2.03.3.1 Chromatographie par adsorption liquide et par gradient
Chaque type de chromatographie d’interaction nécessite une phase mobile qui comprend deux solvants ou plus. Dans la chromatographie d’adsorption liquide (LAC), les phases mobiles initiale et finale sont de bons solvants pour le polymère. Dans la plupart des cas, le gel de silice est utilisé comme phase stationnaire. L’échantillon injecté dans la colonne s’adsorbe sur la surface de la silice à la phase mobile initiale. Pour les échantillons de très faible masse molaire, l’adsorption peut être suffisamment faible et la désorption dans la même composition de la phase mobile peut avoir lieu. Dans ce cas, l’élution a lieu dans des conditions isocratiques.
Dans la plupart des cas et, en particulier, pour les échantillons de masse molaire plus élevée, l’adsorption est trop forte. La force de la phase mobile a un effet dramatique sur la rétention. Avec une phase mobile faible, le temps de rétention d’un polymère dépasse généralement de loin toute période raisonnable de travail expérimental. L’augmentation de la force d’élution conduit finalement à un changement soudain du comportement opposé : le polymère n’est pas retenu du tout et quitte la colonne au volume interstitiel Vo. Une petite modification des conditions d’élution entraîne une transition de la rétention nulle à l’infini. Ce comportement « on ou off » peut être compris comme une conséquence de la fixation multiple.3 Les polymères synthétiques sont constitués d’un grand nombre d’unités répétées. En principe, toutes ont la possibilité d’être adsorbées, mais la conformation des bobines de polymère adsorbé comprend généralement des boucles et des queues s’étendant dans la solution et des trains d’unités répétées adsorbées. Une chaîne de polymère est retenue dans la phase stationnaire tant qu’au moins une de ses unités répétées est adsorbée. Une chaîne ne peut migrer que si toutes les unités constitutives sont dans la phase mobile. En supposant un équilibre d’adsorption-désorption indépendant pour chaque unité, la condition de mobilité d’une macromolécule est fonction des probabilités correspondantes des unités répétées et de la longueur de la chaîne. Pour les éluants faibles et les longues chaînes polymères, on peut supposer qu’il y a toujours une unité répétée qui interagit avec le matériau de garnissage. En conséquence, la probabilité est très élevée que la macromolécule soit retenue pendant un temps très long. Par conséquent, dans la plupart des cas, des gradients de solvant doivent être utilisés pour améliorer la force du solvant de la phase mobile et pour équilibrer le comportement d’adsorption-désorption des macromolécules.
LAC a été largement appliquée pour la séparation des copolymères en fonction de leur composition chimique, le premier article ayant été publié en 1979 par Teramachi et al.12. Mori et d’autres ont développé des méthodes de séparation pour différents copolymères styrène-acrylate, tandis que Mourey et al. se sont concentrés sur différentes combinaisons de polyacrylate.13-17
Un autre aspect important de la chromatographie d’adsorption des polymères est la solubilité. La solubilité nécessite en général un changement négatif de l’énergie libre de Gibbs lors du mélange. Cette condition est facilement remplie avec des solutés de faible masse molaire en raison de la grande contribution de l’entropie. Dans les processus de mélange à faible masse moléculaire, la contribution TΔSm est si importante que même des valeurs positives de ΔHm n’empêchent pas la dissolution. Contrairement aux composés de faible masse molaire, les macromolécules présentent normalement un faible ordre à l’état solide. En outre, la disposition régulière des unités répétitives le long de la chaîne polymère demeure lors de la dissolution. En outre, dans des solutions de concentrations pondérales égales, le nombre de particules de soluté est beaucoup plus important dans les échantillons de faible masse molaire que dans les systèmes polymères. Ainsi, la contribution de l’entropie à ΔGm sera faible et la condition ΔGm < 0 nécessite une variation négative de l’enthalpie, ΔHm < 0. En conséquence, les paramètres de solubilité du solvant doivent être très proches de ceux du polymère. En plus d’une solubilité suffisante des macromolécules dans la phase mobile, une certaine force de solvant de la phase mobile est nécessaire. Compte tenu du mécanisme de séparation dans la chromatographie d’adsorption, la force du solvant doit être suffisamment élevée pour favoriser la désorption des macromolécules du garnissage.
