Praktikum Chemie für Mediziner und Zahnmediziner 113

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1 Praktikum Chemie für Mediziner und Zahnmediziner Studieneinheit Lernziele Löslichkeit von Aminosäuren und Peptiden Charakteristische Reaktionen von Aminosäuren Charakteristische Reaktionen von Sacchariden Polarimetrie (Drehwertmessung) Stichworte zur theoretischen Vorbereitung Aminosäuren, isoelektrischer Punkt, Oxidation von Thiolen, Chelatkomplexe, Monosaccharide, Diund Polysaccharide, reduzierende und nicht reduzierende Zucker, optische Aktivität und ihre Messung, spezifischer Drehwert. Praktische Punkte Bestimmung der unbekannten Konzentration einer Saccharose-Lösung mittels ihrer optischen Aktivität. Weniger als 5 % Abweichung vom vorgegebenen Wert: 1 Punkt, 5 10 % Abweichung: 0.5 Punkte, mehr als 10 % Abweichung: 0 Punkte. Gliederung 9.1 Löslichkeit von Leucin (Versuch in Zweiergruppen) 9.2 Reaktionen von Aminosäuren mit Metallionen (Versuch in Zweiergruppen) Redox- und Komplexierungsreaktionen des Cysteins mit Eisen(III)ionen Komplexierungsreaktion des Glycins mit Kupfer(II)ionen 9.3 Isoelektrischer Punkt von Casein (Versuch in Achtergruppen) 9.4 Reaktion von Zucker mit Schwefelsäure (Versuch in Zweiergruppen) 9.5 Reaktivität von Monosacchariden, Disacchariden und Stärke (Versuch in Achtergruppen) 9.6 Messung von Drehwerten mit dem Polarimeter (Theorie) 9.7 Polarimetrische Bestimmung einer unbekannten Saccharose-Konzentration (Versuch in Achtergruppen)

2 114 Neunte Studieneinheit 9.1 Löslichkeit von Leucin Dieser Versuch ist in Zweiergruppen durchzuführen. Versuchsdurchführung im Abzug! drei Reagenzgläser im Reagenzglasständer 10 ml Messzylinder entionisiertes Wasser (H 2 O) Ethanol (C 2 H 5 OH) F N Natronlauge (NaOH) C /37/ N Salzsäure (HCl) Xi 36/37/38 26 Leucin Füllen Sie jeweils 3 ml H 2 O in zwei Reagenzgläser (A und B) und 3 ml Ethanol ins dritte Reagenzglas (C). Geben Sie zu jedem Reagenzglas eine Spatelspitze Leucin, schütteln Sie die Reagenzgläser und beobachten Sie die Löslichkeit des Leucins in den Lösungsmitteln. 2. Geben Sie zu A tropfenweise 2 N HCl und beobachten Sie die Löslichkeit. 3. Geben Sie zu B tropfenweise 2 N NaOH und beobachten Sie die Löslichkeit. 4. Entsorgung: Spülen Sie nach Abschluss des Versuchs alle Lösungen mit reichlich Wasser in den Ausguss und spülen Sie die Glasgeräte mit entionisiertem Wasser. Auswertung Erklären Sie Ihre Beobachtungen. In welcher Form liegt Leucin nach Zugabe von 2 N HCl und in welcher Form nach Zugabe von 2 N NaOH vor? + NH 3 O Leucin O

