Transcript chromatographie échangeuse d`ions

CHROMATOGRAPHIES
ECHANGEUSES D’IONS
Cours du Jeudi 17 Novembre 2011
SVI - STE
Professeur SAALAOUI.E
Schéma des techniques chromatographiques
• NORMALE
OH
OH
OH
Polaires + -
OH
OH
Polaires -
CH3
Apolaires +++
CH3
CH3
Apolaires + -
CH3
CH3
Apolaires -
CH3
Elution avec Phase mobile POLAIRE
Polaires +++
Elution avec Phase mobile APOLAIRE
OH
INVERSEE
CHROMATOGRAPHIE ÉCHANGEUSE D’IONS
• Le principe repose sur la séparation des
composants d’un mélange en fonction de
leur solubilisation dans la phase soluble
et la rétention de la phase stationnaire.
• Ainsi, les molécules qui ne migrent pas à
la même vitesse se retrouvent séparées.
Chromatographie échangeuse d’ions
Le principe:
*solubilisation (mobile)
*rétention (stationnaire)
Phase stationnaire (gpt.charges)
Positives ou Négatives
G+,-
Ions mobiles (ion échangeur)
compensateur
Négatives ou Positives
G+,E+,-
Forces d’attractions électriques
CHROMATOGRAPHIE ÉCHANGEUSE D’IONS
• La phase stationnaire porte des groupements
fonctionnels ionisés qui sont de charge :
• positive ou négative
• sur lesquelles des ions mobiles (ion échangeur)
de charges opposées sont liées par des
forces d’attractions électriques :
• On parle de chromatographie échangeuse de
cations ou d’anions.
Principe de la CE
étape de lavage
La chromatographie d’échange
étape de la charge
Etape d’élution
Schéma général de la CE
Nature des Chroma échangeuses d’ions
la nature selon le signe de l’ion mobile
-
+
Groupement fonctionnel
+ échangeuse de cations
- échangeuse d’ anions
Ion mobile
Historiquement
Echangeurs naturels:
les zéolites, famille de minéraux (silico-aluminates)
pouvant contenir des ions alcalins, ou alcalinoterreux, dans des sites relativement accessibles aux
échanges avec une solution.
• défauts des zéolites naturels :
•
•
-propriétés d'échange peu reproductibles,
-instabilité aux acides et bases fortes ...
=>développement de hauts polymères
synthétiques ("résines"), reproductibles,
résistant aux acides, base, oxydants, ...
Résine
• Réseau 3D de polystyrène (ou autre "haut
polymère") sur lequel ont été greffés
• -des "groupements fonctionnels",
– ionisés ou ionisables,
– susceptibles de capter ou céder un ion
Molécules concernées
• Espèces ionisables (organiques ou minérales)
• Espèces ionisées( organique ou minérales)
• Molécules solubles dans l’eau
• Peu volatiles
Les groupements les plus utilisés
O
• Sulfonâtes: -SO3-
•
(fort)
Ammonium quaternaire
S
R1
+N
R3
R2
O
•
• Groupements basiques (-NR2 ; NRH ;-NH2)
Groupements acides –COOH
(faible)
O-
Groupement cationique
• ammonium quaternaires NR3+, ex:Dowex1
ammonium tertiaires
NR2+,
• sulfonium
S+,...
• => résine (d'échange) anionique
Groupement anionique
• sulfonate
SO3-, => ex: Dowex50
carboxylate
CO2-,
• aminodiacétate N(CH2CO2-)2
• Phosphonate
(PO3)-2,
=> résine (d'échange) cationique
Phase stationnaire
• Particules sphériques
– Faible diamètre 5 -20 mm
– Taille très homogène
• Macroporeux
•
Pelliculaires
• ; grpt fonctionnel greffagesupport inerte
Préparation de la résine
•
•
•
•
•
Cas des résines sulfonate et ammonium quaternaires
copolymère de styrène et divinylbenzène
sulfonation ou chlorométhylation + amination =>
greffe des "groupements fonctionnels ==> résine
copolymère =
– ¤ styrène=> chaînes polymérisées allongées
– ¤ divinylbenzène=> formation de 'ponts' entre les chaînes
• => "taux de pontage" = % de divinylbenzène du copolymère, noté par Xn
• Exemple:
• Dowex 50X8 = Dowex 50 à 8% de divinylbenzène
Formes des supports
• Grains Copolymère styrène-divinylbenzène (PS-DVB) Résines
Chromatographie par échange d’ions
DEAE
Formes des supports
Fines couches (1mm)
Déposées sur des microbilles de verre (30-50mm de f)
De microbilles de silices
suite
• Grains
Copolymère styrène-divinylbenzène (PS-DVB) Résines
poudre+eau: gonfle donc –SO3H devient –SO3-
Eau à l’intérieur
