Aislamiento de purinas: Cafeína

Reporte de la práctica VI

Laboratorio de Química Aromática

Docentes:M en C. Isaac Espinosa Santana y Lic. en Q. Tzarina Salomon

Shehin

Alumno:Ibal Rodríguez Carlos Alexis

Cuarto Semestre Grupo: 4° B

Turno Matutino 4 de marzo de 2014

Universidad Autónoma de Nayarit Unidad Académica de Ciencias Químico Biológicas y Farmacéuticas

Aislamiento de purinas: cafeínas

Objetivo general

Aislar la cafeína a partir de bebidas de consumo cotidiano como son el té negro, refresco de cola y café, usando una disolución de NaOH y extracción con diclorometano.

Objetivo particular

Comparar el rendimiento y la pureza de la cafeína aislada de diferentes productos comerciales.

Fundamentos y antecedentes

La cafeína y la teofilina pertenecen al grupo de las xantinas, y son un grupo de bases purínicas que incluyen sustancias endógenas como la guanina y adenina.

Generalmente se emplean como estimulantes cerebrales o “psicomotores”, estimulando la corteza cerebral y los centros medulares, junto con otras partes del SNC. Tienen efectos semejantes en varios sistemas orgánicos como relajador de la musculatura lisa y estimulante de la contractibilidad cardíaca.

La cafeína es un alcaloide, es decir, es metabolito secundario de plantas sintetizados a partir de aminoácidos. Su hidrosolubilidad es a pH ácido y es soluble en solventes orgánicos a pH alcalino. Deriva de los aminoácidos, por lo tanto es una estructura nitrogenada, debido a la presencia del grupo amina, es por eso que la cafeína tiene carácter básico.

Físicamente es un polvo blanco soluble en agua, extraída de la coffea arabica por metilación de la teobromina o de la teofilina. Sus metabolitos incluyen compuestos de teofilina y teobromina, coincidiendo con una estructura similar entre ellas. La teofilina y teobromina, aunque son sustancias nitrogrenadas no tienen carácter básico, es decir, son muy ácidos y no alcaloides. En el caso de la cafeína forma sales con los ácidos pero a un pH muy bajo.

De manera comercial se encuentra en bebidas con café, té, refrescos de cola y bebidas energéticas. Es una sustancia psicoactiva muy consumida a nivel mundial. Todas estas bebidas son estimulantes en el organismo, la cafeína se encuentra sola o en una mezcla de sustancias que generan dicho estímulo energético. Son bebidas que por su composición de sustancias naturales o

artificiales, aumentan los niveles de actividad motriz y sensorial, refuerzan la vigilancia y el estado de alerta.

Las propiedades farmacológicas son variadas. Generalmente se consume en forma de comprimidos o cápsulas que se venden con receta médica para tratar problemas como cansancio, somnolencia, dolor de cabeza, problemas respiratorios. Forma parte de medicamentos como antihistamínicos o analgésicos. Un ejemplo sería su empleo como antioxidante natural, debido a que puede eliminar los radicales libres, causantes de varias enfermedades degenerativas.

La cafeína como alcaloide tiene propiedades estimulantes. Su estructura tiene una relación estrecha con el nucleósido como la adenosina, y esta se encarga de deprimir la propagación de los impulsos nerviosos en el cerebro mediante la inhibición de la liberación de neurotransmisores. La cafeína se une los receptores de las membranas neuronales, impidiendo la unión de la adenosina, provocando un sistema de alerta para el sistema nervioso.

Material

1 Baño Mario 1 Vaso de pp. 50 mL, 100 mL y 250 mL

1 Embudo de separación 1 Probeta de 50 mL

con tapón 1 Tela asbesto

1 Agitador 1 Aro

Reactivos

1 Lata de refresco de cola.

5 sobrecitos de té negro.

Diclorometano

5 g Café tostado en Disolución de Agua destilada

polvo. NaOH conc.

