Extraction

Source : Lara Al Hariri et Ahmed Basabrain de l’Université du Massachusetts Amherst, MA, États-Unis

1. Récupération de cellulose
   Avant de commencer le laboratoire, enfilez une blouse de laboratoire, des lunettes de sécurité et des gants en nitrile. Vous effectuerez ce labo dans une hotte. note: Le DCM est très volatil, toxique et irritant. Le DCM passera à travers les gants en nitrile en quelques minutes. Changez rapidement vos gants si vous avez du DCM sur eux.
   Placez un entonnoir séparateur de 125 ml à la verticale dans un appareil annulaire. Vérifiez que le robinet d’arrêt est fermé, puis placez un entonnoir en verre dans le haut de l’entonnoir séparateur.
   Obtenez un morceau de papier filtre et pesez-le à l’aide d’une balance à chargement par le haut. Notez la masse du papier filtre dans la rangée de cellulose de votre cahier de laboratoire.

   Tableau 1 : Masse des composés récupérés

   Composé	Conteneur vide (g)	Échantillon + conteneur (g)	Composé récupéré (g)	Masse récupérée pourcentage
   cellulose
   caféine
   acide benzoïque	-	-
   Masse de départ du mélange (g)		Masse récupérée du mélange (g)		-

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   Retournez à votre hotte et pliez le papier filtre en deux deux fois. Placez le papier filtre pointe vers le bas dans l’entonnoir en verre et ouvrez le papier en un cône.
   Apportez un bécher de 100 ml à la balance. Mesurez ~1,5 g du mélange, notez la masse dans votre cahier de laboratoire et versez-la dans le bécher.
   Etiquette d’un bécher de 50 ml 'DCM'. Apportez ce bécher et un verre de montre à la hotte à solvant. Versez ~40 mL de DCM dans le bécher. Couvrez le bécher avec le verre de la montre et ramenez-le dans votre capuche.
   Mesurez 20 mL de DCM avec un cylindre gradué et versez-le dans le bécher de solides. Mélangez le mélange avec une tige de verre pendant 1 à 2 minutes et brisez les grumeaux qui se forment. Mélangez soigneusement le solide pour vous assurer que les substances solubles se dissolvent complètement.
   Utilisez une pipette Pasteur pour mouiller le papier filtre avec environ 2 mL de DCM pour le fixer en place.
   Mélangez brièvement pour vous assurer que la matière insoluble est en suspension dans la solution, puis versez-le rapidement dans l’entonnoir.
   Lavez l’intérieur du bécher avec ~10 mL de DCM. Versez le rinçage dans l’entonnoir et assurez-vous qu’il ne reste aucun solide dans le bécher. Couvrez le bécher DCM avec un verre de montre et mettez-le de côté.
   Une fois que la solution a fini de s’égoutter dans l’entonnoir séparateur, étiquetez un grand verre de montre 'cellulose' et retirez l’entonnoir en verre de l’entonnoir séparateur.
   Retirez le papier filtre de l’entonnoir, en faisant attention de ne pas le déchirer ou renverser le solide, et posez doucement le papier sur le verre de la montre. Ensuite, changez de gants.
   Écartez le verre de la montre dans la hotte pour laisser sécher le papier filtre et la cellulose (1 heure).
2. acide-base pour séparer l’acide benzoïque et la caféineexpand

   Dans cette partie de l’expérience, vous séparerez l’acide benzoïque et la caféine à l’aide de DCM et d’eau pour les solvants. Cela fait une bonne paire de solvants pour l’extraction liquide-liquide, car le DCM et l’eau sont non miscibles et ont des densités différentes. Cependant, la caféine et l’acide benzoïque sont tous deux beaucoup moins solubles dans l’eau que dans le DCM.

   Pour séparer ces composés, vous mélangerez la solution d'acide benzoïque et de caféine avec de l'hydroxyde de sodium pour convertir l'acide benzoïque en benzoate de sodium, qui est hautement soluble dans l'eau et pratiquement insoluble dans le DCM. La caféine ne sera généralement pas affectée. Lorsque le mélange se dépose en couches, tout le benzoate de sodium sera dans la couche aqueuse car il est insoluble dans le DCM.

