ĆWICZENIE 3. Wydzielanie alkaloidów z liści herbaty i kakao
za pomocą selektywnej ekstrakcji
Alkaloidy - zasadowe związki organiczne, głównie pochodzenia roślinnego lub
syntetycznego (rzadko pochodzenia zwierzęcego - owady, żaby, niektóre salamandry i wije).
Alkaloidy zawierają w cząsteczce układy heterocykliczne z atomem azotu lub tlenu, wykazują
własności zasadowe i mają silne działanie fizjologiczne na organizmy ludzkie i zwierzęce (od
stymulującego, poprzez narkotyczne, do toksycznego). Przeważnie są to substancje
krystaliczne, o gorzkim smaku, optycznie czynne, trudno rozpuszczalne w wodzie (dlatego
jako leki stosowane są w postaci łatwiej rozpuszczalnych w wodzie soli). Alkaloidy łatwo
łączą się z występującymi w soku komórkowym kwasami organicznymi (szczawiowy,
jabłkowy, cytrynowy, bursztynowy lub kwasy garbnikowe), tworząc sole rozpuszczalne w
środowisku wodnym.
Alkaloidy naturalnie występują m.in. w maku, kawie, herbacie, tojadzie. Klasyfikuje się je wg
pochodzenia (np. alkaloid tojadu) lub budowy chemicznej: pochodne pirydyny (np. nikotyna,
rycynina), tropanu (np. atropina, kokaina), chinoliny (np. chinina), izochinoliny (np. alkaloidy
opium i kurary), indolu (np. strychnina), puryny (np. kofeina, teobromina, teofilina),
alkaloidy terpenoidowe i steroidowe (np. tomatyna) i in. Rodzaj alkaloidów jest
charakterystyczny dla danego gatunku roślin.
Do najbardziej znanych alkaloidów należą: atropina, brucyna, chinina, kodeina, kofeina,
kokaina, meskalina, morfina, nikotyna, rezerpina, strychnina, teobromina. Znanych jest
obecnie ponad 2 tys. alkaloidów (naturalnych i syntetycznych).
Izolacja Z roślin wyodrębnia się je najczęściej metodami ekstrakcji (np. kofeina,
teobromina), destylacji z parą wodną (np. nikotyna) i poprzez zastosowanie żywic
jonowymiennych. Czystą postać otrzymuje się m.in. przez krystalizację, chromatografię,
ekstrakcję przeciwprądową. Izolacja alkaloidów ze źródeł naturalnych jest podstawową
metodą ich otrzymywania, gdyż syntezy chemiczne większości z nich są bardzo trudne.
Zastosowanie 1) Wiele toksycznych alkaloidów (głównie w postaci soli) podawanych w
odpowiednio małych dawkach stanowi skuteczne leki na liczne choroby i dolegliwości (np.
morfina, kodeina, chinina) 2) Liczne alkaloidy stanowią składniki używek (kofeina
,
teobromina, nikotyna).
3) Wiele toksycznych alkaloidów wykorzystuje się do zwalczania
szkodników (strychnina).
Kofeina
N
N
N
O
N
O
CH
3
CH
3
H
3
C
Kofeina (znana również jako teina, C
8
H
10
N
4
O
2
) jest alkaloidem purynowym znajdującym się
w surowcach roślinnych (np. ziarnach kawy w ilości ok. 1%, liściach herbaty ok. 2-3%,
ziarnach kakao).
W stanie czystym tworzy białe, długie, giętkie kryształy o temperaturze topnienia 234
o
C,
topnieniu towarzyszy sublimacja; bez zapachu, gorzka w smaku. Słabo rozpuszczalna w
zimnej wodzie (1:80) i w alkoholu (1:50), prawie nierozpuszczalna w eterze, dobrze
rozpuszczalna we wrzącej wodzie (1:2) i w chloroformie (1:9), .
