Weird Science

Kto pomieszał cukry?

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (1/2018):

Ilustracja

Ples M., Kto pomie­szał cukry? Mała ana­liza, Bio­lo­gia w Szkole, 1 (2018), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 58 - 63

Mała ana­liza

Siła życiowa, albo z łaciny vis vita­lis, to ter­min wywo­dzący się z kon­cep­cji alche­micz­nych i wpro­wa­dzony w XVI wieku przez Johanna Bap­ti­stę van Hel­monta - fla­mandz­kiego leka­rza i fizjo­loga. Według wielu to wła­śnie ów uczony roz­po­czął pro­ces, którego rezul­ta­tem było prze­ksz­tałc­e­nie się alche­mii w che­mię jako naukę, którą znamy dzi­siaj [1]. Pojęcie vis vita­lis ozna­czało bli­żej nie­o­kre­śloną tajem­ni­czą siłą ist­nie­jącą w ustro­jach żywych. Miała ona nada­wać zdol­ność do syn­tezy orga­nicz­nych związ­ków che­micz­nych.

Powo­dem sfor­mu­ło­wa­nia pojęcia siły życio­wej był fakt, że mimo potwier­dze­nia ist­nie­nia spe­cy­ficz­nych związ­ków che­micz­nych występu­jących w żywych orga­ni­zmach bada­cze począt­kowo nie potra­fili ich syn­te­zo­wać w warun­kach labo­ra­to­ryj­nych. Dopiero Frie­drich Wöh­ler w 1828 roku doko­nał syn­tezy będącego związ­kiem orga­nicz­nym mocz­nika CO(NH2)2 z nie­or­ga­nicz­nych sub­stra­tów takich jak amo­niak NH3 i kwas cyja­nowy HOCN [2]. Tym samym dowiódł, że ist­nie­nie vis vita­lis nie jest konieczne do pow­sta­nia tych związ­ków. Z tego powodu wspom­nianą datę przyj­muje się często za początek współcze­snej che­mii orga­nicz­nej.

Zna­le­zie­nie jed­nej metody kla­sy­fi­ka­cji olbrzy­miej liczby związ­ków orga­nicz­nych napo­tyka na wiele trud­no­ści. Wystar­czy wspom­nieć, że ich pro­sta defi­ni­cja jako połączeń che­micz­nych zawie­ra­jących węgiel powo­duje wiele pro­ble­mów inter­pre­ta­cyj­nych. Pro­ste związki (dwu­tle­nek węgla CO2 , kwas węglowy H2CO3, cyja­no­wo­dór HCN i inne) nie są zali­czane do związ­ków orga­nicz­nych. Także inne, bar­dziej skom­pli­ko­wane defi­ni­cje bywają obar­czone pew­nymi nie­ści­sło­ściami. Wynika to z faktu, że nie ist­nieje ści­słe roz­gra­ni­cze­nie między związ­kami orga­nicz­nymi a nie­or­ga­nicz­nymi.

Ponad wszelką wąt­pli­wość do związ­ków orga­nicz­nych należą jed­nak węglo­wo­dany nazy­wane też często cukrami lub sacha­ry­dami. Skła­dają się one z ato­mów węgla C oraz wodoru H i tlenu O, zazwy­czaj w sto­sunku H:O = 2:1. Do cha­rak­te­ry­stycz­nych grup występu­jących w struk­tu­rze cukrów można zali­czyć grupy hydrok­sy­lowe, kar­bo­ny­lowe i mostki póła­ce­ta­lowe.

Węglo­wo­dany można podzie­lić m. in. na:

Cukry pro­ste można także roz­różn­iać ze względu na ilość występu­jących w nich ato­mów węgla. Tak więc ist­nieją triozy (3 atomy węgla, np. alde­hyd gli­ce­ry­nowy C3H6O3), tetrozy (np. tre­oza C4H8O4), pen­tozy (np. rybu­loza C5H10O5), hek­sozy (np. glu­koza C6H12O6) i hep­tozy (np. man­no­hep­tu­loza C7H14O7).

