[일반화학실험] 7. 카페인의 추출과 분리 실험 결과 레포트

1. 목적

화합물의 분리와 정제에 사용되는 추출법을 이용하여 홍차 잎에서 카페인을 추출한다.

 

2. 시약&기구

• 시약: CaCO3 0.4g, 포화 NaCl 수용액, Na2SO4, 홍차
• 기구: 100㎖ 비커 2개, 눈금 실린더, 가열판, 뷰흐너 깔때기, 분별 깔때기, 감압 플라스크, 아스피레이터, 회전 농축기, 시약 주걱, 거름종이

 

3. 원리

(1) 화합물의 분리

• 고체 + 액체가 혼합되어 있는 경우 : 거름종이와 깔때기 이용
• 휘발성이 큰 용매와 함께 혼합된 경우 : 용매를 증발시켜서 순수한 화합물을 얻음
• 어떤 용매에 녹는 특성이나 종이나 충전층을 지나가는 속도가 다른 경우 : 크로마토그래피
• 용매에 따라 화합물의 녹는 특성이 큰 차이를 보이는 경우 : 추출

 

(2) 추출 : 고체에 포함되어 있는 화합물을 녹여내는 경우나, 수용액과 유기 용매에 녹는 특성이 다른 점을 이용

• (예) 음식물이나 한약을 물에 넣고 끓이는 것 : 식품이나 한약재에서 뜨거운 물에 잘 녹는 성분이 녹아 나오 는 추출 현상
• 물에 잘 녹지 않는 유기 용질은 유기 용질을 잘 녹이면서도 물과 섞이지 않는 유기 용매를 사용하여 유기 용매 층으로 추출할 수 있다.
• 벤젠이나 헥세인처럼 물보다 밀도가 작은 유기 용매는 물보다 위에 층을 이루게 되고, 메틸렌 클로라이드(디클로로메테인)나 클로로폼과 같이 밀도가 큰 유기 용매는 물보다 아래에 층을 이루게 된다.

 

(3) 분배계수

• 분배계수 K : 물과 유기 용매가 담긴 분별 깔때기를 잘 흔들어주면 용질이 두 용매 층 사이에서 평형을 이룰 때 두 층에서의 용질의 농도비
• 
• 분배계수가 1보다 큰 경우 : 같은 부피의 용매 A와 B를 사용할 때 처음에 B에 녹아있던 용질의 절반 이상이 용매 A로 옮겨가게 되고, 용매 A를 분리해서 적당한 방법으로 용매를 제거하면 순수한 용질을 얻을 수 있게 된다.

 

(4) 알칼로이드

• 알칼로이드는 일반적으로 헤테로고리 화합물로 주로 질소 원자가 고리 안에 존재한다.
• 카페인과 DNA또는 RNA에서 발견되는 구아닌과 아데닌은 알칼로이드라고 할 만큼 충분한 활성도를 가지고 있지는 않지만 이들 모두 이중 고리 형태인 퓨린 염기를 포함하고 있다.

 

(5) 카페인 추출

• 차 잎에는 약 3~5%의 카페인이 함유되어 있으며 더운 물로 카페인을 추출할 수 있다.
• 타닌산(tannic acid)과 같은 불순물은 탄산 칼슘을 첨가하여 제거하고 추출된 용액은 클로로폼으로 추출한다. 탄산 칼슘은 산과 반응하여 불용성인 칼슘염을 만들게 된다.
• 생성된 염과 차의 잎들은 여과하여 제거 해준다. 이 때 차 속에 있는 갈산(gallic acid)이나 타닌(tannin)은 클로로폼에 녹지 않으므로 수용액 층에 남게 된다.
• 차의 갈색은 주로 플라보노이드(flavonoid) 색소와 클로로필(chlorophyll)의 색이다. 클로로필은 클로로폼에 조금 녹지만 그 이외의 차 성분은 녹지 않기 때문에 차의 클로로폼 추출액은 거의 순수한 카페인으로 되어 있다.

