Phase mobile

2.1.Introduction

Le CO2 constituant principal de la phase mobile est stocké soit dans un cylindre soit dans un rack de cylindres pour les systèmes analytiques ou les petits systèmes préparatifs ou dans des réservoirs de plusieurs m3 pour les gros systèmes préparatifs. A titre d’exemple, pour un débit de 50 mL/min un cylindre de type B50 ne permettra l’alimentation pendant seulement 15 heures sauf si le système de CPS est équipé d’un module de recyclage du CO2. Le système CPS peut, selon les modèles être alimenté en CO2 liquide et dans ce cas le cylindre sera équipé d’un tube plongeur ou en CO2 gaz. Si le système est alimenté en CO2 gaz celui-ci devra être refroidi et amené à une pression supérieure à 5,5 MPa afin d’être liquéfié. Cependant du fait de la faible polarité du CO2 qui est comparable à celle de l’hexane, il est souvent nécessaire d’ajouter un co-solvant dans la phase mobile afin d’augmenter la force éluante.

2.2.Co-solvant

2.2.1. Nature du co-solvant

La plupart du temps, un solvant organique, tel qu’un alcool à bas point d’ébullition est utilisé en tant que co-solvant. En CPS chirale, en augmentant le pourcentage de co-solvant (le constituant le plus

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polaire de la phase mobile) les temps de rétention diminuent. Par exemple le facteur de rétention de la 1-(1-naphtyl) éthylamine est 29,5 avec 7,5% d’éthanol dans la phase mobile et 2,03 avec 30% (figure-I.40).

Figure-I 40: Analyse 1-(1-naphtyl) éthylamine Chiralpak IA 100x4,6mm 3µm Phase mobile : CO2/ EtOH A : 7,5% EtOH, B : 10% EtOH, C : 15% EtOH, D : 30% EtOH

La proportion du co-solvant peut parfois monter jusqu’à 70% pour certaines applications. On peut donc estimer que bien souvent la phase mobile est à l’état subcritique sans changement radical des propriétés physiques du fluide (viscosité, densité et diffusivité). Selon T. Berger [175] dans des conditions standards d’utilisation au-delà de 16% de co-solvant à 50°C, le CO2 est à l’état subcritique. En fait, le terme chromatographie en phase supercritique est utilisé plus pour décrire une technique que pour définir l’état du fluide.

En plus d’une modification des temps de rétention, D. Asberg [176] a démontré que le pourcentage de co-solvant pouvait également avoir un impact sur la sélectivité et que cette modification était dépendante du composé à analyser.

De plus, contrairement à la CPS achirale, pour laquelle la modification de la nature du co-solvant impacte généralement peu la sélectivité, en CPS chirale sur phase stationnaire énantiosélective à base de polysaccharides, substituer un co-solvant par un autre peut changer de manière importante l’énantiosélectivité [165,177]. L’exemple figure-I.41 montre l’analyse d’un mélange d’énantiomères sur la

k1= 16,48 k2= 29,48 α= 1,79

k1= 10,80 k2= 16,48 α= 1,53

k1= 4,68 k2= 7,06 α= 1,51

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colonne Chiralpak IC avec une bonne résolution lors de l’utilisation de l’isopropanol en tant que co-solvant, simplement un retour à la ligne de base entre les 2 pics avec l’éthanol et aucune séparation n’est observée avec le méthanol.

Figure-I 41: Analyse d’un composé de recherche Janssen. Colonne: Chiralpak IC 100x4,6mm 3µm débit: 3,5 mL/min Phase mobile : CO2/Alcool de 95/5 à 35/65 A: Isopropanol B: Ethanol C: Méthanol

La même observation fut faite par C. White [178] montrant qu’il était important d’utiliser le méthanol, l’éthanol et l’isopropanol lors d’un criblage (screening) des conditions analytiques pour optimiser un développement de méthode de séparation d’énantiomères. Un changement de co-solvant peut modifier l’énantiosélectivité jusqu’à provoquer un changement de l’ordre d’élution des énantiomères comme présenté figure-I.42 et observé par O. Gyllenhaal [179].

