[일반화학실험]카페인의 추출과 분리(Extraction and Separation of Caffeine)

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

추출(extraction)은 화합물의 특성에 따라 극성 또는 비극성용매에 녹는 차이를 이용한 분리 방법으로 일상생활에서도 널리 사용되고 있다. 한약재를 물에 넣고 끓이는 것으로 뜨거운 물에 잘 녹는 성분을 추출하는 방법 및 차를 뜨거운 물에 우려 마시는 방법 등이 있다. 또한 실험실에서는 화합물이 물과 유기용매에 녹는 특성의 차이를 이용한 추출법을 많이 사용한다.

물에 잘 녹지 않고 유기용매에 잘 녹는 유기물은 물과 섞이지 않는 유기용매를 사용하여 유기용매 층으로 추출할 수 있다. 헥산, 에테르, 에틸 아세테이트처럼 물보다 밀도가 작은 유기용매는 물 위층에 놓이게 되고, 메틸렌 클로라이드같이 물보다 밀도가 큰 유기용매는 물 아래층에 놓이게 된다. 물과 유기용매가 들어있는 분별 깔대기를 잘 흔든 후 놓아두면, 용질이 두 용매 사이에서 평형을 이루게 된다. 이때 물과 유기 층에서의 용질의 농도비를 분배계수라 한다.

2. 추출(Extraction)

액체의 용매를 사용해서 고체 또는 액체 속에서 어떤 특정한 물질을 용해, 분리하는 조작이다. 혼합물속에서 산, 알칼리에 의한 반응 또는 킬레이트 생성과 같은 화학반응에 의해서 추출하거나 용매만 이용해서 추출한다.

고체에서 추출하는 경우를 고-액추출, 액체에서 추출하는 경우를 액-액추출 이라하며, 고-액추출은 침출이라고도 한다. 실험실에서는 각종 분리, 정제, 분석 등에 이용되고 있는데 고체에서 추출하는 데는 Soxhlt추출기, 액체에서 추출하는 데는 분액깰때기 등을 사용하며 용매로는 물, 알코올, 에테르, 석유에테르, 벤젠 등이 사용된다.

3. 카페인(Caffeine)

카페인은 다른 어떤 향정신성 약물보다 사용이 잦은 세상에서 가장 흔한 정신 흥분제이다. 커피나 차 초콜릿은 카페인을 함유하고 있는 대중화된 기호 식품이다. 이 식품들에는 카페인과 더불어 두 가지의 연관된 잰틴을 함유하고 있다. 

잰틴이란 카페인을 포함하는 화학유도체로서 알려진 가장 오래된 흥분제이다. 가장 주된 잰틴으로는 카페인, 테오플린, 테오로브빈이 있다. 카페인은 Alkaloid 화합물로 광택이 나는 무색, 무취의 흰색 바늘모양 결정이며 뜨거운 물과 알코올에 약간 녹으며 쓴 맛이 있다.

카페인은 강심제, 중추신경 자극제, 이뇨제 등의 약효를 보녀주고 있다. 그러나 내성 및 습관성이 생기며 카페인이 들어있는 차를 많이 마시면 무기력감, 두통, 메스꺼움을 느껴 독극물이 될 수도 있다.

4. 에멀젼(Emulsion)

두 액체를 혼합할 때 한 쪽 액체가 미세한 입자로 되어 다른 액체속에 분산해 있는 것이다. 이 액체의 가장 대표적인 예가 동물의 젖이기 때문에 유탁액이라고 한다. 일상생활에서 우유를 비롯하여 많은 예를 볼 수가 있는데 때로는 젤라틴과 같은 친수콜로리드로 보호된 콜로이드 분산계를 분산질의 여하를 불문하고 에멀젼이라 하기도 하고, 분산해 있는 입자가 콜로이드 입자의 크기와 같은 유탁 콜로이드와 구별하지 않을 때도 있다.

물과 기름처럼 서로 용해하지 않는 두 액체를 흔들어서 섞으면 에멀젼이 되지만 이것은 일반적으로 불안정하여 방치해 두면 다시 두 액상으로 갈라지는 경우가 많다. 이것은 안정시키려면 에멀젼화제를 가하는 것이 보통이다.

