實驗十合成人工香料 --- Esters 目的 : 學習如何利用人工合成方式, 合成香料中酯的成份 ( 酯化反應 ) 原理 : 大部分水果與食物的香味, 都是因為含有機化合物酯的成分, 而具有獨特氣味 除了自然界自然生成的外, 也可由人工合成的 人工合成的酯類常被稱作人工香料 (artificial flavorings), 使用添加在例如冰淇淋 蛋糕 口香糖等食物上 使用人工香料有許多優點, 如 : 大部分天然香料經高溫處理會變質, 天然香料較難保存, 供應的量較難控制等 所以其中常用的一種人工合成的方式, 就是利用醇及有機酸 1:1 反應而得, 稱酯化 (esterification) 反應來合成出酯 反應式如下 : R + R' + R R' + 2 Alcohol arboxylic acid Esters Water 依勒莎特列原理知此反應為一可逆反應, 由反應式得知此反應為平衡反應其產量不 高, 如何增加產量, 必須要用酸為催化劑, 通常以濃硫酸或無水鹽酸作為催化劑來進行 反應 以水楊酸和甲醇為例說明反應機制如下 : (1) 酸被催化劑質子化後 (protonation) 而有共振結構 (2) 醇作為 nucleophile 攻擊 (1) 的共振結構 (3) 得到一個 + (4) 失去一分子水 ( 2 ) (5) 失去一個 + 得產物 (1) + - (2) 3 + 3 55
(3) + - 3 + - 3 (4) - 2 + 2 3 3 3 (5) - 3 + 實驗藥品 : Methanol ( 甲醇 ) 15ml Salicylic acid( 水楊酸 ) 3.5g conc. Sulfuric acid ( 濃硫酸 ) 2ml Magnesium Sulfate Anhydrous( 無水硫酸鎂 ) 適量 10% Sodium Bicarbonate 50ml Dichloromethane 20ml ( 碳酸氫鈉水溶液 ) ( 二氯甲烷 ) 實驗器材 :100ml 加熱包 100ml 圓底燒瓶 李畢氏冷凝管 加熱板 變壓器 三叉夾 分液漏斗 錐形瓶 玻璃漏斗 燒杯 水管 實驗步驟 : 可先於上課前 20~30 分鐘進行步驟 1~4 1. 戴上手套秤 3.5g 水楊酸 (0.025 mole) 並確實紀錄重量, 小心地放入 100ml 圓底燒瓶中 將加熱包放在加熱板上再將圓底燒瓶放在加熱包中 2. 取 15ml 甲醇以玻璃滴管吸取並加入上述圓底燒瓶內, 需將殘留於瓶壁的水楊酸洗入瓶內, 放入磁石並開啟 Siter 攪拌使之完全溶解 切勿開到 eat 3. 以 10ml 量筒量取 2ml 濃硫酸, 以玻璃滴管吸取之再緩緩加入圓底燒瓶中 4. 架設迴流裝置, 迴流 1 小時 同學可於實驗課開始時, 先進行步驟 1~4 5. 洗淨 50ml 圓底燒瓶 50ml 錐形瓶及玻璃漏斗並放入烘箱烘乾 6. 迴流完成後, 移除熱源使之冷卻 7. 以減壓濃縮機, 將圓底燒瓶內的甲醇確實抽除 ( 圓底燒瓶內溶液不再減少 ), 此時會有 56
水楊酸固體析出 約 10 分鐘 8. 緩慢加入 10% 碳酸氫鈉水溶液 50 ml 以磁石攪拌約 15~20 分鐘, 待白色固體完全溶解, 溶液呈透明且有油滴, 將溶液倒入分液漏斗中, 準備萃取 9. 取 10ml 二氯甲烷先潤洗圓底燒瓶後加入分液漏斗中進行萃取, 以錐形瓶收集有機層 重複此步驟萃取兩次, 合併兩次的有機層 10. 有機層加入無水硫酸鎂除水, 以棉花過濾 11. 濾液流入已知重量的乾燥圓底燒瓶中後, 進行減壓濃縮約 5 分鐘, 即得產物 12. 以鼻子聞產物的味道描述味道 記錄重量 計算產率 注意事項 : 1. 加熱板勿開 eat 鈕 2. 變壓器不可開至最大, 以免加熱速率太快而造成危險 最大只可開至刻度 5~6 之間 3. 產物與所有廢液皆要回收, 勿任意丟棄以免造成環境污染 4. 步驟 5 萃取時, 分液漏斗倒置後先洩壓, 然後搖晃萃取, 要常常洩壓, 以免內壓太大而噴出造成危險 5. 攪拌子很小, 小心保管, 不可弄丟, 否則須賠償 6. 產率算法 : 實際產率 mole 數 / 理論產率 mole 數 *100% = 產率 7. 請先找出產物之學名 分子量 沸點及比重 水流向 冷卻水出 冷凝管 冷卻水進 水流向 攪拌子 加熱包 變壓器 圓底燒瓶 圖一迴流裝置示意圖 圖二迴流裝置圖 57
