Experiment 

Isolation of Caffeine from Tea Leaves 
4 

 
Objectives 
1)  To isolate caffeine from dry tea leaves by extraction and purify the crude extract by 
recrystallization.  
2)   To determine the mass percentage of caffeine in the tea leaves.  
Introduction 
  Caffeine is probably the most commonly used addictive drug. It belongs to a large class 
of  organic  compounds  called  alkaloids,  which  vary  widely  in  structure  and  reactivity.    All 
alkaloids have a nitrogen atom that allows most of them to accept a proton (H+) and act as a 
base, or alkaline substance. The name “alkaloid” comes from this characteristic.  Alkaloids are 
usually found in plants.  They usually taste bitter and often are physiologically active in humans.  
The  names  of  some  of  these  compounds  are  familiar  to  you  even  if  the  structures  are  not: 
nicotine, morphine, strychnine, and cocaine.  The roles these compounds play in the plants in 
which they are found is not well understood.  In some cases they may act as pesticides; nicotine 
is found in tobacco and has been sprayed onto other plants to function as an insecticide.  The 
structure of caffeine is shown below.  It can be considered to be constructed from purine ring 
system, which is important biologically, being found in nucleic acids and elsewhere. 
 

 
 
  Caffeine  is  found  in  a  number  of  foods  and  beverages.    The  table  below  lists  some  of 
them.    Caffeine  acts  as  a  stimulant.    It  stimulates  the  heart,  respiration,  the  central  nervous 
system,  and  is  a  diuretic.    Its  use  can  cause  nervousness,  insomnia  and  headaches.    It  is 
physically addictive.  A person who drinks as few as 4 cups of coffee a day and who attempts to 

‐ 24 ‐
stop  “cold  turkey”  may  experience  headache,  insomnia,  and  possibly  nausea  as  the  result  of 
withdrawal. 
Coffee  80‐125 mg per cup 
Coffee, decaf  2‐4 mg per cup 
Tea  30‐75 mg per cup 
Cocoa  5‐40 mg per cup 
Milk chocolate  6 mg per ounce 
Baking chocolate  35 mg per ounce 
Coca‐Cola  46 mg per 12 ounces 
 
  Tea has been consumed as a beverage for almost 2,000 years, starting in China.  It is a 
beverage produced by steeping in freshly boiled water the young leaves and leaf buds of the 
tea  plant,  Camellia  sinensis.    Today,  two  principal  varieties  are  used,  the  small‐leaved  China 
plant (C. sinensis sinensis) and the large‐leaved Assam plant (C. sinensis assamica). Hybrids of 
these  two  varieties  are  also  grown.  The  leaves  may  be  fermented  or  left  unfermented.  
Fermented  teas  are  referred  to  as  black  tea,  unfermented  teas  as  green  tea,  and  partially 
fermented teas as oolong.  As trade routes opened to Asia in the 17th century, tea was imported 
to Europe.  
  In this experiment, you are going to make a small but strong cup of tea and extract the 
caffeine from it. Also, you are going to purify the caffeine by recrystallization and calculate the 
mass percentage of caffeine in the tea sample using the equation below. 
 

Mass %  =  (wt. of purified caffeine / wt. of tea sample) x 100 
 
  Tea leaves consist mostly of cellulose, a water‐insoluble polymer of glucose, which is a 
simple  sugar  (a  monosaccharide).    Cellulose  performs  a  function  in  plants  similar  to  that  of 
fibrous proteins in animals: it is structure building material.  Along with the cellulose are found 
a  number  of  other  things  including  caffeine,  tannins  (phenolic  compounds,  compounds  that 
have an ‐OH directly bonded to an aromatic ring) and a small amount of chlorophyll.  
  The  idea  in  this  experiment  is  to  extract  the  water  soluble  materials  in  the  tea  leaves 
into hot water. The solubility of caffeine in water is 22 mg/mL at 25 C, 180 mg/mL at 80 C, and 
670 mg/mL at 100 C. The hot solution is allowed to cool and the caffeine is then extracted from 
the  water  with  dichloromethane  (methylene  chloride),  which  is  an  organic  solvent  that  is 