5. 염석효과(Salting-out effect)

용액 중에 만들어진 비누를 분리하기 위해서는 염화나트륨과 같은 전해질을 용액에 넣어준다. 전해질은 물속에서 모두 해리되기 때문에 전해질의 이온보다 극성이 작은 분자들은 서로 엉키게 되는데 이러한 현상을 염석효과라고 한다.

6. 추출에 사용하는 용매의 선택

1) 용매는 용액의 용매와 섞이지 않아야 한다.

2) 분리하고자 하는 성분은 잘 녹이고 다른 물질이나 불순물은 잘 녹이지 않는다.

3) 용매는 용질과 화학 반응을 하지 않는다.

4) 추출 후 용매와 용질을 쉽게 분리할 수 있어야 한다.

5) 용매의 인화성과 독성을 고려해야 한다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1) 250㎖ 비커, 250㎖ 삼각플라스크, 여과장치, 250㎖ 분별 깔대기

2) 250㎖ 둥근바닥 플라스크, 감압 증발장치를 사용하였다.

 

2. 실험 시약

1) 홍차(카페인 함유가 높은 립톤 홍차), CaCO3 anh. Na2SO4, sat. NaCl(aq), CH2Cl2

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 250㎖ 비커에 증류수 100㎖를 준비한다. 비커에 홍차와 CaCO3 0.4g을 넣고 70~80℃로 20분간 가열한 뒤 식힌다.

2) 식힌 홍차 티백을 짜낸 후, 용액을 뷰흐너 깔때기에 여과지를 올리고 감압 여과한다.

3) 거른 용액을 250㎖ 분별 깔때기에 넣는다.

4) CH2Cl2 50㎖를 분별 깔때기에 넣고 마개를 돌려 닫은 후 가볍게 흔들어준다.

5) 흔들어 준 후 매번 분별 깔때기를 거꾸로 하고 코크를 열어 분별 깔때기 안의 기체를 뺀다.

6) 에멀젼이 발생하면 포화 NaCl 수용액 20㎖를 분별 깔때기에 같이 넣고 흔든다.

7) 유기층과 물 층을 분리시키고, 아래의 CH2Cl2층을 250㎖ 삼각 플라스크에 조심스럽게 흘려 받는다.

8) 위의 수용액 층에 CH2Cl2 20㎖와 NaCl 수용액을 10㎖를 분별 깔대기에 같이 넣고 위의 과정을 반복한다.

9) 모아 놓은 용액에 건조제 무수 Na2SO4를 넣고 잘 흔든다.

실험 결과

1. 결과 분석

홍차 한 봉지의 질량	2.2189g
사용한 홍차 봉지의 수	1
사용한 홍차의 총 질량	1.7189g
추출한 카페인의 질량	0.06g
홍차 한 봉지에 포함된 카페인의 질량	0.06g
홍차에 포함된 카페인의 %	3.4906%

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험에서는 많은 용액들이 사용되었다. 이러한 용액들이 왜 사용되었는지 알아보는 일은 의미가 있다. 따라서, 실험에 사용된 용액들을 살펴보고, 왜 사용되었는지에 대해 알아본다.

1) CaCO3

타닌을 제거하기 위해 사용한다. 홍차를 끓이면 카페인뿐만 아니라 폴리페놀의 일종인 타닌도 같이 발생하게 된다. 따라서 순수한 카페인을 얻기 위해서는 타닌을 제거하는 것이다. CaCO3을 물에 녹이면 염기성 용액이 된다. 타닌은 염기성 용액에서 양성자를 내놓으며 음이온 상태로 존재한다. 음이온이 된 타닌은 물에 잘 녹는데, 후에 카페인을 다른 용매에 옮기고 물을 제거하면 타닌 역시 제거된다.

