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Alcaloidi: Caffeina.

Cosimo Mansueto

Gli alcaloidi sono una classe di sostanze naturali estremamente importante. Di origine soprattutto vegetale ma anche, in misura minore, animale e da microorganismi, sono caratterizzati dalla presenza di atomi di azoto basici. 

Molti alcaloidi esercitano una notevole azione biologica nei confronti dell’uomo, per questo, nel corso del tempo, in aree geografiche diverse, sono stati, e vengono, utilizzati come farmaci, veleni, eccitanti, adattogeni, allucinogeni, etc. 

Generalmente sono del tutto trascurati nei corsi scolastici di chimica o biologia o scienze integrate. Quest’anno, ho dedicato all’argomento un’ora del corso di chimica per le prime e le seconde classi d’istituto tecnico industriale. 
Non è stata una trattazione formale ma, nell’ambito della classificazione dei composti, riferendomi alle basi, ho sollevato l’argomento, che peraltro ha suscitato un notevole interesse, considerato che a questa classe appartengono sostanze di larga diffusione e consumo come la nicotina e la caffeina, sostanze d’abuso come la morfina o la cocaina, sostanze allucinogene come L’LSD , sostanze che hanno generato spaventose esplosioni epidemiche, dal medioevo fino al XIX sec., come gli alcaloidi dell’ergot, responsabili dell’ergotismo, oggi utilizzati in medicina. 
L’argomento, come si vede da questi pochi esempi, si presta anche ad ampi approcci ed approfondimenti interdisciplinari.

Per non limitarsi solamente ad una discussione teorica, è stata condotta, in laboratorio, l’estrazione della caffeina dal Tè. 
Il metodo è piuttosto semplice, adatto alle seconde classi del biennio, e vengono applicate, in modo non banale, parti del programma che sono trattate nei corsi di chimica.

La metodica prevede un’estrazione dalle foglie di Tè della caffeina, un’estrazione con solvente immiscibile della caffeina dalla fase acquosa, eventualmente una ricristallizzazione della caffeina ( o una sublimazione ), una cromatografia su strato sottile e la determinazione del punto di fusione.

I prerequisiti consistono principalmente nella conoscenza di: reazioni acido base, concetto di solubilità, di emulsione, punto di fusione, tecniche di cristallizzazione, estrazione con solvente, cromatografia, eventualmente sublimazione. 

 

1,3,7,trimetil xantina (caffeina)



 La caffeina è un alcaloide xantinico. Ha un’azione stimolante sul sistema nervoso centrale ed è principalmente contenuta nel caffè, nel Tè e nella Cola, in misura minore nel cacao.


 Caffeina: dati

Peso Molecolare: 194,2
pH ( soluzione acquosa ) 6,9
Temperatura di fusione: 238°C
Temperatura di sublimazione: 170 °C(sotto vuoto da pompa convenzionale )
Solubilità in acqua: 2,2 mg/ml ( 25 °C ), 180 mg/ml ( 80 °C ), 670 mg/ml ( 100 °C)
Solubilità in acetato di etile: 20 mg/ml ( 20 °C )
Solubilità in cloruro di metilene: 80 mg/ml ( 20 °C )
Solubilità in etanolo: 15 mg/ml ( 20 °C )
Momento dipolare: 4,4 D
  • 1 tazza di espresso: 80mg 
  • 1 tazza di caffè solubile: 57mg 
  • 1 lattina di Coca-Cola: 35mg 
  • 1 tazza di Tè: 60mg 

 Reattivi necessari: acqua distillata, acetato di etile, acetone, acido acetico glaciale, alcool etilico assoluto, carbonato di sodio o di calcio, solfato di sodio anidro o cloruro di calcio, cloruro di sodio, bustine di Tè commerciali o foglie di Tè

Strumentazione: beker da 50 – 100 ml., bacchette in vetro, imbuti, rotolo di carta assorbente, imbuto separatore, eventualmente centrifuga, apparecchio per distillazione

A causa del suo momento dipolare, la caffeina è moderatamente solubile in acqua, come si vede dalla tabella la sua solubilità dipende fortemente dalla temperatura.
Intorno a 20°C, però, la solubilità in acetato di etile è circa 10 volte maggiore che in acqua ( si può usare anche cloruro di metilene ).

La soluzione acquosa che si ottiene dal Tè contiene molti tipi diversi di sostanze, in particolare tannini, eventualmente solubili nella fase organica.

Il trattamento alcalino salifica i tannini ed altre sostanze a carattere acido, rendendole insolubili nella fase organica, inoltre favorisce la formazione della forma neutra, non salificata, della caffeina, aumentando la resa dell’estrazione nel solvente organico.

Comunemente è anche presente una piccola quantità di clorofilla che può essere estratta con il solvente organico.
Sono presenti anche delle saponine, che tendono a facilitare la formazione di emulsioni, qualora dovessero formarsi, aggiungere qualche ml di soluzione satura di cloruro di sodio, o centrifugare per qualche minuto.


1) Suddividere la classe in gruppi di due studenti, (dato che la resa in caffeina è bassa quanti più gruppi è possibile fare tanto maggiore sarà la quantità estratta).

Ogni gruppo avrà un beker, una bacchetta e due o tre bustine di Tè.

