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CHROMATOGRAPHIES ECHANGEUSES D ’ IONS. Cours du Jeudi 17 Novembre 2011 SVI - STE Professeur SAALAOUI.E. OH. OH. OH. OH. OH. OH. CH 3. CH 3. CH 3. CH 3. CH 3. CH 3. Apolaires +++. Polaires +++. Apolaires + -. Polaires + -. Apolaires -. Polaires -.

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Presentation Transcript
Chromatographies echangeuses d ions
CHROMATOGRAPHIES ECHANGEUSES D’IONS

Cours du Jeudi 17 Novembre 2011

SVI - STE

Professeur SAALAOUI.E


Sch ma des techniques chromatographiques

OH

OH

OH

OH

OH

OH

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

Apolaires +++

Polaires +++

Apolaires + -

Polaires + -

Apolaires -

Polaires -

Schéma des techniques chromatographiques

  • NORMALE INVERSEE

Elution avec Phase mobile POLAIRE

Elution avec Phase mobile APOLAIRE


Chromatographie changeuse d ions
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 changeuse d ions1

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+,-

Forces d’attractions électriques

E+,-


Chromatographie changeuse d ions2
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 tape de lavage
Principe de la CEétape de lavage


La chromatographie d change tape de la charge
La chromatographie d’échangeétape de la charge


Etape d lution
Etape d’élution



Nature des chroma changeuses d ions

-

+

Groupement fonctionnel

Nature des Chroma échangeuses d’ions

la nature selon le signe de l’ion mobile

+ échangeuse de cations

- échangeuse d’ anions

Ion mobile


Historiquement
Historiquement

Echangeurs naturels:

les zéolites,famille de minéraux (silico-aluminates) pouvant contenir des ions alcalins, ou alcalino-terreux, 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, ...


R sine
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


Mol cules concern es
Molécules concernées

  • Espèces ionisables (organiques ou minérales)

  • Espèces ionisées(organique ou minérales)

  • Molécules solubles dans l’eau

  • Peu volatiles


Les groupements les plus utilis s
Les groupements les plus utilisés

O

  • Sulfonâtes: -SO3- (fort)

  • Ammonium quaternaire

  • Groupements acides –COOH (faible)

  • Groupements basiques (-NR2 ; NRH ;-NH2)

S

O-

R1

O

N+

R2

R3


Groupement cationique
Groupement cationique

  • ammonium quaternaires NR3+, ex:Dowex1 ammonium tertiaires NR2+,

  • sulfonium S+,...

  • => résine (d'échange) anionique


Groupement anionique
Groupement anionique

  • sulfonate SO3-, => ex: Dowex50 carboxylate CO2-,

  • aminodiacétate N(CH2CO2-)2

  • Phosphonate (PO3)-2,

    => résine (d'échange) cationique


Phase stationnaire
Phase stationnaire

  • Particules sphériques

    • Faible diamètre 5 -20 mm

    • Taille très homogène

  • Macroporeux

  • Pelliculaires

  • ;grpt fonctionnel greffagesupport inerte


Pr paration de la r sine
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
Formes des supports

  • Grains Copolymère styrène-divinylbenzène (PS-DVB) Résines


Chromatographie par change d ions

DEAE

Chromatographie par échange d’ions


Formes des supports1
Formes des supports

Fines couches (1mm)

Déposées sur des microbilles de verre (30-50mm de f)

De microbilles de silices


Suite
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


Suite1
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


Capacit disponible cd
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 r tention
Larétention

  • 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= KB*A+mob/CD

  • (CD) Capacité de distribution

  • Avec Kbet KA les coefficients de partage des deux ions qui

  • Partagent entre les deux volumesVstat et Vmob

  • Coefficient de capacitéKB =ka / kb*CD/A+mob

    KB =ka / kb*CD/A+mob K’ facteur de capacité

K’B = KB* Vstat/Vmob et k’B = a.(Vstat/Vmob)*(CD/A+mob)


Luant
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 s lectivit
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.


