Aislamiento de cafeína a partir del café Objetivos Emplear la técnica de extracción como método de separación y purificación de la cafeína en diferentes medios Determinar la concentración de cafeína en el café. Diseñar el diagrama de separación para el caso particular de la cafeína en los medios mencionados.
Información La extracción es una de las operaciones op eraciones químicas más antiguas de la humanidad. La preparación de una taza de café o té involucra la extracción del sabor y el olor de los componentes de materia vegetal seca con agua caliente. Los extractos acuosos de hojas de laurel, varitas de canela, granos de pimienta y clavos son usados para dar sabor a la comida a lado de extractos alcohólicos de vainilla y almendra. Por el último siglo y medio, la química orgánica ha estado extrayendo, aislando, purificando y después caracterizado un gran número de compuestos producidos por las plantas que han sido utilizadas durante siglos como medicamentos y perfumes. Sustancias como la quinina qui nina del árbol de quina, la morfina de las plantas de opio, cocaína de las hojas de coca y mentol de las hojas de yerbabuena. Particularmente, la cafeína es uno de los derivados más importantes de la xantina (un alcaloide). La cafeína fue aislada por primera vez por Friese de las semillas de Genipa americana y por Sthenhouse de los granos de café. La cafeína es un estimulante del sistema nervioso central y produce efectos miocárdicos y diuréticos, así como el relajamiento del pequeño músculo de los bronquios; se trata de un diurético menos potente que la teobromina. Un consumidor habitual de café, que consume al menos cuatro tazas al día, puede experimentar dolores de cabeza, inmsomnio, e incluso nauseas tras la abstinencia de la droga. La cafeína es la droga más extensamente abusada en los Estados Unidos: durante el curso del día, una persona moderna puede inconscientemente consumir hasta un gramo de esta sustancia. La cafeína está contenida en muchos alimentos y medicamentos comunes, como se muestra en la siguiente tabla. Café Café descafeínado Té Cocoa Leche de Chocolate Chocolate para hornear Coca-cola Anacin, Bromo-Seltzer Excedrin, extrafuerte Dexatrim, Dietac, Vivarin Maleato de Clorferamina (Antihistaminico) NoDoz (tabletas de cafeína) Cafiaspirina
80 a 125 mg por taza 2 a 4 mg por taza 30 a 75 mg por taza 5 a 40 mg por taza 6 mg por onza 35 mg por onza 46 mg por 12 onzas (355mL) 32 mg por tableta 65 mg por tableta 200 mg por tableta 15 mg por tableta 100 mg por tableta 30 mg por tableta
La cafeína pertenece a una gran clase de compuestos, conocidos como alcaloides. Estos tienen origen vegetal, contienen nitrógeno básico, a menudo tienen sabor amargo y estructrura compleja, y usualmente tienen actividad psicológica. Su nombre usualmente termina en “Ina”,
como nicotina, cocaína, morfina, etc. El café que se utilizará es café de grano de la marca Blasón Gourmet. El empaque indica que es café 100% Arábica, es decir que proviene de cafeto arábigo (Coffea arabica), que es un arbusto de la familia de las rubiáceas Ilustración 1 Molécula de cafeína nativo de Etiopía y/o Yemen. Es la principal especie cultivada para la producción de café (obtenido a partir de las semillas tostadas), y la de mayor antigüedad en agricultura, datándose su uso a finales del I milenio en la península arábiga. El mayor problema del aislamiento de cafeína, es que esta no se encuentra sola en el café, es acompañada por otras sustancias naturales de las cuales debe ser separada. El grano de café verde (seco) contiene cafeína (de 1 a 2%), taninos (compuestos fenólicos que poseen propiedades astringentes y antiinflamatorias), glucosa, grasas, proteínas y celulosa. En el proceso de tostado también se desarrollan las características del aroma y el sabor. El aroma es debido a un aceite llamado cafeol. El aceite volátil contiene principalmente furfural con trazas de varios cientos de otros compuestos. El proceso de tostado también libera la cafeína de una combinación con ácido clorogenico que existe en el grano sin tostar. Algo de cafeína es sublimada Ilustración 2 Furfural de los granos mientras se lleva a cabo el proceso de tostado. La solubilidad de la cafeína en agua es de 2.2 mg/mL a 25°C, 180 mg/mL a 80°C y 670 mg/mL a 100°C. Es altamente soluble en diclorometano, el solvente que se utilizará para extraer la cafeína del agua.
