Sacchariders Reduktion af Fehlings Væske

Side 1

Kemi rapport, sacchariders egenskaber til d. 16. september 2008

[navn fjernet], 3.x Ribe Katedralskole

Side 1 af 10

Sacchariders egenskaber

Gruppe: Anders HF og Kaare BH

Formål:

Denne øvelse er en todelt øvelse, hvor formålet med den første deløvelse er at undersøge hvilke saccharider der reducerer kobber(II)ioner til kobber(I)ioner i Fehlings væske. Formålet med den anden deløvelse er at undersøge, hvad stivelse spaltes til ved den enzymkatalyserede hydrolyse og ved den syrekatalyserede hydrolyse.

Materialer:

Deløvelse 1:Bægerglas 250 mL, trefod, trådnet, bunsenbrænder, reagensglas, reagensglasstativ, spatel, reagensglasholder, måleglas 10 mL, morter med pistil, tragt, malertape, pimpsten.

Deløvelse 2: Bunsenbrænder, trefod, trådnet, bægerglas 250 mL, pimpsten, reagensglas i stativ, spatler, filtrerpapir, tragt, chromatografikar, smeltepunktsrør 200 mm, saks, blød blyant, lineal, digeltang og celluloseplader

Kemikalier:

Deløvelse 1: Glukose, fructose, maltose, saccharose, stivelse, et æble, Fehling I, Fehling II, 0,5 mol HCl og 2 mol NaOH.

Deløvelse 2: stivelse, 0,4 mol HCl, iodopløsning

(2%), glucoseopløsning (2%), maltoseopløsning

(2%), løbevæske: 1-propanol, eddikesyre og vand i volumenforholdet 3:1:1, og fremkaldervæske.

Opstilling:

Side 2

Kemi rapport, sacchariders egenskaber til d. 16. september 2008

[navn fjernet], 3.x Ribe Katedralskole

Side 2 af 10

Teori:

Til denne øvelse undersøger vi hvilke saccharider der kan reducere Fehlings væske. Ved en positiv Fehlings prøve vil man se en form for rødt bundfald i reagensglasset. Hvorfor dette fremkommer, vil jeg senere forklare. Først vil jeg redegøre for de forskellige former saccharider vi arbejder med.

Monosaccharider består af forholdsvis små molekyler, der har 3 til 7 carbonatomer. Udover disse er der også tilknyttet en oxogrupper og på de øvrige carbonatomer sidder der en hydroxygrupper. De monosaccharider der har den største betydning er dem med 6 carbonatomer (hexoser).

Molekyleformlen for disse er C H O. Man skelner mellem to slags hexoser, aldo- og ketohexose.

6 12 6

Forstavelsen aldo og keto, hentyder til, at stofferne henholdsvis er aldehyder og ketoner.

I dette forsøg anvender vi to monosaccharider, glucose og fructose.

O

H C O

O C H

H C O

O C H

O H

C

C HH

H

H

H

H

H

Glukose Fructose

O

H C O

O C H

H C O

C O

C

C HH

H

H

H

H

O H

H

H

Glucose og fructose har den samme molekylformel, men deres strukturformel er ikke ens som vi kan se. Forskellen er at oxogruppen ikke er placeret ens på de to stoffer. I glukosen sidder den på det første carbon og er derfor en aldohexose og ved fructose sidder oxogruppen på carbon nummer

