Extraction de la caféine du thé

(mise à jour 29 oct. 2024)

Protocole expérimental

Introduction

Extraction de la caféine du thé¹

Le thé et le café sont des boissons populaires depuis des siècles, principalement parce qu’ils contiennent de la caféine, un stimulant. La caféine stimule le système respiratoire, le cœur et le système nerveux central et agit comme un diurétique (c.-à-d. qu’elle favorise la miction). Elle peut provoquer de la nervosité et de l’insomnie et, comme plusieurs drogues, peut causer une dépendance. Il est alors difficile pour le buveur dépendant de réduire sa consommation quotidienne. Un buveur de café qui consomme seulement quatre (4) tasses de café par jour peut souffrir de maux de tête, d’insomnie et même de nausées pendant son sevrage de caféine. La caféine permet toutefois d’être plus attentifs et peut affiner considérablement les aptitudes mentales complexes et augmenter la capacité à faire de l’exercice physique.

La caféine est probablement la drogue la plus consommée aux États-Unis. En une journée, une personne moyenne peut consommer, involontairement, jusqu’à 1 g de caféine. Le contenu en caféine de certains aliments et médicaments courants est présenté dans le Tableau 1.

Tableau 1. Le contenu en caféine de certains aliments et médicaments courants¹
Boisson ou médicament	Quantité de caféine	Boisson ou médicament	Quantité de caféine
Espresso	120 mg par 2 onces	Coca-Cola classique	46 mg par 12 onces
Café filtre ordinaire	103 mg par tasse	Cola Jolt	72 mg par 12 onces
Café en poudre (instantané)	57 mg par tasse	Anacin, Bromo Seltzer, Midol	32 mg par comprimé
Café décaféiné	2 à 4 mg par tasse	Exedrin, extra-fort	65 mg par comprimé
Thé	30 à 75 mg par tasse	Dexatrim, Dietec, Vivarin	200 mg par comprimé
Cacao	5 à 40 mg par tasse	Dristan	16 mg par comprimé
Chocolat au lait	6 mg per once	No-Doz	100 mg par comprimé
Chocolat de pâtisserie	35 mg par once

La caféine appartient à une large catégorie de composés appelés alcaloïdes. Ces composés d’origine végétale contiennent de l’azote basique, ont souvent un goût amer et une structure complexe et ont souvent une activité physiologique. Leurs noms se terminent habituellement en –ine; plusieurs sont bien connus par leur nom plus que par leur structure chimique – citons notamment la nicotine, la cocaïne, la morphine et la caféine.

On peut facilement extraire la caféine des sachets de thé. La procédure utilisée pour préparer une tasse de thé, c’est-à-dire faire tremper le sachet de thé dans de l’eau très chaude pendant environ 7 minutes (une extraction solide-liquide ou une infusion) , permet d’extraire la majorité de la caféine. Il n’est pas utile de faire bouillir les feuilles de thé dans l’eau pendant vingt minutes. Comme la caféine est un solide cristallin blanc, légèrement amer et inodore, on constate rapidement que le trempage dans l’eau permet d’extraire d’autres produits en plus de la caféine. Les feuilles de thé contiennent des tanins, qui sont des substances acides, ainsi que plusieurs composés colorés et une petite quantité de chlorophylle non décomposée (soluble dans le dichlorométhane). Pour s’assurer que les substances acides demeurent solubles dans l’eau et que la caféine soit présente comme la base libre, le carbonate de sodium est ajouté au support d’extraction. Par la suite, lorsque la solution aqueuse brune est mélangée au dichlorométhane, la caféine se dissout dans le solvant organique. L’évaporation subséquente du solvant permet de recueillir la caféine brute. Ensuite, la sublimation ou la recristallisation de la caféine brute permet de recueillir de la caféine relativement pure.

Lorsque la solution de thé concentrée est mélangée au dichlorométhane, elle s’émulsionne très rapidement. Certaines substances dans le thé font en sorte que des gouttelettes de la couche organique demeurent en suspension dans la couche aqueuse. Cette émulsion se produit lorsque le mélange est agité vigoureusement. Pour éviter le problème, on pourrait croire qu’il suffit de faire bouillir d’abord les feuilles de thé dans le dichlorométhane, puis d’extraire la caféine du dichlorométhane avec de l’eau. En fait, cette méthode ne fonctionne pas. Faire bouillir 25 g de feuilles de thé avec 50 mL de dichlorométhane permet de recueillir uniquement 0,05 g de résidu après évaporation du solvant. Les extractions subséquentes donnent encore moins de matériel. L’eau chaude fait gonfler les feuilles de thé et est de toute évidence un solvant d’extraction plus efficace. Les essais de sublimation de la caféine directement des feuilles de thé n’ont pas donné de résultats satisfaisants.