Może być otrzymywana przez ekstrakcję z kawy, herbaty, guarany, herbaty paragwajskiej,
orzeszków kola lub otrzymywana syntetycznie z kwasu moczowego lub mocznika. Obecnie
głównym źródłem kofeiny jest dekofeinizacja kawy, polegająca na ekstrakcji kofeiny z ziaren
kawy.
Kofeina odznacza się swoistym wpływem pobudzającym korę mózgową, znoszącym
zmęczenie fizyczne i psychiczne, ułatwia procesy myślowe, przywraca świadomość w
stanach omdlenia, poprawia czynność serca, oddech i ciśnienie krwi. W niewielkich dawkach
stosowana jest jako lek pobudzający centralny układ nerwowy, w zatruciach narkotykami,
alkoholem, niedomaganiach układu krążenia i oddychania. Jedna filiżanka mocnej kawy bądź
herbaty zawiera leczniczą dawkę kofeiny.
Produkt
Zawartość kofeiny
Kawa parzona 220 ml
135 mg
Kawa rozpuszczalna 220 ml 95 mg
Kawa bezkofeinowa 220 ml 5 mg
Herbata 220 ml
50 mg
Herbata zielona 220 ml
30 mg
Coca-Cola 330 ml
34,5 mg
Pepsi 330 ml
37,5 mg
Mountain Dew 330 ml
55,5 mg
Baton czekoladowy 30 g
6-15 mg
Kakao 220 ml
5 mg
Domniemana dawka śmiertelna kofeiny przy podaniu doustnym dla człowieka to około 150
mg na kilogram masy ciała. Praktycznie jednak spożycie śmiertelnej dawki kofeiny zawartej
w kawie lub herbacie przez człowieka jest niemożliwe, ponieważ kofeina jest
metabolizowana przez organizm szybciej niż jest możliwe wypicie tak dużej objętości płynu,
a ponadto pojawiające się objawy przedawkowania uniemożliwią dalsze picie napoju.
Mimo, że liście herbaty zawierają więcej kofeiny niż ziarna kawy, zaparzona herbata zawiera
mniej kofeiny niż kawa, ponieważ surowce te różnią się budową komórek, w wyniku czego
kofeina z herbaty w mniejszym stopniu przechodzi do gorącej wody podczas procesu
zaparzania herbaty w stosunku do kofeiny ekstrahowanej z ziaren kawy.
Charakterystyka kofeiny :
Chromatografia cienkowarstwowa (TLC) na żelu krzemionkowym
R
f
= 0.62 (chloroform : metanol 85:15)
R
f
= 0.4 (chlorek metylenu-octan etylu 1:1)
1
HNMR (CDCl
3
; 89.56MHz) : 7.527 H
A
; 3.999 H
B
; 3.574 H
C
; 3.395 H
D
; J(A,B)=0.6Hz
N
N
N
O
N
O
CH
3
CH
3
H
3
C
H
A
B
C
D
13
CNMR (CDCl
3
; 25.16MHz) : 155.32 (C1), 151.66 (C2), 148.67 (C3), 141.57 (C4), 107.51
(C5), 33.57 (C6), 29.70 (C7), 27.88 (C8)
N
N
N
O
N
O
CH
3
CH
3
H
3
C
1
2
3
4
5
6
7
8
Teobromina
N
N
N
O
N
O
CH
3
CH
3
H
Teobromina (3,7-dimetyloksantyna, C
7
H
8
O
2
N
4
) jest alkaloidem purynowym znajdującym się
między innymi w ziarnach kakao (ok. 1,8%). Występuje w roślinach przeważnie obok
kofeiny, np. w herbacie (ok. 52-krotnie więcej kofeiny niż teobrominy), kakao (ok. 9-krotnie
więcej teobrominy niż kofeiny). Gorzka czekolada zawiera około 10 gramów teobrominy na
kilogram, mleczna - około 5 gramów.
W stanie czystym jest białawym, gorzkim proszkiem o krystalicznej budowie. Teobromina
ulega sublimacji w temperaturze 295°C, jednocześnie w tej temperaturze ulega rozkładowi.
