Chromatographie sur couche mince

Qu'est-ce que la chromatographie sur couche mince ?

Lachromatographie en général est une méthode que nous utilisons pour séparer les différents composants d'un mélange. Elle a près de 120 ans. Le fonctionnement de la chromatographie dépend des caractéristiques des différents composants et de leur affinité avec les différents milieux. Il existe plusieurs types de chromatographie, comme la chromatographie en phase gazeuse, la chromatographie de partage, la chromatographie sur colonne, la chromatographie sur couche mince et bien d'autres encore.

Dans cet article, nous nous concentrerons sur la chromatographie sur couche mince. La chromatographie sur couche mince (que nous appelons aussi communément CCM ) est utilisée pour séparer les mélanges non volatils, à l'aide d'une plaque CCM contenant un matériau adsorbant. La CCM fonctionne selon le principe suivant : un composé inconnu est distribué à partir de la phase solide, appelée phase stationnaire, qui est fixée sur une fine plaque de plastique ou de verre. Celle-ci est immergée dans un liquide, la phase mobile, qui se déplace sur la plaque mince. Cette phase mobile est le solvant d'élution qui se déplace vers le haut de la plaque CCM. Nous pouvons la mesurer pour analyser et déterminer un composé inconnu. La phase mobile peut être un solvant polaire ou non polaire, et elle est choisie en fonction du composé inconnu que nous essayons d'identifier.

Principes de la chromatographie sur couche mince

Tous les types de chromatographie suivent les mêmes principes de base.

1. Nous utilisons un solvant, appelé phase mobile, pour dissoudre un échantillon d'un mélange soluble. Le solvant entraîne le mélange vers le haut d'un support statique appelé phase stationnaire.
2. Certains composants du mélange sont entraînés vers le haut du solide par le solvant plus rapidement que d'autres. On dit que les composants qui voyagent plus vite ont une plus grande affinité avec la phase mobile. Celle-ci sépare le mélange en ses composants et produit un chromatogramme.
3. Nous utilisons ensuite les distances parcourues par les composants pour calculer les valeurs Rf. Celles-ci nous aident à identifier le composant.

Voyons maintenant comment ces principes de base s'appliquent à la chromatographie sur couche mince.

Phase stationnaire

Dans la chromatographie sur couche mince, la phase stationnaire est - comme son nom l'indique - une couche de gel de silice ou d'alumine sur une fine plaque de plastique ou de métal. Nous verrons dans un instant pourquoi le gel de silice est utilisé.

Phase mobile

En CCM, la plaque en plastique ou en métal est ensuite placée verticalement dans le solvant, appelé phase mobile.

En ce qui concerne la phase mobile, il existe de nombreuses possibilités - tu peux utiliser des alcools, des alcènes ou même simplement de l'eau distillée ! Tout dépend de la façon dont le solvant dissout ton mélange. Mais en CCM, nous ajoutons souvent une substance supplémentaire qui devient fluorescente à la lumière UV. Cela s'avère utile pour visualiser le résultat final de la pratique, connu sous le nom de chromatogramme.

Facteurs de rétention

Nous pouvons utiliser le chromatogramme produit en CCM pour calculer les valeurs Rf. Celles-ci sont basées sur le rapport entre la distance parcourue par chaque composant du mélange et la distance totale parcourue par le solvant. Pour les calculer, tu divises la distance parcourue par le composant par la distance parcourue par le solvant.

Les valeurs Rf sont importantes parce que chaque composant a une valeur Rf spécifique dans un ensemble spécifique de conditions. Les variables qui influent sur cette valeur sont la température, la phase mobile et la phase stationnaire. Mais si tu reproduisais exactement l'expérience, tu obtiendrais la même valeur Rf pour le même composant. Nous pouvons alors comparer les valeurs Rf à celles d'une base de données pour identifier les composants présents dans le mélange.

Affinité relative

Les composants ayant une plus grande affinité avec la phase mobile se déplaceront plus rapidement vers le haut de la plaque que ceux ayant une plus grande affinité avec la phase stationnaire. Ils sont plus solubles dans le solvant.

Par exemple, un composant ayant une plus grande affinité avec la phase mobile peut parcourir les trois quarts de la plaque en un certain temps, alors qu'un composant ayant une plus grande affinité avec la phase stationnaire peut ne parcourir qu'un tiers de la plaque. Mais qu'est-ce qui détermine leur affinité relative ?

