Informe 2 Laboratorio 2 de Química Orgánica EXTRACCIÓN: AISLAMIENTO Y PURIFICACIÓN DE LA CAFEÍNA Objetivos ● Familiarizarse e implementar la técnica de extracción líquido-líquido tipo ácido-base, una metodología ampliamente usada en procesos de extracción de compuestos con disolución preferenc ial a partir de una mezcla o en este caso en particular, desde material vegetal. ● Aislar el alcaloide cafeína utilizando como técnica la extracción líquido-líquido a partir de una mezcla de té, y posterior purificación del compuesto por la técnica de sublimación. ● Determinar la presencia de los principales grupos funci onales de la cafeína mediante pruebas de identificación y espectroscopia infrarroja (IR).
Introducción La extracción líquido-líquido como método de aislamiento y purificación, es muy común para la separación de algún compuesto orgánico a partir de una mezcla. Este método se basa en la diferencia de solubilidad de cada uno de sus componentes entre líquidos inmiscibles o parcialmente miscibles. La extracción tipo ácido-base usa secuencialmente la separación explicada anteriormente con el fin de purificar los ácidos y bases de la mezcla. El producto resultante est En esta práctica se busca extr aer la cafeína pres ente en el té. Este es un compuesto que puede ser extraído por medio de este método, siguiendo los pasos descritos a continuación: 1. 2. 3. 4.
Disolución del té. Extracción del alcaloide. Purificación del alcaloide. Determinación del punto de fusión.
Marco teórico La cafeína es un alcaloide de grupo de las xantinas, sustancias que pertenecen a un grupo químico de bases purínicas, su estructura se
Informe 2 Laboratorio 2 de Química Orgánica muestra en la figura 1. Todas las xantinas, en diferentes grados estimulan el sistema nervioso central y los músculos esqueléticos, dando como resultado un estado de alerta y capaz de posponer el sueño. La cafeína es consumida principalmente en infusiones del fruto del café, del cacao y de las hojas del arbusto de té. Es la sustancia psicoactiva más ampliamente consumida en el mundo, ésta recibe otros nombres, relativos a las plantas de donde se puede extraer (guaranina, teína, etc). La denominada guaranina del guaraná y la cafeína del té son la misma molécula de la cafeína, hecho confirmado mediante análisis de laboratorio [1] .
Figura 1. Fórmula estructural de a) las xantinas y b) la cafeína.
La cafeína fue extraída primero de granos de cacao en su forma más pura, un polvo blanco, en la década de 1820 por un científico alemán llamado Friedrich Ferdinand Runge [2]. Posteriormente, Pierre Joseph Pelletier y Pierre Jean Robiquet realizaron una descripción sobre ella en 1821. M. Oudry aisló la teína del té en 1827, y Gerardus Mulder y Jobst dem ostraron en 1838, que se trataba de la misma sustancia que la cafeína. La estructura de la cafeína fue elucidada hacia final del siglo XIX por Hermann Emil Fischer,quién fue el primero en conseguir sus síntesis total [1]. El método de extracción líquido-líquido, para separar los constituyentes de una disolución acuosa, puede aplicarse cuando uno o más de estos constituyentes son apreciablemente solubles en un líquido orgánico, prácticamente inmiscibles con el agua, mientras que los restantes son mucho menos solubles. Al poner el líquido orgánico en contacto íntimo con la disolución acuosa, las sustancias presentes se distribuyen entre las dos fases, acuosa y orgánica. El constituyente o constituyentes de mayor solubilidad en el medio orgánico tenderán a pasar a dicha fase, mientras
Informe 2 Laboratorio 2 de Química Orgánica que los demás tenderán a permanecer en la disolución acuosa. Se logra así una separación parcial de los constituyentes de la disolución [3]. La selección del disolvente adecuado para la extracción es muy importante en esta técnica para aislar y purificar compuestos. A continuación se nombran algunas pautas fundamentales para la correcta selección: 1. El disolvente de extracción no debe reaccionar químicamente irreversible con los componentes de la mezcla. 2. El disolvente de extracción debe ser inmiscible, o casi, con la solución srcinal. 3. El disolvente de extracción debe eliminar selectivamente el componente deseado de la disolución de donde está siendo extraído. Es decir el coeficiente de partición (K) del componente que está siendo eliminado debe ser alto, mientras que los coeficientes de reparto de los demás componentes deben ser bajos. 