RES

SOU

RCE MPS – SL

La garance des teinturiers

Proposition d’activités autour des molécules de la garance.

Auteurs :Sophie De Reguardati et Annabelle Lemonnier, enseignantes de physique-chimie

2012

Actuellement, l’utilisation et la production de colorant naturel redevient de plus en plus populaire. Pour une application commerciale, il est nécessaire de connaître exactement la composition de la racine de garance.

La racine de Garance est composée de nombreuses molécules, une hydrolyse doit être réalisée au préalable sur la poudre de racine de Garance afin d’extraire et d’identifier plus facilement les molécules à intérêt tinctoriales.

Deux techniques d’identifications sont proposées la chromatographie sur couche mince et la spectroscopie visible, réalisables en classe.Les progrès dans les techniques de séparation et d’analyses ont permis de relancer l’étude du colorant naturel de Garance comme le montre de nombreuses publications ces dernières années. Pour l’illustrer, une présentation des spectres d’analyses de quelques molécules est proposée.

Les molécules de la Garance 3 Identification de deux molécules de la racine de garance : 6 Hydrolyse de la poudre de Garance 6 Identification par chromatographie sur couche mince 9 Identification par spectroscopie Visible. 13

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Les molécules de la GaranceLa racine de garance était cultivée autrefois comme plante tinctoriale. En 1826, la composition de l’alizarine est identifiée. En 1869, Graebe et Liebermann parviennent à créer une alizarine (A) synthétique . L’étude de la composition chimique racinaire de cette plante a en réalité montré sa grande richesse en nombreuses molécules colorantes dont un grand nombre appartient comme l’alizarine à la famille des anthraquinones (A, B,C ,D). La composition entre ces différentes molécules dépend du lieu géographique où la plante est cultivée mais également d’un grand nombre de facteurs comme son âge, sa variété, la nature du sol.(en savoir plus : Photochem ; Anal.14 :137-144 (2003)G.C.H. Derksen et al.)

A B

Les deux principales anthraquinones sont des glycosides : La lucidine primeveroside et l’acide ruberythrique. Viennent ensuite en proportions moindres la purpurine et l’alizarine.

C D

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Activité proposée : Utilisation d’un logiciel de modélisation moléculaire

Le logiciel ACD/Chemsketch est un gratuiciel disponible en téléchargement à l’adresse http://www.acdlabs.com/download/. Il est livré en anglais (logiciel et manuel d’utilisation).Ce logiciel « Chemscketch », permet de dessiner les molécules puis de les visualiser dans l’espace. (Tutoriels pour apprendre à dessiner une molécule ici L’alanine avec Chemsketch : http://www.geniebio.ac-aix-marseille.fr/biospip/spip.php?article238 )

Une fois la molécule dessinée, si elle se trouve dans la banque de donnée, on peut obtenir de nombreuses informations : formule brute, nom, masse molaire, mais également des références de publications et différents spectres d’identifications .

Compétences et capacités pouvant être mises en œuvre :• Utilisation d’un logiciel de modélisation moléculaire• Formule brutes d’une molécule organique, reconnaître la présence

d’un groupe caractéristique dans une formule développée• Comprendre la représentation topologique des molécules.• Conséquences sur la géométrie d’une molécule d’une simple liaison C-C ou

d’une double liaison.• Reconnaître si deux doubles liaisons sont en position conjuguée dans un cycle

carboné.

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On observe alors la géométrie plane des molécules A et B contenant des cycles aromatiques. Contrairement à C et D contenants des oses cycliques comportant des carbones asymétriques.

Lucidine primeverose / Modèle moléculaire /www.acdlabs.com

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Acide rubérytrique / Modèle moléculaire /www.acdlabs.com

Identification de deux molécules de la racine de garance Hydrolyse de la poudre de Garance

Activité proposée : Hydrolyse de la poudre de garance

Une réaction d’hydrolyse doit être réalisée afin de débarrasser les glycosides C et D de leur sucre (Primeverose et Robinose). Cette hydrolyse est réalisée sur la poudre de racine de Garance, elle permet d’obtenir l’Alizarine et la Purpurine.

Une Hydrolyse à chaud en milieu acide permet de libérer tous les saccharides des glycosides.

