Synthèses chimiques








télécharger 73.66 Kb.
titreSynthèses chimiques
date de publication26.01.2017
taille73.66 Kb.
typeThèse
c.21-bal.com > droit > Thèse


Fiche de présentation de la ressource


Classe : 1ère STL

Enseignement : Physique et chimie en laboratoire




Thème du programme :

- Synthèses chimiques.

Sous-thèmes :

- Synthèses et environnement : extraction d'une espèce naturelle.




Titre :

Extraction d'une espèce naturelle : l'eugénol, par hydrodistillation


Extraits du BOEN :


NOTIONS ET CONTENUS

CAPACITÉS

Synthèses chimiques :

- Synthèses et environnement :

● chimie des substances naturelles

- Réalisation de l'extraction d'une espèce naturelle.

Séparation et purification :

- hydrodistillation

- relargage, séparation liquide-liquide

- séchage d'un liquide, filtration

- contrôles de pureté.

- Hydrodistillation.

- Réalisation d'une CCM.

- Mesure d'un indice de réfraction.


Compétences transversales et attitudes :

● Mobiliser ses connaissances.

● Raisonner, démontrer (hydrodistillation).

● Mettre en œuvre une expérience, comparer les résultats aux "prévisions théoriques".

● Travailler en équipe.

● Tenue d'un cahier de laboratoire individuel.

● Evaluation :

♦ réalisation du montage

♦ conduite de l'hydrodistillation

♦ qualité des mesures de volume du distillat et de l'exploitation des résultats

♦ réalisation de la chromatographie sur couche mince (CCM)

♦ conformité de l'étiquetage

♦ tenue du cahier de laboratoire

♦ réponses aux questions posées

♦ résultats pratiques : rendement, pureté.
Type de ressource :

● Activité expérimentale.
Résumé du contenu de la ressource (et conditions de mise en oeuvre si besoin) :

● Présentation de l'hydrodistillation, réflexion pour en comprendre l'intérêt et les conséquences (qualitatif). Ces prévisions qualitatives seront vérifiées expérimentalement.

● Réalisation d'un montage comportant plusieurs éléments.

● Ètalonnage partiel (glace fondante) d'un thermomètre électronique.

● Réalisation de l'hydrodistillation, vérification approximative de la constance du rapport eau / eugénol, relargage, extraction liquide-liquide, séchage, pesée, mise en flacon avec étiquetage conforme.

● Contrôles de pureté : réalisation d'une CCM, mesure de l'indice de réfraction.
● Le principe du calcul de la composition massique des vapeurs peut être simplifié et exposé de façon schématique, on peut aussi se contenter de donner le résultat.

Il est cependant intéressant de montrer une application de la loi des gaz parfaits.
● L'eugénol extrait peut être utilisé comme composé de départ d'une hémisynthèse : celle de la vanilline.

À partir de 50 g de clous de girofle, une extraction par solvant permet d’obtenir 5 à 7 g d'eugénol de pureté largement suffisante pour continuer.
● Prérequis :

♦ connaissance de la loi des gaz parfaits

♦ principe et mise en oeuvre d'une CCM

♦ utilisation d’un évaporateur rotatif

♦ utilisation d’une ampoule à décanter (ou à acquérir pendant le séance)

♦ utilisation du réfractomètre d'Abbe (ou à acquérir pendant le séance).
● Documents annexes : les fiches de chimie expérimentales disponibles à l'adresse :

http://www.educnet.education.fr/rnchimie/recom/sommaire.htm

notamment celles concernant l'hydrodistillation (fiche 8), la CCM (fiche 17-1), le séchage d'un liquide (fiche 18) et la mesure d'un indice de réfraction (fiche 24).


Mots clés de recherche : hydrodistillation, eugénol, girofle, CCM, extraction liquide-liquide




Provenance : GILLARD Frédéric, frederic.gillard@ac-strasbourg.fr


Si besoin est, contacter l’auteur pour disposer des réponses aux questions.

Extraction d'un composé naturel : l'eugénol

par hydrodistillation

Présentation de l'activité expérimentale
Notre but est d'extraire un composé naturel, l'eugénol, d'une partie d'une plante : le clou de girofle.
La pureté du produit obtenu sera vérifiée par une analyse CCM (chromatographie sur couche mince) et par la mesure de son indice de réfraction.

