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Enseignement expérimental

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Academic year: 2022

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(1)

Qu inin e: extr acti on, car acté risa tion ,ut ilisa tion par Flo ren ce LA IB E-D AR BO UR et Ch ris top he AR O NI CA La bo rato ire de chi m ie EN S de Ly on -6 93 64 Ly on f l o r e n c e . l a i b e @ e n s - l y o n . f r c h r i s t o p h e . a r o n i c a @ e n s - l y o n . f r

R É S U M É Les res sou rce sn atu rell es pro du ise nt des com po sés util isa ble sp ar l’h om me po ur leu rs pro prié tés .E nco re fau t-il arr ive les extr air e du mil ieu na tur el et à les pu rifi er… No us pro po son sic iu ne intr od uct ion à l’e xtr act ion des pro du its na tur els suiv ie d’u n pro toc ole d’e xtr act ion et de car act éris atio n de la qu inin e à pa rtir d’é cor ce na tur elle de qu inq uin a. Ce s ma nip ula tio ns on t été réa lisé es en no vem bre 20 08 pa r des lyc éen s de ter min ale pa rtic ipa nt au x Oly mp iad es na tio na les de la chi mie .

IN T R O D U C T IO N La chi m ie et la nat ure son tp arfo is en con cur ren ce par fois com plé m ent aire s. En effe t,l’ ho m m e util ise des m olé cul es nat ure lles po ur se soig ner (ac ide sali cyl iqu e ext rait de l’é cor ce de sau le aya nt un e stru ctu re et des pro prié tés pro che sd e cell es de l’a spir ine ), po ur par fum er (va nill e qu i est un m éla ng e de plu sie urs m olé cul es) ,p ou r col ore r des tiss us (ro ug e de coc hen ille issu de l’in sec te de m êm e no m … ), m ais par fois ,la qu ant ité off erte par la nat ure n’e st pas suf fisa nte et l’h om m e a alo rs rec ou rs à la chi m ie po ur syn thé tise rc es m olé cul es nat ure lles . La van ille nat ure lle est un par fum com ple xe for m é de plu sie urs cen tain es de com po sés aro m atiq ues diff é- ren ts. Un kilo gra m m e de go uss es de van ille ent ière s coû tan te nv iro n 1 00 0 eur os, les chi m iste s se son tin té- res sés à la syn thè se de la m olé cu le prin cip ale m en t res po nsa ble de l’a rôm e: la van illin e ( cf .fig ure 1). Ain si, un kilo gra m m ed ’arô m ea rtif icie ld ev ani lle liq uid ec oû te env iro n 45 eur os. M êm e si les chi m iste s son tc apa ble s de syn thé tise rle s m êm es m olé - cul es qu ela nat ure (va nill ine ),le sg ran ds pât issi ers pré fère nt de vra ies go uss es de van ille , car l’a rôm e est plu sri che . Un aut re exe m ple trè sc ara cté rist iqu ee st le tax ol

®

( cf .fig ure 2, pag ec i-a prè s) util isé po ur la lutt ec on tre le can cer qu ies to bte nu àp arti rd el’ éco rce d’if sd ’A m ériq ue du No rd

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Figure1:

Va nill ine . ( tax us bre vifo lia ). Ce pen dan t, l’e xtra ctio n est trè sc oû teu se :e n effe t,il fau te nv iro n six m ille arb res po ur ob ten ir un kilo - gra m m e de tax ol

®

. De plu s, l’é cor çag e pro vo qu an t la m ort de l’a rbr e do nt la cro issa nce est trè sle nte ,u ne aut re solu tio n do it être env isa gée . La stru ctu re du tax ol

®

éta nt trè s com ple xe, un e syn thè se chi m iqu e « éco - no m iqu e» n’a pas enc ore été tro uv ée. De s rec her che s com plé m ent aire s on t m is en évi den ce un e aut re m olé cul e pro che de cell e du tax ol