實驗紀錄及報告 實驗十合成人工香料 --- Esters 組別 : 姓名 : 日期 : 數據紀錄 : 香味 : 學名 (Name of ester) : 分子量 : 沸點 : 比重 : 產率 ( 含方程式 ): 問題與討論 : 1. 你會用哪種試劑當作計算理論產率的基礎? 並解釋之? 2. 在本實驗中, 如何應用勒沙特列原理來增加產量? 還有哪些實驗有使用勒沙特列原 理? 3. 在本實驗中, 為何要用碳酸氫鈉水溶液萃取? 若改使用氫氧化鈉水溶液又如何呢? 58
實驗十一合成人工甜味劑 ---Dulcin 目的 : 如何利用人工合成的方法, 合成人工甜味劑 ----Dulcin 並了解反應機制 原理 : ㄧ 代糖 ( Artificial Sweeteners ) 簡介 : 代糖的發現不如某些研究有目的性才去進行實驗, 其發現都是偶然性的, 最先發現的為 saccharin, 現今最常應用的則為 Aspartame(L-Aspartyl-L-phenylalanine methyl ester) 曾有一類代糖為 yclamates, 但因後來實驗證實會致癌而遭停用 代糖的必要條件為低熱量 對人體無毒 不易導致蛀牙 無怪味 合成方式可以大量生產且成本不可過高 代糖並不只限定於某幾個固定的結構式, 因為人體產生甜味的受體 (receptor) 可以容忍某些範圍內的類似物 由於受體 (receptor) 對化學結構的敏感及非敏感範圍, 很多研究者著重在分子結構式與甜味受體 (receptor) 的關連, 可依據此來合成或預測此化合物是否具有甜味 以 saccharin 為例, 通常真正將 saccharin 應用到食物上的為 saccharin 的鹽類, 如 sodium saccharin calcium saccharin 至於 aspartame 則有許多衍生物,aspartame 的特別處在於它是 dipeptide, 但早期不受重視 本次實驗所合成的 dulcin 為尿素的衍生物, 也有許多 analogs 具有甜味 二 Dulcin 的合成 : Dulcin 的合成是利用 p-ethoxyaniline (p-phenetidine) 和 isocyanic acid 的反應而來 Isocyanic acid 可用 potassium cyanate 和 acetic acid 反應而得 K N + 3 potassium cyanate acetic acid Isocyanic acid N + K 3 3 2 N 2 + N 3 2 N N 2 p-ethoxyaniline Isocyanic acid Dulcin 59
反應機制包括 p-ethoxyaniline 的 amino group 對 isocyanic acid 的缺電子 作 nucleophilic attack, 生成有共振結構的中間產物 (intermediate), 將 + 轉至 N 上, 而得最 終產物 3 2 N 2 + N 3 2 N 2 N 3 2 N 2 N 3 2 N N 2 實驗藥品 : p-ethoxyaniline 1.4g Potassium cyanate 1.6g ( p-phenetidine ) (KN) Glacial acetic acid 2ml 脫色碳適量 實驗器材 :50ml 125ml 250ml 錐形瓶 250ml 500ml 燒杯 抽氣過濾瓶 白瓷 漏斗 攪拌子 加熱攪拌器 毛細管 玻棒 滴管 短頸漏斗 實驗步驟 : 可先於上課前 20 分鐘進行步驟 1~2 1. 戴上口罩與手套, 取一 125ml 錐形瓶放入攪拌子並加入 10ml R.. 水, 然後再找助教領取 1.4ml (1.4g,0.010mole) p-ethoxyaniline ( p-phenetidine ) 和 2ml Glacial Acetic acid, 攪拌均勻 2. 