1 Lata de refresco de cola, 5 gr de café tostado en polvo, 5 sobres de té negro.

Nombre: Cafeína (1,3,7-trimetilxantina)Fórmula: C8H10N4O2

Masa atómica: 194.19 gr/mol P. de Ebullición: X P. de Fusión: 235-239 °C

pH= 5.5-6.5 Densidad: 1.23 gr/mL Peligrosidad1 1 2 S/R

Riesgos y toxicidad: Suele ser combustible pero no es peligroso, sus vapores solo generan molestias respiratorias. En extraños casos, puede generar calambres abdominales, convulsiones, vértifo, dolor de cabeza, vómito e indigestión. Puede causar irritación ocular.

Nombre: Hidróxido de sodio (disolución)Fórmula: NaOH Masa atómica: 39.99 gr/mol P. de Ebullición: 1388

°CP. de Fusión: 235-318 °C

Densidad: 2.13 gr/mL Peligrosidad1 0 1 S/R

Propiedades físicas y químicas. Es muy corrosivo. Cuando se disuelve en agua o se neutraliza con un ácido libera una gran cantidad de calor para encender materiales combustibles. Es sólido blanco cristalino sin olor que absorbe la humedad del aire. Es estable a temperatura ambiente.

Riesgos y toxicidad: No es inflamable pero provoca fuego si está en contacto con materiales combustibles, es irritante y corrosivo en los tejidos, piel y ojos, su inhalación provoca irritación en el tracto respiratorio.

Nombre: DiclorometanoFórmula: CH2Cl2 Masa atómica: 84.933gr/mol P. de Ebullición: 40 °C P. de Fusión: -95

°CDensidad: 1.33 gr/mL Peligrosidad

2 1 0 S/RPropiedades físicas y químicas. Se produce por medio de la reacción de metano o cloro metano con cloro gaseoso en altas temperaturas. Es un líquido incoloro que posee un leve aroma dulce. No se presenta en el medio ambiente. Es empleado como disolvente. Es un compuesto usado como intermediario en varias rutas de síntesis orgánica.

Riesgos y toxicidad: En los ojos puede causar dolor e irritación de la córnea. Es un producto carcinógeno (más no cancerígeno) para los humanos, provoca sensaciones frías en la garganta. En incendios, puede generar gases tóxicos e irritantes. Provoca enrojecimiento en los ojos Provoca piel seca y sensación de quemazón, su inhalación prolongada puede provocar hasta la muerte.

Nombre: Agua destiladaFórmula: H2O Masa atómica: 18 gr/mol P. de Ebullición: 100

°CP. de Fusión: N/A

Densidad: 1 gr/ml Peligrosidad0 0 0 S/R

Propiedades físicas y químicas.Su composición se basa en la unidad de moléculas de H2O. Se ha eliminado de su

Riesgos y toxicidad:Su consumo no genera daño si es consumida. Pero una sobredosis genera hidrólisis.

estructura iones e impurezas mediante la destilación.

Procedimiento

PARA EXTRACCIÓN DE CAFEÍNA DE TÉ NEGRO

Pese las 5 bolsitas del té negro, y anote el peso de éstas en su bitácora, posteriormente, coloque las bolsitas en un vaso de precipitados de 250 mL (no rompa los sobres), y vierta aproximadamente 30 mL de agua hirviendo.

Coloque el vaso de precipitados en una parrilla y continué calentando por unos 20 minutos más con agitación.

Verifique el pH de la disolución, si éste es alcalino no agregue nada, pero si el pH es ligeramente ácido agregue unas gotas de sosa para que el pH sea de 8, ya que a pH alcalinos se encuentra libre al alcaloide.

Separe la solución y repita el mismo procedimiento dos veces más para recuperar la mayor cantidad de cafeína para obtener un volumen aproximado de 100 mL.

En la disolución alcalina se encuentra la cafeína libre, dejar que se enfríe para luego realizar la extracción con unos 10 mL de cloruro de metileno, repita la extracción dos veces más; se puede formar una emulsión si la agitación es muy violenta, en cuyo caso deberá esperar más tiempo para la separación de las fases acuosa y orgánica. Se recolectan las fases orgánicas en un vaso de precipitados de 100 mL y posteriormente se secan con Na2SO4 anhidro. La fase orgánica se transfiere a un caso de precipitados de 50 mL previamente pesado.

