茶葉中提取咖啡因實驗教學改革探索與實踐

李 靜,王惠澤,劉艷紅,房川琳,李桂英

(1. 四川大學 基礎化學實驗教學中心,四川 成都 610064;2. 四川大學 化學學院,四川 成都 610064)

茶葉中提取咖啡因實驗教學改革探索與實踐

李 靜1,王惠澤2,劉艷紅1,房川琳1,李桂英2

(1. 四川大學 基礎化學實驗教學中心,四川 成都 610064;2. 四川大學 化學學院,四川 成都 610064)

依托四川大學化學專業實驗室綜合訓練教學平臺的大型儀器,對經典的基礎有機化學實驗——從茶葉中提取咖啡因進行了改革探索和實踐。在傳統的天然產物提取實驗基礎之上,引入現代分析技術進行實驗教學,并增加了對提取的咖啡因結構鑒定的實驗教學內容,采取核磁共振(400 MHz)和離子阱飛行質譜確定咖啡因的結構。

實驗教學改革； 茶葉;咖啡因提取

四川大學化學學科經過近年的快速發展,已經為建成我校的優勢學科奠定了堅實基礎,有機化學已成為國家重點學科?！皩⒔浀鋵嶒灲虒W內容進行升級改造,引入現代分析技術,使有機合成、分離純化、結構表征及質量分析有機結合,加強綜合性和研究性訓練、促進教與學”一直是國內一流實驗教學機構提倡的教改思路[1],我?；瘜W專業實驗課程教學小組在實驗教學實踐中也一直結合實際情況貫徹這一教學理念。

“從茶葉中提取咖啡因”是我國高校一直開設的經典有機化學實驗之一,在四川大學本科有機實驗教學中,一直扮演著極其重要的角色。國內高校同行對這個經典實驗教學也在不斷地進行改革和創新,無論是萃取工藝條件的優化或者裝置的改進[2-4],還是實驗教學的微型化[5-6],以及實驗教學過程的綠色化[7-8]都有較多的討論。而將咖啡因提取實驗與結構鑒定實驗教學相結合的探索還比較有限,由于儀器資源的限制,咖啡因的結構鑒定一般也以熔點、紅外或紫外光譜分析為主[9-10],而采用現代大型儀器進行結構鑒定分析較少。本實驗教學方案依托四川大學化學專業實驗室綜合訓練教學平臺的大型儀器資源,在該經典的基礎有機化學實驗教學中引入核磁共振和離子阱飛行質譜對提取產品進行鑒定,確定咖啡因結構,是對經典實驗教學內容的升級改造。

1 咖啡因提取實驗

1.1 實驗裝置

如圖1所示,實驗裝置[11]由恒壓滴液漏斗、球形冷凝管、100 mL圓底燒瓶和加熱套組成,樣品直接裝入恒壓滴液漏斗中。

圖1 咖啡因提取實驗裝置

1.2 提取方法

在恒壓滴液漏斗底部墊上極薄一層脫脂棉,稱取6 g茶葉末裝入恒壓滴液漏斗中,輕輕壓實,筒上口蓋一片濾紙或一小團脫脂棉；在100 mL圓底燒瓶內加入60 mL、95%的乙醇和幾粒沸石,通冷卻水后在電熱套上加熱,當溶劑被加熱沸騰時,溶劑蒸氣從恒壓滴液漏斗側管上升,被冷凝管冷凝為液體并滴到樣品上,當溶劑在恒壓滴液漏斗內達到一定高度時,調節恒壓滴液漏斗活塞,使冷凝液的滴入速度與恒壓漏斗的放液速度一致；該過程持續進行,直到提取液顏色變淺為止(約0.5～1 h)；最后將所要提取的物質都集中到下面的燒瓶中，冷卻,將恒壓滴液漏斗從燒瓶上取下；改成蒸餾裝置,電熱套直接加熱回收提取液中的大部分乙醇,濃縮至10～15 mL；將殘留液傾入蒸發皿中,拌入4 g研細的氧化鈣,在蒸汽浴上用玻璃棒不斷攪拌,翻炒至干,再用燈焰隔石棉網焙炒片刻,除去水分,冷卻,擦去粘在邊上的粉末,以免升華時污染產物。

