Chromatographie Ionique - PDF

LA CHROMATOGRAPHIE IONIQUE INTRODUCTIO N On désigne sous le terme « Chromatographie ionique » l’application de méthodes variées de la chromatographie en phase liquide à l’analyse des ions qu’il s’agisse - d’anions - ou de cations, que ceux-ci soient inorganiques ou organiques. Selon (sma...

LA CHROMATOGRAPHIE IONIQUE INTRODUCTIO N On désigne sous le terme « Chromatographie ionique » l’application de méthodes variées de la chromatographie en phase liquide à l’analyse des ions qu’il s’agisse - d’anions - ou de cations, que ceux-ci soient inorganiques ou organiques. Selon (small et al., 1975) la chromatographie ionique = échange d’ions + a conductimétrie  A.PRINCIPES FONDAMENTAUX I. Séparation : - S’agissant d’espèces ionisées ou ionisables (dans le cas de formes conjuguées d’acides ou de bases faibles), - Trois méthodes de séparation peuvent être mises en œuvre :  La chromatographie d’échange d’ions  La chromatographie d’exclusion d’ions,  La chromatographie de paires d’ions 1.La chromatographie d’échanges 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 : Considérons le cas de l’élution d’un anion S- (soluté) par un anion de même charge E-(éluant): E-(S) + S-(M) E-(M) + S-(S) Les indices S et M désignant respectivement les phases stationnaire et mobile. La constante d’échange KSE s’écrit : KSE=[ S-]S[E-]M/[ S-]M[E-]S  KSE=[ S-]S[E-]M/[ S-]M[E-]S KSE= Ks.[E-]M/[E-]S Ks= KSE.[E-]S/[E-]M Le facteur de capacité de S-, k’S, est lié au coefficient de distribution KS- par la relation : k’S = KS-. VS/ VM VS et VM désignant, respectivement, les volumes de phases stationnaire et mobile dans la colonne, soit, en remplaçant K S- par son expression k’S = KSE.[E-]S.VS /[E-]M.VM [E-]S : le nombre de site disponible sur la phase stationnaire = on k’ = (K appelle ca la Capacité Disponible S CSD.[CD]. E VS)/([E-]M.VM  k’S = (KSE.[CD]. VS)/([E-]M.VM Cette relation montre: - À k’S constant et éluant donné, soit KSE fixé, toute diminution de la concentration de l’ion développeur imposée par le système de détection, implique une réduction de la capacité disponible de l’échangeur de même importance. -À capacité disponible et concentration de l’éluant fixées, la rétention des espèces est régie par la nature et la charge de l’ion développeur et la nature de l’échangeur : k’S varie en KSE LA PHASE STATIONNAIRE : La phase stationnaire est un échangeur d’ions - Un solide + des groupements fonctionnels ionisés, fixes, porteurs de charges positives ou négatives, et des ions mobiles de signe contraire assurant l’électroneutralité. - Les ions, retenus au voisinage des groupements fonctionnels par des forces d’attraction électrostatique, sont échangeables, en nombre équivalent, avec ceux de la solution mise en contact avec l’échangeur,  Echangeur d’ions La matrice ou le Les groupements support solide fonctionnels A.Résine B, silice  Les groupements Échangeurs d’ions fonctionnels Échangeurs de cations Échangeurs d’anions ----R- , X+ ----R+ , Y- Le choix du type de groupement fonctionnel est régi par Ammoni la nature du um problème de séparation Acide fort :Acide on fera faibleappel : Base forte BaseNonfaible quaterna -à un échangeur de cations, dans le cas de la séparation d’amines ire ou de (forme Ammoni bases azotées sous Sulfonat forme protonée, carboxyl um protonée d’une e ate quaterna - à un échangeur d’anions pour des acides de type Ha ou amine ire les nucléotides primaire , --- secondai --- --SO3 - --CO2 - N(CH re ou NHR+2 3)3+ tertieire)  Matrice a) Les Résines La matrice est constituée par un réseau macromoléculaire tridimentionnel, le plus souvent un copolymère styrène- divinylbenzène (PS-DVB) sur lequel sont greffés les groupements fonctionnels. Deux types de polymères existent : a) Polymères microporeux (encore appelés « gel ») : les pores sont répartis de manière uniforme dans le polymère; la porosité est déterminée par le pourcentage en poids de divinylbenzène dans le copolymère (taux de pontage : il est désigné par la lettre X suivi du pourcentage en DVB; ainsi X8 désigne un taux de pontage