新教材《实验化学》中从茶叶里提取咖啡因
实验与教学研究
淮安市楚州区钦工初级中学 223231 赵芬
摘要：本论文以碱液提取、直接升华研究了《实验化学》中“从茶叶中提取咖啡因”实验，探讨了微型化实验及该实验在教学中的作用。目的在于丰富该实验的课程资源，更好的发挥该实验在教学中的作用。
关键词：新课程，中学实验教学，茶叶，咖啡因
1前言
1.1选题的依据和意义
《普通高中化学课程标准》规定了新高中化学课程的基本理念：立足于学生适应现代生活和未来发展的需要，着眼于二十一世纪公民的科学素养，构建“知识与技能”、“过程与方法”、“情感态度与价值观”相融合的高中化学课程目标体系[1]。新高中化学课程由2个必修模块和6个选修模块组成，其中“实验化学”是作为一个独立的模块有别于以往教材的处理，突出实验的重要地位。该课程模块能很好的体现新课程理念第五条：通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力。
“实验化学”课程主要有三方面的内容：一是实验的基本技能，二是实验研究的思路，三是实验中的价值观。高中化学新课程倡导以科学探究为主的多样化学习方式,通过实验探究活动，掌握基本的化学实验技能和方法，进一步体验实验探究的基本过程，认识实验在化学科学研究和化学学习中的重要作用，提高化学实验能力。
“从茶叶中提取咖啡因”在实验化学中属综合探究性实验，能够使学生掌握提取植物中某些成分和纯化物质的一般方法，并能够设计提取和分离物质的实验方案并对方案合理性进行评价。新课程标准提倡学生独立进行或合作开展化学实验研究。通过该实验能激发学生的学习兴趣，帮助学生通过使用探究形成化学概念、理解化学基础理论、掌握化学知识和技能，培养学生的科学态度和价值观，帮助学生发展思维能力和训练实验技能，从而达到全面提高学生科学素养的目的。
1.2本论文的主要研究内容
茶叶在生活中很常见，有解毒、利尿、止泻、消炎等功效[2]，其主要成分为黄酮类、茶多酚、生物碱（主要为咖啡因）、氨基酸、维生素等[3]。咖啡因是天然的食品添加剂，可用于制造兴奋性饮料；它是制药工业中的重要原料，复方阿司匹林的主要成分之一就是咖啡因。目前获取咖啡因的途径之一是人工合成。由于人工合成的咖啡因含有原料残留,长期食用会产生残毒作用,有的国家已禁止在饮料中使用合成咖啡因[4]。由于人们对绿色食品的渴求，国内外已相继开发出从植物中提取咖啡因的工艺。
据有关资料报道，茶叶（干茶）中咖啡因的含量在1.5%～3.5%[5]。多年来，人们研究出了很多从茶叶中提取有效成分咖啡因的方法，主要有：水提法、醇提法、升华法及其他有机溶剂提取法，近年来又有人研究出了吸附法和超临界二氧化碳气提法。但这些方法多适用于工业生产，无论是仪器还是方法均比较繁琐，不适于中学实验教学。经查资料发现，在课程资源方面，除了教科书外并未发现其他有助于学生发展的资源。本论文针对以上不足，从“以碱液提取法从茶叶中提取咖啡因”、 “运用直接升华法从茶叶中提取咖啡因”及微型化实验这几个方面进行研究，希望能够丰富中学实验教学的课程资源，培养学生的创新精神和实践能力，并希望通过这些实验激发学生的学习兴趣，更好的发挥该实验在教学中的作用。
2实验部分
2.1用碱液提取法从茶叶中提取咖啡因
2.1.1实验原理
咖啡因又称咖啡碱或茶素，化学式为C8H10N4O2.H2O (1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤)，是具有绢丝光泽的一种白色针状晶体[11]。其结构为
100 ℃时晶体失去结晶水后开始升华，120 ℃时升华显著，至178 ℃时升华很快。无水咖啡因的熔点为234.5 ℃。利用咖啡因这一特性，通常可用升华法进行提取。
