LABORATUVAR ÖĞRENCİ DENEY FÖYÜ

K 475 ( K 453 eski kodu) İLERİ ORGANİK KİMYA LABORATUVARI II

DENEY NO. 1. EKSTRAKSİYON

SOXLET YÖNTEMİ İLE ÇAYDAN KAFEİN ELDESİ

Hazırlayan : Doç. Dr. Kâmran POLAT

Eylül, 2005

EKSTRAKSİYON

Ekstraksiyon, çözeltilerden, veya katı karışımlardan bir maddeyi ayırmak, ekstraksiyon çözücüsünü ve istenmiyen safsızlıkları karışımlardan uzaklaştırmak için yapılan bir işlemdir. Laboratuvarda en çok çözeltilerden ekstraksiyon yapılır.

1. TEORİ

Ekstraksiyonun teorisi dağılma kanununa dayanır. Dağılma kanunu karışmayan aynı miktar iki sıvıda çözünen bir maddenin bu iki fazdaki konsantrasyonları oranının belli bir sıcaklıkta sabit olduğudur. Burada maddenin her iki fazda da aynı yapıya sahip olduğu kabul edir. Karışmayan iki faz A ve B, çözünen maddenin her iki fazdaki konsantrasyonu C_A ve C_B ise belli bir sıcaklıkta C_A/C_B = K dır. K sabiti dağılma katsayısıdır. Organik maddeler genellikle organik çözücülerde sudakinden daha çok çözünür. Bundan yararlanarak organik maddeler sulu çözeltilerinden bir organik çözücüyle ekstrakte edilebilir. Sulu çözeltiye elektrolit maddeler (CaCI₂,NaCI) ilave edilirse organik maddenin sulu fazdaki çözünürlüğü daha da azalır.

Ekstraksiyonda amaç, organik maddeyi ayırmak, fakat aynı zamanda da fazla çözücü harcamamaktır. Belli miktar çözücünün hepsini bir defa bir ekstraksiyonda mı, yoksa aynı miktarı bir kaç defada mı kullanmak gerektiği aşağıda açıklanmıştır: w_o gram madde içeren V ml sulu çözeltiden S ml organik çözücüyle yapılan bir ekstraksiyonda sulu fazda w_ı gram madde kalsın. Dağılma kanununa göre aşağıdaki eşitlikler yazılabilir.

veya

Aynı miktar, S ml organik çözücü kullanarak ikinci bir ekstraksiyon yapılırsa sulu fazda kalan w₂gram madde için aşağıdaki eşitlikler yazılabilir.

veya

Ayni işlem n defa yapılırsa, sulu fazda kalan madde miktarı, w_n için;

eşitliği yazılabilir. Örneğin, 4 g n-bütirik asidin 15 ^oC de 100 ml deki çözeltisi 100 ml benzenle ekstrakte edilirse ve n-bütirik asidin benzendeki dağılma katsayısı suya göre 3 ise bir defa ekstraksiyon sonunda sulu fazda kalan n-bütirik asit miktarı:

fakat aynı miktar benzen (100 ml) üç defada kullanılırsa suda kalan madde miktarı;

dır. O halde aynı miktar çözücü ile fazla sayıda ekstraksiyon yapmakla daha fazla madde istenilen çözücü fazına alınır.

EKSTRAKSİYON İŞLEMİ

Laoratuvarda en çok uygulanan işlemlerden biri organik maddeyi çözeltisinden veya süspansiyonundan organik bir çözücü kullanarak ekstraksiyon yapmaktır. Çözelti veya süspansiyon genellikle su fazıdır. Ekstraksiyon için kullanılan organik çözücü su ile karışmamalıdır. Ekstraksiyon için en çok kullanılan çözücüler, dietil eter, di -izopropil eter, benzen, kloroform, karbon tetraklorur ve petrol eteridir. Bu çözücülerin hangisinin kullanılacağı, ekstrakte edilecek maddenin çözücüdeki çözünürlüğü ve maddenin çözücüden ayrılma kolaylığı göz önüne alınarak belirlenir. En çok kullanılan çözücü dietil eterdir. Kuvvetli çözücülüğü ve düşük kaynamasına karşın yanma tehlikesi vardır. Bu, dizopropil eter kullanılarak ortadan kaldırılabilir, fakat bu çözücü de pahalıdır.