Extraction liquide-liquide ^2,3

En laboratoire, il est parfois nécessaire de séparer et de purifier un mélange de composés. Un mélange de composés peut être obtenu lorsqu’une substance est synthétisée par une réaction chimique. Après que la réaction chimique soit terminée, il est nécessaire de séparer le produit désiré du mélange réactionnel contenant des produits secondaires et l’excès des réactifs de départ. Par la suite, le produit peut être purifié. Un mélange de composés peut être aussi obtenu lors de l’isolation d’une substance naturelle à partir de sa source naturelle. Par exemple, une fois que l’eugénol (un analgésique et antiseptique dentaire) est isolé des clous de girofle, il faut le séparer et le purifier pour qu’il puisse être caractérisé.

L’extraction liquide-liquide est une technique très souvent utilisée afin de séparer un mélange de substances. Cette technique repose sur la solubilité préférentielle de chaque composant du mélange et sur le principe des acides et des bases afin d’effectuer la séparation.

Lors d’une extraction liquide-liquide, deux solvants sont utilisés :

L’eau ou un solvant aqueux, tel NaOH 10 % ou NaHCO₃ 10 % ET
Un solvant organique, tel le dichlorométhane (CH₂Cl₂), l’éther diéthylique ou l’hexane.

Les composants d’un mélange sont séparés selon la solubilité préférentielle de chaque composant dans des solvants aqueux et organiques.

Une pièce de verrerie appelée ampoule à décantation, ou tout simplement ampoule, est utilisée pendant une extraction. Lorsque deux solvants insolubles sont ajoutés à l’ampoule, deux couches ou phases se forment : la couche supérieure contenant le liquide le moins dense et la couche inférieure contenant le liquide le plus dense.

Scénario 1

Supposons qu’un mélange de cyclohexanol (C₆H₁₁OH) et de NaCl est ajouté à une ampoule à décantation contenant de l’eau et un solvant organique, CH₂Cl₂. En se fiant au dicton « Qui se ressemble, s’assemble », le cyclohexanol se dissoudrait dans la couche organique de CH₂Cl₂ et le NaCl se dissoudrait dans la couche aqueuse. Après avoir placé les couches organique et aqueuse dans des flacons différents, le cyclohexanol et le NaCl seraient séparés l’un de l’autre.

Rappel : l’eau et un solvant organique sont des solvants complètement différents. L’eau est très polaire (le solvant le plus polaire en fait) et est capable de former des liaisons d’hydrogène (ponts H), une interaction intermoléculaire, avec un soluté. La plupart des solvants organiques sont soit non polaire (par exemple CCl₄ et hexane), soit très faiblement polaire tels le CH₂Cl₂ et l’éther diéthylique (CH₃CH₂OCH₂CH₃).

Les composés ioniques sont formés par les interactions électrostatiques fortes, alors les solvants très polaires sont les seuls qui sont capables de les dissoudre. La plupart des composés ioniques sont solubles dans l’eau, mais ils sont insolubles dans les solvants organiques. Afin de dissoudre un composé ionique, il faut briser les fortes interactions ion-ion et les remplacer par les interactions intermoléculaires ion-dipôle plus faibles.

La plupart des substances organiques sont solubles dans les solvants organiques (« Qui se ressemble, s’assemble »). Un composé organique est soluble dans l’eau seulement s’il contient environ un groupe fonctionnel polaire pour chaque cinq (5) atomes de carbone de sa structure. Autrement dit, pour un composé organique soluble dans l’eau, le groupe fonctionnel polaire contenant un atome d’oxygène ou d’azote solubilise le squelette carboné d’environ 5 atomes de carbone.

Scénario 2

Maintenant, comment peut-on séparer un mélange d’acide benzoïque (C₆H₅COOH) et de cyclohexanol? Les deux substances sont organiques et, en conséquence, sont solubles dans un solvant organique tel le CH₂Cl₂ et insolubles dans l’eau. Si un mélange d’acide benzoïque et de cyclohexanol était ajouté à une ampoule à décantation contenant de l’eau et un solvant organique (CH₂Cl₂) les deux substances se dissoudraient dans la phase organique et elles n’auraient pas été séparées l’une de l’autre.

