Extraction of Caffeine from Tea
【目的要求】
1．学习咖啡因的提取原理和提取方法。
2．掌握索氏提取器的操作技能。
3．掌握升华的操作技能。
【基本原理】
茶叶中含有多种生物碱，其中以咖啡因(又称咖啡碱，caffeine)为主，约占1%～5%。另外丹宁酸(或称鞣酸)约占11%～12%，色素、纤维素、蛋白质等约占0．6%。咖啡因是弱碱性化合物，易溶于氯仿(12．5%)、水(2%)、乙醇(2%)及热苯(5%)等。丹宁酸易溶于水和乙醇，但不溶于苯。
咖啡因是杂环化合物嘌呤的衍生物，其化学名称为1，3，7，－三甲基－2，6－二氧嘌呤，其结构式如下:
含有结晶水的咖啡因是无色针状结晶，味苦，能溶于水、乙醇、丙酮、氯仿等，微溶于石油醚。在100℃时失去结晶水并开始升华，120℃时升华相当显著，178℃时升华很快。无水咖啡因的熔点为234．5℃。
咖啡因具有剌激心脏、兴奋大脑神经和利尿等作用，因此主要用作中枢神经兴奋药。咖啡因也是复方阿司匹林(APC)等药物的组分之一。
咖啡因可以通过测定熔点及光谱法加以鉴定。此外，还可以通过制备咖啡因水杨酸盐衍生物进一步得到确证。因为作为生物碱，咖啡因可与水杨酸成盐，此盐的熔点为137℃。
从茶叶中提取咖啡因，实验室常采用适当的溶剂(氯仿、乙醇、苯等)在索氏提取器中连续抽提，然后浓缩而得到粗咖啡因。粗咖啡因中还含有一些其他的生物碱和杂质，可利用升华进一步提纯(方法一)。也可用碱液浸煮，然后用二氯甲烷萃取，再蒸去溶剂得粗品，用重结晶法进一步提纯(方法二)。
实验方法一:连续提取法
【仪器与试剂】
仪器:索氏提取器，圆底烧瓶，蒸馏装置，蒸发皿。
试剂:茶叶，95%乙醇，生石灰。
【操作步骤】
称取10 g干茶叶末，放入索氏提取器的滤纸套筒中［1］，在烧瓶中加入120 mL 95%乙醇，用水浴加热，连续回流提取2～3 h［2］。待冷凝液刚刚虹吸下去时，停止加热。稍冷后，将提取液转移到250 mL蒸馏瓶中，蒸馏回收大部分乙醇［3］。趁热把瓶中的残液倒入蒸发皿中，拌入3～4 g生石灰粉［4］，使成糊状，然后在蒸气浴上蒸干，其间应不断搅拌，并压碎块状物。最后将蒸发皿放在石棉网上，用小火焙炒片刻，使水分全部除去［5］。冷却后，擦去沾在边上的粉末，以免升华时污染产物。
蒸发皿上盖一张刺有许多小孔且孔刺向上的滤纸，再在滤纸上罩一口径合适的玻璃漏斗，用沙浴小心加热升华［6］，控制沙浴温度在220℃左右。当滤纸上出现许多白色针状结晶时，暂停加热，让其自然冷却至100℃左右。小心揭开漏斗，取下滤纸，仔细地将附在滤纸上及器皿周围的咖啡因刮下。残渣经拌和后，再加热升华一次。合并二次升华收集的咖啡因，称重并测定熔点。产品约45～65 mg。
纯咖啡因的熔点为234．5℃。
本实验约需4～6 h。
实验方法二:浸煮法
【仪器与试剂】
仪器:蒸馏装置，分液漏斗，玻璃漏斗。
试剂:茶叶，碳酸钠，二氯甲烷，无水硫酸镁。
【操作步骤】