4. El disolvente de extracc ión debe ser fácilmente separ able del soluto. Es sumamente importante el uso de un disolvente volátil, ya que facilita en gran medida su eliminación por destilación simple. Para llevar a cabo la extracción de la cafeína se adicionan diferentes reactivos, uno de ellos es el carbonato de calcio, cuya función es poder romper los enlaces tipo éster presentes en el ácido tánico, de esta manera va fraccionando la molécula de tanino (molécula presente en el café) en unidades de azúcar, ácido gálico o en sus sales de calcio presentes en ella; otro de los reactivos que se adicionan es el acetato de plomo, el cual se encarga de la precipitación de los taninos y evitar la formación de emulsiones. Los taninos son compuestos fenólicos que poseen propiedades astringentes y antiinflamatorias. Además tienen acción antioxidante que protegen las células ante los radicales libres y permiten reducir el riesgo de enfermedades degenerativas, sin embargo, no se debe abusar de alimentos ricos en taninos, ya que en cantidades excesivas, pueden reducir la absorción de nutrientes como el hierro o las proteínas, y ser causantes de carencias [5] . El coeficiente de partición (P) es un parámetro cuantitativo que representa la solubilidad relativa de una sustancia determinada en un sistema compuesto por dos fases inmiscibles entre sí, a una temperatura
Informe 2 Laboratorio 2 de Química Orgánica específica. Dado que generalmente una de las fases está constituida por un disolvente orgánico, se le denomina la fase O, que es de baja polaridad, mientras que la otra generalmente acuosa, constituida por agua o buffers, se le denomina fase W, cuya polaridad es alta. Es por eso que P representa el grado de lipofilia (hidrofobicidad) de una sustancia [6]. La expresión matemática de P es:
La sublimación es el paso de una sustancia del estado sólido al gaseoso y viceversa, sin pasar por el estado líquido. La sublimación es un método excelente para la purificación de sustancias relativamente volátiles, generalmente para que una sustancia sublime debe tener una elevada presión de vapor es decir, las atracciones intermoleculares en estado sólido deben ser débiles [7] .
Materiales y Reactivos ●
Materiales ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓
Vaso precipitado de 400 mL. Vidrio reloj Placa de calentamiento. Balanza. Varillas de vidrio. Pipeta Pasteur. Gotero. Papel filtros franja negra. Embudo Buchner. Embudo de separación. Balón redondo de 250 mL. Aparato de destilación simple. Aparato de sublimación. Mechero. Espátula.
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Reactivos ✓ ✓ ✓ ✓
Acetato de Plomo Carbonato de Calcio Diclorometano Cloruro de Sodio
Procedimiento
Resultados y discusión Determinación de la cantidad de té usado.
Informe 2 Laboratorio 2 de Química Orgánica Determinación de la cantidad de la cafeína obtenida en la destilación.
Determinación de la cantidad de la cafeína obtenida en la sublimación.
De seis bolsas de té que contenían 12,307 g de té negro se obtuvo 0,078 g de cafeína lo que representa un porcentaje de recuperación de cafeína de 0,63 %.
Determinación del punto de fusión de la cafeína obtenida experimentalmente.
Los compuestos puros funden en un intervalo de temperaturas de 0,1 - 0,5 °C y entonces se liquidan en un intervalo de 1-2 °C. Se toma como punto de fusión la temperatura a la cual se ha fundido toda la sustancia [8]. En la práctica se obtuvo un rango de fusión de 235,1 °C el cual tiene una diferencia de 0,1 °C con el valor reportado teóricamente. Al comparar con el rango de fusión que reporta la literatura que es de 233-235 °C[9], y el punto de fusión que es 235°C, se observa que el punto de fusión aumentó con una diferencia de 0,1 °C , logrando una ligera ampliación del rango de fusión. El pequeño aumento en el punto de fusión puede ser debido a impurezas, aunque vale la pena aclarar que al momento de realizar la sublimación de la cafeína, el compuesto obtenido tenía pequeñas partecitas verdosas , las cuales fueron retiradas (impurezas) para lograr un punto de fusión mucho más confiable. Hubiese sido un valor de punto de fusión mucho más confiable si se hubiese determinado por triplicado.