De nombreuses autres réactions interviennent sur tous les composés de la garance pour simplifier nous étudierons les principales :

L’acide ruberythrique D conduit à la molécule d’alizarine A déjà présente mais dont la

Compétences et capacités pouvant être mises en œuvre :• Savoir que certaines molécules proviennent de la nature et d’autres de la chimie de

synthèse.• Découvrir la grande diversité de molécules pouvant être présentes dans une plantes et la

nécessité de techniques d’extractions.• Pratiquer une démarche expérimentale en respectant les consignes de sécurité :• Interpréter les informations provenant d’une étiquette et se protéger en conséquence.• Dispositif de chauffage à reflux• Dispositif de filtration

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quantité va croitre lors de l’hydrolyse. Il conduit également par plusieurs hydrolyses successives à la Purpurine B.

Protocole expérimental :

On dispose de poudre de Garance commerciale. La même manipulation est également possible en broyant directement la racine de la garance.

*R : phase de risque. R34 : Provoque des brûlures et R37 : Irritant pour les voies respiratoires

**S : Conseil de prudenceS26 : En cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l’eau et consulter un spécialiste S45 : En cas d’accident ou de malaise, consulter immédiatement un médecin (si possible lui montrer l’étiquette)

La garance est une plante faiblement toxique. Des troubles digestifs mineurs et isolés peuvent apparaître lors de l’ingestion de plus d’une dizaine de baies. Une propriété physiologique de la racine de garance est de colorer en rouge les os des animaux qui en sont nourris.

Montage à reflux :

✓ Introduire dans le ballon m = 5 g de racine de Garance, 100 mL d’eau, 10 mL d’acide chlorhydrique 10M. Ajouter un agitateur magnétique.

Poudre de garance

Acide chlorhydrique HCl

Corrosif protection des yeux, de la peau, des vêtementsPhrases R : 34, 37 *

Phrases S : 26, 36, 45 **

Consigne de sécurité : porter blouse, gant et lunette de protection

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✓ Adapter le réfrigérant en position verticale et placer le ballon dans un chauffe-ballon (ou bain d’huile) en le maintenant à un support à l’aide d’une pince (ce qui permet d’abaisser le chauffe-ballon en cas d’emballement).Faire circuler l’eau dans le réfrigérant et commencer le chauffage.

✓ Maintenir le chauffage à reflux durant 1H30. On note la coloration verte de la suspension puis noire.

Traitement du mélange réactionnel :

Le mélange réactionnel contient de nombreuses molécules, il se présente sous l’aspect d’une poudre noire en suspension.

✓ Relier la fiole à filtration à la trompe à eau; y adapter l’entonnoir de Büchner, au fond duquel on place un disque de papier filtre légèrement imbibé d’eau.

✓ Ouvrir doucement la trompe à eau et verser progressivement le contenu du ballon refroidi dans le Büchner. Rincer le solide noir obtenu dans le Büchner avec un peu d’eau distillée glacée.

✓ Sécher la poudre noire obtenue.

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Identification par chromatographie

Activité proposée : Réalisation d’une chromatographie sur couche mince

La chromatographie sur couche mince est une chromatographie d’adsorption (liquide—solide) basée sur la répartition des solutés entre l’adsorbant (phase stationnaire solide : couche mince de silice hydraté) et l’éluant (phase mobile liquide). Chaque soluté est soumis à une force de rétention par adsorption et à une force d’entraînement par élution.

L’équilibre entre ces forces détermine la migration différentielle des solutés du mélange et donc leur séparation.

Pour un éluant donné et un composé chimique donné le rapport frontal est caractéristique du composé. R f = distance parcourue par le composé/ distance parcourue par l’éluant

Données expérimentales : La CCM permet de mettre en évidence la migration de deux taches colorée à partir du produit de réaction. Ces deux taches migrent avec le même rapport que le dépôt des molécules d’alizarine et de purpurine pure.

Solvant de dilution et éluant : Diéthyle éther

Ne disposant pas avec les élèves des molécules de référence on se propose de calculer le rapport frontal des molécules ayant migré et de comparer avec les données précédentes. On ne peut caractériser de façon catégorique les molécules par cette méthode, mais elle permet néanmoins de vérifier que l’hydrolyse a bien eu lieu en réalisant la CCM du réactif avec le produit.

Compétences et capacités pouvant être mises en œuvre :Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la présence de différents colorants dans un mélange Réaliser une chromatographie sur couche mince

R f Alizarine : d1/D = 0,9R f Purpurine : d2/D = 0,6

Étherdiéthylique

F - XnR12 - R19

R22 - R66 - R67*

Consigne de sécurité : manipuler sous hotte.

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*Xn : NocifF : InflammableR12 Extrêmement inflammableR19 Peut former des peroxydes explosifsR22 Nocif en cas d’ingestion.R66 L’exposition répétée peut provoquer dessèchement ou gerçures de la peau.R67 L’inhalation de vapeurs peut provoquer somnolence et vertiges

Protocole expérimental :

✓ Dans deux tubes à essais, introduire une pointe de spatule de la racine de garance et la poudre noire obtenue précédemment par hydrolyse.

