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CHROMATOGRAPHIES ECHANGEUSES D IONS Cours du Jeudi 17 Novembre 2011 SVI - STE Professeur SAALAOUI.E.

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1 CHROMATOGRAPHIES ECHANGEUSES D IONS Cours du Jeudi 17 Novembre 2011 SVI - STE Professeur SAALAOUI.E

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3 Sch é ma des techniques chromatographiques NORMALE INVERSEE NORMALE INVERSEE OH CH 3 Polaires +++ Polaires + - Polaires - Elution avec Phase mobile APOLAIRE Elution avec Phase mobile POLAIRE Apolaires +++ Apolaires + - Apolaires -

4 CHROMATOGRAPHIE É CHANGEUSE D IONS Le principe repose sur la s é paration des composants d un m é lange en fonction de leur solubilisation dans la phase soluble et la r é tention de la phase stationnaire. Le principe repose sur la s é paration des composants d un m é lange en fonction de leur solubilisation dans la phase soluble et la r é tention de la phase stationnaire. Ainsi, les mol é cules qui ne migrent pas à la même vitesse se retrouvent s é par é es. Ainsi, les mol é cules qui ne migrent pas à la même vitesse se retrouvent s é par é es.

5 Chromatographie é changeuse d ions Le principe: *solubilisation (mobile) *r é tention (stationnaire) Phase stationnaire ( gpt. charges ) Positives ou N é gatives G +,- Ions mobiles (ion é changeur) compensateur N é gatives ou Positives G +,- Forces d attractions é lectriques

6 CHROMATOGRAPHIE É CHANGEUSE D IONS La phase stationnaire porte des groupements fonctionnels ionis é s qui sont de charge : La phase stationnaire porte des groupements fonctionnels ionis é s qui sont de charge : positive ou n é gative positive ou n é gative sur lesquelles des ions mobiles (ion é changeur ) de charges oppos é es sont li é es par des forces d attractions é lectriques : sur lesquelles des ions mobiles (ion é changeur ) de charges oppos é es sont li é es par des forces d attractions é lectriques : On parle de chromatographie é changeuse de cations ou d anions. On parle de chromatographie é changeuse de cations ou d anions.

7 Principe de la CE é tape de lavage

8 La chromatographie d é change é tape de la charge

9 Etape d é lution

10 Schéma général de la CE

11 Nature des Chroma é changeuses d ions la nature selon le signe de l ion mobile la nature selon le signe de l ion mobile + é changeuse de cations - é changeuse d anions Ion mobile -+ Groupement fonctionnel

12 Historiquement Echangeurs naturels: les z é olites, famille de min é raux (silico-aluminates) pouvant contenir des ions alcalins, ou alcalino- terreux, dans des sites relativement accessibles aux é changes avec une solution. d é fauts des z é olites naturels : -propri é t é s d' é change peu reproductibles, -instabilit é aux acides et bases fortes... =>d é veloppement de hauts polym è res synth é tiques ("r é sines"), reproductibles, r é sistant aux acides, base, oxydants,...

13 R é sine R é seau 3D de polystyr è ne (ou autre "haut polym è re") sur lequel ont é t é greff é s -des "groupements fonctionnels", – –ionis é s ou ionisables, – – susceptibles de capter ou c é der un ion

14 Mol é cules concern é es Esp è ces ionisables (organiques ou min é rales) Esp è ces ionisables (organiques ou min é rales) Esp è ces ionis é es (organique ou minérales) Esp è ces ionis é es (organique ou minérales) Molécules solubles dans leau Molécules solubles dans leau Peu volatiles Peu volatiles

15 Les groupements les plus utilis é s Sulfonâtes: -SO 3 - (fort) Sulfonâtes: -SO 3 - (fort) Ammonium quaternaire Ammonium quaternaire Groupements acides – COOH (faible) Groupements acides – COOH (faible) Groupements basiques (-NR 2 ; NRH ;-NH 2 ) Groupements basiques (-NR 2 ; NRH ;-NH 2 ) S O O O-O- N+N+ R1 R2 R3

16 Groupement cationique ammonium quaternaires NR 3 +, ex:Dowex1 ammonium tertiaires NR 2 +, sulfonium S+,... => r é sine (d' é change) anionique