de 8 %. b) Polymères macroporeux : ils ont un taux de pontage très élevé et ils sont synthétisés en présence d’un « porogène ». Il s’agit d’un composé qui est soluble dans le monomère mais insoluble dans le polymère. Leur taux de pontage est supérieure à 8 %. b) Les silices Elles ont les avantages liés à l’utilisation de gels de silice comme support : -Excellente résistance à la pression, très supérieure à celle des polymères. - Fine granulométrie, (0,1 – 1 μm) -Grande surface spécifique, -Absence de gonflement, excellente efficacité. -En revanche et c’est, en échange d’ion, un très grave inconvénient, elles résistent mal aux solutions aqueuses et le domaine de pH est limité à 2-7 α) silices échangeuses de cations sulfonate : Elles sont du type arylsulfonates avec des différences mineurs (par exemple quant à la longueur du bras qui sépare le noya aromatique de l’atome de silicium) D’autres part, ces silices comportent des quantités importantes (jusqu’à 50%) de noyaux aromatiques non sulfonés de sorte que la rétention est due, pour partie, à l’échange d’ions, pour partie, aux interactions hydrophobes et de transfert de charges. β) silices échangeuses d’anions ammonium quaternaire : La diversité des produits commerciaux est grande : et les greffes comportent des noyaux aromatiques non substitués par les groupements ammonium quaternaire du type : La vitesse du transfert de masse dépend de la structure de l’échangeur d’ions. Pour l’accroitre, il faut réduire la distance parcourue par les espèces au cours des échanges, ce qui peut être obtenu de deux manières : -En réduisant le diamètre des particules : c’est le cas des résines et des silices échangeuses d’ions de fine granulométrie; il s’agit alors de supports poreux. - En déposant sur un support imperméable à la phase liquide (par ex : des billes de verre) une fine couche PHASE MOBILE :  Les éluant servant de phases mobiles sont des solutions aqueuses chargées d’ions salins ou organiques et, si nécessaire, d’un peu de méthanol ou d’acétone pour faciliter la dissolution de certains échantillons. Suivant le type , cationique ou anionique, les ions de l’éluant sont apportés par - Des acides minéraux ou organiques (perchlorique, benzoique, phtalique,……) - Soit par des bases (hydroxydes de sodium ou de potassium, CHOIX DE LA PHASE MOBILE : On utilise , le plus souvent, une solution aqueuse en raison du caractère ionisant et dissociant de l’eau. Parfois, l’addition de solvants organiques tels l’éthanol ou le méthanol permet d’accroitre simultanément la solubilité de certains composés et la sélectivité. 1. La valeur du pH : La valeur du pH de la solution détermine le degré d’ionisation des acides et des bases faibles, et par suite, la concentration des ions en solution. Ex : une base faible 2.La nature de l’ion développeur : - La rétention des espèces dépend de la nature de l’ion développeur : - Plus la résine a d’affinité pour celui-ci, plus faible est la rétention. - Les composés les plus souvent utilisés pour préparer des solutions tampons en chromatographie d’échange d’ions sont :  Les phosphates, acétates, borates et formiates de sodium, potassium et ammonium dans le cas des échangeurs de cations L’ammoniaque, la pyridine, dans le cas des échangeurs d’anions. 3.Influence de la température : En augmentant la cinétique des échanges, une élévation de la température permet, en général, d’accroitre l’efficacité et, par suite, la résolution, même si, parfois, la sélectivité est légèrement diminuée. Cet effet sur la cinétique des échanges est lié à l’utilisation de phases éluantes aqueuses : la viscosité de l’eau diminue rapidement lorsqu’on élève la température; les coefficients de diffusion du soluté augmentent, ce qui entraine une diminution de la résistance au transfert de masse 2.La chromatographie d’exclusion d’ions Lorsque les anions sont les formes conjuguées d’acides faibles et les cations les formes conjuguées de bases faibles, l’exclusion d’ions offre une alternative aux méthodes précédentes. Les ions de même signe que les groupements fonctionnels d’un