3 Praktikum Chemie für Mediziner und Zahnmediziner Reaktionen von Aminosäuren mit Metallionen Dieser Versuch ist in Zweiergruppen durchzuführen und umfasst zwei Teilversuche: Redox- und Komplexierungsreaktionen des Cysteins mit Eisen(III)ionen und Komplexierungsreaktion des Glycins mit Kupfer(II)ionen Redox- und Komplexierungsreaktionen des Cysteins mit Eisen(III)ionen Zwei Reagenzgläser im Reagenzglasständer 0.1 M Cystein-Lösung Eisen(III)chlorid (FeCl 3 ) Xn Geben Sie zunächst eine kl. Spatelspitze FeCl 3 in das Reagenzglas und lösen Sie es in ca. 3 ml Wasser. 2. Geben Sie in das andere Reagenzglas zunächst 20 Tropfen der in 1. hergestellten FeCl 3 -Lösung und fügen Sie dann tropfenweise Cystein-Lösung hinzu. Beobachten Sie die Farbänderung, die auf die Bildung eines Komplexes aus Fe 3+ und Cystein zurückzuführen ist. Nach einiger Zeit verschwindet die Farbe aufgrund der Oxidation des Cysteins durch die Fe 3+ -Ionen. Die dabei entstehenden Fe 2+ -Ionen bilden keinen farbigen Komplex mit dem überschüssigen Cystein. 3. Entsorgung: Spülen Sie die Lösung im Reagenzglas mit reichlich Wasser in den Ausguss und spülen Sie das Reagenzglas anschließend mit entionisiertem Wasser. Auswertung Formulieren Sie die Redoxgleichung von Cystein mit Fe 3+. Zu welchem Produkt wird Cystein oxidiert? O O NH 3 + SH L-Cystein

4 116 Neunte Studieneinheit Komplexierungsreaktion des Glycins mit Kupfer(II)ionen zwei Reagenzgläser im Reagenzglasständer Spatel 0.1 M Kupfersulfat-Lösung (CuSO 4 ) N 52/ N Natronlauge (NaOH) C /37/39-45 Glycin ( + H 3 NCH 2 COO ) Geben Sie jeweils 30 Tropfen 0.1 M CuSO 4 -Lösung in zwei Reagenzgläser. 2. Lösen Sie eine Spatelspitze Glycin in einem der Reagenzgläser. Was beobachten Sie? 3. Geben Sie in beide Reagenzgläser 10 Tropfen 2 N NaOH. Welchen Unterschied beobachten Sie? 4. Entsorgung: Alle Lösungen Schwermetall-Abfall. Entfernen Sie hartnäckige Rückstände ggf. mit Bürste und Seife und spülen Sie zum Abschluss mit entionisiertem Wasser. Auswertung Cu 2+ reagiert mit zwei Molekülen Glycin zu einem Chelatkomplex, in dem Cu 2+ nahezu quadratisch planar koordiniert ist (Koordinationszahl 4). Machen Sie unter Berücksichtigung der Versuchsergebnisse einen Strukturvorschlag für den entstehenden Komplex. Welche Aussage können Sie über die relativen Stabilitäten der Komplexe [Cu(H 2 O) 4 ] 2+ und [Cu(Gly) 2 ] machen, wenn Sie die unterschiedlichen Reaktivitäten von Cu 2+ -Lösungen mit und ohne Glycin gegenüber 2 N NaOH betrachten?

5 Praktikum Chemie für Mediziner und Zahnmediziner Isoelektrischer Punkt von Casein Dieser Versuch ist in Achtergruppen durchzuführen. Casein ist ein Polypeptid aus verschiedenen Aminosäuren. acht Reagenzgläser im Reagenzglasständer ein 150 ml Becherglas ein 10 ml Messzylinder vier 2 ml Messpipetten entionisiertes Wasser (H 2 O) Casein in 0.1 M Natriumacetat-Lösung (CH 3 COONa) 0.1 N Essigsäure (CH 3 COOH) Geben Sie ca. 40 ml 0.1 N Essigsäure in ein 150 ml Becherglas (Arbeitsgefäß). 2. Geben Sie 1.0 ml 0.1 N Essigsäure in den Meßzylinder, füllen Sie mit entionisiertem Wasser auf 10 ml auf und homogenisieren Sie die so erzeugte 0.01 N Essigsäure durch vorsichtiges Hin- und Herschütten in ein entsprechend beschriftetes Reagenzglas. Bewahren Sie die Lösung in dem Reagenzglas auf. 3. Beschriften Sie sieben Reagenzgläser mit den Buchstaben von A G. Stellen Sie durch Mischen der unten angegebenen entsprechenden Lösungen und Mengen (in ml) Pufferlösungen her. Hierzu geben Sie in jedes Reagenzglas 2 ml der Casein-Lösung. Dann geben Sie - entsprechend der unten stehenden Tabelle - jeweils rasch eine der Essigsäure-Lösungen und entionisiertes Wasser hinzu und schütteln um. Puffer-Lösung A B C D E F G 0.01 N HOAc N HOAc H 2 O Casein-Lösung berechneter ph-wert Trübungsgrad

