实验 七　从茶叶中提取咖啡因

一、实验目的

1、学会从天然产物中提取有机粗产物的方法。

2、学习和掌握常压升华纯化技术。

二、实验原理

茶叶中的儿茶素和咖啡因是两类重要的天然有效成分，其中咖啡因是茶叶中主要的生物碱，也称咖啡碱，在茶叶中含量约1％一5％，具有兴奋中枢神经系统、兴奋心脏、松弛平滑肌和利尿等作用，还可用作治疗脑血管性的头痛；尤其是偏头痛，但过度使用咖啡因会增加耐药性和产生轻度上瘾。它还是复方阿司匹林(A、P、c)等药物的组方之一。现代制药工业多用合成方法制得咖啡因。儿茶素是茶多酚的主体物质，茶多酚是茶叶中酚类及其衍生物的总称，其主要组分是黄烷醇类、羟基—4—黄烷醇类、花色苷类、黄酮醇类和黄酮类。儿茶素是强效抗氧化成份，对癌症、高血压、冠心病等有明显的预防作用。而其中黄烷醇类又以儿荼素类物质为主，占茶多酚总量的70％左右。茶叶中含有多种生物碱，其中以咖啡碱（咖啡因）为主，占1.5％，另外还含有11－12％的丹宁酸（鞣酸），以及色素、纤维素、蛋白质等。

咖啡因（含结晶水时）是无色针状结晶，味苦，能溶与水（2％）、乙醇（2％）、氯仿（12％）、苯（1％）等，在100℃时即失去结晶水，并开始升华，120℃时升华显著，178℃时升华很快，熔点为234.5℃；呈弱碱性。

 

嘌呤                                咖啡因

（1,3,7－三甲基－2,6－二氧嘌呤）

天然产物的分离提取最常用的有萃取、水蒸汽蒸馏等方法，其中以溶剂萃（浸）取法最常见，即选择合适的溶剂在室温（或回流）下把天然产物中有机物萃取到溶剂中，经常压（或减压）蒸除溶剂得到粗产物，继而进一步纯化粗产物。纯化粗产物除了常用的常压（减压）蒸馏、重结晶、薄层（柱）层析等方法外，升华法对易升华的有机物的提纯也是一种手段。

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。必须满足以下两个条件：
    (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67kPa(20mmHg)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℃。

三、主要仪器及耗材

仪器：Soxhlet（索氏提取器），电热套 ，水浴锅，100mL圆底烧瓶，球形冷凝管，直形冷凝管，蒸馏头，空心管，温度计，接引管，真空泵，布氏漏斗，抽滤瓶，漏斗，蒸发皿。

药品： 茶叶，95%乙醇，生石灰

。

回流装置     Soxhlet提取装置     滴液漏斗提取装置       升华装置

四、实验内容与步骤

 

1、提取咖啡因

连续回流提取

方法一

（1）用滤纸做一比Soxhlet提取器提取筒内径稍小的圆柱状纸筒，并折叠封住开口（也可用棉线扎住），装入10g茶叶末，压实。将滤纸筒上口向内折成凹形。将滤纸筒放入提取腔中去，使茶叶装载面低于虹吸管顶端^[1]装上回流冷凝管。在提取器的平底烧瓶中加入60mL 95%乙醇，加2粒沸石，装置如图。

（2）用85℃水浴加热，乙醇沸腾后蒸气经侧管上升到冷凝管，冷凝下来的液滴滴入滤纸筒中。当液面升至与虹吸管顶端相平时经虹吸回到平底烧瓶中。连续提取1.5 h至提取液颜色很淡时为止。当最后一次虹吸后，立即停止加热。

方法二

在100 mL圆底烧瓶中加2粒沸石，在恒压漏斗口放置一脱脂棉，称取6g茶叶末放入恒压漏斗中，按图装置好提取装置，将60 mL 95%乙醇从球形冷凝管加入，先将茶叶末浸泡片刻，然后将液体放入圆底烧瓶中。通冷却水后在85℃水浴加热。当溶剂沸腾时，溶剂蒸汽从恒压漏斗侧管上升到冷凝管，冷凝的液体滴到样品上，当溶剂在提取器内达到一定高度时，调节恒压漏斗活塞，使冷凝液的滴入速度与恒压漏斗的放液速度一致。此过程中溶剂便被一遍又一遍地重复使用，样品每一次都接触到新溶剂，最后将所要提取的物质都集中到下面的烧瓶中。连续提取0. 5 h后，恒压漏斗中的提取液颜色变得很淡，即可停止提取。冷却。

普通回流提取

取10g茶叶于100 mL圆底烧瓶中，加入95％乙醇75mL，用80℃水浴加热提取约1.5 h。稍冷后减压过滤，滤液转入100 mL圆底烧瓶中。

2、分离

（1）将提取液用普通蒸馏法在85℃水浴中蒸出大部分乙醇^[2] (回收)。将瓶中残液趁热倒入蒸发皿中，加入3—4 g研细的生石灰粉末^[3]，使成糊状，在蒸气浴上蒸干，其间不断搅拌，并压碎块状物。最后将蒸发皿放在有石棉网的电热套上小心焙炒片刻，必须使水分全部除去^[4]，冷却。

（2）将捣碎的粉末铺均匀，擦去沾在边上的粉末，以免在升华时污染产物，

放一张穿有许多小孔的圆形滤纸，然后将大小合适的漏斗盖在上面，放在有石棉网的电热套上加热升华。控制温度在220℃左右^[5]，当滤纸上出现许多白色针状结晶时，停止加热，冷至100℃左右，小心移开漏斗和滤纸，仔细地把纸上的咖啡因用药勺刮下，并收集起来。必要时，残渣经搅拌后再升华一次，将收集的咖啡因称量并计算产率。

纯咖啡因的熔点为：238℃(文献值)。

3、检验

咖啡因的定性检验：取少量咖啡因，配成饱和溶液，加入等体积的KI-I₂溶液，再加入2～3滴稀盐酸，即产生红棕色沉淀；加入过量的NaOH时，沉淀又溶解。

C₈H₁₀N₄O₂ ＋ 2I₂ ＋ KI ＋ HCl → [C₈H₁₀N₄O₂]·HI·2I₂↓ ＋ KCl

                                    (红棕色)

[C₈H₁₀N₄O₂]·HI·2I₂ ＋ NaOH → C₈H₁₀N₄O₂ ＋ 2I₂ ＋ NaI ＋ H₂O

五、实验注意事项

⑴ 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，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透被萃取物。

⑵ 约剩10－15mL，太少，转移时损失大。

⑶ 生石灰起中和作用，以除去部分杂质。

⑷ 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。

⑸ 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、会使被烘物碳化，把一些有色物带出来，使产品不纯；温度太低，升华速度慢。因此，用温度计随时监测石棉网表面的温度。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。电热套刻度在2点钟合适。

 

第二篇：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。

咖啡因               可可碱               茶碱

含结晶水的咖啡因(C₈H₁₀O₂N₄)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。