2. Derfor er fructose en ketohexose.

Glucose er en af de vigtigste aldohexoser. Den findes i mange_{2}_{CH}

frugter og honning. Man finder også glucose i blodet og stoffet

udgør en vigtig rolle i levende organismers stofskifte. Hvis^{H}^{O}
man ser på den måde jeg har tegnet glucose på, kunne man få^{O H}^{H}
den opfattelse at carbonkæden var lineær, men det er den ikke.^{O H}
Men den er opbygget med den normale tetraederstruktur^{H}

omkring hvert enkelt carbonatom, i glucoses tilfælde bukker

OH

O H

H

O H

C H

D-glucose, aldehydform

Side 3

Kemi rapport, sacchariders egenskaber til d. 16. september 2008

[navn fjernet], 3.x Ribe Katedralskole

Side 3 af 10 den ’sammen’. Denne struktur ses til højre på foregående side. Vi kan her se at OH-gruppen på

carbon atom nr. 5 kommer tæt på CO= -gruppen, og når dette sker, kan der ske en reaktion mellem

disse to grupper:

R O R R

H

   C
+

H

O

R O C

H

H

O

I glucoses tilfælde ser vi at carbonatom nr. 1 bliver asymmetrisk, og der kan derfor dannes to cyclsike stoffer:

O H H

OH

H

H

H

CH O H

2

C

O H H

O H

H

O H

O O H

OH

H

H

CH O H

2

C

O H

O H

H

−− glucoseD

α

−− glucoseD

β

Det er værd at bemærke at disse ikke er hinandens spejlbilleder, og har derfor forskellige egenskaber, fx forskellig opløselighed. I krystallinsk tilstand er de to former helt stabile, men i opløsning indstiller de sig i ligevægt med aldehydformen og dermed med hinanden. I en ligevægtsblanding i vandig opløsning er der ca. 36% af -formen og ca. 64% -formen og kun α β minimale mængder af aldehydformen.

Fructose er som sagt en ketohexose. Man kan finde fructose i mange forskellige frugter og i honning. Normalt er ketohexoserne på cyclisk form. Ved reaktion mellem OH-gruppen på

carbonatom nr. 5 og C = O-gruppen, dannes der en 5-leddet ring. Men hvis det i stedet er OH-

gruppen på carbon nr. 6, som deltager i ringslutningen, dannes der en 6-leddet ring. Man skulle ikke tro at fructose så kunne reducere Fehlings væske, men det kan den. Det er sandsynligvis fordi der kan ske en omdannelse fra keton til aldehyd i den stærke basiske opløsning:

CH OH CHO

2

R

C O CHOH

Dvs. at fordi et stof reducerer Fehlings væske, betyder det ikke nødvendigvis at stoffet er et aldehyd.

Side 4

Kemi rapport, sacchariders egenskaber til d. 16. september 2008

[navn fjernet], 3.x Ribe Katedralskole

Side 4 af 10

Disaccharider dannes ved kondensation af to molekyler monosaccharider. Maltose bliver dannet ved en kondensation af to molekyler glucose:

O H O O O

OH OH

H H OH OH

H H

H H

CH O H CH O H CH CH

2 2

C                    CH H OH⋅                                                    H OH⋅
                                                                                  2
                        2

O H O H

O H O H

H H

O H

−− glucoseD D-glucose maltoseD −

α

+

H

H H

H H

H H

O H O H

2 2

CH CH

O H

O H O H

H H

O

+ 2^{OH}

Denne reaktion sker ikke af sig selv, men kan kun gennemføres gennem omveje i laboratoriet.

Bindingen der dannes mellem de to monocaccharidenheder kaldes for en glycosidbinding. Maltose kan reducere Fehlings væske som følge af, at højre ring kan åbne til aldehydformen. Disaccharider kan hydrolyseres til monosaccharider. Maltose bliver naturligvis hydrolyseret til to D-glucose molekyler.

Saccharose har den samme molekylformel som maltose, nemlig C H O. Men saccharose består

12 22 11 af en D-glucose-enhed enhed og en D-fructose-enhed: saccharose

O H

OH H

H O H

H OH

H

CH O H

2

CH

O H

O H

H

O

H

H

O HCH

2

CH O H

2

O

Formlen viser, at glycosidbindingen går fra carbonatom nr. 1 i glucoseringen til carbonatom nr. 2 i fructoseringen. Det er i begge tilfælde det carbonatom, hvor oxogruppen ’hører til’, og det medvirker at begge ringe er ’låst’ dvs. at de ikke kan åbnes og derved reducere Fehlings væske.

