PRACTICA N° 3 Extracción de Cafeína a partir del té Introducción: Alcaloides: Los alcaloides constituyen un grupo numeroso de sustancias de origen natural, cuyo análisis elemental revela la presencia de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Son únicos en la variedad de sus estructuras, en la respuesta biológica sobre los organismos no hospedaderos y en las rutas biogenéticas para su formación. l primer alcaloide obtenido como un sólido puro cristalino fue la morfina, aislada en !."#$ a partir de la planta conocida como opio. l interés de los %uímicos en esa planta se originó del conocimiento ancestral basado en %ue la resina cruda poseía efectos analgésicos y narcóticos. ntre las propiedades de la morfina, se reconoció su carácter básico y, por tanto, se clasificó como un álcali vegetal. n consecu consecuenc encia, ia, los compue compuesto stoss con propie propiedad dades es simila similares res proven provenien ientes tes del reino reino vegetal se conocen, en la actualidad, con el nombre genérico de &alcaloides'. (oy en día, se usa la morfina en la terapia médica, para aliviar el insoportable dolor causado por algunas enfermedades terminales. )lgunos otros alcaloides comunes, de origen vegetal son* nicotina, cocaína y cafeína.
La cafeína es un alcaloide %ue se aisló por primera ve+ en forma pura cristalina en el ao !.""-. structuralmente hablando, es una !,,/0trimetilxantina. s también un derivado de la purina y por lo tanto está relacionada con las bases tipo purinas de los ácidos nucleícos y con el ácido úrico. 1os compuestos relacionados estrechamente son las dimetilxantinas, teofilina, %ue ocurre con2untamente con la cafeína en el té y teobromina %ue ocurre en lugar de la cafeína en el cacao.
Presencia y contenido de cafeína en alunas preparaciones co!unes: La cafeína se consigue en las plantas conocidas como café y té. 3ambién está presente en la nue+ de cola, en las ho2as de mate, en las semillas de guarana y en pe%ueas cantidades en los granos de cacao. l contenido de cafeína en los granos de café es de aproximadamente !0- 4 en peso y, en las ho2as de té aproximadamente -05 4. Sin embargo, debido a las diferencias en los métodos de elaboración, una ta+a de café de tamao promedio contiene aproximadamente el doble de cafeína 67#0-7#mg8ta+a de " on+as9, %ue el de una ta+a de té 6#0!7# mg8ta+a de " on+as9. l contenido de cafeína de las bebidas de cola oscila entre 5#0$# mg por cada envase de !- on+as. :uchos analgésicos comerciales también contienen cafeína para contrarrestar el efecto adormecedor producido por los ingredientes activos de tales preparaciones. 3iene muy variados usos en medicina por su efecto estimulante y por su acción diurética. ;uede producir irritabilidad, insomnio y ta%uicardia. l consumo excesivo de café y té puede conducir a una dependencia con la cafeína, de tal manera %ue pueda experimentarse dolor de cabe+a y aún nauseas en su ausencia. La cafeína ha sido siempre una sustancia controversial. )lgunas religiones prohíben el consumo de bebidas %ue las contienen, debido a %ue la consideran una droga adictiva. hio, sugieren %ue el consumo excesivo de cafeína y otras xantinas está relacionado con el desarrollo de otra enfermedad cística del pecho, la cual no es maligna, pero frecuentemente dolorosa, condición caracteri+ada por un crecimiento fibroso en el pecho. ?uando todo el café, té, colas y chocolate se eliminaron de la dieta de las mu2eres %ue sufrían esta enfermedad, se experimentó en la mayoría de ellas un alivio significativo de su padecimiento.
>tro problema %ue no está relacionado con la cafeína, pero si con el consumo de bebidas de té, es %ue algunas personas %ue consumen altas cantidades de té, pueden mostrar síntomas de deficiencia de vitamina @! 6tiamina9. Se sugiere %ue los taninos del té pueden formar un comple2o con la tiamina, inutili+ándola para su función metabólica. Ana sugerencia alternativa es %ue la cafeína puede reducir los niveles de la en+ima trans%uetolasa, la %ue depende de la presencia de tiamina para su actividad. Los niveles ba2os de la en+ima mencionada podrían producir los mismos síntomas %ue los ba2os niveles de tiamina. n el experimento %ue se pretende reali+ar en ésta práctica, se aísla la cafeína de las ho2as del té. l principal problema con el aislamiento es %ue la cafeína se encuentra acompaada de otras sustancias naturales de las cuales debe ser separada. l principal componente de estas ho2as de té es la celulosa, la cual constituye el principal material estructural de todas las plantas. La celulosa es un polímero de la glucosa. ;or otra parte, la cafeína es soluble en agua y es uno de los componentes principales %ue se extraen en la solución %ue denominamos té. ?on2untamente con la cafeína se extraen algunos otros compuestos, entre ellos los llamados taninos. Los taninos también se disuelven en el agua caliente usada para tratar las ho2as de té. l término tanino no se refiere a un solo compuesto homogéneo o a sustancias %ue poseen estructura %uímica similar. Se refiere a una clase de compuestos %ue tienen ciertas propiedades en común. Los taninos son compuestos fenólicos %ue tienen pesos moleculares entre $## y .### y, se usan ampliamente para tratar cueros, en la manufactura de tintes, papel y seda, para clasificar vino y cerve+a y en los procesos fotográficos. ste tipo de compuestos tienen la propiedad de precipitar alcaloides y proteínas %ue se encuentran disueltas en soluciones acuosas. Se dividen en dos clases* hidroli+ables y condensados o no hidroli+ables. Los taninos del primer tipo son ésteres de un sacárido, usualmente glucosa, con una o más unidades de ácido trihidroxibencencarboxílico 6ácido gálico9.