Pour le comprendre, nous devons examiner la structure du gel de silice. Il s'agit d'un type de dioxyde de silicium. Tu peux voir qu'il est constitué d'un réseau d'atomes de silicium et d'oxygène, mais à l'extérieur de la structure se trouve une couche de groupes -OH :

Fig. 1 - Gel de silice. Anna Brewer, StudySmarter Originals

Comme la surface du gel de silice contient des groupes -OH, elle peut former des liaisons hydrogène avec des composés ou des molécules appropriés. Les liaisons hydrogène sont un type de force intermoléculaire (voir Forces intermoléculaires). Ces liaisons maintiennent le composé en place, l'empêchant de se déplacer aussi rapidement vers le haut de la plaque. Nous pouvons donc déduire ce qui suit :

• Les substances qui peuvent former des liaisons hydrogène se lieront plus fortement au gel de silice, et auront donc une plus grande affinité avec la phase stationnaire et une plus faible affinité avec la phase mobile. Elles se déplaceront plus lentement vers le haut de la plaque et donneront des valeurs Rf plus faibles. On dit qu'elles sont davantage adsorbées.
• Les substances qui ne peuvent pas former de liaisons hydrogène, se lient moins fortement au gel de silice. Ilexiste encore d'autres forces intermoléculaires entre elles et le gel de silice, mais elles sont plus faibles que les liaisonshydrogène, et la substance se déplace donc plus rapidement vers le haut de la plaque. La substance a une plus grande affinité avec la phase mobile et une plus faible affinité avec la plaque stationnaire. De telles substances donnent des valeurs Rf plus élevées.

L'alumine fonctionne à peu près de la même manière. Elle contient également des groupes -OH sur sa surface extérieure qui peuvent former des liaisons hydrogène avec des substances appropriées.

Schéma de la chromatographie sur couche mince

Fig. 2 : Chromatographie sur couche mince. Tiré de : Wikimedia Commons.

Alors, à quoi ressemble exactement un chromatogramme sur couche mince ? Si nous regardons l'image de droite, nous pouvons voir ce que l'on appelle une cuve de chromatographie . À l'intérieur de la cuve, nous pouvons voir le solvant, qui est la phase mobile, la plaque CCM, qui est la phase stationnaire, et enfin le front du solvant, qui montre la distance parcourue par la phase mobile.

Maintenant, tu te demandes peut-être ce que sont tous ces points de couleur ? Ces points représentent les différents composants séparés d'un mélange. Au fur et à mesure que le front du solvant se déplace vers le haut, le mélange est séparé et c'est pourquoi ils se trouvent tous à des points différents sur la plaque. Lorsque deux points se trouvent au même niveau, cela signifie que ces deux composants d'un mélange sont identiques.

Méthode de chromatographie sur couche mince

Maintenant que nous savons comment fonctionne la CCM, nous pouvons nous pencher sur la façon de procéder. Nous commencerons par souligner les étapes avant de les expliquer plus en détail.

1. Prends une plaque en plastique ou en métal et étale-y une fine couche de gel de silice ou d'alumine, c'est-à-dire ta phase stationnaire.
2. Trace une fine ligne au crayon sur le fond de la phase stationnaire et place un point de ton mélange soluble au centre de la ligne.
3. Place la plaque verticalement dans un bécher contenant un petit volume de ton solvant, la phase mobile. Veille à ne toucher la plaque que sur les bords et à ce que le niveau du solvant soit en dessous de la ligne de crayon avec la tache de mélange.
4. Tapisse les côtés du bécher avec du papier filtre imbibé de solvant et couvre le bécher avec un couvercle. Laisse maintenant l'installation jusqu'à ce que le solvant ait parcouru presque tout le chemin jusqu'au sommet de la plaque.
5. Une fois que le solvant a presque atteint le haut de la plaque, retire la plaque du bécher et marque la position du front du solvant avec un autre trait de crayon. Ton chromatogramme est maintenant prêt à être visualisé et analysé.

Voici un montage typique pour la chromatographie sur couche mince :

Analyse des chromatogrammes

À la fin de ton expérience, la configuration devrait ressembler à ceci :

Fig. 4. Les résultats finaux de la CCM.

Tu peux voir que le soluté original s'est divisé en une ligne verticale de taches, chacune directement au-dessus de la tache de départ de ton soluté. Chaque point se trouve à une distance différente de la ligne de base du crayon. Chaque point représente un composant différent du soluté.

Cependant, ton chromatogramme peut sembler un peu différent. Tout au début de l'article, nous avons parlé de la façon dont la chromatographie peut être utilisée pour analyser des composants incolores. Mais comment pouvons-nous les voir s'ils sont, en fait, incolores ? C'est là qu'intervient la substance qui devient fluorescente sous l'effet de la lumière UV. Si nous prenons notre chromatogramme et que nous l'exposons à la lumière UV, la partie du chromatogramme traversée par le solvant s'illuminera. En revanche, les taches des composants qui ont remonté la plaque ne brillent pas et apparaissent donc sous forme de taches sombres. Tu peux les entourer au crayon et passer à l'analyse du chromatogramme comme d'habitude.