Belli bir miktar çözücüye birkaç defa kullanılarak yapılan ekstraksiyonun daha fazla madde kazandırdığı yukarıda açıklanmıştı. Burada, en çok kullanılan dietil eterle sulu bir çözeltiden ekstraksiyon işlemi anlatılmıştır. Bunun için sulu çözeltinin hacminin yaklaşık iki katına eşit hacimde bir ayırma hunisi seçilir. Ayırma hunisinin musluğu ve kapağı iyi kapanmalıdır, kuru ve temiz bir ayırma hunisinin musluğu ve kapağı vazelinlenir. içine ekstrakte edilecek çözelti ve yaklaşık üçte biri kadar eter konur. Huninin ağzı kapatılır ve kapağı tutularak yavaşça çalkalanır (Şekil1 a). Bu sırada eterin buharlaşmasıyla huni içinde basınç artacaktır. Basınç, huni ters çevrilip musluğu yavaşça açılarak azaltılır. (Şekil 1 b). Musluk kapatılır ve huni tekrar çalkalanır. Bu işlem huni içindeki atmosfer, eter buharıyla doyuncaya kadar tetrarlanır, bu halde huni içinde basınç artması olmaz. Huni birkaç dakika daha kuvvetle çalkalanır, yeteri kadar maddenin eter fazınageçtiği düşünülünce, fazların ayrılması için huni bir halkaya konup bekletilir (Şekil 1 c). Alttan sulu faz ve üstten eterli faz alınır. Sulu faz tekrar ayırma hunisine konur ve taze çözücüyle ekstraksiyon işlemi tekrarlanır. Çoğunlukla üç ekstraksiyon yeter. Fakat dağılma katsayısı ve ekstrakte edilecek çözeltinin miktarı göz önüne alınarak üçten az veya çok ekstraksiyon yapılabilir. Eterli çözeltiden madde, eter uçurularak kazanılır ve sonra saflaştırılır (damlatma, kristallendirme, v.b. ile). Anlatılan ekstraksiyon işlemi, her çözücü için aynen uygulanabilir.

Şekil 1. Ekstraksiyon işlemi

Ekstraksiyon işleminde fazların birbirinden ayrılmaması ve emülsiyon halinde kalması en sık karşılaşılan durumlardır. Bu durumda, sulu faz sodyum klorürle doyurulur, çözücü uygunsa birkaç damla alkol damlatılabilir veya en iyisi bir süre beklenir.

KİMYASAL ETKİLEŞMEYE DAYANAN EKSTRAKSİYON

Bu tür ekstraksiyonda ayrılacak madde ekstraksiyon çözeltisi ile bir reaksiyon verir. Bu tür ekstraksiyon, karışımlardan bileşenleri ayırmak ve organik madde içindeki safsızlıkları uzaklaştırmak için uygulanır. Organik bir çözücü içinde çözünmüş birkaç madde içinden organik bir asidi, inorganik bir bazın sulu çözeltisiyle ekstrakte etmek ve organik bir reaksiyon sonunda ortamda kalan ve istenmeyen benzaldehidi sodyum bisülfit çözeltisiyle ekstrakte etmek sırasıyla birinci ve ikinci duruma örnektir.

Seyreltik sodyum hidroksit, sodyum karbonat ve sodyum bikarbonat çözeltileri organik asitleri ve asidik safsızlıkları organik çözücülerdeki çözeltilerinden ekstraksiyon ile ayırmak için kullanılır. Ekstraksiyon, asit ve bazdan oluşan tuzun organik fazda çözünmemesine ve suda çözünmesine dayanır. Seyreltik hidroklorik asit ve sülfürik asit de aynı özelliğe dayanarak organik bazların ve bazik safsızlakların ekstraksiyon ile uzaklaştırılması için kullanılır. Derişik soğuk sülfürik asit, doymamış hidrokarbonları doymuş hidrokarbonlardan, alkol ve eterleri alkil halojenürlerden ekstarksiyon ile ayırmaya yarar.

