Uvod
Alkaloidi su vrlo raznolika skupina prirodnih spojeva koji se mogu izolirati iz biljaka. Razlikuju se po strukturi, fiziološkom djelovanju na životinjske organizme, kao i po biokemijskim putevima nastanka u biljkama. Kao ljekovita sredstva dio su ljudske civilizacije više od 4 000 godina. Prvobitno su korišteni kao biljni pripravci, a kasnije kao aktivne tvari u napitcima, mastima i otrovima. Prvi pokušaji izolacije i identifikacije tih biljnih tvari bilježe se početkom 19. stoljeća.
Alkaloidi su vrlo raznolika skupina prirodnih spojeva koji se mogu izolirati iz biljaka.
Razlikuju se po strukturi, fiziološkom djelovanju na životinjske organizme,
kao i po biokemijskim putevima nastanka u biljkama.
Kao ljekovita sredstva dio su ljudske civilizacije više od 4 000 godina.
Prvobitno su korišteni kao biljni pripravci.
Kasnije kao aktivne tvari u napitcima, mastima i otrovima.
Prvi pokušaji izolacije i identifikacije tih biljnih tvari bilježe se početkom 19. stoljeća.
Prvi alkaloid izoliran u čistom kristalnom obliku bio je morfin. Izolirao ga je Friedrich Wilhelm Sertürner godine 1805. Odredivši bazični karakter izoliranih kristala, Setürner ih je nazvao biljnim alkalijama. Naziv alkaloidi prvi je koristio ljekarnik Meissner godine 1818. Od tada se svi spojevi sličnih bazičnih svojstava nazivaju alkaloidima. Kafein je u laboratoriju sintetizirao Fischer 1985. iz dimetiluree i malonske kiseline.
Prvi alkaloid izoliran u čistom kristalnom obliku bio je morfin.
Izolirao ga je Friedrich Wilhelm Sertürner godine 1805.
Odredivši bazični karakter izoliranih kristala, Setürner ih je nazvao biljnim alkalijama.
Naziv alkaloidi prvi je koristio ljekarnik Meissner godine 1818.
Od tada se svi spojevi sličnih bazičnih svojstava nazivaju alkaloidima.
Kafein je u laboratoriju sintetizirao Fischer 1985. iz dimetiluree i malonske kiseline.
Svi su alkaloidi podijeljeni unutar tri velike skupine spojeva:
- pravi alkaloidi – sadrže dušik u heterocikličkom prstenu i u pravilu su uvijek bazičnog karaktera zbog nesparenog elektronskog para na atomu dušika. Biogenetski alkaloidi nastaju iz aminokiselina koje su prekursori za njihovu sintezu. Otrovnost im je različita i posjeduju širok spektar farmakološke aktivnosti. Obično se pojavljuju kao kompleksi s organskim kiselinama, zbog čega se lako otapaju u vodenom mediju. Poznati su i kvaterni alkaloidi u kojima je atom dušika četverovalentan i ima pozitivan naboj (poput amonijevog kationa), zbog čega je i bazičnost ovih alkaloida prilično mala.
- protoalkaloidi – jednostavni amini nastali iz aminokiselina u kojima bazični dušikov atom nije dio prstenastog sustava. Često se nazivaju i biogenim aminima (npr. meskalin).
- pseudoalkaloidi – sadrže atom dušika koji podrijetlom nije iz aminokiselina. Podijeljeni su u dvije glavne skupine: steroidni alkaloidi i purini. Kafein je purinski alkaloid.
Svi su alkaloidi podijeljeni unutar tri velike skupine spojeva:
1.pravi alkaloidi – sadrže dušik u heterocikličkom prstenu.
U pravilu su uvijek bazičnog karaktera zbog nesparenog elektronskog para na atomu dušika.
Biogenetski alkaloidi nastaju iz aminokiselina koje su prekursori za njihovu sintezu.
Otrovnost im je različita i posjeduju širok spektar farmakološke aktivnosti.
Obično se pojavljuju kao kompleksi s organskim kiselinama.
Zbog toga se lako otapaju u vodenom mediju.
Poznati su i kvaterni alkaloidi u kojima je atom dušika četverovalentan i ima pozitivan naboj (poput amonijevog kationa).
