B Effet sur la force isoéluante

Méthanol et acétonitrile : deux modificateurs non interchangeables

Chapitre IV Méthanol et acétonitrile : deux modificateurs non

logk_eau :S= +p qlogk_eau, traduisant une dépendance en fonction du composé. En revanche, S dépend uniquement de la fraction en solvant lorsque ce dernier est l’acétonitrile.

D’un point de vue expérimental, peu importent les valeurs respectives de S pour le méthanol et l’acétonitrile : seul compte le rapport isoéluant ϕ

→ =ϕ^MeCN

MeOH MeCN

MeOH

f pour obtenir des

rétentions similaires. Ce sont les valeurs de ce rapport que nous allons déterminer.

IV.B.1 Principe de l’étude et choix des solutés

Au travers de cette étude, il s’agit de déterminer les fractions d’acétonitrile et de méthanol qui conduisent à une rétention équivalente pour une série de composés neutres. En effet, la rétention des composés basiques reposant fréquemment sur un mécanisme mixte, comprenant à la fois de l’effet hydrophobe et de l’échange d’ion, il n’apparaît pas envisageable de définir des rapports isoéluants avec ce type de composés.

Compte tenu de la gamme d’étude, une seule série de composés ne pourra suffire pour obtenir des temps de rétention raisonnables. Pour couvrir convenablement l’intervalle de fraction massique [0,2-0,75], nous avons donc employé différentes séries de composés :

• A 75% de méthanol : le butylbenzène, le pentylbenzène, l’o-terphényle et le triphénylène (solutés du test de Tanaka) ;

• A 50% de méthanol : le toluène, l’éthylbenzène et le phénol ;

• Entre 20% et 35% de méthanol : le phénol seul.

Aux teneurs élevées en solvant (50% et 75%), nous avons utilisé une série d’alkylbenzènes scindée sur les deux niveaux pour lesquels on postulera un comportement similaire de ces solutés.

En conséquence, les variations observées pour f ne pourront être imputables qu’au solvant et non au soluté. D’autre part, à niveau de méthanol fixé, f peut dépendre de deux paramètres, à savoir la nature du soluté et la fraction massique d’acétonitrile ϕ. Donc si dépendance il y a sur f, elle ne pourra provenir que de ϕ sur cette série d’alkylbenzènes. Par contre, l’influence éventuelle du soluté pourra être mise en évidence avec des composés différents, comme l’o-terphényle et le triphénylène.

Concernant les niveaux à faible teneur en solvant, les alkylbenzènes se seraient révélés beaucoup trop retenus : notre choix s’est donc porté le phénol, sonde neutre que l’on peut espérer représentative des composés polaires. Mais étant donné sa solubilité – meilleure dans le méthanol que dans l’acétonitrile, il est probable de devoir apporter une correction δ aux valeurs de f. C’est pourquoi, malgré un facteur de rétention relativement réduit, nous l’avons également injecté à 50% de méthanol en compagnie du toluène et de l’éthylbenzène afin de déterminer δ. IV.B.2 Conditions expérimentales

Notre choix s’est porté sur une colonne classique²⁹ Kromasil C18 (250 × 4.6 mm, 5 µm, Akzo Nobel), de greffage monomérique, montée sur une chaîne chromatographique Varian- Waters, décrite plus en détails dans l’Annexe 4. La température de la colonne est fixée à 40°C au moyen d’un bain thermorégulé Bioblock 18205 et d’une jaquette à eau Alltech. Les phases mobiles eau/méthanol ou eau/acétonitrile sont préparées par pesées, ce qui nous procure une précision sans équivalent par rapport à une préparation volumétrique. Nous pourrons donc ajuster finement les rapports isoéluants avec un pas ∆f=0,01 : en effet, pour une phase de 200 g à 15% de méthanol, un pas de ∆f=0,01 correspond à 0,3 g de solvant, soit 30 fois l’erreur de lecture de la balance de précision. Après chaque changement de force éluante, un minimum d’une demi- heure d’équilibre est requis.