®

:la 10 -dé sac éty l-b acc atin e III ( cf. fig ure 3). Ce lle- ci est ob ten ue à par tir des feu ille sd e l’if eur op éen ( tax us ba cca ta ),d on c san sd estr uct ion de l’a rbr e, m ais elle ne pré sen te auc un ea ctiv ité ant ica ncé reu se. L’é qu ipe de Po tier (IC SN de Gif -su r-Y vet te) a ens uite m is au po int un e hém isy nth èse (c’e st-à -dir e la syn thè se d’u ne m olé cul e réa lisé e à par tir de com po sés nat ure ls po ssé dan td éjà un e par tie de la m olé cul e vis ée) du tax ol

®

en util isa nt com m e m atiè re pre m ière la 10 -dé sa- céty l-b acc atin e III ( cf. fig ure 3). D’a utre sm olé cul es on te nsu ite été syn thé tisé es com m e le tax otè re

®

qu ip rés ent e de m eill eur es pro prié tés de solu bili té et d’a ctiv ité.

Quinine:extractioncaractérisation,utilisationLeBupno912 312ENSEIGNEMENTEXPÉRIMENTAL

Figure2:

Tax ol

®

.

Figure3:

Hé m isy nth èse du Tax otè re

®

. D’a utre s arb res ,le s qu inq uin as, po ssè den t des m olé cul es pré sen tan t un e acti vité ph arm aco log iqu e. La pre m ière m ent ion de l’u tilis atio n du qu inq uin a dat e de 16 33 :d es jés uite so bse rve nt qu e les Ind ien sd u Pér ou util ise nt de la po ud re d’é cor ce de qu inq uin a m acé rée dan sd e l’e au cha ud e po ur calm er leu rs fris son sd us au fro id et à l’h um idit é. Ils on ta lors l’id ée d’u tilis er cett e éco rce po ur lutt er con tre les fiè vre s, no tam m ent cell es du es à la m ala ria et ain si soig ner la rein e d’E spa gn e ou Ch arle sII d’A ng lete rre .C e n’e st seu lem ent qu ’en 18 11 qu e G

OMES

iso le un e pre m ière m olé cul e ext rait e du qu inq uin a (la cin cho nin e), pu is en 18 20 P

ELLETIER

et C

AVENTOU

iso len tla qu inin e, pré sen te à hau teu r de 2 à 15 % dan sl’ éco rce de l’a rbr e ( cf .fig ure 4, pag e ci-c on tre ).A ins i,p lus d’u ne tre n- tain e d’a lca loïd es (m olé cul es org ani qu es d’o rig ine nat ure lle aya nt un e acti vité ph arm a- col og iqu e et po ssé dan tu n cyc le ave c un ato m e d’a zot e bas iqu e) fur ent ens uite ide ntif iés dan sle sd iffé ren tes esp èce sd e qu inq uin a. Ou tre l’a ctiv ité ant ipy réti qu e (co ntre la fiè vre ) et ant im ala riq ue, les éco rce s de qu inq uin a son ta stri ng ent es par leu rs tan ins et util isé es com m e ton iqu e am er dan sle Sch we pp es

®

par exe m ple .

(2)

Dif fére nts ess ais de syn thè se tota le de la qu inin e son tré alis és dès 18 55 .E n 19 44 W

OODWARD

et D

OERING

pen sen ty être par ven us, m ais dan sle sa nn ées 20 00 ,S

TORK

pro uv e qu ’ils n’o nt syn thé tisé qu e des pré cur seu rs de la qu inin e com m e la d -qu ino tox ine par exe m ple .E n 20 01 ,S

TORK

pu blie la pre m ière syn thè se sté réo séle ctiv ed ela qu inin e. Ce pen - dan t,l’ ext rac tio n con tin ue à être la m éth od e la plu sre nta ble po ur ob ten ir ces m olé cul es qu is on tto ujo urs util isé es en thé rap eut iqu e. La qu inin e a ens uite été rem pla cée par la qu inid ine éga lem ent pré sen te dan sle qu inq uin a, m ais pré sen tan tu ne acti vité qu atre à six fois plu sim po rta nte qu e la qu inin e. To ute fois ,la qu inin e con tin ue à être util isé e com m e ant im ala riq ue dan sle sfo rm es gra ves de la m ala die . Au cou rs de ce TP ,n ou sa llo ns ext rair e des m olé cul es org ani qu es (do nt la qu inin e) de l’é cor ce de qu inq uin a rou ge. Pu is no us util ise ron sla flu ore sce nce de la qu inin e po ur réa lise ru n do sag ea cid o-b asiq ue du Sch we pp es

®

suiv ip ar pH -m étri ee tp ar flu ore sce nce .

