实验十四 从茶叶中提取咖啡碱

实验十四 从茶叶中提取咖啡碱

生物碱（Alkaloids ）是存在于生物体（主要为植物体）中的一类含氮的碱性有机化合物，大多数有复杂的环状结构，有显著的生物活性，是中草药的有效成分之一。如黄连中的小蘗碱（黄连素）、麻黄中的麻黄碱、萝芙术中的利血平、喜树中的喜树碱、长春花中的长春新碱等。植物中的生物碱常以盐（能溶解于水或醇）的状态或以游离碱（能溶于有机溶剂）的状态存在。各种生物碱的结构不同，性质各异，提取分离方法也不尽相同，常用的有冷浸、渗漉、超声波、微波、索氏提取、热回流提取等。为了使提取更完全，也常常对上述方法进行组合如冷浸－渗漉，冷浸－超声波，冷浸－索氏提取，冷浸－热回流提取，因冷浸、冷浸－超声波提取操作简便，故使用较多，必要时，应对上述方法作比较，以优选出最佳提取方法。

茶叶中含有多种生物碱。咖啡碱又名咖啡因（Caffeine ），化学名称是1, 3, 7-三甲基-2, 6-二氧嘌呤，是茶叶中主要的生物碱，约含1~5％，此外还含有少量茶碱、可可碱、茶多酚、有机酸、蛋白质、色素和纤维素等成分。咖啡因弱碱性，具有刺激心脏、兴奋大脑神经和利尿作用，可作为中枢神经兴奋药，它也是复方阿司匹林等药物的组分之一。 N N N N O

O 3CH 3H 3C

N N N N O O 3CH 3H N N N O O CH 3H H 3C 咖啡因 可可碱 茶碱

含结晶水的咖啡因(C 8H 10O 2N 4)为无色针状结晶，味苦，具有弱碱性，能溶于冷水和乙醇，易溶于热水、氯仿等。提取茶叶中的咖啡因，可以用乙醇为溶剂，在Soxhlet 提取器中连续抽提，然后蒸出溶剂；也可将茶叶与水一起充分煮沸后，再将茶汁浓缩，即得粗咖啡因。粗咖啡因中还含有其它一些生物碱和杂质（如丹宁酸）等，可利用升华法进一步提纯。

升华是将具有较高蒸气压的固体物质，在加热到熔点以下，不经过熔融状态就直接变成蒸气，蒸气变冷后，又直接变为固体的过程。升华是精制某些固体化合物的方法之一。能用升华方法精制的物质，必须满足以下条件：(1) 被精制的固体要有较高的蒸气压，在不太高的温度下应具有高于67 kPa(20 mmHg)蒸气压;(2) 杂质的蒸气压应与被纯化的固体化合物的蒸气压之间有显著的差异。

升华方法制得的产品通常纯度较高，但损失也较大。含结晶水的咖啡因加热至100 ℃时失去结晶水，开始升华，120 ℃时显著升华，至l76 ℃时迅速升华。无水咖啡因的熔点为235 ℃。

一、 目的要求

1. 熟悉从植物中提取生物碱的一般原理和方法；

2. 掌握Soxhlet 提取器的使用；

3. 学习用升华法或溶剂萃取法提纯有机化合物的操作。

二、 主要用品

茶叶5 g ，95％乙醇，生石灰粉

三、 实验部分

1. 咖啡因的提取

用滤纸做一比Soxhlet 提取器提取筒内径稍小的圆柱状纸筒(1)，装入5 g 研细的茶叶并折叠封住开口端，放入提取筒中。安装Soxhlet 提取装置(2)（图 6-7），在烧瓶中加入50 mL 95％乙醇，置于电加热套上加热回流，连续提取1~1.5 h 。当提取液颜色很淡时即可停止提取，待冷凝液刚刚虹吸下去时，立即停止加热，冷却。改成普通蒸馏装置，回收提取液中大部分乙醇。把残液倒入蒸发皿中，在蒸气浴上浓缩至残液约10 mL 左右(3)，拌入3 g 生石灰（CaO ）粉(4)使成糊状。继续小火加热至干，期间要不断搅拌捣碎块状物,小心焙炒（防止过热使咖啡因升华），除尽水分(5)。冷却后擦去沾在蒸发皿边沿的粉末，以免升华时污染产品。 在上述蒸发皿上盖上一张刺有许多小孔的圆滤纸，在上面罩上干燥的玻璃漏斗(漏斗颈部塞少许脱脂棉，以减少咖啡因蒸气逸出)，如图 6-8所示。在电热套上小心加热使咖啡因升华(6)。当漏斗内出现白色烟雾，滤纸上出现白色毛状结晶时，停止加热，冷却，用小匙收集滤纸上及漏斗内壁的咖啡因。残渣经搅拌后用较高温度再加热片刻，使升华完全，合并两次收集的咖啡因。得咖啡因约50 mg 。

