實驗十 合成人工香料--- Esters

目的：學習如何利用酯化反應方式，合成人工香料中的酯類並應用萃取法純化產物。

原理：

大部分水果與食物的香味，都是因為含有機化合物酯的成分，而具有獨特氣味。除

了自然界自然生成之外，也可由人工合成的。人工合成的酯類常被稱作人工香料(artificial flavorings)，使用添加在例如冰淇淋、蛋糕、口香糖等食物上。

使用人工香料有許多優點，如：大部分天然香料經高溫處理會變質，天然香料較難

保存，供應的量較難控制等。所以其中常用的一種人工合成的方式，就是利用醇及有機

酸 1:1 反應而得，稱酯化(esterification)反應來合成出酯。反應式如下：

O O H+ R OH + HO C R' R O C R' + H2O Carboxylic Alcohol Esters Water acid

依勒沙特列原理可知此反應為一可逆反應，故其產量不高，若要使反應向右增加反

應物的量，則須要用酸為催化劑，通常以濃硫酸或無水鹽酸作為催化劑來進行反應。

以水楊酸和甲醇為例說明反應機制如下：

(1) 酸被催化劑質子化後(protonation)而有共振結構。

(2) 醇作為 nucleophile 攻擊(1)的共振結構。

(3) 失去一個 H+。

(4) 失去一分子水(H2O)。

(5) 失去一個 H+得產物。

62 (1)

H H O O H O O C C OH C O H OH C O H +H -H OH OH OH OH (2) H H O O

C C O CH3

OH + H3C OH OH H

OH OH

(3)

(4)

H H O O

C O CH3 C O CH3 C O CH3 -H2O OH +H2O OH OH OH (5)

O

C O CH3 -H +H OH

實驗藥品與器材：

藥品 用量 藥品 用量 藥品 用量 Methanol (甲醇) 15mL Salicylic acid(水楊酸) 1.0g 飽和食鹽水 10mL conc. Sulfuric acid 2mL Magnesium Sulfate 適 10% Sodium 50mL (濃硫酸) Anhydrous 量 Bicarbonate Ethyl Acetate(乙酸乙酯) 20mL (無水硫酸鎂) (碳酸氫鈉水溶液)

63 器材名稱 器材名稱 器材名稱 器材名稱 器材名稱 器材名稱 器材名稱 溫控器 玻璃漏斗 攪拌子 短頸漏斗 冷凝管 玻璃滴管 水管*2 100mL 圓 100mL 分液漏斗 50mL 錐形瓶 加熱攪拌 100mL 燒杯 50mL 圓 底燒瓶 加熱包 底燒瓶