Il pourrait ensuite être utilisé pour la synthèse de la vanilline.

Une synthèse, qui a comme produit de départ un composé naturel déjà assez complexe, s'appelle une "hémisynthèse".
L’eugénol est le composant principal de l’essence de clou de girofle.

Le clou de girofle est le bouton floral d’un arbre, le giroflier (Syzygium aromaticum), de 12 à 15 m de haut, à feuilles persistantes, originaire des Iles Moluques.

Les boutons floraux sont récoltés une à deux fois par an, avant l’épanouissement, lorsque les sépales deviennent rouge vif, on les sèche au soleil jusqu’à obtenir une coloration brune.

On observe donc les quatre sépales épais et les quatre pétales imbriqués enfermant les étamines, le pied contient les ovaires et des poches sécrétrices d’huile « essentielle ».




Image libre de droits, auteur : Jorge Barrios

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Cloves.JPG



Cette image est dans le domaine public car son copyright a expiré.

Franz Eugen Köhler, Köhler's Medizinal-Pflanzen, 1897

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Koeh-030.jpg


Ce clou de girofle contient, entre autres, 15 à 20% d’huile essentielle. Celle-ci contient 80 à 85% d’eugénol et 2 à 3% d’acétyleugénol (et d’autres composés organiques en plus faibles proportions).


L’eugénol

(4-allylgaïacol) :




C10H12O2

M = 164,21 g.mol-1

d = 1,06520

Tf = -7,5°C

Teb = 253,2760

130,518

n20 = 1,5405

L’acétyleugénol :





C12H14O3

M = 206,25 g.mol-1

d = 1,08120

Teb = 127,1-127,84

n20 = 1,5205

La vanilline :



L'hydrodistillation est une méthode de séparation qui permet de distiller des composés peu ou pas solubles dans l'eau en les faisant bouillir avec celle-ci.

Ici on va extraire l'eugénol, le résidu étant principalement constitué de cellulose, de lignine et de sels minéraux. L'acétyleugénol est en grande partie hydrolysé en eugénol pendant l'ébullition.

La méthode d'extraction utilisée : l'hydrodistillation
Quelques données physico-chimiques indispensables :
Relations entre les unités de pression :

1 atm (atmosphère) = 760 mmHg (mm de mercure) = 1,013 bar = 1,013.105 Pa (Pascal)

Donnée 1 :

Dans un mélange de gaz, la pression totale est la somme des pressions partielles des différents gaz ; la pression partielle d'un gaz est la pression qu'il aurait si on enlevait tous les autres gaz, le volume restant le même.

Donnée 2 :

Un liquide pur bout lorsque la pression de vapeur en équilibre avec ce liquide (pression de vapeur saturante) devient égale à la pression extérieure, c'est-à-dire la pression atmosphérique si le récipient communique avec l'atmosphère.

Donnée 3 :

La pression de vapeur, au-dessus d'un liquide, augmente quand la température augmente (mais pas de façon linéaire) : cela commence avec une faible valeur lorsqu'on est à la température de fusion.

En première approximation la relation est de la forme :

ln p = a + b/T la température T est en Kelvin

les valeurs "a" et "b" dépendent du composé et de l'unité choisie pour la pression, on les calcule à partir de données expérimentales

pour l'eugénol, avec "p" en mm Hg, on a : a = 18,94 b = -6479 K

Par exemple :

● l'eau : p = 4,6 mmHg à 0°C, 17,6 mm Hg à 20°C, ... 760 mmHg à 100°C

● l'eugénol : p = 0,03 mmHg à 20°C, 4,8 mmHg à 100°C, 18 mmHg à 130,5°C, 760 mmHg à 253,2°C

Remarque : faire le lien avec les températures d'ébullition données dans le tableau précédent.

Donnée 4 :

La loi des gaz parfaits s'applique à toutes les pressions partielles, pour un gaz A : pA . V = nA . R . T

Remarque 1 : la température est la même pour tous les gaz d'un mélange de volume V.