Polysaccharider indeholder mange monosaccharid-enheder bundet sammen med glucosidbindinger.

Stivelse findes som oplagsnæring i planter. Ved en fuldstændig hydrolyse af stivelse dannes der D-glucose, dvs. at man kan med sikkerhed konkludere at stivelse er sammensat af mange sammenbunde D-glucose enheder. Disse lange kæder af sammenbundne enheder, kan være meget lange, men gennemsnitlig er der ca. 200 glucose-enheder pr. molekyle. Ud af de 200 enheder, er der kun én der kan åbne til aldehydformen, og det gør at man næsten ikke vil se nogen form for reduktion af Fehlings væske.

Side 5

Kemi rapport, sacchariders egenskaber til d. 16. september 2008

[navn fjernet], 3.x Ribe Katedralskole

Side 5 af 10

I det foregående afsnit har jeg skrevet en del om Fehlings væske. Denne væske er en basisk opløsning, der indeholder kobber(II)ioner. Ved opvarmning og Fehlings væske blandet med et

aldehyd reduceres kobber(II)ionerne af aldehydet til Cu O_{2} der ses som et rødt bundfald:

           2 +−
− + + → − + + 2 4 2R CHO Cu OH R COOH Cu O H O (1)
                                    22
                                    rødt bundfald

Et andet, lige så rigtigt, reaktionsskema for den samme reaktion er:

           2
− + + → − + + 2 3 2 2R CHO Cu OH R COO Cu H O (2)
                                   rødt bundfald

2

+ − − +

I teorien er de to reaktionsskemaer et udtryk på den sammen, dog kan man sige at det ikke er realistisk at vi får dannet frit kobber, som reaktionen i nummer 2 dikterer, men det er mere realistisk

at vi får dannet Cu O_{2}. Men omvendt kan man sige at det ikke giver mening at COOH skal blive et

produkt af reaktionen, men mere realistisk at det er CO O^{−} der bliver dannet.

Grunden til at man først kan blande Fehlingsvæske, lige inden man skal bruge det er at kobberionerne komplekst er bundet til tartrationer, og hvis denne binding brydes, ville

kobberionerne fælde ud som Cu OH ( )_{2}.

Udførelse (1):

Vi startede med at sætte et vandbad over, det bestod af et 250 mL bægerglas, som vi havde fyldt 2/3

op med vand og tilsat pimpsten. Vi mærkede reagensglassene med numre fra 1 – 10, så vi kunne holde styr på hvilke stoffer der var i hvilket reagensglas. I forsøg 1 – 5 startede vi med at blande ca.

2 mL Fehling I med ca. 2 mL Fehling II i et reagensglas. Ved sammenblandingen sker der en

farveændring der skyldes at der nu dannes de før omtalte komplekse bindinger mellem Cu^{2}^{+} og

tartrat-ionerne. Vi tilsatte nu et spatelfuld af saccharidet, hvorefter vi nedsænkede det i vores kogende vandbad i et par minutter.

I forsøg 6 brugte vi i stedet for saccharidet noget æbleudtræk som vi havde fået fra et æble som vi grundigt havde knust med morteren.

I forsøg 7, 9 blandede vi en spatelfuld af saccharidet med 5 mL vand og i forsøg 8, 10 blandede vi saccharidet med 4 mL 0,5 mol HCl. Disse reagensglas anbringer vi nu i det kogende vandbad i ca.

10 min.

Vi tog herefter reagensglassene op og i forsøg 8,10 neutraliserede vi syren ved at tilsætte 2 mL 1 mol NaOH, hvorefter vi lavede Fehlings prøve på alle fire reagensglas.

