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Extraction, recristallisation et analyse de la caféine du thé

Échéancier
Échéancier détaillé et les instructions pour le prélab, le rapport de laboratoire et la lecture requise
Cet échéancier est officieux et sujet à des modifications
PrélabRapport
Instructions
+
Information supplémentaire
ÉvaluationLecture requise - à faire avant le début de l'expérienceInstructions
+
Information
Évaluation
Guide méthodologique
par Turkewitsch
Manuel de laboratoire
Flamand E, Bilodeau J.
Chimie organique - Structures, nomenclature, réactions. Expériences de laboratoires
Manuels scolaires
par Tro
Principes de chimie générale et Principes de chimie des solutions 
Aprés avoir lu la lecture requise fournie dans ce tableau et le protocole ci-dessous, préparer un prélab en suivant les instructions suivantes :

1. Préparer des tableaux des données pour seulement l'extraction de la caféine du thé (partie 1) en suivant l'exemple dans le Guide méthodologique.

2. Répondre à cette question dans votre prélab :
Pourquoi le carbonate de sodium est-il ajouté aux feuilles de thé lors de la préparation de la solution aqueuse du thé (partie 1 du protocole)? Fournir une explication avec des réactions démontrant comment la caféine est extraite d’un solvant aqueux dans un solvant organique. S’assurer de donner les structures des molécules dans des réactions. Citer vos sources.
Le prélab pour l'expérience au complet sera corrigé avant le début de la séance au laboratoire. Section - Cahier de laboratoire & prélab fournie de l’information quant à la préparation de votre prélab.

Sous-section -  Logigramme présente une description détaillée du logigramme.
Lire les sections suivantes dans le manuel de laboratoire par Flamand et Bilodeau (pages 19 à 23) :

Section 1.3 Extraction

Section 1.3.1 Extraction liquide-liquide
Section 1.3.2 Extraction solide-liquide

Lire l'Introduction à l'extraction liquide-liquide et à l'extraction de la caféine du thé à la page Web précédente.
---Remettre la feuille de rapport au début de la prochaine séance de laboratoire ou une semaine après la fin de l'expérience de laboratoire.

Copie papier seulement.
Rapport - extraction de la caféine du thé

Exemple d'un logigramme - recristallisation de la caféine brute






Consignes de sécurité Nettoyage et élimination

Ne jamais jeter de solvant organique à l’évier. Tout le dichlorométhane recueilli doit être déposé dans le contenant des déchets organiques halogénés. Une fois le solvant évaporé de l’agent desséchant dans la hotte, l’agent desséchant peut être placé dans un contenant à déchets solides non dangereux. Autrement, il doit être placé dans le contenant à déchets dangereux. L’éluant doit être déposé dans le contenant des déchets organiques.  Jeter toutes les feuilles de thé dans la poubelle.

Protocoles expérimentaux

Partie 1. Extraction de la caféine brute du thé1
  1. Dans un bécher de 1000 mL, vous ajouterez 30 g de feuilles de thé noir ou vert (ou 10 sachets de thé) et 25 g de carbonate de sodium. Pour ce faire, peser la nacelle de pesée qui contient les feuilles de thé.  Transvider les feuilles de thé dans le bécher de 1000 mL et peser à nouveau la nacelle de pesée.  La différence des poids fournit la masse des feuilles de thé ajoutée au bécher.  Ce processus s'appelle « peser par différence ». Répéter les mêmes étapes pour le carbonate de sodium. 
  2. Ajouter 225 mL d’eau bouillante.
  3. Bien brasser le mélange avec une tige de verre et le laisser reposer pendant 5 minutes, puis décanter la solution de thé dans un bécher de 400 mL.  Faire attention de ne pas briser les sachets de thé! Écraser les sachets de thé avec la base d’un cylindre gradué afin d’extraire la solution de thé des sachets et transvider la dans le même bécher de 400 mL. 
  4. Rajouter 50 mL d’eau chaude aux feuilles de thé, brasser le mélange puis décanter immédiatement la solution en la combinant au premier extrait.  Encore une fois, écraser les sachets de thé avec la base d’un cylindre gradué afin d’extraire la solution de thé des sachets. On obtient très peu de caféine additionnelle en faisant bouillir les feuilles de thé.  Placer les sachets de thé utilisés au composte.
  5. Laisser refroidir la solution aqueuse à température pièce.
  6. Faire deux extractions en utilisant deux portions de 30 mL de dichlorométhane. Procéder de la façon suivante : 
    1. Transvider la solution dans une ampoule à décantation et ajouter la première portion de 30 mL de dichlorométhane.
    2. Ne secouer pas l’ampoule à décantation trop vigoureusement afin de ne pas former d’émulsion, mais suffisamment pour extraire la caféine dans la couche organique. Faire tourner délicatement l’ampoule et la déposer sur un anneau fixé à un support universel.
    3. Laisser les couches se séparer.
    4. Vider lentement la couche de dichlorométhane de la première extraction dans un bécher de 250 mL.
    5. Procéder avec l’autre portion de 30 mL de dichlorométhane.  À cette deuxième extraction, ajouter les couches du dichlorométhane et d’émulsion dans le bécher (250 mL) contenant le premier extrait.
  7. Assécher les solutions de dichlorométhane combinées et les couches d’émulsion en ajoutant le chlorure de calcium anhydre.  Ajouter de l’agent desséchant jusqu’à ce qu’il ne s’agglutine plus au bas du flacon.
  8. Décanter soigneusement la solution de dichlorométhane dans un bécher prépesé et étiqueté (250 mL) à travers un entonnoir sans tige muni d’un papier filtre imbibé de silicone.
  9. Laver l’agent desséchant avec une petite portion de solvant (5 mL) et laisser évaporer le solvant pendant un (1) à trois (3) jours.
  10. Aprés la période de séchage, peser et examiner les cristaux obtenus. Le résidu de caféine, une poudre cristalline blanc-verdâtre, devrait peser environ 0,25 g.
  11. Calculer le rendement.
Partie 2. Recristallisation de la caféine brute2