Jest trudno rozpuszczalna w wodzie, natomiast dobrze rozpuszczalna w chloroformie oraz
eterze.
Dawniej teobromina była stosowana w medycynie jako środek nasercowy i moczopędny oraz
w astmie oskrzelowej. Działa silnie diuretycznie i spazmolitycznie. Ogólnie jej działanie jest
zbliżone do kofeiny, ale dużo słabsze. Teobromina wykazuje słabe działanie stymulujące,
może działać relaksująco i rozluźniająco na mięśnie. Teobromina jest szkodliwa dla
niektórych zwierząt, miedzy innymi dla psów i koni
Charakterystyka teobrominy :
Chromatografia cienkowarstwowa (TLC) na żelu krzemionkowym:
R
f
= 0.49 (chloroform : metanol 85:15)
Wykonanie ćwiczenia
Wstęp
W celu pozyskania kofeiny/teobrominy z surowców roślinnych, odpowiednio liści
herbaty/kakao stosuje się technikę selektywnej ekstrakcji. Metoda ta wykorzystuje
1) zasadowy charakter alkaloidów 2) rozpuszczalność soli alkaloidów w wodzie oraz brak
rozpuszczalności „wolnych” alkaloidów w zimnej wodzie, co pozwala oddzielić alkaloidy od
towarzyszących im substancji obojętnych lub kwasowych tj. węglowodany, węglowodory,
aminokwasy, białka, enzymy, garbniki, żywice, tłuszcze, kwasy tłuszczowe, witaminy,
polifenole. W pierwszej fazie wyodrębniania alkaloidów surowiec roślinny poddaje się
działaniu wodnych, gorących roztworów zasad tj. węglanu wapnia lub wodorotlenku
magnezu. Alkaloidy uwolnione z soli są ekstrahowane rozpuszczalnikiem organicznym.
Czystą postać alkaloidów można uzyskać przeprowadzając ich sublimację, a w przypadku
większych ilości krystalizację.
Wydzielanie kofeiny z liści herbaty
Materiały i odczynniki:
Liście herbaty
2,5 g
Węglan wapnia
0,05 g
Chloroform
20 ml
Siarczan magnezu bezwodny
Woda
Wykonanie:
W kolbie okrągłodennej o pojemności 50 ml umieścić 2,5 g suchych liści herbaty, 20 ml
wody, 0.05 g węglanu wapnia oraz kamyki wrzenne. Mieszaninę ogrzewać do wrzenia pod
chłodnicą zwrotną przez 20 min. Po tym czasie zawartość kolby przesączyć na gorąco pod
zmniejszonym ciśnieniem, przemyć 5ml ciepłej wody, liście herbaty dokładnie odcisnąć na
sączku. Po schłodzeniu przesącz przenieść do rozdzielacza i dodać 20 ml chloroformu. Obie
warstwy delikatnie wymieszać (w celu uniknięcia powstania emulsji), a następnie oddzielić
ekstrakt chloroformowy. Warstwę organiczną wysuszyć bezwodnym siarczanem magnezu,
wykonać płytkę TLC (układy rozwijające i metoda wizualizacji płytki zostaną wyznaczone
przez prowadzącego; należy obliczyć współczynnik R
f
). Po przesączeniu środka suszącego
rozpuszczalnik odparować na wyparce obrotowej. Surowy produkt oczyścić przez sublimację
lub krystalizację z etanolu. Uzyskuje się ok. 10 mg czystej kofeiny, której czystość i strukturę
należy potwierdzić technikami
1
NMR (CDCl
3
) i
13
CNMR (CDCl
3
)
Wydzielanie teobrominy z kakao
Materiały i odczynniki:
Kakao
5 g
Tlenek magnezu
1,5 g
Metanol
5 ml
Chloroform
60 ml
Woda
Wykonanie:
W zlewce o pojemności 50 ml (100 ml) umieścić 5 g kakao, 1,5 g tlenku magnezu, 10 ml
wody i 5 ml metanolu. Mieszaninę ogrzewać łagodnie na czapie grzejnej, mieszając bagietką
tak długo, aż masa stanie się sucha (ok. 30-40 min). Masę taką przenieść do kolby
okrągłodennej o pojemności 100 ml za pomocą 40 ml chloroformu, dodać kamyki wrzenne, a
następnie całość ogrzewać do wrzenia pod chłodnią zwrotną przez 30 min. Po tym czasie
gorącą mieszaninę przesączyć pod zmniejszonym ciśnieniem (sączenie na gorąco). Osad
rozkruszyć, przenieść do kolby i ponownie ekstrahować 20 ml chloroformu i przesączyć pod
zmniejszonym ciśnieniem. Jeżeli roztwory chloroformowe są zanieczyszczone ziarenkami
kakao należy je ponownie przesączyć. Chloroform zatężyć do objętości ok. 5ml na wyparce
obrotowej (przeprowadzić analizę TLC - układy rozwijające i metoda wizualizacji płytki
zostaną wyznaczone przez prowadzącego; należy obliczyć współczynnik R
f
). Mieszaninę
schłodzić do temp. pokojowej i dodać ok. 20 ml eteru etylowego (lub eteru naftowego).