Deje evaporar el disolvente en la campana, se obtendrán agujas blancas de la cafeína. Se pesa el vaso de precipitados con el producto obtenido y con la diferencia de pesos se calcula el rendimiento de cafeína. Determine el punto de fusión.

PARA EXTRACCIÓN DE REFRESCO DE COLA

Medir con la ayuda de una probeta 50 mL de refresco de cola y trasvasarlo a un matraz Erlenmeyer, agitar el líquido hasta que se hayan eliminado las burbujas de CO2. Determine el pH del líquido.

Posteriormente trasvasar el líquido en un embudo de separación y extraer la mezcla don 10 mL de CH2Cl2; repita la extracción dos veces más.

Colocar los 30 mL, aproximadamente de fase orgánica en un vaso de pp. de 100 mL, seque con Na2SO4 anhidro y vacíe la fase orgánica en otro vaso de pp. de 50 mL previamente pesado para poder calcular el rendimiento de cafeína.

Deje evaporar el disolvente en la campana, determine rendimiento y punto de fusión del sólido obtenido. Compare las características de este sólido con las descritas para la cafeína.

PARA EXTRACCIÓN DE CAFEÍNA DE CAFÉ TOSTADO

Se pesan 5 g de café tostado el cual debe estar molido y se colocan en un vaso de precipitados de 250 mL, se colocan aproximadamente 30 mL de agua hirviendo y se calienta por unos 20 minutos más con agitación constante, pasado este tiempo verifique el pH y coloque unas gotas de hidróxido de sodio para que el pH sea de 8 (ligeramente alcalino), esto ayuda a liberar el alcaloide.

Realice otras 2 infusiones con otros 30 mL de agua y verifique que el pH sea alcalino, junte todo el líquido obtenido y como hay residuos de café se tiene que filtrar con un embudo de vidrio.

Al líquido obtenido se extrae con 10 mL de diclorometano por triplicado y la fase orgánica es la que contiene mi producto, el vaso de precipitados en el cual se va a colocar la fase orgánica debe estar previamente pesado para poder calcular el rendimiento. Luego se deja evaporar el disolvente en la campana, para posteriormente tomar el punto de fusión y se pesa el vaso con el producto obtenido.

Blbliografía

Guarnizo Franco, A. (2004). Experimentos de Química orgánica: Con enfoque en ciencias de la vida. Colombia: Ediciones Elizcom. Págs. 75-76.

Stermitz, W. (1988). Química Orgánica. España: Editorial Reverté S.A. Págs. 1049-1050.

Korolkovas, A. et Burckhalter J. H. (1983). Compendio esencial de Química farmacéutica. España: Editorial Reverté. Págs. 257-259.

Observaciones

Para la realización de esta práctica y por cuestiones de tiempo, solo se procedió a realizar la extracción de cafeína en té negro, para lo cual se procedió a pesar 5 bolsas de té negro en una balanza analítica dando un peso de 8.3770 gr, estas bolsas se pasaron a un vaso de precipitado de 250 ml que contenía agua, la cual fue puesta a hervir, las bolsas se sometieron a agitación

constante durante 20 minutos, apareciendo una coloración café oscura y con el aroma característico del té.

Pasado el tiempo requerido, las bolsas fueron extraídas del líquido y fueron exprimidas, para obtener un mejor rendimiento de cafeína, a este líquido se le midió el pH utilizando tiras de pH, dando un pH de 4 (ácido), por tal motivo se alcalinizo con 4 ml de una solución de NaOH, obteniendo un pH de entre 9 y 10 (básico), durante este proceso existió formación de burbujas, las cuales se detuvieron hasta que el compuesto se pasó a un embudo de separación.

Una vez en el embudo de separación, a la solución con cafeína de le agregaron 15 ml de dimetilclorometano, obteniendo dos fases acuosas, la primera en la parte superior de color café oscuro y con las características anteriormente mencionadas, mientras que la segunda fase se encontraba en el fondo del embudo dando una coloración clara, casi transparente, ya con las dos fases separadas se procedió a agitar el embudo abriendo de vez en cuando la bureta para permitir el paso del gas producido, cuidando que no se derramara ninguna de las dos fases en el contenedor. Una vez hecho esto, se procedió a abrir la bureta para extraer el líquido de la parte inferior, mencionado anteriormente, en un vaso de precipitado de 50 ml (el cual había sido previamente pesado dando un peso de 34.1390 gr). El mismo proceso se repitió 2 veces más, con el líquido sobrante del

embudo.