29 Par classique, nous entendons une phases stationnaire de technologie récente, c'est-à-dire constituée d’une silice ultra pure sphérique et à faible teneur en impuretés métalliques, greffée C18 mais sans groupement polaire intercalé.

Méthanol et acétonitrile : deux modificateurs non interchangeables

IV.B.3 Résultats et discussion

Nous avons étudié la relation liant la rétention de chacun des solutés à f pour trois niveaux de ϕ_MeOH fixés. On observe effectivement une relation linéaire de type logk a f b= × + au voisinage des trois niveaux considérés. De fait, cette relation peut aussi s’écrire

ϕ ϕ

= × +

log _MeCN

MeOH

k a b où

ϕ_MeOH

a représente la pente affranchie du niveau de méthanol. Les résultats correspondants, consignés dans le Tableau IV-1, confirment la validité de l’approximation de Snyder pour des intervalles réduits de fraction de solvant (à ϕ_MeOH fixé, f varie comme ϕ_MeCN).

Tableau IV-1 : Valeurs des pentes a et a/ϕ_MeOH, et de l’ordonnée à l’origine log keau pour chacun des composés à niveaux ϕ_MeOH fixés.

ϕ_MeOH Soluté a a/ϕ_MeOH Log k_eau o-Terphényle -2,388 -3,185 2,945 Triphénylène -2,200 -2,933 2,862 Pentylbenzène -2,231 -2,974 2,923 0,75

Butylbenzène -2,083 -2,778 2,624 Ethylbenzène -1,779 -3,097 2,601 Toluène -1,548 -3,557 2,192 0,5

Phénol -1,304 -2,608 1,503

0,3 Phénol -0,971 -3,235 1,233

La pente a semble varier notablement en fonction du niveau de ϕ_MeOH, que ce soit pour le même composé ou pour des composés d’une même famille. Même en tenant compte du niveau de ϕ_MeOH, la pente vaut -2,608 et -3,235 pour le phénol à des niveaux de ϕ_MeOH respectifs de 0,5 et 0,3. D’autre part, concernant toujours le phénol, l’ordonnée à l’origine diffère aussi suivant ϕ_MeOH. Or dans le cadre de cette approximation linéaire, cette valeur correspond à log k_eau. Cette propriété étant uniquement relative au soluté, il faut en déduire la non validité de l’approximation dès que la variation de ϕ_MeOH excède 10%, confirmant ainsi les travaux de Schoenmakers. La répétition de l’injection du mélange éthylbenzène, toluène et phénol pour ϕ_MeOH=0,5 à des rapports f de 0,75 et 0, 76 permet d’évaluer statistiquement l’impact des facteurs solutés et f sur la rétention via une analyse de la variance, connue sous l’acronyme ANOVA. Cette approche constitue un outil parfaitement adapté pour évaluer les effets de facteurs contrôlés et des interactions éventuelles [309]. S’ils s’avèrent statistiquement significatifs, il est alors possible d’estimer quantitativement leurs contributions à la dispersion de l’ensemble. Dans le cadre de cette étude, nous avons effectué une ANOVA à 2 facteurs contrôlés en plan factoriel.

L’analyse de la variance confirme la significativité de chacun des facteurs étudiés ainsi que celle de l’interaction f* solutés, cette dernière invalidant l’hypothèse de pente invariante du soluté proposée par Snyder.

Concernant les valeurs du rapport isoéluant, répertoriées dans le Tableau IV-2, elles varient de façon manifeste avec le niveau de solvant.

Tableau IV-2 : Valeurs du rapport isoéluant f en fonction de la fraction massique en méthanol ϕMeOH.