Les alcools peuvent également être utilisés en mélange afin d’améliorer l’énantiosélectivité. Ainsi sur l’exemple présenté en figure-I.43, la séparation est meilleure en utilisant un mélange 50/50 v/v de méthanol et d’isopropanol par rapport à celle obtenue avec chacun des alcools utilisé seul.

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Figure-I 42: Analyse d'un composé issu de la recherche Janssen. Colonne : Chiralpak AD-3 100x4,6mm. Phase mobile : A : CO2/iPrOH 75/25 B: CO2/EtOH 75/25. Haut : analyse de l'énantiomère R. bas : analyse du mélange racémique

Il est important de noter qu’il est possible d’utiliser des phases mobiles composés de CO2/méthanol car ces 2 solvants sont miscibles, alors qu’il n’est pas possible de le faire avec l’hexane (ou l’heptane) et le méthanol en CLHP chirale. L’utilisation de l’acétonitrile en tant que co-solvant donne souvent des résultats décevant mais peut-être tout de même une solution dans un deuxième temps, notamment lorsque les temps de rétention avec les alcools sont très faibles.

Figure-I 43: analyse d'un composé issu de la recherche Janssen. Colonne: Chiralpak AD-H 150x4,6mm phase mobile A: CO2/Methanol/isopropanol, B: CO2/Méthanol, C: CO2/isopropanol

Pour des raisons pratiques, seuls des mélanges de co-solvant 50/50 sont utilisés mais nous avons démontré que le ratio donnant la meilleure sélectivité pouvait être variable [180]. Il est important de noter qu’il est possible d’utiliser des mélanges CO2/méthanol car ces 2 solvants sont miscibles, alors qu’il n’est pas possible de le faire avec l’hexane (ou l’heptane) et le méthanol en CLHP chirale. L’utilisation de l’acétonitrile en tant que co-solvant donne souvent des résultats décevant mais peut-être tout de même une solution dans un deuxième temps, notamment lorsque les temps de rétention avec les alcools sont très faibles. L’eau qui est un solvant très polaire peut également être utilisée en CPS. En revanche, l’eau ne peut être utilisée qu’en très faible proportion et diluée dans un autre co-solvant car elle n’est pas miscible

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avec le CO2. Il y a différentes applications de l’eau en CPS achirale, notamment pour l’élution de composés très polaires et hydrophiles tels que les acides aminés [181], des nucléobases [182] ou les peptides [183]. En revanche, il n’y a que très peu d’applications de l’eau en CPS chirale. En CLHP chirale, l’eau est très souvent ajoutée dans la phase mobile notamment avec les phases à base de polysaccharides qui peuvent être utilisées en mode phase inverse. L. Hintermann [184] avait également remarqué que l’eau à l’état de traces pouvait influencer la séparation en chromatographie chirale en mode phase normale. En effet l’ajout de 0,05% d’eau dans la phase mobile a permis la séparation d’énantiomères de dérivés de flavones sur Chiralcel OD qui n’était pas séparés avec des solvants anhydres. Il parvint à inverser l’ordre d’élution des énantiomères du phospholane sur la colonne Chiralcel OJ simplement en ajoutant de l’eau au mélange heptane/isopropanol. En CPS, il n’y a, à ma connaissance, qu’une application publiée sur l’utilisation de l’eau en CPS sur colonne énantiosélective [185]. J. Liu ajouta 10% d’eau au méthanol pour séparer des épimères de la narangin sur Chiralpak IC à la fois à l’échelle analytique et préparative. Le but dans ce cas fut d’améliorer la solubilité du composé à séparer.

En remplaçant une partie du CO2 par de l’hexane (ou heptane) dont les polarités sont similaires, on observe généralement une augmentation des temps de rétention. Au niveau de la séparation, l’effet est variable, avec pour certains composés, une amélioration de l’énantiosélectivité et pour d’autres une dégradation. Pour T. Wang [186]et R.M. Weslow [187], la différence de sélectivité en changeant de co-solvant est la conséquence d’une modification de l’environnement de la cavité chirale de la phase stationnaire chirale par les différents modificateurs polaires de la phase mobile. Il a été ainsi démontré qu’en CPS chirale, la nature du co-solvant est aussi importante que le choix de la phase stationnaire chirale [177] [165]. C’est pourquoi il est essentiel de réaliser des screenings avec différentes phases stationnaires et différents co-solvants afin de trouver le meilleur couple phase stationnaire/phase mobile.