Zbog toga je i bazičnost ovih alkaloida prilično mala.
2.protoalkaloidi – jednostavni amini nastali iz aminokiselina u kojima bazični dušikov atom nije dio prstenastog sustava.
Često se nazivaju i biogenim aminima (npr. meskalin).
3.pseudoalkaloidi – sadrže atom dušika koji podrijetlom nije iz aminokiselina.
Podijeljeni su u dvije glavne skupine: steroidni alkaloidi i purini.
Kafein je purinski alkaloid.
Svojstva kafeina – primjer istraživačke nastave u kemiji
1. PRISJETIMO SE ŠTO VEĆ ZNAMO O TEMI ISTRAŽIVANJA
Alkaloid kafein je sekundarni metabolit koji se može naći u mnogim biljkama. Nalazi se u čaju i kavi, a koristi se kao dodatak i u nekim osvježavajućim napitcima.
Kafein (1,3,7-trimetilksantin) i njegov bliski srodnik teobromin (3,7-di-metilksantin) imaju oksidirani purinski skelet (ksantin). To su pseudoalkaloidi jer jedino dušik na položaju C-7 potječe iz aminokiseline glicina. Ta dva metilirana ksantina mogu se naći u mnogim biljkama i najčešće su korišteni stimulansi. Dobro su topljivi u vrućoj vodi jer s taninskim kiselinama u listićima čaja ili zrnima kave stvaraju topljive komplekse.
Kafein (1,3,7-trimetilksantin) i njegov bliski srodnik teobromin (3,7-di-metilksantin) imaju oksidirani purinski skelet (ksantin).
To su pseudoalkaloidi jer jedino dušik na položaju C-7 potječe iz aminokiseline glicina.
Ta dva metilirana ksantina mogu se naći u mnogim biljkama.
Najčešće su korišteni stimulansi.
Dobro su topljivi u vrućoj vodi jer s taninskim kiselinama u listićima čaja
ili zrnima kave stvaraju topljive komplekse.
Glavni problem pri izolaciji alkaloida je njihovo odvajanje od neželjenih tvari, koje su također sastavni dio prirodnih materijala.
2. POSTAVIMO ISTRAŽIVAČKO PITANJE
Zeleni i crni čaj ubrajaju se u najljekovitije napitke u svijetu. Budući da spadaju među najmanje obrađivane čajeve, zadržavaju svoje vrijedne zdravstvene pogodnosti, kao što su izuzetno visoke razine antioksidansa i korisnih polifenola. Pretjerana konzumacija može dovesti do neželjenih efekata, odnosno nuspojava koje nisu opasne po život, ali mogu naštetiti zdravlju. Jedan od razloga za to je i prisutnost kafeina u čaju. Može li se kafein izolirati iz listova čajevca od kojeg se pripravljaju zeleni i crni čaj i koliki je udio kafeina u čaj?
3. OBLIKUJMO PRETPOSTAVKU
Kafein je alkaloid jednostavne građe koji se kemijskim i fizikalnim postupcima može relativno lako izolirati, a u biljnom materijalu dolazi u pogodnim koncentracijama.
4. PLANIRAJMO I PROVEDIMO ISTRAŽIVANJE
etape rada
a) Prikupite podatke kojima će se osmisliti postupak izolacije. Timskom suradnjom proučite dobivene podatke vezane za opis izvedbe pokusa i prokomentirajte ih s nastavnikom te pripremite potrebne kemikalije i pribor.
Prikupljeni podatci za pripremu izolacije kafeina iz crnog čaja:
- Glavni sastojak lišća je celuloza koja se u vodi ne otapa pa ne pravi poteškoće u postupku izolacije. Kafein čiji je maseni udio 2-5 %, topljiv je u vodi, kao i tanini (treslovine).
- Tanini ne predstavljaju jedan homogeni spoj. To je skupina spojeva fenolne građe, čija se molarna masa kreće od 500 do 3 000 g/mol. Tanini su kiseli pa se dodatkom baze prevode u soli.
- Kafein se iz lužnate otopine čaja estrahira kloroformom, dok kalcijeve ili natrijeve soli tanina ostaju u vodenom sloju. Kloroform se uklanja destilacijom, a preostali sirovi kafein se pročišćava prekristalizacijom ili sublimacijom.
