Zajímavé a efektní pokusy z organické chemie Mgr. Martin Hrubý Ústav makromolekulární chemie Akademie věd České republiky
[email protected]
HT
TH
Pokusy jsou nepostradatelnou součástí kvalitní výuky chemie, protože osvětlují některé zákonitosti přírody v praxi. Zejména vizuálně atraktivní pokusy navíc činí studium chemie přitažlivějším, a zejména na tento typ pokusů se zaměřuje i následující text. Duha z rajčatové šťávy Princip: Hlavním červeným barvivem v rajčatové šťávě je karoten lykopen (struktura viz Obrázek 1), obsahující jako chromofor řetězec konjugovaných dvojných vazeb. Absorbční maximum barviva je závislé na délce tohoto konjugovaného řetězce a pokud se tento řetězec zkracuje, absorbční maximum se posouvá ke kratším vlnovým délkám. Adice bromu na lykopen probíhá postupně „od konce“ a tím postupně zkracuje jeho řetězec nenasycených vazeb. Vzhledem k výše uvedenému a faktu, že adice každého dalšího bromu probíhá o něco méně ochotně, lze při vytvoření gradientu koncentrace bromu vytvořit i gradient molekul nabromovaných postupně do různých stupňů s různě dlohým zbývajícím řetězcem konjugovaných dvojných vazeb, což se projeví barevnými pruhy. Pořadí komplementárních barev k barvám pásů (tj. absorbované barvy) sledují pořadí duhy jak se postupně posouvá absorbční maximum přes viditelnou oblast až do ultrafialové. 1 Struktura lykopenu – červeného barviva z rajčatové šťávy
Postup: Do 500 mL odměrného válce nalijeme asi 400 mL husté rajčatové šťávy (přírodní, nekonzervované). Pak vložíme do válce tyčinku delší než válec a rajčatovou šťávu opatrně, aby se vrstvy co nejméně promísily, převrstvíme bromovou vodou (cca 70 mL, nutno použít nasycenou bromovou vodu, ne pouze nažloutlou). Pak tyčinkou opatrně obsah horizontálně promícháme. Prakticky ihned se rozvine „duha“ a jak brom difunduje, pásy se posouvají směrem dolů. Papírová chromatografie Princip: Chromatografie je velmi efektivní metoda často užívaná k především analytické, ale i preparativní separaci látek ze směsí. Přes porézní stacionární fázi teče mobilní kapalná nebo plynná fáze a v ní rozpuštěné látky postupují s proudem různě rychle podle toho, jak preferují spíše stacionární nebo spíše mobilní fázi. Látky silněji zadržované postupují pomaleji než méně silně zadržované. Směs se tak postupně rozdělí do zón, kde v čele zóny dochází k vazbě na stacionární fázi z roztoku v mobilní fázi a v zadní části zóny naopak k uvolnění do mobilní fáze čistou mobilní fází v důsledku neustálého posunování rovnováhy, která se v každém bodě ustavuje. Technicky lze chromatografii uspořádat kolonově nebo planárně, papírová chromatografie patří k planárním uspořádáním a je jednou z nejstarších a také nejjednodušeji proveditelných chromatografických technik. Postup: Na pás filtračního papíru vhodné velikosti podle velikosti nádoby naneseme na start čárky barevnými fixy Centropen (lze samozřejmě zkusit i jiné, ale každý výrobce užívá jiná barviva a uvedená mobilní fáze je optimalizovaná na dělení fixů Centropen), což budou dělené vzorky barviv. Pak vyvineme chromatogram 2 % vodnou kyselinou octovou jako mobilní fází. Tím se barevné čárky fixů rozjedou na zóny jednotlivých barviv. Pak pás vyndáme a vysušíme. Poznámka: Obdobně lze dělit například extrakt listových barviv na sloupečku sacharózy za použití benzínu s několika procenty ethanolu nebo 2-propanolu jako mobilní fáze. Fluorescence Princip: Celá řada zejména organických sloučenin je schopna se excitovat absorbovaným zářením a tuto excitační energii pak vyzářit opět jako elektromagnetické záření o stejné nebo delší vlnové délce. Podle doby života excitovaného stavu rozlišujeme