   Une petite quantité de caféine se trouvera dans la couche aqueuse, mais la majeure partie restera dans la CMD. Vous conserverez la couche aqueuse de benzoate de sodium pour la dernière partie du laboratoire, où vous évaporerez le solvant de la couche organique pour récupérer la caféine solide.

   L’hydroxyde de sodium est corrosif, alors soyez prudent lors de sa manipulation et de son transport. Les bases solides peuvent provoquer la fusion des surfaces en verre dépoli comme le joint de l’entonnoir de séparation et le bouchon, alors ajoutez toujours de l’hydroxyde de sodium à travers un long entonnoir en verre à tige pour l’empêcher d’entrer en contact avec le verre dépoli.

   • Étiquetez deux béchers de 100 ml comme 'couche aqueuse' et 'couche organique' et étiquetez un bécher de 50 ml comme '1 M NaOH'.
   • Apportez le bécher NaOH, un verre de montre et un cylindre gradué propre de 50 ml jusqu’au capot où les bases sont conservées. Mesurez 40 mL de 1 M de NaOH et versez-le dans le bécher. Couvrez le bécher et ramenez-le avec le cylindre gradué à votre capuche.
   • Replacez l’entonnoir en verre dans le haut de l’entonnoir séparateur. Mesurez 20 ml de 1 M de NaOH et versez-le dans l’entonnoir de séparation.
   • Étalez uniformément une fine couche de graisse sous vide sur les côtés du bouchon de l’entonnoir séparateur. Utilisez des lingettes de laboratoire pour nettoyer l’excès de graisse et enlevez toute graisse au bas du bouchon pour éviter de contaminer la solution.
   • Arrêtez l’entonnoir séparateur, retirez-le soigneusement du support et, tout en maintenant le bouchon en place, secouez vigoureusement l’entonnoir verticalement pendant ~ 1 min.
   • Maintenez le bouchon en place et retournez soigneusement l’entonnoir d’environ 150° avec la tige pointée dans le capot. Ouvrez le robinet d’arrêt pour évacuer la vapeur DCM accumulée. Une fois que la vapeur s’est échappée, fermez le robinet d’arrêt. Secouez et ventilez l’entonnoir séparateur environ 25 fois de cette manière.
   • Placez l’entonnoir séparateur à la verticale dans le luminaire annulaire et retirez le bouchon. Ne le dérangez pas car la solution organique et aqueuse se sépare en couches. note: L’eau est moins dense que le DCM, de sorte que la couche aqueuse sera au-dessus de la couche organique.
   • Une fois que les couches se sont séparées, placez le bécher organique sous l’entonnoir de séparation. Ouvrez délicatement le robinet d’arrêt sans bousculer l’entonnoir séparateur et laissez la couche inférieure s’écouler dans le bécher. Fermez le robinet d’arrêt dès que la dernière couche organique le traverse. note: Vous mélangerez la couche organique avec une autre portion de base aqueuse, il est donc préférable de laisser passer une partie de la couche aqueuse ici plutôt que de laisser le DCM derrière vous.
   • Mettez la couche organique collectée de côté et placez la couche aqueuse étiquetée bécher sous l’entonnoir séparateur. Ouvrez à nouveau le robinet d’arrêt pour drainer la couche aqueuse dans le bécher. Fermez le robinet d’arrêt une fois que l’entonnoir est complètement vide.