Por último, el líquido recogido en el vaso de precipitado, se calentó a baño María hasta evaporación, observando que el producto evaporo a los 50 ºC, dejando adherido en las paredes del vaso, un sólido de color blanco, este solido se

pesó junto con el vaso de precipitado, aumentando 0.8842 gr el peso inicial del vaso.

Resultados

En la realización de esta práctica se extrajo la mayor cantidad de cafeína de té negro posible, por ese motivo la muestra se alcalinizo, ya que, de ese modo la cafeína puede solubilizarse en CH2Cl2 y así se puede obtener un mejor rendimiento, también se dejó evaporar un líquido, hasta los 50 ºC, ya que ese líquido era el diclorometano, y este evapora cerca de los 40 ºC, sin embargo por cuestiones de altura y de una posible combinación con agua su temperatura se elevó.

Para el caso de la obtención de rendimiento, se tendrá que obtener la cantidad de cafeína teórica contenida, por tanto, si sabemos que el peso de las 5 bolsa de te fue de 8.3770 gr, entonces podemos determinar que cada bolsa de té contenía un promedio de 1.6754 gr y si sabemos que en una taza con 1g té negro contiene 120mg de cafeína podemos determinar qué:

Relación de regla de tres

1g1.6754 g

= .120 gx x=

(1.6754 g )(.120 g)1g

=0.2010g

Una vez con este dato, podemos determinar, que 1 bolsa de té contiene .2010 g de cafeína y por tanto 5 bolsas contendrán 1.005 g de cafeína, ahora que conocemos este dato podemos determinar que una vez obtenida la cantidad de espécimen obtenido (0.8842 grs de cafeína obtenidos en la práctica), procedemos a obtener el rendimiento obtenido, mediante una regla de tres, con base en los rendimientos teórico y real obtenidos durante esta práctica.

% rendimiento=( 0.8842 g1.005 g )100 % = 87.98% de rendimiento

Conclusión El objetivo de esta práctica era obtener la mayor cantidad de cafeína, a partir de té negro, por lo que se puede ver y por los resultados obtenidos, podemos decir que esta práctica fue un éxito, ya que se obtuvo casi un 88% de rendimiento.

Como futuros químicos, debemos de entender el cómo funciona la materia para así poder modificarla y encontrar productos deseados por nosotros y por otras personas, gracias a esta práctica ahora entendemos el fundamento y sabemos cómo realizar extracciones de cafeína, la cual es, dentro de la industria, uno de los productos más deseados y más consumidos en el mundo.

Cuestionario

1. ¿Por qué es importante que el pH de la solución sea alcalino?

R= El pH necesita ser alcalino para poder extraer la cafeína, si el pH es ligeramente ácido, la cafeína sufre una reacción donde uno de sus CH3 unido al primer nitrógeno de la estructura molecular, este metilo se une a un H+ procedente del medio ácido, formando gas metano, y la estructura sobrante pasa de cafeína a teobromina, alcaloide presente en el cacao.

2. ¿En cuál de los 3 procedimientos realizados se obtuvo un mayor rendimiento de cafeína?

R= Sólo se pudo realizar la extracción a partir de té negro, pero el rendimiento obtenido se comparó con el rendimiento teórico de los productos solicitados.

El contenido obtenido de cafeína de té negro fue de 0.8842 gr, el equivalente a 88 mg. Si lo comparamos la cantidad obtenida en la práctica con sodas de cola de marcas como Pepsi (38 mg) o Coca Cola (35 mg), hay un rendimiento mayor que varía de 50-53 mg, donde la cantidad obtenida de nuestra muestra es mayor, superando el rendimiento total de ambas sodas.

