TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé SOMMAIRE Introduction partie théorique -les Définition carbonate de calcium sulfate du sodium dichlorométhane Partie Pratique But de manipulation matériels utilisé produit utilisé Mode opératoire Réponses aux questions Conclusion 1 TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé Introduction La caféine (ou 1,3,7-trimétylxantine) a pour formule brute C8H10N4O2. Elle fait partie de la famille des méthylxanthines (ou xanthines). On la retrouve dans plusieurs plantes tropicales : elle est présente dans les grains de café, les feuilles de thé, le cacao (chocolat) ou la noix de kola. Dans sa forme pure elle consiste en une poudre blanche d'un goût extrêmement amer. Théorie - La caféine est un composé présent dans le fruit et l’écorce de nombreuses plantes incluant le thé, le café, le cacao et la noix de cola. La feuille de thé séchée peut contenir de 2 à 5 % de caféine alors que le grain de café vert peut en contenir environ 1,2 %. La caféine est un stimulant doux et possède aussi une action diurétique (qui fait uriner). Elle est largement utilisée dans les médicaments à propriétés stimulantes. La caféine est un dérivé d’un groupe très important de composés, appelés purines, qui sont parmi les constituants majeurs des acides nucléiques. Le noyau purine se retrouve dans les structures de composés naturels dont l’acide urique qui est la forme sous laquelle est éliminée l’azote chez les animaux n’appartenant pas au groupe des mammifères. - La caféine appartient à une famille de composés naturels appelés xanthines. Les xanthines sont possiblement les plus vieux stimulants connus. Ces composés stimulent le système nerveux central et les muscles. La caféine possède un très grand pouvoir sur le système nerveux. Par contre, il n’en est pas de même pour toutes les xanthines. Par exemple, la théobromine, une xanthine trouvé dans le cacao, a un pouvoir beaucoup plus faible que la caféine. Il est par ailleurs grandement utilisé par les médecins comme produit diurétique. 2 TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé D’autres xanthines sont aussi très utiles en médecine pour contrôler certains problèmes cardiaques. - L’être humain peut développer une dépendance à la caféine. Par exemple, un bon buveur de café (environ 5 tasses de café par jour) peut ressentir des maux de tête, des nausées ou autres symptômes après 18 heures d’abstinence. En plus de provoquer de l’insomnie, de l’irritabilité, etc., une trop grande consommation de café peut même devenir toxique, voire même mortelle (on parle de 100 tasses de café ingurgitée en un très court laps de temps ! ! !). - Dans cette expérience, la caféine est d’abord extraite avec l’eau par infusion. Des agents de saveurs comme la chlorophylle et des tannins sont entraînés avec l’eau mais l’addition de carbonate de calcium les transforme en sels insolubles éliminés par filtration. La caféine et la chlorophylle sont extraites de la solution aqueuse par le dichlorométhane (chlorure de méthylène) et la purification finale est réalisée par recristallisation. - Nous connaissons déjà le principe de la recristallisation. Celui de l’extraction par solvant correspond au transfert du soluté d'un solvant à un autre solvant. Le soluté (ou substance à extraire) est extrait d'un solvant à un autre parce qu’il est plus soluble dans le second solvant. Les deux solvants ne doivent pas être miscibles l'un dans l’autre. Ils doivent former deux phases distinctes (exemple : eau et huile). - En industrie, ce procédé est utilisé notamment pour extraire la caféine du café. Le procédé utilisé fonctionne en continu ce qui implique un rendement plus important. L’exemple de la caféine constitue un exemple parmi tant d’autres car il existe plusieurs autres applications industrielles de cette technique. - Le processus de l’extraction utilisé en laboratoire est illustré et résumé à la figure suivante : 3 TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé Figure 1 : Processus d’extraction a) La solution aqueuse contient un mélange de