Coffeïne extractie

Datum: Mei 2020

Principe:

Extractie van coffeïne uit oploskoffie

Materiaal:

  • Instant koffie
  • Natriumcarbonaat (Na2CO3)
  • Dichloormethaan (CH2Cl2)
  • Magnesiumsulfaat (bitterzout, MgSO4, gedroogd)
  • Gedenatureerde alcohol
  • IJs
  • Verwarmingsplaat met roermotor
  • Demi-water
  • Spatel
  • Statief
  • Centrifugebuis
  • Balans
  • Tang
  • Erlenmeyer met stop (25 ml)
  • Bekerglas (100 ml)
  • Erlenmeyer (100 ml)
  • Scheitrechter
  • Vershoudfolie
  • Indampschaal
  • Kleine reageerbuis
  • Pipet
  • Afzuigerlenmeyer, isolatietape, stukje slang en injectiespuit
  • Filtreerpapier
  • Warmhoudplaat
  • Buchnertrechter
  • Microscoop met camera
  • Objectglaasjes
  • Dekglaasjes

EuroMex BioBlue BB.4253 TriNoculaire microscoop uitgebreid met een polarisatieset


Warmhoudplaat
Camera: Celestron Microscope Imager # 44421 (2 Mp)
 

Uitvoering:

Extractie en herkristallisatie
  • Weeg een sachet instant koffie af in een erlenmeyer van 25 ml (3.8 g)
  • Voeg een equivalente hoeveelheid Natriumcarbonaat toe.
  • Breng demi-water aan de kook
  • Voeg 10 ml kokend demi water toe
  • Plaats de erlenmeyer op de kookplaat en breng de oplossing voorzichtig aan de kook onder roeren met een roerboon
  • Laat afkoelen
  • Breng de oplossing over in een scheitrechter
  • Voeg 10 ml dichloormethaan toe
  • Meng voorzichtig. Niet schudden. Bij schudden vormt zich een emulsie
  • Laat staan tot de fases gescheiden zijn.
  • Tap de dichloormethaan fase af in een erlenmeyer.
  • Herhaal dit 2 x
  • Dek tussentijds de erlenmeyer met wat vershoudfolie af.
  • Voeg gedroogd Magnesiumsulfaat toe aan de dichloormethaanoplossing zodat meegekomen water zich daar aan kan binden
  • Voeg zoveel toe dat de korrels niet meer aan elkaar kleven
  • Decanteer de oplossing over in een indampschaal. Let erop dat het magnesiumsulfaat achter blijft.
  • Damp de dichloormethaan oplossing voorzichtig in op de warmhoudplaat (80 °C)
  • Zet enige tijd van te voren wat alcohol in de vriezer
  • Neem de isolatietape en tape de steel van de Buchnertrechter in zodat deze goed afgesloten in de afzuigerlenmeyer past.
  • Verbind de injectiespuit m.b.v. een slang met de afzuigerlenmeyer
  • Plaats een filtreerpapier in de Buchnertrechter
  • Los het ingedampte extract op in zo weinig mogelijk warme ethanol
  • Plaats de reageerbuis in een ijsbad en wacht tot kristallisatie heeft plaatsgevonden
  • Bevochtig het filtreerpapier met koude ethanol
  • Breng de kristallen over naar de Buchnertrechter
  • Zuig de vloeistof a
  • Spoel voorzichtig na met zeer kleine hoeveelheden koude ethanol en zuig tussendoor de vloeistof af
  • Droog het filtreerpapier aan de lucht en breng de coffeïne over in een flesje.
  • Weeg het flesje voor en na het overbrengen van de coffeïne
  • Bereken de hoeveelheid geëxtraheerde coffeïne

Koffie en soda afwegen


 

Koken
 



 

Extractie

 

Drogen en toevoegen magnesiumsulfaat

Decanteren en indampen

Opstelling en ingedampte oplossing


 

Oplossen in warme EtOH

 

Afkoelen en affiltreren

Affiltreren en afwegen

Microscopie
  • Los een kleine hoeveelheid product op in een kleine hoeveelheid ethanol
  • Plaat m.b.v. een pipet een druppel op een objectglas
  • Laat de ethanol verdampen
  • Plaats een dekglaasje
  • Observeer onder de (polarisatie) microscoop
  • Maak een permanent preparaat