1. E X T R A C T IO N D E L A Q U IN IN E

P ro d u its ch im iq u es – éco rce de qu inq uin a rou ge ; – dic hlo rom éth ane ; – solu tio n d’a cid e chl orh yd riq ue 0,1 ; – solu tio n de sou de 0,5 .

M at ér ie l – bal lon bic ol (50 0 m L) ; – réfr igé ran t; – ext rac teu rd e So xh let ; – agi tate ur cha uff ant ; – erle nm eye rs ; – the rm om ètre ; – am po ule à déc ant er ; – ent on no ir; – bal lon 10 0 m L. mol L

–1

$ mol L

–1

$

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Figure4:

Qu inin e et m olé cul es à stru ctu res app are nté es. 1.1 . Tr ait em en t d e l’é co rc e Afi n de dét ruir e les par ois de cell ulo se et de fac ilite rl’ ext rac tio n des m atiè res org a- niq ues ,l’ éco rce de qu inq uin a rou ge est pré ala ble m ent tra itée .P lac er 50 g de qu inq uin a rou ge sou s agi tati on dan s un m éla ng e d’é tha no l(2 00 m L) et de sou de de con cen tra tio n (50 m L). Ap rès tro is heu res d’a gita tio n, éva po rer le solv ant po ur ob ten ir un rés idu sec . Ré alis er le m on tag ed écr itc i-d ess ou s( cf. fig ure 5). Re m plir la car tou che du So xh let ave c3 5 g de ce rés idu sec ,in tro du ire 25 0 m L de dic hlo rom éth ane dan sle bic ol et cha uff er le bal lon à l’a ide d’u n bai n d’h uile de sili con e à 60 -70 °C pen dan tv ing t-q uat re heu res . 1mol L

–1

$

Quinine:extractioncaractérisation,utilisationLeBupno912 314ENSEIGNEMENTEXPÉRIMENTAL

Figure5:

Sch ém a et ph oto du m on tag e. Po ur des rais on sd e tem ps, les op éra tio ns de lav ag es et d’e xtr act ion peu ven tre effe ctu ées sur un e solu tio n déj à pré pa rée . 1.2 . P u rif ic at io n s 1.2 .1 . M o d e o p ér at o ire ♦ Pré lev er 50 m L de la solu tio n de dic hlo rom éth ane rés ulta nt de l’e xtra ctio n au So xh let de vin gt-q uat re heu res (ce vo lum e cor res po nd à l’e xtra ctio n de 7 g d’é cor ce de qu in-

(3)

qu ina et apr ès un e éve ntu elle éva po rati on du solv ant à 15 0 m g de pro du it ext rait ). Su r un e pla qu e de sili ce, des sin er le tab lea u (cf. tab lea u 1). Ce tte pla qu e per me td e suiv re le tra jet de la qu inin e lor s des diff ére nte s ph ase s de pu rifi cat ion .P réle ver à l’a ide d’u n cap illa ire un eg ou tte de cett es olu tio n et la dép ose rsu rla pla qu ed es ilic e (ca se ph ase org an iqu e de la solu tio n init iale ).

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So luti on init iale Ex tra ctio n A La vag e Ex tra ctio n B Ph ase aqu eus e Ph ase aqu eus e 1 Ph ase aqu eus e 2 Ph ase org ani qu e Ph ase org ani qu e 1 Ph ase org ani qu e 2

Tableau1:

Pla qu e de sili ce po ur suiv re le tra jet de la qu inin e.

♦ Da ns un ea m po ule àd éca nte r,e xtra ire la solu tio n de dic hlo rom éth ane àl’ aid ed ed eux fois 10 m L d’u ne solu tio n d’a cid e chl orh yd riq ue 0,1 . Su r la pla qu e de sili ce pré céd ent e, dép ose r un e go utte des ph ase s aq ueu ses (ca ses ph ase s aq ueu ses de l’e xtr act ion A) et org an iqu es (ca ses ph ase s org an iqu es de l’e x- tra ctio n A). ♦ Ré un ir les deu x ph ase sa qu eus es, les lav er à l’a ide de 10 m L de dic hlo rom éth ane . Su rla pla qu ed es ilic ep réc éde nte ,d épo ser un eg ou tte des ph ase sa qu eus e(c ase ph ase aq ueu se du lav ag e) et org an iqu e (ca se ph ase org an iqu e du lav ag e).