Une autre solution consiste à vaporiser la plaque avec un produit qui produira un composé coloré. Si, par exemple, tu sais que ton mélange contient des acides aminés, tu peux vaporiser le chromatogramme fini et séché avec de la ninhydrine. Celle-ci réagit avec les acides aminés pour former des composés de couleur violette ou brune.

Calcul des valeurs Rf

Maintenant que nous avons un chromatogramme et que nous pouvons voir les taches des composants sur la plaque, nous pouvons calculer une valeur Rf pour chaque tache. N'oublie pas que chaque tache représente un composant différent présent dans ton mélange de départ.

1. Mesure la distance parcourue par le solvant, de la ligne de base inférieure jusqu'à la ligne supérieure que tu as marquée au crayon à la fin de l'expérience.
2. Mesure la distance parcourue par chaque composant à partir du soluté, de la ligne de base inférieure jusqu'au milieu de la tache, soit colorée, soit encerclée au crayon.
3. Divise la distance parcourue par chaque composant par la distance totale parcourue par le solvant. C'est ta valeur Rf.

\[\text{valeur Rf} = \frac{\text{distance parcourue par le soluté}}{\text{distance parcourue par le solvant}}\]

Voici un exemple, en utilisant le chromatogramme produit plus tôt.

Fig. 7. Calcul des valeurs Rf.

Prends la tache rouge dans l'exemple ci-dessus. Calculons sa valeur Rf.

Nous devons diviser sa distance parcourue par la distance parcourue par le solvant. Ces valeurs sont respectivement de 5,8 cm et de 16,8 cm :

\[\frac{5,8}{16,8} = 0,345\]

Nous arrondissons normalement les valeurs de Rf à deux décimales, ce qui nous donne une valeur de 0,35.

Analyse des chromatogrammes

Les chromatogrammes nous montrent deux choses :

1. Le nombre de composants différents dans notre mélange de départ.
2. L'identité de chaque composant de notre mélange de départ.

Nombre de composants différents

Rappelle-toi que chaque tache représente un composant différent trouvé dans le mélange de solutés d'origine. Dans notre exemple ci-dessus, nous avons trois taches différentes sur notre chromatogramme. Nous savons donc que trois substances différentes sont présentes.

Identité de chaque composant

Il existe deux façons d'identifier les substances dans un chromatogramme. Tout d'abord, lorsque tu prépares l'expérience, tu peux aussi placer un petit point d'une substance connue, comme un acide aminé particulier ou une molécule organique, sur la ligne de crayon à côté de ton point de soluté. Cette substance connue sera également entraînée vers le haut de la plaque par le solvant, ce qui produira une tache visible. Si l'une des taches de ton mélange correspond à la tache de la substance connue, tu sais que cette substance est présente dans ton mélange.

Cela te semble un peu confus ? Voici à quoi cela ressemble dans la pratique :

Fig. 8. Utilisation d'une molécule de référence en CCM.

La tache verte à gauche provient d'une substance connue. L'une des taches produites par notre mélange lui correspond exactement. Nous pouvons donc en déduire que le mélange contient cette substance particulière.

Mais il existe une autre façon d'identifier les composants. Nous avons également mentionné précédemment que, si tu gardes les mêmes conditions, un composant particulier produira toujours la même valeur Rf. Disons qu'un composant particulier a une valeur Rf de 0,4. Si nous consultons une base de données, nous devrions pouvoir trouver une substance qui produit également une valeur Rf de 0,4 dans les mêmes conditions - la même phase mobile, la même phase stationnaire et la même température. Ces deux substances sont une seule et même substance.

Avantages de la chromatographie sur couche mince

Lorsque tu entends le mot chromatographie pour la première fois, tu penses peut-être aux expériences réalisées à l'école à l'aide de la chromatographie sur papier. Ces expériences sont relativement rapides, bon marché et faciles à réaliser. Mais la chromatographie sur couche mince présente certains avantages par rapport à la chromatographie sur papier.

• Elle est plus rapide et permet d'analyser de plus petites quantités.
• Elle produit des résultats plus fiables car les taches s'étalent moins.
• Les plaques sont généralement plus solides que le papier utilisé pour la chromatographie sur papier.

Utilisations de la chromatographie sur couche mince

Pour finir, examinons quelques-unes des utilisations de la chromatographie sur couche mince. Au début de cet article, nous avons vu comment nous pouvons utiliser cette technique pour voir si une réaction est allée à son terme. Mais il existe de nombreuses autres applications, notamment :

• Tester la pureté. La chromatographie sur couche mince sépare les mélanges en leurs différents composants et constitue donc un moyen facile de voir si une substance est pure ou s'il s'agit d'un mélange de différents composants.
• Identification de composés, par exemple d'huiles essentielles ou de molécules organiques.
• Analyse biochimique du plasma sanguin, du sérum et de l'urine.