‐ 25 ‐
 insoluble in water.  Since caffeine is more soluble in dichloromethane (140 mg/mL) than it is in 
water (22 mg/mL), it readily dissolves in the dichloromethane.  However, the tannins are also 
slightly soluble in the dichloromethane and we want to separate the caffeine from the tannins 
by  having  the  caffeine  dissolve  in  the  dichloromethane  and  the  tannins  remain  in  the  water.  
We can do this by taking advantage of the fact that phenols are acidic enough to be converted 
to their salts (deprotonation of the ‐OH group) by reaction with sodium carbonate.  So, we will 
add sodium carbonate to the water and the tannins will be converted to phenolic anions, which 
are not soluble in the dichloromethane but are soluble in highly polar water.  
  There  is  one  practical  disadvantage  in  converting  the  tannins  to  their  salts  –  they 
become  anionic  surfactants.    Detergents  and  soap  are  surfactants  and  these  cause  materials 
that do not dissolve in water (like oil, grease and dichloromethane) to form an emulsion with 
water.  As we want to be able to separate the aqueous phase from the dichloromethane phase, 
it is better not to let the emulsion to occur during the extraction. Consequently, as you extract 
the  caffeine  from  water  into  dichloromethane,  do  not  shake  the  separatory  funnel  too 
vigorously. 
  The flow chart below summarizes the details of this experiment. 

 
 
Experimental Procedure 
1) Place  5  g  of  dry  tea  leaves  into  a  clean  150  mL  beaker.  Record  the  exact  weight  of  tea 
leaves. Add 30 mL of distilled water and 2.0 g of sodium carbonate.   
2) Gently  boil  the  contents  for  10  minutes  on  a  hot  plate.  Place  a  watch  glass  on  top  of  the 
beaker to prevent excessive evaporation. 
3) Filter the hot tea through a glass funnel plugged with a small piece of cotton and keep the 
hot tea in a 50 mL Erlenmeyer flask. 
‐ 26 ‐
4) Transfer the tea leaves back into the beaker. Add 20 mL of distilled water and again bring 
the contents to a boil.   
5) Filter and combine the hot tea into the 50 mL Erlenmeyer flask. Discard the tea leaves. 
6) When  the  tea  is  cooled  to  room  temperature,  transfer  the  tea  into  a  125  mL  separatory 
funnel that is supported by a ring on a stand. 
7) Add  10  mL  of  dichloromethane  to  the  separatory  funnel.    Stopper  the  funnel,  shake  and 
release any pressure that may have built up inside the funnel.  Close the stopcock and swirl 
the content in the funnel without vigorous shaking. Place the separatory funnel on the ring 
stand. 
8) Allow  the  contents  in  the  separatory  funnel  to  settle  and  remove  the  stopcock.    There 
should be two distinct mostly clear layers.  If there is an emulsion (cloudy) layer between 
two clear layers, it is sometimes possible to break the emulsion by swirling the contents of 
the  funnel  or  stirring  the  contents  using  a  glass  rod.    If  the  emulsion  persists  seek  your 
instructors help. 
9) Carefully drain the lower (dichloromethane) layer into a clean 50 mL Erlenmeyer flask. Try 
not to include any of the aqueous (upper) layer.  If there is a lot of emulsion, keep it in the 
Erlenmeyer flask. 
10) Repeat steps 7 through 9 using another 10 mL portion of dichloromethane.   
11) Add  half  a  spoon  of  anhydrous  magnesium  sulfate  to  the  combined  dichloromethane 
extracts  in  the  Erlenmeyer  flask.    Swirl  the  contents  of  the  flask.    The  anhydrous  sodium 
sulfate will absorb the small amount of water that is dissolved in the dichloromethane and 
small  amounts  of  water  from  the  aqueous  layer  that  may  have  gotten  into  the  flask  by 
accident.    [If  you  collected  a  substantial  amount  of  emulsion  in  the  Erlenmeyer  flask,  the 
sodium  sulfate  should  help  to  “break”  the  emulsion.    You  may  need  to  separate  the 
aqueous  material  from  the  dichloromethane  solution  at  this  point.    Seek  your  instructor's 
help.] 
12) Decant the liquid from the flask into a clean and dry beaker.  Place the beaker on a steam 
bath to evaporate dichloromethane.  Record the weight of caffeine before recrystallization. 
13) Recrystallize the crude caffeine with hot ethanol and vacuum filter the crystals. 
14) Transfer the crystals on a watch glass. Dry the crystals on a steam bath.  
15) Place  the  crystals  into  a  pre‐weighed  plastic  bag.  Record  the  amount  of  your  isolated 
caffeine. Calculate the recovery percentage and mass percentage of caffeine in your original 
tea leaves. 

‐ 27 ‐
  
Laboratory Safety Precaution 
1) Wear safety goggles and lab coat at all times while working in the laboratory. 
2) Dichloromethane is irritating and toxic. Sodium carbonate is corrosive. 
3) Wash your hands thoroughly with soap or detergent before leaving the laboratory. 
 
 

‐ 28 ‐