6 118 Neunte Studieneinheit 4. Stellen Sie nach ca. 30 min den relativen Trübungsgrad in den Pufferlösungen fest und tragen Sie ihn in die Tabelle ein. 5. Entsorgung: Spülen Sie alle Lösungen mit viel Wasser in den Ausguss und spülen Sie die Glasgeräte anschließend mit entionisiertem Wasser. Auswertung Am isoelektrischen Punkt ist die Trübung (der Aggregationsgrad) am größten. Berechnen Sie den ph-wert der einzelnen Pufferlösungen (Henderson-Hasselbalch-Gleichung; die Casein-Lösung entspricht in guter Näherung 0.1 N (CH 3 COONa), pk S (CH 3 COOH) = 4.75, und tragen Sie die Werte in die Tabelle ein. Bestimmen Sie den isoelektrischen Punkt des Caseins durch Vergleich der Trübungen in den einzelnen Puffer-Lösungen. Überwiegen in Casein die sauren oder basischen Aminosäuren?

7 Praktikum Chemie für Mediziner und Zahnmediziner Reaktion von Zucker mit Schwefelsäure Der Versuch wird in Zweiergruppen durchgeführt. Durchführung im Abzug!!! Reagenzglas Spatel Tropfpipette Reagenzglasgestell entionisiertes Wasser (H 2 O) Saccharose Konz. Schwefelsäure C /37/ Füllen Sie Daumenbreit Saccharose in ein Reagenzglas. 2. Feuchten Sie den Zucker mit 15 Tropfen Wasser an und schütteln das Reagenzglas bis das Wasser sich gleichmäßig verteilt hat. Geben Sie jetzt zügig 50 Tropfen konz. Schwefelsäure auf den angefeuchteten Zucker und schütteln Sie kurz. Stellen Sie das Reagenzglas in den Reagenzglasständer und beobachten die Reaktion. 3. Entsorgung: Spülen Sie das Reagenzglas mit Wasser. Sie müssen evtl. mit dem Spatel vorsichtig den entstanden Pfropf durchstoßen. Das Reagenzglas muss mit einer Reagenzglasbürste gereinigt. Anschließend mit ention. Wasser ausspülen. Auswertung Erklären Sie anhand des Versuches woher der Name Kohlenhydrate kommt?

8 120 Neunte Studieneinheit 9.5 Reaktivität von Monosacchariden, Disacchariden und Stärke Dieser Versuch ist in Achtergruppen durchzuführen. elf Reagenzgläser im Reagenzglasständer Reagenzglasklammer Spatel 250 ml Becherglas Magnetrührer mit Heizplatte Thermometer eine Pasteurpipette 10 ml Messzylinder eine 2 ml Messpipette Glucose Fructose Lactose Maltose Saccharose Stärke Fehling I: CuSO 4 -Lösung N 52/53 61 Fehling II: alkalische Weinsäure-Lösung C /37/39-45 Natriumhydrogencarbonat (NaHCO 3 ) entionisiertes Wasser (H 2 O) N Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) C /37/ N Natronlauge (NaOH) C /37/ Füllen Sie ein 250 ml Becherglas etwa zur Hälfte mit entionisiertem Wasser und erhitzen Sie es auf der Heizplatte auf etwa 80 o C (Wasserbad; Temperaturkontrolle mit dem Thermometer; die Temperatur darf ruhig um ±10 o C schwanken.). 2. Mischen Sie 6 ml Fehling I Lösung und 6 ml Fehling II Lösung in einem Reagenzglas. Durch diese Mischung erhält man das Fehlingsche Reagenz. 3. Beschriften Sie sechs Reagenzgläser mit den Buchstaben A F. Geben Sie von jedem der sechs Saccharide eine Spatelspitze in eines der Reagenzgläser A F, entsprechend der Zuordnung in untenstehender Tabelle, und setzen Sie 2 ml Wasser zu. Schütteln Sie gründlich, setzen Sie zu jedem Reagenzglas 1 ml Fehlingsches Reagenz zu und erwärmen Sie die Lösungen ca. 5 min