實驗步驟：

*上課前 20~30 分鐘至實驗室進行步驟 1~4

1. 先將圓底燒瓶放在加熱包內，加熱包放在加熱攪拌器中央，再將短頸漏斗放在圓底

燒瓶的開口上。

2. 以秤重瓶取 1.0g 水楊酸(0.0072 mole)並確實記錄重量，以藥匙將藥品放進上述裝置

好的 100mL 圓底燒瓶中。

3. 取 15mL 甲醇以玻璃滴管吸取甲醇並加入上述圓底燒瓶內，需將殘留於漏斗以及秤

重瓶的水楊酸洗入瓶內，放入攪拌子並開啟 Stir 約 4~5 之間攪拌至完全溶解。切勿

開到 Heat。

4. 以 10mL 量筒量取 2mL 濃硫酸，以玻璃滴管吸取之再緩緩加入圓底燒瓶中。架設迴

流裝置如圖一，需與對面組共用冷卻水，加熱迴流 1 小時。再確認所有藥品與攪拌

子皆加入圓底燒瓶內。加熱包插頭插在溫控器上控制閥開至刻度 5~6 之間。

5. 洗淨 50mL 圓底燒瓶、50mL 錐形瓶及玻璃漏斗並放入烘箱烘乾。

6. 迴流完成後，移除熱源使之稍微冷卻不燙手。

7. 以減壓濃縮機將圓底燒瓶內的甲醇確實抽除(圓底燒瓶內溶液不再減少) 需 8 分鐘。

8. 圓底燒瓶放回加熱包中溫控器調整至 2，置於加熱攪拌器上開 Stir 5~6 攪拌，緩慢加

入 10%碳酸氫鈉水溶液 50 mL、攪拌約 10~12 分鐘，待白色固體完全溶解，溶液呈透

明且有淡黃色油滴，將溶液倒入分液漏斗中，放涼後再進行萃取。

9. 取 10mL 乙酸乙酯潤洗圓底燒瓶再倒進分液漏斗進行萃取，下層液收集到 100mL 燒杯，

上層液由上方開口倒入 50mL 燒杯中。重複一次萃取步驟合併二次萃取的有機層。

10. 上步驟的有機層，以 10mL 飽和食鹽水溶液再萃取一次，下層液漏出後上層液由上

方開口倒入乾燥的 50mL 錐形瓶。

11. 有機層加入無水硫酸鎂除水，以乾燥的棉花過濾。 64 12. 濾液流入已知重量的乾燥 50mL 圓底燒瓶，進行減壓濃縮約 7-10 分鐘，即得產物。

13. 取下圓底燒瓶後開口保持流通讓殘留的乙酸乙酯蒸氣散出，或用吹風機吹燒瓶底部。

14. 以鼻子聞產物的味道並描述之、記錄重量、計算產率。

圖一 迴流裝置示意圖

注意事項：

1. 加熱攪拌器勿開 Heat 鈕。

2. 產物與所有廢液皆要回收，勿任意丟棄以免造成環境污染。

3. 步驟 9 萃取時，分液漏斗倒置後先洩壓，然後搖晃萃取，要常常洩壓，以免內壓太

大而噴出造成危險與降低產率。

4. 攪拌子很小需小心保管，不可弄丟。

5. 產率算法：實際產物 mole 數/ 理論 mole 數*100% =產率

6. 請先找出產物之學名、分子量、沸點及比重。

65 實驗紀錄及報告 實驗十 合成人工香料--- Esters 組別： 姓名： 日期： 數據紀錄：

香 味 :

學名（Name of ester） :

分子量 :

沸 點 :

比 重 :