Side 6

Kemi rapport, sacchariders egenskaber til d. 16. september 2008

[navn fjernet], 3.x Ribe Katedralskole

Side 6 af 10

Resultater (1):

Efter at have lavet Fehlings prøve som beskrevet ovenfor, fik vi følgende resultater:

Saccharid Fehlings prøve

1. glucose | Positiv prøve, forløber hurtigt
2. fructose | Positiv prøve, forløber ’gradient’
3. maltose | Positiv prøve
4. saccharose | Negativ prøve
5. stivelse | Positiv prøve, meget langsom
6. æbleudtræk | Positiv prøve

Jeg vil nu gennemgå hvert enkelt saccharid og redegøre hvorfor at det kan reducere Fehlings væske:

1. Glucose: tidligere da jeg forklarede om glucose, fortalte jeg at der kun var ca. 1 % af blandingen der ville være i en aldehyd form. Det er netop denne aldehyd form der med sin

’åbne’ ring kan gå ind og reducere Fehlings væske. Men hvordan kan det være, at når der kun er 1% af den type i opløsningen, at vi så får en sådan positiv prøve. Det er fordi at den ligevægt der indfinder sig, er en dynamisk ligevægt og det gør at ligevægten forskydes i sådan en grad at den reagerer med Fehlings prøve.

2. Fructose: man ville ikke umiddelbart tro at denne kunne reducere Fehlings prøve, men grunden til at den gør det er, at i den en stærk basiske opløsning der kan ske en omdannelse fra keton til aldehyd (se teoriafsnit)

3. Maltose: maltose er også i stand til at reducere Fehlings væske, da den kan åbne dens højre ring og på den måde er i stand til at medvirke i redoxreaktionen.

4. Saccharose: som forklaret i teoriafsnittet kan ingen af ringene i saccharoses molekylære opbygning åbne sig og reducere Fehlings prøve. Dette stemmer tydeligvis i overens med det vi har observeret.

5. Stivelse: først observerede vi næsten igen ting, men hvis vi lod opløsningen stå længe, kunne vi se at der skete en gradvis reduktion af Fehlings væske. Dette kan forklares ved at ét molekyle i den lange kæde af molekyler kan reducere Fehlings væske, da dette molekyle er den eneste der er i stand til at åbne ringen således at den kan reagerer med væsken.

6. Æbleudtræk: her får vi naturligvis en positiv prøve, da der er fructose i udtrækket.

Side 7

Kemi rapport, sacchariders egenskaber til d. 16. september 2008

[navn fjernet], 3.x Ribe Katedralskole

Side 7 af 10

I den anden del af forsøget fik vi følgende resultater:

Opvarmes i vandbad i 10 min Fehlings prøve

7. Saccharose + 5 mL vand Negativ
8. Saccharose + 5 mL 0,4 mol HCl Positiv
9. Stivelse + 5 mL vand Negativ
10. Stivelse + 5 mL 0,4 mol HCl Positiv

Forsøg 7 og 9 viser at vandet ikke har været i stand til at reducere Fehlings prøve. Dette kan forklares med saccharose er et disaccharid der består af en fructose og en glucose del. Vandet er her ikke i stand til at spalte dem op, sådan så vi får en positiv Fehlings prøve. Med stivelsen, kunne vi have set i en lille udstrækning at Fehlings væsken ville blive reduceret, da det ene molekyle i enden af dens lange polysaccharid kæde, har en åbning hvor reduktionen kan forløbe. Men da vi ikke har fået nogen reaktion kan de skyldes at vi ikke har ladet forsøget løbe længe nok.

I forsøg 8 og 10, ser vi det modsatte, nemlig at syren er i stand til at bryde de glycosidbindninger der er mellem fructose og glucose og derved får vi en positiv prøve. Ved stivelsen ser vi at vi også får en positiv Fehlings prøve, hvilket betyder at vi har fået delt polysaccharidkæden op i mindre stykker og derved er der også flere ’ender’ hvor med at Fehlings væske kan bliver reduceret.