稱取 1.6g (0.02mole) Potassium cyanate 於另一含有 5ml R.. 水的 50ml 錐形瓶中, 攪拌溶解, 然後用滴管一滴一滴的滴入步驟 (1) 中, 當開始有 Dulcin 的沉澱生成後, 將剩下的 Potassium cyanate 溶液全部加入步驟 (1) 中 3. 實驗課開始時, 先於實驗桌的通風廚內進行步驟 1~2 並煮沸約 120~150ml 之 R.. 水 4. 在室溫下靜置 40~60 分鐘, 偶爾攪拌一下 5. 加 5ml R.. 水於步驟 (4) 中, 冰浴冷卻混合物約 3~5 分鐘, 以抽氣過濾法收集產物 6. 產物以再結晶法純化 7. 烘乾產物, 稱重 測熔點 算產率並回收產物 60
再結晶步驟 1. 於烘箱內預熱短頸漏斗 摺好的濾紙與 100ml 燒杯 2. 將粗產物放入 250ml 的錐形瓶中加入攪拌子, 然後漸漸加入熱水 ( 接近沸騰的熱水 ), 繼續加熱至沸騰, 直到粗產物完全溶解, 若有少許不溶物如灰塵等則不需要再加水, 水量大約為 80~100ml 3. 若溶液有顏色則將溶液移開熱源 2-3 分鐘後, 加入一平匙 ( 約 0.2~0.3g) 活性碳 ( 勿將活性碳直接加入沸騰溶液中, 以免突沸噴出而產生危險 ), 並再加熱沸騰 1-2 分鐘且繼續攪拌以防止突沸 4. 先取出攪拌子後再以濾紙過濾法趁熱過濾, 將濾液收集至 100ml 燒杯 ( 一邊過濾一邊加熱 ), 若溶液仍有顏色則重覆步驟 3~4, 直到溶液無顏色止 ( 注意 : 若過濾時產物已在濾紙上結晶無法順利濾下, 則可在濾紙上淋少許熱水, 將之溶解過濾 ) 5. 使燒杯慢慢的冷卻至室溫, 直到結晶生成, 再放入冰浴中靜置至 3~5 分鐘 6. 利用抽氣過濾裝置過濾結晶 3~5 分鐘, 將結晶收集至乾淨 250ml 燒杯並分散 7. 放入 130 烘箱烘乾約 20~25 分鐘後取出冷卻 8. 熔點測定步驟如下 : a 取少許乾燥之成品磨成粉狀 b 拿一端開口之毛細管, 將開口端插入樣品中, 然後倒置將封口端置於桌面輕敲, 直到樣品掉入封口端為止, 需填充緊實注 4, 高度約為 0.2~0.4cm c 將步驟 2 已裝好的毛細管 ( 封口端在下面 ) 放入熔點測定器中測熔點 ( 熔點測定儀的操作步驟見儀器說明第 vi 與 vii 頁 ), 當樣品開始熔化時, 同步紀錄初熔及全熔之溫度, 此溫度範圍即為該樣品之熔點 9. 稱重 測溶點 算產率及回收百分比 注意事項 : 1. p-ethoxyaniline 有毒性 Glacial Acetic acid 具刺激性, 避免吸入及皮膚接觸 2. 取用 Potassium yanate 請確認化學式及英文命名 請勿拿到 Potassium yanide 此化合物為劇毒會致命, 切勿拿錯, 請確認化學式及英文命名 ( 要特別小心謹慎!) 3. 產物要回收, 放置指定的器皿內 不可任意丟棄, 以免污染環境 4. 請先找出產物之學名 分子量 熔點及比重 61
實驗紀錄及報告 實驗十一合成人工甜味劑 ---Dulcin 組別 : 姓名 : 日期 : 數據紀錄 : 試劑分子量重量莫耳數產量限制試劑 p-ethoxyaniline potassium cyanate 理論值 ( 寫出計算式 ) 實際產率 ( 寫出計算式 ) 產 熔 量 點 問題與討論 : 1. 寫出在長時間沸騰後 aqueous acid Dulcin 轉換成 N,N'-di(ethoxyphenyl)urea 之反應機 制 2. 寫出 potassium cyanide(kn) 被酸化之反應及其危害? 3. 舉列目前還有哪些人工甜味劑? 62