   • Utilisez une lingette de laboratoire pour nettoyer la graisse résiduelle à l’intérieur du joint de l’entonnoir séparateur et versez-y la couche organique à l’aide de l’entonnoir en verre.
   • Ajoutez les 20 ml restants de 1 M de NaOH dans l’entonnoir de séparation.
   • Appliquez une nouvelle couche de graisse sur le bouchon et placez-la dans l’entonnoir. Secouez vigoureusement et aérez l'entonnoir séparateur environ 25 fois. Remarque : Bien que cela réduise la quantité de caféine que vous récupérez, vous neutraliserez tout reste d'acide benzoïque, améliorant ainsi la pureté de la couche organique.
   • Une fois que les solutions sont bien mélangées, fixez l’entonnoir à la verticale, retirez le bouchon et attendez que les couches se séparent.
   • Placez le bécher organique sous l’entonnoir et collectez autant de couche organique que possible sans laisser passer la couche aqueuse.
   • Drainez la couche aqueuse dans le bécher correspondant. Mettez la couche aqueuse de côté pour l’instant et soigneusement, mettez l’entonnoir de séparation vide à l’écart dans la hotte.
   • Obtenez un peu de sulfate de magnésium dans un bateau de pesée et utilisez une spatule pour en ajouter une petite quantité à la couche organique. Faites tourner doucement le bécher pour que toute la poudre entre en contact avec le liquide. note: Si le sulfate de magnésium se transforme en amas translucides, il absorbe immédiatement l'eau et ne pourra pas en absorber davantage.
   • Continuez à ajouter du sulfate de magnésium jusqu’à ce qu’une portion reste blanche et poudreuse lorsque vous faites tourner le bécher.
   • Laissez le sulfate de magnésium sécher la couche organique pendant 15 à 20 min.
   • Pendant que vous attendez, mesurez la masse d’un erlenmeyer de 100 ml et notez-la dans la ligne caféine de votre cahier de laboratoire. Ensuite, fixez le flacon dans votre hotte à l’aide d’une pince à 3 broches et placez un entonnoir en verre dans le ballon.
   • Une fois que la couche organique a séché pendant au moins 15 min, prélevez un autre morceau de papier filtre circulaire, pliez-le en quatre et mettez-le dans l’entonnoir.
   • Utilisez une pipette Pasteur propre pour mouiller le papier filtre avec du DCM. Ensuite, versez la couche organique dans l’entonnoir et rincez l’intérieur du bécher avec 1 à 2 ml de DCM. Attendez que la solution passe complètement à travers le filtre.
   • Retirez l’entonnoir et placez le flacon sur une plaque chauffante. Chauffez la solution à 40 °C pour évaporer le DCM, en laissant la caféine solide derrière vous. Cela prend généralement environ 10 min.
   • Pendant que vous attendez, vérifiez le séchage de la cellulose. Utilisez une tige de verre pour briser doucement les touffes afin de l’aider à sécher plus rapidement, mais veillez à ne pas déchirer le papier filtre.
   • Une fois que le DCM s’est complètement évaporé à cause de la caféine, éteignez la plaque chauffante et laissez refroidir le flacon. Brisez les touffes avec une tige de verre si vous les voyez.
   • Mesurez la masse combinée de la gourde et de la caféine et notez-la dans votre cahier de laboratoire. Conservez le flacon dans un endroit sûr pendant la dernière partie du laboratoire.
3. Reprotonation de l’acide benzoïqueExpand