✓ Dans chaque tube introduire 2 mL d’éther. Boucher les tubes et agiter. Laisser décanter, observer la teinte de la solution.

✓ Réaliser un dépôt des deux solutions sur une plaque CCM en marquant leurs positions au crayon.

✓ Préparer une cuve de chromatographie avec pour éluant de l’éther. ✓ Laisser migrer la plaque CCM dans la cuve puis marquer au crayon le front de solvant. ✓ Calculer le rapport frontal pour chaque tache obtenue à partir de la poudre noire du

mélange réactionnel : ✓ Mesurer la hauteur de migration de l’éluant D (distance entre la ligne de dépôt et le front

de l’éluant). ✓ Mesurer la distance parcourue par chaque tache et calculer: R f= distance parcourue par

la tache/ distance parcourue par l’éluant : R f1 = d1/D et Rf2 = d2/D. Comparer avec les résultats obtenus.

Schéma de la chromatographie :

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Compétences et capacités pouvant être mises en œuvre :• Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence

l’influence du pH sur la couleur d’espèces chimiques.• Interpréter la couleur d’une espèce chimique en fonction de son absorbance• Identifier une espèce chimique par spectroscopieDispositif de filtration

Identification par spectroscopie:

Activité proposée : Etude des spectres des molécules de la garance

Interpréter la couleur d’une espèce chimique en fonction de son spectre d’absorbance :

La perception des couleurs dépend d’une part de la physique de la lumière, considérée comme de l’énergie électromagnétique, et d’autre part de l’interprétation des phénomènes résultants du système visuel constitué par l’œil et le cerveau. Le système visuel humain interprète l’énergie électromagnétique comme de la lumière visible pour des longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nm. Lorsque la lumière perçue contient

toutes les longueurs d’ondes en proportions approximativement égales, la source de lumière ou l’objet qui la diffuse est dit achromatiques et apparaît blanc. Lorsque la lumière perçue contient plusieurs longueurs d’ondes en proportions arbitrairement inégales, sa couleur est dite chromatique. Ce sont les longueurs d’onde de la lumière transmise qui déterminent la couleur des objets.

Pour connaître la couleur observée en fonction de la longueur d’onde absorbée, on peut utiliser une roue des couleurs (ci-contre). Roue des couleurs

Comment se servir de cette roue ?

Chaque trait indique les longueurs d’ondes en nm, et chaque secteur indique la couleur dominante qui sera observée en émission. Supposons par exemple que le violet se trouve absorbé. A partir la couleur violette, chaque couleur par paire se compensent donc ici les paires rouge-indigo, orangé-bleu. La lumière résultante sera donc de couleur jaune-vert. De même, si c’est le bleu et le vert qui se trouvent absorbés, jaune-indigo et orangé-violet vont se compenser. La lumière résultante sera donc rouge. Le spectre est la fonction qui relie l’intensité lumineuse absorbée par l’échantillon analysé en fonction de la longueur d’onde. Le spectre est un graphe qui relie l’absorbance en fonction de la longueur d’onde. Le balayage de longueur d’onde est réalisé de l’UV au visible.

Les matières colorantes se caractérisent par leur capacité à absorber les rayonnements lumineux dans le spectre visible (de 400 à 700 nm). Tous les composés répondant à cette

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définition se différencient par leur structure chimique. La spectrométrie d’absorption peut alors être considérée comme une méthode physique d’analyse chimique. L’absorption UV-visible n’est pas, cependant, un test spécifique pour tout composé. La nature du solvant, le pH de la solution, la température, les hautes concentrations électrolytiques, peuvent influencer les spectres d’absorption des composés. Ci-dessous sont représentés des spectres d’absorption de différents composés ainsi que la couleur à laquelle ils sont perçus.

Spectre d’absorption des molécules de la garance et influence du pH :

L’alizarine et la purpurine sont dissoutes dans l’éthanol quelques gouttes de soude ou d’acide chlorhydriques sont ajoutées .Une spectroscopie est réalisée pour chaque échantillon. A l’aide de ces spectres, on peut interpréter la couleur d’une espèce chimique en fonction de son absorbance en utilisant la roue des couleurs. Les spectres visibles réalisés par les élèves permettent également d’identifier les molécules.

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Alizarine jaune PH < 7

Alizarine bleu-violet pH > 7

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Purpurine orange pH < 7

Purpurine rouge pH > 7

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