• No results found

CHE 233: Organic Laboratory II

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "CHE 233: Organic Laboratory II"

Copied!
20
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

CHE  233:    Organic  Laboratory  II  

 

Week  1:   Laboratory  safety,  check-­‐in    

Weeks  2  -­‐  4:   Organic  Electronic  Materials:    Preparation  of  a  Derivative  of   Pentacene.  

    a)    Preparation  of  pentacene  quinone  

    b)    Addition  of  octynyl  lithium  and  aromatization    

    c)    Measurement  of  NMR  and  UV/Vis  (electronic)  spectra    

Weeks  5-­‐  7:   Peptide  Synthesis:    Preparation  of  a  “Protected”  Dipeptide.       a)  EDC  Coupling  of  tBocAlanine  with  Phenylalanine  Methyl  Ester       b)  Product  Isolation,  Purification,  and  Preparation  of  NMR  Sample    

Weeks  8  -­‐  10:       Biodiesel:    Transesterification  of  Vegetable  Oil  or  Olive  Oil.  

    a)    Conversion  of  a  Triglyceride  into  Fatty  Acid  Methyl  Esters  (FAMEs)       b)    Separation  of  FAMEs  from  Glycerol,  Preparation  of  NMR  Sample       c)    Analysis  of  NMR  Data,  Determination  of  the  Ratio  of  Saturated,  

  Unsaturated,  and  Polyunsaturated  Fatty  Acids      

Weeks  11  -­‐  13:     Polymer  Macrocapsules:    Preparation  and  Characterization  of   Alginate  Macrocapsules  

      a)    Preparation  of  Macrocapsules         b)    Mechanical  and  Diffusion  Analyses         c)    Macroencapsulation  of  Lactase    

Weeks  14  –  15:    Makeup  lab  opportunities,  clean  up,  and  check  out  

 

(2)

Some  General  Notes  about  these  Laboratory  Exercises  

 

Safety.    Chemical  laboratories  present  hazards  that  are  not  present  in  other  locations.    The   University  of  Kentucky  tries  to  minimize  the  hazards,  but  it  is  not  possible  to  provide  a   completely  100%  risk-­‐free  chemical  laboratory  course.    There  will  be  hazards,  and  these   include  a  risk  of  fires,  the  use  of  corrosive  or  toxic  reagents,  hot  surfaces,  sharp  objects,  and   others.    It  is  essential  that  you  handle  every  reagent  and  solvent  with  respect  and  that  you   wear  personal  protective  equipment  that  is  appropriate  to  the  hazards  presence.    Above  all,   it  is  required  that  you  behave  in  a  professional  manner  –  remember,  the  faculty  often   consult  teaching  assistants  when  formulating  letters  of  recommendation  for  students.          

Your  safety  and  the  safety  of  others  around  you  depend  on  everyone  being  professional.    

Chemical  Waste  Disposal.    With  few  exceptions,  nothing  other  than  wash  water  can  go   down  the  drain.    All  other  chemical  waste  must  be  disposed  of  properly,  and  that  means   that  each  chemical  waste  must  first  be  classified  (‘acid,’  ‘flammable  organic,’  etc),  then   poured  into  the  appropriate  waste  containers  that  are  in  the  laboratory.    Pouring  something   into  the  wrong  container  can  create  massive,  expensive  problems  or  dangerous  situations!     Take  a  moment  to  think  and  to  be  sure  before  you  pour.    None  of  us  want  to  make  the  six   o’clock  news  as  the  person  who  goofed  and  caused  a  fire  or  explosion.  

 

Measurements  and  Laboratory  Records.    The  amounts  of  reagents  are  listed  with  3   significant  figures.    You  will  find  that  in  many  cases  it  is  difficult,  time  consuming,  or   frustrating  to  measure  out  exactly  0.123  g  of  a  reagent.    In  most  cases,  the  reaction  will   proceed  just  fine  if  you  are  at  least  close  to  the  desired  amount.    Try  to  get  to  within  <10%   of  the  target  amount,  and  be  sure  that  in  your  lab  notebook  you  record  the  amount  you   actually  used.    You  should  also  use  the  actual  amount  when  you  calculate  the  yield.    

Laboratory  notebooks  are  records  of  what  you  actually  did,  not  a  record  of  what  you  tried   to  do.    Companies,  including  pharmaceutical  companies,  demand  absolute  100%  timely  and   accurate  records  of  what  goes  on  in  the  laboratory.    Patents  are  denied,  FDA  approval  can   be  denied,  and  huge  financial  losses  can  accompany  the  discovery  of  an  incomplete  or   inaccurate  lab  notebook.      

 

Integrity.    All  materials  that  you  submit  for  grading  must  be  your  own  work.    There  is  no   shame  in  not  getting  a  good  yield  of  product  or  not  getting  a  nice  NMR  spectrum,  but  there   is  shame  in  cheating.    Do  not  appropriate  a  copy  of  someone  else’s  spectrum,  do  not  offer  a   copy  of  yours  to  someone  else,  and  do  not  falsify  your  lab  book.    These  are  professional   standards,  and  it  doesn’t  matter  if  you  aspire  to  be  a  medical  doctor,  a  pharmacist,  or  a   chemist.    Become  ready  for  your  career  by  adopting  the  professional  ethics  by  which  you   will  live  for  your  entire  career.    