Udførelse (2)

Til dette forsøg bruger vi igen et vandbad som beskrevet i forrige udførelsesafsnit.

Syrekatalyseret hydrolyse: i et reagensglas blander vi to spatelfulde stivelse med 10 mL 0,4 mol HCl. Blandingen opvarmer vi i vandbadet under omrøring indtil stivelsen er opløst. Ca. hvert andet minut udtager vi et par dråber af reaktionsblandingen og overfører det på en bakke hvor vi har linet nogle dråber op med en iodopløsning. I starten af forsøget observerede vi en kraftig blå-farvning som er tegn på at reaktionsblandingen stadig indeholder stivelse. Når prøverne slet ikke skifter farve, lader vi reaktionsblanding stå endnu 5 min mere i det kogende vand hvorefter at hydrolysen anses for at være færdig.

Enzymkatalyseret hydrolyse: vi blander to spatelfulde stivelse med 10 mL vand i et reagensglas, hvorefter vi bringer stivelsen i opløsning ved opvarmning i vandbadet. Da stivelsen er opløst, lader

vi reagensglasset afkøle, til det når en temperatur omkring 37^{o} C. Grunden til dette er, at ved en

højere temperatur, vil enzymet blive ødelagt. Vi skal nu have produceret noget spyt som er leverandør for det enzym vi skal bruge i forsøget. Personen der er udtaget til dette, tager lidt

Side 8

Kemi rapport, sacchariders egenskaber til d. 16. september 2008

[navn fjernet], 3.x Ribe Katedralskole

Side 8 af 10 vandhanevand i munden, og skyller grundigt rundt og spytter derefter ud i en tragt med ilagt filtrerpapir som står i et rent bægerglas. Den enzymkatalyserede hydrolyse kan nu startes ved at blande det filtrede spyt med den afkølede stivelsesopløsning. Vi udtager igen prøver og blander med en iodopløsning (som beskrevet ovenfor) for at finde ud af, hvornår at hydrolysen er tilendebragt. Når vi ikke ser nogen farveændring mere lader vi blandingen stå endnu 5 min, og blandingen er nu klar til tyndtlagschromatografi.

Tyndtlagschromatografi: til denne anvendes der en løbevæske, som er en blanding af 1-propanol, eddikesyre og vand. Et chromatografikar blev gjort klar til os og vi skal nu have fremstillet vores plader.

Til det formål anvender vi færdigt fremstillede tyndtlagsplader, der består af et tyndt lag cellulose på aluminium. Med lineal og en blød blyant, anførte vi med blød hånd en startstreg og afmærkede hvor de 7 væsker skulle placeres. På de 7 mærke påfører vi med et smelterørsglas en lille plet med de forskellige blandinger vi ønsker undersøgt. Efter vi havde gjort dette, satte vi forsigtigt pladen ned i chromatografikarret og lod væsken løbe.

Efter at væsken har løbet op af celluloselaget, er der ikke noget synligt resultat. Det er fordi at sacchariderne er farveløse og derfor skal pladen først ’fremkaldes’ før vi kan se noget synligt resultat. Derfor gennemvæder vi arket med en fremkaldervæske, der indeholder nogen stoffer, der ved ophedning reagerer med sacchariderne under dannelse af nogle brune stoffer. Denne ophedning lavede vi med en bunsenbrænder og en trefod med tilhørende trådnet for at sikre at varmen bliver fordelt bedst muligt. Vi holder, med en digeltang, arket ind over varmekilden indtil vi får nogle synlige brune pletter frem, hvis man holder arket for længe over varmekilden vil hele pladen blive mørk, så fidusen er at ’stoppe mens legen er god’

Resultater:

Efter at have fremkaldt pladen, kunne vi udregne R_{f} -værdierne for de forskellige stoffer som vi

havde med i forsøget:

R_{, cos} == 0, 420168 R_{f saccharose}_{,} == 0, 372014 R_{f syrekat}_{,1} == 0, 378521

