实验电解氧化葡萄糖生成葡萄糖酸的研究

电解氧化葡萄糖生成葡萄糖酸的研究姓名学号班级化工合作者指导教师实验日期2013/6电解氧化葡萄糖生成葡萄糖酸的研究化工11一、实验目的1、掌握用电解氧化法将葡萄糖氧化成葡萄糖酸；2、探讨不同因素对葡萄糖酸产率的影响；3、培养团队协作精神；4、完成一次完整的研究实验训练，掌握基本的实验研究能力。二、实验原理葡萄糖酸及其系列衍生物是一类多用途的重要有机产品，在食品工业中被广泛用作酸味剂、发酵剂、防腐剂、营养增补剂、色调保持剂、蛋白质凝固剂等。本实验采用电解氧化葡萄糖制取葡萄糖酸，在工艺条件合适时，具有选择性好、产品纯度及收率高且无三废排放等特点。葡萄糖属于多羟基化合物，根据IR和NMR的测定结果，在水溶液中，葡萄糖存在着α—异构体、β—异构体及醛式（直链式）三种构体的平衡体系，其中β—异构体约占64%，α—异构体约占36%，醛式构体只有少量。葡萄糖的α—异构体和β—异构体都能被氧化剂所氧化，但被氧化的速度不同，β-异构体的氧化速度约为α-异构体的39倍。如果β-异构体被氧化,溶液中葡萄糖的平衡体系被破坏,α-异构体向β-异构体转化,使得葡萄糖能较为完全地被氧化。氧化剂的选用至关重要，如果选用氧化能力太弱的氧化剂如游离碘等，势必延长反应时间或氧化不完全，但若采用太强的氧化剂如高锰酸钾、次氯酸盐等，会造成伯醇和仲醇羟基被氧化，使单糖的碳—碳链断裂，单糖降解。据理论分析和实验探索，本实验采用NaBr作为氧化剂。游离溴的氧化能力适中，它在水溶液中存在以下平衡Br2+H2O=HOBr+HBr平衡常数为2.4×10-8在碱性条件下，溴是以次氯酸和次氯酸盐形式存在，它们的氧化能力过强；在酸性溶液中，具有强氧化性OBr-的浓度微小，溴主要以游离溴（Br2）形式存在，游离溴是具有中等氧化能力的氧化剂，本实验由于溶液中存在有糖酸，所有能保证氧化剂是以游离溴的形式来氧化葡萄糖。氧化的过程是首先使β-D葡萄糖脱去两个氢原子，生成D-葡萄糖酸1,5-内酯，经水解转变成D-葡萄糖酸。β-异构体被氧化，引起α-异构体向β-异构体的转化，使葡萄糖能较为完全地氧化成葡萄糖酸。游离溴能把葡萄糖氧化成葡萄糖酸后，本身被还原成溴离子，在电场的作用下，溴离子向阳极移动，失去电子成为Br2重新氧化成葡萄糖，这使得NaBr能够被重复使用。电极反应：阳极：2Br-－2e→Br2阴极：2H++2e→H2↑氧化还原反应：RCHO+Br2+H2O=ROOH+HBr三、实验材料1、药品：药品名称规格备注葡萄糖AR国药集团化学试剂有限公司白色结晶粉末溴化钠AR国药集团化学试剂有限公司白色结晶粉末邻苯二甲酸氢钠工作基准试剂中国医药集团上海化学试剂公司浓硫酸分析纯浓硫酸NAOHAR白色均匀粒状或片状固体乙醇AR酚酞指示剂2、仪器：名称规格数量锥形瓶250ml3烧杯500ml、250ml、150ml各1个容量瓶500ml（20℃）1移液管25ml、10ml、5ml各1支称量瓶25×251量筒10ml、100ml各1个酸、碱滴定管各1支球形冷凝管1四口烧瓶12个石墨电极、玻璃棒2支、洗耳球、橡胶管2根、胶头滴管、药匙、W20113恒温水浴锅（上海申顺生物科技有限公司）、IKARW20Digital数显型顶置式电动搅拌机、双显恒电位仪（上海雷磁创益仪器仪表有限公司）、电子天平四、实验内容1、溶液的配置实验步骤实验现象酚酞的配置：取酚酞0.1g、乙醇（90%）100ml混合均匀后置于酚酞试剂瓶中无色酚酞试剂NaOH溶液的配置：取NaOH固体2g于烧杯中溶解后，用500ml容量瓶定容，保存在试剂瓶中无色NaOH试剂H2SO4溶液的配置：取9mol/L的H2SO4取2.8ml稀