(3)

 

Pentacene  

Organic  Electronic  Materials:    Synthesis  of  a  Derivative  of  

Pentacene  

 

Silicon

 has  formed  the  basis  of  semiconductors  for  the  last  40  years  or  so,  and  silicon-­‐ based  electronic  devices  remain  the  dominant  technology  today.    However,  there  are  a   number  of  reasons  why  organic  materials  are  now  making  significant  inroads  into  silicon’s   traditional  domain.    Silicon  is  a  high-­‐melting,  hard,  brittle  material  and  accordingly  it  is   very  energy-­‐intensive  to  produce  and  the  resulting  devices  are  expensive,  flat,  and   inflexible.      

 

Organic  materials  can  be  relatively  easy  to  produce  under  mild  conditions.    Devices  can  be   made  that  are  flexible  and  potentially  cheap  enough  to  be  disposable.      

 

One  of  the  important  classes  of  organic  compounds  that  are   finding  their  way  into  electronic  devices  are  derivatives  of  the   aromatic  hydrocarbon  pentacene.    Pentacene  itself  is  not   terribly  stable,  soluble,  or  useful,  but  with  appropriate  

substituents  it  becomes  much  more  stable  and  easier  to  work   with.        

 

In  this  laboratory  exercise  you  will  produce  a  derivative  of  pentacene  using  a  two-­‐step   process  that  begins  with  a  4-­‐way  aldol  condensation,  followed  by  addition  of  two   equivalents  of  an  acetylide  anion,  then  aromatization.  

 

(4)

C6H13

C6H13  

 

Procedure  

Safety  notes.    1)  The  base  that  you  will  use  to  generate  the  octynyl  anion  is  an  extremely   strong  base,  some  1020  times  more  basic  than  hydroxide.    Treat  this  compound  with  care,  and  

keep  it  away  from  all  traces  of  moisture  and  off  of  your  skin.    2)  You  should  consider  all   polycyclic  aromatic  hydrocarbons  to  be  potentially  toxic.    Keep  your  pentacene  off  of  your   skin.    3)  You  should  consider  all  compounds  of  tin  to  be  potentially  toxic.    Keep  the  SnCl2  

solution  off  of  your  skin  and  out  of  the  sink.      

   

1st  lab  day.    To  a  test  tube,  add  0.27  grams  (2  mmol)  of  phthalaldehyde,  0.112  grams  (1  

mmol)  of  1,4-­‐cyclohexanedione  and  5  mL  of  ethanol.    Shake  the  test  tube  gently  until  all  of   the  solid  material  has  dissolved,  and  then  while  continuous  gentle  shaking,  add  1  drop  of   5%  aqueous  NaOH  solution.    The  resulting  reaction  will  be  exothermic,  so  be  careful  not  to   hold  the  tube  from  the  bottom.  The  solution  will  darken,  and  soon  a  precipitate  will  form.     After  very  gently  stirring  the  test  tube  for  5  minutes,  filter  the  precipitate,  and  rinse  the   dark  solid  first  with  methanol  in  several  small  portions  until  the  filtered  liquid  is  nearly   colorless.  Then  wash  the  resulting  yellow  solid  (pentacene  quinone)  with  5  mL  of  ether.     Allow  this  solid  to  dry  completely.  

 

2nd  lab  day.    To  a  clean,  dry  test  tube  add  1  mL  of  1.0  M  lithium  bis(trimethylsilyl)amide  

solution  in  THF  (dispensed  by  your  TA),  followed  by  0.22  mL  of  1-­‐octyne  (density  =  0.747   g/mL),  and  immediately  cap  the  tube.    Swirl  this  mixture  gently  for  5  minutes  (most  easily   accomplished  by  rolling  the  tube  between  your  palms),  then  add  0.1  grams  (0.33  mmol)  of   the  pentacene  quinone  you  synthesized  in  the  prior  step.    Continue  to  swirl  the  tube  gently   until  the  quinone  completely  dissolves  ~2  minutes.  Be  careful  -­‐  this  reaction  is  mildly   exothermic.    Once  all  components  have  dissolved,  the  solution  should  be  allowed  to  stand   for  at  least  5  minutes  before  proceeding  to  the  next  step.  

 

Note:    If  the  quinone  does  not  completely  dissolve,  then  the  reaction  is  a  bust.    Recover  the   quinone  by  adding  hexane  and  filtering  out  the  quinone  precipitate.    Try  it  again,  using  2x  the   amount  of  lithium  bis(trimethylsilyl)amide  and  the  alkyne.      

 

(5)

solution.    Swirl  the  funnel  to  initially  mix  the  solution,  then  cap  and  shake  -­‐  being  careful  to   vent  the  funnel  frequently.    After  5  minutes  of  shaking,  add  10  mL  of  hexanes,  and  10  mL  of   10%  aqueous  HCl.    Cap  and  shake  the  funnel,  and  separate  the  layers  -­‐  the  aqueous  layer   contains  tin  salts  and  should  be  disposed  of  properly.    Extract  the  organic  layer  once  again   with  water.    Separate  the  hexanes  layer,  dry  with  sodium  sulfate,  and  filter  out  this  solid   drying  agent,  draining  the  liquid  into  a  small  Erlenmeyer  flask.  Drive  off  the  solvent  with  a   gentle  stream  of  air,  then  recrystallize  the  solid  from  acetone.  

   

3rd  lab  day.    You  should  obtain  both  NMR  and  UV/Vis  spectra  of  you  compound.      

 

UV/Visible  spectrum.      

UV/Vis  spectroscopy  is  extremely  sensitive,  meaning  that  tiny  amounts  of  compound   dissolved  in  a  solvent.    Dissolve  a  few  flecks  of  your  sample  in  2  mL  of  solvent,  and  record   the  visible  spectrum  

 

Analysis  of  the  NMR  Spectrum.  

You  should  be  able  to  assign  the  aromatic  resonances  by  inspecting  their  coupling  

constants.    Do  all  of  the  aromatic  resonances  make  sense  for  the  structure  of  the  product?        

