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绿色植物中色素提取和分离
绿色植物中色素的提取和分离
[实验名称] 绿色植物色素的提取及色谱分离
[教学目标] 知识与技能: 通过对绿色植物色素的提取与分离,了解天然产物分离提纯的方法
[教学重点] 学习柱色谱和薄层色谱分离的基本原理及操作方法
[教学难点] 薄层色谱、柱层析实验操作要点的掌握和应用
[教学方法] 陈述法,讲演法
[教学过程]
[讲述] 【实验目的】
1. 通过绿色植物色素的提取和分离,了解天然物质分离提纯方法;
2. 通过对柱色谱和薄层色谱操作方法的掌握,加深了解微量有机物色谱分离、鉴定的原理。
[讲述] 【背景知识】
绿色植物的叶、茎中,如菠菜叶,含有叶绿素(绿)、胡萝卜素(橙)和叶黄素(黄)等多种天然色素。叶绿素存在两种结构相似的形式即叶绿素a(C55H72O5N4Mg)和叶绿素b(C55H70O6N4Mg),其差别仅是叶绿素a中一个甲基被甲酰基所取代从而形成了叶绿素b。它们都是吡咯衍生物与金属镁的络合物,是植物进行光合作用所必需的催化剂。植物中叶绿素a的含量通常是b的3 倍。尽管叶绿素分子中含有一些极性基团,但大的烃基结构使它易溶于醚、石油醚等一些非极性的溶剂。胡萝卜素(C40H56)是具有长链结构的共轭多烯。它有三种异构体,即a-胡萝卜素、β-胡萝卜素和γ-胡萝卜素,其中β-胡萝卜素含量最多,也最重要。叶黄素(C40H56O2)是胡萝卜素的羟基衍生物,它在绿叶中的含量通常是胡萝卜素的两倍。与胡萝卜素相比,叶黄素较易溶于醇而在石油醚中溶解度较小。
本实验先根据各种植物色素的溶解度情况将胡萝卜素(橙)、叶黄素(黄)、叶绿素a和叶绿素b从菠菜叶中提取出来,然后根据各化合物物理性质的不同用色谱法进行分离和鉴定。
[图示] 【分离产物结构式】
叶绿素a、叶绿素b、叶黄素(黄)和β-胡萝卜素的结构式如下图所示:
[讲述] 【色谱法原理】
色谱法是分离、提纯和鉴定有机化合物的重要方法。其分离原理是利用混合物中各个成分的物理化学性质的差别,当选择某一个条件使各个成分流过支持剂或吸附剂时,各成分可由于其物理性质的不同而得到分离。与经典的分离提纯手段(重结晶,升华,萃取和蒸馏等)相比,色谱法具有微量、快速、简便和高效等优点。按其操作不同,色谱可分为薄层色谱、柱色谱、纸色谱、气相色谱和高压液相色谱等。在此,我们学习柱色谱和薄层色谱(TLC)。
1. 柱色谱原理
液体样品从柱顶加入,流经吸附柱时,即被吸附在柱中固定相(吸附剂)的上端,然后从柱顶加入流动相(洗脱剂)淋洗,由于固定相对各组分吸附能力不同,以不同速度沿柱下移,吸附能力弱的组分随洗脱剂首先流出,吸附能力强的组分后流出,分段接收,以此达到分离、提纯的目的。
2. 薄层色谱原理
由于混合物中的各个组分对吸附剂(固定相)的吸附能力不同,当展开剂(流动相)流经吸附剂时,发生无数次吸附和解吸过程,吸附力弱的组分随流动相迅速向前移动,吸附力强的组分滞留在后,由于各组分具有不同的移动速率,最终得以在固定相薄层上分离。其应用主要有:跟踪反应进程;鉴定少量有机混合物的组成;分离;寻找柱色谱的最佳分离条件等。
[提问] 试比较叶绿素、叶黄素和胡萝卜素三种色素的极性,为什么胡萝卜素在层析柱中移动最快?
[讲述] 【实验试剂】
新鲜菠菜3g、石油醚、乙酸乙酯、丙酮、甲醇、硅胶G、中性氧化铝
[讲述和演示] 【实验步骤】
1. 菠菜色素的提取过程
取3g 新鲜菠菜叶于研钵中拌匀研磨5 分钟,残渣用20mL 的石油醚-乙醇(2:1)混合液进行提取,共提取两次。把浸取液合并过滤,滤液转移到分液漏斗中,加入等体积的水洗涤后弃去下层的水-乙醇层,石油醚层再用等体积的水洗涤两次,以除去乙醇和其它水溶性物质。石油醚层用无水Na2SO4进行干燥、浓缩为2 mL。取一半做柱层析分离,其余留作薄层层析分析。
2. 柱色谱的一般过程及菠菜色素的分离:
【柱色谱的一般过程】
(1)选择吸附剂:
常用的吸附剂:氧化铝,硅胶,氧化镁,碳酸钙,活性炭等
选择规则:吸附剂必须与被吸附物质和展开剂无化学作用;吸附剂的颗粒大小要适中;可以根据被提纯物质的酸、碱性选择合适的吸附剂。
化合物的吸附能力与分子极性的关系:分子极性越强(或分子中所含极性较大的基团)其吸附能力也较强。极性基团的吸附能力排序如下:
(2)选洗脱剂:
根据被分离物各组分的极性和溶解度选择相应极性的溶剂,当单一溶剂无法很好洗脱时,可考虑选择混合溶剂。
溶剂的洗脱能力按递增次序排列如下:己烷(石油醚)、四氯化碳、甲苯、苯、二氯甲烷、氯仿、乙醚、乙酸乙酯、丙酮、丙醇、乙醇、甲醇、水。
(3)装柱:色谱柱的大小应视处理量而定,柱长与直径之比,一般为10:1 ~ 20:1。固定相用量与分离物质用量比约为50:1 ~ 100:1。
装柱的方法分湿法
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