La caféine

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Structure et transformation de la matière
Type : Exercice | Année : 2012 | Académie : Inédit
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
La caféine
 
 

Structure et transformation de la matière

Corrigé

23

Comprendre

pchT_1200_00_24C

 

Sujet inédit

Exercice • 5 points

La caféine est un psychostimulant qui a pour principaux effets d’accélérer le rythme cardiaque au bout de quelques minutes puis de provoquer une sensation de réveil. La caféine est largement consommée dans le monde sous forme de café, thé et de boissons type cola ou des nouvelles boissons énergisantes !

1. Extraction de la caféine

Le thé contient environ 5 % de caféine, mais il contient aussi d’autres substances comme des sucres, des pigments, des graisses, etc.

L’extraction de la caféine se fait en quatre étapes :

  • Étape 1 : Dans un ballon surmonté d’un réfrigérant, on introduit des feuilles de thé et de l’eau distillée. Le chauffage et l’agitation durent 2 heures.
  • Étape 2 : Le mélange précédent est refroidi et mélangé à du dichlorométhane. Seule la phase organique est recueillie.
  • Étape 3 : La phase organique est mélangée à du sulfate de magnésium anhydre puis filtrée.
  • Étape 4 : Après évaporation du solvant, on obtient une poudre blanche qui contient principalement de la caféine.

Données

Dichlorométhane ; d= 1,30, non miscible à l’eau

 

Dans le dichlorométhane

Dans l’eau à 25 °C

Dans l’eau à 65 °C

Solubilité de la caféine

importante

faible

très importante

 

1 Dans l’étape 1, quel est le rôle du réfrigérant ? Le schématiser surmontant le ballon sans oublier la circulation d’eau. (0,25 point)

2 En utilisant les données, justifier le chauffage dans cette première étape. (0,25 point)

3 Pour l’étape 2, dessiner le dispositif permettant de recueillir la phase organique et indiquer la position des phases aqueuse et organique. Dans quelle phase se trouve la quasi-totalité de la caféine extraite ? Justifier. (0,25 point)

4 Dans l’étape 2, quelle technique est mise en œuvre ? (0,25 point)

5 Quel est le rôle du sulfate de magnésium anhydre ? (0,25 point)

6 Il est possible de purifier un solide tel que la caféine extraite. ­Nommer une technique de purification d’un solide. (0,5 point)

2. Analyse spectrale du composé obtenu
après purification

Se reporter aux tables de référence IR et RMN en fin d’ouvrage.

1 Indiquer le nom de deux fonctions présentes sur la molécule de caféine. (0,25 point)

2 Retrouver dans les tables les bandes d’absorption correspondant à la molécule suivante : (0,25 point)


 

3 Le spectre infrarouge suivant confirme-t-il la présence de ces fonctions ? (0,25 point)


 

4 Identifier le nombre de groupes de protons équivalents. Combien de signaux doit-on avoir sur le spectre RMN ? (0,25 point)

5 Le spectre RMN confirme-t-il la structure de la molécule ? Justifier. (0,5 point)


 

3. Dosage de la caféine dans différentes boissons

1 Préparation de solutions de caféine
de différentes concentrations

Avec la caféine extraite que l’on a purifiée, on fabrique une solution de caféine dans le dichlorométhane de concentration 32 mg · L–1. On désire préparer des solutions de concentrations 4 mg · L–1, 8 mg · L–1, 12 mg · L1 et 16 mg · L–1.

Parmi le matériel suivant, indiquer celui utilisé pour préparer la solution de caféine de concentration 16 mg · L–1. Justifier votre choix. (0,75 point)

Matériel à disposition :

  • bechers de 50 mL, 100 mL et 200 mL.
  • fioles jaugées de 20 mL, 50,0 mL et 100 mL
  • pipettes jaugées de 2,0 mL, 5,0 mL et 10 mL
  • éprouvettes graduées de 5 mL et 10 mL

2 Mesure d’absorbance

On a tracé ci-dessous (figure 1) le spectre d’absorption de la caféine entre 220 nm et 340 nm pour une des solutions de caféine. (1 point)


 

Figure 1

1. À quel domaine appartiennent ces longueurs d’onde ?