Inną metodą kla­sy­fi­ka­cji cukrów pro­stych jest podział ze względu na występu­jące grupy funk­cyjne:

Do ketoz należy m.in. wspom­niana wcze­śniej rybu­loza, zaś do aldoz np. glu­koza.

Cukry zło­żone czyli oligo- i poli­sa­cha­rydy pow­stają poprzez połącze­nie dwóch lub więcej reszt cukrów pro­stych za pomocą wiąza­nia gli­ko­zy­do­wego. W ten spo­sób z glu­kozy i fruk­tozy pow­staje sacha­roza C12H22O11 – pow­szech­nie wyko­rzy­sty­wany cukier spo­żyw­czy.

Więk­szość cukrów z jaką możemy się zetk­nąć w naszym oto­cze­niu ma podobną formę – w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej są to kry­sta­liczne lub bez­po­sta­ciowe ciała o bia­łej bar­wie. Mimo jed­nak podob­nego wyglądu cukry bar­dzo często różnią się od sie­bie np. wła­ści­wo­ściami che­micz­nymi. Z tego powodu chciałbym dziś opi­sać pro­ste metody roz­różn­ia­nia cukrów, które można z powo­dze­niem zasto­so­wać w szkol­nej lub uczel­nia­nej pra­cowni. Tego rodzaju pro­sta ana­liza che­miczna związ­ków czyn­nych bio­lo­gicz­nie może sta­no­wić dosko­nały spo­sób uka­za­nia łącz­no­ści między dwiema nau­kami przy­rod­ni­czymi, jakimi są bio­lo­gia i che­mia.

Roz­po­zna­jemy cukry

W doświad­cze­niu wyko­rzy­stamy trzy łatwo dostępne cukry. Będzie to sacha­roza, glu­koza nazy­wana też cukrem gro­no­wym i fruk­toza znana jako cukier owo­cowy. Wszyst­kie trzy cukry po utar­ciu w moździe­rzu na jed­no­rodny pro­szek wła­ści­wie nie różnią się z wyglądu. Jak widać na Fot.1 nie można ich w ten spo­sób odróżnić. Nie zdra­dzę teraz, który z cukrów (Fot.1A, B, C) jest sacha­rozą, glu­kozą czy fruk­tozą.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Cukry wyko­rzy­stane w doświad­cze­niu; opis w tek­ście

Wszyst­kie przed­sta­wione cukry mają słodki smak i dobrze roz­pusz­czają się w wodzie. Dla uła­twie­nia inter­pre­ta­cji we wszyst­kich próbach oraz przed­sta­wia­jących je zdjęciach zostaną zacho­wane ozna­cze­nia odpo­wia­da­jące Fot.1.

Aby roz­różnić wspom­niane sub­stan­cje należy uciec się do metod che­micz­nych. W tym celu wyko­namy odpo­wied­nie reak­cje cha­rak­te­ry­styczne. Pierw­szą z nich będzie próba Feh­linga, która umożl­i­wia wykry­wa­nie związ­ków redu­ku­jących. Została ona opra­co­wana w XIX wieku przez nie­miec­kiego che­mika Her­manna von Feh­linga [3].

Wyko­rzy­sta­nie próby Feh­linga do roz­różn­ia­nia cukrów opiera się na fak­cie, że niek­tóre z nich posia­dają zdol­ność do reduk­cji innych sub­stan­cji. Z wyko­rzy­sta­nych w doświad­cze­niu cukrów zarówno glu­koza, jak i fruk­toza są cukrami redu­ku­jącymi - w prze­ci­wieńs­twie do sacha­rozy.

