At isolere helt ren koffein fra posete

Side 1

Formål (Jesper)

Formålet med dette forsøg er at isolere helt rent coffein fra posete, og derefter afprøve om det er det rigtige stof vi har fået fat i.

Opstilling og fremgangsmåde (Jesper)

Fire poser med te trækker i nogle minutter i 100 mL varmt vand. Vores tevand blandes nu med dichlormethan, rystes forsigtigt, og underfasen tappes ned i en konisk kolbe. Denne væske udrystning gentages to gange mere, også med dichlormethan – alle tre gange á 20 mL. Væsken i den koniske kolbe kommes i en ny skilletragt, og udvaskes ved let rystning to gange med koldt 6 M NaOH – også á 20 mL. Igen er det underfasen som bevares, og denne udvaskes for sidste gang, denne gang med 20 mL

vand. Dichlormethanfasen tørres med en god gang MgSO_{4}, filtreres i en

rotationsfordamperkolbe, og inddampes ved sænket tryk i vandbad. Resten af rensningen af coffeinen gennemgås i afsnittet ” Rensning af coffein”, hvor der også er billeder af opstillingen.

Coffeins kemiske egenskaber (Benjamin)

Spørgsmålene 1 og 6 besvares i det følgende, vedrørende coffeins kemiske egenskaber.

Coffein er en kemisk forbindelse, en alkaloid fra methylxanthin-familien. Coffein forekommer i naturen i forholdsvist store mængder fx i kaffe bønner, te, kakao bønner, kola nøder og gurana bær. I ren form er coffein et hvidt og meget bittert

pulver. Det har en LD_{50} vurderet til ca. 10 gram (dvs.

50% mennesker vil dø af en dosis coffein på 10 gram!).

Den kemiske formel er C H N O. Coffeins korrekte

8 10 4 2

STX 3.g

venstre. Coffein er en svag base med pK = 13,9 , altså
                                 B

tilnærmelsesvist ligesom vand. Nitrogenatomet markeret

CH_{3}

CH_{3}

O

CH

3

O N

N

N

N_{1}

Side 2

med et blåt 1-tal markerer, hvor på basen en proton eventuelt kan sætte sig. Tegnes et

(pH; y_{s}) diagram vil det se således ud:
y_{S}

1,0

0,5

1 14 pH

Som det ses på Bjerrumdiagrammet ovenfor, vil coffein næsten altid være på

baseformen, og ved pH på 7 kan vi udregne y_{S}:

y_{S} = = = ⋅_{pH pK_{S}}_{−} 1,3 10^{−}^{7}, der er altså så godt som ingen

6,9

11

10 1 10 1 ++ coffeinmolekyler, som har optaget en proton.

Alkaloider (Benjamin)

Udtrykkket alkaloider blev for første gang foreslået i 1819, og betyder ”alkali-like”,

altså noget som minder om oxider/hydroxider af alkalimetallerne. Alkaloider er

nitrogenholdige, basiske naturstoffer, og stammer især fra planteriget. De har ofte en meget stærk bitter smag, og har desuden kraftige fysiologiske virkninger i selv meget små mængder. Mange alkaloider er blevet, og bliver stadig anvendt til gifte og lægemidler. I alt er der kendskab til over 2000 alkaloider, hvor vigtigste af slagsen er:

Atropin, cocain, nicotin, opium-alkaloider, physostigmin, quina-alkaloider, rauwolfia-alkaloider, scopolamin, strychnin og jo ikke mindst vores coffein.

H

CH_{3}

CH_{3}

O

CH

3 CH

O N

N

N

N^{+}

CH_{3}

CH_{3}

O

3

O N

N

N

N

Side 3

Methylxanthiner (Benjamin)

Som sagt tilhører coffein methylxanthine-familien, og ligner meget de to andre forbindelser: xanthinol (theophylline) og theobromid. Methylxanthiner findes rent faktisk i hele 15 pct. af alle planter. Selvom de tre forbindelser ligner hinanden utroligt meget, er deres biokemiske effekter meget forskellige. Xanthinol er meget brugt i lægevidenskaben og kan desuden bruges som doping. Theobromid bruges ikke til noget specielt, men er dødbringende for dyr. De tre stoffer kan oxideres til urinsyre. Til venstre ses theobromid, i midten xanthinol og til højre coffein. Læg mærke til hvor meget de tre methylxanthiner ligner hinanden.