échangeur d’ions sont exclus de celui-ci, a) Séparation des acides faibles : Considérons la séparation des deux acides faibles : acides oxalique pKa = 1.2 et l’acide acétique pKa = 4.8 en équilibre avec un échangeur de cation sulfonate sous forme H+ au pH de l’éluant 2.7, l’acide oxalique est sous la forme du monoanion HC2O4- Et est celui de la phase stationnaire. Au contraire, l’acide acétique n’est pas ionisé à ce pH et les molécules d’acides ont accès au H2C2O4 HC2O4- HC2O4 - 1,2 CH3COOH CH3COO- CH3COOH 4,8 Pénétratio Exclusion n d’ions 2 2,7 1  Acide oxaliqu e Acide acétiqu e 3.La chromatographie de paires d’ions : Couramment utilisée pour la séparation -Des espèces organiques ionisées ou ionisables -Des ions inorganiques Avantage principal : Ajuster à volonté la capacité disponible de la phase stationnaire (nature et concentration du contre-ion, du co-ion, la teneur en solvant organique dans l’éluant) On bénéficie de l’excellente efficacité des colonnes développées pour la chromatographie de partage a polarité de phase inversée. -Silice greffée alkyle (octyle ou octadecyle) Copolymère styrène- -Silice greffée alkyle- divinylbenzène nitrile (cyano) B.DETECTION Détection conductométrique :  principe: - Détecteur universel (espèces ionisée) - Fondé sur la propriété caractéristique des ions de conduire le courant en solution aqueuse. La conductivité d’une solution est donnée par la relation : C : conductivité de la solution (μS) λi : conductivité ionique de l’ion i(S.cm2.mol-1 ) Zi : valeur absolue de la charge de l’ion i Ci : concentration de l’ion i i(Mol.l-1 ) K : constante de cellule (cm-1 )  La réponse du détecteur est proportionnelle à la différence des conductivités ioniques des anions de l’échantillon et de l’éluant. Une bonne détectabilité implique que : -La différence soit aussi grande que possible en valeur absolue , pour donner une amplitude optimale du signal. - soit le plus grand possible, càd que la dilution apportée par l’ensemble su système chromatographique soit faible. - la conductivité de l’éluant, à laquelle se superpose la variation de conductivité ΔC, soit : très stable, faible pour permettre une forte amplification du signal. Optimisation de la détectabilité : -Dans l’une, on dispose entre la colonne de séparation et la cellule du détecteur un dispositif de neutralisation par lequel on élimine les ions de l’éluant, généralement par réaction acide-base; la détection des ions de l’échantillon a lieu dans une phase mobile rendue aussi peu conductrice que possible. C’est la méthode avec neutralisation « suppressed ion chromatography » par un artifice , faire tendre λe vers 0. - Dans l’autre, dite sans neutralisation « non-suppressed ion chromatography » ou encore « single column ion chromatography » on utilise comme ion éluant un ion organique volumineux, donc peu mobile et par conséquent de faible λe ; la détection s’effectue directement à la sortie de la colonne de séparation. Détection absorptiométrique : L’absorbance d’une solution est donnée par la loi de Beer-Lambert A = ε.l.C A : absorbance de la solution Εabsorptivité moléculaire de l’espèce i à la longueur d’onde de mesure l : longueur du chemin optique Ci : concentration de l’espèce i -Soit par mesure de l’absorbance des solutés directement en sortie de colonne, en opérant avec un éluant transparent à la longueur d’onde de détection (εe = 0). - Soit par mesure de la diminution d’absorbance de l’éluant , en opérant à une longueur d’onde où seul l’ion éluant, choisi à cet effet, absorbe ( εS= 0). C.APPLICATIONS  Industrie alimentaire : analyse du lait, du vin, de la bière, d’extraits végétaux……….  Industrie pharmaceutique : analyse des anions fluorure dans les pates dentifrices  Analyses médicales : ionogramme : potassium/sodium  Analyse des anions des halogènes (analyse des bains de l’industrie photographique) ou encore l’analyse élémentaire organique après combustion dans l’oxygène dans une fiole de Schrödinger.  Industrie des détergents : (analyse des phosphates condensés) Analyse des amines aliphatiques, qui sont des substances