R sines sulfonates
Résines sulfonates



La s lectivit1
La sélectivité

  • A+stat + BL+mob B+stat + AL+mob

    B+stat * AL+mob /A+stat * BL+mob

    Ce sont les constantes d’association

a’ =

a’ = * (BLK / ALK( a


Exemples
Exemples

  • Acides aminés élués par un gradient de proton

  • Échangeuse de cations

  • Cations métalliques Fe3+

  • Echangeused’anions

  • K de Fe fct teneur Cl- dans phase mobile

Fe3+ + 4 Cl- FeCl4-


  • 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


Change du ligand
Échange du ligand

  • Cations métalliques (fixés sur la fstat)

  • peuvent se complexer avec le ligand

  • Donc fmob avec ligand éluant NH4+


Phase mobile
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

    • Capacité inversement proportionnelle à A+mob mais proportionnelle avec la CD de la colonne.

a =KB*A+mob/CD


Solvants organiques
Solvants organiques

  • Rarement utilisables

  • 3 à 10%

  • Méthanol

  • Acétonitriles

  • Propanol

  • Amélioration de la sélectivité de la colonne ou la rétention des solutés


Temp rature
Température

  • Influence la cinétique de l’échange

  • Augmente l’efficacité

  • Obtention de pics fins

  • Stabilité de certains échanges


D tection
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+

  • détectionréfractaire


Conclusion
Conclusion

  • Différents supports

  • Mécanismes

  • Paramètre de la phase mobile

  • La chromato d’échange d’ions est

  • Une méthode puissante

  • Adaptée aux milieux biologiques


Applications
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++.


d+

d-

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

Quelques solvants usuels en CL


Interactions des solvants usuels en CL

Accepteurs et donneurs de pont H

Accepteurs de pont H


Quelques solvants usuels en CL

L'eau

Forces de cohésion importantes :

tension superficielle élevée

eau : 73 mN/m

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

constante diélectrique très élevée

eau : 78

méthanol : 33



Les phases stationnaires polaires en LC

La silice : SiO2

Solide macromoléculaire

Caractéristiques du solide :

Forme des grains : sphérique ou irrégulière

Granulométrie: 1,7 à 10 µm de diamètre moyen (ou plus pour la chromatographie préparative)

Porosité : taille moyenne des pores ( 60 - 1000 Å); plus de 95% de la surface du solide se trouve dans le volume poreux.

Pureté

Groupes silanols en surface

Donneurs et accepteurs de pont H

Partiellement ionisés à partir d'un pH 3


Les phases stationnaires polaires en LC

Échange sur la PS

Interaction forte

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

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

Échelle de polaritée°

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 :

Phase inverse C18

Reversed Phase RP-C18


Phases polaires

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 ...


Les phases stationnaires apolaires

"Logique" d'élution : mode "inverse"

Qui se ressemble, s'assemble ???


PS

PM

Gradient d’élution

Ordre d’élution

Phase normale (NP)

très polaire

peu polaire

Polarité croissante

Exemple : hexane + proportion croissante d’acétate d’éthyle

Les moins polaires sont plus rapides

Phase inverse (RP)

apolaire

très polaire

Polarité décroissante

Exemple : H2O + proportion croissante de CH3OH

Les plus polaires sont plus rapides

Les phases stationnaires polaires et apolaires : comparaison.


L'échange d'ions

  • Séparation et dosage d'ions. Exemples :

  • les nitrates dans l'eau

  • une protéine dans un liquide physiologique

Échange d'anions

résine faible : DEAE (diéthylaminoéthyl), amino

résine forte : ammonium quaternaire

Échange de cations

résine faible : -CH2COO-(CM, carboxyméthyl)

résine forte : -SO3- (sulfonique)

ex : SP = sulfopropyl


M borkovec protocole des travaux partiques de chimie analytique ii la chromatographie ionique 2008
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: le liquide ou le gaz constituant la phase mobile.

  • Éluât: 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.


  • R analytique II : La chromatographie ionique, 2008.ésine 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.


Sch ma de la ci
Sch analytique II : La chromatographie ionique, 2008.éma de la CI


Exemples de colonnes dionex
Exemples de colonnes DIONEX analytique II : La chromatographie ionique, 2008.


Param tres chromatographiques
Param analytique II : La chromatographie ionique, 2008.ètres chromatographiques


Rappels
Rappels analytique II : La chromatographie ionique, 2008.

  • 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 conductivit s ioniques limites des ions 25 c et en ohm 1 cm 2 equiv 1
Les conductivit analytique II : La chromatographie ionique, 2008.és ioniques limites des ionsà 25°C et en ohm-1cm2equiv. -1.


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