CH_{3} CH_{3}

CH_{3} CH_{3} CH_{3}

O N O N O N

O O O

NH N N

N N N

N N N

CH

3

H

CH

3

Coffeins fysiologiske virkninger (Kasper)

(I den følgende gennemgang besvares spørgsmål 9)

Coffein er meget anvendt både som lægemiddel og i dagligdagen. Det findes, som de fleste nok ved, i kaffe, te, cola og visse energidrikke (f.eks. Red Bull). Herudover findes det også i nogle typer af hovedpinetabletter (f.eks. TREO og Aspirin) samt i guaranabær og kolanødder. Koffein kan udvindes fra te, som vi jo har gjort, men det kan og syntetiseres ud fra urinsyre og urinstof.

Koffein har en svag stimulerende effekt på centralnervesystemet, og det bruges bl.a.

mod hovedpine og træthed, da det også, som de fleste nok er klar over, har en opkvikkende effekt. Denne virkning er også årsagen til, at coffein er på den internationale dopingliste. Grænseværdien for den tilladte urinkoncentration af stoffet

er 12µg/mL, og denne grænse kan ikke overskrides ved et normalt forbrug af kaffe, te,

cola eller andre koffeinholdige drikke, heller ikke Red Bull. Coffeins virkning indtræder ca. 15-45 min. efter oral indtagelse, mens det er meget varierende fra person til person hvor lang tid coffein har en fysiologisk effekt. For en "normal" ikke-ryger

Side 4

ville det virke i ca. 5-7 timer, mens det kun er ca. den halve tid for f.eks. rygere.

Leversygdomme, nogle medicintyper samt graviditet er med til at forlænge coffeins virkning. Coffeins effektivitet er også meget varierende fra person til person. Hos en person, der er vant til at drikke kaffe, te eller lignende er effekten ikke så stor, som hos en der ikke er vant til at indtage coffein i forholdsvis store mængder.

Et for stort forbrug af coffein kan medføre søvnløshed, muskeluro og hjertebanken, og det er mistænkt for at forøge risikoen for mavesår eller forværre et evt. eksisterende et, da coffein øger kroppens produktion af mavesyre. Der skal dog meget store doser coffein til, før det bliver farligt. Ved et naturligt forbrug af kaffe, cola og te giver koffein ingen større helbredsmæssige problemer. Personer, der pludseligt stopper eller kraftigt reducerer deres indtagelse af coffein kan få svage abstinenssymptomer såsom et lavere blodtryk og hovedpine.

Gennemgang af ekstraktionen af coffein fra te (Benjamin)

(I gennemgangen af ekstraktionen af coffein besvares spørgsmålene 2,3,4,5.)

Te er ligesom de fleste andre naturligt forekommende stoffer en blanding af meget forskelligt. Bl.a. indeholder te cellulose, garvesyre og coffein. Cellulose er en polymer af en glukose monomer og er ikke særligt opløseligt i vand. Derfor bliver denne del i teposen. Men garvesyren reagerer anderledes, noget af den hydrolyserer og danner derved sure forbindelser i teen. Desuden indeholder teen i forvejen forskellige plantesyrer, som er letopløselige i vand. Teens brune farve skyldes farvestoffer som klorofyl (bladgrønt) og flavonoider (polyphenoler).

a) Coffeinen, som vi ønsker at ekstrahere, er et middelpolært stof.

Det har en opløselighed i vand ved 20° på_{mL} 2,2^{g}_{100} og i vand
ved 100° på 14^{g}_{100}. Derfor bruges varmt vand som

mL ekstraktionsmiddel, da alt koffeinen derved teoretisk let ville kunne opløses.

b) Vandet afkøles og puttes i en skilletragt som tilsættes 20 mL

dichlormethan ( CH Cl_{22}). Opløseligheden af coffein i
dichlormethan er hele_{mL} 10,2^{g}_{100}, og altså langt større end det frasorteres.

Upolære stoffer frasorteres.