在500 mL烧杯中，将10 g碳酸钠溶于130 mL蒸馏水中。称取12 g干茶叶，用纱布袋包好后放入烧杯中约90℃下煮0．5 h，注意勿使溶液起泡溢出。稍冷，取出茶叶包，轻轻挤压。待溶液冷至室温后，转入250 mL的分液漏斗。加入20 mL二氯甲烷轻轻振摇［7］1 min，静置分层，此时在两相界面处产生乳化层［8］。在一玻璃漏斗的颈口放置一小团棉花，棉花上放置约1 cm厚的无水硫酸镁，从分液漏斗直接将下层的有机相通过干燥剂滤入一干燥的锥形瓶，并用2～3 mL二氯甲烷淋洗干燥剂。水相再用20 mL二氯甲烷萃取一次，分层后通过重新加入的干燥剂。如过滤后的有机相混有少量水，可重复上述操作一次(或直接加入少量干燥剂)，收集于锥形瓶中的有机相应是清亮透明的。
将干燥后的有机相转入预先干燥并称重(加入沸石后称重)的50 mL圆底烧瓶中，在水浴上蒸馏(可不加沸石)回收二氯甲烷。将烧瓶外壁抹干，称重，得粗咖啡因量。
含咖啡因的残渣用丙酮－石油醚重结晶提纯。将蒸去二氯甲烷的残渣在温水浴中溶于最少量的丙酮［9］，慢慢向其中加入石油醚(60～90℃)，到溶液恰好混浊为止，冷却结晶，用微型玻璃漏斗抽滤收集产物。干燥后称重并计算收率。
本实验约需4～6 h。
附:
(1)咖啡因水杨酸盐衍生物的制备在试管中加入50mg咖啡因、37mg水杨酸和4 mL甲苯，在水浴上加热振摇使其溶解，然后加入约1 mL石油醚(60～90℃)，在冰浴中冷却结晶。如无晶体析出，可用玻棒磨擦管壁。用微型玻璃漏斗抽滤收集产物，测定熔点。
纯盐的熔点为137℃。
(2)提取液的定性检验取样品液滴于干燥的白色磁板上，喷上酸性碘－碘化钾试剂，可见到棕色、红紫色、蓝紫色化合物生成。棕色表示有咖啡因存在，红紫色表示有茶碱存在，蓝紫色表示有可可豆碱存在。
【注释】
［1］滤纸套大小既要紧贴器壁又能方便放置，其高度不得超过虹吸管;滤纸包茶叶末时要严防漏出而堵塞虹吸管，纸套上面盖一层滤纸，以保证回流液均匀浸润被提取物。
［2］若提取液的颜色很淡时，即可停止提取。
［3］乙醇不可蒸得太干，否则残液很粘，转移时损失较大。
［4］生石灰起吸水和中和作用，以除去部分酸性杂质。
［5］如留有少量水分，会在下一步升华开始时带来一些烟雾。
［6］升华操作是实验成功的关键。升华过程中始终都应严格控制用小火间接加热，如温度太高，会发生炭化，从而将一些有色物带入产物;温度低，咖啡因又不能升华。注意温度计应放在合适的位置而正确反映出升华的温度。
如无沙浴，也可用简易空气浴加热升华，即将蒸发皿底部稍离开石棉网进行加热。并在附近悬挂温度计指示升华温度。
［7］振摇时，务必缓慢，多次，可来回晃动，否则乳化严重，分层困难。
［8］乳化层通过干燥剂无水硫酸镁时可被破坏。
［9］温水浴下加约2～3 mL丙酮使之溶解，再滴加石油醚至浑浊。
实验指导
【预习要求】
1．了解咖啡因的结构、提取原理和提取方法。
2．温习索氏提取器的使用、升华和萃取等基本操作。
【思考题】
1．提取咖啡因时，方法一中用到生石灰，方法二中用到碳酸钠，它们各起什么作用?
2．从茶叶中提取出的粗咖啡因有绿色光泽，为什么?
3．方法二中蒸馏回收二氯甲烷时，有时馏出液出现混浊，为什么?
(编写:蒋新宇 校核:罗一鸣)
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