Est-il possible d’utiliser l’extraction liquide-liquide afin de séparer deux substances ayant des propriétés de solubilité semblables? Si une des substances est un acide carboxylique, la réponse est OUI. Pourquoi? Parce qu’il est possible d’utiliser les réactions acido-basiques afin de changer la solubilité d’un acide carboxylique. Ce type d’extraction liquide-liquide est plus spécifiquement appelé « extraction acide-base » et implique la mise en œuvre des réactions acido-basiques simples pour séparer les composés l’un de l'autre.

Lorsque l’acide benzoïque (un acide plus fort) est traité avec de l’hydroxyde de sodium aqueux (NaOH), l’acide benzoïque est déprotoné en formant le benzoate de sodium (voir la réaction 1 ci-dessous). Le benzoate de sodium est un composé ionique, donc il est soluble dans l’eau, mais insoluble dans la phase organique.

Rappel : les réactions acido-basiques favorisent toujours la formation d’un acide et d’une base plus faibles.

Réaction 1. Réaction entre l'acide benzoïque et l'hydroxyde de sodium

Par conséquent, un acide carboxylique peut être séparé des autres composés organiques en le transformant, par une réaction acide-base, en un anion carboxylate soluble dans l'eau.

Ce type de réaction acido-basique ne se produit pas lorsque le cyclohexanol est traité avec l’hydroxyde de sodium (NaOH), car les alcools organiques sont des acides organiques beaucoup plus faibles donc, ils peuvent être déprotonés que par une base forte telle que NaOH (voir la réaction 2 ci-dessous). NaOH n'est pas une base suffisamment forte pour former des quantités significatives de l'alcoolate de sodium.

Réaction 2. Réaction entre le cyclohexanol et l'hydroxyde de sodium

Cette différence de réactivité acide-base peut être exploitée afin de séparer l’acide benzoïque et le cyclohexanol par la procédure pas à pas de l’extraction liquide-liquide illustrée dans le schéma 1 ci-dessous.

Schéma 1. Séparation de l’acide benzoïque (acide plus fort) et du cyclohexanol (acide plus faible) par une extraction acide-base liquide-liquide avec NaOH 10 % et dichlorométhane (CH₂Cl₂)

Schéma séparation de l'acide benzoique et du cyclohexanol

Alors, cet exemple démontre que : l’extraction liquide-liquide peut séparer des composés uniquement s’ils ont des propriétés de solubilité différentes. Un composé doit se dissoudre dans la phase aqueuse et l’autre composé dans la phase organique. En conclusion, il est possible d’utiliser l’extraction liquide-liquide afin de séparer le sel de benzoate de sodium (dérivé de l’acide benzoïque par une réaction acide-base) qui est soluble dans l’eau du cyclohexanol qui est insoluble dans le solvant organique (CH₂Cl₂).

Les mêmes types de réactions acide-base permettent aussi la séparation des substances organiques basiques des substances organiques acides et/ou organiques neutres. Des substances organiques basiques incluent les amines et leurs dérivés, et des molécules qui comportent un groupe fonctionnel contenant un atome d’azote avec une paire d’électrons libres. Les alcaloïdes, tels que la codéine, la morphine et la caféine, sont des substances basiques azotées qui possèdent au moins un atome d'azote, de préférence dans un hétérocycle. Le nom des alcaloïdes provient du latin alkali. Ces molécules basiques se dissolvent dans une solution diluée d'un acide fort, tel que HCl, en raison de la formation d'un sel d'ammonium hydrosoluble (acide conjugué). Alors les amines ou d’autres molécules organiques contenant des groupes fonctionnels azotés peuvent être séparées des autres composés organiques en les transformant en un sel d'ammonium soluble dans l'eau par une réaction acide-base. Pour les réactions de ce genre, veuillez-vous référer au Chapitre 3 Introduction aux réactions organiques, sections 3.2, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.10, 3.12, 3.14 dans votre manuel scolaire par Solomons.

Références

Williamson KL, Minard R, Masters KM. Chapitre 7 Extraction. In: Macroscale and microscale: organic experiments. 5e éd. Boston: Houghton Mifflin; 2007. p. 135.
Gorzynski Smith J. Chapitre 19.12 Extraction. In: Organic chemistry. 2e éd. Boston: McGraw-Hill; 2008. p. 707.
Schoffstall AM, Gaddis BA, Druelinger ML. Chapitre 1 Technique I. In: Microscale and miniscale organic chemistry laboratory experiments. 2e éd. New York: McGraw-Hill Higher Education; 2004. p. 72-83.