Pour les phases à base de polysaccharides immobilisés et pour les phases de type « Pirkle », le choix de solvant est plus large puisqu’il n’y a aucune restriction liée à la stabilité de la phase stationnaire. Des solvants tels que le dioxane, le dichlorométhane, le tétrahydrofurane, l’acétate d’éthyle, l’éther éthylique ou l’éther ethyl tert-butylique peuvent être utilisés conduisant parfois à des sélectivités différentes [143,188,189]. Cependant ces solvants ne sont généralement pas assez polaires pour pouvoir éluer tous les composés et doivent souvent être associés à un alcool.

2.2.2. Choix du co-solvant en chromatographie préparative.

En chromatographie préparative en plus de la sélectivité qui est bien sûr le point clé, différents critères doivent également être pris en compte dans le choix du co-solvant et notamment la solubilité de l’échantillon dans le co-solvant. En effet en chromatographie préparative, l’injection de grandes quantités

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de soluté est nécessaire afin d’avoir une bonne productivité, ce qui requiert une bonne solubilité. Il est évident que la dissolution de l’échantillon dans la phase mobile n’est pas facile en CPS due à la présence du CO2. De manière générale, le co-solvant est utilisé pour dissoudre l’échantillon, même si ce n’est pas toujours celui permettant de moins impacter la forme des pics [190]. Il est important de noter qu’une bonne solubilité dans le co-solvant ne signifie pas obligatoirement une bonne solubilité dans la phase mobile. Et comme on peut l’imaginer facilement, il n’est pas aussi aisé qu’en CLHP de mesurer la solubilité en CPS. Gahm et al. [191] ont développé une méthode en utilisant une colonne remplie pour évaluer la solubilité dans différents co-solvants ; étonnamment, ils ont noté que la solubilité était parfois meilleure dans un mélange CO2 / co-solvant que dans le co-solvant seul. L’opposé est également vrai pour d’autres composés. Une faible solubilité dans le co-solvant ou dans la phase mobile a donc un impact direct sur la productivité. Mais en plus d’une faible productivité, on peut observer la cristallisation du composé dans le système ou dans la colonne obligeant à stopper la production.

L’avènement des phases immobilisées a été bénéfique pour la chromatographie en phase supercritique préparative. En effet même si certains travaux montrent que les solvants chlorés peuvent être utilisés pour dissoudre les échantillons [192,193] voire être utilisés comme co-solvant (associés à des alcools) [194,195] sur des phases stationnaires à base de polysaccharides déposés sur silice, l’introduction des phases immobilisées a permis d’élargir la gamme de solvants utilisables que ce soit en tant que phase mobile ou simplement pour dissoudre l’échantillon.

En utilisant des phases stationnaires dites immobilisées, des solvants tels que le dichlorométhane ou le THF peuvent être utilisés en tant que co-solvant. Da Silva et al. [196] ont montré que les solvants non conventionnels pouvaient être mélangés aux alcools pour améliorer la forme de pics et ainsi la résolution. De cette manière, même si la sélectivité est moins bonne, les solvants non conventionnels peuvent donner une meilleure solubilité conduisant à une meilleure productivité [197]. Ainsi, L. Miller montra que la productivité d’une séparation chirale pouvait être améliorée en utilisant du dichlorométhane dans la phase mobile. En effet, pour la séparation d’un composé issue de la recherche de son laboratoire, l’énantiosélectivité était de 2,33 sur la colonne Chiralpak AD avec du méthanol en tant que co-solvant. Le transfert à l’échelle préparative fut un échec en raison de la très faible solubilité du soluté dans le méthanol, menant à une déformation de la forme des pics et à une mauvaise séparation. Avec un mélange méthanol/dichlorométhane 1/1 avec la colonne Chiralpak IA (même sélecteur chiral que la colonne Chiralpak AD mais immobilisé sur silice), la productivité fut multipliée par 5 et la consommation de solvant divisée par 8 en dépit d’une plus faible sélectivité (α=1,59) [198].