Portare ad ebollizione circa 500 ml di acqua distillata, versare in ogni beker 15 ml di acqua bollente e scioglirvi 2 g di carbonato di sodio o di calcio.
Inserire la prima bustina di Tè e lasciare in infusione per 5–7 minuti, avendo cura di riscaldare la soluzione e pressare, qualche volta, delicatamente con la bacchettina la bustina (eventualmente aggiungere acqua senza mai superare un volume complessivo di 10–15 ml ).

Estrarre la bustina e spremerla delicatamente in modo da farne uscire il residuo di soluzione (condurre l’operazione con i guanti, a causa della basicità della soluzione e dei tannini che macchiano le dita).

Ripetere tutte le operazioni con almeno un’altra bustina di Tè.

2) Filtrare gli estratti bruno scuri, in un beker pulito, con carta assorbente (rende più rapida la filtrazione), alla fine sciacquare il filtro con un paio di ml di acqua bollente.

Alternativamente, gli estratti possono essere centrifugati, recuperando poi la fase acquosa.

Quando la soluzione sarà diventata tiepida, aggiungere 5 ml di acetato di etile (cloruro di metilene) e agitare delicatamente con la bacchettina per qualche minuto.

Raccogliere con una pipetta la fase organica (superiore, chiara rispetto al bruno scuro della fase acquosa) e porla in provetta o beker.

Ripetere l’operazione con altre due aliquote di acetato di etile.

Riunire tutti gli estratti organici e tutte le aliquote di soluzione acquosa in un imbuto separatore, agitare delicatamente per qualche minuto, avendo cura di fare sfiatare, per avere una resa di estrazione maggiore.

Separare la fase organica da quella acquosa, che può essere scartata, (ricordare di togliere il tappo dell’imbuto separatore, se si hanno a disposizione più imbuti separatori, specie di piccolo volume, le operazioni precedenti possono essere condotte con questi).

Aggiungere cloruro di calcio secco o solfato di sodio anidro (eventualmente metterli a seccare in stufa a 80-100 °C, un’ora prima, ma di solito non è necessario) per assorbire l’acqua ancora presente.

A questo punto, si può lasciare riposare la fase organica ed eventualmente riprendere il lavoro la lezione successiva.


3) Raccogliere la fase organica in un pallone per distillazione, sciacquare il residuo solido di carbonato o cloruro con pochi ml di acetato di etile, filtrare, con imbuto e filtro piccoli, ed aggiungere il filtrato nel pallone.

Distillare a bagnomaria, recuperando il solvente.

Nel pallone rimane la caffeina grezza solida, aggiungere pochi ml di etanolo assoluto, quanto basta per disciogliere la caffeina, e raccogliere la soluzione in un beker, eventualmente ripetere l’operazione.

Fare evaporare, a bagnomaria e sotto cappa, l’etanolo in modo da ottenere la caffeina grezza, la resa complessiva sarà di alcune decine di milligrammi.

La cromatografia può essere condotta su gel di silice, utilizzando una delle fasi mobili di tabella:

                 Materiale                            Estraente                         Eluente per 

            per l’estrazione                                                            TLC gel di silice

Foglie di The

Acetato di etile

Cloruro di metilene/etanolo

50:50

Foglie di The

Cloruro di metilene


Foglie di The

Cloroformio

Cloroformio/acetone/metanolo

30:30:30

( Rf = 0,66 )

Foglie di The

Cloruro di etile

Acido acetico/acetone

1:99

Pillole analgesiche

Etanolo

Acetato di etile/acido acetico

95:5

Pillole ( Excedrin, Anacin )

Cloruro di metilene

Acetato di etile

( Rf = 0,08 )

Bevande ( instant coffee, Diet Cola, Coca Cola, ….)

Cloruro di metilene

Acetato di etile/acido acetico

95:5

Bevande ( Coca Cola )

Cloruro di metilene

Acetato di etile

Campioni vari

Cloruro di metilene

Cloroformio/etanolo 95%

10:1







Una piccola quantità di caffeina viene disciolta in 1 ml di etanolo assoluto ed applicata sulla lastra con un capillare.
Come rivelatore sono stati usati vapori di Iodio.
In una camera cromatografica o in un beker adeguato, si inseriscono uno o due cristallini di iodio.

Si chiude la camera o il beker (con un vetro d’orologio) e si riscalda quanto basta perché si formino dei vapori, si inserisce la lastra (richiudere poi il sistema) e si attende che si formino delle macchie brune chiaramente visibili, se la caffeina è sufficientemente pura si osserva una sola macchia.

Se si ha a disposizione una adeguata quantità di caffeina (per esempio la quantità estratta da due classi), si può procedere alla ricristallizzazione, utilizzando etanolo assoluto (ma anche acetato di etile, acetone, cloroformio, acqua distillata calda), regolare le quantità di solvente in base alla quantità di caffeina grezza.

La filtrazione va effettuata su filtro di piccole dimensioni (si può sagomare un normale filtro in base ai volumi che devono essere filtrati).

La sublimazione può essere condotta utilizzando l’apparecchio di figura:






 La beuta va collegata ad una pompa da vuoto.

Dopo avere inserito la caffeina ed avere chiuso la beuta con il sistema illustrato in figura (provetta da centrifuga, da riempire con giaccio quando si è vicini alla temperatura di sublimazione, 170°C, con guaina di gomma od inserita in un tappo forato e poi sigillato) si fa il vuoto con la pompa che, successivamente, viene spenta (se necessario ripetere l’operazione successivamente). Si riscalda in bagno di sabbia fino a 170–180°C (non superare questa temperatura) fino ad ottenere i cristalli di caffeina sublimata.