De polære stoffer

Side 5

kolde vand. Ved at ryste blandingen af icetea og dichlormethan, skifter coffeinen fase – over i dichlormethanen.

Når blandingen i skilletragten deles i to faser, tappes den nederste fase, den koffeinholdige dichlormetahfase, over i en konisk kolbe. Den øvre fase, iceteafasen, rystes yderligere to gange med 20 mL dichlormethan, for at så lidt coffein som muligt skal blive i vandet og derved gå til spilde.

c) Portionen med dichlormethan overføres til en ny skilletragt som tilsættes 20 mL 6 M koldt NaOH. Herved reagerer de føromtalte sure forbindelser og plantesyrer, og kommer derfor på baseform. Det kan skrives:

       −−
( ) ( ) ( ) ( )AH s OH aq A aq H O l + → +
                        2

Det smarte er at syrerne bliver til ioner og derved letopløselige i vand. De skylles med ud når, natriumhydroxiden tappes væk.

For at få al syren væk, gentages dette to gange.

Natriumhydroxiden skal være kold, for at der om muligt ikke skal opløses coffein i denne kasserbare fase. Desuden koger dichlormethan ved en så lav temperatur som 40°, hvilket er en god grund til ikke at nærme sig denne temperatur.

d) Nu udvaskes coffein-dichlormethanfasen med 20 mL vand en enkelt gang. Herved fjernes rester af natriumhydroxid og eventuelt tilbageblevne korresponderende baser.

De polære stoffer frasorteres.

Plantesyrer og andre sure forbindelser frasorteres

De sidste syrer og natrium-hydroxidrester frasorteres.

Side 6

Rensning af coffein (Benjamin)

Coffein sublimerer, dvs. går direkte fra fast form til gas-form. Det udnyttes ved rensningen af stoffet. Først opvarmes dichlormethanfasen i en roteringsfordamper.

Den coffeinholdige dichlormethanfase hældes i en kolbe, som monteres på rotationsfordamperen. I kolben laves undertryk, og kolben varmes op med lunt vand.

Dichlormethans kogepunkt på 40°C sænkes, og tilbage i kolben er vores udvundne coffein. For yderligere at forbedre kvaliteten af coffeinens renhed, udnyttes nu coffeins ekstremt høje smeltepunkt på 238°C.

Ved en opstilling, som ses til højre, opvarmes coffeinen til 240°C, den fordamper, og fortætter, og sætter sig på kolben med vand, eller på siden af bægerglasset. Derved er vi forhåbentligt sluppet af med de ikke-sure forbindelser med polaritet magen til coffein. Jeg vil lige kommentere at coffeinen i roteringsfordampningsmaskinekolben duftede af te, og det gjorde coffeinen ikke efter rensningen. Der har altså været mærkelige forbindelser i teen – middelpolære stoffer som ikke har været sure.

Tyndtlagschromatografien (Kasper)

(Spørgsmål 7)

Resultatet af vores tyndtlagschromatografi (vedlagt rapporten) er ret foruroligende, da resultaterne overhovedet ikke passer sammen. Hvis vi først sammenligner Annies coffein med en opløsning af en coffeinpille, så matcher de nogenlunde, de er i hvert fald "kravlet" lige langt op ad kiselgelpladen, men pletterne er dog langt fra lige store.

Hvis vi derimod sammenligner vores coffeins plet med de to andre, så har den ikke tilnærmelsesvis bevæget sig så langt op ad pladen. Vores plets størrelse passer nogenlunde med Annies plet.

Side 7

Umiddelbart kunne man jo ud fra vores tyndlagschromatografi konkludere, at vores produkt ikke var særligt rent, men det tror jeg, man skal passe på med, da både det bestemte smeltepunkt og stoffets udseende passede fint med de andre gruppers resultater, og deres tyndtlagschromatografier viste vist et rimeligt resultat. Desuden er forsøget jo svært at udføre helt præcist. Dels skal pletterne afsættes meget præcist på kiselgelpladen, og dels skal der også nogenlunde lige store stofmængder i hver plet.

Det er altså svært at konkludere noget om renheden af vores stof ud fra tyndtlagschormatografien, da den formentlig ikke er udført helt præcist. Vi ville have lavet forsøget en gang til, hvis vi havde haft mere coffein.