咖啡因是弱碱性化合物，与酸反应能形成不稳定的盐。茶叶的主要成分包括咖啡因等生物碱,以及茶多酚、单宁酸(鞣酸)、蛋白质、糖类、氨基酸、维生素等。单宁与咖啡因能生成难溶盐，所以我们在实验中需用碱性试剂中和单宁酸以便咖啡因游离出来。
咖啡因易溶于热水和氯仿，能溶于水和乙醇，微溶于乙醚。其具体的溶解度见表1。
表1 咖啡因在不同溶剂中的溶解度
注：未标明温度的均为常温
在新高中实验化学中，从茶叶中提取咖啡因属综合探究性实验，对于碱性试剂并无明确说明，所以在以下实验我主要对碱性试剂的选择和实验方法进行研究，希望能找出合适的碱性试剂和实验方法方便课堂教学。
2.1.2操作步骤 称取5 g干茶叶放入烧杯中，加入75 mL水和适量的碱性试剂（NaOH，Na2CO3，NaHCO3，Ca(OH)2），用小火煮沸20分钟，煮沸过程中需不断搅拌。趁热减压过滤，将滤液浓缩至5 mL左右，把残液转入蒸发皿中，加入4 g生石灰粉进行吸水，用酒精灯隔着石棉网小心加热，直至完全成干粉状，使水分全部除去。冷却后，把焙干的泥土样粉末集中于蒸发皿中间，上面覆盖一张刺有许多小孔且孔刺向上的滤纸，再在滤纸上罩一个大小合适的玻璃漏斗，漏斗颈部塞一小团疏松的棉花（如图1所示），用酒精灯隔着石棉网小心加热，使咖啡因升华。当滤纸上出现白色针状结晶时，要适当调节火焰使升华速度放慢。若发现有棕色烟雾时，应立即停止加热。冷却后称重。
图1 升华装置
2.1.3实验结果 以上实验主要对各种不同碱性试剂的选择进行了研究，实验结果列于表2中。
表2 不同碱性试剂的比较
2.1.4小结 由表1可以得出用Ca(OH)2作为碱性试剂提取咖啡因最好，选用NaOH和Na2CO3游离咖啡因时茶汁浓厚，难于过滤，容易造成咖啡因的损失，选用NaHCO3时，虽茶叶状态正常，但太难过滤，不利于实验的进行，故也不能选它。选用Ca(OH)2时，茶叶腐烂程度不大，茶汁颜色较淡，而且Ca2＋可与茶叶中单宁或没食子酸形成不溶性的钙盐，使咖啡因作为可溶性的生物碱留在水溶液中，易于分离和最后的提纯，在实验过程中明显能看到有大量絮状沉淀析出能更好的除去单宁酸。
该实验无有毒有害试剂的引入，实验操作也不是很复杂，用于中学课堂教学中比较合适。通过该实验，能够使学生对天然有机化合物的提取有一个感性认识，激发他们学习化学的兴趣，提高他们的实验素养，为他们以后的化学学习打下了良好的基础。
2.2运用直接升华法从茶叶中提取咖啡因
2.2.1实验操作 取5 g茶末，加2.5 g的Ca(OH)2及适量水，调成稠糊状，放在石棉网上用小火干燥，制成“茶砂”，将“茶砂”置于特制的升华装置（如图1）中进行升华，小心加热，控制升华温度，收集咖啡因。
注：茶砂是因为茶末中加入Ca(OH)2及适量水，调成糊状干燥后形状、颜色像砂子，故叫做茶砂
2.2.2实验结果 将茶叶粉末制成“茶砂”然后直接进行加热，提取得咖啡因
0.04 g。
2.2.3小结 该实验方法是参考文献[13]，这种方法简单易行，操作方便，且该实验不是用茶末升华，而是将茶末制成“茶砂”，再用“茶砂”升华，这样就避免了因茶末受热不均匀，易焦化而造成的升华不完全。该方法所用的试剂廉价、易得，升华设备及操作过程也比较简单，是一种可行的方法，但是从中学实验教学这方面看其操作太过简单，不能让学生的实验技能得到最大提高，所以，在中学教学中这种方法是不太好的，若用于工业生产中倒还是可以考虑。
该实验成功的关键在于控制升华温度，一定要小心加热，收集到的产品中有白色晶体咖啡因和混有焦油的咖啡因晶体，可对此产品进行水溶、结晶、升华，便可得到白色晶体咖啡因。
2.3从茶叶中提取咖啡因的微型实验的设计与研究
化学微型实验即“实验药品微量化，实验仪器微型化”。化学微型实验的教学功能主要体现在以下四方面：（1）替代常规实验，体现绿色化学教学理念；（2）改变设计思想，尝试化学实验设计创新；（3）开阔实验素材，倡导课外实验尝试研究；（4）提供编题题材，强化类比想象分析训练。