Remarque 2 : pour une température donnée, la pression partielle d'un gaz est proportionnelle à la quantité de matière présente (sous forme gazeuse).

Donnée 5 :

On raisonnera comme si l'eugénol était le seul composé présent à être entraîné avec la vapeur d'eau.

Etant donné la composition des clous de girofle cette approximation est légitime.
Le principe de l'hydrodistillation :


C'est un cas particulier de distillation dans lequel les deux composés ne sont pas miscibles (en théorie ! car en pratique ils le sont souvent un peu), on a donc un mélange hétérogène de deux composés, l’un des deux étant l’eau E, l'autre un composé A non soluble dans l’eau.

Etant non miscibles entre eux, chaque composé (A et E) se comporte comme si il était seul et les pressions partielles pA et pE ne dépendent que de la température T.

A l’ébullition la somme des deux pressions partielles devient donc égale à la pression atmosphérique (récipient en communication avec l'atmosphère).

Si le liquide ne contient que l’eau et le composé A, sa température est égale à celle des vapeurs émises.




Dans notre cas A est l'eugénol.

On suppose que la pression atmosphérique est de 760 mmHg (1 atm, environ 105 Pa), les températures d'ébullition des deux composés purs valent alors : 100°C pour l'eau et 253°C pour l'eugénol.
Questions relatives à la température d'ébullition du mélange :
Question 1.

Que peut-on en déduire concernant la température d'ébullition d'un mélange ?

Sera-t-elle : inférieure à 100°C, égale à 100°C, supérieure à 100°C, inférieure à 253°C, égale à 253°C, supérieure à 253°C ?
Question 2.

Enoncer une règle générale à propos de la température d’ébullition d’un mélange de deux composés A et B dont les températures d'ébullition (sous-entendu : quand ils sont purs) valent Teb(A) et Teb(B), à la pression de travail.
Question 3.

La température d’ébullition sera-t-elle proche ou éloignée de 100°C, de 253°C ?
Question 4.

La température d'ébullition varie-t-elle pendant l'opération, tant qu'il y a de l'eugénol présent ?
Question 5.

On ajoute régulièrement de l'eau chaude pour compenser son évaporation.

Que devient la température d'ébullition lorsqu'il n'y a plus d'eugénol ?
Question 6.

Tracer un graphe montrant l'évolution de la température en fonction du temps, au cours de l'hydrodistillation, sous une pression de 760 mmHg.
 Le suivi de la température des vapeurs sera réalisé pendant la manipulation.

Ceci permettra de comparer les résultats expérimentaux aux déductions précédentes.
Question 7.

Quel est l'intérêt de cette méthode ?
Questions relatives à la composition des vapeurs produites :
Question 8.

La composition des vapeurs dépend-elle de la quantité d'eugénol et d'eau présente dans le mélange traité ?
 Ce pourcentage massique d'eugénol sera estimé lors de la manipulation.

Réalisation de l'extraction de l'eugénol par hydrodistillation

1. Produits et matériel disponibles :

● Clous de girofle broyé : prévoir 50 g par binôme

● MgSO4 anhydre

● NaCl (sel fin) : prévoir 200 g par binôme

● acétate d'éthyle : un flacon de 250 mL par binôme, une bonne partie devrait être récupérée
● boy

● noix, pinces

● ballon bicol de 500 mL

● chauffe-ballon 500 mL sans agitation

● agitateur à plaque chauffante

● barreau magnétique droit

● ampoule de coulée

● réfrigérant Liebig

● queue de distillation

● clips pour le réfrigérant et la queue de distillation

● tête de colonne courte (permet la mesure de la température)

● 5 erlenmeyers de 150-250 mL

● 1 bécher de 500 mL + 1 grand verre de montre

● thermomètre électronique + gaine avec huile de vaseline + bouchon à trou

● ampoule à décanter 100 mL + anneau

● entonnoir à produit

● entonnoir à liquide 6-7 cm

● papier filtre

● évaporateur rotatif, petit ballon 100 mL, rallonge
● matériel CCM (plaques fluorescentes, lampe UV, récipients pour l'élution, capillaires, tubes à hémolyse ...), éluant : cyclohexane / acétate d'éthyle : 1 / 1
● flacon de récupération pour l'acétate d'éthyle

