A comparative spectroscopic study of U(III)/Am(III) and Ln(III) complexed with N-donor ligands

Selected soft N-donor ligands are highly effective extractants for the separation of trivalent actinides (An(III)) from lanthanides (Ln(III)) in the partitioning and transmutation (P&T) strategy. Comparative structural investigations using X-ray absorption spectroscopy (EXAFS) on An(III) and Ln(III) complexed with tris[(2-pyrazinyl)methyl]amine (TPZA) and 2,6-di(5,6-dipropyl-1,2,4-triazin-3-yl)pyridine (BTP) are performed in order to evaluate if ligand extraction performance is reflected in coordination structure differences, specifically in variations in the metal cation–N bond lengths. We observe U(III) to generally exhibit a decrease in the bond distance over that expected for pure ionic binding for the ligand complexes investigated and interpret this as higher covalent character of the U(III)–N binding. In contrast, no measurable differences for Am(III), Cm(III), and the Ln(III) elements in the middle of the 4f series are observed. Time-resolved laser fluorescence spectroscopy (TRLFS) investigations on solution BTP complexed with Cm(III) and Eu(III) reveal that the selective extraction behavior of this ligand can be explained by the large difference in conditional stability constants of their 1:3 complexes (K13). The K13 value for Cm–BTP3 is a number of orders of magnitude larger than that for Eu–BTP3.

RésuméCertains ligands comportant des atomes d'azote donneurs mous sont des extractants très efficaces pour séparer les actinides trivalents (An(III)) des lanthanides (Ln(III)), dans le cadre de la stratégie séparation/transmutation. Des études structurales comparatives utilisant la spectroscopie d'absorption X (EXAFS) sur des An(III) et des Ln(III) complexés par la tris[(2-pyrazinyl)méthyl]amine (TPZA) et la 2,6-di(5,6-dipropyl-1,2,4-triazine-3-yl)pyridine (BTP) ont été menées afin de déterminer si les performances en extraction liquide/liquide de ces ligands sont corrélées à des différences structurales, en particulier à des variations dans les distances de liaison cation métallique–azote. Nous observons que les complexes d'U(III) étudiés se caractérisent par un raccourcissement général des distances de liaison par rapport à celles attendues pour une liaison purement ionique, pouvant être expliqué par un caractère plus covalent de la liaison U–N. En revanche, aucune différence mesurable n'est observée jusqu'ici entre les An(III) mineurs étudiés et les Ln(III) du milieu de la série des éléments 4f. Des études de spectroscopie de fluorescence laser résolue dans le temps (TRLFS) sur des solutions de Cm(III) et d'Eu(III) complexés par la BTP indiquent que la sélectivité de ce ligand en extraction peut être expliquée par une grande différence dans les constantes de stabilité conditionnelle de leurs complexes 1:3 (K13). La valeur de K13 du complexe Cm(BTP)3 est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle du complexe Eu(BTP)3.