實驗十二 arbohydrates 的反應特性與醣類的檢驗目的 :1. 認識碳水化合物在結構上的相異, 並用 Benedict s 和 ydrolysis test 來檢驗是 原理 : 否是醛糖 2. 檢驗市售飲料所含糖的種類 碳水化合物充斥著我們的生活, 舉凡食物中的葡萄糖 果糖 澱粉及紙張, 衣物中的纖維素皆屬碳水化合物, 其在大自然中的產生主要透過植物的光合作用將二氧化碳及水轉化為氧及某些碳水化合物 簡言之, 碳水化合物為多羥醛 多羥酮或可水解而成的化合物 但通常碳水化合物存在的形式為 hemiacetals ( 半羧醛 ) acetals ( 羧醛 ) hemiketals ( 半羧酮 ) ketals ( 羧酮 ) 所有的碳水化合物含個數比為 1:2:1 的碳 氫 氧原子 雖然分子中並不含真正的水分子, 但分子間的結合會恰好出現水分子 (R) 半羧醛 (hemiacetal) 碳水化合物可以是僅含三個碳的簡單有機物, 也可是含超過一萬個碳的複雜聚合物 即使是簡單的化合物, 往往會因眾多的 chiral centers 而有各種可能的立體異構物 碳水化合物傾向形成五環或六環, 僅有一個環狀結構的碳水化合物為單醣 (monosaccharide), 有兩環者為雙醣 (disaccharide), 有多環者為多醣 (polysaccharide) 單醣含葡萄糖 (Glucose,Dextrose) 果糖(Fructose) 及半乳糖 (Galactose), 其中果糖為酮醣, 其他為醛醣 雙醣含麥芽糖 (Maltose) 蔗糖(Sucrose) 及乳糖 (Lactose) 多醣則有纖維素 (ellulose) 澱粉(Starch) 及肝糖 (Glycogen) 其結構如下表一: 63
glucose fructose maltose galactose lactose sucrose 2 2 * * simple starch 表一各種醣類的結構 n Anomer: Anomer 是因醛基或酮基上的氧原子在形成環狀後空間排列的不同而有的異構物, 如 下圖所示, 當該氧原子朝下則為 αanomer, 若朝上則為 βanomer (R) (R) anomer anomer 自然界中最明顯的例子即纖維素和澱粉, 這兩個分子皆由葡萄糖聚合而成, 但澱粉 的葡萄糖以 αanomer 形式存在, 纖維素則以 βanomer 形式存在 64
Mutarotation: 由於碳水化合物含有半羧醛或半羧酮, 其環狀構造可打開形成醛或酮, 而後再關起形成立體異構物 如上圖所示為溶於水中的葡萄糖分子,α 與 β anomer 相互轉換過程 像這樣在溶液中, 旋光性物質改變旋光度以達到平衡的現象即可稱作 mutarotation Benedict s Test : Benedict s test 可分辨單醣與雙醣是否為醛醣 該試劑含有銅離子, 若此糖為醛醣, 環打開, 醛基 (-) 可還原銅離子, 生成紅色沉澱 因此, 醛糖 ( 半羧醛 ) 又稱還原醣 (reducing sugar) 反應式如下: R + 2u 2+ + 4 - R 藍色 + u 2 + 2 2 紅色沉澱 ydrolysis Test: 雙醣及多醣可先由酸或酵素水解為單醣後, 再以上述試劑予以測試 酮醣轉變為醛醣 : 果糖可由酮醣轉換為醛醣, 其反應式如下 : 2 - - + 實驗藥品 : 1% Glu cose 1ml 1% Galactose 1ml 1% Lactose 1ml 1% Fructose 1ml 1% Maltose 1ml 1% Starch 1ml 1% Sucrose 1ml 市售飲料 1~2 種 1ml Benedict s reagent 12ml 10% Sodium ydroxide 適量 conc. ydrochloric acid ( 濃鹽酸 ) 2ml 實驗器材 : 試管 12 支 250ml 燒杯 1 個 加熱攪拌器 玻棒 紅色石蕊試紙 65