R_{f fructose}_{,} == 0, 519149 R_{f æblesaft}_{,1} == 0, 360281 R_{f syrekat}_{,1} == 0, 246479

R_{,s} == 0, 258621 R_{f æblesaft}_{,2} == 0, 509666 R_{f spyt}_{,} == 0, 231034

25 mm 21,8 mm 21,5 mm

59, 5 mm 58, 6 mm 56,8 mm

30, 5 mm 20, 5 mm 14, 0 mm

58, 75 mm 56, 9 mm 56,8 mm

15 mm 29, 0 mm 13, 4 mm

58, 0 mm 56, 9 mm 58, 0 mm f glu e f malto e

Disse værdier har jeg for overskuelighedens skyld indsat i et diagram:

Side 9

Kemi rapport, sacchariders egenskaber til d. 16. september 2008

[navn fjernet], 3.x Ribe Katedralskole

Side 9 af 10

Jeg kan nu undersøge, ved at sammenligne R_{f} værdierne for de forskellige stoffer, hvilket stof der

er tilstede efter at det er blevet enten syre- eller spyt katalyseret. Hvis vi først kigger på diagrammet

kan vi se at, ved æblesaft fremkom der to prikker, hvis R_{f} -værdier stemmer overens med hhv.

fructose og saccharose. Det betyder at der i æblesaften er disse to former, hvilket ikke er overraskende da det er de stoffer man ved der befinder sig i æblet.

Hvis vi kigger på den syrekatalyserede hydrolyse, ser vi at den ene prik vi fik frem stemmer overens med saccharose og den anden med maltose. Dette er ikke helt det vi forventede, da det gerne skulle have givet glucose. Men dette kan være fordi at hydrolysen ikke har været tilendebragt og vi derfor ikke har fået delt stivelsen ikke er blevet delt i små stykker nok og derfor giver en plet ved saccharose og maltose. En anden forklaring kan være at pladen ikke har været længe nok i løbevæsken og derfor kan det være at pletten ikke helt har været færdig med at bevæge sig opad.

Dette kan være en afvigelse da vi blev nødt til at stoppe for forsøget før tid.

Den spytkatalyserede hydrolyse har en R_{f} -værdi der stemmer overens med maltosen. Denne havde

vi også forventet at give ren glucose, men efter som at spyttet, hvor vi hentede enzymerne fra, kan have været dårligt, kan det være at vi ikke har fået spaltet stivelsen fuldstændig. En anden årsag kan også her være at pladen ikke har tilbragt nok til i løbevæsken.

En fælles usikkerhed ved alle pletterne, er at vi kun påførte væskerne én gang, da vi ikke havde den fornødne tid til at vente på at pletten ville tørre. Dette har medvirket at vi har fået nogen store, ret

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Side 10

Kemi rapport, sacchariders egenskaber til d. 16. september 2008

[navn fjernet], 3.x Ribe Katedralskole

Side 10 af 10 unøjagtige pletter. Hvis vi havde haft den fornødne tid, ville vi have været i stand til at lave nogle meget mere nøjagtige pletter og derfor også et meget mere nøjagtigt resultat.

Konklusion:

Gennem dette forsøg har vi fået klar lagt mange af de egenskaber som saccharider har. Det har vi gjort gennem en række forsøgt, som jeg vil mene er lykkedes til fulde. Gennem forsøgene har vi fået eftervist det vi gerne ville have efter vist, med en forholdsvis lille usikkerhed. Alt i alt kan jeg konkludere at forsøget er vellykket, og vi har fået efter vist, det vi gerne ville da vi har fundet ud af hvilke stoffer der kan reducere Fehlings væske og hvilke stoffer stivelse bliver spaltet til hvis vi laver en henholdsvis syre- og enzymkatalyseret hydrolyse på stivelsen.

[navn fjernet], 3.x