(6)

Peptide  Synthesis:    Preparation  of  a  Protected  Dipeptide  via  

EDC  Coupling.  

Review  Thin  Layer  Chromatography  and  Recrystallization  from  CHE  231.        

Review  NMR  Spectroscopy  from  CHE  230  

 

Amino  acids  

are  multifunctional  molecules  that  are  the  building  blocks  from  which   all  peptides  (oligomers  of  amino  acids)  and  proteins  (polymers  of  amino  acids)  are   constructed.    There  are  20  common,  naturally  occurring  amino  acids  and  so  there  is  an   enormous  array  of  peptides  and  proteins  that  can  be  constructed.    For  an  oligomer  of  eight   amino  acids,  there  are  208  (25,600,00,000)  possible  sequences  

 

Since  amino  acids  have  (at  a  minimum)  both  an  amino  group  and  a  carboxylic  acid  group,  it   can  be  a  challenge  to  design  reaction  conditions  in  which  only  one  functional  group  from   one  molecule  reacts  with  only  one  functional  group  from  another  molecule.  

  H3N O O R2 H3N O O R1 H3N N H O O O R1 R2

amino acid 1 amino acid 2 A1A2

H3N N H O O O R2 R1 A2A1 H3N N H O O O R1 R1 A1A1 H3N N H O O O R2 R2 A2A2 8 different tripeptides 16 different tetrapeptides ...    

Figure  1.    Random  coupling  of  amino  acids  can  result  in  a  terrible  mixture  of  products.      

 

The  common  solution  to  this  problem  is  to  use  protecting  groups  to  block  the  reactivity  of   certain  functional  groups.    As  a  result,  it  is  possible  to  make  amino  acids  in  which  only  the   acid  group  is  available  to  react,  and  to  make  amino  acids  in  which  only  the  amino  group  is   available  to  react.    Under  these  conditions,  only  one  dipeptide  product  will  result.        

 

   

(7)

In  this  exercise  you  will  use  two  different  amino  acids  –  one  that  is  N-­‐protected  (so  the   amino  group  does  not  react)  and  one  that  is  C-­‐protected  (so  the  carboxylate  does  not   react).    Accordingly,  only  one  dipeptide  can  result.  In  principle  (and  in  practice),  one  end   can  then  be  deprotected  and  the  chain  can  then  be  elongated  with  a  third  amino  acid,  then   a  fourth,  and  so  on.    This  is  how  a  number  of  important  synthetic  peptides  are  prepared  in   the  laboratory.      

 

We  will  be  using  a  simple  methyl  ester  as  a  way  to  block  the  reactivity  of  one  carboxylic   acid  group,  and  we  will  use  a  “Boc”  protecting  group  to  block  the  amino  group  on  the  other   amino  acid.   O O N H OH O H2N O OCH3 CH3 O O N H H N O O OCH3 CH3

The new amide

("peptide") bond

The "t-butoxycarbonyl" (Boc) protecting group

Ph H H H H H H Ph H H    

We  will  use  a  carbodiimide  coupling  agent  to  bring  about  the  formation  of  an  amide  (or   “peptide”)  bond  that  links  these  two  amino  acids.    The  carbodiimide  functional  group   contains  an  N=C=N  linkage,  and  these  functional  groups  are  unusual  in  that  they  

preferentially  react  with  carboxylate  nucleophiles  rather  than  amine  nucleophiles.    The   resulting  adduct  is  an  active  ester.    The  active  ester  is  electrophilic  and  reacts  with  another   nucleophile  in  a  classical  addition-­‐elimination  manner,  and  if  that  nucleophile  is  the  amino   group  of  the  C-­‐protected  amino  acid,  the  desired  dipeptide  product  is  formed.    If  the  

nucleophile  happens  to  be  the  carboxylate  group  of  another  molecule  of  N-­‐protected  amino   acid,  then  an  anhydride  is  formed.    Anhydrides  are  highly  reactive  species,  and  when  this   anhydride  reacts  with  the  amino  group  of  the  C-­‐protected  amino  acid,  the  desired  dipeptide   is  also  formed.        

(8)

   

Figure  1.    The  carbodiimide-­‐mediated  coupling  of  an  N-­‐protected  amino  acid  (A1CO2H)  and  a  C-­‐protected  

amino  acid  (H2NA2)  to  produce  an  N-­‐  and  C-­‐protected  dipeptide  A1A2.  

 

We  will  be  using  a  specific  carbodiimide  reagent  known  as  EDC  (for  1-­‐ethyl-­3-­(3-­dimethyl-­ aminopropyl)carbodiimide).  The  major  advantage  of  this  reagent  over  other  carbodiimides   is  that  the  urea  byproduct  is  water-­‐soluble  and  can  be  easily  removed  from  the  product   mixture  after  the  reaction.    We  will  also  use  HOBt  (N-­‐hydroxybenzotriazole),  which  helps   to  suppress  racemization  of  the  active  ester,  and  DMAP  (N,  N-­‐dimethylaminopyridine)  as  a   base.    

 

 

  EDC   HOBt   DMAP  

 

Figure  2.    The  carbodiimide  coupling  reagent  EDC,  the  additive  HOBt,  and  DMAP.      

   

Ist  lab  day:  Synthesis  of  the  Dipeptide  

 

Materials:  

1. 250mg  of  BocPhe  (1  eq)  

2. 158mg  of  AlaOMe•HCl  (1.1  eq)  

3. 153mg  of  HOBt  (1.13  mmoles,  1.1  eq)   4. 138mg  of  DMAP  (1.1  eq)  

5. 397mg  of  EDC  (2.1  eq)  

6. 2.5mL  of  dichloromethane  (CH2Cl2,  also  called  DCM)    

 

Procedure.  