微型实验的教学功能是在对微型实验的开发过程中实现的，并在教学过程中不断丰富与发展。通过以上的几个实验可以发现在实验中原料、药品的用量比较多，这样很明显违背了绿色化学的宗旨。所以我们参考文献[15]设计了下面的这个微型实验方案，希望能够找出适合课堂教学的方法。
2.3.1实验步骤 在50 mL烧杯中加入0.5 g无水Na2CO3，溶于10 mL热水，再加1.0 g研细的茶末，盖上表面皿，水浴温热至微沸，持续30分钟。稍冷后减压过滤，并挤压茶叶。用1 mL热水洗涤烧杯两次，滤液转入离心试管中，向滤液中加入2 mL CHCl3，用毛细滴管深入离心试管底部反复吸入和放出液体，务使两相充分接触，将离心试管置于离心机内分层，用毛细滴管深入离心试管底部吸出CHCl3萃取液，置于50 mL烧杯中，重复萃取操作4次。称取1.5 g无水CaCl2干燥萃取液，约10分钟后，将干燥的溶液吸入50 mL圆底烧瓶中，再用2 mL CHCl3洗涤小烧杯中的CaCl2。洗涤液并入事先已准确称重的圆底烧瓶中，水浴回收CHCl3，直至蒸干为止。准确称量圆底烧瓶质量，用差减法得产量。
2.3.2实验结果 以微型实验提取得咖啡因量的结果如表5所示。
表3 微型实验提取得咖啡因量
2.3.3小结 原参考文献中用的干燥剂是无水Na2SO4，由于实验室中无该药品，我将干燥剂用无水CaCl2替代，发现并不影响实验结果。该微型实验简化了实验装置，减少了药品的用量，降低了环境污染，缩短了实验时间，具有安全、迅速、简单、现象明显，药品器材消耗量很少等优点，适合作为学生实验实施。
学生在做实验时感受到化学实验带来的污染时，他们往往会错误地把现代社会中环境失衡与灾难归之于化学。这是化学教学的一种悲哀。而微型实验则要求实验药品微量化和实验仪器微型化，这不仅减少药品消耗及实验污染物的排放，而且能提高原料利用率。因此，开展微型实验是很有必要的，它是绿色化学教学理念在教学实践中的具体体现。
3 本实验在教学中的作用
（1）通过这个探究性实验能够发展学生学习化学的兴趣，乐于探究物质变化的奥妙，体验科学探究的艰辛和喜悦，感受化学世界的奇妙与和谐。通过该实验能够让学生认识实验在化学科学研究和化学学习中的重要作用，体会到化学实验是学习化学知识、解决生产和生活中的重要途径和方法。能够让对生活中和自然界中化学现象具有好奇心，并试图通过化学实验来探究其中的道理。
（2）通过该实验可以让学生积极的参与化学实验操作活动，让他们善于与人合作，并主动交流各种化学实验信息。还要教育他们客观、准确地观察和记录化学实验现象，实事求是地完成化学实验报告，有助于学生树立辩证唯物主义的世界观，养成务实求真，勇于创新、积极实践的科学态度，崇尚科学，反对迷信。
（3）在实验过程中要培养学生的安全意识，以保证能顺利完成实验。这在微型实验中可以很好的体现，实验中还应让学生树立绿色化学思想，形成环境保护的意识。科技日新月异，随着社会的进步，人类对化学品的需求越来越大，与此同时温室效应、臭氧空洞、酸雨、白色污染等一次次向我们敲响了警钟。所以在该实验的教学中，不仅要引导学生充分认识化学对人类的重要价值，还要清醒地看到化学品应用危及人类生存的另一面，积极关注社会可持续发展中与化学相关的一系列“热点”问题。在化学课程中介绍绿色化学，重要的不但是学习相关的知识，而且是使学生从中获得科学的价值观。
4 结束语
本文从不同角度，对从茶叶中提取咖啡因的方案设计，找出了比较好的方案。这样不但能够方便中学课堂教学，还丰富了课程资源。特别是这种探究性实验，科学的本质在于探究，通过这种探究性实验能够提供师生、生生等多种交流合作的机会，能让学生在较为轻松、活泼的氛围中理解、探究化学现象，建构对化学科学知识的理解，有利于形成良好的人际关系和积极的学习态度，促进学生科学认知的发展，在班级学习者共同体中创建自己的科学观念。
