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15/09/2017 1 Licence Professionnelle Chimie de Synthèse Cours de Chromatographi

15/09/2017 1 Licence Professionnelle Chimie de Synthèse Cours de Chromatographie Enseignant : Y. FRANCOIS Yannis FRANCOIS Laboratoire de Spectrométrie de Masse des Interactions et des Systèmes Tour de Chimie, 12ème étage e-mail: yfrancois@unistra.frPlan de cours Plan de cours 1. Introduction générale sur la chromatographie 2. Aspect théorique de la chromatographie 3. Chromatographie gazeuse : principe et appareillage 4. Chromatographie liquide : principe et appareillageIntroduction chromatographie Introduction chromatographie 1900 : Invention de la chromatographie (Michel TSWETT) 1938 : Première chromatographie sur couches minces (Ismailov et Schraiber) 1952 : Naissance officielle de la chromatographie phase gaz (Martin et Synge, Nobel 1952) 1955 – 1960 : Age d’or de la chromatographie en phase gazeuse Fin des années 60 : Naissance de la chromatographie en phase liquide à haute performance De nos jours : Amélioration instrumentale (informatisation) et innovation dans le domaine de la miniaturisation (nanotechnologie) HistoriqueIntroduction chromatographie Introduction chromatographie Principe Fraction Chromatographie d’élutionIntroduction chromatographie Introduction chromatographie Principe Séparation de mélange complexe Basée sur des équilibres particuliers entre les composés et deux phases : Phase stationnaire Phase mobile Différentes interactions peuvent entrer en jeu : Adsorption Partage Paires d’ions Échange d’ions Exclusion stérique 15/09/2017 2L’adsorption L’adsorption C’est l’accumulation de substances à la surface d’une des phases Principe 2 corps différents ne se partagent pas de façon identique entre 2 phases Coefficient de partageLe partage Le partage CS : concentration dans la phase stationnaire CM : concentration dans la phase mobile Principe La phase stationnaire a des propriétés d’échanges d’ions. Présence de groupements acide ou basique permettant l’échange de certains de leurs ions avec ceux, de même signe, de l’échantillonEchange d’ions Echange d’ions Phase mobile : Solution de sels ou d’acide ou de base Les coefficients de partage sont appelés coefficient d’échanges d’ionsIntroduction chromatographie Introduction chromatographie Principe Affinité forte du produit pour la phase stationnaire : Le produit progresse lentement dans la phase stationnaire Le temps de rétention du produit est long Affinité forte du produit pour la phase mobile : Le produit progresse rapidement dans la phase stationnaire Le temps de rétention du produit est plus court Le temps de rétention du composé permet son identificationIntroduction chromatographie Introduction chromatographie Principe Amélioration technique permanente de la chromatographie : Miniaturisation et automatisation des systèmes d’injections Injection de petit volume Répétabilité des injections Augmentation de la sensibilité des détecteurs Étude de traces Grande variété de phase stationnaire Variation des types d’interactions Colonne - Injection Phase mobile DétecteurIntroduction chromatographie Introduction chromatographie Principe 15/09/2017 3Introduction chromatographie Introduction chromatographie De nos jours, la chromatographie est la technique de séparation la plus largement utilisée Techniques très répandues dans le monde industriel Très grand domaine d’applicabilités Domaines d’applicationsIntroduction chromatographie Introduction chromatographie Industrie chimique : production, contrôle… Industrie alimentaire : corps gras, vins et spiritueux, bière, arôme… Industrie cosmétique et parfums Industrie pharmaceutique Domaines d’applications Energie : raffinerie de pétrole, gaz naturel, biomasse… Contrôle pollution : eaux, sols, atmosphère Exploration spatiale Police scientifique Recherche scientifiqueIntroduction chromatographie Introduction chromatographie Quel type d’échantillon ? Solide, liquide, gazeux Les questions que vous aurez à vous poser ? Que veut on doser ? Composé majeur, mineur ou des traces Analyse partielle ou complète de l’échantillon ? Récupération de l’échantillon ? Précision de l’analyse ? Qualitatif ou quantitatif Quel sera le coût de l’analyse ? Durée de l’analyse ? Poids de l’analyse sur l’environnement ?Plan de cours Plan de cours 1. Introduction générale sur la chromatographie 2. Aspect théorique de la chromatographie 3. Chromatographie gazeuse : principe et appareillage 4. Chromatographie liquide : principe et appareillage Colonne - Injection Phase mobile Détecteur Le chromatogrammeAspect théorique Aspect théorique ChromatogrammeAspect théorique Aspect théorique Le chromatogramme tM : Temps mort tR : Temps de rétention t’R : Temps de rétention réduit tM tR tR’ 15/09/2017 4Aspect théorique Aspect théorique Coefficient de partage CS : concentration dans la phase stationnaire CM : concentration dans la phase mobile tM tR tR’Aspect théorique Aspect théorique tM (Temps mort) : temps écoulé pour un composé non retenu par la colonne tR (Temps de rétention) : temps écoulé entre l’instant de l’injection et le max du pic du composé t’R (Temps de rétention réduit) : temps de rétention affranchit des phénomènes hors phase