- Fizikalna svojstva kafeina, C8H10N4O2
M = 194,2 g/mol
tt = 238 °C
sublimira pri 178 °C
dobro je topljiv u kloroformu, pirimidinu i vrućoj vodi, a slabo je topljiv u hladnoj vodi te u etanolu.
b) Osmislite postupak i primijenite ga.
Glavni problem pri izolaciji alkaloida je njihovo odvajanje od neželjenih tvari, koje su također sastavni dio prirodnih materijala.
2. POSTAVIMO ISTRAŽIVAČKO PITANJE
Zeleni i crni čaj ubrajaju se u najljekovitije napitke u svijetu.
Budući da spadaju među najmanje obrađivane čajeve, zadržavaju svoje vrijedne zdravstvene pogodnosti.
Neke od tih pogodnosti su izuzetno visoke razine antioksidansa i korisnih polifenola.
Pretjerana konzumacija može dovesti do neželjenih efekata.
Može dovesti do nuspojava koje nisu opasne po život, ali mogu naštetiti zdravlju.
Jedan od razloga za to je i prisutnost kafeina u čaju.
Može li se kafein izolirati iz listova čajevca od kojeg se pripravljaju zeleni i crni čaj?
Koliki je udio kafeina u čaju?
3. OBLIKUJMO PRETPOSTAVKU
Kafein je alkaloid jednostavne građe koji se kemijskim i fizikalnim postupcima može relativno lako izolirati.
U biljnom materijalu dolazi u pogodnim koncentracijama.
4. PLANIRAJMO I PROVEDIMO ISTRAŽIVANJE
etape rada
a) Prikupite podatke kojima će se osmisliti postupak izolacije.
Timskom suradnjom proučite dobivene podatke vezane za opis izvedbe pokusa.
Prokomentirajte ih s nastavnikom te pripremite potrebne kemikalije i pribor.
Prikupljeni podatci za pripremu izolacije kafeina iz crnog čaja:
- Glavni sastojak lišća je celuloza koja se u vodi ne otapa pa ne pravi poteškoće u postupku izolacije. Kafein čiji je maseni udio 2-5 %, topljiv je u vodi, kao i tanini (treslovine).
- Tanini ne predstavljaju jedan homogeni spoj. To je skupina spojeva fenolne građe, čija se molarna masa kreće od 500 do 3 000 g/mol. Tanini su kiseli pa se dodatkom baze prevode u soli.
- Kafein se iz lužnate otopine čaja estrahira kloroformom, dok kalcijeve ili natrijeve soli tanina ostaju u vodenom sloju. Kloroform se uklanja destilacijom, a preostali sirovi kafein se pročišćava prekristalizacijom ili sublimacijom.
- Fizikalna svojstva kafeina, C8H10N4O2
M = 194,2 g/mol
tt = 238 °C
sublimira pri 178 °C
dobro je topljiv u kloroformu, pirimidinu i vrućoj vodi, a slabo je topljiv u hladnoj vodi te u etanolu.
b) Osmislite postupak i primijenite ga.
5. ANALIZIRAJMO REZULTATE I DONESIMO ZAKLJUČKE
Na temelju provedenog pokusa i dokumentiranih koraka u izvedbi:
a) izračunajte udio kafeina u listovima crnog čaja
b) izračunajte udio kafeina u šalici napitka crnog čaja
c) predložite postupke za daljnju analizu fizikalnih i kemijskih svojstava produkta
d) donesite zaključak.
6. NAŠA PRETPOSTAVKA JE POTVRĐENA / NAŠA PRETPOSTAVKA JE OPOVRGNUTA
Ako je vaša pretpostavka opovrgnuta, razmislite i pokušajte s novom pretpostavkom.
7. NAPRAVIMO IZVJEŠTAJ
Rezultate rada prikažite prezentacijom ili plakatom izrađenim u PowerPoint-u.
DODATAK ISTRAŽIVAČKOM RADU:
Istražite mehanizam biološkog djelovanje kafeina na organizam, izdvojite njegove povoljne i nepovoljne učinke. Organizirajte razrednu debatu na temu "Za ili protiv kafeina".