產 率 (含方程式)：

問題回覆：

1. 你會用哪種試劑當作計算理論產率的基礎？並解釋之？

2. 在本實驗中，如何應用勒沙特列原理來增加產量？本課程中還有哪些實驗也使用勒 沙特列原理？

3. 在本實驗中，為何要用碳酸氫鈉水溶液萃取？若改使用氫氧化鈉水溶液又如何呢？

66 實驗十一 合成人工甜味劑---Dulcin

目的：利用有機合成的方法，合成人工甜味劑且了解反應機制並應用再結晶法純化產物。

原理：

ㄧ、代糖( Artificial Sweeteners )簡介： 代糖的發現不如某些研究有目的性才去進行實驗，其發現都是偶然性的，最先發現

的為 saccharin，現今最常應用的則為 Aspartame(L-Aspartyl-L-phenylalanine methyl ester)。

曾有一類代糖為 Cyclamates，但因後來實驗證實會致癌而遭停用。

代糖的必要條件為低熱量、對人體無毒、不易導致蛀牙、無怪味、合成方式可以大量

生產且成本不可過高。

代糖並不只限定於某幾個固定的結構式，因為人體產生甜味的受體(receptor)可以容

忍某些範圍內的類似物。由於受體(receptor)對化學結構的敏感及非敏感範圍，很多研究

者著重在分子結構式與甜味受體(receptor)的關連，可依據此來合成或預測此化合物是否

具有甜味。以 saccharin 為例，通常真正將 saccharin 應用到食物上的為 saccharin 的鹽類，

如 sodium saccharin、calcium saccharin。至於 aspartame 則有許多衍生物，aspartame 的

特別處在於它是 dipeptide，但早期不受重視。本次實驗所合成的 dulcin 為尿素的衍生物，

也有許多 analogs 具有甜味。

二、Dulcin 的合成：

Dulcin 的合成是利用 p-ethoxyaniline (p-Phenetidine)和 isocyanic acid 的反應而來。

Isocyanic acid 可用 potassium cyanate 和 acetic acid 反應而得。

O O   N + HO C CH3 O C N H K O C + K O C CH3 potassium cyanate acetic acid Isocyanic acid

O

CH3CH2 O NH2 + O C N H CH3CH2 O NH C NH2

p-ethoxyaniline Isocyanic acid Dulcin 反應機制包括 p-ethoxyaniline 的 amino group 對 isocyanic acid 的缺電子 C 作

67 nucleophilic attack，生成有共振結構的中間產物(intermediate)，將 H+轉至 N 上，而得最

終產物。

 O O O C CH3CH2 O NH2 + CH CH O NH C NH CH CH O NH C NH N 3 2 2 3 2 2 H O

CH3CH2 O NH C NH2

實驗藥品與器材：

藥品 用量 藥品 用量

4-Ethoxyaniline(p-Phenetidine ) 1.0mL Potassium cyanate(KOCN) 1.0g

Glacial acetic acid 2mL 活性碳 適量

器材名稱 器材名稱 器材名稱 器材名稱 50 mL 錐形瓶 125mL 錐形瓶 短頸漏斗 加熱攪拌器 100mL 燒杯 250mL 燒杯*2 500mL 燒杯 表玻璃 白瓷漏斗 抽氣過濾瓶 玻璃滴管 攪拌子 55mm 濾紙 90mm 濾紙 熔點測定毛細管 玻棒