Głów­nym skład­ni­kiem potrzeb­nego w tej próbie odczyn­nika jest sól mie­dzi(II), a kon­kret­nie siar­czan(VI) mie­dzi(II) w postaci pen­ta­hy­dratu CuSO4 • 5H2O. Jest to ciało kry­sta­liczne o pięk­nej nie­bie­skiej bar­wie (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Uwod­niony siar­czan(VI) mie­dzi(II)

Do cie­ka­wo­stek należy zali­czyć fakt, że sub­stan­cja ta była znana alche­mi­kom i nazy­wana witrio­lem mie­dzi (łac. Vitriol coe­ru­leum). Nazwa tej sub­stan­cji może koja­rzyć się także z popu­lar­nym wśród adep­tów tajem­nych sztuk mot­tem łacińs­kim Visita Inte­riora Terrae Recti­fi­cando Inve­nies Occul­tum Lapi­dem (Odwiedź wnętrze Ziemi, dzięki oczysz­cze­niu znaj­dziesz tam ukryty kamień”).

By prze­pro­wa­dzić próbę Feh­linga należy naj­pierw spo­rządzić dwa roz­twory. Ich skład przed­sta­wia się następu­jąco:

Do przy­go­to­wa­nia roz­two­rów należy oczy­wi­ście użyć wody desty­lo­wa­nej.

Wyko­rzy­stany winian potasu sodu NaKC4H4O6 (sól Sei­gnette’a, sól z Rochelle) nie jest tru­jący, ale pra­cu­jąc z pozo­sta­łymi sub­stan­cjami należy zacho­wać ostrożn­ość. Siar­czan(VI) mie­dzi(II) może być szko­dliwy, nato­miast zarówno kwas siar­kowy(VI), jak i wodo­ro­tle­nek sodu są żrące – mogą spo­wo­do­wać trudno gojące się opa­rze­nia, a w razie dosta­nia się do oczu usz­ko­dzić wzrok.

Gotowy roz­twór A jest bez­barwny, nato­miast roz­twór B zaw­dzięcza swoją błękitną barwę obec­no­ści związku mie­dzi (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Gotowe roz­twory A i B

Oba roz­twory można długo prze­cho­wy­wać w zamk­niętych naczy­niach. Bar­dzo odpo­wied­nie w tym celu są nie­wiel­kie butelki ze szkła lub two­rzywa sztucz­nego umożl­i­wia­jące dozo­wa­nie po kro­pli (Fot.4). Trzeba je oczy­wi­ście odpo­wied­nio pod­pi­sać.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Roz­twory A i B w zakręca­nych bute­lecz­kach

Odczyn­nik Feh­linga przy­go­to­wuje się bez­po­śred­nio przed prze­pro­wa­dze­niem próby łącząc w odpo­wied­nich pro­por­cjach otrzy­mane roz­twory A oraz B.

Do pro­bówki należy wlać kilka cen­ty­me­trów sze­ścien­nych roz­tworu A, a następ­nie - ciągle mie­sza­jąc - dodać kilka kro­pli roz­tworu B. Odczyn­nik Feh­linga jest gotowy, kiedy ciecz przy­bie­rze trwałą barwę błękitną (nieco inten­syw­niej­szą niż barwa samego roz­tworu B).

Chcemy ziden­ty­fi­ko­wać trzy cukry. Dla­tego weźm­iemy taką samą ilość pro­bówek, w których przy­go­tu­jemy na świeżo odczyn­nik Feh­linga. Do każdej z nich należy dodać po szczyp­cie bada­nego cukru. Po roz­pusz­cze­niu sub­stan­cji sta­łych w dal­szym ciągu nie można zaob­ser­wo­wać żad­nej różn­icy (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Gotowy odczyn­nik Feh­linga z dodat­kiem próbek cukrów; A, B, C – Posz­cze­gólne cukry (kolej­ność odpo­wiada Fot.1)

By zaob­ser­wo­wać różn­ice cha­rak­te­ry­styczne dla okre­ślo­nych cukrów należy ogrzać pro­bówki w łaźni wod­nej lub za pomocą pal­nika spi­ry­tu­so­wego (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Ogrze­wa­nie próbki za pomocą pal­nika spi­ry­tu­so­wego

W przy­padku ogrze­wa­nia pal­ni­kiem trzeba uwa­żać, tak by nie spo­wo­do­wać roz­pry­sku gorącej cie­czy.