ϕ_MeOH f ϕ_MeOH f

o-Terphényle 0,75 0,850 Phénol 0,5 0,770

Triphénylène 0,75 0,805 Phénol 0,35 0,710

Butylbenzène 0,75 0,870 Phénol 0,3 0,690

Pentylbenzène 0,75 0,870 Phénol 0,25 0,675

Toluène 0,5 0,750 Phénol 0,2 0,660

Ethylbenzène 0,5 0,750

Si f peut être considéré comme constant à ϕ_MeOH fixé pour une famille de composés homologues, il varie en fonction de la teneur en solvant, comme l’illustre l’exemple des

alkylbenzènes. Le rapport f dépend aussi de la nature du soluté, comme le montrent les cas de l’o- terphényle et surtout du triphénylène (0,85 et 0,805 contre 0,87 pour les alkylbenzènes). A cela une raison essentielle : la solubilité de ces composés diffère de celle des alkylbenzènes entre le méthanol et l’acétonitrile.

Reste désormais à effectuer le raccordement entre les composés neutres élués à haute teneur en solvant et le phénol élué à plus faible teneur. On observe à ϕ_MeOH=0,5 un décalage pour f de 0,02 entre le phénol et les alkylbenzènes. Du fait de sa capacité à interagir par liaisons H avec le méthanol, interactions qui ne peuvent se produire avec l’acétonitrile, la sonde polaire sous- estime très certainement le pouvoir éluant de l’acétonitrile. Dès lors, les valeurs relatives au phénol doivent subir une correction δ=-0,02, que l’on postulera constante sur le domaine d’étude.

Ceci nous mène au graphique de la Figure IV-1, permettant de déterminer le rapport isoéluant entre méthanol et acétonitrile en fonction de la teneur initiale en méthanol.

0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9

0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.75 0.85

ϕ_MeOH f

Figure IV-1 : Détermination du rapport isoéluant f entre l’acétonitrile et le méthanol.

En première approximation, une relation linéaire, tracée en pointillés, sur la Figure IV-1, pourrait s’avérer satisfaisante : f =0, 4219ϕ_MeOH+0,5472 (R² = 0,994). Néanmoins, l’écart alors constaté pour ϕ_MeOH=0,5 s’élève à 0,01, entraînant sur les facteurs de rétention une erreur non négligeable de 0,5. Notre choix s’est donc porté sur une relation quadratique qui présente une meilleure adéquation, avec un terme quadratique statistiquement significatif (α=0,05) :

ϕ ϕ

=0, 215 _MeOH² +0, 2157 _MeOH +0,5875

f (R² = 0,9999). Cette dernière s’avère suffisamment précise et sera retenue pour la suite.

Au final, la force éluante de l’acétonitrile vis-à-vis du méthanol diminue au fur et à mesure qu’augmente la teneur en modificateur organique sur le domaine étudié. Ce phénomène s’avère complexe à interpréter. D’un point de vue physico-chimique, les mélanges hydro-organiques à base d’acétonitrile ou de méthanol ne sont pas binaires mais au moins ternaires : il existe en effet une phase constituée de complexes Modificateur Organique-Eau [310-315]. Du fait de sa capacité à interagir par liaisons hydrogène avec l’eau, le méthanol voit la structure de ses clusters constitués avec l’eau varier en fonction de sa concentration, suivant des proportions de 1 pour 5 molécules d’eau à basse concentration en méthanol contre une stoechiométrie de parité à haute teneur en modificateur organique [313]. Ainsi, la concentration en complexes évolue plus

Méthanol et acétonitrile : deux modificateurs non interchangeables graduellement avec l’addition de méthanol qu’avec l’acétonitrile : les concentrations maximales en complexes s’obtiennent à 70% en volume de méthanol contre 40-50% en acétonitrile [315] (cf.

Annexe 2). Partant du principe que le modificateur organique pur possède une affinité supérieure pour la phase stationnaire et ne contribue donc pas majoritairement à la rétention des solutés sur ce domaine de variations, l’évolution de la force éluante est alors directement reliée à celle de la concentration des complexes. Puisque sur la gamme de variations étudiée, la concentration des complexes en méthanol s’accroît tandis que celle de ceux en acétonitrile stagne puis diminue, l’origine du phénomène s’en trouve élucidée, à la fois au niveau de la monotonie du comportement (rapport f globalement croissant) et permet d’expliquer l’origine du second degré.