Informe 2 Laboratorio 2 de Química Orgánica En este caso la pureza de la cafeína aislada se establece gracias a la determinación del punto de fusión, ya que es un valor muy cercano al de la literatura, se puede decir que se obtuvo un compuesto altamente puro. Las impurezas se pueden deber a que en el momento de sublimación, la muestra quedó con vapores negros (cafeína quemada) y a la absorción de humedad del ambiente. No se pudo determinar la eficiencia del método debido a que la marca usada para el experimento no reporta el contenido de cafeína contenido en el té.
Espectro Infrarrojo
La banda observada en 2953,58 es debida a la absorción del CH 3, la banda larga y delgada observada en 1644,39 corresponde a la absorción del grupo carboxilo unido a un nitrógeno, la presencia del doble enlace carbono-carbono se evidencia en la existencia de la banda en 1692,91; se observa en 3111,04 la presencia de una banda correspondiente al sobretono producido por el enlace carbono - nitrógeno. El espectro obtenido mediante espectroscopia infrarroja, coincide con la molécula de cafeína.
Conclusiones
Informe 2 Laboratorio 2 de Química Orgánica ● El sólido blanco-amarillo obtenido por el proceso de extracción líquido-líquido corresponde a cafeína, lo cual está soportado por la determinación de su punto de fusión y análisis por espectrometría de IR. ● El punto de fusión se puede utilizar como criterio de pureza. ● El punto de fusión y la espe ctroscopia IR son pie zas claves para determinar la identidad de una sustancia. ● La cafeína extraída y purificada del té negr o se contaminó en el proceso de sublimación, debido a que se generaron vapores y condiciones de humedad que se sumaron a la muestra. ● La extracción líquido-líquido,es una técnica confi able para realiza r el proceso de extracción de la cafeína del té negro. ● Los grupos funcionales observados en la muestra mediante la espectroscopía infrarrojo corresponden a los presentes en la cafeína.
Bibliografía [1] http:/es.wikipedia.org/wiki/cafeína [2]https://caffeineandyou.wordpress.com/historyandbackground/ [3]https://books.google.com.co/books?id=oGDe3UtNzgIC&pg=PA545&dq=m%C3% A9todo+de+extraccion+liquido-liquido+ingenieria+de+reactores+nucleares&hl=es-41 9&sa=X&ved=0ahUKEwjokPa4o9_ZAhWKnFkKHes1CwoQ6AEIJzAA#v=onepage& q=m%C3%A9todo%20de%20extraccion%20liquido-liquido%20ingenieria%20de%20 reactores%20nucleares&f=false [4] Práctica No. 2. Extracción: aislamiento y purificación de la cafeína. Manual de Prácticas de Laboratorio de Química Orgánica. Universidad Industrial de Santander. [5]https://www.vitonica.com/alimentos/que-son-y-que-propiedades-tienen-los-taninos [6]168.176.60.11/cursos/ciencias/2015657/u8/pdf/marco_teórico.pdf [7]http://quimica-ica.blogspot.com.co/2008/02/2-conceptos-generales-de-qumica-2.ht ml [8]https://books.google.com.co/books?id=FQaC4ULsfpoC&pg=PA113&dq=rango+de +fusion+de+la+cafe%C3%ADna&hl=es&sa=X&redir_esc=y#v=onepage&q=rango%2 0de%20fusion%20de%20la%20cafe%C3%ADna&f=false [9]https://books.google.com.co/books?id=xiqTfEO1a2gC&pg=PA402&dq=p.f+cafe% C3%ADna&hl=es&sa=X&redir_esc=y#v=onepage&q=p.f%20cafe%C3%ADna&f=fals e