Resultaat en discussie:

Extractie en herkristallisatie
De basis achter dit experiment is om de water oplosbare componenten die in de koffie aanwezig op te lossen in heet water. De oplosbaarheid van coffeïne in water is 22 mg/ml bij 25 °C, 180 mg/ml bij 80 °C en  670 mg/ml bij 100 °C. We laten de hete oplossing afkoelen and extraheren de coffeïne dan met dichloormethaan, een oplosmiddel dat onoplosbaar is in water. Aangezien de oplosbaarheid van coffeïne in dichloormethaan groter is dan die in water (140 mg/ml vs 22 mg/ml) zal de coffeïne daar in oplossen.  In plantaardig materiaal kunnen ook cellulose, pigmenten, chlorofyl en tanninen voorkomen. Tannines zijn fenolderivaten, en deze zijn ook licht oplosbaar in dichloormethaan. We zouden echter willen dat de tannines in de water fase achterblijven. Dit wordt afgedwongen door gebruik te maken van de zure eigenschappen van de fenolgroepen (-OH) die in de tannnies aanwezig zijn. Door Natriumcarbonaat (base, Na2CO3) toe te voegen deprotoneren we de OH groep van de fenol en maken er een zout (fenolisch anion, Ar-O-Na+) van, dat goed oplosbaar is in water (polair) en slecht oplosbaar in dichloormethaan (apolair). Hiermee creëren we echter ook weer een probleem. Tannine zouten zijn anionische surfactants (zepen). We gebruiken zepen om materialen die niet oplosbaar zijn in water (zoasl olie, vet en dichloormethaan) een emulsie te laten vormen met water (schuimvorming). Emulsievorming willen we echter vermijden en dat is de reden dat we de beide fase in de scheitrechter voorzichtig met elkaar mengen, zonder hard te schudden.

Observaties:
  • Gedurende het gehele experiment kon ik de geur van Dew mocca ruiken
  • De gele kleur van het extract en de kristallen suggereert dat er nog onzuiverheden aanwezig zijn.
  • Volgens Nescafe zit er ongeveer 80-100 mg coffeïne in een sachet. Met een opbrengst van 10 mg bereken we een rendement van 10 - 13%. Niet echt hoog.
    Een reden kan zijn dat ik de gevormde kristallen ietwat te enthousiast nagewassen heb.
Anhydrische coffeïne smelt bij 235-237,5 °C.

Goed oplosbaar in warm water, weinig oplosbaar in koud water.

1,3,7-trimethylxanthine

Mol. gewicht: 194.2 g/mol

Microscopie
Beschrijving die men in de Pharmacopee kan vinden over coffeine kristallen:
Witte, glanzende, lange naaldvormige, vaak viltig samenhangende kristallen.
Zoals aan bovenstaande foto's te zien is komen de gemaakte kristallen overeen met de bschrijving.
 

Literatuur:

  • Kenneth L. Williamson; "Macroscale and Microscale Organic Experiments"; 2nd Ed; DC Heath and Company; 1994; ISBN 0669243469; p. 149,150
  • James W. Zubrick; "The Organic Chem Lab Survival Manual"; 3rd Ed.; John Wiley & Sons; 1992; ISBN 0471575046.
  • Nederlandse Pharmacopee; Zesde Uitgave; 1958; p. 221,222.

Relevante websites:

Andere relevante websites:

Opmerkingen:

  • Ikzelf heb geen parafilm en gebruik daarom vershoudfolie als tijdelijke afdekking.
  • Dichloormetaan staat ook bekend onder de naam methyleenchloride.

Achtergrondinformatie:

Coffeïne dat ook bekend staat als caffeïne, cafeïne of theïne bevindt zich in koffiebonen, cacaobonen en theebladeren. Coffeïne heeft een stimulerende werking op het centrale zenuwstelsel en op het spierweefsel.
Coffeïne is een alkaloïde  een klasse van verbindingen die als gemeenschappelijk kenmerk hebben dat ze stikstoffen bevatten en organische basische eigenschappen hebben. Coffeïne behoort tot de familie van verbindingen die gekend zijn onder de naam xanthines. Deze verbindingen zijn waarschijnlijk de oudste gekende stimulerende stoffen.
 

Typische coffeïne gehaltes

06/05/2020