SÜREKLİ EKSTRAKSİYON

Organik maddeler, suda organik çözücülerden daha fazla çözündüğünde veya bir katı fazda bulunup organik çözücülerde az çözündüğünde, sürekli ekstraksiyon işlemi uygulanır. Bu yolla daha az çözücü kullanarak, çözünürlük organik çözücünün aleyhine olduğu halde fazla miktarda madde kazanılabilir. Ekstraksiyon sıvı-sıvı arasında olacaksa yani madde sudan ekstrakte edilecekse kullanılacak organik çözücünün sudan ağır veya hafif oluşuna göre farklı ekstraksiyon düzenekleri kullanmak gerekir. Şekil 2 a sudan hafif ve Şekil 2.b sudan ağır organik çözücüler ile yapılacak ekstraksiyon için kullanılan düzenekleri göstermektedir: A soğutucu; B, Şekil 2.a ve Şekil 2.b de sırasıyla, sudan hafif ve sudan ağır ekstraksiyon çözücüsün bulunduğu balon; C organik maddeyi içeren sulu faz ve D ekstrakte edilen organik madde çözeltisinin toplandığı balondur.

Şekil 2. Sürekli ekstraksiyon sistemleri

Organik maddeyi içeren çözücü sudan farklı bir çözücü de olabilir. Unutulmaması gereken nokta, iki çözücünün birbiriyle karışmamasıdır. Bu iki düzenekte de, balonda kaynayan ekstraksiyon çözeltisi soğutucuda yoğunlaşarak, organik maddeyi içeren faz içinden damlalar halinde geçer ve tekrar balona döner. Böylece devam eden ekstraksiyon işleminde süre geçtikçe balonda kaynayan organik çözücü içine geçen organik madde miktarı artar.

SOXLET EKSTRAKSİYONU

Katılardan yapılan ekstraksiyon işlemi için en çok kullanılan düzenek soxlet cihazıdır. Bunun çeşitli türleri vardır, Şekil 3 de bir soxlet cihazı gösterilmiştir. Cihaz üç kısımdan oluşur: Balon, gövde ve geri soğutucu. Katı madde, seramik veya silindir şeklinde bükülmüş kalın süzgeç kağıdından yapılan bir kartuşa (C) konarak gövdenin içine yerleştirilir. Gövde, ekstraksiyon çözücüsünün konduğu bir balona (B) yerleştirilir. Gövde kısmının en üstüne de geri soğutucu (A) takılır. Balondaki çözücü ısıtıldığında, sıcak çözücü buharları geri soğutucuya doğru hareket etmeye başlar ve yoğunlaşarak katı maddenin bulunduğu kartuşa damlar. Bu işlem devam ederken, kartuş yavaş yavaş ılık çözücü ile dolmaya başlar. Kartuş çözücü ile tamamen dolduğunda, sifon hareketi ile balona geri akar. Bu işlem defalarca sürdürülür. Her bir döngüde çözücü bir miktar katı maddeyi balona taşır. Ancak, çözünmüş olan katı madde balonda kalır ve döngüye katılmaz. Zaten bu yöntemin en büyük avantajı da budur. Her döngüde yalnızca saf ekstraksiyon çözücüsü balondan buharlaşır. Ekstraksiyon sonunda çözücünün fazlası evaporatörde uzaklaştırılarak ham ürün elde edilir.

Şekil 3. Soxlet cihazı

Bu yöntem, tıp, eczacılık, kozmetik ve kimya gibi alanlarda, doğal kaynaklarından doğal ürünlerin elde edilmesinde, hem mikro hem de makro ölçekli boyutlarda uygulanmaktadır.

KAFEİN

Tanım ve Tarihçe

Kafein, organik kimyacıların alkaloitler (nikotin, morfin, stikinin, kodein ve kokain gibi) olarak adlandırdığı azot içeren ve bitkilerde doğal olarak bulunan organik bir amin bazıdır. Kafeinin temel bileşeni, nükleik asitlerin yapı taşı olan “purin” dir. Ancak, intektisit etkisi dışında bitki fizyolojisindeki görevi ve önemi tam olarak bilinmemektedir.