實驗步驟：

*請於上課前 20 分鐘至實驗室，先行完成步驟 1~3，藥品與用量皆須正確

1. 戴上口罩與手套，取一 125mL 錐形瓶放入攪拌子並加入 10mL R.O.水和 2mL Glacial

Acetic acid ，然後再找 助 教 領 取 1.0mL (1.0g ， 0.0072mole) 4-Ethoxyaniline

( p-Phenetidine )，置於加熱攪拌器上攪拌均勻。

2. 稱取 1.0g (0.0125mole) Potassium cyanate 放入 50mL 燒杯中後加入 5mL R.O.水攪拌

溶解，再用滴管一滴一滴的滴入步驟 1 的藥品中，當開始有 Dulcin 的沉澱生成後，

可將剩下的 Potassium cyanate 溶液全部加入。並用玻棒將反應物攪拌均勻呈現褐

色固體。

3. 反應完成後，於實驗桌的通風櫥內以 250mL 燒杯裝約 150mL 之 R.O.水蓋上表玻

68 璃，放在加熱攪拌器上加熱，熱源開 3-4 之間。

4. 混合物在室溫下靜置 40~60 分鐘，偶爾攪拌一下。

5. 加 5mL R.O.水於步驟(4)中，冰浴冷卻混合物約 2~3 分鐘，以抽氣過濾法收集產物。

再用少許水將錐形瓶內的產物沖洗入白瓷漏斗中過濾。

6. 產物以再結晶法純化。

7. 烘乾產物，稱重、測熔點、算產率並回收產物。

再結晶步驟

1. 於烘箱內預熱短頸漏斗、摺好的花瓣型濾紙與 100mL 和 250mL 燒杯。

2. 將粗產物放入 125mL 的錐形瓶中加入攪拌子，再緩緩加入約 50~60mL 熱水，熱

源控制 7~8 之間繼續加熱至沸騰，固體需完全溶解且溶液呈淡黃色透明。

3. 若溶液有顏色則將溶液移開熱源 2-3 分鐘後，加入 2 小尖匙（約 0.3~0.4g）活性

碳（勿將活性碳直接加入沸騰溶液中，以免突沸噴出而產生危險），後再加熱沸

騰將熱源調整至 3~4 之間。

4. 取出預熱的器材，放在加熱板上先用熱水淋洗，準備過濾。

5. 先取出攪拌子後再以重力過濾法過濾，將 250mL 燒杯置於加熱攪拌器上加熱並收

集濾液，若溶液仍有顏色則重覆步驟 3~4，直到溶液無顏色止。（注意：若過濾時

產物已在濾紙上結晶無法順利濾下，可在濾紙上淋沸騰熱水，將之溶解過濾，淡

水的總體積不可超過 80mL。）

6. 小心地取下燒杯靜置不可移動，慢慢的冷卻至室溫並觀察結晶生成約 20 分鐘

後，放入冰浴 2~3 分鐘，將 250mL 燒杯洗淨擦乾備用。

7. 利用抽氣過濾裝置過濾結晶 3~5 分鐘，將結晶收集至乾淨 100mL 燒杯並分散。

8. 放入 130℃烘箱烘乾約 20~25 分鐘後取出檢查是否已乾燥。冷卻後再稱重、計算

產率及回收百分比最後測量熔點。

9. 熔點測定步驟如下：

a、 取少許乾燥之成品用秤量紙磨成粉狀。

b、 拿一端開口之毛細管，將開口端插入粉狀樣品中 2~3 次，然後倒置將封口端置

於桌面輕敲，直到樣品掉入封口端為止，需填充緊實。重複數次使樣品高度約 69 為 0.2~0.4cm。

c、 將步驟 b 已裝好的毛細管(封口端在下面)放入熔點測定器中測熔點(熔點測定儀

的操作步驟見附錄一)，當樣品開始熔化時，同步記錄初熔及全熔之溫度，此

溫度範圍即為該樣品之熔點。

注意事項：

1. p-Ethoxyaniline 有毒性、Glacial Acetic acid 具刺激性，避免吸入及皮膚接觸。

2. 取用 Potassium Cyanate 請確認化學式及英文命名。請勿拿到 Potassium Cyanide 此化

合物為劇毒會致命，切勿拿錯，請確認化學式及英文命名。（要特別小心謹慎！）

3. 花瓣型濾紙需依正確方法摺好(參考再結晶實驗)，溶液沸騰時需趁熱且快速過濾，

可提高產物純度與回收率。

4. 產物要回收，放至指定的器皿內。不可任意丟棄，以免污染環境。

5. 須事先找出產物之學名、分子量、熔點及比重。

70 實驗紀錄及報告

實驗十一 合成人工甜味劑---Dulcin

組別： 姓名： 日期：

數據紀錄：

試劑 分子量 重量 莫耳數 產量限制試劑

p-Ethoxyaniline

potassium cyanate

理論值(寫出計算式) 實際產率(寫出計算式) 產 量

熔 點

問題回覆：

1. 寫出 potassium cyanide(KCN)酸化反應式及其產物的危害？

2. 請解釋實驗步驟 2，為何當有沉澱產生後，即可將剩下的 Potassium cyanate 溶液全 部加入，而不是一滴一滴慢慢加完?