réticulation et efficacité du gel
8% est un bon pourcentage pour mporeux
Compromis entre la résistance et l’efficacité
Maismacroporeux, on peut aller plus haut
g/mEq5
suite
• Pelliculaires
•
Résistance excellente
•
Meilleure efficacité
•
CE plus faible (inconvénient)
• Silices macroporeux
•
meilleure résistance
•
granulométrie de 3 – 5um
•
un CE 0.05 – 1 mEq/g
•
Bon débit avec une bonne efficacité
•
Inconvénient zone de pH 2-7
capacité disponible CD
• Nbre de gpt fonctionnel ionisé par unité de masse ou
de volume Résine qui peuvent entrer en interaction
• CE capacité d’échange
Nombre de gpt fonctioonel par unité de masse ou de
volume de la résine
La rétention
• Rayon de stocks (taille;forme et charge)
• A+stat + B+mob
B+stat + A+mob
• Kb/ka. Constante d’échange ou sélectivité
• =ka/kbB+stat * A+mob / A+stat * B+mob= K *A+mob/CD
•
• (CD) Capacité de distribution
B
• Avec Kbet KA les coefficients de partage des deux ions qui
• Partagent entre les deux volumesVstat et Vmob
• Coefficient de capacité K = ka / kb *CD/ A+mob
KB = ka / kb *CD/ A+mob
B
K’ facteur de capacité
K’B = KB* Vstat/Vmob et k’B = a.(Vstat/Vmob)*(CD/A+mob)
éluant
• Bon éluant B+mob
• Meilleure affinité pour l’échangeur
• A+stat + B+mob
B+stat + A+mob
• Il ne faut pas oublier les réactions chimiques ; formation de
•
•
•
•
•
complexes chimiques
A+mob + L mob
AL+mob
B+mob + L mob
BL+mob
KAl =AL+mob /A+mob * L mob
KBl =BL+mob /B+mob * L mob
A+stat + BL+mob
B+stat
+ AL+mob
La sélectivité
• Dépend de l’affinité du support pour les ions
• La plus petite et la plus chargée ont une bonne
•
•
•
affinité
Les échangeurs d’anions: ordre décroissant
Les ammonium IVaire
Citrate-SO4-;oxalate ; NO3-;Cl-; formiate; acétate;
OH- et F-
• Les échangeurs de cations (sulfonâtes)
• Ca2+,Cu2+; Mg2+; K+; NH4+; Na+; H+ et Li+
• Le paramètre charge est plus important que la taille.
Résines sulfonates
Tableau Mendeleïev
La sélectivité
• A+stat + BL+mob
a’ =
B+stat + AL+mob
B+stat * AL+mob / A+stat * BL+mob
a’ =( *
BLK
/
ALK
(a
Ce sont les constantes d’association
Exemples
•
•
•
•
Acides aminés élués par un gradient de proton
Échangeuse de cations
Cations métalliques Fe3+
Echangeuse d’anions
Fe3+
+
4 Cl-
FeCl4-
• K de Fe fct teneur Cl- dans phase mobile
• A(r) + B(s) = A(s) + B(r)
• [(B)r . (A)s ]/[(B)s . (A)r ] = K
• constante à une température donnée
• !!! cas d'un échange entre ions de charges
différentes
• 2 Na+r + Ca2+s <=> 2 Na+s + Ca2+r
• K(Na+/ Ca2+) = [ (Ca2+/r ).(Na+/s)² ] / [ (Ca2+/s ).(Na+/r)² ] =
P(Ca2+) / [ P(Na+)]²
Ce pilote pr la purification de protéines de solutions biologiques ou la
récupération de protéines de sous-produits alimentaires. l‘a-lactolbumine et
de la b-lactoglobuline dans le lactosérum sur du Sphérosil greffé
• - Colonne en altuglas à un ou plusieurs étages
.
- Un distributeur, maille triangulaire
- Cuve d'alimentation en inox
- Cuve de récupération en inox
- Cuve contenant le liquide d'élution, en inox
- Cuve contenant la solution de lavage en inox
- Pompe centrifuge avec niveau de protection
- Bac en charge pour les faibles pressions (option pour le lit
fluidisé)
- Sonde de mesure de température dans le bac
d'alimentation
- Débitmètre
- Sonde de pH et son transmetteur (en option)
- Régulateur de température/résistance chauffante (en
option), sonde de température
- Cinq prises d’échantillons par seringue pour analyse en
laboratoire
• http://www.deltalab.fr/produit.php?prodId=1259
Échange du ligand
• Cations métalliques (fixés sur la fstat)
• peuvent se complexer avec le ligand
• Donc fmob avec ligand éluant NH4+
•
•
•
•
•
Phase mobile
Le pH est très important
proche du pKa
Tampons Solutions
:acétate ou borate par ex
Nature de l’ion
– Plus petite et chargée
Force ionique
Coefficient de capacité
– K’B= a * (Vstat/Vmob) CD/A+mob
a =KB*A+mob/CD
– Capacité inversement proportionnelle à
A+mob mais proportionnelle avec la CD de la
colonne.