You  will  be  preparing  a  solution  that  contains  both  amino  acids,  cooling,  then  adding  the   coupling  agent  EDC.    Please  note  that  the  AlaOMe  is  supplied  as  the  hydrochloride  salt   (AlaOMe•HCl),  so  the  molecular  weight  includes  one  equivalent  of  HCl.    Carefully  weigh  

(9)

250mg  of  BocPhe,  158mg  of  AlaOMe•HCl,  153  mg  of  HOBt,  and  138mg  of  DMAP  and  add  to   a  10mL  round  bottom  flask.    Then  add  2.5mL  of  CH2Cl2  along  the  sides  of  the  flask  to  wash  

off  any  residue  that  is  stuck  to  the  sides,  add  a  magnetic  stir  bar,  and  cap  the  flask.    DO  NOT   add  EDC  at  this  step.    

 

Set  up  an  ice  bath  over  a  stir  plate  and  cool  and  stir  the  reaction  mixture.    While  the   mixture  is  cooling,  weigh  397mg  of  EDC.    After  the  mixture  of  amino  acids  and  HOBt  in   CH2Cl2  has  cooled,  add  the  EDC,  recap,  and  continue  to  stir  the  mixture.  

 

Monitor  the  progress  of  the  reaction  every  20  minutes  using  TLC  in  10%  methanol  in   chloroform  (1mL  of  methanol  mixed  with  9  mL  of  chloroform).    

 

To  perform  the  TLC,  use  a  Pasteur  pipet  to  remove  a  small  sample  of  the  reaction  mixture   and  put  it  in  a  labeled  vial.    Dilute  that  sample  with  a  small  amount  (~0/5  mL)  of  DCM.    To   compare  to  starting  materials,  dissolve  a  small  amount  of  the  “Acid”  used  for  the  reaction  in   DCM  in  another  labeled  vial.    Then  carefully  make  two  spots  on  your  TLC  plate  using  

separate  capillary  tubes  for  each  mixture:    one  of  the  “Acid”,  one  of  the  reaction  mixture.      

Run  the  prepared  TLC  plate  in  the  10%  methanol  in  chloroform  solution.    When  solution  is   about  a  few  millimeters  from  the  top,  take  it  out  and  let  dry.    Then  look  at  the  TLC  plate   under  the  UV  light  and  mark  the  spots.    When  no  spot  is  present  in  the  reaction  mixture   where  the  “Acid”  spot  lies,  then  the  reaction  is  complete.    Repeat  every  20  minutes  until   reaction  is  complete,  making  sure  to  use  clean  pipets,  vials,  and  capillary  tubes  for  each   trial.  

   

2nd  lab  day:  work-­up,  purification,  and  preparation  of  an  NMR  sample.  

At  this  stage,  the  product  is  in  a  mixture  that  contains  a  number  of  other  compounds  that   we  are  not  interested  in.    Removal  of  undesired  compounds  in  the  mixture  is  accomplished   (in  part)  in  a  workup  process,  in  which  different  byproducts  and  left  over  starting  materials   will  be  washed  out  of  the  organic  solution  that  contains  the  product.      

 

For  the  workup,  first  add  the  reaction  mixture  to  a  separatory  funnel  and  dilute  with   ~10mL  of  DCM.    Then  add  ~10mL  of  1M  HCl  and  shake  while  intermittently  venting.     Solution  will  form  two  layers  and  dichloromethane,  like  other  halogenated  organic   solvents,  is  denser  than  water  and  falls  to  the  bottom.    Remove  (and  save!!)  the  organic   layer,  and  dispose  of  the  aqueous  layer  into  an  appropriate  waste  container.      

(10)

Put  the  organic  layer  back  into  the  separatory  funnel  and  add  ~10mL  of  5%  aqueous   NaHCO3,  gently  shake  and  vent,  and  allow  the  mixture  to  separate  into  two  layers.    Remove  

and  save  the  organic  layer  (again  –  DCM  is  the  lower  layer).    

Repeat  the  above  step  with  ~10mL  of  distilled  water,  keeping  the  organic  layer.    

Repeat  the  above  step  with  ~10mL  of  brine  (a  concentrated  NaCl  solution).    

Set  a  funnel  into  an  Erlenmeyer  flask  and  line  the  funnel  with  a  filtration  paper.    Ask  TA   how  to  fold  filtration  paper  if  you  do  not  know  how.    Then  add  some  sodium  sulfate   (Na2SO4)  over  the  filter  paper  and  drain  the  organic  layer  through  the  sodium  sulfate  into  

the  flask.    Dribble  some  additional  DCM  over  the  sodium  sulfate  to  wash  down  any  extra   product  that  may  be  stuck  to  the  sodium  sulfate.    Add  product  to  a  pre-­‐weighed  vial  and  let   evaporate  on  its  own.    Should  form  a  solid  white  product  after  evaporation.    Weigh  vial   after  evaporation  to  determine  the  percent  yield.  

   

3rd  lab  day:  analysis  of  the  product  

 

Your  TA  will  provide  you  with  an  NMR  tube.    Be  careful  –  These  tubes  are  quite  thin  and   delicate.    Add  approximately  5-­‐10  mg  of  the  compound  to  the  NMR  tube  and  then  take  it  to   the  NMR  TA.    Don’t  try  to  weigh  this  amount,  and  the  precise  amount  isn’t  important.              