Tarihte bilinen ilk kafein tüketicileri, Etiyopya’da 1000 yıl önce kahve tüketen Galla kabilesinin üyeleridir. 1819 yılında kafein, ilk kez kahve çekirdeklerinden elde edilmiş ve bu saf kafein, Runge kafeini olarak adlandırılmıştır. İlk total sentezi ise 1895 yılında Fisher tarafından gerçekleştirilmiştir. 1000 yılı aşkın süredir günlük hayatımızda kafeinli besinlerin geniş ölçüde tüketilmesine karşın, kafein bilim adamları tarafından çok az ilgi görmüştür. Kafeinin günlük hayatamızdaki geleneksel kaynakları kahve, siyah çay, kolalı içecekler ve kakao’dur. Reçetesiz olarak satılan ağrı kesicilerin çoğu da kafein içerir.

Kafeinin yapısı ve özellikleri aşağıda gösterilmiştir.

Çaydan elde edilmesi, ayrılması ve saflaştırılması

Klasik yöntem

Çay yapraklarında kafein tek başına değildir, yanında pek çok doğal bileşik de vardır. Bu sebeple, kafeini diğer bileşenlerden ayırmak, kimyacılar için büyük bir problem olmuştur.

Çayda bulunan diğer önemli doğal bileşiklerden bazıları:

Selüloz: Bitki hücrelerinin en önemli yapı bileşenidir. Suda çözünmediği için ayırma işleminde bir problem oluşturmaz.

Taninler: Büyük molekül kütleli, suda çözünen ve çaya rengini veren bileşiklerdir. Tanin terimi, kimyasal yapısı bilinen basit bir bileşik veya molekülü ifade etmez. Bunlar, fenol grupları içeren (bundan dolayı asidik özellik gösterir) karmaşık yapılı bileşiklerdir.

Flavanoid pigmentler: Bitkilerde bulunan ve suda çözünen renkli bileşiklerdir.

Klorofiller: Yeşil bitki pigmentleridir ve suda çözünür. Karbon dioksit ve suyu karbonhidrat ve oksijene dönüştürür (fotosentez).

Kafein, Soxlet ekstraksiyonu geliştirilmeden önce çay yapraklarından, genellikle klasik kimyasal ayırma yöntemleri kullanılarak ayrılmaya çalışılmıştır (Çizelge 1).

Ayırma işleminin uygulanışı için bir deney örneği aşağıda verilmiştir:

Bir beher içine önce çay konur, üzerine bidestile su ve Na₂CO₃ ilave edilerek hafifçe kaynatılır (yaklaşık olarak 10-15 dakika). Katısından ayrılan sulu çözelti bir ayırma hunisine alınır ve metilen klorür (diklormetan) ile ekstraksiyon edilir. Ekstraksiyon sonunda ayrılan organik faz Na₂SO₄ üzerinde kurutulur. Kurutulan organik faz, hacminin yaklaşık üçte biri kalıncaya kadar ısıtılır ve tam bu anda petrol eteri katılır (3-5 mL). Petrol eteri ilave edilmesini takiben çözeltide kafein kristalleri oluşmaya başlar.

Çizelge 1. Klasik kimyasal yöntemler kullanılarak çaydan kafein elde edilmesinde izlenen basamaklar.

Çaydan elde edilen kafein, süblimleştirme yöntemi ile de saflaştırılabilir. Kafein 238 ^oC süblimleşir ve erir. Oldukça keskin erime noktasından dolayı, genellikle reaksiyon ortamında salisilat türevi hazırlanarak diğer bileşenlerden ayrılması ve tanımlanması tercih edilmektedir.

