實驗十二 arbohydrates 的反應特性 目的 : 認識碳水化合物在結構上的相異, 並用 Benedict s 和 ydrolysis test 來檢驗是否是醛糖 原理 : 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: 61
glucose fructose maltose galactose lactose sucrose 2 2 * * Anomer: simple starch 表一各種醣類的結構 n 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 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 62
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: + 2u 2+ + 4 - + u 2 + 2 2 R 藍色 R 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% Glucose 1% Galactose 1% Lactose 1% Starch 1% Fructose 1% Sucrose 1% Maltose Benedict s reagent 10% Sodium ydroxide conc. ydrochloric acid ( 濃鹽酸 ) 實驗器材 : 試管 燒杯 加熱攪拌器 玻棒 紅色石蕊試紙 實驗步驟 : Benedict s test: 1. 取八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 2. 每支試管各加入 1 ml Benedict s reagent, 在沸水浴中加熱 10~15 分鐘 3. 取出試管並觀察沉澱, 記錄結果 4. 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 63
ydrolysis Test: 1. 取二支已貼上標示的試管, 分別加入 1ml 1% 的 Starch, Sucrose 2. 加 3~4 滴 conc. ydrochloric acid 於各試管中攪拌均勻, 於沸水浴中加熱 20~30 分鐘 3. 取出試管, 冷卻後再加約 30~40 滴 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 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 64
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 Glucose Fructose Galactose Sucrose Lactose Maltose Starch ydrolysis Test: arbohydrate 水解前變化 Benedict s Test & Result 水解後變化 Sucrose Starch 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? 65
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 66