释后，用500ml容量瓶定容，保存在试剂瓶无色H2SO4溶液2、标定溶液实验步骤实验现象实验结果NaOH溶液的标定：分别用锥形瓶取邻苯二甲酸氢钾0.4069g、0.3925g、0.4052g加水溶解后加入2滴酚酞，用NaOH溶液滴定邻苯二甲酸氢钾溶液由无色恰好变为红色C=0.1019955mol/LH2SO4溶液的标定：分别取标定好的NaOH溶液10ml、10ml、9.5ml加入2滴酚酞，用硫酸滴定溶液由红色恰好变为无色C=0.0535476mol/L3、电解氧化葡萄糖生成葡萄糖酸实验步骤实验现象①称取葡萄糖90.0g溶解后，用500ml容量瓶定容制成葡萄糖含量为18%的浓度；称取NaBr13.0g，配成含NaBr2.6%的溶液②将500ml葡萄糖溶液加入反应瓶中，设置搅拌器400r/min，恒定流700mA，温度55℃，设置完毕后，开启工作键8:40开始通电后有气泡产生，溶液呈黄色③3小时后，每隔1小时取反应液10ml，测糖酸的产率；空白对照组：NaOH25ml用硫酸滴定分别于11:40、12:40、13:40、14:40各取反应液10ml于锥形瓶中，各加入NaOH25ml，摇匀，用硫酸滴定中间反应3小时葡萄糖酸产率：11:407.1%12:409.8%13:4012.1%14:4013.82%4、改变温度①称取葡萄糖90.0g，配成葡萄糖含量为18%的葡萄糖溶液500ml；称取NaBr13.0g，配成含NaBr2.6%的溶液②温度60℃，其它同前一次实验③同前一次实验分别于11:15、12:15、13:15、14:15各取反应液10ml于锥形瓶中，各加入NaOH25ml，摇匀，用硫酸滴定8:15开始中间反应3小时葡萄糖酸产率：11:1520.29%12:1522.27%13:1522.81%14:1525.01%五、结果与讨论1、经过分析实验数据，得出实验条件不变的条件下，葡萄糖酸的产率随着反应时间的增加而增加，由于本次实验的有限总反应时间为6h，所以不能判定在6h之后的反应中葡萄糖酸的产率是否会继续随着反应时间的延长而有所增加，但是我们猜想会有一个合理反应时间使葡萄糖酸的产率达到最大值。2、第二组反应温度比第一组高5度，但是产率却大大高于第一组，我们分析出现这种现象的原因可能是温度升高在较短的反应时间内对反应速率影响较大。3、糖酸的产率计算式：=（V0－V2）×2C(H2SO4)×196×0.001×100%／G,式中：196—葡萄糖酸的分子量；G—氧化前10ml样品中葡萄糖的含量（g）。因为葡萄糖酸的分子量196高于葡萄糖的分子量180，所以本计算式人为地放大了产率，若用摩尔产率会更精确。4、经过这次基础化学实验，我们从查阅文献开始，到设计实验方案，再到具体实验操作，最后讨论分析实验结果，得到系统的实验锻炼，能力得到提升，也更加熟悉了解化学实验，增加了对化学的兴趣。参考文献：刘宜锋.电解氧化葡萄糖生成葡萄糖酸的研究[J].食品工业科技.2007,28(10):189―191.附录：第一小组实验数据温度55℃样品10ml,加NaOH25ml摇匀,用硫酸滴定次序1234起始00.050.480.1终点16.7214.4212.9311.05Δ16.7214.3712.4510.95产率7.10%9.80%12.10%13.82%温度60℃样品10ml,加NaOH25ml摇匀,用硫酸滴定次序1234起始00.150.080.15终点5.43.853.321.5Δ5.43.73.241.35产率20.29%22.27%22.81%25.01%产率0.00%5.00%10.00%15.00%20.00%25.00%30.00%1234次序产率