9 Praktikum Chemie für Mediziner und Zahnmediziner 121 lang im Wasserbad. Beobachten Sie anschließend die Lösungen und achten Sie darauf, ob sich ein roter Niederschlag gebildet hat. Tragen Sie Ihre Beobachtungen in die unten gegebene Tabelle ein. 4. Beschriften Sie vier Reagenzgläser mit den Bezeichnungen E1, E2, F1 und F2. Geben Sie je eine Spatelspitze Saccharose in E1 und E2 und je eine Spatelspitze Stärke in F1 und F2. Setzen Sie zu E1 und F1 je 50 Tropfen 2 N H 2 SO 4 und zu E2 und F2 je 50 Tropfen 2 N NaOH zu. Stellen Sie die vier Reagenzgläser für ca. 10 min ins Wasserbad. 5. Neutralisieren Sie anschließend Lösungen E1 und F1 mit je drei Spatelspitzen NaHCO 3, geben Sie zu E1, E2, F1 und F2 je 1 ml Fehlings Reagenz und erwärmen Sie die Lösungen ca. 5 min lang im Wasserbad. Beobachten Sie anschließend die Lösungen und achten Sie darauf, ob sich ein roter Niederschlag gebildet hat. Tragen Sie Ihre Beobachtungen in die unten gegebene Tabelle ein. 6. Entsorgung: Nach Abschluss des Versuches geben Sie alle kupferhaltigen Lösungen zum Schwermetall Abfall. Spülen Sie alle Glasgeräte abschließend mit entionisiertem Wasser ( Ausguss). Substanz Niederschlag? Substanz Niederschlag? Glucose (A) Saccharose + H 2 SO 4 (E1) Fructose (B) Saccharose + NaOH (E2) Lactose (C) Stärke + H 2 SO 4 (F1) Maltose (D) Stärke + NaOH (F2) Saccharose (E) Stärke (F)

10 122 Neunte Studieneinheit Auswertung Welche der sechs Saccharide sind reduzierende Zucker, d.h. reagieren ohne Behandlung durch Säure oder Base mit Fehlings Reagenz? Formulieren Sie die Oxidation von Glucose durch Fehlings Reagenz. Welche Reaktion läuft ab, wenn Saccharose und Stärke mit 2 N H 2 SO 4 bzw. 2 N NaOH versetzt werden? Welche Substanzen entstehen dabei?

