從茶葉中提取咖啡因
一、 教學(xué)要求：
1、 學(xué)習(xí)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(jī)物的原理和方法。
3、進(jìn)一步熟悉萃取、蒸餾、升華等基本操作。
二、 預(yù)習(xí)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(guān)理論知識(shí)
三、 基本操作：
1、實(shí)驗(yàn)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(shí)間, 因而效率較高。萃取前, 應(yīng)先將固體物質(zhì)研細(xì), 以增加溶劑浸溶面積（思考題2）。然后將研細(xì)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?jī)?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(cè)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(dāng)液面超過(guò)虹吸管最高處時(shí), 即虹吸流回?zé)? 從而萃取出溶于溶劑的部分物質(zhì)。如此多次重復(fù),把要
提取的物質(zhì)富集于燒瓶?jī)?nèi)。提取液經(jīng)濃縮除去溶劑后, 即得產(chǎn)物, 必
要時(shí)可用其他方法進(jìn)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(diǎn)是什么？
思考題3：對(duì)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(xì)成粉末？
4、升華裝置

四、 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(diǎn)235～236℃, 含結(jié)晶水的咖啡因?yàn)闊o(wú)色針狀晶體, 在100 ℃時(shí)失去結(jié)晶水, 并開(kāi)始升華，120 ℃時(shí)顯著升華，178℃時(shí)迅速升華。利用這一性質(zhì)可純化咖啡因?？Х纫虻慕Y(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(jié)晶水的咖啡因。
工業(yè)上咖啡因主要是通過(guò)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(fù)方阿司匹林（A.P.C）等藥物的組分之一。
五、實(shí)驗(yàn)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(shí), 濾紙筒上口塞一團(tuán)脫脂棉（思考題5）, 置于抽提筒中, 圓底燒瓶?jī)?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(shí), 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(shí)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(tuán)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?？Х纫蛲ㄟ^(guò)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(dāng)紙上出現(xiàn)白色針 狀晶體時(shí), 暫停加熱, 冷至 100 ℃左右, 揭開(kāi)漏斗和濾紙, 仔細(xì)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?jiān)右詳嚢? 重新放好濾紙和漏斗, 用較高的溫度再加熱升華一次。此時(shí) ,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(cè)定熔點(diǎn)。
2、咖啡因的鑒定
(1) 與生物堿試劑: 取咖啡因結(jié)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?jiān)伾?。再加一滴濃氨水于殘?jiān)? 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(tuán)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(guò)程中，為什么必須嚴(yán)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(guò)氧化氫等氧化劑作用的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是什么？
六、存在的問(wèn)題與注意事項(xiàng)：
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(guò)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(shí)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(guò)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(shí)必須特別小心。
3、提取時(shí)，如留燒瓶里有少量水分, 升華開(kāi)始時(shí), 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(yīng)保證蒸氣通過(guò)。漏斗頸塞棉花, 為防止咖啡因蒸氣逸出。
5、在升華過(guò)程中必須始終嚴(yán)格控制加熱溫度, 溫度太高, 將導(dǎo)致被烘物和濾紙?zhí)炕? 一些有色物質(zhì)也會(huì)被帶出來(lái), 影響產(chǎn)品的質(zhì)和量。進(jìn)行再升華時(shí), 加熱溫度亦應(yīng)嚴(yán)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(guò)測(cè)定熔點(diǎn)及光譜法加以鑒別。此外，還可以通過(guò)制備咖啡因水楊酸鹽衍生物進(jìn)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(diǎn)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(jié)晶。如無(wú)晶體析出，可以用玻璃棒或刮刀摩擦管壁。用玻璃釘漏斗過(guò)濾收集產(chǎn)物，測(cè)定熔點(diǎn)。純鹽的熔點(diǎn)137℃。
八、測(cè)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(diǎn)？
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(shí)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行升華操作時(shí)，應(yīng)注意什么？
答：在萃取回流充分的情況下，升華操作是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。升華過(guò)程中，始終都需用小火間接加熱。如溫度太高，會(huì)使產(chǎn)物發(fā)黃。注意溫度計(jì)應(yīng)放在合適的位置，使正確反映出升華的溫度。如無(wú)砂浴，也可以用簡(jiǎn)易空氣浴加熱升華，即將蒸發(fā)皿底部稍離開(kāi)石棉網(wǎng)進(jìn)行加熱，并在附近懸掛溫度計(jì)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(shí)間, 因而效率較高。萃取前, 應(yīng)先將固體物質(zhì)研細(xì), 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(guò)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(shí)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(rùn)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(kāi)始時(shí)，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(yīng)保證蒸氣通過(guò)。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(dǎo)致被烘物和濾紙?zhí)炕?，一些有色物質(zhì)也會(huì)被帶出來(lái)，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。進(jìn)行再升華時(shí)，加熱亦應(yīng)嚴(yán)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(guò)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(yīng)是嘌呤類生物堿的特性反應(yīng)。