Un type de LC qui utilise la solubilité des macromolécules de différentes compositions chimiques est la chromatographie liquide de précipitation à haute performance (HPPLC).3 Dans la HPPLC, la phase mobile initiale est un non-solvant pour l’échantillon afin que l’échantillon injecté dans la colonne précipite. Une élution par gradient est ensuite effectuée en ajoutant un bon solvant à l’échantillon et les fractions commencent à se redissoudre et à éluer avec la phase mobile. La solubilité étant une fonction de la composition chimique, la CLHP peut être utilisée pour la séparation de la composition chimique des copolymères et des mélanges de polymères. Des exemples de ce type de séparation ont été présentés par Glöckner et d’autres pour les copolymères de styrène et d’acrylate.18-21
Très fréquemment, il est difficile de classer une technique de séparation comme LAC ou HPPLC car il n’est pas complètement clair si l’échantillon précipite complètement dans la phase mobile initiale (différentes compositions chimiques des macromolécules). Dans ce cas, la séparation peut être classée en chromatographie liquide en phase normale (NP-LC) ou en chromatographie liquide en phase inverse (RP-LC). Dans les deux cas, les phases mobiles initiale et finale doivent être de bons solvants pour l’échantillon. En NP-LC, une phase stationnaire polaire (hydrophile) est utilisée. La phase mobile initiale est moins polaire et le pouvoir solvant est augmenté par l’ajout d’un solvant polaire. Des exemples typiques sont le n-hexane-tétrahydrofurane (THF)22 et le n-hexane-chloroforme.23 La RP-LC utilise des phases stationnaires non polaires (hydrophobes) et une phase mobile initiale polaire qui est modifiée au cours du gradient avec un solvant moins polaire. Des exemples typiques pour ce cas sont ACN-THF24 et ACN-chlorure de méthylène.25
Un exemple typique pour la séparation de copolymères aléatoires par NP-LC est donné dans la figure 3. En utilisant un gel de silice lié au cyanopropyle comme phase stationnaire et un gradient de solvant d’isooctane-THF, des copolymères de méthacrylate de décyle et de méthacrylate de méthyle ont été séparés par composition26. Dans une application plus récente, il a été démontré par Garcia et al. que des séparations RP-LC très efficaces peuvent être réalisées avec des colonnes très courtes et des gradients abrupts en moins de 3 min (voir figure 4).27
Figure 3. Chromatogrammes HPLC à gradient de copolymères aléatoires de méthacrylate de décyle-méthacrylate de méthyle. Phase stationnaire : Nucleosil 5 CN, 200 mm × 4,6 mm de diamètre interne ; phase mobile : gradient isooctane-THF. Les compositions des copolymères sont données en DMA-MMA en % molaire.
Réimprimé de Pasch, H. ; Trathnigg, B. HPLC of Polymers ; Springer : Berlin-Heidelberg-New York, 1998,2 avec l’aimable autorisation de Springer Science+Business Media.
Figure 4. Superposition de cinq séparations HPLC de copolymères styrène-acrylate d’éthyle. Les teneurs moyennes en styrène et les barres d’écart-type sont indiquées. Phase stationnaire : Luna C18 100 Å, 30 mm × 4,6 mm i.d. ; phase mobile : Gradient THF-ACN ; teneur nominale en styrène des copolymères : 0 % en moles (1), 20 % en moles (2), 40 % en moles (3), 60 % en moles (4), 80 % en moles (5) et 100 % en moles (6).
Réimprimé de Garcia Romero, I. ; Bashir, M. A. ; Pasch, H. e-Polymers 2005, 079,27 avec la permission.
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