Cromatografia Por Troca iônica

Introdução

As primeiras observações registradas na literatura, referentes à troca iônica foram feitas por Way e Thompson em 1850. Esses químicos, especializados em solos, descobriram, nas décadas daquele século, a capacidade do solo em remover íons amônia e de potássio de soluções que os atravessavam. A partir dessas observações, várias tentativas foram realizadas no sentido de produzir trocadores inorgânicos apropriados. As principais dificuldades encontradas eram principalmente quanto ao acesso da substância a ser trocada no material utilizado como suporte, refletindo em uma baixa capacidade de troca e dificuldades na regeneração deste, para ser novamente utilizado. Os trabalhos de Gans evidenciaram essas tentativas. Utilizando proporções 1:10:10 de Al2O3, SiO2 e Na2O, respectivamente, ele obteve um produto que não se dissocia na água e era resistente à desintegração. Apesar das dificuldades encontradas, a recompensa desses esforços foi obtida com a utilização do processo de troca iônica para suavizar a dureza da água, denominação dada à água que é rica em cátions Ca2+, Mg2+ e Pb2+, tendo, no entanto baixa capacidade de troca.

Em 1917, a literatura registra uma das primeiras tentativas do emprego da troca iônica para resolver problemas analíticos de investigação bioquímica, descrevendo a utilização desse método para a determinação do teor de amônio na urina, em trabalho desenvolvido por Folin e Bell.

Por volta de 1935, começaram a ser produzidas resinas de troca iônica orgânicas muito mais eficientes, passando a constituir um meio químico de extraordinário valor em processos analíticos.

Os trabalhos desenvolvidos pelos pesquisadores do Projeto Plutônio da Comissão de Energia Atômica, nos Estados Unidos, promoveram grandes avanços na separação de ânions e cátions por troca iônica, que despertaram a atenção de pesquisadores de outras áreas para esse processo cromatográfico.

Os trabalhos pioneiros de Moore e Stein, na separação de aminoácidos, de Dowmont e Fruton, na separação de ácidos nucleicos e derivados, mostraram o valor do método no campo bioquímico, tendo dado início às pesquisas nessa área.

O mecanismo de cromatografia por troca iônica

Na cromatografia por troca iônica, a fase estacionária é altamente carregada, e solutos com cargas de sinais contrários a esta são seletivamente adsorvidos da fase móvel. Os solutos podem ser subsequentemente eluídos, por deslocamentos com outros íons, com o mesmo tipo de carga, porém com maior força de interação com a fase estacionária.

Os diferentes graus de afinidade eletrostática entre o trocador e os íons da fase móvel regem esse tipo de cromatografia. A separação de materiais por cromatografia por troca iônica está baseada na adsorção reversível e diferencial dos íons da fase móvel pelo grupo trocador da matriz. A diferença de afinidade entre os íons da fase móvel e a matriz é devido a diferença de carga, sendo possível controla-la utilizando fatores como o pH e a força iônica.

O mecanismo da ação de um trocador iônico se dá por meio das atrações eletrostáticas. Por exemplo, um trocador catiônico, está em equilíbrio com o eluente inicial contendo íon X+. B+ e C++ são materiais a serem separados. Quando determinadas quantidades de tais amostras são colocadas em contato com o trocador, ocorre a adsorção, liberando quantidade equivalente de íons X+, anteriormente ligados à matriz. Após a adsorção, é aplicado, é aplicado um eluente que contém íons Z+ com uma afinidade pouco maior pelos grupos trocadores da matriz. Esses íons vão provocar a liberação da substância B+, ligada mais fracamente à matriz que a substância C++. Passando a seguir o segundo eluente, contendo os íons W+ com maior afinidade ainda pela matriz, haverá a liberação do material C++ e, assim, a separação dos materiais B+ e C++. O efeito dos íons de maior afinidade relativa a X+, isto é, Z+ e W+, também pode ser conseguido por concentrações crescentes do X+, alterando o equilíbrio entre a fase móvel e a fase estacionária.

Para que a coluna possa ser novamente utilizada, ela precisa ser regenerada, isto é, equilibrada com o eluente inicial. Nesse caso, os íons do eluente têm maior afinidade pelo grupo trocador da matriz, mas a condição de equilíbrio é alcançada fazendo-se passar pela coluna um volume do eluente igual a 5-10 vezes a sua capacidade. Desse modo, é possível ocorrer a troca de íons, eliminando aqueles contidos nos eluentes anteriormente utilizados. Sendo assim, o grau de afinidade é superado pela maior concentração de íons.

A matriz

A matriz de um trocador é constituída de um material poroso, natural ou sintético, inerte, insolúvel em água e em solventes orgânicos, apresentando ligações covalentes a grupo trocadores iônicos. As matrizes, quanto ao material que as formam, são classificadas em inorgânicas e orgânicas, sendo naturais ou sintéticas. Por serem, em geral, mais eficientes, são amplamente utilizadas como matriz resinas orgânicas altamente polarizadas, com ligações cruzadas.

Dependendo do grupo trocador ligado covalentemente à matriz, os trocadores iônicos são classificados em aniônicos e catiônicos. Esses trocadores iônicos são sempre acompanhados por contra íons, de carga oposta ao grupo ligado ao suporte e de fácil substituição no processo de troca iônica.

Os trocadores aniônicos, como o próprio nome indica, trocam ânions e apresentam, portanto, grupos iônicos positivos ligados à matriz. Os trocadores catiônicos, inversamente, trocam cátions e apresentam grupos iônicos negativos ligados à matriz.

Os tipos de grupos ligados à matriz classificam os trocadores iônicos em fortes, médios e fracos. Os trocadores iônicos fortes são aqueles completamente ionizados em grande faixa de pH. Os trocadores iônicos médios e fracos são aqueles em que o grau de dissociação é influenciado pelo pH e, devido a esse fato. A capacidade desses trocadores varia em função do pH.

Propriedades de trocadores iônicos

Capacidade- A capacidade de um trocador é uma medida da quantidade de troca de íons que pode ocorrer entre a matriz e os íons presentes na fase móvel. A capacidade total é a quantidade de grupos carregados, ou potencialmente carregados, que podem ser trocados por grama de massa seca do trocador, e é expressa em meq g-1 ou meq mL-1 de suspensão da resina sendo determinada por titulação. A capacidade disponível é a capacidade real do trocador sob determinadas condições, tais como força iônica,