♦ Da ns un erle nm eye r,a jou ter go utte à go utte un e solu tio n de sou de 0,5 (vé ri- fie rla val eur du pH grâ ce à du pap ier pH ). L’a jou td e sou de pro vo qu e l’a pp arit ion d’u n pré cip ité bla nc dan s l’e rle nm eye r. Un e fois qu e le pH est de 12 ,e xtra ire cett e ph ase aqu eus e à l’a ide de deu x fois 20 m L de dic hlo rom éth ane . Su r la pla qu e de sili ce pré céd ent e, dép ose r un e go utte des ph ase s aq ueu ses (ca ses ph ase s aq ueu ses de l’e xtr act ion B) et org an iqu es (ca ses ph ase s org an iqu es de l’e x- tra ctio n B). ♦ Ré un ir les ph ase so rga niq ues ,aj ou ter un es pat ule de sulf ate de sod ium anh yd re, filtr er àl’ aid ed ’un pap ier filtr ep liss é.T ran sva ser le filtr at dan su n bal lon taré .G ard er 0,1 m L du filtr at po ur effe ctu er la Ch rom ato gra ph ie sur cou che m inc e (C CM )e té vap ore rle solv ant à l’a ide d’u n éva po rate ur rota tif. No ter la m ass e de pro du it fin al ob ten u. 1.2 .2 . In te rp ta tio n d es p h as es d e p u rif ic at io n La pla qu e de sili ce vis ual isé e sou sla m pe UV no us per m et de « suiv re » la qu inin e lors des diff ére nte sé tap es d’e xtra ctio n et de lav age ( cf .fi gu re 6, pag e ci-a prè s). Le s ext rac tio ns à l’a cid e chl orh yd riq ue per m ette nt de pro ton ner les deu x fon ctio ns mol L

–1

$ mol L

–1

$ am ine s de la qu inin e (pK a du co up le qu inu clid ine /- :1 1 ;p K a du co up le qu ino - lin e/- :in féri eur à5 éta nt do nn ée la pré sen ce du gro up em éth ox y) :la qu inin ed ipro - ton née pas se do nc en ph ase aqu eus e. Ce ci est con firm é par la pré sen ce d’u ne tâc he flu o- res cen te sou sla m pe UV dan sle sc ase sp has es aqu eus es de l’e xtra ctio n A. To ute fois ,le s dép ôts sur la pla qu e de sili ce m on tre nt qu e les ext rac tio ns son tin com plè tes ou qu ’un com po sé flu ore sce nt res te en solu tio n dan sle dic hlo rom éth ane . Le lav age per m et de se déb arra sse rd u dic hlo rom éth ane res tan t, la qu inin e res tan t dan sla ph ase aqu eus e. L’a jou td es ou de pro vo qu ela dép roto nat ion de la qu inin eq ui pré cip ite. Co m pte ten u des faib les qu ant ités m ise s en jeu ,u ne filtr atio n du pré cip ité n’e st pas env isa gea ble .E n rev anc he, un e ext rac tio n au dic hlo rom éth ane per m et de réc up ére r les m olé cul es org a- niq ues pré sen tes en ph ase aqu eus e. Ce ci est con firm é par la pré sen ce d’u ne tâc he flu o- res cen te sou sla m pe UV dan sle sc ase sp has es org ani qu es de l’e xtra ctio n B. L’e nse m ble de ces op éra tio ns d’e xtra ctio n et de lav age est rés um é sur le sch ém a suiv ant ( cf. fig ure 7, pag e ci-c on tre ). 1.3 . R és u lta ts et in te rp ta tio n s 1.3 .1 . C h ro m at o g ra p h ie su r co u ch e m in ce (C C M ) Da ns un e cuv e à élu tio n, pla cer env iro n 10 m L (0,5 cm )d ’élu ant (m éla ng e vo lum e à vo lum e de dic hlo rom éth ane /m éth ano l/tr iéth yla m ine dan s les pro po rtio ns 96 /4/2 ). Su r un e pla qu e CC M ,d épo ser à l’a ide de cap illa ire su ne go utte du pro du it fin al de l’e xtra c- tio n et un e go utte de qu inin e com m erc iale solu bili sée dan s le dic hlo rom éth ane .P lac er dél ica tem ent la pla qu e de sili ce dan sla cuv e, lais ser élu er jus qu ’à ce qu e l’é lua nt soit à 0,5 cm du hau td ela pla qu e. No ter le fro nt de m igra tio n de l’é lua nt et vis ual ise rla pla qu e sou su ne lam pe ultr avi ole tte. De ssin er la pla qu e CC M ob ten ue. La vis ual isa tio n de la pla qu e de CC M sou s lam pe ultr avi ole tte pro uv e qu e de la qu inin e( )a bie n été ext rait ed el’ éco rce de qu inq uin a. Ce pen dan t,la CC M rév èle R 0, 2