Relire le protocole de la recristallisation pour vous familiariser avec les étapes de la recristallisation.  Pendant l’expérience, peu de détails sur la recristallisation seront fournis.
  1. Avant de commencer la recristallisation, garder un peu de la caféine brute pour l’analyse par CCM. 
  2. Noter la masse exacte de la caféine brute qui sera recristallisée.
  3. Pour recristalliser la caféine, la dissoudre dans 10 mL d’acétone chaud, transférer le tout dans un petit Erlenmeyer avec une pipette Pasteur.
  4. Pendant que la solution est chaude, y ajouter les hexanes (un solvant formé d’un mélange d'hexane et d'isohexane) jusqu’à ce que le mélange devienne légèrement trouble.
  5. Laisser lentement refroidir le mélange à la température de la pièce.
  6. Cette méthode de recristallisation à solvant mixte est basée sur le fait que la caféine est beaucoup plus soluble dans l’acétone que dans les hexanes. Une combinaison des deux solvants se produit lorsque la solution est saturée en caféine et devient trouble.
  7. Ensuite, laisser refroidir le mélange contenant les cristaux dans un bain d'eau glacée et retirer ceux-ci par filtration sous vide, à l’aide d’un entonnoir Hirsch ou d’un très petit entonnoir de Büchner. Utiliser quelques gouttes des hexanes froid pour transférer et laver les cristaux. 
  8. Pour obtenir une deuxième récolte de cristaux, transvider le filtrat contenant des cristaux dans un Erlenmeyer, refroidir le mélange et recueillir les cristaux par filtration sous vide.
  9. Peser les cristaux une fois secs et calculer les rendements appropriés.
Partie 3. Analyse de la caféine

Trois méthodes analytiques seront utilisées : 

  1. Spectroscopie IR
    1. Suivre les instruction de Stéphane.
    2. Analyser les résultats.
  2. Point de fusion
    1. Mesurer le point de fusion de la caféine recristallisée et de la caféine standard par la méthode à capillaire (l'appareil à point de fusion STUART SMP 30).  Les différentes étapes de la fusion se trouvent dans  la Figure 1 ci-dessous. 
    2. Faire trois (3) essais.
    3. Analyser les résultats.
  3. CCM
    1. Utiliser une petite plaque (4 cm de largeur x 10 cm de hauteur) couverte de gel de silice.
    2. Analyser la caféine brute, la caféine recristallisée et la caféine standard.
    3. Préparer des solutions de 1 % de ces substances dans 1 mL d'éthanol.
    4. Développer la plaque dans un bécher couvert d’un verre de montre et contenant 15 mL de la phase mobile (95% acétate d’éthyle, 5% acide acétique).
    5. Analyser les résultats.
Étapes de la fusion

Références

  1. Williamson KL. Macroscale and microscale organic experiments. 5e éd. New York: Houghton Mifflin Company; 2003. Chapitre 7, Extraction; p. 135
  2. Williamson KL. Macroscale and microscale organic experiments. 5e éd. New York: Houghton Mifflin Company; 2003. Chapitre 4, Recrystallization; p. 78