3. 舉列目前還有哪些人工甜味劑？

71 實驗十二 Carbohydrates 的反應特性與醣類的檢驗

目的：認識碳水化合物在結構上的差異並用 Benedict’s 和 Hydrolysis test 來檢驗是否為

醛醣另檢驗市售飲料中所含糖的種類。

原理：

碳水化合物充斥著我們的生活，舉凡食物中的葡萄糖、果糖、澱粉及紙張，衣物中的

纖維素皆屬碳水化合物；其在自然界中主要透過植物的光合作用而產生，將二氧化碳、

水與氧轉化為碳水化合物以提供植物的養分。

簡言之，碳水化合物為多羥 醛、多羥酮或可水解而成的化合物。但通常碳水化合物

存在的形式為 hemiacetals (半羧醛)、acetals (羧醛)、hemiketals (半羧酮)、ketals (羧酮)。

所有的碳水化合物含個數比為 1：2：1 的碳、氫、氧原子。雖然分子中並不含真正的水

分子，但分子間的結合會恰好出現水分子。

HO H H HO (S) (S) HO O HO OH H H H H H HO (S) H (S) (S) (S) HO C OH (R) OH O H OH H 半羧醛(hemiacetal)

碳水化合物可以是僅含三個碳的簡單有機物，也可是含超過一萬個碳的複雜聚合物。

即使是簡單的化合物，往往會因眾多的 chiral centers 而有各種可能的立體異構物。

碳水化合物傾向形成五環或六環，僅有一個環狀結構的碳水化合物為單醣

(monosaccharide)，有兩環者為雙醣(disaccharide)，有多環者為多醣(polysaccharide)。單醣

含葡萄糖(Glucose, Dextrose)、果糖(Fructose)及半乳糖(Galactose)，其中果糖為酮醣，其

他為醛醣。雙醣含麥芽糖(Maltose)、蔗糖(Sucrose)及乳糖(Lactose)。多醣則有纖維素

(Cellulose)、澱粉(Starch)及肝糖(Glycogen)。其結構如下表一：

72 OH OH

HO O OH HO OH HO O OH HO

O O HO HO O OH

HO OH HO OH OH HO glucose fructose maltose

OH HO OH OH O HO OH HO OH HO O OH O O O O O HO OH HO OH OH

HO OH OH OH OH HO galactose lactose sucrose

CH2OH CH2OH

H C O H H C O H OH H OH H C C C C * * O O O C C C C

H OH H OH n simple starch 表一 各種醣類的結構 Anomer：

Anomer 是因醛基或酮基上的氧原子在形成環狀後空間排列的不同而有的異構物，如

下圖所示，當該氧原子朝下則為αanomer，若朝上則為βanomer。

H HO H HO H HO (S) (S) H (S) HO O HO OH HO H O H H H H H HO (S) H HO (S) C (S) (S) (S) (R) HO OH OH OH O (S) OH (R) H H H OH H  anomer  anomer

自然界中最明顯的例子即纖維素和澱粉，這兩個分子皆由葡萄糖聚合而成，但澱粉的葡

萄糖以αanomer 形式存在，纖維素則以βanomer 形式存在。

Mutarotation:

由於碳水化合物含有半羧醛或半羧酮，其環狀構造可打開形成醛或酮，而後再關起

形成立體異構物。如上圖所示為溶於水中的葡萄糖分子，α與β anomer 相互轉換過程。

像這樣在溶液中，旋光性物質改變旋光度以達到平衡的現象即可稱作 Mutarotation。 73 Benedict’s Test ：

Benedict’s test 可分辨單醣與雙醣是否為醛醣。該試劑含有銅離子，若此醣為醛醣，

環打開，醛基(-CHO)可還原銅離子，生成紅色沉澱。因此，醛醣(半羧醛)又稱還原醣

(reducing sugar)。反應式如下：

O O 2+ - + 2Cu + 4OH + Cu2O + 2H2O R H R OH 藍色 紅色沉澱

Hydrolysis Test： 雙醣及多醣可先由酸或酵素水解為單醣後，再以上述試劑予以測試。

酮醣轉變為醛醣： 果糖可由酮醣轉換為醛醣，其反應式如下：

CH OH CHO CHO 2 CHOH - OH- C O OH H C OH HO C H C + HOHC HOHC OH CHOH CHOH

實驗藥品與器材：

藥品 用量 藥品 用量 1% Glucose 1mL 1% Galactose 1mL 1% Lactose 1mL 1% Fructose 1mL 1% Maltose 1mL 1% Starch 1mL 1% Sucrose 1mL 市售飲料 1~2 種 1mL Benedict’s reagent 12mL 10% Sodium Hydroxide 適量 conc. Hydrochloric acid (濃鹽酸) 2mL 紅色石蕊試紙 少許

