работы.

Всоответствии с техникой безопасности запрещается:

брать реактивы больше требуемого количества;

неизрасходованные или взятые в избытке реактивы возвращать обратно в склянки (их надо сдать лаборанту);

загромождать рабочее место (во время работы на лабораторном столе должны находиться только необходимые приборы, реактивы и лабораторная тетрадь);

уносить приборы, реактивы общего пользования на свое рабочее

место.

путать пробки от склянок.

принимать пищу в химической лаборатории.

Необходимо выполнять следующие требования.

Перед началом работы следует ополоснуть чистую посуду дистиллированной водой над раковиной, затем при необходимости высушить еѐ.

После окончания работы следует тщательно вымыть посуду, кюветы и вытереть фильтровальной бумагой корзину для кювет.

Склянки и реактивы должны находиться в определенном месте, их нельзя переносить на другие столы.

Следует работать без лишней торопливости, не проливать и не просыпать реактивы, если все же это случилось, нельзя сливать загрязненный реактив обратно в склянку с чистым реактивом, а следует собрать его и передать лаборанту; стол (или другой запачканный предмет) нужно вымыть и вытереть.

Бросать бумагу, бытовое стекло и другие предметы можно только в специальные сосуды и мусорницы.

Если во время работы будет пролита в большом количестве кислота или другой раствор, нужно тотчас сообщить о случившемся лаборанту.

Удалять растворы нужно быстро, так как эти реактивы портят стол

идругие предметы, и осторожно, чтобы не прожечь одежду и не повредить руки.

6

 При всех несчастных случаях необходимо тотчас обращаться к лаборанту или преподавателю.

При работе с электроприборами необходимо соблюдать следующие пра-

вила.

1.Работу с приборами можно начинать только после тщательного ознакомления с инструкцией по их эксплуатации.

2.Включать приборы только в сеть переменного тока с напряжением

220 В.

3.Электроприборы должны располагаться на лабораторном столе таким образом, чтобы химические реактивы не попадали на них, а также в электрическую розетку.

4.Если произошло замыкание электроустановки или возник пожар, необходимо немедленно обесточить прибор. Тушить пожар следует песком

иогнезащитной тканью.

5.Приборы должны иметь рабочую изоляцию, элемент для заземле-

ния.

6.В электроприборах имеются элементы, находящиеся под напряжением, поэтому запрещается самостоятельно вскрывать и ремонтировать их, а также работать с неисправными приборами.

7.После окончания работы необходимо отключить прибор от сети.

Лабораторная работа № 1

Тема: ПОЛУЧЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ ИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Цель работы:

Осуществить реакцию получения глюкозы при кислотном гидролизе целлюлозы.

Теоретическая часть

Целлюлоза является самым распространенным органическим веществом на земной поверхности. Она представляет собой линейный полисахарид – поли- 1-4- -D–глюкопиранозил–D–глюкопиранозу и является гликозидом глюкозы. Макромолекулы целлюлозы образованы гликозидными остатками в пиранозной

7

форме, соединенными -глюкозидной связью в положении 1 – 4. Молекулярная масса целлюлозы превышает 1 млн.

Строение макромолекулы целлюлозы изображается формулой

n

Целлюлоза очень устойчива к механическим и химическим воздействиям. Она нерастворима в воде, разбавленных щелочах и в органических растворителях (спирт, ацетон, эфир и др.). Препараты целлюлозы со степенью полимеризации менее 200 растворяются в 10…20 %-ном растворе NaOH, а со степенью полимеризации менее 1000 – в 85 %-ной фосфорной кислоте. Целлюлоза растворяется в медно аммиачном реактиве, или реактиве Швейцера (раствор гидроксида меди в концентрированном растворе аммиака), а также в некоторых других комплексных соединениях меди, никеля, кадмия и цинка.

Целлюлоза не обладает восстанавливающими свойствами. Для целлюлозы характерны реакции деструкции, приводящие к снижению степени полимеризации. Основными типами деструкции являются:

1)гидролиз целлюлозы под действием гидролизирующих агентов;

2)щелочная деструкция;

3)термическая деструкция;

4)фотохимическая деструкция;

5)биохимическая деструкция;

6)механохимическая деструкция.

Сущность реакции гидролиза полисахаридов заключается во взаимодействии этих веществ с водой, в результате которого происходит разрыв гликозидных связей между звеньями макромолекул с присоединением по месту разрыва воды. В результате такого процесса снижается степень полимеризации полисахаридов и в качестве конечного продукта образуются простые сахара. Для ускорения процесса гидролиза целлюлозы применяют катализаторы – минеральные кислоты, например серную кислоту. Скорость гидролиза целлюлозы увеличивается с повышением температуры.

8

Реактивы и оборудование

1.Водяная баня.

2.Образцы целлюлозы.

3.Концентрированная серная кислота.

4.Разбавленная соляная кислота.

5.2 н раствор NaOH.

6.0,2 н раствор CuSO4.