f

= NH

+

NH

+

Quinine:extractioncaractérisation,utilisationLeBupno912 316ENSEIGNEMENTEXPÉRIMENTAL

Figure6:

Pla qu e de sili ce vis ual isé e sou sla m pe UV .

(4)

la pré sen ce d’a utre sm olé cul es ( et ).U ne chr om ato gra ph ie sur col on ne est do nc néc ess aire po ur pu rifi er com plè tem ent la qu inin e ext rait e. 1.3 .2 . R és u lta ts et re n d em en ts Le sp has es de pu rifi cati on con du ise nt à un e solu tio n inc olo re, alo rs qu e la solu tio n init iale éta it jau ne ; cec i m on tre l’e ffic acit é des éta pes d’e xtra ctio n et lav age s. Ap rès ext rac tio n du solv ant ,o n ob tien t1 00 m g de soli de bla nc. Da ns l’h yp oth èse où la qu inin e est pu re, le ren dem ent d’e xtra ctio n est esti m é à 1,4 % (10 0 m g ob ten u à par tir de 7 g d’é cor ce de qu inq uin a). Ce pen dan t, la CC M no us a m on tré qu e le pro du it ob ten u n’e st pas pu rc e qu iré du it le ren dem ent en qu inin e. R 0,32

f

= 05 0,

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Figure7:

Sch ém a des ext rac tio ns.

Figure8:

Sch ém a et ph oto gra ph ie de la Ch rom ato gra ph ie sur cou che m inc e élu ée. 2. D O S A G E D E L’A C ID IT É D U S C H W E P P E S

®

Le Sch we pp es

®

est un eb ois son am ère con ten ant prin cip ale m ent un tria cid e: l’a cid e citr iqu e ( cf .fi gu re 9a) .L es tro is acid ités éta nt rela tiv em ent pro che s(p Ka de 3,2 ;4 ,8 et 6,4 ), elle ss on td osé es en m êm e tem ps. L’é qu atio n de la réa ctio n de do sag e est do nc :

Quinine:extractioncaractérisation,utilisationLeBupno912 318ENSEIGNEMENTEXPÉRIMENTAL

Figure9:

(a) Ac ide citr iqu e ;(b )É qu atio n chi m iqu e du do sag e. No us allo ns do ser l’a cid e citr iqu e con ten u dan s le Sch we pp es

®

par pH -m étri e. De plu s, le go ût am er du Sch we pp es

®

vie nt de la qu inin e. Ce lle- ci flu ore sce sou su ne lam pe UV (25 4 et 36 4 nm ) c’e st-à -dir e qu ’ell e ém et de la lum ière qu and on l’é cla ire .N ou s allo ns do nc éga lem ent suiv re le sig nal de flu ore sce nce ém is par la qu inin e tou ta u lon g du do sag e. 2.1 . M o d e o p ér at o ire P ro d u its ch im iq u es – Sch we pp es

®

déc arb on iqu é; – sou de (0,1 ).