17 Groupement anionique sulfonate SO 3 -, => ex: Dowex50 carboxylate CO 2 -, aminodiac é tate N(CH 2 CO 2 - ) 2 Phosphonate (PO 3 ) - 2, => r é sine (d' é change) cationique

18 Phase stationnaire Particules sph é riques Particules sph é riques –Faible diam è tre m –Taille tr è s homog è ne Macroporeux Macroporeux Pelliculaires Pelliculaires ;grpt fonctionnel greffagesupport inerte ;grpt fonctionnel greffagesupport inerte

19 Pr é paration de la r é sine Cas des r é sines sulfonate et ammonium quaternaires copolym è re de styr è ne et divinylbenz è ne sulfonation ou chlorom é thylation + amination => greffe des "groupements fonctionnels ==> r é sine copolym è re = – – ¤ styr è ne=> cha î nes polym é ris é es allong é es – – ¤ divinylbenz è ne=> formation de 'ponts' entre les cha î nes => "taux de pontage" = % de divinylbenz è ne du copolym è re, not é par Xn Exemple: Dowex 50X8 = Dowex 50 à 8% de divinylbenz è ne

20 Formes des supports Grains Copolym è re styr è ne-divinylbenz è ne (PS-DVB) R é sines Grains Copolym è re styr è ne-divinylbenz è ne (PS-DVB) R é sines

21 Chromatographie par é change d ions DEAE

22 Fines couches (1 m) D é pos é es sur des microbilles de verre (30-50 m de ) De microbilles de silices Formes des supports

23 suite Grains Grains Copolym è re styr è ne-divinylbenz è ne (PS-DVB) R é sines poudre+eau: gonfle donc – SO 3 H devient – SO 3 - Eau à l int é rieur r é ticulation et efficacit é du gel 8% est un bon pourcentage pour poreux Compromis entre la r é sistance et l efficacit é Maismacroporeux, on peut aller plus haut g/mEq5

24 suite Pelliculaires Pelliculaires R é sistance excellente R é sistance excellente Meilleure efficacit é Meilleure efficacit é CE plus faible (inconv é nient) CE plus faible (inconv é nient) Silices macroporeux Silices macroporeux meilleure r é sistance meilleure r é sistance granulom é trie de 3 – 5um granulom é trie de 3 – 5um un CE 0.05 – 1 mEq/g un CE 0.05 – 1 mEq/g Bon d é bit avec une bonne efficacit é Bon d é bit avec une bonne efficacit é Inconv é nient zone de pH 2-7 Inconv é nient zone de pH 2-7

25 capacit é disponible CD Nbre de gpt fonctionnel ionis é par unit é de masse ou de volume Résine qui peuvent entrer en interaction Nbre de gpt fonctionnel ionis é par unit é de masse ou de volume Résine qui peuvent entrer en interaction CE capacité déchange CE capacité déchange Nombre de gpt fonctioonel par unité de masse ou de volume de la résine

26 La r é tention Rayon de stocks (taille;forme et charge) Rayon de stocks (taille;forme et charge) A + stat + B + mob B + stat + A + mob A + stat + B + mob B + stat + A + mob Kb/ka. Constante d é change ou s é lectivit é Kb/ka. Constante d é change ou s é lectivit é = ka/kb B + stat * A + mob / A + stat * B + mob = K B *A + mob /CD = ka/kb B + stat * A + mob / A + stat * B + mob = K B *A + mob /CD (CD) Capacité de distribution (CD) Capacité de distribution Avec K bet KA les coefficients de partage des deux ions qui Avec K bet KA les coefficients de partage des deux ions qui Partagent entre les deux volumesVstat et Vmob Partagent entre les deux volumesVstat et Vmob Coefficient de capacité K B = ka / kb * CD/ A + mob Coefficient de capacité K B = ka / kb * CD/ A + mob K B = ka / kb * CD/ A + mob K facteur de capacit é K B = ka / kb * CD/ A + mob K facteur de capacit é K B = KB* V stat /V mob et k B =.(V stat /V mob )*(CD/A + mob )