器材名稱 器材名稱 器材名稱 器材名稱 器材名稱 器材名稱 試管* 12 250mL 燒杯 加熱攪拌器 25mL 量筒 玻棒 滴管

實驗步驟：

Benedict’s test：

1. 取 100mL 的水放入 250mL 燒杯中，以加熱攪拌器加熱至沸騰備用。

2. 取 9~10 支已貼上標示的試管，各加入 1mL 1%的 Glucose, Fructose, Maltose, Galactose,

74 Sucrose, Lactose, Starch 和 R.O.水及市售飲料 1~2 種。

3. 每支試管各加入 1 mL Benedict’s reagent，在 100mL 沸水浴中加熱，若呈紅色或棕色

即可取出試管。

4. 觀察試管內的沉澱，記錄結果。

5. 沉澱為紅色或棕色皆表示有反應，若僅有顏色變化但無沉澱者，則視為無反應。

Hydrolysis Test(水解測試)：

1. 將上述 Benedict’s test 實驗中未反應的醣類(水不需要)，再重新各取 1mL 加入已標

示的試管中。

2. 加 2~3 滴濃 Hydrochloric acid 於各試管中攪拌均勻，於沸水浴中加熱 25~30 分鐘。

取出試管，冷卻後再加 15~20 滴約 1 mL 10% Sodium Hydroxide 至各試管中，並測試

溶液至紅色石蕊試紙變藍止。(注意：勿將試紙丟入溶液中，因其染料會污染溶液)。

3. 每支試管各加入 1 mL Benedict’s reagent，繼續於沸水浴中加熱，若呈紅色或棕色即

可取出試管。

4. 取出試管並觀察沉澱，記錄結果並比較與 Benedict’s test 所得結果相比較（比較水解

前後結果）。

5. 沉澱為紅色或棕色，皆表示有反應，若僅有顏色變化但無沉澱者，則視為無反應。若

仍為無反應須從步驟 1 開始進行再重取新的醣類藥品。

注意事項：

1. 結果必須給老師檢查過後，倒入 100mL 燒杯後再回收至酸鹼廢液回收筒。不可隨意

丟棄，以免污染環境。

2. 試紙不可丟入試管中，避免污染溶液。每次用玻棒沾溶液點在試紙上後，玻棒須用水

洗淨擦乾然後再進行下一次的測試。

3. 濃鹽酸加入過多會造成實驗失敗且具刺激性應避免皮膚接觸。

4. 實驗完成後須將試管內底部刷洗乾淨，待老師檢查核可後才可離開。

75 實驗紀錄及報告 實驗十二 Carbohydrates 的反應特性

組別： 姓名： 日期：

數據紀錄：Benedict’s Test:

Carbohydrate 描述反應的變化 Carbohydrate 描述反應的變化

Glucose Lactose

Fructose Starch

Maltose R.O. water

Galactose

Sucrose

Hydrolysis Test:

Benedict’s Test & Result 未變色的醣類 水解前顏色 加酸水解後顏色

問題回覆：

1. 請寫出 Lactose 的 Benedict’s test 反應方程式。 2. 請解釋為何 Sucrose 在水解前與水解後加入 Benedict’s reagent 有不同的反應? 3. 寫出由酸性催化劑進行的 Sucrose 水解反應之反應機制步驟?

76 參考文獻

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Book Company.

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10. http://ictwiki.iitk.ernet.in/wiki/images/Fig3.2..png

11. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8a/Isopentenyl_pyrophosphate.

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12. http://www.intechopen.com/source/htmL/16496/media/image4.png

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