Dichlormethan (Benjamin)

(spørgsmål 8)

Dichlormethan er noget værre smuds! Det er på miljøstyrelsens liste over uønskede stoffer da det menes at være kræftfremkaldende, og muligvis også påvirke menneskers evner til at få børn. Stoffet findes i maling, opløsningsmidler og faktisk også i kosmetik. Når dichlormethan udledes i luften, går der mellem 53 og 127 dage til stoffet er forsvundet igen. Dichlormethan opløses ikke let i vand, men man kan risikere finde rester af stoffet i drikkevandet nogle steder. EPA kræver at drikkevand

til børn må have et dichlormethanindhold på maksimum 10 /mg L, og at dette kun må

drikkes én dag.

Ved inhalering af større mængder dichlormethan vil man begynde at blive usikker og svimmel, føle sig usikker, få kvalme og få prikken og blive følelsesløs i tæer og fødder. Ved fysisk kontakt med dichlormethan vil det mærkes som om det brænder, og huden vil blive rød.

Resultater (Kasper)

Efter rensning ved sublimation havde vi 9 mg coffein tilbage. I posete er der 15mg/g

coffein. Da vi brugte fire poser te á 2g, havde vi altså teoretisk 120mg coffein. Vores procentvise masseudbytte er da:

9 mg

== 0,075 7,5%

120 mg

Side 8

Vores udbytte var altså meget dårligt i forhold til det teoretiske. Det kan skyldes flere

ting. For det første er oplysningen om at posete indeholder 15mg/g coffein meget

upræcis, da dette tal er fundet på nettet og ikke på den pakke te, som vi brugte.

Coffeinindholdet kan jo variere en del fra te til te og nok også fra pose til pose. Så tallet er meget usikkert.

Der er dog ingen tvivl om at vores udbytte af coffein er meget lavt. Dette skyldes nok hovedsageligt at coffein jo er middelpolært og derfor også forholdsvis let at opløse i vand, også ved stuetemperatur. Derfor er der en del coffein som er blevet i vandfasen, som jo blev tappet ud og smidt væk. Herudover er der nok også gået lidt coffein til spilde ved sublimationen og ved overførslen fra kolben fra rotationsfordamperen til urglasset.

Vurdering (Kasper)

Vores forsøg gav et meget lille udbytte af coffein i forhold til det teoretiske udbytte.

Dette burde nok kunne gøres lidt bedre ved gentagelse af forsøget, men med de forhold vi har til rådighed, er det ikke muligt at gøre udbyttet optimalt.

Det er lidt svært at konkludere renheden af vores produkt ud fra tyndtlagschromatografi, da denne ikke virker til at være helt perfekt udført (vi ville have prøvet en gang til, hvis vi havde haft mere koffein tilbage). Men vores smeltepunktsbestemmelse på ca. 240°C passer jo meget fint med tabelværdien på

238°C. Desuden tydede nogle af de andre gruppers tyndtlagschromatografi på, at deres stof var rent nok.

Konklusion (Kasper)

Af eksperimentelle metoder har vi ekstraktion af coffein fra tevand, hvor coffeinen bliver udvasket fra vandfasen til dichlormethan-fasen. Vi har også set på en rensning af et råprodukt ved sublimation, og vi brugte også sublimationen til smeltepunktsbestemmelse. Til sidst har vi forsøgt at bestemme produktets renhed ved tyndtlagschromatografi.

Vi har ikke set så mange kemiske reaktioner. Under udvaskelsen med NaOH har der højst sandsynligt foregået nogle syre-basereaktioner, hvor plantesyrer fra teen har reageret med hydroxidionerne. Herudover blev der i forsøget udnyttet, at det middelpolære coffein var mere opløseligt i dichlormethan end i koldt vand.

Side 9

Fejlkilder (Kasper)

- Coffein er opløseligt i vand og bliver derfor i vandfasen.

-

Ved tyndtlagschromatografien: Mangel på præcision, og ikke lige store stofmængder coffein.

-

Coffeinen blev på bunden af bægerglasset under sublimationen, så eventuelle ikke-fordampede stoffer er ikke blevet sorteret fra.

Kasper, Jesper og Benjamin