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
4
MgSO
, 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
50
LD
vurderet til ca. 10 gram (dvs.
50% mennesker vil dø af en dosis coffein på 10 gram!).
Den kemiske formel er
8 10 4 2
C H N O
. Coffeins korrekte
STX 3.g
venstre. Coffein er en svag base med
13,9
B
pK
, altså
tilnærmelsesvist ligesom vand. Nitrogenatomet markeret
CH
3
CH
3
O
CH
3
O N
N
N
N
1
med et blåt 1-tal markerer, hvor på basen en proton eventuelt kan sætte sig. Tegnes et
(pH;
s
y
) diagram vil det se således ud:
S
y
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
S
y
:
7
6,9
11
1,3 10
10 1 10 1
S
S
pH pK
y
, der er altså så godt som ingen
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
O N
N
N
N
+
CH
3
CH
3
O
CH
3
O N
N
N
N
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
O
O
N
NH
N
N
CH
3
O
O
CH
3
N
N
N
H
N
CH
3
CH
3
CH
3
O
O
N
N
N
N
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 12g/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
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
100
2,2
g
mL
og i vand
ved 100 på
100
14
g
mL
. Derfor bruges varmt vand som
ekstraktionsmiddel, da alt koffeinen derved teoretisk let ville
kunne opløses.
b) Vandet afkøles og puttes i en skilletragt som tilsættes 20 mL
dichlormethan (
22
CH Cl
). Opløseligheden af coffein i
dichlormethan er hele
100
10,2
g
mL
, og altså langt større end det
Upolære stoffer
frasorteres.
De polære stoffer
frasorteres.
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:
2
( ) ( ) ( ) ( )AH s OH aq A aq H O l
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.
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 40C sænkes, og tilbage i
kolben er vores udvundne coffein. For yderligere at
forbedre kvaliteten af coffeinens renhed, udnyttes
nu coffeins ekstremt høje smeltepunkt på 238C.
Ved en opstilling, som ses til højre, opvarmes
coffeinen til 240C, 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.
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
0,075 7,5%
120
mg
mg
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. 240C passer jo meget fint med tabelværdien på
238C. 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.
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