Los taninos no hidroli+ables %ue se encuentran en el té, son polímeros de condensación de la cate%uina, derivados de los flavonoles. stos compuestos no presentan uniformidad en su estructura. Las moléculas de cate%uina se encuentran usualmente enla+adas en la posiciones 5 y ".
?uando los taninos son extraídos en agua caliente, los del tipo hidroli+able son parcialmente hidroli+ados, lo cual significa %ue
se puede encontrar ácido gálico libre en la solución acuosa del té. Los taninos, debido a sus grupos fenólicos y el ácido gálico debido a sus grupos carboxilo, son ambos compuestos %ue presentan un grado de acide+ apreciable. Si a esta solución se le agrega una base tal como carbonato de sodio o hidróxido de sodio, se forman sales iónicas de calcio o de sodio de estos compuestos ácidos, fácilmente solubles en agua caliente. La cafeína puede extraerse entonces con un solvente orgánico insoluble en agua tal como el diclorometano ó cloroformo, ya %ue tanto las sales iónicas de calcio del ácido gálico como los taninos no son solubles en este solvente orgánico y permanecen disueltos en la fase acuosa, liberando la cafeína. La extracción de las ho2as de té directamente con solventes no polares 6diclorometano9, para remover la cafeína produce pobres resultados puesto %ue esta se encuentra en la planta como un comple2o parcialmente iónico %ue no es muy soluble en solventes apolares. 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 )un cuando las clorofilas son solubles en diclorometano, la gran parte de las otras sustancias componentes de las ho2as de té no lo son. 1e esta manera, la extracción con diclorometano de la solución básica de té remueve la cafeína prácticamente pura. l diclorometano es fácilmente removido por evaporación, calentando la solución %ue contiene el extracto en un bao de vapor dentro de una campana extractora de gases, o por destilación ya %ue su punto de ebullición es suficientemente ba2o. La aplicación de alguna de estas técnicas de2a como residuo la cafeína cruda. La cafeína se purifica entonces por recristali+ación o por sublimación.
Instrucciones especiales: ;ara llevar a cabo este experimento el estudiante deberá leer las técnicas relacionadas con la filtración por succión, filtración por gravedad, extracción con solventes 6uso de un embudo de separación9, uso de agentes desecantes y sublimación.
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a4 #erec5os: se su2eta el tapón con la mano i+%uierda asegurándolo con el dedo índice. Se invierte el embudo y con la mano derecha se manipula la llave, de tal
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forma %ue descanse entre los dedos pulgar e índice. 2urdos: es más fácil usar la mano opuesta para cada posición anteriormente descrita.