fluorescenci (je krátká a vizuálně trvá stejně dlouho jako excitující záření) a fosforescenci (je dostatečně dlouhá na to aby měla dosvit sekundy až dny po ukončení ozařování). Velmi intenzívní žlutozelenou fluorescenci vykazuje v alkalickém prostředí barvivo fluorescein (tzv. uranin, nazvaný podle toho že uranylové soli fluoreskují velmi podobnou barvou). Fluorescein lze snadno připravit kondenzací ftalanhydridu s resorcinem katalyzovanou chloridem zinečnatým (viz Obrázek 2). Jeho tetrabromderivát eosin fluoreskuje intenzívně červeně a bromace fluoresceinu na eosin je jedna z nejspecifičtějších důkazových reakcí na brom. Excitovat obě uvedená barviva lze viditelným nebo ultrafialovým světlem. HO O
O
OH
OH
ZnCl2 O
+
2
O
O
- 2 H2O
OH
O HO
Fluorescein
Br O
Br
Br OH
O O
2 Příprava fluoresceinu a struktura eosinu
Br Eosin
Postup: Do zkumavky dáme pečlivě promísenou směs půl lžičky ftalanhydridu (cyklický anhydrid 1,2 benzendikarboxylové kyseliny), půl lžičky resorcinu (1,3dihydroxybenzen) a několika krystalů chloridu zinečnatého (lépe bezvodého, ale není podmínkou). Opatrně zahřejeme cca 2 minuty nad kahanem tak, aby stačila z roztavené tmavočervené směsi unikat voda a nedošlo k připečení. Pak zkumavka necháme vychladnout a vypláchneme 2 % hydroxidem sodným do 200 mL 2 % hydroxidu sodného. Vzniklý roztok fluoresceinu fluoreskuje intenzívně žlutozeleně (viz Poznámka 1). Několik mililitrů tohoto roztoku okyselíme kyselinou sírovou do zákalu a kyselé reakce na univerzální indikátorový papírek, přidáme cca 10 kapek bromové vody a pak vše opět zalkalizujeme. Červená fluorescence vzniklého eosinu (struktura viz Obrázek 2) vynikne při excitaci ultrafialovým zářením (viz Poznámka 2,3).
Poznámka 1: Použijeme-li ve výše uvedeném návodu místo resorcinu fenol, dostaneme acidobazický indikátor fenolftalein.
Poznámka 2: Velmi přesvědčivým pokusem na fluorescenci je fluorescence aeskuetinu, kumarinového derivátu přítomného spolu s dalšími strukturně příbuznými a rovněž fluoreskujícími deriváty v kůře a pupenech jírovce maďalu („kaštan“, Aesculus hippocastanum). Kousky kaštanové kůry nebo pupenů naházíme do Petriho misky s vodou pod ultrafialovou lampou. Jak se postupně luhuje aeskuletin do roztoku, z pupenů vystupují intenzívně modře zářící „oblaka“. Při vhodném uspořádání je fluorescence vidět i při excitaci slunečním světlem. Poznámka 3: Na viditelném světle červeně fluoreskuje i zelený acetonový výluh z listů obsahující chlorofyly (je třeba se dívat zboku).
Fosforescence Princip: Ve vhodném prostředí má excitovaný stav fluoresceinu dostatečnou dobu života na několikasekundový dosvit fosforescence. Postup: Velmi malé množství fluoresceinu rozetřeme s kyselinou boritou a vše roztavíme nad kahanem ve zkumavce na žlutozelené sklo. Pak zkumavku necháme vychladnout. Sklovitá hmota vždy po nasvícení viditelným nebo ultrafialovým světlem několik sekund intenzívně fosforeskuje. Fenolické látky rostlinného původu Princip: Rostliny obsahují několik charakteristických skupin látek fenolického charakteru, z nichž nejvýznamnější jsou flavonoidy, antokyany, antrachinony a třísloviny. Pro rostlinu mají význam především obranný (flavonoidy chrání před oxidačním stresem, třísloviny činí rostlinu obtížně stravitelnou pro býložravce aj.) a obecně se dobře extrahují z biologického materiálu ethanolem. Příklady běžných sloučenin jednotlivých typů jsou na Obrázku 3. Řada z nich jsou acidobazické indikátory a poskytují charakteristické barevné reakce. Mnoho rostlinných fenolů je rovněž glykosylovaných. HO O
