Chromatographie Ionique

CHROMATOGRAPHIE IONIQUE

• Chromatographie sur colonne. • Séparation : - Espèces ioniques, - Espèces ionisables dans certaines conditions de pH. AH2

AHpKa1

A2pKa1

pH

1. Principe générale. Séparation grâce aux interactions électrostatiques entre : - Analytes en solution (dans φmobile ). - ET sites chargés de φstationnaire

.

Sites chargés = groupements fonctionnels chargés positivement ou négativement Phase stationnaire cationique : séparation de cations donc comporte des sites anioniques

Ioniques (totalement dissociés)

Ionisables dans certaines conditions de pH : acides faibles

acide fort

Phase stationnaire anionique : séparation d’anions donc comporte des sites cationiques

ECHAN

Remarque : autres dénominations Phase stationnaire sulfoniques et carboxyliques : → se rapportent à la structure de φstationnaire.

1.1 Affinité d’une espèce pour la résine. • Répartition de l’espèce chargée entre φmobile et φstationnaire. • Coefficient de partage ionique KX = [X-]s / [X-]m • Plus KX est élevé, plus le composé a d’affinité avec la phases stationnaire.

1.2 L’échange d’ions : base de la séparation.

Soit : - Une résine anionique - Anion échangeable E- Espèce à analyser X• Equilibre : X-m + E-s ↔ X-s + E-m X-m et X-s = [X-] dans phase mobile et stationnaire, E-s et E-m = [E-] dans phase stationnaire et mobile. • Constante d’équilibre : K = [E-m] [X-s] / [E-s] [X-m] = KX / KE

1.3 Migration dans la colonne lors de l’élution. Après le dépôt de l’échantillon en tête de colonne, on fait passer l’éluant qui contient le contre - ion d’origine de la résine (qui a une affinité plus faible que X-).

• En tête de colonne, [X-m] est en excès, donc l’équilibre est déplacé vers la droite. Le composé X- se lie à la place de E-. • Les ions X- sont fixés, on fait passer l’éluant contenant des ions E- en excès. → L’équilibre est déplacé vers la gauche, libérant ainsi les ions X- qui arrivent au niveau des sites suivant saturé en E-. Il s’établit alors un nouvel équilibre qui sera déplacé ensuite lors de l’arrivée des E- de l’éluant en excès.

• L’équilibre entre les proportions des deux espèces dans les deux phases est continuellement déplacé dans un sens ou dans un autre. Il s’en suit une migration de Xdans la colonne dont la vitesse de progression va dépendre de son affinité pour la phase stationnaire. • Si on a plusieurs espèces dans l’échantillon, chacune va migrer à sa propre vitesse : on obtient donc leur séparation en fin de colonne. • Cette chromatographie porte le nom d’échange d’ion car les sites échangent leur contre -ion (qui assurent l’électroneutralité) avec les espèces en solution.

2. Les phases.

2.1 Stationnaire. • Appelée résine. • Impératifs : - Grande surface d’échange : → Bonne porosité et/ou billes très petites. - Grande capacité d’échange : Nombre d’ions pouvant être fixés par unité de poids sec (en mmol.g-1 ) ou par mL de résine humide (après hydratation). - Forte résistance mécanique → résiste à la pression (accélère l’analyse). - Stabilité chimique : bonne tenue aux pH extrêmes, ainsi qu’aux autres espèces présentes dans la phase mobile.

3 supports : - Polymère réticulé de polystyrène/divinylbenzène. - Silice greffée. → Milieux poreux avec groupements chargés en surface. Exemple : Polymère réticulé

- Résine pelliculaire. • Fine pellicule échangeuse fixée sur un support inerte très dur. Microsphère de silice, de verre ou de polystyrène. • Pellicule = silice greffée ou polymère organique fonctionnalisé.

• Choix suivant : - Les conditions opératoires (pH, force ionique et pression). - Chromatographie analytique ou préparative.

COMPARAISON DES 3 PHASES

Polymère réticulé

Silice greffée

Echangeur particulaire

Résistance à la pression

Capacité d’échange

pH d’utilisation

Faible par rapport aux autres phases. P utilisation < à quelques dizaines de bars.

3 à 5 mmol.g-1

0 à 13

Très Forte

0,5 à 2 mmol.g-1

2à9 problèmes de tenue aux pH basiques et très acides.

Bonne

0,01 à 0,1 mmol.g-1

2 à 12, problèmes de tenue aux pH extrêmes.

2.2 Mobile. • Très souvent des solutions aqueuses (contenant diverses substances). • Rôle premier : - Ioniser les solutés (si électrolytes faibles) - Ioniser les groupements fonctionnels de la résine dans le cas de sites ioniques faibles. → Le pH de la phase mobile est donc très important.

•

Deuxième fonction : éluer les composés à séparer.

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Son pouvoir d’élution va dépendre de sa composition (force ionique) et éventuellement de son pH. • Tout dépend du type d’élution désiré. - Elution simultanée si les composés ont des KX voisins: l’éluant contient un ion ayant une affinité plus petite que les ions à séparer (en général, il s’agit de l’ion initialement présent dans la résine). - Elution sélective si KX est très différent entre les espèces. L’éluant n’entraine que quelques constituants. Pour éluer les autres, il faut un autre éluant de composition différente. - Elution progressive pour des constituants de KX très voisins : on modifie graduellement la composition de l’éluant, ce qui permet une modification progressive des KX donc l’élution progressive des composés.

3. Applications.

3.1 Analytique. • Séparation de molécules organiques comme les a a, les acides nucléïques, les alcaloïdes (morphine, atropine...), et d’ions minéraux comme les terres rares et les produits de fission atomique. • Dosage des anions (sulfates, chlorures, fluorures, nitrates, phosphates...) dans les bétons, ciments, déchets, eaux...

Séparation des acides aminés

3.2 Chromatographie préparative. • Permet de séparer des quantités importantes de certains cations d’un mélange et de les obtenir purs à de fortes concentrations. • Exemple : Li+, isotopes radioactifs, terres rares...

Séparation des lanthanides