   Dans la dernière partie du laboratoire, vous utiliserez de l'acide chlorhydrique pour reproduire l'anion benzoate. L’acide chlorhydrique est toxique et corrosif, alors soyez prudent avec lui. L’acide benzoïque est peu soluble dans l’eau, de sorte que la majeure partie précipitera de la solution, ce qui vous permettra de le recueillir par filtration.

   • Remplissez un grand bécher aux 3/4 de glace pilée et ajoutez juste assez d’eau pour remplir les espaces entre la glace. Placez le bécher des couches aqueuses combinées dans le bain.
   • Étiquetez deux bouteilles graduées de 10 mL '3 M HCl' et 'eau déminéralisée'. Ajouter ~10 mL d’eau déminéralisée dans le cylindre gradué correspondant. Amener l’autre cylindre gradué à la hotte pour les acides et obtenir environ 5 mL de HCl 3 M.
   • Obtenez deux pipettes Pasteur propres et remplissez une pipette avec 3 M de HCl. Incorporez le HCl dans la solution aqueuse réfrigérée quelques gouttes à la fois. À l’aide d’un papier pH, vérifiez si la solution a atteint la plage de pH cible de 1 à 3. Continuez à ajouter 3 M HCl de cette manière jusqu’à ce que vous atteigniez le pH cible.
   • Laissez la solution reposer sans être dérangée dans le bain de glace pendant environ 10 min.
   • Assemblez une installation de filtration sous vide à l’aide d’une fiole filtrante de 125 ml, d’un entonnoir Büchner, d’un papier filtre circulaire et d’un adaptateur en caoutchouc.
   • Utilisez une pipette Pasteur propre pour mouiller le papier filtre avec quelques gouttes d’eau désionisée.
   • Une fois que la solution aqueuse a été posée pendant 10 min, versez-la dans l’entonnoir de Büchner et ouvrez le ballon pour le mettre sous vide.
   • Placez le cylindre gradué d’eau déminéralisée dans le bain de glace et laissez-le refroidir pendant 3 à 5 min. Utilisez une spatule pour gratter le solide restant dans le bécher dans l’entonnoir.
   • Rincez le bécher avec ~3 mL d’eau froide et versez le contenu dans l’entonnoir. Assurez-vous que tous les solides sont transférés.
   • Laisse le vide fonctionner jusqu’à ce que l’eau cesse de couler de l’entonnoir. Ensuite, fermez le vide et brisez le sceau de la fiole. Placez l’entonnoir à la verticale dans une fiole vide pour laisser l’acide benzoïque sécher complètement (1 heure).
   • Pendant que vous attendez que l’acide benzoïque sèche, jetez le sulfate de magnésium dans un conteneur à déchets désigné, versez les restes de DCM dans un conteneur à déchets halogénés et placez les pipettes Pasteur usagées dans le conteneur à déchets en verre.
   • Combinez le filtrat aqueux et tout HCl restant dans le bécher aqueux. Diluez le mélange avec ~10 mL d’eau déminéralisée et neutralisez-le à environ pH 7 avec du bicarbonate de sodium. Rincez les déchets aqueux dans le drain avec l’eau courante du robinet.
   • Lavez le reste de votre verrerie et rangez votre équipement selon les méthodes habituelles de votre laboratoire, en laissant de côté les trois composés.
   • Une fois que l’acide benzoïque est sec, mettez à zéro un bateau de pesée sur une balance à chargement par le haut et transférez le solide sur le bateau à l’aide d’une spatule propre. Enregistrez la masse dans votre cahier de laboratoire.
   • Calculez les masses de cellulose et de caféine en soustrayant les masses des récipients vides des masses combinées des récipients et des composés.
   • Additionnez les trois masses des composés et comparez-les à la masse de départ. note: Si la somme est supérieure à la masse de départ, alors un composé n'était pas sec lorsque vous avez pesé. Pesez à nouveau les composés et vérifiez à nouveau les masses.
   • Une fois que vous avez les trois masses sèches, jetez les composés dans le conteneur à déchets désigné et lavez votre verrerie restante. Enfin, nettoyez le sol de votre hotte avec des serviettes en papier humides et jetez tous les déchets de papier restants.
4. ResultsExpand
   • Déterminez la composition du mélange inconnu en fonction des masses récupérées pour chaque composé. Calculez les pourcentages massiques de cellulose, de caféine et d’acide benzoïque dans le mélange inconnu. note: La composition massique réelle du mélange était de 5 % de cellulose, 47,5 % de caféine et 47,5 % d’acide benzoïque.
   • Sur la base de votre masse de départ, calculez la masse initiale théorique de chaque composé de votre échantillon, et comparez ces valeurs à vos données.

     Tableau 2 : Rendement en pourcentage des composés récupérés

     composé	Masse de départ pourcentage	Initial théorique masse (g)	Récupéré masse (g)	Rendement en pourcentage
     cellulose	5
     caféine	47.5
     acide benzoïque	47.5
     	Masse de départ du mélange (g)		-	-

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   • Voici quelques sources d’erreur courantes de cette expérience.

     Erreur	Source d’erreur
     La caféine et l’acide benzoïque ne se sont peut-être pas complètement dissous au début du laboratoire et sont peut-être restés sur le papier filtre étiqueté pour la cellulose.
     L’acide benzoïque n’a pas été complètement converti en benzoate de sodium, laissant un mélange de caféine et d’acide benzoïque dans le DCM.
     Perte due aux lavages aqueux, en particulier si la base aqueuse était chaude
     Protonation incomplète de benzoate de sodium, solution trop chaude ou précipitation perturbée