La separación depende de las diferentes solubilidades de varios de los componentes del café. Las sustancias poliméricas, proteínas y celulosa son insolubles en agua. Las proteínas son polímeros formados de aminoácidos, mientras que la celulosa es un polímero formado a partir de la glucosa. Las grasas, que son esteres formados por glicerol y tres largas cadenas de ácidos carboxílicos, son también insolubles en agua. Por otro lado, la cafeína, los taninos, glucosa y el ácido clorogenico son bastante solubles en agua caliente. Así, la primera separación en crudo puede ser realizada por una filtración del extracto caliente de planta de café. Tanto los taninos como el ácido clorogénico son ácidos. La adición de una solución de acetato de plomo hará precipitar estas sustancias ácidas y sus sales de plomo, y podrán ser removidas de la solución acuosa. Las sales de plomo serán removidas entonces por filtración. Mientras, la cafeína y la glucosa permanecerán en la fase acuosa 2RCOOH + Pb(OAc)2→Pb2+(RCOO-)2 + 2HOAc
Ilustración 3 Ácido clorogénico
Ilustración 4 Ácido gálico, ejemplo de un tanino
Finalmente, la cafeína es removida de la fase acuosa con diclorometano. La glucosa no es soluble en diclorometano. El diclorometano será fácilmente removible por evaporación para obtener el rendimiento bruto de cafeína. La cafeína es purificada por cristalización por par de disolventes, y posteriormente por sublimación. La cristalización se lleva a cabo por par de disolventes basada en el hecho de que la cafeína es mucho más soluble en acetona que en éter de petróleo/hexano, así que, al combinar los dos solventes, es posible saber cuándo la solución está saturada de cafeína (el punto en el que la disolución de torna turbia).
Ilustración 5 Diclorometano
Ilustración 6 Glucosa
Equipo Matraz de bola de 200 mL Condensador para reflujo Parrilla eléctrica 1 Matraz Kitazato 1 embudo Buschner 1 matraz Erlenmeyer de 200 mL 1 bandeja metálica 1 embudo de separación 3 vasos de precipitados de 200 mL 1 probeta de 50 mL 1 vaso de precipitados de 100 mL 1 vaso de precipitados de 50 mL 1 embudo Hirsch 1 aspiradora de vacío 1 aparato de sublimación 1 embudo 1 espátula 1 mechero Bunsen Papel filtro Capilares Portaobjetos
Cámara de luz UV Cámara de elución
Reactivos Diclorometano Éter de petróleo/hexano Acetato de plomo Acetona Disolución de NaOH 10% Agua destilada Silica gel Metanol Café
Procedimiento Extracción
Coloca 35 g de café (molido regular), una piedrita de ebullición y 125 mL de agua en un matraz de bola equipado con condensador para reflujo. Calienta la mezcla en una parrilla eléctrica por aproximadamente 20 minutos. Durante el periodo de calentamiento monta el equipo necesario para realizar una filtración al vacío con un embudo buschner. Cuando la mezcla haya terminado de hervir y los granos de café se hayan asentado un poco, pero la solución aún esté caliente, filtra al vacío. Transfiere el líquido filtrado a un matraz Erlenmeyer y agrega de 20 a 25 mL de solución de acetato de plomo. Usando la parrilla eléctrica lleva la solución a ebullición y luego colócala en baño maría para mantenerla caliente por aproximadamente 10 minutos. Durante este tiempo, agita la solución frecuentemente para coagular el precipitado. Filtra la solución caliente al vacío con un embudo Buschner. Deja que el filtrado caliente llegue a temperatura ambiente y transfiérelo entonces a un embudo de separación. Extrae la solución con una porción de 25 mL de diclorometano. En la ejecución de la extracción, si el embudo de separación es agitado muy fuertemente, se formará una emulsión. Para evitar este problema, se debe agitar el embudo gentilmente para mezclar las fases e invertirlo cuidadosamente varias veces. Haz esto por aproximadamente 5 minutos. Deja que las capas se separen y drena la fase inferior, que es la de diclorometano . Conserva aparte esta solución. Agrega otra porción de 25 mL de cloroformo para la fase acuosa restante. De nuevo mezcla suavemente e invierte el embudo de separación durante 5 minutos. Deja que las fases se separen y drena la fase inferior correspondiente a diclorometano. Mezcla las dos capas de diclorometano drenadas. Viértelas de nuevo en el embudo de separación y lava la solución, primero con 10 mL de hidróxido de sodio al 5 o 10%, y luego con 10 mL de agua.