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28 é luant Bon é luant B + mob Bon é luant B + mob Meilleure affinité pour léchangeur Meilleure affinité pour léchangeur A + stat + B + mob B + stat + A + mob A + stat + B + mob B + stat + A + mob Il ne faut pas oublier les r é actions chimiques ; formation de complexes chimiques Il ne faut pas oublier les r é actions chimiques ; formation de complexes chimiques A + mob + L mob AL + mob A + mob + L mob AL + mob B + mob + L mob BL + mob B + mob + L mob BL + mob K Al = AL + mob / A + mob * L mob K Al = AL + mob / A + mob * L mob K Bl = BL + mob / B + mob * L mob K Bl = BL + mob / B + mob * L mob A + stat + BL + mob B + stat + AL + mob A + stat + BL + mob B + stat + AL + mob

29 La sélectivité La sélectivité D é pend de l affinit é du support pour les ions D é pend de l affinit é du support pour les ions La plus petite et la plus charg é e ont une bonne affinit é La plus petite et la plus charg é e ont une bonne affinit é Les é changeurs d anions: ordre d é croissant Les é changeurs d anions: ordre d é croissant Les ammonium IV aire Les ammonium IV aire Citrate-SO 4 - ;oxalate ; NO 3 - ;Cl - ; formiate; ac é tate; OH - et F - Citrate-SO 4 - ;oxalate ; NO 3 - ;Cl - ; formiate; ac é tate; OH - et F - Les é changeurs de cations (sulfonâtes) Les é changeurs de cations (sulfonâtes) Ca 2+, Cu 2+ ; Mg 2+ ; K + ; NH 4 + ; Na + ; H + et Li + Ca 2+, Cu 2+ ; Mg 2+ ; K + ; NH 4 + ; Na + ; H + et Li + Le paramètre charge est plus important que la taille. Le paramètre charge est plus important que la taille.

30 R é sines sulfonates

31 Tableau Mendele ï ev

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34 La s é lectivit é A + stat + BL + mob B + stat + AL + mob A + stat + BL + mob B + stat + AL + mob B + stat * AL + mob / A + stat * BL + mob Ce sont les constantes d association Ce sont les constantes d association = = * ( BL K / AL K(

35 Exemples Acides amin é s é lu é s par un gradient de proton Acides amin é s é lu é s par un gradient de proton É changeuse de cations É changeuse de cations Cations m é talliques Fe 3+ Cations m é talliques Fe 3+ Echangeuse d anions Echangeuse d anions K de Fe fct teneur Cl - dans phase mobile K de Fe fct teneur Cl - dans phase mobile Fe Cl - FeCl 4 -

36 A(r) + B(s) = A(s) + B(r) [(B)r. (A)s ]/[(B)s. (A)r ] = K constante à une temp é rature donn é e !!! cas d'un é change entre ions de charges diff é rentes 2 Na + r + Ca 2 + s 2 Na + s + Ca 2+ r K(Na+/ Ca2+) = [ (Ca2+/r ).(Na+/s) ² ] / [ (Ca2+/s ).(Na+/r) ² ] = P(Ca2+) / [ P(Na+)] ²

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38 Ce pilote pr la purification de prot é ines de solutions biologiques ou la r é cup é ration de prot é ines de sous-produits alimentaires. l -lactolbumine et de la -lactoglobuline dans le lactos é rum sur du Sph é rosil greff é. - Colonne en altuglas à un ou plusieurs é tages - Un distributeur, maille triangulaire - Cuve d'alimentation en inox - Cuve de r é cup é ration en inox - Cuve contenant le liquide d' é lution, 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 fluidis é ) - Sonde de mesure de temp é rature dans le bac d'alimentation - D é bitm è tre - Sonde de pH et son transmetteur (en option) - R é gulateur de temp é rature/r é sistance chauffante (en option), sonde de temp é rature - Cinq prises d é chantillons par seringue pour analyse en laboratoire - Colonne en altuglas à un ou plusieurs é tages - Un distributeur, maille triangulaire - Cuve d'alimentation en inox - Cuve de r é cup é ration en inox - Cuve contenant le liquide d' é lution, 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 fluidis é ) - Sonde de mesure de temp é rature dans le bac d'alimentation - D é bitm è tre - Sonde de pH et son transmetteur (en option) - R é gulateur de temp é rature/r é sistance chauffante (en option), sonde de temp é rature - Cinq prises d é chantillons par seringue pour analyse en laboratoire

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41 É change du ligand Cations m é talliques (fix é s sur la stat) Cations m é talliques (fix é s sur la stat) peuvent se complexer avec le ligand peuvent se complexer avec le ligand Donc mob avec ligand é luant NH 4 + Donc mob avec ligand é luant NH 4 +

