從茶葉中提取咖啡因
一、 教學要求：
1、 學習從茶葉中提取咖啡因的基本原理和方法, 了解咖啡因的一般性質(zhì).
2、掌握用索氏提取器提取有機物的原理和方法.
3、進一步熟悉萃取、蒸餾、升華等基本操作.
二、 預習內(nèi)容：
1、萃取
2、蒸餾操作
3、升華操作
4、天然產(chǎn)物的分離提純和鑒定的相關理論知識
三、 基本操作：
1、實驗流程
2、索氏(Soxhlet)提取器
索氏(Soxhlet)提取器由燒瓶、提取筒、回流冷凝管3部分組成, 裝置如圖所示.索氏提取器是利用溶劑的回流及虹吸原理（思考題1）,使固體物質(zhì)每次都被純的熱溶劑所萃取, 減少了溶劑用量, 縮短了提取時間, 因而效率較高.萃取前, 應先將固體物質(zhì)研細, 以增加溶劑浸溶面積（思考題2）.然后將研細的固體物質(zhì)裝人濾紙筒內(nèi)（思考題3,4）, 再置于抽提筒, 燒瓶內(nèi)盛溶, 并與抽提筒相連, 抽提筒索式提取器上端接冷凝管.溶劑受熱沸騰, 其蒸氣沿抽提筒側管上升至冷凝管, 冷凝為液體, 滴入濾紙筒中, 并浸泡筒中樣品.當液面超過虹吸管最高處時, 即虹吸流回燒瓶, 從而萃取出溶于溶劑的部分物質(zhì).如此多次重復,把要
提取的物質(zhì)富集于燒瓶內(nèi).提取液經(jīng)濃縮除去溶劑后, 即得產(chǎn)物, 必
要時可用其他方法進一步純化.
思考題1：索式提取器的工作原理?
思考題2：索式提取器的優(yōu)點是什么?
思考題3：對與索式提取器濾紙筒的基本要求是什么?
思考題4：為什么要將固體物質(zhì)（茶葉）研細成粉末?
4、升華裝置
四、 實驗原理：
咖啡因又叫咖啡堿, 是一種生物堿 , 存在于茶葉、咖啡、可可等植物中.例如茶葉中含有 1%～5%的咖啡因, 同時還含有單寧酸、色素、纖維素等物質(zhì).
咖啡因是弱堿性化合物, 可溶于氯仿、丙醇、乙醇和熱水中, 難溶于乙醚和苯(冷).純品熔點235～236℃, 含結晶水的咖啡因為無色針狀晶體, 在100 ℃時失去結晶水, 并開始升華,120 ℃時顯著升華,178℃時迅速升華.利用這一性質(zhì)可純化咖啡因.咖啡因的結構式為 :
咖啡因（1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤）
咖啡因(1,3,7- 三甲基 -2,6- 二氧瞟嶺 ) 咖啡因是一種溫和的興奮劑, 具有刺激心臟、興奮中樞神經(jīng)和利尿等作用.
提取咖啡因的方法有堿液提取法和索氏提取器提取法.本實驗以乙醇為溶, 用索氏提取器提取 , 再經(jīng)濃縮、中和、升華, 得到含結晶水的咖啡因.
工業(yè)上咖啡因主要是通過人工合成制得.它具有刺激心臟、興奮大腦神經(jīng)和利尿等作用.故可以作為中樞神經(jīng)興奮藥,它也是復方阿司匹林（A.P.C）等藥物的組分之一.
五、實驗步驟：
1、 咖啡因的提取
稱取5g干茶葉, 裝入濾紙筒內(nèi), 輕輕壓實, 濾紙筒上口塞一團脫脂棉（思考題5）, 置于抽提筒中, 圓底燒瓶內(nèi)加人 60～8Oml95% 乙醇, 加熱乙醇至沸, 連續(xù)抽提1h, 待冷凝液剛剛虹吸下去時, 立即停止加熱.