Vierte el diclorometano extraído de un matraz Erlenmeyer de 125 mL y agrega aproximadamente 1g de sulfato de sodio anhídrido para secarlo. Revuelve la mezcla varias veces por un periodo de aproximadamente 10 minutos, o hasta que la solución se haya secado. Cuando la solución se haya secado, debe ser limpiada. Remueve el agente desecante con una filtración simple en un vaso de precipitados de 100 mL previamente tarado. Enjuaga los cristales de sulfato de sodio con un poco de diclorometano (aprox.10 mL) y agrégalo al filtrado. Agrega una piedrita de ebullición y evapora los filtrados combinados en baño María bajo la campana. El residuo color canela es cafeína en bruto. Seca por fuera el vaso de precipitados y quita la piedrita de ebullición. Pesa el vaso de pr ecipitados para obtener la masa del producto en bruto, y calcula qué porcentaje en masa de cafeína fue recuperada del café. Determina su punto de fusión. Ya que el producto sublima, es necesario sellar los capilares que se usarán para determinar el punto de fusión. Purifica el producto por cristalización, seguido de una sublimación como se describe en los siguientes puntos. Asegúrate de conservar una pequeña cantidad del producto obtenido en esta etapa para después usarlo en la CCF. Cristalización
La cafeína cruda es cristalizada por método de par de disolventes. Disuelve el sólido en una cantidad mínima de acetona caliente y agrega éter de petróleo (se propone hexano como alternativa debido a su baja polaridad y p.e de 69°C) de alta ebullición (60 a 90°) para volver la solución levemente turbia. Enfría la solución y recolecta los cristales realizando una filtración al vacío usando un embudo Hirsch. Deja el producto en el embudo hasta que esté seco. Determina el punto de fusión. Asegúrate de conservar una pequeña cantidad del producto obtenido en esta etapa para d espués usarlo en la Cromatografía en capa fina. Sublimación
La purificación final de la cafeína es realizada por sublimación. Arma el aparato de sublimación como se muestra en la figura. Coloca toda o parte de tu cafeína en el fondo del tubo exterior y vuelve a armar el aparato de sublimación de forma que la abertura vertical entre los dos tub os no sea mayor a de 2 cm. Usando una aspiradora de vacío para despejar el aparato, calienta la muestra des pacio y suavemente con un mechero bunsen para sublimar la cafeína.
Ilustración 7 Aparato de sublimación
Sostén en tu mano el mechero y aplica el calor moviendo la flama de adelante hacia atrás debajo del tubo externo. Si la muestra comienza a derretirse, remueve la mezcla por unos pocos segundos antes de reanudar el calentamiento. Cuando la sublimación se haya completado apaga el mechero y deja que el aparato se enfríe. Cuando el aparato se haya enfriado, detén la aspiradora y cuidadosamente retira el tubo interior del aparato de sublimación. Si esta operación se realiza sin cuidado, los cristales sublimados pueden caerse del tubo condensador de vuelta con los residuos. Coloca el tubo condensador con el material sublimado en un papel pesado y raspa la cafeína sublimada sobre el papel pesado usando una pequeña espátula. Determina el punto de fusión de esta cafeína purificada y compara el color y el punto de fusión de las muestras de cafeína obtenidas en cada paso. El punto de fusión de la cafeína pura es de 236°C. Asegúrate de conservar una pequeña cantidad del producto obtenido en esta etapa para después usarlo en la CCF.
Cromatografíaencapafina.
Prepara cromatoplacas para CCF con gel de sílice como adsobente y la cámara de elución usando metanol como eluyente. Prepara una solución con una pequeña porción de los cristales obtenidos en cada una de las fases de extracción/purificación usando como disolvente una pequeña cantidad de metanol (no más de 1 mL). En la cromatoplaca haz de un lado 5 aplicaciones de cafeína pura que utilizaras como patrón y del otro 5 aplicaciones de la disolución preparada con los cristales de “cafeína” obtenidos. Haz correr las manchas en la cámara de elución y revela con luz UV de onda corta. Finalmente, en una misma cromatoplaca, realiza en distintos puntos aplicaciones de la
sustancia patrón y de cada una de las soluciones preparadas con los cristales de cafeína obtenidos en cada etapa. Eluye en metanol, revela con luz UV, y obtén la Rf de cada mancha. Diagrama
Bibliografía Fieser Louis F., Williamson Keneth L. Organic Experiments. Seventh Edition. D.C HEATH AND COMPANY. Lexington, Massachusetts. 1992. Pp. 99-117
Pavia Donald L., Lampman Gary M., Kriz George S. Introduction to Organic Laboratory Techniques. A contemporary aproach. Third Edition. Harcourt Brace Jovanovich College Publishers. United States of America. 1982. PP. 67-71