 

또한, CaCO3를 사용하는 이유는 염석 효과(NaCl) 때문이다. 유기층과 수층 사이에서 수층을 염으로 포화시켜줌으로써, 유기물 분배가 유기층으로 더욱 크게 일어날 수 있도록 하는 처리를 위해서이다. 또 CaCO3를 넣는 다른 이유는, 홍차에 소량 들어있는 크산틴(Xanthinen)을 침전시키기 위해서이다. 크산틴은 약산이므로 염기인 CaCO3와 반응하여 침전하게 되는 것이다.

  

2) 포화 NaCl 수용액

유기화합물의 물에 대한 용해도는 무기염류를 그 용액에 용해시킬 때, 상당히 감소한다. 이 효과를 이용하여 수용액에 용해돼있는 물질을 석출 또는 분리할 수 있는데 이를 염석이라고 한다. NaCl은 이러한 염석효과에 사용되는 대표적인 무기염류이다. 이 NaCl을 사용하여, 수용액으로부터 유기화합물을 용이하게 추출할 수 있다. NaCl을 넣게 되면 물은 카페인보다는 이온인 NaCl에 더 잘 녹고, 카페인을 덜 녹이게 된다. 이 때문에 CH2Cl2층에 더 녹게 된다.

3) Na2SO4 역할

추출시험에서 Na2SO4는 건조제로 사용한다. 추출한 물질의 비점이 물보다 낮은 경우 추출액중에 들어있는 수분을 제거하기가 어렵다. Na2SO4는 결정수가 없는 시약용 무수물을 사용해야 한다. 건조제라기보다 탈수제라 할 수 있다.

 

4) 메틸렌 클로라이드(CH2Cl2) 용액을 사용하는 이유

천연물로부터 특정물질을 추출하는데 있어서 용매의 선택은 매우 중요하다. 즉, 원하는 물질은 잘 녹이고 원하지 않는 물질은 되도록 덜 녹이는 용매를 선택해야 한다. 카페인은 온수로 추출해 내게 되면 여기에는 카페인외에 극성물질들이 수없이 많이 함유되어 있다.

실험에서 물 층에 용해돼있는 카페인을 분리하기 위해 CH2Cl2을 수용액에 붓는다. CH2Cl2을 넣게 되면 물과는 섞이지 않는다. 이는 CH2Cl2이 물보다 밀도가 크기 때문이다. CH2Cl2는 물 밑에 층을 이루는데, 용기를 잘 흔들면 용질인 카페인이 물과 CH2Cl2 사이에서 평형을 이루게 된다. 이 때 두 층에서의 농도비를 분배계수라고 한다. 카페인이 CH2Cl2층에서 용해도가 좋기 때문에 더 잘 녹는다. 이 때문에 카페인이 CH2Cl2층으로 옮겨가게 된다.

카페인이 메틸렌 클로라이드에 용해도가 좋은 건 실험한 사람들이 시행착오를 겪으며 얻은 지식이며 이와 유사한 클로로포름은 발암성 물질이므로 실험실에서 쓰지 않고 상대적으로 덜 무독성인 메틸렌 클로라이드를 쓴다.

5) 추출한 카페인의 순도를 알아내려면 어떻게 해야 하는가?

순도는 기기적으로는 HPLC(고성능 액체크로마토그래피), GC(기체 크로마토그래피) 등을 통해서 알 수 있다. 여기서 peak가 하나 이상 나오면 불순물이 섞여 있는 것이다. 그러나, 이 방법은 고가의 기기를 필요로 하는 방법이다.

다른 방법으로는 추출한 카페인의 녹는점을 측정하는 것이다. 만약, 측정한 카페인의 녹는점이 순수한 카페인의 녹는점과 비슷하다면 추출한 카페인은 순도가 높은 것이다. 반대로, 순수한 카페인의 녹는점과 차이가 많이 난다면, 추출한 카페인은 불순물이 많이 포함된 것이다. 

참고 문헌

1. 일반화학실험, 초판 ; 서울시립대학교 교양화학, 드림플러스, 2013

2. 줌달의 일반화학, 화학교재연구회 옮김, 9판 Steven S, Zumdahl, 사이플러스, 2014.