Solvants organiques
• Rarement utilisables
• 3 à 10%
• Méthanol
• Acétonitriles
• Propanol
• Amélioration de la sélectivité de la colonne
ou la rétention des solutés
Température
• Influence la cinétique de l’échange
• Augmente l’efficacité
• Obtention de pics fins
• Stabilité de certains échanges
Détection
•
Directe
•
Indirecte
•
Différentielle
•
Absorption (directe et indirecte)
– Solutés incolores
– anions inorganiques (chlorites, nitrites et bromates)
– Groupements chromophores
– Dérivés utilisant la détection électrochimique
•
•
détection Conductimétrique
bromure chlorates ; nitrates ; Na+ ; K+ et Li+
•
détection réfractaire
Conclusion
Différents supports •
Mécanismes •
Paramètre de la phase mobile •
La chromato d’échange d’ions est •
Une méthode puissante •
Adaptée aux milieux biologiques •
Applications
• adoucir l'eau, épurer l'eau, ...
• récupérer des composés ioniques dans des
•
•
solutions industrielles
jus de fermentation, bains de traitement
électrolytique,de traitement hydrométallurgique
[Uranium, Terres Rares, ...]
séparation chimique à des fins analytiques:
spéciation (ex: CrIII/CrVI, AsIII/AsV, ...),
séparation des Terres Rares, ...
• On injecte une très faible quantité de la solution
•
à analyser (50 à 100 ml) et les ions sont fixés
sélectivement sur la colonne
chromatographique.
La Chromatographie Ionique est une méthode
particulièrement bien adaptée à l’analyse des
anions et cations majeurs des eaux naturelles :
Cl-, F-, NO3-, SO4--, Na+, K+, Ca++, Mg++.
Quelques solvants usuels en CL
T° éb.
Paramètre de
polarité e0
Miscibilité à
l’eau
Fluoroalcanes
--
- 0.25
non
pentane
36.1°
0.00
non
toluène
110.6°
0.22
non
dichlorométhane
40°
0.42
non
acétate d’éthyle
77°
0.48
non
CH3
H
O
CH3
C
OCH2CH3
d-
d+
Cl C H
Cl
Quelques solvants usuels en CL
T° éb.
Paramètre de
polarité e0
Miscibilité à
l’eau
Tétrahydrofurane
(THF)
66°
0.53
oui
acétone
56°
0.53
oui
acétonitrile
81°
0.52
oui
isopropanol
82°
0.60
oui
éthanol
78°
0.7
oui
méthanol
64.5°
0.7
oui
eau
100°
élevé
oui
O
Interactions des solvants usuels en CL
O
R
H X
H X
O
CH3
CH3
C
O
R
CH3
C N
H X
Accepteurs de pont H
R
O
H
O
H
O
H
R
Accepteurs et
donneurs de pont H
H
Quelques solvants usuels en CL
L'eau
Forces de cohésion importantes :
H
O
H
H
H
H
H O
O
H
H
O H
H H
H
constante diélectrique
très élevée
eau : 78
méthanol : 33
eau : 73 mN/m
O
H O H
O
tension superficielle élevée
méthanol : 23 mN/m
viscosité élevée
eau : 0,89 cP
méthanol : 0,54 cP
température d'ébullition exceptionnelle
H2O (MM 18) : 100°C
NH3 (MM 17) : - 33°C
méthanol : 65°C
Quelques phases stationnaires en GC
CH3
O Si
CH3
CH3
O Si
CH3
O Si
CH3
Polarité
O
CH3
croissante
CH3
O Si
CH3
CH3
O Si
CH3
O Si
O
N
CH3
C
CH3
O Si
CH3
(CH2)3
O Si
CH3
CH3
O Si
CH3
O
Les phases stationnaires polaires en LC
La silice : SiO2
Solide macromoléculaire
Caractéristiques du solide :
O
Forme des grains : sphérique ou irrégulière
Granulométrie : 1,7 à 10 µm de diamètre moyen
(ou plus pour la chromatographie préparative)
O
O O
O O
Si
Si
O
O
Si OH
O Si O Si
O
O
Porosité : taille moyenne des pores ( 60 - 1000 Å);
O
O
plus de 95% de la surface du solide se trouve dans
le volume poreux.