(11)

Transesterification  of  Plant  Oils:    Biodiesel  

 

Review  NMR  Spectroscopy  from  CHE  230   Review/read  Reactions  of  Esters  

 

Glycerol  

(1,2,3-­‐propane  triol,  also  called  glycerin)  is  a  very  common  substructure   within  fats  and  oils,  some  of  the  biomolecules  that  are  known  as  lipids.    Fatty  acid  (long   chain)  diesters  of  glycerol  form  an  integral  part  of  cell  membranes,  and  fatty  acid  triesters   of  glycerol  are  the  fats  and  oils  that  we  encounter  daily  in  our  foods.    There  are  many   different  fatty  acids,  and  therefore  many  different  kinds  of  fats  and  oils  can  be  formed.     Each  organism  builds  the  fats  and  oils  it  needs,  tuning  the  properties  (viscosity,  melting   point,  etc.)  by  the  choice  of  fatty  acids  used.      

   

   

Most  fatty  acids  are  8-­‐18  carbons  long  and  are  unbranched,  nonpolar  (“fatty”)  hydrocarbon   chains.    Some  fatty  acids  have  one  (or  more)  C=C  bonds  in  the  chain,  and  these  are  known   as  unsaturated  fatty  acids  while  fatty  acids  in  which  there  are  no  C=C  bonds  are  known  as  

saturated.    Fats  that  contain  unsaturated  fatty  acids  are  unsaturated  fats  and  fats  that   contain  saturated  fatty  acids  are  saturated  fats.    Nearly  all  of  the  naturally  occurring   unsaturated  fats  have  Z  (cis)  C=C  bonds.  

 

In  this  exercise  we  will  carry  out  a  transformation  called  transesterification:  the  conversion   of  a  mixture  of  glycerol  esters  (triglycerides)  and  methanol  into  a  mixture  of  methyl  esters   and  glycerol.    This  is  the  process  that  is  used  to  convert  waste  cooking  oils  into  fatty  acid   methyl  esters  (FAMEs),  which  are  suitable  for  use  as  a  substitute  for  petroleum-­‐based   diesel  fuel.      

(12)

   

With  these  FAMEs  in  hand  as  a  mixture,  you  will  determine  a  rough  fatty  acid  profile  (ratio   of  different  fatty  acids  present)  using  NMR  spectroscopy.      

   

Ist  lab  day:  Synthesis  of  fatty  acid  methyl  esters  (FAME’s)  from  a  triglyceride.  

 

Procedure  

Safety  Notes:    1)  While  the  oil  samples  you  are  using  will  be  commercial  cooking  oils,  you   should  NOT  assume  they  are  not  toxic.  2)    NaOMe  (sodium  methoxide)  is  very  strongly  basic   and  corrosive.    Keep  this  material  off  of  your  skin  and  out  of  your  eyes.  

 

Materials:    

1. 5  mL  of  oil    

2. 25  mg  of  sodium  methoxide  (NaOMe)  (0.5  wt%)   3. 1mL  of  methanol  (MeOH)  (20%  v:v)  

 

Weigh  approximately  25mg  of  NaOMe  and  carefully  add  to  10mL  round  bottom  flask.    Then   measure  1mL  of  MeOH  and  carefully  add  along  sides  of  the  round  bottom  flask  to  dissolve   any  NaOMe  residue  stuck  on  the  sides  and  cap  it.      

 

Set  your  loosely-­‐capped  round  bottom  flask  on  a  hot  plate  and  add  a  magnetic  stir  bar.     Have  your  TA  check  the  setup,  then  start  the  stirrer  and  heat  the  NaOMe/MeOH  mixture  to   500C.      

 

After  the  NaOMe/MeOH  mixture  has  reached  500C,  add  5mL  of  your  oil  sample,  recap  your  

flask,  and  stir  the  reaction  at  500C  for  30  minutes.    After  30  minutes,  remove  the  flask  from  

the  hot  plate,  remove  the  magnetic  stir  bar,  and  allow  mixture  to  cool  and  to  settle  to  form   two  layers.      

     

(13)

2nd  lab  day:  Isolation  of  FAMEs  and  preparation  of  a  sample  for  1H  NMR  analysis  

 

Be  very  careful  not  to  shake  your  reaction  mixture!    The  phases  will  have  separated   and  you  should  not  mix  them  up  again.  

 

Your  reaction  mixture  should  now  contain  two  distinct  layers  –  the  upper  one  is  methanol   containing  the  FAMEs,  and  the  lower  (more  viscous)  one  is  glycerol.    Carefully  pipette  out   the  top  layer  (organic  layer)  and  place  it  in  an  Erlenmeyer  flask,  then  evaporate  the  excess   methanol  and  store  the  resulting  mixture  of  FAME’s  in  a  capped  vial.  

 

Your  TA  will  provide  you  with  an  NMR  tube.    Be  careful  –  These  tubes  are  quite  thin  and   delicate.    Add  approximately  5-­‐7  mg  of  the  FAME  mixture  to  the  NMR  tube  and  then  take  it   to  the  NMR  TA.    Don’t  try  to  weigh  this  amount,  and  the  precise  amount  isn’t  important.     Try  to  get  ~1/2  of  a  drop  into  the  tube.      

 

3rd  lab  day:  Analysis  of  1H  NMR  spectrum  of  your  sample  

Gather  in  CP-­‐320  and  your  TA’s  will  assist  you  to  analyze  the  1H  NMR  spectrum  of  your  

sample.    The  natural  oils  we  will  be  using  are  composed  of  a  complex  mixture  of  different   fatty  acids,  but  only  a  few  are  present  as  significant  fractions  of  the  mixture.    The  major   component  fatty  acids  in  the  vegetable  oils  we  use  in  this  experiment  are  α-­‐linolenic,  

linoleic,  oleic,  and  palmitic  acids,  in  amounts  that  vary  from  ~  5%  to  ~  80%.    Palmitic  is  a   16-­‐carbon  acid,  while  the  others  all  contain  18  carbons.  