將實驗裝置改為升華裝置,小火小心加熱,至產生棕色煙霧止,收集白色針狀晶體即為產物,稱量。

2 咖啡因結構鑒定

2.1 核磁共振分析

稱取約10 mg白色針狀晶體于核磁共振測樣管中,加入0.5～0.6 mL的氘代氯仿作為溶劑,振蕩,形成均一透明的溶液,用Bruker 400 MHz核磁共振波譜儀進行1H NMR譜圖的測試。

2.2 離子阱飛行質譜

將咖啡因配制成50 μg/L水溶液,振蕩,形成均一透明的溶液,過濾,取濾液用島津LCMS-IT-TOF液質聯用儀進行分子量的測試。

3 結果與討論

3.1 提取實驗

提取實驗結果見表1。

表1 實驗結果[12]

該實驗經過多年的教學實踐,仍然在不斷地改進,例如:采用恒壓滴液漏斗代替索氏提取器可以明顯簡化提取實驗的操作難度,并能有效提高實驗的成功率;采用電熱套替代酒精燈加熱可以避免潛在的實驗危險,并且更易于調控加熱溫度。在實際教學中，學生普遍反映目前的實驗方法簡單,易于操作,成功率高,咖啡因的產率一般都能夠達到1.5%以上。

3.2 結構鑒定

咖啡因是一種黃嘌呤生物堿化合物,其結構見圖2。它的化學名稱為1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤?？Х纫蚓哂写碳ば呐K、興奮大腦神經和利尿等作用,因此可以作為中樞神經興奮藥。它也是復方阿司匹林等許多復方藥的成分之一。

圖2 咖啡因結構式

3.2.1 核磁共振譜圖

圖3是學生利用核磁共振儀測試咖啡因提取實驗樣品得到的1H NMR(400MHz)譜圖，以加標(TMS)氘代氯仿為溶劑。圖3中首先排除譜圖中氘代溶劑(CDCl3)所表現出來的溶劑峰,化學位移δ=7.26×10-6,譜圖中溶劑峰面積遠小于樣品峰,說明配制的樣品濃度較大;同時在咖啡因中,由于不存在自旋-自旋耦合作用,所以測得的譜圖中沒有觀察到自旋-自旋裂分現象,譜圖中的四類質子都表現出單峰;δ=3.29×10-6、δ=3.47×10-6和δ=3.90×10-6分別對應1、3、7位氮原子上的甲基峰,δ=7.45×10-6對應8位雜環上的質子峰,且四組峰對應的峰面積比為3∶3∶3∶1,與各位置的質子數相匹配。

通過分析可以發現，測得的1H NMR譜圖的結果與咖啡因結構中的質子類型和數目是完全匹配的。

圖3 咖啡因1H NMR譜圖

3.2.2 離子阱飛行質譜

圖4是學生利用離子阱飛行質譜儀測試咖啡因提取實驗樣品得到的質譜譜圖(圖中m為質量濃度，z為電荷)。測得分子量結果為:C8H11N4O2+,[M+H]+=195.0880,而理論計算值為195.087 7,可見測得的分子量與理論值是非常接近的。

3.2.3 結論

通過1H NMR譜圖和離子阱飛行質譜譜圖綜合分析,可以推斷出茶葉中提取的白色針狀固體是咖啡因。

4 教學效果分析與討論

相對于傳統的實驗教學,將實驗教學和大型分析儀器教學相結合能取得良好的教學效果,主要體現在以下方面:

(1) 有利于豐富本科有機化學實驗教學手段。將有機實驗和儀器分析實驗分別涉及的咖啡因提取和咖啡因結構鑒定組合為一個綜合實驗進行教學,包括了有機和儀器分析的相關實驗技能,既能夠給學生一個系統、完整的實驗過程,又能體現學科之間的相互交叉。

圖4 咖啡因質譜譜圖

(2) 有利于發揮大型精密儀器在本科實驗教學中的作用。目前,高校大型儀器配備都日趨完善,但這些儀器通常主要用于科研和研究生教學。而四川大學化學專業實驗室綜合訓練教學平臺承擔的主要任務之一就是為本科實驗教學服務,利用該平臺的大型儀器資源對原有實驗教學內容改革升級,充分發揮大型精密儀器在有機化學實驗教學的作用。

