Come si analizzano le sequenze monomeriche e le estremità di catena nei copolimeri mediante la spettroscopia NMR?

L'assegnazione dei picchi individuali nei copolimeri complessi risulta difficoltosa a causa della sovrapposizione di segnali derivanti da sequenze e stereosequenze. L'aumento del numero di componenti monomerici nei copolimeri aggrava ulteriormente la complessità spettrale, generando segnali più larghi e difficili da interpretare. Per affrontare questa complessità, l'applicazione di analisi multivariate come la PCA (analisi delle componenti principali) e la regressione PLS (Partial Least Squares), sviluppate negli anni '70 da Kowalski e Wold, si è dimostrata uno strumento fondamentale per la caratterizzazione strutturale dei polimeri.

La quantificazione delle frazioni diadi (fMM, fMT, fTT) risulta possibile a partire dai rapporti di reattività monomerica, purché i copolimeri siano ottenuti in una fase iniziale della polimerizzazione. Utilizzando la regressione PLS su una serie di addestramento di campioni a bassa conversione, è stato possibile ottenere previsioni accurate delle frazioni diadi anche in campioni sconosciuti, senza necessità di assegnare i singoli segnali nello spettro. Questo approccio consente una previsione quantitativa delle microstrutture dei copolimeri, evidenziando la potenza dell’analisi multivariata nella chimica dei polimeri.

Oltre alle sequenze in catena, l’analisi delle estremità di catena fornisce informazioni cruciali sulla meccanica della polimerizzazione e sulle proprietà termiche del materiale. Gli spettri 1H NMR ad alta risoluzione di PMMA preparato con BPO in toluene mostrano segnali assegnabili ai gruppi terminali e alle unità monomeriche terminali. In particolare, le aree di campo magnetico basso rivelano la presenza del gruppo benzoilossile derivante dall’iniziatore, così come gruppi fenilici e benzilici formatisi da radicali generati tramite decarbossilazione o trasferimento di catena al toluene.

I gruppi metilenici del primo monomero adiacente al frammento benzoilossile manifestano una quartina AB, dovuta all’asimmetria del carbonio adiacente. La splittatura ulteriore dei segnali riflette la tatticità del primo diade, rivelando una distribuzione stereochimica (m/r) sensibilmente diversa da quella osservata nella sequenza interna della catena. La discrepanza tra il rapporto previsto (5.0/2.0) e quello osservato (5.8/2.0) nei segnali benzoilossile/metilene suggerisce modalità alternative di incorporazione del frammento iniziatore, tra cui l’attacco in testa del radicale benzoilossile o la terminazione tramite reazione con radicali primari.

Come si analizzano i polimeri mediante HPLC e quale ruolo gioca la cromatografia a esclusione dimensionale (SEC)?

L’analisi strutturale e molecolare dei polimeri rappresenta una delle sfide più complesse e tecnicamente raffinate della chimica dei materiali. I polimeri, per loro natura, presentano una molteplicità di parametri strutturali: peso molecolare, distribuzione del peso molecolare, tatticità, architettura di catena, microstruttura, composizione chimica e grado di ramificazione. In questo contesto, la cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC) si afferma come uno strumento analitico essenziale, non solo per la sua versatilità ma anche per l’elevata precisione nella separazione e caratterizzazione di materiali ad alta complessità come i polimeri.

La HPLC si basa sulla separazione dei componenti di una miscela tramite l’interazione differenziale tra una fase stazionaria e una fase mobile, generalmente liquida e pressurizzata. Le sostanze vengono distribuite secondo un rapporto specifico lungo la colonna cromatografica in base a fenomeni di adsorbimento, distribuzione, scambio ionico o esclusione dimensionale. A seconda della natura della fase stazionaria e delle condizioni operative, è possibile ottenere separazioni selettive di molecole anche strutturalmente simili.

Attraverso l’iniezione del campione disciolto in solventi adeguati, come il tetraidrofurano, e l’utilizzo di curve di calibrazione costruite su campioni standard (ad esempio polistirene a distribuzione di peso molecolare nota), si possono determinare grandezze medie quali il peso molecolare medio in numero e in peso. Tuttavia, la SEC presenta dei limiti fondamentali. Quando la struttura del polimero si discosta dalla linearità – come nel caso di catene ramificate, cicliche o copolimeri con eterogeneità chimica – la relazione tra dimensione e peso molecolare non è più valida. In tali situazioni, la SEC non riesce a fornire una separazione efficace o interpretabile in termini di peso molecolare.

La TGIC, in particolare, utilizza camere termostatate con controllo programmabile della temperatura, consentendo separazioni altamente riproducibili e selettive. Il comportamento opposto tra SEC e IC può essere modulato variando la polarità della fase mobile o stazionaria, o l’energia di adsorbimento del soluto. Questo significa che con un’accurata scelta delle condizioni cromatografiche è possibile trasformare una separazione in modalità SEC in una in modalità IC e viceversa, anche utilizzando una configurazione HPLC standard.