● flacon de récupération pour les phases aqueuses (récupération possible de l'acétate d'éthyle dissout)

● flacons individuels de 25 mL pour conserver le produit préparé
● réfractomètre d'Abbe
2. Matière première, produit extrait et solvant d'extraction :

● clou de girofle récemment broyé : 50 g par binôme

● eugénol :

CAS : 97-53-0

H302 : nocif en cas d'ingestion

H315 : provoque une irritation cutanée

H317 : peut provoquer une allergie cutanée

H319 : provoque une sévère irritation des yeux

H334 : peut provoquer des symptômes allergiques ou d'asthme ou des difficultés respiratoires par inhalation

H335 : peut irriter les voies respiratoires

DL50 par voie orale : rat 1930 mg/kg, souris 3000 mg/kg, cochon d'inde 2130 mg/kg

l'eugénol n'est pas un composé très toxique mais il n'est pas anodin

toxique pour le foie

utiliser gants et lunettes, laver au savon en cas de contact avec la peau, rincer abondamment à l'eau en cas de projection oculaire

C10H12O2 ; M = 164,21 g/mol ; d = 1,06520 ; Tf = -7,5°C ; Teb760 = 253,2°C ; n20 = 1,5405

solubilités : eau : 2,46 g/L à 25°C ; bien soluble dans l'alcool à 70° et dans l'acide acétique ; miscible avec l'éthanol, le chloroforme, l'éther, les huiles ...

● acétate d'éthyle :

CAS : 141-78-6

fiche toxicologique INRS : ft18

H225 : liquide et vapeurs très inflammables

H319 : provoque une sévère irritation des yeux

H336 : peut provoquer somnolence ou vertiges

EUH066 : l'exposition répétée peut provoquer dessèchement ou gerçures de la peau

VLEP : 1400 mg/m3

DL50 par voie orale : rat 5620 à 10200 mg/kg ; CL50 par inhalation : souris 45000mg/m3

pas de propriétés mutagènes ou cancérogènes

prendre les précautions d'usage

dans les conditions normales d'utilisation ce solvant est peu toxique comparé aux autres

C4H8O2 ; M = 88,12 g/mol ; d = 0,90020 ; Tf = -83,6°C ; Teb760 = 77,1°C ; n20 = 1,3723

solubilités : eau : 83 g/L à 20°C ; miscible avec l'éthanol, le chloroforme, l'éther ; très soluble dans l'acétone ...
3. Aide pour la tenue du cahier de laboratoire.

Il faudra y faire apparaître :

♦ date, titre de l’activité expérimentale

♦ schéma annoté du montage

♦ masses de la matière première et des récipients vides (deux erlenmeyers, ballon de 100 mL)

♦ préparer un tableau pour le suivi des masses d'eau et d'eugénol récupérées :


n° erlen

masse erlen plein

masse distillat

masse ballon avec l'eugénol

masse eugénol cumulée

masse d'eugénol de la fraction

masse d' eau de la fraction

masse d'eau cumulée

























♦ relevé des températures des vapeurs avec les dates marquantes

♦ indice de réfraction, résultats de la CCM

♦ réponses à toutes les questions posées.
4. Etalonnage du thermomètre électronique.

L'étalonnage devrait se faire sur deux points. Nous n'en ferons qu'un, cela suffira pour le travail effectué.




La gaine thermométrique s’utilise en lieu et place du thermomètre classique.

Elle protège la sonde qui ne peut pas être immergée dans un milieu corrosif ou conducteur.

L’huile minérale (ou de silicone), inerte et à haut point d’ébullition permet le contact thermique entre la sonde et le milieu extérieur à la gaine thermométrique.


Préparer un mélange d'eau et de glace pilée, y plonger la gaine thermométrique avec la sonde.

Attendre l'équilibre thermique et la stabilisation de l'affichage qui doit indiquer 0°C, sinon effectuer le réglage selon la notice de l'appareil.
5. Manipulation.

 Avant de commencer, voir plus bas : "Contrôles de la pureté - Analyse CCM".

 Bien observer ce qui se passe pendant la manipulation (voir les questions).