   

CO2H CO2H CO2H

Linoleic Acid Oleic Acid Palmitic Acid

CO2H

a-Linolenic Acid

   

Each  of  these  fatty  acids  has  long  stretches  of  unremarkable  sp3  C-­‐H’s  that  are  not  near  any  

(14)

the  1  –  2  ppm  range  of  the  spectrum.    Each  also  has  a  -­‐CH2-­‐  immediately  adjacent  to  the  

carboxylate  group,  and  these  hydrogens  appear  at  ~2.3  ppm.    So,  all  three  of  the  fatty  acids   shown  above  will  produce  some  very  similar  resonances  in  the  NMR  spectrum.    However,   the  unsaturated  acids  also  have  sp2  C-­‐H’s  (‘vinylic’  hydrogens)  that  appear  much  farther  

downfield  (5  –  6  ppm).    In  addition,  the  sp3  C-­‐H’s  that  are  adjacent  to  the  C=C  bonds  (called  

the  allylic  positions)  are  also  downfield  of  the  rest  of  the  sp3  C-­‐H’s,  appearing  a  bit  

downfield  of  2.0  ppm.  Polyunsaturated  fats  like  linoleic  acid  have  a  unique  pair  of  

hydrogens  that  are  allylic  to  two  different  C=C  bonds,  and  these  ‘doubly  allylic’  resonances   are  even  farther  downfield.,  appearing  around  2.7  ppm.    

 

CO2H All are 'aliphatic' C-H's

'allylic' 'vinylic' H H H H H H 'vinylic' H H H H H H H H 'vinylic' 'allylic' H H 'allylic' 'doubly allylic'    

Given  these  characteristics  of  the  NMR  spectra  of  these  three  different  fatty  acids,  you  can   use  the  integrals  of  these  resonances  in  your  spectrum  to  determine  the  relative  amounts  of   (α-­linolenic  +linoleic),  oleic,  and  palmitic  acids  in  your  sample  of  oil.    It  will  be  difficult  to  

distinguish  resonances  from  α-­‐linolenic  acid  from  resonances  from  linoleic  acid,  so  we  will  

consider  them  as  the  same.        

If  you  are  interested  in  reading  a  detailed  description  of  this  analysis,  consider  looking  up   this  article:    Knothe,  G.,  Kenar,  J.,  Eur.  J.  Lipid  Sci.  Technol.  2004,  106,  88-­‐96.  This  article  is   available  electronically  through  the  UK  Library  Electronic  Journals  site  at  

http://sfx.uky.edu/sfxlcl3/azlist/default                          

(15)

Polymer  Macrocapsules  

 

Polymers

 are  a  central  fixture  of  modern  life.  From  the  simple  plastics  that  hold  your   drinks  to  the  high-­‐strength  materials  in  bullet  resistant  vests  or  the  remarkable  carbon   fiber  materials  that  form  the  basis  of  modern  military  aircraft,  advances  in  polymer  science   inevitably  lead  to  advances  in  the  most  cutting-­‐edge  technologies.  Polymers  have  an  

impressive  range  of  properties;  sticky  and  elastic  synthetic  rubber,  or  incredibly  slick   TeflonTM.    Dense  and  strong  like  the  polycarbonate  in  your  safety  glasses,  to  light  and  fluffy  

like  polyurethane  foam.  The  properties  of  polymers  are  determined  by  the  various  

functional  groups  present  in  the  polymer  chain,  as  well  as  the  presence  or  absence  of  bonds   between  other  polymers  in  the  material.  

 

At  a  basic  level,  a  polymer  is  simply  a  large  (macro)  molecule  composed  of  repeating  sub-­‐ units  called  monomers.  There  are  many  different  ways  that  monomers  can  be  combined  to   form  polymers.    The  simplest  polymers  consist  of  individual  repeat  units  of  monomer   covalently  bonded  to  each  other  (as  in  Poly  A,  below).  This  is  one  of  the  most  common   types  of  polymer  found  in  the  world  today.    If  two  different  monomers  are  used,  the  

resulting  material  is  called  a  co-­‐polymer  and  a  variety  of  different  arrangements  can  arise.     Alternating  co-­‐polymers  simply  consist  of  uniformly  alternating  "A"  and  "B"  monomers,   and  are  among  the  most  uniform  of  co-­‐polymers.  

 

   

Another  type  of  co-­‐polymer  is  the  block  co-­‐polymer.    In  this  type  of  material,  all  of  

monomer  "A"  polymerizes  first,  then  a  chain  of  polymer  "B"  grows  off  of  this  initial  chain,   leading  to  a  polymer  comprised  of  two  large  "blocks"  of  different  composition.    More   typically,  a  block  co-­‐polymer  is  comprised  of  different  segment  of  random  lengths  of  

(16)

monomer  "A"  and  monomer  "B",  alternating  along  the  polymer  chain.    This  motif  is   referred  to  as  an  alternating  block  co-­‐polymer.  Whether  a  polymer  is  simply  alternating,   block,  or  alternating  block  has  significant  impact  on  the  physical  properties  of  the  material.   Another  structural  parameter  that  has  significant  impact  on  polymer  properties  is  cross-­‐ linking.    This  term  describes  bonds  between  adjacent  polymer  chains,  or  between  "loops"   within  a  single  polymer  chain.  