(3) 有利于培養學生波譜分析的實際操作能力和綜合運用各種譜圖進行數據分析、推斷有機化合物結構的能力。通過各種譜圖確定有機化合物的結構是有機化學必須掌握的專業基本技能,長期以來波譜分析教學和有機化學實驗教學分別屬于獨立的教學課程,波譜分析教學往往注重于理論基礎知識,學生接觸到的譜圖一般都是書本中的經典例子,學生實際運用波譜分析確定化合物結構的能力得不到有效的鍛煉。通過將制備實驗與儀器分析實驗相結合的方式,學生普遍反映不僅對核磁共振儀和離子阱飛行質譜儀的結構和原理有了更加深刻的認識,同時也對實際樣品的測試過程有了形象和具體的了解,能夠有效地將書本知識轉換為實際運用能力。

(4) 有利于本科生的實驗教學與科學研究的結合。在咖啡因提取實驗中增加咖啡因結構鑒定實驗內容這類綜合性實驗更貼近實際的科學研究方式,有利于培養學生從整體入手、多角度考慮實驗過程的能力,是學生今后從事科研工作的基本功,讓學生盡早了解科研過程。

5 結束語

在經典實驗教學內容中引入現代分析技術,加強實驗教學的綜合性和研究性是我?；瘜W專業實驗課程教學小組實驗教學改革的基本思想,“從茶葉中提取咖啡因”實驗教學的改革和實踐已經取得了初步的效果。這種實驗教學與科研基本能力培養相互支持,相互促進的模式,必將逐步成為四川大學化學綜合實驗教學的特色。

References)

[1] 王秧年,陸大東,葉濤,等. 色譜-質譜聯用儀在1-溴丁烷教學實驗中的應用[J].實驗技術與管理,2011,28(12):63-65.

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[3] 李玉賢,張佳樂,劉金浩. 正交實驗法優化咖啡因提取實驗工藝研究[J].實驗室科學,2011,14(2):105-107.

[4] 陳忠平,陳君華,黎少君,等. 茶葉中提取咖啡因方法的改進[J].安徽技術師范學院學報,2005,19(1):46-48.

[5] 王玉飛. 微量化學-GC/MS法測定茶葉中咖啡因的含量[J].中國衛生檢驗雜志,2005,15(7):818-819.

[6] 胡慶華,張蔚萍,陶春元,等. 茶葉中咖啡因提取的微型化實驗設計[J].實驗室科學,2010,13(2):53-55.

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[11] 王玉良,陳華. 有機化學實驗[M]. 北京: 化學工業出版社,2009:53-55.

[12] 楊祖幸,楊潔,孫群,等. 從茶葉中提取咖啡因實驗方法及裝置的改進[J].實驗室研究與探索,2008,27(3):43-44.

Exploration and practice on experimental teaching reform of extracting caffeine from tea

Li Jing1,Wang Huize2,Liu Yanhong1,Fang Chuanlin1,Li Guiying2

(1. Experiment Teaching Center of Basic Chemistry,Sichuan University,Chengdu 610064,China;2. College of Chemistry,Sichuan University,Chengdu 610064,China)

Improving of the teaching experiment(extraction of caffeine from tea),relied on the instrument of the comprehensive training and teaching platform (the professional labortory of chemistry,Sichuan University),some meaningful improvements of classical organic chemistry teaching experiments(the extraction of caffeine from tea) are conducted. On the basis of traditional natural product extraction experiment,the modern analytical technique is introduced into this experiment teaching to identify the structure of caffeine extracted from tea,by using the NMR (400 MHz), and the ion trap time-of-flight mass spectrometry (LCMS-IT-TOF).

experimental teaching reform； tea;caffeine extraction

2014- 05- 24 修改日期：2014- 07- 04

四川大學實驗技術項目資助(0083304116008)

李靜(1981—)，女，四川廣安，碩士，助理研究員，主要從事大型精密儀器運行與實驗教學.

E-mail：jingli@scu.edu.cn

O6-33

A

1002-4956(2015)1- 0054- 03