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部制订，普通高中化学课程标准（实验），人民教育出版社，20##年，P2。
[2] 阿有梅、张红岭等，茶叶中咖啡因的提取、鉴定和含量分析，河南医科大学学报，20##年11月，第35卷，第六期，P558。
[3] 张可钦、吴萍、陈钦云，由中国茶叶中提取抗氧化剂的研究，食品与发酵工业，1991年，第15卷，第1期，P22。
[4] 刘俊武等，从茶叶中提取天然咖啡因技术综述，云南化工，1998年，第4期，P10。
[5] 柯铭清编，中草药有效成分理化与药理特性（修订本），长沙：湖南科学技术出版社，1982年，P137。
第二篇：实验十四 从茶叶中提取咖啡碱
实验十四 从茶叶中提取咖啡碱
生物碱（Alkaloids）是存在于生物体（主要为植物体）中的一类含氮的碱性有机化合物，大多数有复杂的环状结构，有显著的生物活性，是中草药的有效成分之一。如黄连中的小蘗碱（黄连素）、麻黄中的麻黄碱、萝芙术中的利血平、喜树中的喜树碱、长春花中的长春新碱等。植物中的生物碱常以盐（能溶解于水或醇）的状态或以游离碱（能溶于有机溶剂）的状态存在。各种生物碱的结构不同，性质各异，提取分离方法也不尽相同，常用的有冷浸、渗漉、超声波、微波、索氏提取、热回流提取等。为了使提取更完全，也常常对上述方法进行组合如冷浸－渗漉，冷浸－超声波，冷浸－索氏提取，冷浸－热回流提取，因冷浸、冷浸－超声波提取操作简便，故使用较多，必要时，应对上述方法作比较，以优选出最佳提取方法。
茶叶中含有多种生物碱。咖啡碱又名咖啡因（Caffeine），化学名称是1, 3, 7-三甲基-2, 6-二氧嘌呤，是茶叶中主要的生物碱，约含1~5％，此外还含有少量茶碱、可可碱、茶多酚、有机酸、蛋白质、色素和纤维素等成分。咖啡因弱碱性，具有刺激心脏、兴奋大脑神经和利尿作用，可作为中枢神经兴奋药，它也是复方阿司匹林等药物的组分之一。
咖啡因 可可碱 茶碱
含结晶水的咖啡因(C8H10O2N4)为无色针状结晶，味苦，具有弱碱性，能溶于冷水和乙醇，易溶于热水、氯仿等。提取茶叶中的咖啡因，可以用乙醇为溶剂，在Soxhlet提取器中连续抽提，然后蒸出溶剂；也可将茶叶与水一起充分煮沸后，再将茶汁浓缩，即得粗咖啡因。粗咖啡因中还含有其它一些生物碱和杂质（如丹宁酸）等，可利用升华法进一步提纯。
升华是将具有较高蒸气压的固体物质，在加热到熔点以下，不经过熔融状态就直接变成蒸气，蒸气变冷后，又直接变为固体的过程。升华是精制某些固体化合物的方法之一。能用升华方法精制的物质，必须满足以下条件：(1) 被精制的固体要有较高的蒸气压，在不太高的温度下应具有高于67 kPa(20 mmHg)蒸气压;(2) 杂质的蒸气压应与被纯化的固体化合物的蒸气压之间有显著的差异。
升华方法制得的产品通常纯度较高，但损失也较大。含结晶水的咖啡因加热至100 ℃时失去结晶水，开始升华，120 ℃时显著升华，至l76 ℃时迅速升华。无水咖啡因的熔点为235 ℃。
一、 目的要求
1. 熟悉从植物中提取生物碱的一般原理和方法；
2. 掌握Soxhlet提取器的使用；
3. 学习用升华法或溶剂萃取法提纯有机化合物的操作。
二、 主要用品
茶叶5 g，95％乙醇，生石灰粉
三、 实验部分
1. 咖啡因的提取
