Extracción de la cafeína.

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO DE LA CAFEÍNA. La extracción líquido-líquido es una técnica de laboratorio de uso frecuente para aislar compuestos orgánicos a partir de su fuente natral. Se basa en las propiedades de solubilidad de la sustancia a extraer y del disolvente utilizado. Usualmente la matriz del compuesto de interér es acuosa por lo que estos solventes suelen ser apolares. La cafeína es un compuesto famoso, aislado por primera vez de los granos del café, es un estimulante de amplio uso en la industria de las bebidas. CAFEÍNA Componente delos frutos de la planta de café, el té, el mate y las bayas de guaraná, la nuez de cola y el chocolate participando en el sabor amargo de estos productos. En total se sabe que la cafeína es un componente químico de alrededor de 60 plantas que lo emplean como pesticida natural, que paraliza e incluso mata cierta clase de insectos. Es un producto del metabolismo secundario (metabolito secundario9 por lo que se considera que no es esencial para la planta y es almacenada en vacuolas pues es potencialmente tóxico para las células de las plantas y adictivo para los seres humanos. Los restos hallados de las primeras civilizaciones agrícolas (alrededor de 10 000 a.C.) demuestran que el café y una de las descripciones más tempranas de su uso se encuentra en un libro médico árabe que data del año 900 d.C. el botánico sistemático; Lineus, la nombró, el árbol del Coffea arabica. El descubrimiento de las propiedades del té, a partir de Oriente, se le atribuye al fundador del Zen, Daruma. Aunque los expertos afirman que el uso médico del té se reportó muy temprano como en el año 2737 a.C., en la farmacopea del Shen Nung, un emperador de China, en el diccionario Chino de Kuo Po, el cual apareció en 350 d.C. se menciona su uso medicinal. El uso popular o no médico del té parece haberse esparcido lentamente. Solo hasta el año 700 d.C., la planta de té se cultivó ampliamente en China. En 1819 el químico alemán Friedrich Ferdinand Runge aísla por primera vez la cafeína del café. Siempre se ha valorado la cafeína: en 1475 la legislación turca convirtió en motivo de divorcio la incapacidad de un marido de ofrecer suficiente cantidad de café a su esposa. Químicamente, la cafeína es un alcaloide del grupo de las xantinas. Las xantinas son un grupo químico de bases purínicas que incluyen sustancias endógenas tan importantes como la guanina y la adenina. A este grupo, también pertenecen la teofilina del té, la teobromina presente en el chocolate. La cafeína también se encuentra en el guaraná y el mate, por lo cual también se le ha llamado guaranina y mateína respetivamente, siendo químicamente idénticos.

AISLAMIENTO DE LA CAFEÍNA DEL TÉ. El aislamiento de un compuesto natural consiste en su separación de los demás constituyentes sin que se altere su estructura química. Puesto que el material vegetal es una matriz compleja (con muchos constituyentes), el método de extracción líquido-líquido es adecuado pues es selectivo para el aislamiento de cafeína. Las hojas del té contienen carbohidratos como la celulosa, la cual es un componente estructural de las plantas, pequeñas cantidades de glucosa y almidón. Otros componentes de las hojas son proteínas y aminoácidos, cafeína (2-3.5%), taninos (compuestos polifenólicos), pigmentos como la clorofila y saponinas. La cafeína es acompañada por una serie compleja de sustancias las cuales, obviamente, deben ser separadas. Los taninos son componentes abundantes en las hojas, los cuales le confieren el sabor astringente y amargor característico. Las saponinas son compuestos espumantes, que se comportan de manera similar al jabón (del latín sapo, que significa jabón) y las plantas lo usan contra depredadores. Los compuestos anteriores suelen extraerse junto con la cafeína excepto la celulosa, que permanece en las hojas. A pesar de que la celulosa es un polímero polihidroxilado (con preso molecular por encima de 500 000 g/ mol) no es soluble en agua debido a la fuerte atracción por enlaces de puente de hidrógeno entre las cadenas poliméricas que no permite la solubilización en agua. La cafeína puede ser separada de los otros componentes del té por extracción líquido-líquido con un solvente orgánico como el diclorometano por la diferencia de polaridades de los componentes del té. La cafeína es un compuesto de polaridad media, soluble en agua y algunos solventes orgánicos. Posee un coeficiente de partición entre diclorometano y agua de 5 ( K Diclorometano/agua 5) aproximadamente, lo que indica que la cafeína es cinco veces más soluble en diclorometano que en agua. La glucosa, los aminoácidos y las proteínas son compuestos polares solubles en agua e insolubles en la mayoría de compuestos orgánicos. Estos, permanecen en la capa acuosa después de la extracción con el solvente orgánico. La clorofila y los compuestos formados por su oxidación, son solubles en agua y en solventes orgánicos, por lo tanto, se repartirán en ambas capas. Sin embargo, debido a que su presencia es muy pequeña en la fase orgánica, pueden ser eliminados ≈

