TP 1 extraction liq liq - e

TP 1 : méthode de l’extraction liquide-liquide
Cas de l’extraction de la caféine du Breizh-Cola
I)
Principe :
Utilité :
L'opération d'extraction liquide-liquide consiste à transférer une
espèce chimique d'un liquide à un autre. C'est l'une des opérations
les plus fréquemment réalisée en laboratoire de chimie organique.
L'extraction est possible si deux liquides ne sont pas miscibles (c'està-dire qu'ils forment deux phases distinctes). En général, il s'agit
d'une phase aqueuse et d'une phase organique. Le plus souvent :
- Soit on extrait un composé d'une phase aqueuse vers une phase
organique afin de l’isoler.
- Soit on lave une solution organique par une phase aqueuse, afin de
se débarrasser des impuretés les plus solubles dans l'eau.
Principe :
On considère 2 solvants non miscibles S1 et S2 et une molécule A qui
va pouvoir se répartir entre les 2 solvants.
Il s’établit l’équilibre suivant Adissous dans S1 = Adissous dans S2
La constante d’équilibre de cet équilibre s’appelle coefficient de
[A]S2
partage :
= K = cste
[A]S p
1
Comme KP est une constante, on peut montrer mathématiquement
qu’il est plus efficace pour extraire A du solvant S1 à l’aide du
solvant S2, d'utiliser plusieurs fois un petit volume de S2 que
d'utiliser en une fois un gros volume de S2.
Choix du solvant extracteur S2 :
2 critères sont importants :
o L’espèce à extraire doit être le plus soluble possible dans le
nouveau solvant.
o La facilité avec laquelle on pourra éliminer le solvant
extracteur pour récupérer l’espèce A pure.
Principe « like dissolves likes » : plus la structure d’une molécule est
proche de celle du solvant plus elle y sera soluble. Ainsi les
molécules apolaires sont bien solubles dans les solvants apolaires et
peu dans l’eau qui est polaire et inversement.
Quelques solvants classiques :
O
O
éther
II)
CH2Cl2
O
acétate d'éthyle
cyclohexane
Technique expérimentale :
L'extraction liquide-liquide est réalisée dans une
ampoule à décanter. La réalisation de la manipulation
est la suivante :
Extraction :
Dans l’ampoule à décanter, introduire la solution
aqueuse à extraire et le solvant organique
d'extraction. L'ampoule à décanter ne doit pas être
remplie à plus des trois quarts de sa contenance.
dichlorométhane
Après avoir bouché l'ampoule, agiter vigoureusement à la
main, robinet vers le haut, en ouvrant régulièrement le robinet
afin de laisser s’échapper les vapeurs de solvant et d'éviter des
surpressions dans l'ampoule ; attention à ne jamais diriger
l'ampoule vers les
voisins !! Orienter vers le mur.
Replacer l'ampoule à décanter sur son support, et laisser
décanter (en ayant enlevé le bouchon), jusqu'à ce que la
séparation de phase soit assez nette. Récupérer dans un
erlenmeyer la phase organique
La position des phases aqueuse et organique dépend de la densité de
chacun des 2 solvants. Dans la plupart des cas, le solvant organique
est moins dense que l’eau. Ce n’est pas le cas du dichlorométhane (d
= 1,3)
Recommencer l'extraction (2 ou 3 fois en tout) : replacer la
phase aqueuse à extraire dans l’ampoule et du solvant
organique pur puis agiter de la même manière que
précedemment. Rassembler les fractions organiques dans le
même erlenmeyer.
Séchage
Après l'extraction, il est nécessaire de sécher la phase
organique, c’est-à-dire d'éliminer les traces d'eau restantes.
Pour cela, introduire dans l'erlenmeyer contenant la phase
organique un produit avide d'eau mais inerte vis à vis de la
molécule organique extraite : par exemple, du sufate de
sodium Na2SO4, du sulfate de magnésium MgSO4 ou du
chlorure de calcium CaCl2.
En pratique, mettre 2 spatules de desséchant : on voit les grains
de solide "gonfler" en absorbant l'eau ; rajouter du desséchant
jusqu'à ce que l'on observe au fond du bécher des grains
n'ayant pas grossi (cela signifie que toutes les traces d'eau ont
été absorbées). Si tout le sel est gonflé et collé au fond, il reste
de l’eau et il faut donc introduire une nouvelle quantité d’agent
séchant. Si au contraire on observe l’agent séchant flottant
librement dans le liquide sous forme de poudre fine, cela
signifie que toute l’eau a été absorbée.
Ensuite, filtrer le contenu de l'erlenmeyer pour éliminer la
phase solide (desséchant plus traces d'eau), puis éliminer le
solvant organique par distillation ou à l’aide d’un évaporateur
rotatif.
III)
Cas de la caféine dans le Breizh-Cola :
Le Coca-Cola© est une boisson gazeuse fabriquée pour la première
fois à Atlanta en 1886. Il contient, entre autres, du dioxyde de
carbone dissous, de l'acide phosphorique, des extraits de feuille de
coca "décocaïnisées" et de noix de cola. Cette dernière contient de la
caféine, stimulant cardiaque, diurétique, contenue aussi dans de
nombreux médicaments.
La caféine est représentée ci-contre.
Elle a été extraite du café par Runge en 1820. On la
trouve également dans le thé.
C'est un solide cristallisé en aiguilles, de saveur amère,
de point de fusion Tf = 237 °C.