Pozostawić do krystalizacji. Mikrokrystaliczny osad sączy się na lejku i przemywa 5ml eteru.
Otrzymuje się ok. 75 mg teobrominy.
Konstrukcja i zasada działania wyparki obrotowej
Wyparka jest jednym z najbardziej skomplikowanych sprzętów, które często stosuje się w
laboratoriach. Składa się ona z łaźni grzejnej (B na obrazku) (zazwyczaj wodnej, ale czasami
też olejowej), termostatowanej i ogrzewanej elektrycznie. W łaźni tej umieszcza się skośnie
kolbę okrągłodenną (A), którą podłącza się poprzez połączenie szlifowe z długą, zamocowaną
na stałe rurą. Rura ta jest poprzez zestaw łożysk i zębatek (C) wprawiana w ruch obrotowy
przez silnik ukryty w korpusie wyparki. Ruch ten wymusza też stałe obracanie się kolby z
odparowywaną cieczą, co gwarantuje intensywne i równomierne ogrzewanie jej przez łaźnię,
oraz mieszanie cieczy, co bardzo przyspiesza jej odparowywanie.
Z drugiej strony rura wchodzi do wnętrza szklanego naczynia łącznikowego. Naczynie to
łączy się od góry z chłodnicą zwrotną (F), od dołu z kolbką-odbieralnikiem (G), w którym
zbiera się odparowywana i następnie skraplana w chłodnicy ciecz. Wreszcie z boku naczynia
łącznikowego jest kran z oliwką (H), do którego przyłącza się wąż prowadzący dalej do
pompy prożniowej lub wodnej. Statyw (D) i łapa (E) umożliwiają podnoszenie i opuszczanie
całej konstrukcji szklanej, co umożliwia stosowanie większych i mniejszych kolb z
odparowywaną cieczą. Większość wyparek posiada mniej lub bardziej dokładną kontrolę
szybkości obrotów rury centralnej i temperatury medium grzejnego w łaźni.
Zastosowanie wyparek
szybkie zatężanie roztworów
suszenia i dosuszania rozmaitych substancji stałych
regeneracja rozpuszczalników
odparowywania rozpuszczalników z mieszanin reakcyjnych i ekstrakcyjnych
szybkiego oddzielania lotnych produktów reakcji od osadów stanowiących produkty
uboczne - zamiast uciążliwej i długotrwałej filtracji
prowadzenia reakcji równowagowych, które wymagają stałego odprowadzania ze
środowiska lotnych produktów ubocznych
Sprawozdanie
Opis wykonywanych czynności (wyjaśnienie zasad selektywnej ekstrakcji alkaloidów w
oparciu o wykonywane ćwiczenia, zapis obserwacji dokonanych podczas wykonywania
ćwiczeń)
Płytka TLC (interpretacja, wyliczone współczynniki R
f
)
Interpretacja widm
1
H NMR i
13
C NMR