On veut tracer la courbe d’étalonnage A=f(c) de la caféine à l’aide des différentes solutions précédemment préparées. Pour cela, il faut régler le spectrophotomètre sur une longueur d’onde correspondant à un maximum d’absorption de la caféine.

On choisit de se placer à une longueur d’onde de 271 nm et l’on mesure les absorbances des 5 solutions de caféine. À l’aide de ces mesures, on obtient la courbe A=f(c) ci-dessous (figure 2).

2. À l’aide de la droite d’étalonnage, trouver la concentration de la solution qui a servi à faire le spectre d’absorption de la figure 1.


 

Figure 2

3. On procède à l’extraction de la caféine dans une boisson au cola et une boisson énergisante. Après extraction et élimination du solvant, le résidu obtenu est placé dans une fiole jaugée qui est complétée jusqu’au trait de jauge.

Pour 10 mL de boisson au cola traités, on obtient 100,0 mL de solution et pour 5 mL de boisson énergisante traités, on a une solution de 200 mL. Sans changer les réglages du spectrophotomètre, on mesure les absorbances des boissons 1 (cola) et 2 (énergisante). On trouve A1= 0,40 pour la boisson 1 et A2= 0,22 pour la boisson 2.

Déterminer la concentration en caféine pour les deux boissons.

Laquelle est la plus excitante pour le consommateur ?

Les conseils du correcteur

Partie 1

2 Chercher dans les données, les caractéristiques dépendant de la température.

5 Le terme « anhydre » signifie « sans eau » donc ce composé est très avide d’eau.

Partie 2

4 Bien vérifier tous les atomes. Sur la formule topologique, les atomes d’hydrogène ne sont pas représentés.

Partie 3

22. Attention à l’énoncé : la courbe d’étalonnage est obtenue pour λ = 271 nm donc pensez à regarder la valeur de l’absorbance sur la figure 1 pour λ = 271 nm.

3. Attention à penser aux dilutions effectuées avant la prise de mesure.

Corrigé

1. Extraction de la caféine

Analyse d’un protocole expérimental : réfrigérant/chauffage/extraction/sulfate anhydre/purification

1 Le réfrigérant permet de condenser les vapeurs formées lors du chauffage. Elles redeviennent liquides et retombent dans le ballon, ainsi le volume du mélange réactionnel reste constant, il n’y a pas de perte vers l’extérieur. L’arrivée d’eau se fait toujours par la partie inférieure du réfrigérant.


 

2 La solubilité de la caféine augmente avec la température. Ainsi en chauffant, on permet à la caféine de mieux se dissoudre dans l’eau.

3 On mélange la solution aqueuse et le dichlorométhane non miscible dans une ampoule à décanter. La phase aqueuse possède une densité proche de 1 tandis que le dichlorométhane possède une densité de 1,30. La phase supérieure est la moins dense, c’est donc la phase aqueuse.


 

La phase aqueuse a été refroidie, la solubilité de la caféine est redevenue faible tandis que la solubilité de la caféine est importante dans le dichlorométhane. Donc la caféine passe de la phase aqueuse à la phase organique (dichlorométhane).

4 On a procédé à une extraction liquide-liquide (ou extraction par solvant).

5 Le sulfate de magnésium anhydre réagit avec l’eau éventuellement encore présente dans la phase organique. Il déshydrate la phase organique.

 

Attention

Toutes ces techniques expérimentales sont à bien connaître car très classiques (reflux/extraction/séchage/recristallisation).

6 On peut procéder à une recristallisation. On dissout le solide à chaud dans un solvant. Puis on refroidit l’ensemble, le solide précipite. On effectue ensuite une filtration sur büchner ; le solide recueilli, une fois séché, est alors plus pur.

2. Analyse spectrale du composé obtenu
après purification

1 Reconnaissance des groupes fonctionnels

On note la présence d’une fonction amide et d’une fonction amine tertiaire.