   

In  general,  the  more  cross-­‐links  present  in  a  polymer,  the  more  dense  and  structurally  rigid   the  material  will  be.  Cross-­‐linking  also  significantly  reduces  the  solubility  of  a  polymer  –   highly  cross-­‐linked  polymers  are  almost  impossible  to  dissolve  in  any  solvent.  

Polymers  are  also  very  common  in  biology.    Cotton,  wood  and  spider  silk  are  all  very   common  examples  of  biopolymers.    Many  of  the  most  common  biopolymers  are  derived   from  carbohydrates  –  monomers  with  the  basic  formula  C6H12O6.  The  polymer  we  will  be  

working  with  today  is  the  sodium  salt  of  the  carbohydrate-­‐based  polymer  alginic  acid.    As   the  name  implies,  it  is  commonly  found  in  the  cell  walls  of  algae,  and  is  also  a  major  

structural  component  of  seaweed.    It  is  produced  by  nature  in  such  large  amounts  that  it  is   currently  farmed  for  use  as  a  food  additive  and  in  many  over-­‐the-­‐counter  pharmaceuticals.      

(17)

   

Alginic  acid  is  a  block  co-­‐polymer  of  modified  forms  of  the  two  carbohydrates  D-­‐Mannose   and  L-­‐Gulose.    In  the  polymer,  the  primary  alcohol  functional  group  has  been  oxidized  to   the  carboxylic  acid.    In  commercial  form,  the  polymer  is  sold  as  the  sodium  salt  of  the  

carboxylic  acid,  referred  to  as  sodium  alginate.    In  this  form,  the  ionic  material  is  reasonably   soluble  in  water.      

 

Alginate  is  particularly  useful  because  it  is  easy  to  cross-­‐link.  By  replacing  the  monovalent   sodium  counterion  with  divalent  calcium,  bridging  ionic  bonds  are  formed  between   polymer  strands  that  serve  as  strong  cross-­‐links.    The  more  sodium  atoms  replaced  by   calcium,  the  more  highly  cross-­‐linked  (dense,  insoluble,  strong)  the  polymer  becomes.    

   

Common  uses  of  polymers  include  encapsulation  –  describe,  uses  include  medicine,  food,   etc.    If  the  polymer  is  porous,  can  also  be  used  as  solid  support  for  catalysts  or  as  a  filter.    

In  this  laboratory  experiment,  you  will  explore  the  concept  of  polymer  encapsulation.     Mixtures  of  sodium  alginate  and  a  molecule  of  interest  (guest)  will  be  dropped  into  

solutions  of  CaCl2.    The  surface  of  the  droplet  will  immediately  begin  to  cross-­‐link,  forming  

a  stable  macrocapsule  that  traps  the  guest  inside.    You  will  determine  the  relationship   between  cross-­‐linking  time  and  macrocapsule  strength,  as  well  as  determine  the  amount  of   guest  material  the  polymer  sphere  can  hold.    Because  these  spheres  are  porous,  you  will  

(18)

also  explore  the  formation  of  encapsulated  enzymes,  in  which  lactase  will  be  used  to   hydrolyze  the  lactose  found  in  milk,  producing  glucose  that  easily  be  detected  and   measured.  

   

Experimental  Procedures  

Note:  Although  many  of  the  materials  you  will  use  in  this  lab  are  labeled  "food  grade",   do  NOT  eat  any  of  the  materials  used  in  this  experiment!  

 

Lab  day  1.    Preparation  of  macrocapsules.    Measure  50  mL  of  sodium  alginate  solution  into   a  beaker.  Add  10  g  blueberry  syrup  (or  other  juice  provided)  to  the  sodium  alginate  

solution  to  make  solution  “A”.  In  a  second  500  mL  beaker,  dissolve  2.5  g  CaCl2  in  250  mL   water  to  make  solution  “B”.  Draw  the  sodium  alginate/blueberry  solution  into  a  plastic   pipette,  and  drip  it  slowly  into  solution  B.    Your  goal  here  is  to  make  drops  that  are  as   uniform  in  size  as  possible  –  start  with  30  drops  to  begin  with.    After  3  minutes,  filter  your   macrocapsules  through  the  strainer  provided  (be  sure  to  save  the  calcium  chloride  solution   –  you  will  need  it  later),  rinse  gently  with  deionized  water,  spread  them  out  on  a  piece  of   paper  towel  and  let  them  dry.  

 

Analysis  1:    Place  a  selection  of  10  of  your  macrocapsules  under  the  magnifying  glass.     Using  the  ruler  provided,  estimate  the  approximate  size  and  shape  of  the  capsules  –you   should  provide  an  average  diameter  for  this  selection  of  capsules  in  your  laboratory   notebook  and  report.    Assuming  the  capsules  are  roughly  spherical,  calculate  the  average   total  volume  of  your  capsules.  

Analysis  2:    Suspend  10  of  your  capsules  in  a  beaker  containing  only  sufficient  pH  4  water   to  barely  cover  the  capsules,  take  note  of  the  time,  and  swirl  occasionally.    Keeping  this   beaker  over  a  sheet  of  white  paper,  note  how  long  it  takes  for  the  color  of  the  juice  to   appear  in  the  water.    Note  the  time  that  color  first  appears.    

Lab  day  2.    Studying  the  relationship  between  degree  of  cross-­linking  and  macrocapsule  

strength.    Prepare  new  macrocapsules  following  the  procedure  used  during  the  lab  day  1  

(19)

Analysis  3:  Place  1  macrocapsule  at  the  bottom  of  a  vertical  glass  tube.    Carefully  insert  the   provided  solid  glass  tube  (plunger)  until  it  is  gently  resting  on  top  of  the  macrocapsule.     Carefully  add  lead  weights  to  the  top  of  the  solid  tube,  until  the  macrocapsule  bursts.    Note   the  weight  required  to  burst  the  macrocapsule,  and  use  this  information  to  estimate  the   compression  strength  of  your  macrocapsule.  

