实验十四 从茶叶中提取咖啡碱
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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。