Une autre solution est de garder un solvant standard tel que le méthanol, l’éthanol ou l’isopropanol en tant que co-solvant afin de conserver une bonne sélectivité mais d’utiliser le dichlorométhane ou un

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mélange dichlorométhane/alcool simplement pour dissoudre l’échantillon. Cette stratégie permet d’avoir à la fois une bonne énantiosélectivité et une bonne productivité.

L’addition d’un additif dans le co-solvant peut parfois également améliorer la solubilité. En effet le fait d’ajouter un acide dans le solvant lors de la purification d’une base ou inversement l’ajout d’une base lors de la purification d’un acide permet de former une paire d’ions et ainsi améliorer la solubilité.

Comme expliqué au début de ce paragraphe, le choix d’un co-solvant en chromatographie préparative n’est pas dicté uniquement par la sélectivité, mais d’autres critères doivent être pris en compte comme la solubilité mais aussi la stabilité du soluté dans les conditions chromatographiques. Ainsi le choix du co-solvant peut être dicté par la nécessité d’éviter l’estérification, la transestérification, la dégradation voire la racémisation du soluté. Il est, par exemple, préférable de séparer un acide carboxylique en utilisant l’isopropanol en tant que co-solvant plutôt que le méthanol. Byrne et al. [199] ont étudié l’utilisation du 2,2,2 trifluoroéthanol en tant que co-solvant en lieu et place de l’éthanol pour la séparation de composés sensibles aux alcools. En effet les atomes de fluor ont pour effet de diminuer le caractère nucléophile de l’oxygène de la fonction hydroxyle.

2.1.L’additif

2.1.1. Généralités

D’après A. Grand-Guillaume Perrenoud, parmi les 80 000 produits pharmaceutiques recensés dans le world drug index, 75% sont des composés basiques [200]. C’est pourquoi le développement de méthodes analytiques par chromatographie pour ce type de produits est primordial. Il n’en demeure pas moins que l’analyse d’amines par chromatographie en phase gazeuse ou en chromatographie en phase liquide a toujours été délicate du fait de la polarité et de la basicité de ce type de composés. Leur élution peut conduire à des pics larges et asymétriques. En chromatographie liquide chirale sur phase stationnaire à base de polysaccharides, l’utilisation d’un additif dans la phase mobile est la solution couramment utilisée pour obtenir des pics fins et symétriques et avoir une bonne énantiosélectivité [201-204]. Le constat est le même pour la chromatographie en phase supercritique. Comme présenté dans le chapitre précédent la phase mobile est composée de CO2 et d’un co-solvant qui est souvent un alcool qui sert à augmenter la force éluante [205,206]. Cependant ce modificateur polaire ne suffit généralement pas à l’élution des composés basiques ou à l’obtention de pics fins et symétriques. Lorsque la CPS était utilisée avec une phase mobile composée à 100% de CO2, la possibilité d’analyser des amines avec cette technique était controversée. Certains auteurs affirmaient que les amines ne pouvaient être éluées en CPS du fait de leur réactivité avec le CO2 qui conduisait à des composés insolubles alors que dans le même temps d’autres comme M. Ashraf-Khorassani réussissaient à analyser des amines en CPS sur des phases aminopropyle. Mais il est important de noter que les amines analysées par M. Ashraf-Khorassani [207] étaient des dérivés d’aniline avec des

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pKa relativement faibles. Dans le même temps Dandge [208] reporta qu’il y avait une relation entre la basicité des amines et leur réactivité avec le CO2, estimant que les amines ayant un pKa de l’acide conjugué supérieur 5 réagissaient avec le CO2 et ne pouvaient donc pas être analysées par CPS. Ce résultat pouvait expliquer la différence de conclusion vis-à-vis de l’analyse d’amines en CPS. Ensuite l’addition d’un co-solvant polaire dans la phase mobile permit d’élargir la gamme de produits analysables en CPS mais avec toujours des difficultés pour les composés plus basiques.

Par analogie avec l’analyse de composés basiques en CLHP [201,202], des analyses d’amines furent réalisées en ajoutant dans le modificateur polaire, une base relativement forte (triéthylamine, méthylamine,…) [209-212]. Cet ajout eût pour effet d’améliorer significativement la forme des pics (moins de trainées et pics plus fins). L’introduction de composés basiques fut également étendue à la séparation de mélanges racémiques par P. Sandra [213] et par P. Biermanns [214] pour la séparation de β-bloquants sur

colonnes à base de polysaccharides.