11 Praktikum Chemie für Mediziner und Zahnmediziner Messung von Drehwerten mit dem Polarimeter Mit dem Polarimeter kann festgestellt werden, ob eine Verbindung optisch aktiv ist. Befindet sich keine optisch aktive Substanz im Strahlengang (Polarimeterrohr), dann wird das linear polarisierte Licht ausgelöscht, wenn die Durchlassrichtung des Analysators senkrecht zur Ebene des linear polarisierten Lichts orientiert wurde. Befindet sich im Polarimeterrohr die Lösung einer optisch aktiven Substanz, dann findet die Auslöschung bei einer anderen Orientierung des Analysators statt. Der Winkel, um den der Analysator gedreht werden muss, bis es erneut zur Auslöschung kommt, heißt Drehwinkel α. Er ist von der Wellenlänge des Lichts, dem Lösungsmittel, der Konzentration, der Temperatur und der Länge des Polarimeterrohres abhängig. Für eine gegebene Substanz, in gegebenem Lösungsmittel, bei der Wellenlänge der Natrium-D-Linie (λ = 589 nm) und einer Temperatur von 20 o C wird der spezifische Drehwert, [α] 20 D definiert. Er ist unter diesen Bedingungen gleich dem Drehwert einer Lösung mit der Konzentration 1.0 g ml 1 in einem Polarimeterrohr der Länge l = 10 cm (1 dm). [ ] α 20 D α = l c (α: gemessener Drehwert bei 20 o C in Grad, l: Länge des Polarimeterrohres in dm, c: Konzentration der optisch aktiven Substanz in g ml 1.) [α] 20 D hat die Einheit Grad ml dm 1 g 1. Zunächst wird das Polarimeterrohr (l = 20 cm) luftblasenfrei mit entionisiertem Wasser gefüllt, verschlossen und auf Dichtigkeit überprüft. Ist das Rohr undicht, muss ggf. die Dichtung ausgewechselt werden. Dann wird das Polarimeterrohr im Polarimeter in den Strahlengang gelegt und ein Drehwinkel von 0 o ( Null Grad ) eingestellt. Danach wird das Wasser aus dem Polarimeterrohr entfernt, das Rohr mehrfach mit wenig der zu untersuchenden Lösung ausgespült und schließlich - ebenfalls luftblasenfrei - damit gefüllt. Nun wird das Polarimeterrohr erneut im Polarimeter in den Strahlengang gelegt und der Drehwert abgelesen. Mittels der oben gegebenen Formel kann, wenn α gemessen wurde und [α] 20 D bekannt ist, die Konzentration, c, der optisch aktiven Substanz berechnet und bei bekanntem Gesamtvolumen der Probe daraus die Masse der aktiven Substanz in der Gesamtprobe ermittelt werden. Sie erhalten im Verlauf der neunten Studieneinheit eine Einführung in den Umgang mit einem Polarimeter und in die Messung von Drehwerten. Die Bedienung des Polarimeters ist zusätzlich in der dem Gerät beiliegenden Anleitung beschrieben.

12 124 Neunte Studieneinheit 9.7 Polarimetrische Bestimmung einer unbekannten Saccharose-Konzentration Dieser Versuch ist in Achtergruppen durchzuführen. 100 ml Messkolben Polarimeter ( Assistenten) Polarimeterrohr ( Assistenten) 2 ml Messpipette entionisiertes Wasser (H 2 O) Geben Sie einen sauberen 100 ml Messkolben mit Stopfen bei den Assistenten ab und nennen Sie Ihren Kurs und Ihre Gruppennummer. Sie erhalten dafür die Saccharose-Lösung unbekannter Konzentration in einem 100 ml Messkolben (Gesamtprobe) und einen Ergebniszettel. 2. Füllen Sie den Messkolben mit entionisiertem Wasser exakt auf 100 ml (bis zum Markierungsring) auf und homogenisieren Sie den Inhalt durch Umschwenken. 3. Verfahren Sie zur Bestimmung des Drehwertes dieser Lösung so, wie in Unterkapitel 9.5 beschrieben. Berechnen Sie aus dem gemessenen Drehwert, dem spezifischen Drehwert von Saccharose und der Länge des Polarimeterrohres zunächst die Konzentration, c, der Probe in g ml 1 und daraus mittels des Volumens der Gesamtprobe, V, die Masse an Saccharose in Ihrer Probe in g. 4. Der spezifische Drehwert von Saccharose beträgt [α] 20 D = Grad ml dm 1 g 1, die Länge des Polarimeterrohres beträgt l = 2 dm (20 cm) und das Gesamtvolumen der Probe beträgt 100 ml. 5. Tragen Sie die von Ihnen berechnete Masse an Saccharose in Ihrer Probe in den Ergebniszettel ein und geben Sie den Zettel bei den Assistenten ab.