● Numéroter deux erlenmeyers de 150 mL, les peser. Peser également le ballon de 100 mL.

● Equiper le ballon de 500 mL d’une colonne courte suivie du réfrigérant. Installer un thermomètre permettant d'avoir la température des vapeurs. Monter une ampoule de coulée.

● Introduire les 50 g de clous de girofle hachés dans le ballon puis environ 250 mL d'eau.

● Il faudra maintenir environ 250 mL d'eau à environ 80 – 90°C et en ajouter de temps en temps pour maintenir un niveau à peu près constant dans le ballon (fractions de 20 à 25 mL).

● ATTENTION à bien gérer le chauffage, il y a une forte tendance à mousser !

● Relever la température des vapeurs en fonction du temps, depuis le début du chauffage (environ toutes les 5 min), relever les dates particulières : début de l'ébullition, première goutte de distillat ...

● Récupérer le distillat dans un premier erlenmeyer de 150 mL.
● Lorsqu'il sera rempli à environ 50 mL, le remplacer par un autre et effectuer les opérations suivantes sur ce premier distillat :

♦ peser l'erlenmeyer avec son distillat, en déduire la masse de ce dernier

♦ ajouter 30 g de NaCl, le dissoudre

♦ verser dans une ampoule à décanter de 100 mL

♦ rincer l'erlenmeyer avec 20 mL d'acétate d'éthyle avant de le verser dans l'ampoule à décanter

♦ procéder à l'extraction, récupérer la phase organique dans un troisième erlenmeyer de 150 mL

♦ répéter l'opération : rinçage de l'erlenmeyer puis extraction de la phase aqueuse

♦ récupérer la phase aqueuse dans un récipient spécifique

♦ sécher les phases organiques réunies sur MgSO4

♦ filtrer sur papier filtre, directement dans le ballon de 100 mL, utiliser 10 mL d'acétate d'éthyle pour rincer l'erlenmeyer puis le solide

♦ évaporer à l'évaporateur rotatif

♦ récupérer l'acétate d'éthyle afin de le réutiliser pour une des extractions suivantes

♦ peser le ballon, en déduire la masse d'eugénol contenue dans cette première fraction de distillat

♦ en déduire la masse d'eau que contenait ce premier distillat

l'eugénol reste dans le ballon.
● L'ensemble de ces opérations sera répété au moins quatre fois, soit un total de 250 mL de distillat.

 Si de l'eugénol sort encore (liquide trouble) et que le temps le permet, procéder à une sixième opération.

 La pesée du petit ballon donne alors la masse cumulée d'eugénol extrait.
● Récupérer l'acétate d'éthyle de la dernière évaporation, mesurer son volume, en déduire le volume "perdu" pour l'ensemble des opérations, le verser dans un flacon de récupération spécifique.

● Conserver l'eugénol dans un flacon individuel, à étiqueter en respectant un minimum les normes : pictogrammes de danger, liste des phrases H.
6. Contrôles de la pureté.

● Indice de réfraction :

♦ Mesurer l'indice de réfraction et le ramener à 20°C [n20 = nT + 0,00045 (T – 20)].

Comparer à la valeur citée, trouvée dans la littérature. Un indice compris entre 1,535 et 1,540 sera considéré comme très satisfaisant, un indice compris entre 1,525 et 1,535 sera considéré comme correct.

● Analyse CCM :

 Ce qui suit peut être effectué pendant la phase de chauffage.

♦ Extraire une petite quantité de clou de girofle broyé par de l'acétate d'éthyle : environ un demi clou de girofle broyé, 1 à 2 mL de solvant dans un tube à hémolyse ... Triturer avec une baguette de verre. Prélever le liquide (pipette molle ou pipette Pasteur avec petit bout de coton), le mettre dans un tube à hémolyse bouché.

♦ Effectuer une CCM, éluant : cyclohexane / acétate d'éthyle (1 / 1), trois dépôts

# échantillon d'eugénol extrait, dissous dans de l'acétate d'éthyle

# échantillon d'eugénol pur, dissous dans de l'acétate d'éthyle, fourni

# extrait de clou de girofle.

♦ Révéler à la lampe UV

♦ Dessiner la plaque, calculer les Rf des produits principaux, observer et conclure (présence / absence d'acétyleugénol, entre autres).