en la etapa de recristalización o sublimación de la cafeína. Los taninos son una familia de compuestos orgánicos de origen natural con masa molecular de 600 a 3000 Da. El tipo de taninos pueden ser del tipo que se hidrolizan con agua y de los que no lo hacen. Los que están presentes en el té son del tipo hidrolizables. Estos consisten de una molécula de glucosa unida a uno o más grupos galoílo, los cuales pueden reaccionar con agua (hidrólisis, del griego hydor, agua; lysis, romper) para formar el ácido correspondiente. Fig 9.4

Los enlaces entre glucosa y galoílo son tipo éster (-O-CO-). Estos enlaces se rompen fácilmente con la adición de carbonato de calcio o sodio por hidrólisis. El agua rompe estos enlaces de éster, fraccionando la macromolécula de tanino en unidades de azúcar y ácido gálico. Resultado de esto, son moléculas de glucosa y ácido gálico o sus sales de calcio, muy solubles en la fase acuosa. Fig 9.5 Debido a esta afinidad por la fase acuosa, al adicionar el solvente orgánico, la glucosa y las sales del ácido gálico permanecerán en la fase acuosa. Además de los taninos, las clorofilas oxidadas y algunos flavonoides contribuyen a la coloración, café oscura que se observa en la bebida.

MATERIAL Y EQUIPOS Vaso de precipitados de 250 mL Estufa Agitador de vidrio

Espátula Erlenmeyer de 50 y 250 mL Pera de succión Probeta de 100 mL Aro Embudo de separación Vidrio de reloj Pipeta graduada de 10 mL Caja de Petri Balanza REACTIVOS Diclorometano Papel filtro Carbonato de sodio, Na 2CO3 PROCEDMIENTO En este procedimiento se extrae la cafeína del t é negro, una de las plantas que contiene mayor proporción de cafeína, además, puede conseguirse en bolsas que permite la filtración del material insoluble. Cuando se usa otra fuente como el café tostado, es necesaria la modificación de algunos pasos en la extracción. Aislamiento de cafeína de las hojas del té. Abra una bolsa de té y pese su contenido. Esta información será usada para calcular el porcentaje de rendimiento de la extracción. Deseche las hojas en el reservorio adecuado. Coloque 5 bolsas de té, 5 g de carbonato da sodio (Na 2CO3) o de calcio, y 100 mL de agua en un vaso de precipitados de 250 mL. Lleve la mezcla a ebullición suave sobre una plancha de calentamiento. Use un agitador de vidrio para mezclar y prevenir la proyección del líquido (tenga cuidado de no romper las bolsas). Hierva la mezcla por 20 minutos. Remueva las bolsas de té, suavemente presiónelas contara la pared del vaso de precipitados empleando el agitador de vidrio. Deje que los sólidos se vayan al fondo y filtre en bomba de vacío con papel filtro. Permita que el filtrado se enfríe colocándolo en un baño de hielo. Cuando el filtrado ha alcanzado la temperatura ambiente, extraiga la solución con una porción de 5mL de diclorometano usando un embudo de separación de 250 mL. En este experimento, la presencia de saponinas 1 en el extracto favorece la formación de emulsiones indeseables pues hace dificultosa la separación de las capas. Para minimizar este problema no agite el embudo de separación vigorosamente, en vez de esto, solo invierta y rote el embudo de separación suavemente por un periodo de 5 minutos, tal como se muestra en la fig.2 Durante este proceso, ventile el embudo frecuentemente abriendo lentamente la llave de paso para eliminar el aumento en la presión. Separe ambas capas como sigue: coloque el embudo de separación sobre un aro, remueva el tapón y abra cuidadosamente la llave de paso, recogiendo la capa inferior (la fase orgánica) en un 1

