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DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ORGÁNICA
TECNICATURA EN PRODUCCIÓN DE MEDICAMENTOS
Trabajo Práctico n° 7:
Aislamiento y purificación de cafeína
1. OBJETIVO:
Aislar y purificar la cafeína presente en hojas y yemas de Thea sinnensis, y estudiar
algunas de sus propiedades y reacciones características.
2. INTRODUCCIÓN:
Con el nombre de alcaloides se designan diversas sustancias de origen vegetal que se
caracterizan por tener un sistema heterocíclico conteniendo nitrógeno, poseer carácter
básico -de donde deriva su nombre- y mostrar actividades biológicas o fisiológicas muy
intensas. Esta definición no tiene sentido químico estricto porque desde el punto de vista
estructural, derivan de núcleos heterocíclicos tales como la piridina, quinoleína, pirrol,
purina, etc. Los alcaloides se encuentran en las cortezas, hojas, semillas o raíces de una
gran variedad de especies de plantas, combinados con algunos ácidos orgánicos (tales
como el oxálico, málico, cítrico, tánico, etc.). Generalmente existen, en una misma
planta, varios alcaloides relacionados estructuralmente entre sí.
La cafeína es un alcaloide del grupo de las xantinas (la xantina es la 2,6-dioxipurina).
Esta familia de productos naturales constituye, probablemente, el conjunto de
estimulantes más antiguos empleados por el Hombre. Todos ellos, en mayor o en menor
grado ejercen alguna acción estimulante sobre el Sistema Nervioso Central (SNC) y los
músculos esqueléticos, produciendo insomnio.
H
O
O
N
H
O
N
H
N
N
O
H
N
N
N
H
N
H
Xantina
La cafeína (1,3,7-trimetilxantina) es la xantina más efectiva en este sentido. La teofilina
(1,3-dimetilxantina), presente junto a la cafeína en el té, tiene mayor efecto sobre el
ritmo cardíaco, dilatación coronaria, relajación del músculo liso (fundamentalmente el
bronquial), aumento de la diuresis y de la secreción gástrica que sobre el SNC.
La teobromina (3,7-dimetilxantina), presente en el cacao, tiene menor efecto que la
teofilina sobre los sistemas circulatorio, respiratorio y renal, pero mayor que la cafeína y
su efecto sobre el SNC es menor que el de las otras dos. La teobromina es un poderoso
diurético empleado clínicamente en pacientes con retención de agua.
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CH3
O
N
H
O
N
N
CH3
Teobromina
O
N
N
H3C
N
CH3
Cafeína
N
H
O
N
H3C
N
CH3
O
O
N
N
N
CH3
Teofilina
Se puede desarrollar simultáneamente una tolerancia y una dependencia a las xantinas,
sobre todo a la cafeína: se ha demostrado que el individuo que bebe más de 5 tazas al
día, experimenta aletargamiento, dolores de cabeza y, a veces, náuseas después de una
abstinencia de 18 horas. Una dosis excesiva de cafeína produce angustia, irritabilidad,
insomnio y temblores musculares, pudiendo llegar incluso a ser tóxica. Se ha estimado
que la dosis letal aguda está alrededor de 5-10g de cafeína, aunque se observan
reacciones no deseadas después de una ingestión de 1g o más. El café instantáneo, muy
consumido en los hogares argentinos, tiene 3-4 % de cafeína. Para 100mL de bebida
hecha con 2,5 g de café, se tienen 35-45 mg de cafeína por pocillo. Puede calcularse
fácilmente que para alcanzar una dosis letal, sería preciso beberse entre 62 y 125 tazas
de 200mL de infusión preparada con esta concentración de café instantáneo, en un
tiempo relativamente corto.
La cafeína, dijimos, se encuentra presente en el café (Coffea arábica), el té (Thea
sinnensis), el cacao (Theobroma cacao) y también en la yerba mate (Ilex
paraguaiensis). Si bien en el lenguaje corriente se llama teína al principio activo del té y
mateína al de la yerba mate, el agente farmacológico al que hacen referencia es la
cafeína. La teofilina es un componente menor del té, mientras que en el cacao
predomina la teobromina. La cantidad de cafeína presente en el té varía entre 2 y 5%.
Los granos de café pueden tener como máximo un 5% de cafeína, y el cacao un 5% de
teobromina aproximadamente.
Las metilxantinas se absorben fácilmente después de su administración oral, rectal o
parenteral y se eliminan principalmente por su metabolismo hepático. Se recuperan sin
cambios en la orina menos del 20% de la teofilina y del 5% de la cafeína administrada.
Debido a los efectos de la cafeína sobre el SNC muchas personas prefieren tomar café
descafeinado: la cafeína se extrae de los granos verdes con tricloroetileno a 71ºC. A
continuación se separa el solvente remanente con una corriente de vapor de agua. Se
secan los granos y luego se tuestan para que desarrollen el sabor y el aroma. La
descafeinización reduce el contenido en cafeína a 0,2-0,4%.
3. PROPIEDADES FÍSICAS
Se presenta en agujas incoloras, brillantes, sedosas, agrupadas en masas voluminosas o
polvo blanco, inodoro de sabor amargo. El monohidrato es eflorescente en el aire seco.
Sublima sin descomponerse por calentamiento a 178ºC.
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Nombres: Cafeína / 1,3,7 trimetil-1H-purina-2,6 diona / 1,3,7trimetil-2,6 dioxopurina
Fómula Molecular: C8H10N4O2
Peso Molecular: 149,19
Punto de Fusión: 235-237,5 (anhidra)
Densidad: 1,2318/4
Solubilidad: una gramo de cafeína se disuelve en 46mL de
agua destilada, en 5,5mL de agua a 80ºC, en 1,5mL de
agua hirviendo, en 66 mL de etanol, 22mL de etanol a
60ºC, 50mL de acetona, 5,5mL de cloroformo, 530mL de
éter, 100mL de benceno, 22mL de benceno hirviendo.
4. EXTRACCIÓN DE LA CAFEÍNA DEL TÉ
El té que consumimos habitualmente, está constituído por hojas y yemas (brotes
florales) de Thea sinnensis, un arbusto de hojas verdes que puede alcanzar unos 10
metros de altura, aunque se lo mantiene en 1,5 metros para facilitar la recolección. La
composición química de las hojas del té incluyen: tanino (entre 7 y 15 g expresado en
ácido gálico), celulosa, proteínas, pectinas y lignina.
Análisis de la composición de
purinas en la planta de té:
cafeína
2,5%
teobromina
0,17%
teofilina
0,013%
adenina
0,014%
guanina
trazas
xantina
trazas
La infusión de té obtenida con agua caliente
contiene, además de las purinas consignadas en
el cuadro de la izquierda, taninos y otras
sustancias solubles que dan sabor, aroma y color.
Entre los minerales presentes se destacan el
potasio y el flúor. Una taza de té tiene 40 mg de
cafeína complejada con taninos, lo que reduce
sus efectos sobre el organismo en relación al
café. Los polifenoles son casi el 50% de los
sólidos de la infusión.
El principal problema que encontraremos para aislar la cafeína de la infusión de té, es la
interferencia de algunas de estas sustancias. El componente mayoritario de las hojas del
té es la celulosa que, por ser insoluble en agua, no molestará en nuestro trabajo. Sin
embargo, los taninos sí se disuelven en el agua caliente empleada para la extracción.
Si tratamos los taninos con agua caliente, la fracción hidrolizable es
parcialmente atacada y, por esta razón, encontraremos ácido gálico en el extracto
acuoso. Tanto éste, por su grupo carboxilo, como los taninos, por sus grupos fenólicos,
presentan carácter ácido y reaccionan con sales como carbonato de sodio o carbonato de
calcio, dando sales solubles en el medio acuoso, o con acetato de plomo, dando sales
insolubles en fase acuosa. La cafeína se puede extraer de la solución alcalina resultante
directamente con cloroformo en el primer caso, debido a que las sales formadas no son
solubles en dicho solvente, y permanecerán en la fase acuosa. En el segundo caso
(tratamiento con acetato de plomo), deberán filtrarse previamente las sales de plomo
formadas (insolubles en fase acuosa) para luego proceder a la extracción de la cafeína
con cloroformo a partir del filtrado.
El color pardo de una infusión de té es debido a la presencia de pigmentos de tipo
flavona y de clorofilas, junto con sus productos de oxidación (que aparecen
fundamentalmente durante el secado). Aunque las clorofilas son algo solubles en
cloroformo, los demás productos no lo son. Por lo tanto la extracción con cloroformo
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nos da cafeína casi pura. El disolvente se elimina fácilmente por destilación (P.F.: 61ºC)
y resulta una cafeína que se puede purificar por recristalización o sublimación.
La recristalización se realizará según la técnica habitual (repasar la guía de T.P.
“Recristalización”), utilizándose 2-propanol.
Si se desea purificar por sublimación se utiliza el dispositivo de vacío habitual (consulte
el fundamento y los equipos en la guía de T.P. “Sublimación”). Se calienta el baño y se
reduce la presión. Al cabo de un tiempo, se observan los cristales sedosos de la cafeína
sobre la superficie del dedo frío.
Técnica operatoria:
AISLAMIENTO DE CAFEINA A PARTIR DE TE
Dentro de los componentes principales de las hojas de te se encuentran la cafeнna, taninos (polifenoles), celulosa y
pigmentos.
La cafeнna y los taninos son solubles en agua, por lo tanto podrбn ser extraнdos de las hojas por medio de una
extracciуn sуlido-lнquido. Pero ademбs, tanto la cafeнna como los taninos son solubles en solventes tales como el
cloroformo o diclorometano, por lo tanto se hace necesario eliminar de alguna manera los taninos. Un mйtodo
consiste en precipitarlos utilizando sales de metales pesados como el Pb (soluciуn de acetato de plomo).
Otro mйtodo consiste en realizar la extracciуn sуlido-lнquido agregando a la soluciуn carbonato de calcio o carbonato
de sodio. La presencia de estas sales tiene como objetivo mantener la cafeнna como base libre, mбs soluble en
solventes orgбnicos, y por otro lado pasar a los taninos (polifenoles de naturaleza бcida) a su forma iуnica (tanatos),
mбs solubles en la fase acuosa.
La solubilidad de la cafeнna en agua es de 2.2 mg/mL a 25 oC, 180 mg/mL a 80 oC y 670 mg/mL a 100 oC.
TECNICA OPERATORIA
Calentar a ebulliciуn
Escurrir los saquitos de
durante 5ґ, tapado con vidrio
de reloj. Dejar reposar hasta
alcanzar temp. ambiente
(Nota 1)
te a traves de malla de
acero. Enjuagar con
agua. Si es necesario,
filtrar luego por papel.
8 gramos de te (4 saquitos) +
3 gramos de Carbonato de
Sodio + 100 ml H2O
Soluciуn madre
Pasar la soluciуn madre frнa
Recolectar las fracciones
a una ampolla de decantaciуn y
extraer con 3 porciones de 10 ml
de Cloroformo cada vez, con
agitaciуn suave par evitar la
formaciуn de emulsiones (Nota
2).
clorofуrmicas y secar con
Sulfato de Sodio anhidro.
Pasar a un balуn pequeсo, y
evaporador
en
concentrar
rotatorio sin llegar a sequedad.
Ensayos
Pasar el contenido del balуn a un
vaso de precipitados seco y
evaporar suavemente el resto de
solvente a sequedad bajo campana
(Nota 3)
Cafeнna bruta
Recristalizaciуn del producto bruto en 2-propanol
CAFEINA
RECRISTALIZADA
Filtrar con embudo
45
3
2
1
67
8
9
11
6
45 7
8
3
9
2
10
1
Hirsch. Lavar con 2-propanol frнo
Disolver el producto en la mнnima cantidad de
2-propanol caliente (manta elйctrica, bajo
campana). Dejar enfriar (baсo de hielo)
Nota 1: si hay evaporaciуn excesiva solvente, agregar mбs agua
Nota 2: Se forman emulsiones con bastante facilidad. Se puede centrifugar o agregar NaCl.
Nota 3: La cafeнna sublima, por lo tanto puede ser purificada por sublimaciуn.
Ensayos
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5. ENSAYO DE A MUREXIDA
La cafeína y, en general las xantinas, son oxidadas por el ácido nítrico concentrado para
formar un compuesto amarillo, cuya sal de amonio tiene un color rojo-violáceo.
Técnica operatoria:
En una cápsula o crisol pequeño, colocar 0,05 g de cafeína y agregar 1-2mL de HNO3
concentrado. Evaporar la mezcla calentándola en la campana a baño María. Al residuo
amarillo añadirle una gota de NH4OH concentrado. Se desarrolla inmediatamente un
color rojo púrpura.
6. AISLAMIENTO DIRECTO DE LA CAFEÍNA DEL TÉ POR SUBLIMACIÓN
Aprovechando su capacidad de sublimar a presión atmosférica, la cafeína puede aislarse
del té negro directamente por sublimación. Industrialmente la cafeína se recoge de las
chimeneas de los tostadores de café.
Técnica Operatoria:
En una cápsula de porcelana colocar 2g de té negro (tipo Lipton). Se tapa con un vidrio
de reloj de diámetro conveniente para que quede a 1 cm de distancia de la superficie del
té. Con un mechero calentar la base de la cápsula. La cafeína sublimada se deposita en
el vidrio de reloj. Los cristales depositados se recogen con cuidado y se observan en la
lupa binocular.
7. BIBLIOGRAFÍA











BRUNETON, Jean. Elementos de Fitoquímica y Farmacognosia. Acribia. Zaragoza.1991.
DOMINGUEZ, Xorge. Experimentos de Química Orgánica. Limusa. 1984.
FONTANARROSA, M. E. Alimentos Estimulantes. Cátedra de Bromatología y Nutrición. Facultad
de Bioquímica y Ciencias Biológicas. UNL. 1994.
GOODMAN GILMAN, Alfred; Theodore W. RALL y otros. GOODMAN Y GILMAN. Las Bases
Farmacológicas de la Terapéutica. Panamericana Médica. 8ª. Edición. 1991.
GROS, E.; POMILIO, A.; SELDES, A.; BURTON, G. Introducción al Estudio de los Productos
Naturales. Serie de Química. Monografía Nº30. OEA.
HART, Harold; D.J. HART and L. CRAINE. Laboratory Manual for Organic Chemistry: A Short
Course. 9th Edition.
KURMAN, L. G. Química Orgánica. Fundamentos teórico-prácticos del Laboratorio. Eudeba.
Buenos Aires. 1990.
LIDE, D. CRC Handbook of Chemical and Physics. CRC.
LITTER, M. Farmacología Experimental y Clínica. El Ateneo. Buenos Aires. 1987.
PAVIA, Donald; G. LAMPMAN; G. KRIS and R. ENGEL. Introduction to Organic Laboratory
Techniques: A Microscale Approach. 2nd Edition.
Obtención de Cafeína. Guía de Trabajo Práctico de Química Orgánica. Facultad de Bioquímica y
Ciencias Biológicas. UNL.
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