42 Phase mobile Le pH est très important Le pH est très important proche du pKa proche du pKa Tampons Solutions Tampons Solutions : acétate ou borate par ex : acétate ou borate par ex Nature de lion Nature de lion –Plus petite et chargée Force ionique Coefficient de capacit é –K B = * (V stat /V mob ) CD/ A + mob – Capacit é inversement proportionnelle à A+mob mais proportionnelle avec la CD de la colonne. mob /CD

43 Solvants organiques Rarement utilisables Rarement utilisables 3 à 10% 3 à 10% M é thanol M é thanol Ac é tonitriles Ac é tonitriles Propanol Propanol Am é lioration de la s é lectivit é de la colonne ou la r é tention des solut é s Am é lioration de la s é lectivit é de la colonne ou la r é tention des solut é s

44 Temp é rature Influence la cin é tique de l é change Influence la cin é tique de l é change Augmente l efficacit é Augmente l efficacit é Obtention de pics fins Obtention de pics fins Stabilit é de certains é changes Stabilit é de certains é changes

45 D é tection Directe Directe Indirecte Indirecte Diff é rentielle Diff é rentielle Absorption (directe et indirecte) Absorption (directe et indirecte) –Solut é s incolores –anions inorganiques (chlorites, nitrites et bromates) –Groupements chromophores –D é riv é s utilisant la d é tection é lectrochimique d é tection Conductim é trique d é tection Conductim é trique bromure chlorates ; nitrates ; Na + ; K + et Li + bromure chlorates ; nitrates ; Na + ; K + et Li + d é tection r é fractaire d é tection r é fractaire

46 Conclusion Diff é rents supports Diff é rents supports M é canismes M é canismes Param è tre de la phase mobile Param è tre de la phase mobile La chromato d é change d ions est La chromato d é change d ions est Une m é thode puissante Une m é thode puissante Adapt é e aux milieux biologiques Adapt é e aux milieux biologiques

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49 Applications adoucir l'eau, é purer l'eau,... r é cup é rer des compos é s ioniques dans des solutions industrielles jus de fermentation, bains de traitement é lectrolytique,de traitement hydrom é tallurgique [Uranium, Terres Rares,...] s é paration chimique à des fins analytiques: sp é ciation (ex: CrIII/CrVI, AsIII/AsV,...), s é paration des Terres Rares,...

50 On injecte une tr è s faible quantit é de la solution à analyser (50 à 100 ml) et les ions sont fix é s s é lectivement sur la colonne chromatographique. On injecte une tr è s faible quantit é de la solution à analyser (50 à 100 ml) et les ions sont fix é s s é lectivement sur la colonne chromatographique. La Chromatographie Ionique est une m é thode particuli è rement bien adapt é e à l analyse des anions et cations majeurs des eaux naturelles : Cl-, F-, NO3-, SO4--, Na+, K+, Ca++, Mg++. La Chromatographie Ionique est une m é thode particuli è rement bien adapt é e à l analyse des anions et cations majeurs des eaux naturelles : Cl-, F-, NO3-, SO4--, Na+, K+, Ca++, Mg++.

51 T° é b. Param è tre de polarit é 0 Miscibilit é à l eau Fluoroalcanes non pentane36.1°0.00non tolu è ne 110.6°0.22non dichlorom é thane 40°0.42non ac é tate d é thyle 77°0.48non Quelques solvants usuels en CL

52 oui0.5366° Tétrahydrofurane (THF) oui0.6082°isopropanol ouiélevé100°eau oui °méthanol oui0.778°éthanol oui0.5281°acétonitrile oui0.5356°acétone Miscibilité à leau Paramètre de polarité 0 T° éb. Quelques solvants usuels en CL

53 Interactions des solvants usuels en CL Accepteurs de pont H Accepteurs et donneurs de pont H

54 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 H 2 O (MM 18) : 100°C NH 3 (MM 17) : - 33°C méthanol : 65°C constante diélectrique très élevée eau : 78 méthanol : 33

55 Quelques phases stationnaires en GC Polarité croissante

56 Les phases stationnaires polaires en LC La silice : SiO 2 Solide macromoléculaire Groupes silanols en surface Donneurs et accepteurs de pont H Partiellement ionisés à partir d'un pH 3 Caractéristiques du solide 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 ( Å); plus de 95% de la surface du solide se trouve dans le volume poreux. Pureté