Экспериментальная часть

Поместите в пробирку маленький кусочек фильтровальной бумаги и добавьте 3…4 капли концентрированной серной кислоты. Размешивайте стеклянной палочкой до полного растворения целлюлозы. Для ускорения процесса растворения можно слегка подогреть пробирку, соблюдая осторожность. В результате растворения должна получиться слабоокрашенная жидкость, которая после добавления 10 капель воды становится бесцветной. Поставьте пробирку в кипящую водяную баню и через 20 мин произведите пробу на глюкозу. Для этого

спомощью пипетки поместите 2 капли гидролизата целлюлозы в пробирку и добавьте 8 капель 2 н раствора NaOH с расчетом не только нейтрализовать взятую для гидролиза кислоту, но и создать избыток щелочи, необходимый для реакций восстановления. Прибавьте 1 каплю 0,2 н раствора CuSO4. Образующийся гидрат окиси меди растворяется с синим окрашиванием. Нагрейте верхнюю часть раствора до кипения. В нагретой части раствора медленно выделяется желтый осадок, что указывает на появление глюкозы в результате гидролиза целлюлозы.

При взаимодействии целлюлозы с концентрированной серной кислотой вначале происходит этерификация свободных гидроксильных групп целлюлозы

собразованием кислых эфиров по схеме

[C6H7O2(OH)3]n + 3n H2SO4 [C6H7O2(OSO2OH)3]n + 3n H2O .

Параллельно идет постепенный гидролиз целлюлозы по кислородным связям между остатками глюкозы с образованием частиц меньших размеров, вследствие чего и происходит растворение целлюлозы.

9

Нагревание кислотного раствора способствует дальнейшему гидролизу и приводит к образованию более простых веществ – гекса-, тетра- и трисахаридов. В конечном итоге из целлюлозы образуется целлобиоза и глюкоза:

Образующиеся соединения растворимы в воде и содержат полуацетальные (гликозидные) гидроксилы, что обусловливает их свойства как восстановителей.

Напишите уравнения протекающих реакций, используя проекционные формулы органических веществ.

Лабораторная работа № 2

ПОЛУЧЕНИЕ ХЛОРОФИЛЛА ИЗ ЛИСТЬЕВ РАСТЕНИЙ

Цель работы: получить вытяжку хлорофилла для дальнейшего изучения ее свойств.

Теоретическая часть

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов 17 поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндергонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества. Фотосинтез

— это сложный многоступенчатый процесс. В нем различают световую и темновую фазы. Световая фаза фотосинтеза начинается с освещения хлоропласта видимым светом. Фотон, попав в молекулу хлорофилла, приводит ее в возбужденное состояние: ее электроны перескакивают на высшие орбиты. Один из таких электронов переходит на молекулу-переносчика, она уносит его на другую сторону мембраны тилакоида. Молекулы хлорофилла восстанавливают потерю электрона, отбирая его от молекулы воды. В результате потери электронов молекулы воды разлагаются на протоны и ионы гидроксила (фотолиз): Н2О Н + + ОН– . Протоны, неспособные к диффузии через мембрану, накапливаются в

10

гране. Ионы гидроксила ОН отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы ОН0 , взаимодействующие друг с другом с образованием воды и молекулярного кислорода, который, диффундируя через мембрану, выделяется в атмосферу: 4ОН– → О2↑ + 2Н2О. Таким образом, по одну сторону мембраны накапливаются положительно заряженные протоны, по другую — частицы с отрицательным зарядом, что приводит к нарастанию разности потенциалов. При достижении критического уровня разности потенциала протоны проталкиваются на другую сторону мембраны через канал внутри АТФ - синтетазы. Освобождающаяся при этом энергия тратится на синтез АТФ, которая переправляется в место синтеза углеводов. Протоны, присоединив электрон, превращаются в атомы водорода, они также переправляются в место синтеза углеводов (Н+ + е → Н0). Общее уравнение световой фазы фотосинтеза: 4ОН– → О2 + 2Н2О. Таким образом, в световую фазу фотосинтеза протекают следующие процессы: — образование молекулярного кислорода, выделяющегося в атмосферу; — синтез АТФ; — образование атомарного водорода.

Реактивы и оборудование

1.сухие листья крапивы или свежие листья комнатного растения,

2.спиртовая вытяжка из листьев, бензин, этиловый спирт,

3.электроплита,

4.водяная баня,

5.термостойкая колба на 250 мл,

6.воронка, пробирки, пипетки, химический стакан,

7.кусочек бинта или марли,

8.фарфоровая ступка,

9.песок,

10.фильтровальная бумага.

Экспериментальная часть

Для получения спиртовой вытяжки хлорофилла из свежих листьев зеленые листья тщательно растереть с песком в фарфоровой ступке, приливая спирт, и отфильтровать через бумажный фильтр 21. Для получения спиртовой вытяжки хлорофилла из сухих листьев необходимо в термостойкую колбу на 250 мл поместить сухие листья крапивы, обварить кипятком, чтобы облегчить последующее извлечение из них пигмента, затем воду слить. В колбу с листья-