molécules (solvant + solutés). b) Le solvant d’extraction (zone ombragée) est ajouté et agité vigoureusement (sauf dans les cas ou il y a formation d’émulsion) avec la solution à extraire. c) La phase la plus dense est décantée. Cette dernière peut être soit la phase extraite ou la phase à extraire… partie théorique -les Définition 1) - carbonate de calcium : Le carbonate de calcium (CaCO3) est composé d'ions carbonate (CO32-) et d'ions calcium (Ca2+). Cette substance blanche a une masse molaire de 100,1 g/mol. Le carbonate de calcium est le composé majeur des calcaires comme la craie, mais également du marbre. C'est aussi le constituant principal des coquilles d'animaux marins, du corail et des escargots. 2) - sulfate du sodium : Le sulfate de sodium est un composé chimique courant formé d'un ion sulfate et de deux ions sodium. Lorsqu'il est à l'état anhydre, il prend l'apparence d'un solide cristallin blanc de formule chimique Na2SO4 dont la forme naturelle est la thénar dite des minéralogistes. Ce sel était autrefois dénommé sel sec ou sel desséché de Glauber, car il provenait d'une lente dessiccation à l'étuve du sulfate de sodium déca hydraté, Na2SO4·10H2O, connu sous le nom de sal mirabilis Glauber, simplifié en sel de Glauber par les anciens chimistes ou adapté plus tard par les minéralogistes en mirabilite pour désigner l'espèce minérale correspondante. 3) - dichlorométhane : Le dichlorométhane ou chlorure de méthylène (dénommé R30 dans la liste des gaz fluorés et frigorigènes), est un composé chimique se présentant à température ambiante comme un liquide incolore et volatil émettant 4 TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé une odeur douceâtre relativement forte pouvant mettre certaines personnes mal à l'aise. Son odeur est perceptible dès 200–300 ppm (dès 25 ppm ou seulement vers 600 ppm selon d'autres sources13). Il est surtout utilisé comme solvant de composés organiques. Partie Pratique But de manipulation : - Le dichlorométhane ou chlorure de méthylène (dénommé R30 dans la liste des gaz fluorés et frigorigènes), est un composé chimique se présentant à température ambiante comme un liquide incolore et volatil émettant une odeur douceâtre relativement forte pouvant mettre certaines personnes mal à l'aise. Son odeur est perceptible dès 200–300 ppm (dès 25 ppm ou seulement vers 600 ppm selon d'autres sources13). Il est surtout utilisé comme solvant de composés organiques. -donc : Le but de l’expérience consistera à extraire la caféine du thé. Nous pourrons ainsi nous familiariser avec les techniques d’extraction par solvant et d’évaporation sous vide. matériels utilisé : - Ampoule à décanter- - Filtre büshner - - balance - - Ballon Bicol - - Fiole à vide - - erlenmeyer - - Agitateur magnétique chauffant - 5 - Barreau aimanté - - Réfrigérant - TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé produit utilisé : - 50g de café fin - Carbonate de calcium CaCO3 - Sulfate de magnésium ou de sodium anhydre ou également chlorure de calcium anhydre - è - Dichlorométhane ou chloroforme - Eau Mode opératoire II. PRINCIPE - Dans cette expérience, on se propose d'extraire la caféine des feuilles de thé. On procède à une extraction liquide-solide (eau chaude - feuilles de thé) suivie d'une extraction liquideliquide (eau froide - dichlorométhane). - La méthode d'extraction repose sur la bonne solubilité de la caféine dans l'eau chaude et les solvants chlorés : Dans l'eau chaude, on extrait la caféine, mais aussi les tannins acides (solubles dans l'eau), des pigments et le glucose. Lors de l'extraction liquide-liquide, les anions provenant des acides restent dans la solution aqueuse basique, la caféine passe dans la phase organique. III. MODE OPÉRATOIRE - Préparer un montage de chauffage à reflux simple. Dans un ballon de 250 mL, introduire 15 g de feuilles de thé (réduit en poudre), 8 g de carbonate de calcium (ou de sodium) et 150 mL d'eau. - Ajouter quelques pierres ponce. Adapter le réfrigérant à reflux, mettre sous agitation et chauffer pendant 30 mn. Laisser refroidir le ballon, puis filtrer les feuilles de thé en les pressant pour enlever tout le liquide qu’elles contiennent. 