纯净无水咖啡因熔点为234.5 ℃。

图6-7 Soxhlet提取装置图6-8 升华装置

2.咖啡因的性质试验

(1)在蒸发皿中放入咖啡因约0.05 g，加8~10滴30%的H2O2，再加5%的稀盐酸4~5滴，置水浴上加热蒸干，残渣显美丽的玫瑰红色。在残渣上滴加1滴浓氨水，观察颜色有何变化(7)？

(2)取一支试管，加8滴饱和咖啡因水溶液，滴加1滴0.5%KMnO4溶液和3滴5%Na2CO3溶液。摇动试管，放入沸水浴中加热，观察溶液的变化(8)。

(3)取一支试管，加5滴咖啡因的饱和水溶液和3滴10%鞣酸溶液，观察出现的现象。

(4)取一支试管，加1 mL5%盐酸溶液和少许咖啡因，用力振摇，使其溶解为澄清溶液（如实在不溶，可取澄清液做试验），滴加12滴碘化汞钾溶液(9)。摇动试管注意观察溶液的变化。

用自己提取的咖啡因，重复上述试验并进行比较。

四、注释

1.滤纸套大小既要紧贴器壁又要能方便取放，其高度不得超过虹吸管顶端，滤纸包茶叶末时，要严防漏出，以免堵塞虹吸管，纸套上面盖一层滤纸，以保证回流液均匀浸透被萃取物。

2.Soxhlet提取器是利用溶剂回流和虹吸原理，使固体物质连续不断地为纯溶剂所萃取的仪器。溶剂沸腾时，其蒸气通过侧管上升，被冷凝管冷凝成液体，滴入套筒中，浸润固体物质，使之溶于溶剂中。当套筒内溶剂液面超过虹吸管的最高处时，即发生虹吸，提取液流入烧瓶中。通过反复的回流和虹吸，从而将提取物富集在烧瓶中。脂肪提取器的虹吸管极易折断，所以在安装仪器和实验过程中须特别小心。

3.浓缩提取液时不可蒸得太干，以防转移损失。否则因残液很粘而难于转移。

4.拌入生石灰要均匀，生石灰的作用除吸水外，还可中和除去部分酸性杂质（如鞣酸）。

5.如留有少量水分，将会在下一步升华开始时带来一些烟雾，污染器皿。

6.在萃取回流充分的情况下，升华操作是实验成败的关键，在升华的过程中始终都须严格控制加热温度，温度太高、会使会使产物发黄（分解）甚至炭化；还会把一些有色物带出来，使产品不纯。进行再升华时，加热温度也应严格控制，否则使被烘物大量冒烟，导致产物不纯和损失。

7.咖啡因可被过氧化氢等氧化剂氧化，生成四甲基偶嘌呤（将其用水浴蒸干，呈玫瑰红色），后者与氨作用即成一紫色的紫脲酸铵。该反应是嘌呤类生物碱的特征反应。

8.咖啡因被氧化分解。

9.碘化汞钾试剂与生物碱（如咖啡因等）反应，生成分子复合物。

五、思考题

1.为什么可用升华法提纯咖啡因？哪些化合物能用升华的方法进行提纯？

2.采用Soxhlet提取器提取茶叶中的咖啡因，有什么优点？

3.为了得到较纯、较多的咖啡因，应注意哪些操作过程?

4.加入生石灰有何目的？

5.试设计以氯仿为溶剂，从茶叶中提取咖啡因的实验方案。

六、参考文献

兰州大学、复旦大学化学系有机化学教研室编. 有机化学实验(第二版). 北京:高等教育出版社,1994。