(6) 카페인

• 카페인은 알칼로이드 화합물로서 차나 커피 등에 많이 함유되어 있다.
• 화학식은 C6H10N4O2이며, 3개의 메틸기를 가진 크산틴 구조이다.
• 건조한 찻잎에는 1~5% 함유되어 있는데, 여기서 추출되는 것 외에 합성으로도 생성된다.
• 견사광택이 나는 무색·무취의 흰색 바늘 모양 결정인 침상 구조이고, 뜨거운 물과 알코올에 약간 녹으며 쓴맛이 있다.
• 카페인은 강심제, 중추신경 자극제, 이뇨제등의 약효를 보여주고 있다 그러나 내성 및 습관성이 생기며, 카페인이 들어 있는 차를 하루 5잔 이상 마시면 무기력감, 두통, 메스꺼움을 느껴 독극물이 될 수도 있다.
• 녹차 등에서 뜨거운 물로 추출하여 타닌 등 불순물을 제거하고 분리할 수 있다.

 

(7) 에멀전(emulsion)

• 두 액체를 혼합할 때 한쪽 액체가 미세한 입자로 되어 다른 액체 속에 분산해 있는 계 (예) 동물의 젖, 우유
• 때로는 분산질의 여하를 불문하고 젤라틴과 같은 친수 콜로이드로 보호된 콜로이드 분산계를 에멀전이라 하기도 하고, 분산해 있는 입자가 콜로이드 입자의 크기와 같은 유탁 콜로이드와 구별되지 않을 때도 있다.
• 물과 기름처럼 서로 용해하지 않는 두 액체를 흔들어서 섞으면 에멀전이 되지만, 이것은 일반적으로 불안정하여 방치해 두면 다시 두 액상으로 갈라지는 경우가 많다. 이것을 안정시키려면 에멀전화제를 가하는 것이 보통이다.

 

(8) 염석 효과(salting-out effect)

• 수용액 층에 염을 넣어 주면 수용액에 녹아있는 유기물이 유기용매 층으로 더 많이 옮아가는 현상
• 비눗물에 다량의 식염을 가하면 비누가 석출되고, 단백질 수용액에 황산 암모늄을 가하면 단백질이 침전하게 된다.
• 또 식염 수용액에 염화 수소 기체를 통과시키면 염화 나트륨이 석출되고 알코올 수용액에 탄산 칼륨을 가하면 알코올이 분리되는 현상도 넓은 뜻에서 염석이라고 한다.

 

4. 유의사항

1. 메틸렌 클로라이드는 독성이 강한 용매이기 때문에 손에 묻지 않도록 조심해야하고, 사용하고 남은 용매는 반드시 회수통에 모아서 적절하게 처리해야 한다.
2. 사용한 뷰흐너 깔때기와 감압 플라스크는 깨끗이 닦아서 아세톤으로 헹군 후에 잘 말려서 사용해야 한다.
3. 에멀전이 너무 많이 생겨서 제거하기 어려울 경우에는 에탄올 0.5㎖를 넣어주고 가볍게 흔들어 준다. 에멀전이 생기면 제거하기 어렵기 때문에 처음에 분별 깔때기를 너무 심하게 흔들지 않도록 하는 것이 바람직하다.
4. 감압기로 메틸렌 클로라이드를 증발시키는 것이 쉽지 않으므로, 메틸렌 클로라이드의 사용량을 줄이도록 노력해야 한다.
5. 분별 깔때기를 흔들 때에는 용액이 새어나오지 않도록 마개를 손가락으로 잘 눌러 주어야 하고, 가끔씩 마개를 열어서 내부의 압력을 제거해야 한다. 마개를 열 때에는 깔때기의 입구가 옆 사람을 향하지 않도록 조심한다.

 