L’utilizzo della HPLC nella scienza dei polimeri ha avuto una rapida evoluzione fin dagli anni '60, dovuta tanto al progresso della tecnologia delle colonne e dell’hardware, quanto all’esigenza crescente di analizzare sistemi instabili termicamente o non volatili, come quelli frequentemente incontrati nel settore farmaceutico e alimentare. Proprio per questo, la HPLC si è imposta come metodo insostituibile anche in ambito biochimico, dove i campioni non tollerano l’analisi mediante gascromatografia.

Nell’analisi dei polimeri, la SEC resta centrale, ma da sola non è sufficiente per interpretare fenomeni complessi come le variazioni nella tatticità, la composizione sequenziale dei copolimeri o l’architettura delle catene. È quindi fondamentale combinare diverse modalità cromatografiche e arricchire l’analisi con metodi spettroscopici o reologici per ottenere un quadro completo della struttura-morfologia-proprietà del materiale.

Come si determina il peso molecolare e la sua distribuzione attraverso la viscosità e la cromatografia di esclusione dimensionale?

La caratterizzazione del peso molecolare (Mw) e della sua distribuzione in soluzioni polimeriche rappresenta una tappa cruciale per comprendere le proprietà fisico-chimiche di un polimero. Per soluzioni diluite, la viscosità relativa ηr, definita come il rapporto tra il tempo di flusso della soluzione e quello del solvente puro, costituisce una misura essenziale. A partire da ηr, si definisce la viscosità specifica ηsp = ηr − 1, che quantifica l’aumento della viscosità dovuto alla presenza del polimero. La viscosità intrinseca [η] si ricava mediante l’estrapolazione di grandezze come ηsp/c o (ln ηr)/c al limite di concentrazione c che tende a zero, poiché a basse concentrazioni si ottengono le proprietà intrinseche del polimero, indipendenti dagli effetti di interazione tra catene.

Il legame tra viscosità intrinseca e peso molecolare è espresso dall’equazione di Mark-Houwink-Sakurada, [η] = K M^α, che stabilisce come la viscosità intrinseca sia proporzionale a una potenza del peso molecolare. I parametri K e α dipendono dal sistema polimero-solvente e dalla temperatura, e sono ben noti per numerosi sistemi polimerici. Misurando [η] e conoscendo K e α, si può così dedurre il peso molecolare medio viscosimetrico, una media ponderata sensibile alla distribuzione delle dimensioni molecolari.

L’analisi della distribuzione del peso molecolare si effettua attraverso la cromatografia di esclusione dimensionale (SEC), una tecnica che sfrutta la separazione basata sulle dimensioni idrodinamiche delle molecole. Le molecole più grandi, non penetrando nei pori del gel, eluiscono più rapidamente, mentre quelle più piccole vengono trattenute più a lungo. La relazione tra il volume di eluizione e il logaritmo del peso molecolare, definita curva di calibrazione, consente la determinazione delle distribuzioni molecolari a partire da standard noti, tipicamente polistirene.

Tuttavia, l’uso della curva di calibrazione basata su polistirene può introdurre errori quando si analizzano polimeri differenti, poiché la relazione volume di eluizione-peso molecolare dipende dalla forma e dalla conformazione molecolare. Per superare questa limitazione si utilizza la curva di calibrazione universale, che combina la misura della viscosità intrinseca con la massa molecolare per ottenere un parametro più rappresentativo del volume idrodinamico del polimero. Tale approccio consente una valutazione più accurata del peso molecolare e della distribuzione anche in polimeri complessi o copolimeri.

L’impiego di viscometri online integrati nel sistema SEC permette la misurazione simultanea della viscosità specifica in funzione del tempo di eluizione, migliorando ulteriormente la precisione della caratterizzazione. La viscosità specifica, calcolata tramite differenziali di pressione in circuiti di flusso dedicati, è correlata alla concentrazione tramite i rilevatori RI o UV, offrendo un quadro completo delle proprietà molecolari della frazione eluata.

È importante sottolineare che la determinazione accurata del peso molecolare e della sua distribuzione non solo dipende dalla tecnica analitica impiegata, ma anche dalla corretta interpretazione dei parametri empirici e teorici che collegano la viscosità alla struttura molecolare. Il fattore di Flory-Fox, ad esempio, mette in relazione la viscosità intrinseca con il raggio di girazione medio delle catene, offrendo un ponte tra proprietà macromolecolari e comportamenti fluidodinamici.

Comprendere queste relazioni è fondamentale non solo per caratterizzare il materiale, ma anche per prevederne le proprietà meccaniche, termiche e reologiche. In tal senso, la scelta del solvente, le condizioni sperimentali e la conoscenza dettagliata della natura polimero-solvente sono elementi imprescindibili per interpretare correttamente i dati di viscosità e cromatografia.