2 Savoir lire un spectre IR

  • Amide tertiaire, pas de bande à 3 200 cm–1.
  • C‗O, bande vers 1 680 cm–1.
  • C—N, bande vers 1 425 cm–1.
  • Amine C—N, bande vers 1 230-1 030 cm–1.
  • CH3, bandes à 2 960 cm–1, 1 460 et 1 380 cm–1.
  • C‗C, bande à 1 645 cm–1.

 

3 Faire le lien entre spectre IR et structure d’une molécule

Le spectre infrarouge confirme la présence de ces fonctions. Pour la fonction amide, on n’observe pas de bande vers 3 200 cm–1. On trouve une bande vers 1 700 cm–1 pour C‗O ; pour la fonction amine, on recense une bande vers 1 230 cm–1 caractéristique de C—N.

On peut noter également les bandes à 2 900 et 1 460 cm–1 caractéristiques des alcanes, ici CH3 mais aussi une bande à 1 650 cm–1 correspondant à C‗C.


 

4 Protons équivalents et spectre RMN

 

Notez bien

C’est toujours le cas : les trois hydrogènes d’un groupe CH3 sont toujours équivalents.

On constate que les seuls protons présents sont sur les trois méthyles et un H (lié à un C‗).

Les 3 H d’un méthyle ont le même environnement, ils sortiront sous le même signal.

En revanche, les trois méthyles ont un environnement différent, on devra avoir trois signaux sur le spectre pour les méthyles et un quatrième pour le H isolé.

5 Faire le lien entre spectre RMN et la structure d’une molécule

 

Info

L’amplitude de la courbe d’intégration donne le nombre de protons équivalents correspondant à ce signal.

Le spectre RMN présente bien quatre signaux dont trois autour de 3-4 ppm correspondant aux trois méthyles, la courbe d’intégration le confirme.

Le H seul sort vers 7,5 ppm (courbe d’intégration trois fois plus petite !).

3. Dosage de la caféine dans différentes boissons

1 Savoir écrire un protocole de dilution

La concentration de la solution fille est deux fois plus faible, on doit diluer deux fois.

Pour effectuer une dilution, il faut mesurer les volumes précisément à l’aide de verrerie jaugée. On prélève à l’aide d’une pipette jaugée un volume V0= 10,0 mL de solution mère. La dilution sera effectuée dans une fiole jaugée de volume V1= 20,0 mL (peu utilisée au lycée mais ça existe !). On complète avec de l’eau jusqu’au trait de jauge.

2 Loi de Beer-Lambert : retrouver la concentration
à partir d’une courbe d’étalonnage

 

Info

Le visible s’étend de 400 nm à 800 nm de longueur d’onde. En dessous de 400 nm ce sont les ultraviolets et au-dessus de 800 nm ce sont les infrarouges.

1. λ < 400 nm, donc les radiations utilisées appartiennent au domaine des ultraviolets.

2. Sur la figure 2, la représentation graphique de l’absorbance en fonction de la concentration est une droite passant par l’origine. Ce qui indique que l’absorbance A est proportionnelle à c.

Sur la figure 1, pour λ = 271 nm, on lit A= 0,5.

À l’aide de la figure 2, on en déduit que c= 16 mg · L–1.


 

3. À partir de la courbe d’étalonnage, on détermine graphiquement la concentration en caféine dans les fioles jaugées.


 

Pour A1= 0,40, on trouve c= 13 mg · L–1 et pour A2= 0,22, c= 7 mg · L–1.

Or ici, il faut tenir compte des dilutions effectuées sur les boissons.

  • Pour la boisson au cola, 10 mL se retrouvent dans une fiole de 100 mL, ce qui revient à diluer 10 fois, donc la concentration en caféine dans la boisson au cola est 10 × 13 = 130 mg · L–1.
  • Pour la boisson énergisante, 200 mL ont été préparés à partir de 5 mL de boisson soit une dilution au 1/40. La concentration en caféine dans la boisson énergisante est donc 40 × 7 = 280 mg · L–1.

La boisson énergisante est environ deux fois plus concentrée en caféine que la boisson au cola, c’est elle qui sera la plus excitante pour le consommateur.