M at ér ie l – béc her 10 0 m L ; – bar rea u aim ant é; – bu rett e; – pip ette jau gée (20 m L) ; – lam pe UV (25 4 et 36 4 nm ). ♦ Éta lon ner le pH -m ètre à l’a ide des solu tio ns tam po ns pH 4 et 7. ♦ Da ns un béc her ,in tro du ire 20 m L de Sch we pp es

®

déc arb on iqu é à l’a ide de la pip ette jau gée .M esu rer le pH et reg ard er la cou leu rd e la solu tio n sou sla lam pe UV . ♦ Ajo ute r1 m L de solu tio n de sou de, no ter la val eur du pH et la cou leu rd e la solu tio n sou sla lam pe UV .R épé ter ces op éra tio ns jus qu ’à 20 m L. ♦ Tra cer la cou rbe de do sag e pH = f(V )e tin diq uer sur la cou rbe les pla ges de cou leu r de la solu tio n sou sla m pe UV . ♦ Sac han tq ue la m ass e m ola ire de l’a cid e citr iqu e est de 19 2 ,d éte rm ine rla m ass e d’a cid e citr iqu e pré sen te dan su n litr e de Sch we pp es

®

. ♦ Peu t-o n con sid ére rla qu inin e com m e un bo n ind ica teu r? g mol

–1

$ mol L

–1

$

(5)

2.2 . R és u lta ts et in te rp ta tio n s 2.2 .1 . C o u rb e d e d o sa g e

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Figure10:

Do sag e du Sch we pp es

®

et var iati on de cou leu rd e lum ine sce nce . 2.2 .2 . In te rp ta tio n s Ex pér im ent ale m ent ,la cou rbe du do sag e pH -m étri qu e no us do nn e un vo lum e équ i- val ent de 13 ,5 m L ce qu ic orr esp on d à 4,3 g d’a cid e citr iqu e con ten u dan s un litr e de Sch we pp es

®

.C es rés ulta ts son tre pro du ctib les sur l’e nse m ble des gro up es. So us la lam pe UV ,la solu tio n flu ore sce au déb ut dan sle ble u, pu is dan sle vio let et enf in, po ur un pH sup érie ur à1 0, on ob ser ve un ee xtin ctio n de la flu ore sce nce .L es eco nd cha ng em ent de cou leu r(v iole tà l’in col ore )d e la qu inin e cor res po nd au sau td e pH du do sag e. La qu inin e peu td on c être util isé e com m e ind ica teu rc olo ré lors de ce do sag e. To ute fois ,le s tein tes dan s cett e gam m e son td iffi cile s à ob ser ver et la dét ecti on à l’œ il est qu elq ues fois dél ica te.

C O N C L U S IO N Le faib le ren dem ent d’e xtra ctio n (en viro n 1 % )d e la qu inin e à par tir de l’é cor ce de qu inq uin a rou ge illu stre sur un exe m ple con cre tu ne diff icu lté de l’u tilis atio n ind ustr iell e de ces pro céd és d’e xtra ctio n. De plu s, po ur ren dre le pro ces sus via ble à gra nd e éch elle , d’a utre sfa cte urs inte rvie nn ent com m ela con ser vat ion des éco sys tèm es et le coû td el’ ex- tra ctio n. Le sp rop rié tés de lum ine sce nce fon td e la qu inin e un ind ica teu rc olo ré orig ina ld on t les pro prié tés ser on té tud iée sp lus à fon d dan su n futu ra rtic le.

R E M E R C IE M E N T S Le s aut eur s tien nen tà rem erc ier Gé rard D

UPUIS

po ur sa rele ctu re et ses rem arq ues per tin ent es. B IB L IO G R A P H IE ♦ L

E

M

ARÉCHAL

J.-F .e tN

OWAK

-L

ECLERCQ

B. La chi mie exp érim ent ale -C him ie gén é- rale . Par is :D un od ,2 00 0. ♦ L

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ANONER

P., G

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S., L

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-E

VE

C., L

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J.-M .,D

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Quinine:extractioncaractérisation,utilisationLeBupno912 320ENSEIGNEMENTEXPÉRIMENTAL

FlorenceLAIBE-DARBOURDoctorantemonitriceÉcolenormalesupérieureLyon(Rhône)

ChristopheARONICAAgrégépréparateurÉcolenormalesupérieureLyon(Rhône)

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