將儀器改裝成蒸餾裝置, 加熱回收大部分乙醇.然后將殘留液 (大約l0～15ml) 傾入蒸發(fā)皿中, 燒瓶用少量乙醇洗滌, 洗滌液也倒人蒸發(fā)皿中, 蒸發(fā)至近干.加入4g 生石灰粉（思考題6）, 攪拌均勻, 用電熱套加熱(100～120V), 蒸發(fā)至干, 除去全部水分（思考題7）.冷卻后, 擦去沾在邊上的粉末, 以免升華時污染產(chǎn)物.
將一張刺有許多小孔的圓形濾紙蓋在蒸發(fā)皿上, 取一只大小合適的玻璃漏斗罩于其上, 漏斗頸部疏松地塞一團棉花（思考題8）.
用電熱套小心加熱蒸發(fā)皿, 慢慢升高溫度, 使咖啡因升華.咖啡因通過濾紙孔遇到漏斗內(nèi)壁凝為固體, 附著于漏斗內(nèi)壁和濾紙上.當紙上出現(xiàn)白色針 狀晶體時, 暫停加熱, 冷至 100 ℃左右, 揭開漏斗和濾紙, 仔細用小刀把附著于濾紙及漏斗壁上的咖啡因刮入表面皿中.將蒸發(fā)皿內(nèi)的殘渣加以攪拌, 重新放好濾紙和漏斗, 用較高的溫度再加熱升華一次.此時 ,溫度也不宜太高, 否則蒸發(fā)皿內(nèi)大量冒煙, 產(chǎn)品既受污染又遭損失（思考題9）.合并兩次升華所收集的咖啡因, 測定熔點.
2、咖啡因的鑒定
(1) 與生物堿試劑: 取咖啡因結晶的一半于小試管中, 加 4Cml水, 微熱, 使固體溶解.分裝于2 支試管中, 一支加入1～2 滴 5% 鞣酸溶液, 記錄現(xiàn)象（思考題10）.另一支加 1～2 滴 10% 鹽酸 ( 或 10% 硫酸 ), 再加入 1～2 滴碘一碘化鉀試劑, 記錄現(xiàn)象（思考題11）.
(2) 氧化: 在表面皿剩余的咖啡因中, 加入30%H2O28～10滴, 置于水浴上蒸干, 記錄殘渣顏色.再加一滴濃氨水于殘渣上, 觀察并記錄顏色有何變化（思考題12）?
思考題5：為什么要放置一團脫脂棉?
思考題6：生石灰的作用是什么?
思考題7：為什么必須除凈水分?
思考題8：升華裝置中,為什么要在蒸發(fā)皿上覆蓋刺有小孔的濾紙?漏斗頸為什么塞棉花?
思考題9：升華過程中,為什么必須嚴格控制溫度?
思考題10：咖啡因與鞣酸溶液作用生成什么沉淀?
思考題11：咖啡因與碘-碘化鉀試劑作用生成什么顏色的沉淀?
思考題12：咖啡因與過氧化氫等氧化劑作用的實驗現(xiàn)象是什么?
六、存在的問題與注意事項：
1、濾紙筒的直徑要略小于抽提筒的內(nèi)徑 , 其高度一般要超過虹吸管, 但是樣品不得高于虹吸管.如元現(xiàn)成的濾紙筒, 可自行制作.其方法為 ：取脫脂濾紙一張, 卷成圓筒狀 ( 其直徑略小于抽提筒內(nèi)徑), 底部折起而封閉(必要時可用線扎緊), 裝入樣品, 上口蓋脫脂棉, 以保證回流液均勻地浸透被萃取物.
2、提取過程中,生石灰起中和及吸水作用 .
3、索式提取器的虹吸管極易折斷,裝置裝置和取拿時必須特別小心.
3、提取時,如留燒瓶里有少量水分, 升華開始時, 將產(chǎn)生一些煙霧, 污染器皿和產(chǎn)品.
4、蒸發(fā)皿上覆蓋刺有小孔的濾紙是為了避免已升華的咖啡因回落入蒸發(fā)皿中, 紙上的小孔應保證蒸氣通過.漏斗頸塞棉花, 為防止咖啡因蒸氣逸出.
5、在升華過程中必須始終嚴格控制加熱溫度, 溫度太高, 將導致被烘物和濾紙?zhí)炕? 一些有色物質(zhì)也會被帶出來, 影響產(chǎn)品的質(zhì)和量.進行再升華時, 加熱溫度亦應嚴格控制.