實驗步驟 : Benedict s test: 1. 取 100ml 的水放入 250ml 燒杯中, 以加熱攪拌器加熱至沸騰備用 2. 取 9~10 支已貼上標示的試管, 各加入 1ml 1% 的 Glucose, Fructose, Maltose, Galactose, Sucrose, Lactose, Starch 和 R.. 水及市售飲料 1~2 種 3. 每支試管各加入 1 ml Benedict s reagent, 在 100ml 沸水浴中加熱 10~15 分鐘 4. 取出試管並觀察沉澱, 記錄結果 5. 沉澱由紅色到棕色, 皆表示有反應, 若僅有顏色變化但無沉澱者, 則視為無反應 ydrolysis Test: 1. 將上述 Benedict s test 實驗中未變色的醣類 ( 水不需要 ), 再分別各取 1ml 加入已標示的試管中 2. 加 9~10 滴濃 ydrochloric acid 於各試管中攪拌均勻, 於沸水浴中加熱 20~25 分鐘 3. 取出試管, 冷卻後再加約 15~20 滴約 1 ml 10% Sodium ydroxide 至各試管溶液使紅色石蕊試紙變色止 ( 注意 : 勿將試紙丟入溶液中, 因其染料會污染溶液 ) 4. 每支試管各加入 1 ml Benedict s reagent, 在沸水浴中加熱 10~15 分鐘 5. 取出試管並觀察沉澱, 記錄結果並比較與 Benedict s test 所得結果相比較 ( 比較水解前後結果 ) 6. 沉澱由紅色到棕色, 皆表示有反應, 若僅有顏色變化但無沉澱者, 則視為無反應 若無反應須再重新進行水解步驟 注意事項 : 1. 結果必須給老師檢查過後, 倒入廢液回收筒 不可隨意丟棄, 以免污染環境 2. 試紙不可丟入試管中, 避免污染溶液 每次用玻棒沾溶液點在試紙上後, 玻棒須用水洗淨擦乾然後再進行下一次的測試 3. 濃鹽酸具刺激性, 避免皮膚接觸 4. 實驗完成後須將試管標籤去除 內外刷洗乾淨, 待老師檢查核可後才可離開 66
實驗紀錄及報告 實驗十二 arbohydrates 的反應特性 組別 : 姓名 : 日期 : 數據紀錄 :Benedict s Test: arbohydrate 描述反應的變化 arbohydrate 描述反應的變化 Glucose Fructose Maltose Lactose Starch R.. water Galactose Sucrose ydrolysis Test: 未變色的醣類 水解前顏色 Benedict s Test & Result 加酸水解後顏色 問題與討論 : 1. 請寫出 Lactose 的 Benedict s test 反應方程式 2. 請解釋為何 Sucrose 在水解前與水解後加入 Benedict s reagent 有不同的反應? 3. 寫出由酸性催化劑進行的 Sucrose 水解反應之反應機制步驟? 67
參考文獻 1. David. Eaton, Laboratory Investigations in rganic hemistry, 1993, Mcgraw-hill Book ompany. 2. harles F. Wilcox, Jr, Experimental rganic hemistry, 1988, Macillan Publishing ompany. 3. 魏念昆, 劉曼玲, 鄧嬿娥, 化學實驗, 1991, 滄海書局出版社 4. 林文源, 有機實驗講義, 2001, 中興大學化學系 5. 北京大學化學系有機化學教研室, 有機化學實驗,1995, 藝軒圖書出版社 6. 張永和發酵與發酵食品 7. http://case.ntu.edu.tw/hs/wordpress/?p=40725 8. http://www.btinternet.com/~melee3d/revision/chemistry/alcohols.html 9. http://www.nature.com/nature/journal/v492/n7427/images/nature11754-f1.2.jpg 10. http://ictwiki.iitk.ernet.in/wiki/images/fig3.2..png 11. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8a/isopentenyl_pyrophosphate. svg/620px-isopentenyl_pyrophosphate.svg.png 12. http://www.intechopen.com/source/html/16496/media/image4.png 68