CHROMATOGRAPHIES ECHANGEUSES D ’ IONS

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

3. 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

4. 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.

5. 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+,-

6. 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.

7. Principe de la CEétape de lavage

8. La chromatographie d’échangeétape de la charge

9. Etape d’élution

10. Schéma général de la CE

11. - + 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

12. 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, ...

13. 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

14. Molécules concernées • Espèces ionisables (organiques ou minérales) • Espèces ionisées(organique ou minérales) • Molécules solubles dans l’eau • Peu volatiles

15. 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

16. Groupement cationique • ammonium quaternaires NR3+, ex:Dowex1 ammonium tertiaires NR2+, • sulfonium S+,... • => résine (d'échange) anionique

17. Groupement anionique • sulfonate SO3-, => ex: Dowex50 carboxylate CO2-, • aminodiacétate N(CH2CO2-)2 • Phosphonate (PO3)-2, => résine (d'échange) cationique

18. Phase stationnaire • Particules sphériques • Faible diamètre 5 -20 mm • Taille très homogène • Macroporeux • Pelliculaires • ;grpt fonctionnel greffagesupport inerte

19. 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

20. Formes des supports • Grains Copolymère styrène-divinylbenzène (PS-DVB) Résines

21. DEAE Chromatographie par échange d’ions

22. Formes des supports Fines couches (1mm) Déposées sur des microbilles de verre (30-50mm de f) De microbilles de silices

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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)

28. 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

29. 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.

30. Résines sulfonates

31. Tableau Mendeleïev

34. 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

35. 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-

36. 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

38. 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

41. Échange du ligand • Cations métalliques (fixés sur la fstat) • peuvent se complexer avec le ligand • Donc fmob avec ligand éluant NH4+

42. 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

43. Solvants organiques • Rarement utilisables • 3 à 10% • Méthanol • Acétonitriles • Propanol • Amélioration de la sélectivité de la colonne ou la rétention des solutés

44. Température • Influence la cinétique de l’échange • Augmente l’efficacité • Obtention de pics fins • Stabilité de certains échanges

45. 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

46. Conclusion • Différents supports • Mécanismes • Paramètre de la phase mobile • La chromato d’échange d’ions est • Une méthode puissante • Adaptée aux milieux biologiques

49. 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, ...

50. 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++.