Już po chwili ogrze­wa­nia można zau­wa­żyć inte­re­su­jący feno­men – ciecz zmie­nia swą barwę z nie­bie­skiej na poma­rańczo­wo­czer­woną, sta­jąc się przy tym mętna. Zmiana ta występuje jed­nak tylko w pierw­szej i dru­giej pro­bówce. W trze­cim naczy­niu mimo ogrze­wa­nia ciecz pozo­staje nie­bie­ska i kla­rowna (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Wynik próby Feh­linga; A, B – wynik pozy­tywny, C – wynik nega­tywny (kolej­ność odpo­wiada Fot.1)

Brak zmiany zabar­wie­nia (wynik nega­tywny) w przy­padku próbki C świad­czy jed­no­znacz­nie, że zawie­rała ona sacha­rozę. Tym spo­so­bem ziden­ty­fi­ko­wa­li­śmy ten cukier.

Za pomocą próby Feh­linga nie da się nato­miast roz­różnić glu­kozy i sacha­rozy, ponie­waż obie dają pozy­tywny wynik, tj. mają wła­ści­wo­ści redu­ku­jące. Trzeba w tym celu wyko­rzy­stać inną metodę.

W celu łatwej iden­ty­fi­ka­cji tych cukrów można wyko­rzy­stać fakt, że glu­koza jest aldozą, zaś fruk­toza ketozą. Różn­ice w ich wła­ści­wo­ściach che­micz­nych można wyka­zać za pomocą tzw. próby Seli­wa­nowa opra­co­wa­nej przez rosyj­skiego che­mika Fio­dora Seli­wa­nowa w 1887 roku [4].

Przy­go­to­wa­nie odczyn­nika Seli­wa­nowa nie jest trudne. Jest do tego potrzebny kwas chlo­ro­wo­do­rowy HCl – jego stęże­nie powinno wyno­sić około 18%. Kolejną konieczną sub­stan­cją jest 1,3-dihy­drok­sy­ben­zen C6H4(OH)2, którego wzór struk­tu­ralny przed­sta­wia Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny 1,3-dihy­drok­sy­ben­zenu

Wspom­niana sub­stan­cja jest też często nazy­wana rezor­cyną. W warun­kach nor­mal­nych ma ona postać bia­łego proszku lub łusek, które w kon­tak­cie z powie­trzem nabie­rają powoli deli­kat­nego zabar­wie­nia różo­wego (Fot.8).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Łuski 1,3-dihy­drok­sy­ben­zenu

Chcąc przy­go­to­wać odczyn­nik Seli­wa­nowa należy do nie­wiel­kiej ilo­ści kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego o odpo­wied­nim stęże­niu dodać kilka kro­pli alko­ho­lo­wego roz­tworu rezor­cyny. Tak uzy­skany roz­twór jest prak­tycz­nie bez­barwny (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Gotowy odczyn­nik Seli­wa­nowa

W naszym przy­padku roz­twór należy roz­lać do pro­bówek, a następ­nie do każdej z nich dodać szczyptę bada­nych sub­stan­cji. Podob­nie jak przy reak­cji Feh­linga, na zimno nie można zaob­ser­wo­wać żad­nych różnic w wyglądzie próbek (Fot.10).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Gotowy odczyn­nik Seli­wa­nowa z dodat­kiem bada­nych cukrów; A, B – Posz­cze­gólne cukry (kolej­ność odpo­wiada Fot.1)

Znowu więc musimy ogrzać obie próbki. Odpo­wied­nia będzie tutaj pro­sta łaźnia z gorącą wodą, wyko­nana np. z więk­szej zlewki (Fot.11).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Spo­sób ogrze­wa­nia próbek

Już po kilku sekun­dach można zau­wa­żyć, że w jed­nej z pro­bówek szybko pow­staje inten­sywne czer­wone zabar­wie­nie. Wynik próby przed­sta­wia Fot.12.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.12 – Wynik próby Feh­linga; A – wynik nega­tywny, C – wynik pozy­tywny (kolej­ność odpo­wiada Fot.1)

Jako pozy­tywny wynik próby inter­pre­tu­jemy szyb­kie pow­sta­nie inten­syw­nego zabar­wie­nia (Fot.12B). Deli­katne zabarw­nie­nie (Fot.12A) pow­sta­jące po dłuższym ogrze­wa­niu lub całk­o­wity jego brak należy zin­ter­pre­to­wać jako wynik nega­tywny.