用滤纸做一比Soxhlet提取器提取筒内径稍小的圆柱状纸筒(1)，装入5 g研细的茶叶并折叠封住开口端，放入提取筒中。安装Soxhlet提取装置(2)（图 6?7），在烧瓶中加入50 mL 95％乙醇，置于电加热套上加热回流，连续提取1~1.5 h。当提取液颜色很淡时即可停止提取，待冷凝液刚刚虹吸下去时，立即停止加热，冷却。改成普通蒸馏装置，回收提取液中大部分乙醇。把残液倒入蒸发皿中，在蒸气浴上浓缩至残液约10 mL左右(3)，拌入3 g生石灰（CaO）粉(4)使成糊状。继续小火加热至干，期间要不断搅拌捣碎块状物,小心焙炒（防止过热使咖啡因升华），除尽水分(5)。冷却后擦去沾在蒸发皿边沿的粉末，以免升华时污染产品。
在上述蒸发皿上盖上一张刺有许多小孔的圆滤纸，在上面罩上干燥的玻璃漏斗(漏斗颈部塞少许脱脂棉，以减少咖啡因蒸气逸出)，如图 6?8所示。在电热套上小心加热使咖啡因升华(6)。当漏斗内出现白色烟雾，滤纸上出现白色毛状结晶时，停止加热，冷却，用小匙收集滤纸上及漏斗内壁的咖啡因。残渣经搅拌后用较高温度再加热片刻，使升华完全，合并两次收集的咖啡因。得咖啡因约50 mg。
纯净无水咖啡因熔点为234.5 ℃。
图 6?7 Soxhlet提取装置 图 6?8 升华装置
2. 咖啡因的性质试验
(1) 在蒸发皿中放入咖啡因约0.05 g，加8~10滴30%的H2O2，再加5%的稀盐酸4~5滴，置水浴上加热蒸干，残渣显美丽的玫瑰红色。在残渣上滴加1滴浓氨水，观察颜色有何变化(7)？
(2) 取一支试管，加8滴饱和咖啡因水溶液，滴加1滴0.5%KMnO4溶液和3滴5%Na2CO3溶液。摇动试管，放入沸水浴中加热，观察溶液的变化(8)。
(3) 取一支试管，加5滴咖啡因的饱和水溶液和3滴10%鞣酸溶液，观察出现的现象。
(4) 取一支试管，加1 mL5%盐酸溶液和少许咖啡因，用力振摇，使其溶解为澄清溶液（如实在不溶，可取澄清液做试验），滴加12滴碘化汞钾溶液(9)。摇动试管注意观察溶液的变化。
用自己提取的咖啡因，重复上述试验并进行比较。
四、 注释
1. 滤纸套大小既要紧贴器壁又要能方便取放，其高度不得超过虹吸管顶端，滤纸包茶叶末时，要严防漏出，以免堵塞虹吸管，纸套上面盖一层滤纸，以保证回流液均匀浸透被萃取物。
2. Soxhlet提取器是利用溶剂回流和虹吸原理，使固体物质连续不断地为纯溶剂所萃取的仪器。溶剂沸腾时，其蒸气通过侧管上升，被冷凝管冷凝成液体，滴入套筒中，浸润固体物质，使之溶于溶剂中。当套筒内溶剂液面超过虹吸管的最高处时，即发生虹吸，提取液流入烧瓶中。通过反复的回流和虹吸，从而将提取物富集在烧瓶中。脂肪提取器的虹吸管极易折断，所以在安装仪器和实验过程中须特别小心。
3. 浓缩提取液时不可蒸得太干，以防转移损失。否则因残液很粘而难于转移。
4. 拌入生石灰要均匀，生石灰的作用除吸水外，还可中和除去部分酸性杂质（如鞣酸）。
5. 如留有少量水分，将会在下一步升华开始时带来一些烟雾，污染器皿。
6. 在萃取回流充分的情况下，升华操作是实验成败的关键，在升华的过程中始终都须严格控制加热温度，温度太高、会使会使产物发黄（分解）甚至炭化；还会把一些有色物带出来，使产品不纯。进行再升华时，加热温度也应严格控制，否则使被烘物大量冒烟，导致产物不纯和损失。
7. 咖啡因可被过氧化氢等氧化剂氧化，生成四甲基偶嘌呤（将其用水浴蒸干，呈玫瑰红色），后者与氨作用即成一紫色的紫脲酸铵。该反应是嘌呤类生物碱的特征反应。
8. 咖啡因被氧化分解。
9. 碘化汞钾试剂与生物碱（如咖啡因等）反应，生成分子复合物。
五、 思考题
1. 为什么可用升华法提纯咖啡因？哪些化合物能用升华的方法进行提纯？
2. 采用Soxhlet提取器提取茶叶中的咖啡因，有什么优点？
3. 为了得到较纯、较多的咖啡因，应注意哪些操作过程?
4. 加入生石灰有何目的？
5. 试设计以氯仿为溶剂，从茶叶中提取咖啡因的实验方案。
六、 参考文献
兰州大学、复旦大学化学系有机化学教研室编. 有机化学实验(第二版). 北京:高等教育出版社,1994。