1espués de una breve agitación y sosteniendo el embudo en la posición invertida indicada, se abre la llave con precaución para eliminar la presión interior del embudo, se cierra y se agita suavemente durante uno o dos segundos, y se abre de nuevo la llave. ?uando de2a de aumentar perceptiblemente la presión en el interior del embudo, se aseguran tapón y llave y se agita enérgicamente durante uno o dos minutos, se abre otra ve+ la llave, se cierra y se coloca el embudo en posición normal dentro del espacio circular de un aro metálico con unos tro+os de tubo de goma para protegerlo de roturas o en su defecto asegurándolo con unas pin+as metálicas de tamao adecuado. Se destapa y se de2a en reposo hasta %ue la separación entre las dos capas lí%uida sea nítida. )lgunas veces después de la agitación, los dos lí%uidos no se separan muy bien en dos capas claramente diferenciadas, si no %ue forman una emulsiona. Si una de las capas es agua, a menudo, pero no siempre, la emulsión puede destruirse mediante*
!. An movimiento de giro suave al lí%uido del embudo de separación mantenido en su posición normal. -. )gitación vigorosa de la capa emulsionada con una varilla de vidrio. . )dición de solución saturada de cloruro de sodio y agitar suavemente. sto disminuye la tensión superficial del agua y permite %ue las gotas se colecten en las capas separadas. ) menudo, en la interface se colectan pe%ueas cantidades de material sólido insoluble, haciendo difícil observar el límite entre las dos capas. l remedio usual para este problema es filtrar la me+cla heterogénea antes de separar la s capas. ?uando se usa un solvente de alto punto de ebullición tal como éter etílico 6$C?9 o diclorometano 65!C?9, la presión en el interior del embudo cerrado se incrementa como resultado de la evaporación del solvente a la temperatura ambiente. ;or esta ra+ón es esencial permitir la salida de estos gases para liberar la presión interna del embudo. sto se logra, sosteniéndolo entre las manos tal como se muestra en la figura ! y abriéndolo de la llave de paso brevemente. An punto importante a tomar en cuenta, es tener siempre un conocimiento preciso de la identidad y posición de las capas acuosa y orgánica. :ientras mayor sea la densidad de un lí%uido o de una solución, la tendencia de este lí%uido es permanecer en la parte inferior del embudo. ;or e2emplo al usar éter etílico 6d D #,/! g8ml9, y agua 6d D !,## g8ml9, la capa de éter 6orgánica9 será la superior. n cambio al usar cloroformo 6d D !,5E9 o diclorometano 6d D !, g8ml9, la capa orgánica será la inferior y la acuosa la superior. n general, los hidrocarburos halogenados 6?( -?l-F ?(?lF ??l5F etc.9 tienen valores de densidades mayores %ue las correspondientes al agua y estarán en la capa inferior, mientras %ue los solventes orgánicos no halogenados 6éter etílico, hexano, tolueno9 tienen densidades menores %ue la del agua y permanecerán en la capa superior. Si en alguna oportunidad, existe duda en relación a la identidad de las capas, remueva una gota de la capa superior y aádala a un tubo de ensayo %ue contenga ! ml de agua y agite. Si se forma una base homogénea, entonces la superior será la capa acuosa, en cambio si la gota no se disuelve, entonces la superior será la capa orgánica.
)l separar las capas, tenga el cuidado de remover la tapa, de otra manera, se desarrollara un vacio en la parte superior del embudo, %ue evitará el flu2o de lí%uido a través de la llave de paso. Ana precaución importante a ser tomada en cuenta, es recoger las capas lí%uidas de desecho en un recipiente a parte marcado para tal fin, hasta %ue se tenga la seguridad %ue el o los productos %ue se desean separar hayan sido efectivamente recuperados. sta precaución se toma ante la eventualidad de descartar la capa e%uivocada, si este es el caso, el producto deseado puede recobrarse por extracción de la solución de desechos.
PARTE E*PERI%ENTA" ?aliente a ebullición !## ml de agua en un vaso de precipitado de -$# ml, colo%ue bolsas de té negro 6llevadas por el estudiante9 de aproximadamente - gramos cada una, de tal manera %ue estas %ueden sumergidas en el fondo del recipiente, pero al mismo tiempo colgadas hacia afuera. ;ermita %ue las bolsas permane+can en contacto con el agua caliente por ! minuto.
Separe las fases orgánicas directamente desde el embudo de separación, recibiéndola en una fiola limpia. 3rasvase la capa de diclorometano a un embudo de separación y lávela dos veces con -# ml de solución fría de =a>( y una ve+ con -# ml de agua destilada. Separe la fase orgánica y sé%uela con una capa de sulfato de sodio anhídrido de aproximadamente ! cm de espesor. vapore calentando sobre una plancha de calentamiento o sobre un bao de maría, el diclorometano en el interior de una campana extractora de gases, hasta obtener aproximadamente ml de solución. Ase una cantidad mínima adicional de diclorometano y una pipeta ;asteur, transfiera la cafeína cruda a una fiola de -$ ml de capacidad. vapore completamente el diclorometano hasta obtener los cristales casi blancos de cafeína sólida. La cafeína cruda puede purificarse por recristali+ación usando el método de me+cla de solventes y por sublimación.
Purificación por recristali6ación: 1isuelva el residuo de cafeína contenida en la fiola en - o ml de tolueno. s posible %ue sea necesario calentar la solución en un bao de vapor para disolver totalmente el sólido. 3rasfiera la solución a un frasco erlenmeyer de -$ ml. Lave la fiola %ue contenía la cafeína con una porción adicional de - ml de tolueno y combine esta solución con la contenida en el frasco erlenmeyer. )ada una piedra de ebullición, caliente la solución y adicione gota a gota hexano, hasta %ue la solución se torne ligeramente turbia. ;ermita %ue la solución repose hasta temperatura ambiente. nfríe la solución en un bao de agua0hielo y colecte el producto cristalino por filtración al vacio usando un embudo buchner de pe%ueo tamao. Ana segunda porción de cristales puede obtenerse concentrando las aguas madres 6filtrado9. Se%ue los cristales. ;ese el producto y calcule el rendimiento porcentual basado en los -$ gramos aproximadamente de té originalmente usados. 1etermine el punto de fusión. =ote el color del sólido en comparación con el material obtenido después de la sublimación.