6 TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé Le filtrat contient la caféine extraite en solution dans l'eau. Placer ce liquide dans une ampoule à décanter, extraire avec 3x20 mL de dichlorométhane. Les phases organiques réunies sont séchées sur du sulfate de magnésium anhydre, filtrées puis distillées. DÉCANTATION : La décantation est un procédé permettant la séparation de deux phases liquides non miscibles de densités différentes ; en vue de procéder à une extraction liquide-liquide. Dans la majorité des cas, l’une des phases est aqueuse, l’autre organique. La phase organique étant souvent moins dense que la phase aqueuse, excepté pour le cas des solvants halogénés. Pour séparer les deux phases, on utilise l’ampoule à décanter : - Fixer un anneau à l’aide d’une noix sur un support et placer l’ampoule à décanter. - Verser la solution à extraire dans l'ampoule puis ajouter le solvant d’extraction. - Fermer avec un bouchon rodé pour éviter l’évaporation du composé volatil. - Prendre l'ampoule à deux mains. Tenir le bouchon d'une main en le maintenant bien - appuyé pour éviter toute fuite. Tenir le robinet de l'autre main. Renverser l’ampoule, l’orienter vers une paroi et ouvrir doucement le robinet afin d’éviter - les surpressions. Agiter vigoureusement en laissant "dégazer" de temps en temps. Dans tous les cas, bien maintenir le bouchon avec le pouce. Vérifier que le robinet est fermé puis replacer l'ampoule à décanter sur son support et ôter - le bouchon. Laisser les liquides non miscibles se séparer : les deux liquides non miscibles se séparent - progressivement, jusqu’à ce qu’on observe deux phases bien distinctes. Isoler la phase organique dans un bécher. - Recommencer l’opération deux fois. - Les phases organiques réunies sont ensuite séchées (élimination des dernières traces d'eau), sous agitation ; puis filtrées et récupérées dans un bécher. 7 TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé SÉCHAGE : - Le séchage d’un composé organique liquide sert à éliminer les traces d’eau que contient le produit après la synthèse. - Les desséchants chimiques sont des solides inorganiques qui fixent l’eau lorsqu’ils sont ajoutés au milieu humide. Ils sont choisis parmi des sels anhydres susceptibles de s’hydrater: MgSO4 (le plus efficace), Na2SO4, CaCl2 (pour les hydrocarbures et les dérivés halogénés). Placer une pointe de spatule de desséchant dans un erlenmeyer contenant le liquide Agiter doucement. Continuer à ajouter le desséchant jusqu’à ce que les cristaux ne s’agglomèrent plus et forment une pluie de cristaux fins. Boucher l’erlenmeyer et agiter quelques minutes. La solution, après séchage doit être limpide. 8 TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé Le desséchant hydraté est éliminé par filtration, à l’aide d’un entonnoir posé sur un anneau et muni d’un filtre plissé . Le liquide organique est recueilli dans un erlenmeyer sec et bouché. - Le choix du desséchant tient compte des critères suivants : Il ne doit pas provoquer, de réactions chimiques avec le liquide organique à sécher… Il doit avoir un pouvoir desséchant efficace et rapide . Il ne doit pas se dissoudre dans le liquide à sécher . Il doit être aussi économique que possible. VI. Evaporation du dichloroéthane : Au moyen d’un évaporateur rotatif ou par distillation du solvant dans un montage de distillation simple en surveillant la température (si celle-ci était trop élevée la caféine serait détruite ). Une fois que tout le solvant est évaporé, il resté au fond du ballon une poudre jaune pâle : il s’agit de caféine brute. 9 TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé PURIFICATION: Deux méthodes permettent de purifier cette caféine : par recristallisation . . RECRISTALLISATION: On dissout la caféine brut dans 10 mL d'acétone dans le cristallisoir .On laisse l’acétone s’évaporer (sous hotte) ce qui provoque la cristallisation de la caféine en petites aiguilles blanches . 