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CHROMATOGRAPHIES ECHANGEUSES D ’ IONS

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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.
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
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.
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-

slide36
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
slide38

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, ...
slide50
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++.
slide51

d+

d-

Quelques solvants usuels en CL

slide52

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

slide53

Interactions des solvants usuels en CL

Accepteurs et donneurs de pont H

Accepteurs de pont H

slide54

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

slide56

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

slide57

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

slide58

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.

slide59

Les phases stationnaires apolaires en LC

Modification chimique de la surface de la silice :

Phase inverse C18

Reversed Phase RP-C18

slide60

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 ...

slide61

Les phases stationnaires apolaires

"Logique" d\'élution : mode "inverse"

Qui se ressemble, s\'assemble ???

slide62

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.

slide63

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.
slide72
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.
rappels
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

ad