Si comparamos nuestra cantidad con la de una taza de 8 oz de café común que es de un aproximado de 100 mg de cafeína, el rendimiento es similar al de té negro que se fundamentó en los resultados de esta práctica, manteniendo un margen de 88%, similar al del rendimiento total de cafeína en el té negro con la cantidad teórica mencionada.

+ CH4(g)

H+

3. ¿Qué otro disolvente se puede utilizar para poder extraer la cafeína?

R= Una característica de la cafeína es que es un derivado orgánico, y es necesario que se extraiga en un medio de naturaleza orgánica. El cloroformo (CHCl3) al igual que el cloruro de metileno, es un compuesto orgánico que puede permitir la disolución de la cafeína en este disolvente alternativo. El agua a una temperatura alta puede actuar como disolvente que ayuda a separar de compuestos insolubles.

4. ¿De qué otra forma se puede extraer a la cafeína?

R= Es común emplear el método de extracción líquido-líquido (el utilizado en la práctica) donde predominan las solubilidades de los solventes orgánicos, donde predominó la solución de CH2Cl2. En procesos industriales, es necesario extraer la cafeína para productos descafeinados, como el caso del grano del café verde donde somete a disolverse en agua hirviendo saturando con componenetes solubles en agua, se filtra la cafeína a través de carbón activado o otros absorbentes que conservan la cafeína.

Otro método es la aplicación del acetato de etilo.  Para extraer la cafeína, en el recipiente de extracción se hace circular el acetato de etilo alrededor de los granos empapados en agua.  Después, se vacía del recipiente de extracción la mezcla de acetato de etilo y cafeína.  La etapa de extracción se repite varias veces, hasta que el contenido residual de cafeína está al nivel máximo reglamentario.

5. Proponga el mecanismo para la síntesis de purinas.

R= Las purinas son base nitrogenadas, provienen de nucleótidos y están unidas a una pentosa que también tiene unido un grupo fosfato. El sítio primordial de la síntesis en el hígado. Un anillo de purina se forma por la unión de una serie de precursos como glicina, aspartato y la glutamina. Las etapa de formación empieza desde la condensación de la ribosa-5-fosfato para dar fosforribosilpirofosfato (PRPP), la incorporación del grupo amino del ácido glutámico al PRPP y la liberación del pirofosfato, y la incorporación de glicina y otras sustancias hasta obtener nucleótidos de purina.

Pesar las bolsas de té negro y colocarlas en un vp de 250 mL, después verter 30 mL de agua hirviendo.

Calentar el vp por 20 mL con agitación. Verifique el pH, si es ácido, agregue gotas de NaOH hasta el pH sea 8, si es básico, no agregue nada.

Separar la solución y repita 2 veces este paso para obtener un volumen aproximado de 100 mL de cafeína.

Separar la solución y repita 2 vece este paso para obtener un volumen aproximado de 100 mL de cafeína.

Enfrie y realice extracción 10 mL de CH2Cl2, repita dos veces hasta ver una fase acuosa y orgánica, esta última la recolecta en vp de 100 mL.

Seque con Na2SO4 a un vp de 100 ml previamente pesado, deje evaporar en campaña hasta cristales blancos, pese y obtenga punto de fusión.

Extracción de té negro

Medir con una probeta de 50 mL la soda y trasvasarlo a un m. Erlemeyer, agitar hasta soltar todo el CO2, mida pH.

Trasvase en embudo de separación, extraer con CH2Cl2, repita dos veces más.

Coloque 30 mL de fase orgánica en un vp de 100 mL, seque con Na2SO4, vacíe en otro vp de 50 mL para obtener rendimiento.

Evapore en campaña, obtenga rendimiento, y compare con las descritas teóricamente.

Extracción de refresco

Medir 5 gr de café tostado, colocar en vp 250 mL, agregue 30 mL de agua hirviendo, caliente 20 minutos con agitación, mida pH (para llegar a 8, añada NaOH)

Repita dos veces el procedimiento pasado, junte el líquido obtenido y filtre con embudo de vidrio los residuos de café.

Se extrae con 10 mL de CH2Cl2 triplicado, la fase orgánico, obtenga su rendimiento al igual que las otras dos extracciones.

Extracción de café tostado