&uli!ación de la cafeína:
Ginalmente la cafeína puede ser purificada por sublimación. )rme un aparato de sublimación consistente en un tubo de ensayo con salida lateral y un dedo frio. ?olo%ue parte de la cafeína en el fondo del tubo de ensayo con salida lateral y conéctele el dedo frio a2ustando el sistema por intermedio de un tapón de goma %ue se fi2e a2ustadamente al tubo de ensayo. ?olo%ue mangueras de goma al dedo frio y haga pasar agua por el interior del mismo. Gi2e el sistema verticalmente con una pin+a a un soporte universal y conéctelo a un sistema de vacío. )bra la llave de agua del sistema de vacío y presione el dedo frio dentro del tubo de ensayo con salida lateral hasta %ue se obtenga un buen vacio interior. ?uando se estime %ue exista un buen vacío en el sistema, caliente la cafeína suave y cuidadosamente con una llama pe%uea para sublimar la cafeína. Sostenga el mechero en su mano y apli%ue calor moviendo la llama por los alrededores del fondo del tubo. Si la me+cla empie+a a fundir, retire la llama por unos segundos antes de comen+ar nuevamente el calentamiento. Los cristales de cafeína sublimados se adhieren a las paredes del dedo frio. ?uando la sublimación se haya completado, retire el mechero y permita %ue el aparato alcance la temperatura ambiente. ?uando el aparato este frio, rompa el vacío y con sumo cuidado sostenga el dedo frio hacia aba2o aplicando una ligera presión. ?uidadosamente separe el dedo frio del resto del sistema de sublimación. Si esta operación no se reali+a con el cuidado debido, los cristales sublimados podrían desli+arse desde las paredes externas del dedo frio donde se encuentra adherido y caer en el fondo del tubo de ensayo, donde se encuentra el residuo. ?ierre la llave %ue le suministra el agua al dedo frio y desconecte la manguera de goma.
Extracción de la cafeína de refrescos co!erciales
Introducción: La cola es una planta arbórea africana cuyo fruto, la nue+ de cola, se emplea como tónico y estimulante. n realidad, es todo un género de plantas %ue comprende árboles de ho2as enteras o lobuladas, vellosas, flores en panículas laterales, fruto en folículo grande coriáceo o leoso y semillas grandes, el genero cola comprende unas 5# especies, siendo la más conocida la cola vera ó Sterculia acumija, árbol %ue alcan+a hasta # metros de altura, cuyas semillas llamadas nueces de cola, se emplean en medicina por sus cualidades tónicas. Los refrescos gaseosos comerciales originarios de stados Anidos de =orteamérica como ?oca0cola y ;epsi0cola y sus versiones de ba2o contenido de a+úcar o sin a+úcar, son muy populares. n esta experiencia vamos a descubrir uno de sus secretos* contienen cafeína además de otros aditivos. La cafeína es un alcaloide, de fórmula condensada ? "(!# =5>- de un sabor amargo e inodoro. Se encuentra en el té, Thea sinensis o Camelia thea, en el café, Cuphea arábiga, en las ho2as de mate, Llex paraguayensis de ;araguay, argentina y sur de @rasilF en pasta de guaraná, Paulinia sorbilis de @rasilF en el yoco. Paulina yoco de Iene+uela y ?olombia y en las nueces de cola, Cola vera. La cafeína tiene acciones estimulantes del sistema nervioso central, de las frecuencias cardiacas y respiratorias y de la función renal, como diurético. ;roduce intran%uilidad e insomnio.
Procedi!iento: !. :ide el volumen de B del contenido de una cocacola o pepsicola no &ligeras'. -. Iierta esta cantidad de refresco de cola en un matra+ erlenmeyer de $## ml. . Iierta pe%ueas cantidades de carbonato de sodio para neutrali+ar los ácidos fosfórico y otros ácidos presentes en estos refrescos hasta %ue cese el burbu2eo y 000000000000. 5. 3ransfiera la me+cla en un embudo de separación, adiciona -# ml de diclorometano y agita suavemente de $ a / minutos. $. Separe el lí%uido incoloro de la capa inferior 6diclorometano J cafeína9 y viértelo en un vaso de precipitado. 7.
/. ;ara %ue la extracción sea más efectiva es conveniente repetir una ve+ una ve+ más esta operación.
1iliorafía: !. LasKic, M. and (all, ;. 6!E/-9. M. of ?hem. ducation. 5E,!#,/#". -. :oye, ). 6!E/-9. M. of ?hem. ducation. 5E, !E5.