5. 실험과정

1. 100㎖ 비커 두 개에 각각 60㎖와 30㎖의 물을 넣고 50~60℃로 가열한다.
2. 60㎖의 물이 담긴 비커에 홍차(티백포장 6개)와 CaCO3 0.4g을 넣은 후 20~30분간 가열한다.
3. 뜨거운 물을 조금 식힌 다음에 홍차 봉지를 꺼내서 손으로 눌러 짜고, 30㎖의 물이 담긴 비커에 넣어 다시 한 번 가열하고 봉지를 눌러 짠다.
4. 뷰흐너 깔때기에 거름종이를 올려놓고 3에서 준비한 용액을 감압기를 사용해서 거른다. 분별 깔때기의 용량이 크지 않으므로 작은 양의 물을 사용해서 비커에 남아있는 홍차 용액을 씻어서 뷰흐너 갈때기에 함께 넣는다.
5. 거른 용액을 ②에서 얻은 용액과 함께 분별 깔때기에 넣는다.
6. 메틸렌 클로라이드 6㎖와 포화 NaCl 용액 3㎖를 함께 넣고 분별 깔때기의 마개를 막은 후 10분 이상 가볍게 흔들어준다. 깔때기를 너무 세게 흔들면 에멀전이 만들어지기 때문에 조심해야 한다. 에멀젼이 생기면 분별 깔때기를 돌려 가면서 가볍게 흔들어 주고, 그래도 없어지지 않으면 약숟가락을 사용해서 에멀전 근처를 조심해서 저어준다.
7. 분별 깔때기를 스탠드에 세워두고 잠시 기다린 후에 아래쪽의 메틸렌 클로라이드 용액을 비커에 받아낸다.
8. 위쪽에 남은 수용액 측에 다시 메틸렌 클로라이드 6㎖와 포화 NaCl 용액 3㎖를 넣고 추출하는 과정을 3번 정도 더 반복하고, 메틸렌 클로라이드 용액을 함께 모은다.
9. 메틸렌 클로라이드 용액에 건조제인 Na2SO4를 2~3 숟가락 넣고 잘 흔들어준다.
10. 뷰흐너 깔때기에 거름종이를 깔고 감압 플라스크를 사용해서 건조제를 걸러낸다.
11. 회전 농축기를 이용하여 메틸렌 클로라이드를 증발시킨다. 이때 40℃ 정도의 뜨거운 물을 준비해서 중탕을 시켜주면 증발 속도를 빠르게 할 수 있다.

 

 

6. 실험결과

(1) 추출한 카페인의 색깔: 흰색, (모양은 바늘모양의 결정) 불순물이 있는 경우에는 연두색

(2) 홍차 한 봉지에 포함된 카페인의 양

• 홍차 한 봉지에 들어있는 홍차 잎의 질량:
• 사용한 홍차 봉지의 수
• 홍차 잎의 총 질량: 10.00 g (COMMENT: 한 봉지의 질량을 측정안하고 홍차 잎을 정확히 10.00 g 측정함)
• 추출한 카페인의 질량: 0.20 g / 0.29 g / 0.15 g
• 홍차에 포함된 카페인의 비율: 2.0% / 2.9% / 1.5%

 

(3) 추출한 카페인에 불순물이 들어있다면 실험 결과에 어떤 영향이 있겠는가? 또한 추출한 카페인의 순도를 알아내려면 어떻게 해야 하는가?

• 불순물이 들어 있는 경우: 카페인 결정의 색이 연두색 빛을 띠며 질량이 더 크게 측정되어 수득률이 크게 계산되므로 오차가 발생한다.
• 추출한 카페인의 순도를 알아내는 방법: 카페인의 흡광도를 측정한다.

 

7. 고찰(생각해볼 사항)

(1) CaCO3를 사용하는 이유는 무엇인가?

• 첫째, 홍차(녹차)에서 CH2Cl2 층으로 카페인의 추출이 잘 일어나게 하기 위해서이다. 카페인은 알칼로이드로 약한 염기인데 산이 존재하면 서로 반응하여 염을 생성해서 유기용매층으로 추출이되지 않는다. 이때 탄산칼슘 수용액은 약한 염기성을 띠어 녹차에 들어 있는 크산틴, 데아닌과 같은 약산을 제거하는 역할을 하여 유기층으로 카페인의 추출이 잘 일어나게 돕는다.

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• 둘째, 염석효과를 위해서다. 수용액 층에 탄산칼슘과 같은 염을 넣어주면 수용액에 녹아 있는 유기물이 유기용매층으로 더 많이 옮아간다. 탄산칼슘을 녹여 수용액층을 염기성 이온으로 포화시켜주면 염으로 존재하는 카페인도 더 강한 탄산칼슘에 의해 유기물 분자로 되돌아가 CH2Cl2 유기용매층에 더 잘 녹는다.

 

(2) 카페인의 수득률을 높이기 위한 방법

• 찻잎을 우려낼 때 용해도를 높여야 한다. 이를 위해 첫째, 찻잎을 갈아 표면적을 크게 한다.
• 둘째, 추출하는 물의 온도를 높게 하고 용매인 물의 양을 늘린다. 단, 지나치면 농도가 묽어져 유기용매로의 분배가 잘 일어나지 않으므로 주의한다.
• CH2Cl2로 추출시 적은 양으로 여러 번 추출한다.