L’ajout en petite quantité de l’ordre de 0,1% à 1% de ce troisième constituant appelé additif, est très largement répandu pour l’élution des composés basiques en CPS et la nature de cet additif peut être très variée.

2.1.2. Effet de l’additif

Avant de se poser la question du rôle de l’additif, il faut tenter de comprendre pourquoi les composés basiques ont une rétention si grande en CPS et pourquoi leur élution génère des pics aussi larges. Comme expliqué au début de ce chapitre, la première hypothèse, qui avait été émise, est liée à la nucléophilie des amines qui peuvent réagir avec le CO2 pour former des acides carbamiques ou des carbamates d’ammonium insolubles dans la phase mobile [208,215]. D’après J. Blackwell [216], la perte d’efficacité des composés basiques en CPS serait liée aux propriétés d’accepteurs de liaisons hydrogènes des silanols de la silice (phase stationnaire) interagissant avec les amines qui sont de très bons donneurs de liaisons hydrogènes. Il y aurait donc des interactions très fortes de types liaisons hydrogène entre les composés basiques et les silanols provoquant de fortes rétentions et des pics larges. A. Grand-Guillaume Perrenoud [200] estime de son côté que l’élargissement de pic est également la conséquence d’interactions ioniques entre les solutés basiques positivement chargés et les silanols résiduels négativement chargés. En effet, il est très largement admis que le CO2 supercritique en présence d’un alcool a un caractère acide du fait de la formation d’acide alkylcarbonique [124,217,218] et que donc dans ces conditions de pH, les amines sont protonées. D’autre part, du fait également de l’acidité de la phase mobile, il pourrait y avoir un équilibre entre la forme protonée et la forme déprotonée de l’amine provoquant des vitesses de migration différentes entre les 2 espèces et induisant ainsi un élargissement de pics [219].

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Mais ce ne sont certainement pas les seuls phénomènes entrant en jeu car dans ce cas, l’ajout d’amines dans la phase mobile provoquerait une déprotonation du soluté avec comme conséquence une diminution systématique des temps de rétention or ce n’est pas toujours le cas. Par exemple, la rétention de l’α−

méthylbenzylamine sur colonne Chiralpak AD est plus forte en ajoutant une amine cyclique dans la phase mobile que par rapport à une phase mobile sans additif [219]. En plus des réactions entre le CO2 et les amines pour former des acides carbamiques ou des carbamates d’ammonium, certains auteurs ont démontré que les amines et le CO2 pouvaient former des complexes et notamment les amino alcools tels que les

β-bloquants qui possèdent une fonction alcool et une fonction amine. Ceux-ci peuvent se lier par liaisons hydrogènes aux 2 oxygènes du CO2. La solvatation des amino alcools par le CO2 fut mise en évidence par analyse RMN [220-223]. Il est difficile de dire si ces complexes facilitent ou empêchent l’élution des composés basiques en CPS en revanche, il semble qu’ils soient responsables de la meilleure énantiosélectivité en CPS par rapport à celle observée en CLHP [224]. En effet, ces complexes confèrent une certaine rigidité à l’amine ce qui améliorerait la reconnaissance chirale. C. West [162,218] a d’ailleurs démontré récemment par une analyse LSER que la rigidité d’une molécule facilitait la reconnaissance chirale.

2.1.3. Paramètres chromatographiques affectées par l’ajout d’un additif a. Temps de rétention

Depuis le début de l’utilisation des additifs en CPS à la fin des années 80, il est reconnu que ceux-ci peuvent permettre l’élution de certains composés ou tout au moins de réduire les temps de rétention (même si ce rôle est plus dévolu à la concentration en co-solvant). Selon Ye et al. [225], l’additif basique diminue la rétention des composés basiques car cet additif est en compétition avec le soluté pour se lier avec les sites d’adsorption que ce soient les silanols ou le sélecteur chiral. Dans une autre étude Ye et al. [219] remarquèrent que l’effet sur la rétention des amines était dépendant de la nature de la base utilisée en tant qu’additif. Il pouvait tout aussi bien y avoir réduction ou augmentation des temps de rétention. Par