Soxlet ekstraksiyonu ile elde edilmesi

Deneyin yapılışı:

50 g kuru çay havanda iyice dövülerek toz haline getirilir. Soxlet cihazının gövde kısmına yerleştirilen bir kartuş (silindir şeklinde bükülerek cam hazne içine yerleştirilmiş süzgeç kağıdı) içine dikkatlice dökülür. Soxlet cihazının balon (1 L hacminde) kısmına 300 mL etanol konur. Geri soğutma kısmı gövdenin üzerine yerleştirilerek su giriş ve çıkış bağlantıları kontrol edilir. Balon magnetik-karıştırıcılı bir ısıtıcı üzerine oturtulur. Düzgün kaynamayı sağlamak için balon içine orta büyüklükte bir magnet atılır ve etrafı cam pamuğu ile sarılır. Yaklaşık 20 saat kaynatılır. Deney sonunda balonda, oldukça koyu renkli (kahverengi-siyah) bir çözelti elde edilir. Bu alkollü çözelti, kafein dışındaki diğer doğal ürünleri uzaklaştırmak için MgO in (25 g) 150 mL deki çözeltisine (bulamaç) katılır ve porselen bir kapsül içinde su banyosu üzerinde sık sık karıştırılarak kuruluğa kadar buharlaştırılır (hızlı ısıtma sıçramalara sebep olacağından buharlaştırma işlemi dikkatli yapılmalıdır). Çözücüsü buharlaştırıldıktan sonra toz haline gelen kalıntı, bir defa 250 mL sonra da 125 mL su ile üç kez kaynatılarak sıcak halde emilir.

Sulu süzüntüler bir araya toplanır, 25 mL sey.H₂SO₄ ilave edilerek yaklaşık üçte birikalıncayakadar buharlaştırılır. Eğer yumak şeklinde bir çökelek ayrılırsa, sıcak halde süzülür. Toplanan sulu çözelti, beş kez 30 mL kloroform (veya diklorometan) ile ekstraksiyon yapılır ve organik faz ayrılır.

Ekstraksiyon sonunda elde edilen organik faz renkli ise (açık ya da koyu sarı), birkaç mL sey. NaOH çözeltisi ve su ile çalkalanarak renk giderme işlemi uygulanır. Bu işlemden sonra, bir araya toplanan organik faz, susuz MgSO₄ veya Na₂SO₄üzerinde kurutulur ve evoparatörde kloroform uzaklaştırılır. Balonda kalan ham kafein çok az soğuk suyla çalkalanarak bir behere alınır, biraz daha su ilave edilerek (kafein suda bir miktar çözünür (22 mg/mL su, 25 ^oC) bu sebeple kristallendirirken su miktarına dikkat edilmelidir) tamamen berrak bir çözelti elde edilene kadar ısıtılarak yeniden kristallendirilir. Elde edilen saf kafeinin (beyaz iğne şeklinde parlak kristaller) erime noktası 238 ^oC dir. Kafein aynı zamanda süblimLeşen bir bileşik olduğundan saklanırken kabın ağzı sıkıca kapatılmalıdır.

Örnek soru ve çözümleri

Soru 1. 40 mg benzoik asit 100 mL suda çözülerek 100 mL benzen ile ekstrakte ediliyor. Çözücünün hepsiyle birden bir kez ekstraksiyonda sulu fazda kalan benzoik asit miktarı 10 mg olduğuna göre dağılma katsayısını (K_su/K_org), 2x50 mL çözücüyle yapılan ekstraksiyonda sulu fazda kalan benzoik asit miktarını bulunuz.

Çözüm 1.

W_n = 6,32 mg

Soru 2. 50 mg aspirin örneği, 100 mL sulu çözeltisinden 75 mL kloroform ile ekstrakte ediliyor. Ekstraksiyon sonunda sulu fazda kalan aspirin miktarı, 12,5 mg olduğuna göre dağılma katsayısını (K_su/K_org) bulunuz.

Çözüm 2.

Soru 3. Bir krotonik asit örneği 60 mL sulu çözeltisinden 60 mL CH₂Cl₂ ile ekstrakte ediliyor. Ekstraksiyon işlemi organik çözücünün tamamıyla bir defa yapıldığında 11,75 mg; eşit hacimdeki çözücüyle üç kez yapıldığında 5,88 mg maddenin sulu fazda kaldığı görülüyor. Buna göre, başlangıçtaki ve eşit hacimdeki çözücüyle iki kez ekstraksiyon yapıldığında sulu fazdaki örneğin miktarını ve ekstraksiyon verimini bulunuz.(K_CH_2Cl₂/H₂O=3 kabul ediniz)

Çözüm 3.