● Conclusion :

Si on souhaite utiliser l’eugénol extrait pour synthétiser la vanilline, l'étape suivante est la transformation de l'eugénol en acétyleugénol.

En fonction de cette information, du résultat de la CCM et de la valeur de l'indice de réfraction, le produit obtenu est-il utilisable pour une éventuelle synthèse de la vanilline ?
7. Questions diverses, relatives à la manipulation.
Question 1.

Lorsque les vapeurs sont condensées dans le réfrigérant, l'eau et l'eugénol, liquides, se séparent car ils ne sont pas miscibles.

Comment doivent être situées ces deux phases l'une par rapport à l'autre ? Pourquoi ? Qu'observe-t-on ?
Question 2.

Que se passe-t-il après avoir ajouté le chlorure de sodium ? Pourquoi ?
Question 3.

Le but essentiel de l'addition de chlorure de sodium est d'effectuer un relargage.

De quoi s'agit-il ?
Question 4.

Sachant que l'eugénol est quasiment insoluble dans l'eau froide, expliquer pourquoi on ne s'est pas contenté d'une simple séparation, sans faire de relargage ni d'extraction ?
Question 5.

Quelle a été le volume d'acétate d'éthyle perdu ?

Proposer une ou plusieurs explications.
Question 6.

Utiliser les données sur la composition des clous de girofle pour donner un intervalle concernant la masse d'eugénol contenue dans les 50 g utilisés : "les 50 g de clous de girofle contiennent entre .... et .... d'eugénol".

En déduire, de même, un intervalle pour le rendement de l'extraction réalisée.
8. Exploitation du relevé de la température des vapeurs.

Tracer le graphe de la température des vapeurs en fonction du temps.

Indiquer, en abscisse, les dates remarquables.

Le tracé obtenu est-il conforme aux prévisions, qualitativement (allure de la courbe) et quantitativement (valeurs observées) ?

Quels sont les facteurs qui pourraient justifier la ou les différences observées ?
9. Exploitation du relevé des masses d'eugénol extraites.

Tracer le graphe de la masse cumulée d'eugénol extrait en fonction de la masse d'eau cumulée.

On doit observer une augmentation linéaire suivie d'un "ralentissement" vers un palier horizontal.

Justifier l'allure de ce tracé.

Utiliser le graphe obtenu pour répondre aux questions suivantes :

● l'eugénol a-t-il été entièrement extrait ?

● quelle est la valeur expérimentale du rapport massique eau / eugénol ?

similaire:

Synthèses chimiques iconPartie b : synthèses de fragments de l’amphidinol 3

Synthèses chimiques iconSynthèses, Précipitation, Filtration, Séchage, Purification

Synthèses chimiques iconContacts Mme Christel causserand responsable du Master1 parcours Procédés Physico-Chimiques
«vers les procédés Physico-Chimiques» ou d’une licence de Sciences Physiques et Chimiques. Peuvent également postuler des étudiants...

Synthèses chimiques iconInfluence of chemical composition on the catalytic activity of small...

Synthèses chimiques iconSnc2D/snc2p réactions chimiques/Réactions chimiques Démonstration...

Synthèses chimiques iconSynthèses et environnement
«verte» ou durable, en ce qui concerne les choix des matières premières, des réactions et des procédés, ainsi que d’éco-compatibilité...

Synthèses chimiques iconAide a la determination des mineraux
«visibles» étant la symétrie, la couleur, la dureté, l'éclat, la trace et l'indice de réfraction et chimiques, mais ne pouvant se...

Synthèses chimiques iconUniversite des sciences et de la technologie d’oran mohamed boudiaf
...

Synthèses chimiques iconRésumé L’ue est aujourd’hui en plein processus d’élaboration d’une...

Synthèses chimiques iconProgramme officiel 4 I le monde microscopique et macroscopique 1...
«entités chimiques» (échelle microscopique) présentes dans les échantillons de matière qu’ils manipulent à l’échelle humaine (échelle...








Tous droits réservés. Copyright © 2016
contacts
c.21-bal.com