七、深入討論：
咖啡因的其它鑒別方法
咖啡因可以通過測定熔點及光譜法加以鑒別.此外,還可以通過制備咖啡因水楊酸鹽衍生物進一步確證.咖啡因作為堿,可與水楊酸作用生成水楊酸鹽,此鹽的熔點為137℃.
咖啡因 水楊酸咖啡因水楊酸鹽
咖啡因水楊酸鹽衍生物的制備方法：在試管中加入50mg咖啡因、37水楊酸和4甲苯,在水浴上加熱搖振使其溶解,然后加入約1石油醚（60-90）,在冰浴中冷卻結晶.如無晶體析出,可以用玻璃棒或刮刀摩擦管壁.用玻璃釘漏斗過濾收集產(chǎn)物,測定熔點.純鹽的熔點137℃.
八、測試題
1、 試述索氏提取器的萃取原理,它與一般的浸泡萃取相比,有哪些優(yōu)點?
答：索氏提取器是利用溶劑的回流及虹吸原理,使固體物質(zhì)每次都被純的熱溶劑所萃取, 減少了溶劑用量, 縮短了提取時間, 因而效率較高.
2、 索式提取器有哪幾部分組成?
答：索氏(Soxhlet)提取器由燒瓶、提取筒、回流冷凝管3部分組成.
3、 本實驗進行升華操作時,應注意什么?
答：在萃取回流充分的情況下,升華操作是實驗成敗的關鍵.升華過程中,始終都需用小火間接加熱.如溫度太高,會使產(chǎn)物發(fā)黃.注意溫度計應放在合適的位置,使正確反映出升華的溫度.如無砂浴,也可以用簡易空氣浴加熱升華,即將蒸發(fā)皿底部稍離開石棉網(wǎng)進行加熱,并在附近懸掛溫度計指示升華溫度.
九：思考題答案
思考題1答：索氏提取器是利用溶劑的回流及虹吸原理.
思考題2答：使固體物質(zhì)每次都被純的熱溶劑所萃取, 減少了溶劑用量, 縮短了提取時間, 因而效率較高.萃取前, 應先將固體物質(zhì)研細, 以增加溶劑浸溶面積.
思考題3答：濾紙筒的直徑要略小于抽提筒的內(nèi)徑 , 其高度一般要超過虹吸管, 但是樣品不得高于虹吸管.如元現(xiàn)成的濾紙筒, 可自行制作.其方法為 ：取脫脂濾紙一張, 卷成圓筒狀 ( 其直徑略小于抽提筒內(nèi)徑), 底部折起而封閉(必要時可用線扎緊), 裝入樣品, 上口蓋脫脂棉, 以保證回流液均勻地浸透被萃取物.
思考題4答：主要是為了增加溶劑的浸溶面積,提高萃取效率.
思考題5答：主要是為了使溶劑均勻的浸潤茶葉.
思考題6答：放置生石灰可以中和茶葉中的單寧酸,此外還可以吸收水分.
思考題7答：如留有少量水分,升華開始時,將產(chǎn)生一些煙霧,污染器皿和產(chǎn)品.
思考題8答：在蒸發(fā)皿上覆蓋刺有小孔的濾紙是為了避免已升華的咖啡因回落入蒸發(fā)皿中,紙上的小孔應保證蒸氣通過.漏斗頸塞棉花.為防止咖啡因蒸氣逸出.
思考題9答：溫度太高,將導致被烘物和濾紙?zhí)炕?一些有色物質(zhì)也會被帶出來,影響產(chǎn)品的質(zhì)量.進行再升華時,加熱亦應嚴格控制.
思考題10答：咖啡因?qū)儆卩堰恃苌?可被生物堿試劑鞣酸生成白色沉淀.
思考題11答：紅褐色的沉淀.
思考題12答：咖啡因可被過氧化氫、氯酸鉀等氧化劑氧化,生成四甲基偶嘌呤（將其用水浴蒸
干,呈玫瑰色）,后者與氨作用即生成紫色的紫脲銨.該反應是嘌呤類生物堿的特性反應.