10 TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé Réponses aux questions question N=° 1 le chauffage à reflux ( aussi connus sous le nom de montage à reflux ) est un montage expérimental dont le but est de chauffer jusqu'à l'ébullition sans perte de matiere - on le chauffe car le caféine car ne se dissous pas dans la solution par noyassions ou bien pénétration , donc il faut jouée sur le facteur de température sans détruire la molécules de caféine , réfrigérant à boules , de l'eau froid s'écoule en permanence dans ce réfrigérant , au contact des parois les gaz refroidissement et se liquéfient sous formes de gouttelettes sur les parois du réfrigérant et finissant par retomber dans le vase à réaction , pour éviter les pertes de matière . Le réfrigérant permet de condenser les vapeurs qui s'échappent. Le chauffage associé à l'utilisation du réfrigérant correspond à un chauffage à reflux. Il permet d'avoir un contact prolongé entre les réactifs. D'où une augmentation du rendement de la réaction(par rapport au cas où des vapeurs de réactifs s'échappent, la concentration des réactifs étant un facteur cinétique). question N=° 2 - le rôle de la pierre ponce est de homogénéisée le température dans la solution . - question N=° 3 Le rendement : Théoriquement les feuille de thé contiennent 5% en masse de caféine, donc : 15 x 5% = 0.75 g <== 𝑚𝑡ℎé𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 R 𝑚𝑡ℎé𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑚𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑢𝑒 = 0.75 0.85 = 0.882 × 100 = 88.2 % question N=° 4 - le maximum de masse que l'on pourra récupérée est : 0.75 g 15 x 5% = 0.75 g question N=° 5 - Point de fusion théorique : 235,94 ± 0,05 °C. question N=° 6 - la caféine est une substance naturelle car il présent dans les graines , les feuilles et les fruits de différent plantes ou elle agit comme insecticide naturelle . 11 TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé question N=° 7 - Il n’y a pas de différence entre la théine et caféine car ce sont en réalité la même molécule ! Mais elles n’agissent pas de la même façon dans notre corps. Deux raisons à cela : - La quantité : il y a de trois à quatre fois moins de caféine dans une tasse de thé que dans une tasse de café. - Une assimilation par le corps différente : dans le café, la théine est complètement bio disponible, c’est à dire qu’elle passe immédiatement dans le sang. . question N=° 8 - On utilise le sulfate de magnésium anhydre MgSO4 en raison de son fort pouvoir desséchant et de sa polyvalence. Il peut capter 7 molécules d'eau pour former du sulfate de magnésium heptahydraté. De pH neutre avec une vitesse de séchage rapide, il est utilisé pour éliminer les traces d'eau des liquides organiques. question N=° 9 - Le carbonate de sodium permet de se placer en milieu basique, de cette façon tous les composés possédant des fonctions acides vont s’ioniser et resteront dans la phase aqueuse au cours de l’extraction. Cela permet de faire un premier tri. Le chloroforme et le dichlorométhane sont les solvants d’extraction, la caféine y est plus soluble que dans l’eau. 12 TP N=°4 extraction de la caféine de feuille de thé Conclusion - Le thé contient de la caféine que nous allons extraire en utilisant deux solvants : l'eau et le dichlorométhane. Nous allons utiliser le fait que la caféine est plus soluble dans le solvant organique que dans l'eau, et que les deux solvants ne sont pas miscibles .Dans un premier temps, lors de l'infusion du thé, les petites molécules polaires telle la caféine se dissolvent dans l'eau chaude et sont séparées des grosses molécules non polaires telles la cellulose, les protéines et les lipides des feuilles de thé. On sépare ensuite la caféine de l'eau grâce à une extraction liquide-liquide et le solvant organique est ensuite évaporé pour permettre d'obtenir des cristaux, dont on mesurera la température de fusion . - dans ce TP on en réalisé des procédés des séparation ou bien extraction et purification à l'afin de cette expérience avoir une extrait pur , lorsque le rendement est égal à R= 88% 13