Pozy­tywny wynik świad­czy o tym, że badany cukier był ketozą, a więc próbka B zawie­rała fruk­tozę.

Łącząc infor­ma­cje uzy­skane dzięki prze­pro­wa­dze­niu prób Feh­linga i Seli­wa­nowa możemy więc stwier­dzić, że pod ozna­cze­niami A, B, C (vide Fot. 1) kryły się odpo­wied­nio: glu­koza, fruk­toza i sacha­roza.

Jako swego rodzaju uzu­pełn­ie­nie chciałbym tutaj przy­to­czyć także wzory struk­tu­ralne bada­nych cukrów, oczy­wi­ście w teraz już zna­nej kolej­no­ści (Rys.2).

Ilustracja
Rys.2 – Wzory struk­tu­ralne cukrów wyko­rzy­sta­nych w doświad­cze­niu; A – glu­koza, B – fruk­toza, C - sacha­roza

Wyja­śnie­nie

W reak­cji Feh­linga obecne w roz­two­rze jony mie­dzi(II) Cu2+ - przed­sta­wione jako jony pro­ste, w rze­czy­wi­sto­ści jed­nak w postaci kom­pleksu winia­no­wego - w obec­no­ści zasady rea­gują ze związ­kiem zawie­ra­jącym grupę alde­hy­dową. Dzięki temu metal zostaje zre­du­ko­wany i pow­staje nie­roz­pusz­czalny tle­nek mie­dzi(I) Cu2O o bar­wie czer­wo­no­po­ma­rańczo­wej:

2Cu2+ + R-CHO + NaOH + H2O → Cu2O↓ + R-COONa + 4H+

Jed­no­cze­śnie alde­hyd zostaje utle­niony do odpo­wied­niego kwasu kar­bok­sy­lo­wego, czy raczej (z powodu obec­no­ści zasady) do soli sodo­wej tego kwasu [5]. W przy­padku cukrów pow­stają w ten spo­sób sole sodowe kwa­sów aldo­no­wych, np. glu­ko­nian sodu.

Wyda­wa­łoby się, że metoda ta powinna pozwa­lać jedy­nie na wykry­wa­nie redu­ku­jących wła­ści­wo­ści aldoz, a więc także na odróżn­ie­nie ich od ketoz jako nie zawie­ra­jących grupy alde­hy­do­wej. Nie­stety tak nie jest, ponie­waż wiele ketoz ulega tau­to­me­rii keto-eno­lo­wej, dzięki czemu mogą podob­nie jak aldozy wyka­zy­wać wła­ści­wo­ści redu­ku­jące.

Jak widzimy, cukry pro­ste i disa­cha­rydy naj­czę­ściej dają pozy­tywny wynik próby Feh­linga. Do wyjąt­ków należy sacha­roza, co wyko­rzy­sta­li­śmy w doświad­cze­niu. Wie­lo­cu­kry dają nega­tywny wynik ze względu na małą liczbę reszt redu­ku­jących w dłu­gim łańc­u­chu poli­meru.

Jeśli cho­dzi o próbę Seli­wa­nowa, to opiera się ona na fak­cie, że ketozy znacz­nie łatwiej prze­ksz­tałc­ają się pod dzia­ła­niem kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego w pochodne fur­fu­ra­lowe niż aldozy. Wspom­niana pochodna rea­guje następ­nie z rezor­cyną, czego efek­tem jest pow­sta­nie czer­wo­nego pro­duktu. Aldozy także mogą ule­gać podob­nej reak­cji, ale czy­nią to o wiele wol­niej. Dla­tego metoda pozwala na roz­różn­ia­nie ketoz od aldoz [6].

Zazna­czyć należy, że sacha­roza jako dwu­cu­kier, w skład którego wcho­dzą reszty glu­kozy i fruk­tozy daje pozy­tywny wynik testu Seli­wa­nowa.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa