EQUIPO 5

PRÁCTICA NO. 11

SEPARACIÓN DE UN PRODUCTO NATURAL POR DESTILACIÓN DE VAPOR

INTRODUCCIÓN La cafeína, también denominada teína, guaranina o mateína, es un compuesto natural presente en más de 60 especies de plantas, la encontramos en la industria en el café, té, bebidas de cola y chocolate principalmente. Es considerada por algunos como una de las drogas más extensamente consumidas y aceptadas socialmente en el mundo, otros la consideran como fármaco o nutriente, pues sus principales efectos son psicoestimulantes, respiratorios (Su principal uso terapéutico es como broncodilatador en patología respiratoria), músculo-esqueléticos y cardiovasculares. Al actuar en el SNC puede causar un síndrome de abstinencia al cesar su consumo y en ocasiones trastornos por uso de sustancias, sus efectos pueden ser peligrosos, causando intoxicaciones (pues al ser metabolizada puede interaccionar con varios fármacos), e incluso la muerte dependiendo del metabolismo, salud y consumo de cada persona.

OBJETIVO GENERAL

Extraer cafeína de los productos que consumimos a diario y observar su presencia mediante cromatografía de capa fina.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Aprender utilizar el método de la cromatografía Separar la solución o mezcla que contenga a la cafeína por medio de un disolvente orgánico inmiscible

con el agua. Identificar en cuál de las capas se encuentra la cafeína.

MARCO TEORICO

La cafeína (C8H10N4O2) (1, 3,7-trimetilxantina) es un compuesto con propiedades estimulantes, de amplio uso en la industria de las bebidas. Es un componente de los 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. 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 a cierta clase de insectos. Es un producto del metabolismo secundario por lo que se le considera que no es esencial para las plantas y es almacenada en vacuolas pues es potencialmente toxico para las células de las plantas y adictivo para los seres humanos. La cafeína fue aislada por primera vez por Friese de las semillas de Genipa americana y por Sthenhouse de los granos de café. El contenido de cafeína de las hojas de té (2-3%) es mayor que el de los granos de café (0.7-2%), pero los productos finales listos para beber contienen una cantidad aproximadamente igual.

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Su solubilidad en agua se incrementa por la presencia de ácidos orgánicos o sus sales alcalinas, como benzoatos, salicilatos y cinamatos.

Es una base débil, por lo tanto no forma sales estables. Es un alcaloide del grupo de las xantinas. Las xantinas son un grupo químico de bases purínicas que incluyen sustancias endógenas (que produce el cuerpo humano) 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 respectivamente, siendo químicamente idénticos.

ILUSTRACIÓN 1.Estructura química de algunas xantinas.

Se encuentra en bebidas refrescantes como los refrescos de cola, de los que también es posible llevar a cabo su extracción, puesto que el resto de componentes son solubles en agua. La cafeína en estos refrescos se encuentra en una proporción de unos 0.1 mg/ml, unas seis veces menor que en el café. Procede de las nueces de cola. De hecho, la cola es una bebida basada en el extracto de nuez de cola que se puede adquirir en forma de jarabe. Si a este jarabe se le añade ácido fosfórico, caramelo, agua y dióxido de carbono tenemos la clásica bebida conocida como Coca-Cola.

El consumo de cafeína tiene efectos estimulantes sobre el sistema nervioso autónomo, estimulando la resistencia al cansancio; y produce efectos miocárdicos y diuréticos, así como el relajamiento del pequeño músculo de los bronquios; se trata de un diurético menos potente que la teobromina. Sus efectos sobre el organismo son nocivos, causando insomnio, crisis de ansiedad, temblores, entre otros, además de causar adicción.

(Franco, 2000)

La cafeína puede aislarse del té o el café por ebullición con agua en presencia de cal u óxido de magnesio para precipitar los taninos.

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TABLA 1.Contenido de cafeína en algunas bebidas comerciales

Los granos de café se descafeínan antes del tostado, cuando el grano aún está verde, porque es allí donde el proceso perjudica menos los sabores. El café descafeinado no está totalmente exento de cafeína y éste puede contener un residuo de cafeína de un 0,1%, y un extracto de café de 0,3%

Para extraer la cafeína de los granos de café se utilizan varios métodos:

+ Método de contacto directoEn el contacto directo, los granos se ponen en contacto con agentes descafeinantes, como cloruro de metileno, después de ser suavizados con agua o vapor. La cafeína se extrae directamente sumergiendo los materiales en el cloruro.

+ Método de contacto indirectoPor este procedimiento, se usa una solución de café y agua para extraer la cafeína. La solución conteniendo la cafeína se trata luego con un agente descafeinante como acetato etílico, y se mezcla de nuevo con los granos para que reabsorban su sabor.A veces este método se denomina descafeinado natural porque el acetato etílico es un compuesto químico que se encuentra naturalmente en muchas frutas.

+ Procesamiento del aguaEste procedimiento es similar al método indirecto, excepto que no se usan químicos. Los granos de café se sumergen en agua caliente, luego la solución se pasa a través de un filtro de carbón para quitar la cafeína.

+ Proceso suizo del aguaEn este método, la cafeína se extrae también con filtros de carbón pero los granos se sumergen en agua caliente saturada con sabor a café. El resultado es la extracción de la cafeína sin quitar los sabores del café.Se le llama proceso suizo del agua porque originariamente lo desarrolló y patentó una compañía suiza.

+ Proceso del dióxido de carbonoCon este método los granos se sumergen con materiales ablandados al agua, en dióxido de carbono altamente comprimido. Las moléculas de cafeína se extraen de los granos permitiendo las moléculas de sabor, que son más grandes, permanecer inalteradas. Este método retiene mejor los sabores del café que todos los anteriores.

A continuación se presentan algunos métodos de aislamiento de la cafeína a partir de productos que consumimos a diario:

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+ AISLAMIENTO DE LA CAFEÍNA DE HOJAS DE TÉ

Se inicia haciendo una infusión metiendo la bolsita en agua hirviendo. Posteriormente, tras una filtración por gravedad, todos los materiales sólidos quedan descartados, y el filtrado se somete a ebullición para disminuir su volumen (y concentrar la cafeína).

Agitando el filtrado en contacto con un cierto volumen de diclorometano, la cafeína pasa mayoritariamente a la fase orgánica. Esta extracción líquido-líquido se lleva a cabo en un embudo de decantación. Dado que el diclorometano es más denso que el agua, formará la capa inferior, que se podrá recoger separada simplemente abriendo la llave del embudo.

Este proceso de extracción se repite añadiendo a la capa acuosa, todavía en el embudo, una nueva porción de diclorometano. Esta segunda disolución de cafeína en diclorometano se añade a la primera.

Tras haber estado en contacto con agua, la disolución de diclorometano debe secarse a fin de retirar las últimas trazas de humedad. Aunque el diclorometano apenas disuelve agua, puede retener alguna en forma de una finísima emulsión. Para eliminarla se puede emplear una sal inorgánica anhidra que se convertirá en sal hidratada. En este caso se usará sulfato de sodio anhidro que atrapa el agua convirtiéndose en Na2SO4·10 H2O. Nótese que esta sal, debido a su naturaleza iónica, no es soluble en disolventes orgánicos.

Una vez filtrado para separar el desecante, el diclorometano se evapora y queda la cafeína como residuo sólido.

(Franco, 2000)

+ AISLAMIENTO DE LA CAFEÍNA DE REFRESCO DE COLA

En un vaso de precipitado de 250 ml, se colocan 10 g de hojas de té molidas en 2.5 g de carbonato de sodio y 50 ml de agua. La mezcla es calentada hasta ebullición por 20 minutos, agregando ocasionalmente más agua para mantener constante el volumen de la mezcla. La disolución caliente se filtra y neutraliza mediante la adición de una disolución de ácido sulfúrico al 10%.

La disolución neutra es entonces filtrada en un tamiz de celita (la cual se coloca en un embudo Buchner con papel filtro) y lavada con 10 ml de diclorometano. El filtrado de dos fases se lleva a un embudo de separación. La fase orgánica es separada y la acuosa extraída dos veces con porciones de 20 ml de diclorometano cada una. Las tres extracciones de diclorometano se combinan y el disolvente se evapora. La cafeína cruda se puede recristalizar en la menor cantidad de acetona o agua caliente.

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Si se dispone de un dedo frío es posible obtener cristales muy puros de cafeína por sublimación. Los cristales de la cafeína tienen forma en agujas (de 0.25 g aproximadamente) y tienen un punto de fusión de 235°C.

(Gennaro, 2003)

+ AISLAMIENTO DE LA CAFEÍNA DEL CAFÉ

La noche anterior a la realización de esta técnica se prepara una disolución de café y se almacena en un recipiente que tenga cierre hermético dentro de una nevera. Para iniciar se miden 100 cm3 de café y se depositan en el vaso de precipitados de 250 cm3. Limpiar la probeta y secarla muy bien con papel de filtro. Posteriormente se mide 1 g de carbonato de sodio y se deposita en el vaso de precipitados con el café y con la ayuda del agitador se disuelve todo el carbonato. Con la ayuda del embudo cónico traspasar todo el café al embudo de decantación, cuidando que la llave del mismo esté cerrada. Limpiar y secar bien el vaso que utilizaremos en una etapa posterior. Se miden con la probeta 15 cm3 de triclorometano y se depositan dentro del embudo de decantación. Observar cómo se forman dos capas. Agitar suavemente la mezcla que está dentro del embudo, intentando que las dos capas se mezclen lo mejor posible. Dejar reposar la mezcla hasta que vuelvan a aparecer nítidamente las dos capas. Se añaden entonces otros 10 cm3 de triclorometano, repitiendo los pasos anteriores. En el vaso de 250 cm3 depositar una fina capa de sulfato de magnesio anhidro. Colocarlo debajo del embudo de decantación y abrir suavemente la llave para separar la capa inferior. Cerrar la llave justo en la superficie de separación; tirar el resto por el desagüe y limpiar bien el embudo de decantación. Preparar un filtro, colocarlo en el embudo cónico y éste sobre el aro y filtrar el contenido del vaso de 250 cm3. No olvidando colocar debajo del embudo el vaso de precipitados de 100 cm3. Llevar el líquido recogido al equipo de destilación para recuperar el triclorometano utilizado. Finalmente depositar todas las porciones del destilado dentro de un cristalizador y observar los cristales de cafeína que se distinguirán al día siguiente.

(Química, 2015)

+ CROMATOGRAFÍA EN CAPA FINA

La cromatografía en capa fina (Thin Layer Chromatography, TLC) es una técnica de análisis de mezclas muy versátil, fácil de emplear y económica de uso en el laboratorio. Consta de un sistema de dos fases, una sólida (fase estacionaria) que se aplica en forma de capa delgada, absorbente, usualmente entre 0.1 a 0.25mm de grueso para fines analíticos y en los casos que se desea aislar un compuesto el grosor puede variar entre 0.5-2 mm. Esta capa es fijada a una placa o lámina firme de vidrio, aluminio o plástico que actúa como soporte. A través de la fase estacionaria transita un líquido o un solvente (fase móvil o eluente).

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ILUSTRACIÓN 2.Montaje típico para cromatografía en capa fina.

(Franco, 2000)

MATERIALES Y REACTIVOS

+MATERIALES

Plato caliente 5 vasos de precipitado 2 viales. Algodón 1 condensador. 1 matraz balón 2 pipetas 1 perilla de tres vías 3 pipetas Pasteur. 2 espátulas. Embudo de decantación. 2 vidrio de reloj.

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+REACTIVOS

HOJA DE SEGURIDADREACTIVO Acetato de plomo Cloroformo NaOH CAFEINA SILICA IODO FÓRMULA C4H8O6Pb2 CHCl3 NaOH C8H10N4O2 SO2 IINCENDIO No se considera como una

sustancia inflamableA pesar de ser un producto no inflamable, los contenedores donde se encuentra almacenado el cloroformo explotan con calor.

Este compuesto no es inflamable sin embargo, puede provocar fuego con materiales combustibles. Por otra parte, se generan gases inflamables al ponerse en contacto con algunos metales..

‐Productos de combustión peligrosos: Productos de descomposición peligrosos formados en condiciones de incendio, oxido de carbono, óxidos de nitrógeno.

Incombustible. Incombustible, pero existe riesgo de emanación de vapores de yodo en presencia de fuego.

REACTIVI-DAD

Estable bajo las condiciones de manipulación y almacenamiento recomendadas. Mantener alejado de agentes oxidantes y de materiales fuertemente alcalinos o ácidos, a fin de evitar reacciones exotérmicas

Reacciona violentamente con: -Acetona en medios muy básicos. -Fluor, tetróxido de dinitrógeno, metales como aluminio, magnesio, sodio, litio y potasio, sodio en metanol, metóxido de sodio, nitrometano, isopropilfosfina y derivados alquilados de aluminio.

Se ha informado de reacciones explosivas entre el hidróxido de sodio y nitrato de plata amoniacal caliente, 4-cloro-2-metil-fenol, 2-nitro anisol, cinc metálico,. Con bromo, cloroformo y triclorometano las reacciones son vigorosas o violentas. La reacción con sosa y tricloroetileno es peligrosa.

El producto es estable si se tienen en consideración las normas/indicaciones sobre almacenamiento y manipulación. Susceptible de explosión por formación de polvo.

Materias a evitar: Halogenuros de hidrógeno, halogenóxidos, metales ligeros / calor, hexafluoruros de xenón.

Se trata de un producto fisiológicamente inactivo, que no muestra características peligrosas tras ingestión oral ni en contacto con la piel. Tampoco por inhalación de sus partículas, si se mantiene el límite total previsto para los ácidos silícicos. En caso de efecto masivo sobre los ojos, pueden presentarse irritaciones

EXPOSI-CIÓN

Tos, dolor de garganta, asfixia. Inflamación de los bronquios. Destrucción de las mucosas nasales y de las vías respiratoriasEnrojecimiento, dolor. Conjuntivitis (inflamación temporal de la conjuntiva). Visión borrosa. En casos extremos ceguera permanente. Enrojecimiento, dolor. Resequedad de la piel, dermatitis y alergias. Calambres abdominales, estreñimiento, convulsiones, dolor de cabeza, náuseas, vómitos

Su poder como anestésico se presenta a concentraciones entre 10000 y 15000 ppm, mientras que entre 15000 y 18000 puede ser fatal por paro respiratorio. Contacto con ojos: Ocasiona conjuntivitis, e, incluso, quemaduras dolorosas, ya sea en forma de vapor o líquido. Contacto con la piel: No hay una absorción significativa a través de la piel. Ingestión: Provoca náusea, vómito, salivación, anorexia, irritación gastrointestinal y daño a hígado.

El hidróxido de sodio es irritante y corrosivo de los tejidos. Los casos más comunes de accidente son por contacto con la piel y ojos, así como inhalación de neblinas o polvo. Inhalación: La inhalación de polvo o neblina causa irritación y daño del tracto respiratorio. En caso de exposición a concentraciones altas, se presenta ulceración nasal

Ingestión: Tóxico si se ingiere. Nunca debe administrarse nada por la boca a una persona inconsciente. Enjuague la boca con agua y consulte a su médico. ‐Inhalación: Puede ser nocivo si se inhala. Puede provocar una irritación en el tracto respiratorio. Si se aspiró, mueva a la persona al aire fresco, si ha parado de respirar aplicar respiración artificial. ‐Contacto con la piel: Puede ser nocivo si es absorbido por la piel, puede causar irritación en la piel. Eliminar lavando con mucho jabón y abundante agua. ‐Contacto con ojos: Provoca irritación ocular.

Se trata de un producto fisiológicamente inactivo, que no muestra características peligrosas tras ingestión oral ni en contacto con la piel. Tampoco por inhalación de sus partículas, si se mantiene el límite total previsto para los ácidos silícicos.

La inhalación de vapores irrita severamente las vías respiratorias. Sensación de quemazón en los tejidos mucosos, la tráquea y los pulmones. Exposiciones elevadas pueden conducir a enfermedad de pulmones y edema pulmonar Ingestión: La ingesta puede causar quemaduras severas de la boca, garganta y estómago. Puede producir dolor abdominal, fiebre, vómito, estupor y estado de shock. Contacto con la piel : Puede causar irritación, dolor y quemaduras.

ELIMINA-CIÓN DE RESIDUOS

Su tratamiento y eliminación de la legislación interna de cada país.

En pequeñas cantidades puede dejarse evaporar en una campana extractora.

Para pequeñas cantidades, agregar lentamente y con agitación, agua y hielo. Ajustar el pH a neutro con HCl diluido. La disolución acuosa resultante, puede tirarse al drenaje diluyéndola.

Desechar en contenedor de sustancias orgánicas.

Recoger en seco y proceder a la eliminación de los residuos.

No verter en desagües, aguas o depósitos públicos Muy tóxicos para organismos acuáticos. Disponer de acuerdo a las normas legales vigentes en el país

CARACTE-RÍSTICAS

Polvo cristalino Color : Blanco Olor : Inodoro

El cloroformo es un líquido incoloro con olor dulce característico, muy volátil.

Es un sólido blanco e industrialmente se utiliza como disolución al 50 % por su facilidad de manejo

Polvo blanco indoloro Solido blanco inodoro Se presenta en gránulos de color gris con lustre metálico de olor picante

FUENTES (PUJ, s.f.) (UNAM, s.f.) (INR, 2005) (BASF, 2015) (Faga Lab, (SCM BULLMINE, 2009)pág. 5

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2000)

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CUESTIONARIO

1. ¿Para qué se utilizan los métodos cromatográficos y en qué consisten cada uno de ellos?

R= Se utilizan para el análisis cuantitativo de las sustancias "puras" en la separación de mezclas, los tipos o métodos son:

+ CROMATOGRAFÍA EN COLUMNA: Cromatografía de intercambio iónico: se basa en la afinidad de iones en la solución

por los sitios de polaridad opuesta presentes en la fase estacionaria.

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Cromatografía de exclusión: está basada en la habilidad de los materiales de porosidad controlada para separar componentes de una mezcla por su tamaño y forma molecular.

Cromatografía de afinidad: tiene su base en la especificidad de macromoléculas biológicas, que se unen en la fase estacionaria, separándolas al variar el pH.

Cromatografía de adsorción: se fundamenta en las diferencias de afinidad relativa de los compuestos por el sólido usado como fase estacionaria. Estas separaciones se determinan por interacciones polares (casi siempre la fase estacionaria es más polar que la fase móvil).

Cromatografía de partición: la fase estacionaria se encuentra en estado líquido o fase acuosa y está soportada en un sólido inerte, la fase móvil puede ser un líquido (cromatografía de partición líquido-líquido) o un gas (cromatografía de partición gas-líquido). La cromatografía en papel es del tipo partición en la que la fase estacionaria es una capa de agua adsorbida en una hoja de papel.

Cromatografía de fase reversa: depende de interacciones hidrofóbicas entre las moléculas del soluto en la fase móvil y el ligando hidrofóbico inmovilizado en la fase estacionaria, estas condiciones asumen la interacción de unión como resultado de un efecto entrópico favorable, como son acuosas, indica un alto grado de estructuras de agua organizadas alrededor del soluto y el ligando inmovilizado, a medida que el soluto se une al ligando hidrofóbico disminuye el área hidrofóbica expuesta hacia el disolvente.

+ CROMATOGRAFÍA PLANA: Cromatografía en capa fina (TLC): la fase estacionaria es una capa de partículas de

unos mm de espesor, están fijadas sobre un soporte sólido (Al, plástico, o vidrio). Después de aplicar el analito cerca de la parte inferior de la placa seca, el disolvente produce la separación.

Cromatografía en papel: el soporte y fase estacionaria es papel de celulosa, la cual es muy polar en el agua y se vuelve electronegativa. El papel tiene propiedades de intercambio iónico, débiles, así como de adsorción.

(Hahn, 2000) (Zieloff, 1993)

2. ¿Quién desarrolló estos métodos?

R= El principio de la cromatografía como es usada en la actualidad fue descubierta por el botánico Michael Tswett (1872-1919). En 1906 publicó un procedimiento relativo a la separación y aislamiento de pigmentos verdes y amarillos por absorción. (Zieloff, 1993)

3. ¿Cómo se logra la cromatografía por adsorción?

R= Se basa principalmente en las diferencias que hay en la afinidad relativa de los compuestos por el sólido utilizado como fase estacionaria. L as separaciones obtenidas se determinan prácticamente por interacciones polares, siendo la fase estacionaria más polar que la móvil(Brunton, 2006)

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4. En cromatografía, ¿Cuándo se dice que un compuesto es polar?

R= Cuando éste es soluble en agua o es hidrofílico.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Tabla 1Obtenidas de Franco, A. G. (2000). Experimentos de química orgánica con enfoque en ciencias de la vida. En A. G. Franco, Experimentos de química orgánica con enfoque en ciencias de la vida (págs. 76 y 110). Colombia: Elizcom.

Ilustración 1-2 Obtenidas de Franco, A. G. (2000). Experimentos de química orgánica con enfoque en ciencias de la vida. En A. G. Franco, Experimentos de química orgánica con enfoque en ciencias de la vida (págs. 76 y 101). Colombia: Elizcom.

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Qualitative und quantitative Dünnschicht-Chromatographie, Grundlagen und Praxis H.-P. Frey, K. Zieloff; VCH, 1993. Alemania ISBN 3-527-28373-0.

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