O
OH
OH
ZnCl2 O
+
2
O
O
- 2 H2O
OH
O HO
Fluorescein
Br O
Br
Br OH
O O
Br Eosin
3 Příklady rostlinných fenolických látek.
Flavonoidy jsou v neutrálním a kyselém prostředí bezbarvé, v alkalickém prostředí intenzívně žluté až žlutooranžové látky. Mají výrazné antioxidační a volné radikály zhášející vlastnosti, účinek je synergický s vitamínem C (preparát Ascorutin pro ochranu cév) a bývaly nazývány vitamín PP. Řada opylovačů bílých květů jako jsou třeba včely vidí i v blízké ultrafialové oblasti, takže „bílé“ květy s flavonoidy jsou pro ně vlastně barevné. Postup: Kápneme na bílou vniřní (tzv. „albedo“) stranu oplodí („kůry“) citrónu, grapefruitu nebo pomeranče 5 % vodný a vedle 5 % ethanolový roztok hydroxidu sodného nebo draselného. Intenzívně žlutooranžová skvrna vzniká rychleji po nakápnutí ethanolového roztoku. Vysoký obsah flavonoidů mají kromě citrusových plodů např. květy heřmánku, akátové a jerlínové květy aj.
Antokyany jsou deriváty flavonoidů, které jsou červené v kyselém a modré v alkalickém prostředí. Způsobují např. červenou barvu růží a červeného zelí, barvu borůvkové šťávy aj. Postup: Namočíme červenou růži do vodného roztoku amoniaku. Růže zmodrá. Rostliny obsahující antrachinony jsou méně rozšířené, ale medicínsky dodnes velmi užívané jako účinná přírodní projímadla. Antrachinony jsou v kyselém a neutrálním prostředí slabě žluté, v alkalickém prostředí tmavě červenofialové. Postup: Lihový extrakt z rostlin obsahujících antrachinonové deriváty (např. list seny, kořen reveně dlanité, kůra krušiny olšové, kořen šťovíku, kůra řešetláku, lišejník terčovka zední) nakapeme do 2 % vodného hydroxidu sodného. Vzniká červené zabarvení. Někdy lze zabarvení pozorovat i při pokapání přímo dané části rostliny roztokem hydroxidu.
Třísloviny jsou pravděpodobně nejrozšířenější rostlinné fenoly. Tvoří často desítky procent suché hmotnosti rostlin (např. některé duběnky mají až 70 % suché hmotnosti třísloviny taninu), a zhoršují poživatelnost těchto rostlin býložravci svou trpce svíravou chutí a inhibicí trávicích enzymů. Dělí se na hydrolyzovatelné (deriváty kyseliny galové) a nehydrolyzovatelné (oligomerní deriváty katechinu příbuzné flavonoidům), tyto dvě skupiny lze snadno odlišit reakcí s 3 % vodným chloridem železitým. Deriváty kyseliny galové, jako je např. tanin, dávají modročerné zabarvení, katechiny tmavě zelené. Třísloviny srážejí i další sole jiných těžkých kovů, proto se např. černý čaj doporučuje jako protijed otravy těžkými kovy. Protizánětlivý a protiprůjmový účinek tříslovin, pro který byly kdysi rostliny s jejich vysokým obsahem užívány jako léčivky, je slabý a nemůže konkurovat moderním léčivům.
Postup: Připravíme si duběnkový inkoust. Co nejsilnější vodný vývar z duběnek nebo dubové kůry slijeme v objemovém poměru 1:1 s 2 % vodným chloridem železitým. Dostaneme velmi trvanlivý modročerný inkoust. Poznámka: Jiné rostliny obsahující vysoký obsah tříslovin jsou např. čaj, káva, kořen mochny nátržníku, kořen rdesna hadího kořene, kořen krvavce totenu aj. Jódový oblak Princip: Zatímco jiné halogeny reagují s organickými látkami spíše substitučně, jód v řadě reakcí vystupuje jako dehydrogenační činidlo (oxidovadlo). Silně exotermní oxidací terpentýnu vzniká směs organických produktů a jodovodík, který spolu se strženými parami jódu udělá fialový oblak. Postup: Na hromádku jemně rozetřeného jódu nalijeme pár mililitrů terpentýnu. Po silně exotermní reakci vyletí ze směsi velmi efektní fialový oblak jódových par. Pokus provádíme na větraném místě nebo venku, nádoba ve které je reakce prováděna je obvykle na odpis. O
OH
OH
OH HO
O
HO
O
OH
+
OH Apigenin (flavonoid)
OH
O
OH Kyanidin (antokyan)
HO
OH HO
OH
COOH HO
O Emodin (antrachinon)
Kyselina gallová (základ hydrolyzovatelných tríslovin)