 

   

Make  a  new  set  of  3  –  4  macrocapsules  by  adding  droplets  of  solution  A  to  the  calcium   chloride  solution.    This  time,  let  the  capsules  sit  for  6  minutes  before  filtering  and  testing   compressive  strength.    Repeat  this  experiment  using  cross-­‐linking  times  of  12,  18,  24  and   30  minutes  (a  clever  strategy  would  be  to  make  a  large  number  of  capsules  to  begin  with,   and  after  filtering,  return  the  bulk  of  the  capsules  to  the  calcium  chloride  solution  to   continue  the  cross-­‐linking  process).    A  plot  of  capsule  strength  vs.  time  will  indicate  the   rate  of  cross-­‐linking.    If  the  resulting  plot  is  not  linear,  discuss  why  it  is  not  linear  in  your   laboratory  write-­‐up.    You  should  also  think  about  what  factors  impact  the  rate  of  cross-­‐ linking  of  your  macrocapsules.  

 

Analysis  4:  Obtain  the  mass  of  10  dry  macrocapsules,  and  place  them  in  a  mortar.    Crush  the   macrocapsules  thoroughly,  and  constantly  rinse  them  with  methanol  to  remove  all  traces  of   juice.    Dry  the  crushed  capsule  shell  walls,  and  weigh  them.    From  this  information,  

estimate  the  average  volume  of  juice  held  by  each  macrocapsule.    

Lab  day  3.    Macro-­encapsulated  enzymes.  

One  of  the  most  convenient  ways  to  employ  chemical  reagents  (including  enzymes)  is  to   attach  them  to  an  insoluble  particle.    In  this  way,  any  excess  reagent  can  be  removed  from  a   reaction  mixture  by  simple  filtration,  and  re-­‐used  in  the  next  reaction.    In  this  experiment,   you  will  encapsulate  the  lactase  enzyme  within  your  alginate  macrospheres.    You  will  then   use  this  solid-­‐supported  enzyme  to  remove  lactose  from  milk.1  While  there  is  no  simple  test  

for  the  presence  of  lactose,  the  decomposition  of  lactose  by  the  lactase  enzyme  produces   glucose,  which  is  easily  monitored  with  glucose  test  strips.  

 

                                                                                                               

1  Adapted  from  D.  Madden,  National  Centre  for  Biotechnology  Education,  University  of  

(20)

Pick  up  10  mL  of  sodium  alginate  solution,  and  add  2.5  mL  of  enzyme  solution.    Mix  well.     As  before,  carefully  drop  the  alginate  solution  into  a  beaker  of  freshly  prepared  calcium   chloride  solution.    Allow  the  spheres  to  harden  for  3  –  5  minutes,  then  carefully  filter  and   rinse  your  macrospheres  as  before.    

 

Set  up  your  10  mL  syringe  barrel,  tubing  and  hose   clamp  as  shown  in  the  diagram.  

 

Place  a  small  ball  of  cotton  down  the  syringe  barrel   (this  will  prevent  the  macrocapsules  from  plugging   the  opening),  and  then  carefully  pour  your  

encapsulated  enzyme  macrospheres  on  top  of  the   cotton.    Measure  out  5  mL  of  milk  and  test  it  for  the   presence  of  glucose  –  there  should  be  none.    Now,   making  sure  your  tubing  clamp  is  securely  closed,   pour  the  milk  carefully  into  the  syringe.    Place  a   beaker  under  the  outlet  of  the  tubing,  and  remove   the  clamp  to  let  the  milk  drain  out  of  the  syringe.     Using  a  glucose  test  strip,  determine  the  glucose   level  in  the  milk,  then  pass  this  milk  back  through   the  column  again.  Continue  testing  and  passing  the   milk  through  the  column  until  the  glucose  level  does   not  change  (keep  careful  notes  on  how  many  times  

you  passed  the  milk  through  the  column).    Assuming  that  one  molecule  of  lactose  produces   one  molecule  of  glucose,  calculate  the  lactose  concentration  in  the  original  milk.    Also,   estimate  the  length  of  column  that  would  be  required  to  completely  remove  the  lactose  in   one  passage.            

References

Related documents

In this paper various life cycles studied like SDLC, Waterfall model., Iterative model, V-shaped model, Spiral model, Incremental Method, prototyping model ,The Big

This paper presents a new construct called SeDAPS (Secured Distributed-Access Protection System) and a prototype system named Icos (Information Control System) created to

The facility will be used for rcpacking labpacks, bulking small organic waste volumes, processing scintillation vials, treating reactives such as lithium hydride and pyrophoric

Term(s) Typically Offered: Offered Fall &amp; Summer Terms CHEM 212 -  Organic Chemistry Laboratory II  .. A laboratory course in which students employ the synthetic techniques

Research has found some important ways to reduce the risk of SIDS and create a safe sleeping environment for babies and young children.. This brochure provides you with information

Using the guiding evaluations shown in Figure 2, we observe that most students showed no major shifts in the quality of their responses for the three categories: connecting knowledge,

Xdbmgmg egxpmibtcmp zmhm fcmtbinm m`sictx hmzmx xegffe mxmt gipnmc' Xdbmgmg Xdbmgmg egxpmibtcmp zmhm fcmtbinm m`sictx hmzmx xegffe mxmt gipnmc' Xdbmgmg gipnmc hmzmx xdplmhe

Defendant has been and now is directly and indirectly infringing the ’576 Patent in the State of Texas, in this judicial district, and elsewhere in the United States by, among other