Si
O Si O Si
O
O
Pureté
O
O
O H
Groupes silanols en surface
Donneurs et accepteurs de pont H
Partiellement ionisés à partir d'un pH 3
H
Les phases stationnaires polaires en LC
Échange sur la PS
adsorption
PS . PM + mi . PM
Interaction forte
PS . mi + PM . PM
élution
Interaction forte
"Logique" d'élution : mode "normal"
Pour un éluant donné, les mi seront élués par ordre de polarité croissante.
Éluant puissant = éluant polaire, ayant une forte affinité pour la PS, tous les mi
sont élués rapidement (non sélectif)
Éluant sélectif = éluant apolaire (alcanes)
Gradient = polarité croissante
Les phases stationnaires polaires
SiO2 +
.
SiO2
solvant
Pentane
0,00
Hexane
0,01
Toluène
0,22
Dichlorométhane
0,30
Acétate d'éthyle
0,48
MTBE
0,48
Acétonitrile
0,52
Tetrahydrofurane
0,53
Méthanol
0,70
solvant + chaleur dégagée
Échelle de
polarité e°
En pratique sur silice, un solvant
polaire = dichlorométhane pur,
acétate d'éthyle pur, un solvant
contenant un faible %age d'alcool.
Les phases stationnaires apolaires en LC
Modification chimique de la surface de la silice :
O
O Si
O
O
Si
OH
CH3
+
OH
Cl
Si
CH3
O
Phase inverse C18
CH3
O
O Si
O
O
Si
OH
O
O
Si
CH3
Reversed Phase RP-C18
Autres phases stationnaires greffées
Modification chimique de la surface de la silice :
Transformation des silanols de surface :
R = -C8H17 (RP C8)
-CH2CH2CH2-Phényl
-CH2CH2CH2CN
-CH2CH2OCH2CH(OH)CH2OH
-CH2CH2CH2NH2
etc ...
Phases
polaires
Les phases stationnaires apolaires
adsorption
PS . PM + mi . PM
PS . mi + PM . PM
élution
"Logique" d'élution : mode "inverse"
Qui se ressemble, s'assemble ???
Les phases stationnaires polaires
et apolaires : comparaison.
PS
Phase
normale (NP)
Phase inverse
(RP)
très
polaire
apolaire
PM
Gradient d’élution
Ordre d’élution
peu
polaire
Polarité croissante
Exemple : hexane +
proportion croissante
d’acétate d’éthyle
Les moins
polaires sont plus
rapides
très
polaire
Polarité décroissante
Exemple : H2O +
proportion croissante de
CH3OH
Les plus polaires
sont plus rapides
L'échange d'ions
Séparation et dosage
d'ions. Exemples :
X
X
M
•les nitrates dans l'eau
M
•une protéine dans un
liquide physiologique
résine
X
résine
X
M
M
Échange d'anions
Échange de cations
résine faible : DEAE
(diéthylaminoéthyl), amino
résine faible : -CH2COO- (CM, carboxyméthyl)
résine forte : ammonium quaternaire
résine forte : -SO3- (sulfonique)
ex : SP = sulfopropyl
M. Borkovec. Protocole des travaux partiques de chimie analytique II :
La chromatographie ionique, 2008.
Élution:
processus par lequel les composants d'un échantillon se
déplacent à travers la colonne suite au flux permanent de la phase
mobile.
Éluant:
Éluât:
le liquide ou le gaz constituant la phase mobile.
ce qui se retrouve en sortie de colonne, c à d l'éluant plus
le composant qu'il contient' à un instant déterminé.
Temps de rétention d'un composant: temps requis
pour que ce composant arrive à l'extrémité de la
colonne. Puis il est mesuré. depuis le moment de
l'injection jusqu'au sommet du pic qui lui correspond.
Volume de rétention d'un composant: volume de la
phase mobile qui doit s'écouler pour que ce composant
soit élué. A débit constant, il est égal au temps de
rétention multiplié par le débit.
•
•
•
•
•
Résine est le résultat de la polymérisation d'un •
mélange de styrène et divinylbenzèns qui est
sulfonaté (groupement S03-H+ où H+ est
échangeable).
Elle est donc toujours échangeuse cationique •
au départ.
Pour la rendre échangeuse anionique, on y •
greffe des amines quaternaires (groupement
N(CH3)3+0H- avec OH- échangeable).
On utilise comme éluant un mélange Na2C03 1.80 mM
et NaHC03 1.70 mM.
•
Schéma de la CI
Exemples de colonnes DIONEX
Paramètres chromatographiques
Rappels
la loi d’Ohm : V = RI •
V est la tension appliquée, I le courant mesuré entre les
deux électrodes et R la résistance électrique.
•
La conductance se définit alors comme suit : •
en Siemens (S)
On relie alors conductance et conductivité par
la relation : g = KG
Les conductivités ioniques limites des ions
à 25°C et en ohm-1cm2equiv. -1.