O
N
N
O
N
N
Peu soluble dans l'eau à température ordinaire, la caféine est plus
soluble dans l'eau chaude, et surtout très soluble dans le
dichlorométhane ou dans le chloroforme (CHCl3) en milieu basique.
Dans ce TP, nous nous proposons d'extraire la caféine du BreizhCola©.
A.
Extraction de la caféine
Placer 250 mL de Breizh-Cola© préalablement dégazé dans un
bécher posé sur un agitateur magnétique, ajouter petit à petit
une solution saturée de carbonate de sodium (base) jusqu'à ce
que le pH soit à peu près égal à 9 (contrôler le pH avec le
papier pH).
Ajouter ensuite 50 mL de dichlorométhane (densité d = 1,32 ;
température d'ébullition Teb = 40 °C), et agiter 3 minutes.
Enlever le barreau aimanté à l’aide d’une baguette aimantée,
puis transférer le contenu du bécher dans deux ampoules à
décanter (normalement une seule suffit, mais nous ne
disposons pas d'ampoules assez grandes). La phase supérieure
coule en premier ; veiller à la répartir entre les deux
ampoules, puis répartir la phase inférieure entre les deux
ampoules.
Pour chacune des deux ampoules, boucher et agiter (attention,
une émulsion assez stable peut se former à l’interphase), puis
laisser décanter en ayant pris soin d'ôter le bouchon, jusqu'à ce
que la séparation de phases soit assez nette.
Récupérer les phases organiques de chaque ampoule dans un
même erlenmeyer ; pour cela, ouvrir le robinet de l'ampoule et
faire couler doucement à l'approche de la séparation de
phases, fermer à ce moment, attendre environ une minute, et
récupérer le peu de phase organique apparue.
Rajouter 25 mL de dichlorométhane dans chaque ampoule et
recommencer : boucher, agiter, ouvrir et laisser décanter, puis
récupérer les phases organiques dans le même erlenmeyer que
précédemment.
Sécher la phase organique avec du sulfate de magnésium (cf
II). Agiter 5 minutes environ.
B.
Cristallisation de la caféine :
A partir de ce point, la phase organique est sèche ; il ne faut pas de
traces d'eau dans la verrerie. Il ne faut donc pas rincer au préalable
la verrerie utilisée à partir de ce point, ni la laver après pour le
groupe suivant. Vous pouvez par exemple noter dessus « verrerie
sèche ».
Filtrer le contenu de l'erlenmeyer sur papier filtre dans le grand
ballon poire commun (sec) adapté à l’évaporateur rotatif.
A l’aide de l’évaporateur rotatif, évaporer le liquide jusqu’à ce
qu’il ne reste plus que du solide
Verser le résidu dans une boite de Pétri où la caféine va
cristalliser par évaporation du solvant. On obtient des cristaux
de caféine brute (i.e. non purifiée).
Pour vérifier leur pureté, mesurer leur température de fusion au
banc Köfler.
C.
Mesure du point de fusion :
En mesurant la température de fusion du
produit obtenu, on va pouvoir à la fois prouver
l’identité du produit et juger sa pureté
(d’autant plus grande que la température de
fusion mesurée sera proche de celle tabulée).
Pour réaliser cette mesure vous allez utiliser le banc Köfler,
schématisé à côté. Celui-ci est constitué d’un bloc métallique dans
lequel se trouve une résistance chauffante, disposée de telle sorte
qu’il existe un gradient de température à peu près linéaire sur la
longueur du banc.
La première opération consiste à étalonner le banc. Prendre
dans la petite boîte des substances étalons (dont la
température de fusion est connue avec précision) celle qui a
la température de fusion la plus proche de celle du produit
testé (ici la caféine).
D.
Questions :
1. Faites le schéma de l’ampoule à décanter et de son contenu :
vous indiquerez notamment où se trouvent la phase
organique et la phase aqueuse, ainsi que les espèces dissoutes
dans chaque phase. Justifier le tout.
2. Quelle est la phase que l’on va conserver ?
3. Quelle est l’utilité de l’ajout de la base (le carbonate de
sodium) en tout début de manipulation ?
Indication :
La caféine participe à l’équilibre acido-basique suivant :
O
H
Déposer sur le banc quelques cristaux (il en faut très peu !)
de la substance étalon. A l’aide de la petite spatule, pousser
doucement vers la gauche les cristaux selon une ligne oblique
N
80
70
N
+H
N
+
N
O
N
N
Plaque chaude
Index mobile
90
N
N
O
Liquide Solide
O
Températures en °C
jusqu’à observation de la fusion. Positionner l’index mobile à
la limite solide-liquide ; régler le curseur sur la température
de fusion.
Nettoyer immédiatement le banc avec un coton si possible
sans l’imbiber d’éthanol pour éviter de dérégler le banc et
tester votre produit.
4. Expliquer l’intérêt de la 2ème extraction, lorsque l’on rajoute
dans l’ampoule pour la 2ème fois du dichlorométhane.
5. Expliquer l’intérêt de l’évaporateur rotatif.
6. Donner la valeur du point de fusion obtenu et commenter.
7. Le dichlorométhane est toxique à forte dose. Pouvez-vous
proposer un autre solvant susceptible de le remplacer ? A
l’aide des caractéristiques physiques du dichlorométhane,
pouvez-vous donner un argument supplémentaire de son
intérêt ?
8. Question supplémentaire :
Comment identifier la phase aqueuse dans un mélange de 2
liquides non miscibles tous les 2 transparents ? Je demande
un critère expérimental.