Las saponinas son compuestos orgánicos que forman espuma de manera similar al jabón. Al poseer

esta característica, facilita la formación de emulsiones estables, ver fig. 4 para un ejemplo.

frasco Erlenmeyer de 50 mL. Repita la extracción sobre la fase acuosa remanente con otra porción 5 mL de diclorometano. Recoja la fase orgánica en el frasco que contiene el primer extracto de diclorometano. A continuación, realice una tercera extracción con 5 mL de diclorometano y reúnalo con los dos extractos anteriores. Con esto se consigue alrededor de 15 mL de extracto. Algo de la emulsión o gotas de fase acuosa puede estar presente en la fase orgánica. La capa orgánica es entonces tratada con un agente secante con el doble propósito de secar y romper la emulsión. Adicione alrededor de 1 g de sulfato de sodio anhidro 2 a la fase orgánica. Cubra el frasco con un tapón; déjelo alrededor de 10 minutos ocasionalmente agitando. Asegúrese de que la fase orgánica sea transparente y sin gotas de agua. Filtre la fase orgánica usando una pequeña mota de algodón en el cuello de un embudo de gravedad. Con el agitador de vidrio aplique suavemente presión para asegurar el algodón al cuello del embudo mientras se hace la filtración. Lave el sulfato de magnesio atrapado por el algodón con 2 mL de diclorometano. Si el sulfato de sodio pasa a través de la cuña de algodón, filtre nuevamente la solución usando una pieza de algodón más grande. Remueva el solvente usando un rotavapor o evaporando hasta sequedad. Pese el producto al que se le denominará cafeína cruda. Calcule el porcentaje de rendimiento basado en la cantidad originalmente usada. La cafeína puede aislarse del café tostado y molido. Para ello se debe modificar uno de los pasos iniciales. Esto consiste en hacer una filtración para retirar el residuo sólido remanente después de hervir por 20 min. Los pasos siguientes son iguales. También puede usarse como solvente de extracción el cloroformo. El cloroformo debe manejarse con más cuidado debido a que interactúa con ciertos receptores del sistema nervioso, pues se caracteriza por ser depresor del SNC (Sistema Nervioso Central) Purificación por recristalización La cafeína cruda obtenida por la evaporación del diclorometano puede ser purificada poa recristalización de una mezcla de solventes. Tome toda la cantidad posible de cafeína del fondo del balón y colóquela sobre una hoja de papel previamente pesada; determinando la cantidad de cafeína cruda pesada. Transfiera la cafeína cruda a un tubo de ensayo grande; disuelva el sólido adicionando acetona calentada en un baño de agua (alrededor de 5-6 mL deberían ser necesarios para disolver la cafeína). Agite constantemente con una varilla de vidrio. Adicione éter de petróleo caliente gota a gota hasta que la nubosidad formada sea persistente. Adicione algunas gotas de acetona, lo suficiente para hacer desaparecer la nubosidad. Enfríe la solución y recolecte los cristales por filtración al vacío. Permita que el sólido se seque en el filtro con la bomba encendida. Pese la cafeína purificada y determine el rendimiento de recristalización. Purificación por sublimación La cafeína cruda reunida en una caja de Petri es tapada. Sobre la tapa de la caja de Petri se coloca un vaso de precipitados con agua fría que proporciona una superficie para cristalizar la cafeína. La caja se calienta hasta la generación de vapores (cafeína sublimada) dentro de la caja de Petri, suspenda el calentamiento y verifique que se hayan formado los cristales de cafeína en la tapa. 2

Esta cantidad es orientativa, pues la cantidad de sulfato de sodio anhidro adicionada depende de la

cantidad de agua presente. Se recomienda que su adición sea paulatina con agitación suave hasta que la solución sea transparente.

Pese y calcule la recuperación.