57 Les phases stationnaires polaires en LC "Logique" d'élution : mode "normal" Interaction forte Pour un éluant donné, les m i seront élués par ordre de polarité croissante. Éluant puissant = éluant polaire, ayant une forte affinité pour la PS, tous les m i sont élués rapidement (non sélectif) Éluant sélectif = éluant apolaire (alcanes) Gradient = polarité croissante Échange sur la PS

58 Les phases stationnaires polaires Échelle de polarité ° Pentane 0,00 Hexane0,01 Toluène 0,22 Dichlorométhane0,30 Acétate d'éthyle0,48 MTBE0,48 Acétonitrile0,52 Tetrahydrofurane0,53 Méthanol0,70 En pratique sur silice, un solvant polaire = En pratique sur silice, un solvant polaire = dichlorométhane pur, acétate d'éthyle pur, un solvant contenant un faible %age d'alcool.

59 Modification chimique de la surface de la silice : Les phases stationnaires apolaires en LC Phase inverse C18 Reversed Phase RP-C18

60 Autres phases stationnaires greffées Modification chimique de la surface de la silice : Transformation des silanols de surface : R = -C 8 H 17 (RP C8) -CH 2 CH 2 CH 2 -Phényl -CH 2 CH 2 CH 2 CN -CH 2 CH 2 OCH 2 CH(OH)CH 2 OH -CH 2 CH 2 CH 2 NH 2 etc... Phases polaires

61 Les phases stationnaires apolaires "Logique" d'élution : mode "inverse" Qui se ressemble, s'assemble ???

62 Les phases stationnaires polaires et apolaires : comparaison. Les plus polaires sont plus rapides Polarit é d é croissante Exemple : H 2 O + proportion croissante de CH 3 OH très polaire apolaire Phase inverse (RP) Les moins polaires sont plus rapides Polarit é croissante Exemple : hexane + proportion croissante dacétate déthyle peu polaire très polaire Phase normale (NP) Ordre délution Gradient délution PMPS

63 L'échange d'ions Échange d'anions résine faible : DEAE (diéthylaminoéthyl), amino résine forte : ammonium quaternaire Échange de cations résine faible : -CH 2 COO - (CM, carboxyméthyl) résine forte : -SO 3 - (sulfonique) ex : SP = sulfopropyl Séparation et dosage d'ions. Exemples : les nitrates dans l'eau une protéine dans un liquide physiologique

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71 M. Borkovec. Protocole des travaux partiques de chimie analytique II : La chromatographie ionique, É lution: processus par lequel les composants d'un é chantillon se d é placent à travers la colonne suite au flux permanent de la phase mobile. É luant: le liquide ou le gaz constituant la phase mobile. É luât: ce qui se retrouve en sortie de colonne, c à d l' é luant plus le composant qu'il contient' à un instant d é termin é. Temps de r é tention d'un composant: temps requis pour que ce composant arrive à l'extr é mit é de la colonne. Puis il est mesur é. depuis le moment de l'injection jusqu'au sommet du pic qui lui correspond. Volume de r é tention d'un composant: volume de la phase mobile qui doit s' é couler pour que ce composant soit é lu é. A d é bit constant, il est é gal au temps de r é tention multipli é par le d é bit.

72 R é sine est le r é sultat de la polym é risation d'un m é lange de styr è ne et divinylbenz è ns qui est sulfonat é (groupement S0 3 - H + o ù H + est é changeable). Elle est donc toujours é changeuse cationique au d é part. Pour la rendre é changeuse anionique, on y greffe des amines quaternaires (groupement N(CH 3 ) 3 + 0H - avec OH - é changeable). On utilise comme é luant un m é lange Na 2 C mM et NaHC mM.

73 Sch é ma de la CI

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76 Exemples de colonnes DIONEX

77 Param è tres chromatographiques

78 Rappels la loi d Ohm : V = RI V est la tension appliqu é e, I le courant mesur é entre les deux é lectrodes et R la r é sistance é lectrique. La conductance se d é finit alors comme suit : en Siemens (S) On relie alors conductance et conductivit é par la relation : = KG

79 Les conductivit é s ioniques limites des ions à 25°C et en ohm -1 cm 2 equiv. -1.

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