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

Schéma des techniques chromatographiques NORMALE INVERSEE CH3 Apolaires +++ Polaires +++ OH Apolaires + - Polaires + - Elution avec Phase mobile POLAIRE Elution avec Phase mobile APOLAIRE Apolaires - Polaires -

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 Forces d’attractions électriques E+,-

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 + échangeuse de cations - échangeuse d’ anions - + Groupement fonctionnel Ion mobile

défauts des zéolites naturels : 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, ...

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 Sulfonâtes: -SO3- (fort) Ammonium quaternaire Groupements acides –COOH (faible) Groupements basiques (-NR2 ; NRH ;-NH2) S O- R1 O N+ R2 R3

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 Macroporeux Pelliculaires 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) De microbilles de silices Déposées sur des microbilles de verre (30-50mm de f) De microbilles de silices

suite Grains Eau à l’intérieur réticulation et efficacité du gel 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

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

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 Les échangeurs de cations (sulfonâtes) 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 B+stat + AL+mob B+stat * AL+mob / A+stat * BL+mob Ce sont les constantes d’association a’ = a’ = * (BLK / ALK( a

Exemples Acides aminés élués par un gradient de proton Échangeuse de cations Cations métalliques Fe3+ Echangeuse d’anions K de Fe fct teneur Cl- dans phase mobile Fe3+ + 4 Cl- FeCl4-

[(B)r . (A)s ]/[(B)s . (A)r ] = K constante à une température donnée 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 Capacité inversement proportionnelle à A+mob mais proportionnelle avec la CD de la colonne. a =KB*A+mob/CD

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++.

Paramètre de polarité e0 Quelques solvants usuels en CL T° éb. Paramètre de polarité e0 Miscibilité à l’eau Fluoroalcanes -- - 0.25 non pentane 36.1° 0.00 toluène 110.6° 0.22 dichlorométhane 40° 0.42 acétate d’éthyle 77° 0.48 d- d+

Quelques solvants usuels en CL oui 0.53 66° Tétrahydrofurane (THF) 0.60 82° isopropanol élevé 100° eau 0.7 64.5° méthanol 78° éthanol 0.52 81° acétonitrile 56° acétone Miscibilité à l’eau Paramètre de polarité e0 T° éb.

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

Quelques phases stationnaires en GC Polarité croissante

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 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 : Phase inverse C18 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 "Logique" d'élution : mode "inverse" Qui se ressemble, s'assemble ???

Les phases stationnaires polaires et apolaires : comparaison. Les plus polaires sont plus rapides Polarité décroissante Exemple : H2O + proportion croissante de CH3OH très polaire apolaire Phase inverse (RP) Les moins polaires sont plus rapides Polarité croissante Exemple : hexane + proportion croissante d’acétate d’éthyle peu polaire Phase normale (NP) Ordre d’élution Gradient d’élution PM PS

L'échange d'ions Échange d'anions Échange de cations 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

Éluant: le liquide ou le gaz constituant la phase mobile. 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.

Elle est donc toujours échangeuse cationique au départ. 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