stationnaire t’R = tR – tM Grandeurs physiques : TempsAspect théorique Aspect théorique Le chromatogramme idéal Caractéristiques de la courbe de GaussAspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : Facteur de rétention k’ Indépendant du débit Indépendant de la longueur de la colonne Définit le comportement des colonnes tR = tM(k’+ 1) k’ = t’R/tMAspect théorique Aspect théorique Règle générale : Facteur de rétention k’ k’ = 0 →tR = tM ou VR = VM ☻Composé non retenu par la phase stationnaire k’ faible ☻Composé peu retenu par la phase stationnaire ☻tR rapide k’ très grand ☻Composé très retenu par la phase stationnaire ☻tR très grand k’ trop grand ☻Composé trop retenu par la phase stationnaire ☻Phénomène de diffusion, le pic s’élargitAspect théorique Aspect théorique Règle générale : Facteur de rétention k’ Ordre de grandeur de k’ : Compris entre 1 et 10 Le meilleur compromis : ☻Analyse courte ☻Bonne séparation 2 < k’ < 6 15/09/2017 5Aspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : la théorie des plateaux La théorie des plateaux est sans doute la meilleure théorie permettant d’expliquer les phénomènes de séparation chromatographique. Modélisation des équilibres Soluté/Phase stationnaire/Phase mobile sous la forme de plateaux. Limitations : Absence de considération des phénomènes de diffusion Impossibilité d’introduire tout l’échantillon dans un volume infiniment petit Absence de considération cinétique (vitesse d’échanges entre les deux phases) Théorie cinétique (Vu plus tard dans le cours)Aspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : Efficacité Paramètre N : Nombre de plateaux théoriques Paramètre H : Hauteur des plateaux théoriques H = L/N N : paramètre relatif, dépend du soluté et des conditions opératoiresAspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : Efficacité théorique Dispersion d’un soluté dans la colonne et traduction sur le chromatogramme ω ou δAspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : Sélectivité α La mesure de la sélectivité d’une séparation entre deux composés est réalisée à l’aide du facteur de sélectivité α Le facteur de sélectivité α décrit la position, l’un par rapport à l’autre, de deux pics adjacentsAspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : Sélectivité α Le facteur de sélectivité α peut être exprimé à l’aide des paramètres de rétention : • Avec les volumes : α = (VR2 – VM)/(VR1 – VM)  VR2 = VM + K2VS  VR1 = VM + K1VS • Avec les temps de rétention : Or Ki = k’i . VM/VSAspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : Résolution R ou Rs La résolution Le facteur de résolution R permet de traduire numériquement la qualité de la séparation entre deux pics. 15/09/2017 6Aspect théorique Aspect théorique Exemple : Résolution R ou Rs Pour une bonne séparation : Rs > 1,5Aspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : Relation entre N et Rs Pour deux pics homologues : OrAspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : Relation entre Rs et α Or Approximation : k’ = moyenne de k’1 et k’2 si les pics sont similaires ou presqueAspect théorique Aspect théorique Question : Que faire quand les pics sont mal résolus ? On augmente le facteur de rétention k’ On augmente l’efficacité N On augmente la sélectivité αAspect théorique Aspect théorique Exemple appliqué à la CPG: Séparation de deux composés A et B sur une colonne de 2 m : Calculer la résolution de la colonne ? o Données expérimentales : tRA = 400 sec ωA = 19,5 sec tRB = 420 sec ωB = 20,5 sec tM = 50 sec R = 2.(420-400)/(19,5+20,5) = 1 Mauvaise séparationAspect théorique Aspect théorique Exemple appliqué à la CPG: Calculer le nombre de plateaux théoriques de la colonne ? Avec = 7,4 = 7 = 1,06 et = 0,06 NB = 5727 plateaux 15/09/2017 7Aspect théorique Aspect théorique Exemple appliqué à la CPG: Quelle longueur de colonne serait nécessaire pour avoir R = 1,5 ? Application numérique : R2/R1 = 1,5/1 = 1,5 = y = 2,25 L2 = 2,25 . 2 m = 4,5 mAspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : la théorie des plateaux La théorie des plateaux est sans doute la meilleur théorie permettant d’expliquer les phénomènes de séparation chromatographique. Pics gaussiens Calcul du nombre de plateaux Limitations : Absence de considération des phénomènes de diffusion Impossibilité d’introduire tout l’échantillon dans un volume infiniment petit Absence de considération cinétique (vitesse d’échanges entre les deux phase Causes d’élargissement des picsAspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : la théorie cinétique La théorie cinétique considère le pic chromatographique comme représentatif de la distribution statistique des temps de rétention des molécules d’une substance donnée sur la colonne. La théorie cinétique considère les phénomènes de diffusion et de transfert de masseAspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : la théorie cinétique Phénomènes de diffusion : Diffusion moléculaire longitudinale Diffusion turbulente RemplissageAspect théorique Aspect théorique Grandeurs physiques : la théorie cinétique a b t0, les molécules a et b d’une même substance sont sur la même ligne ti, a va rester dans le uploads/Industriel/ cours-de-chromatographie-l3-pro-synthese-v2.pdf