Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare al protone ( 1 H-NMR)

La risonanza magnetica nucleare (NMR) è una tecnica particolare che permette di analizzare la struttura chimica di una sostanza: essa sfrutta il principio per cui i nuclei degli atomi di alcuni elementi, se sottoposti a un campo magnetico esterno, si orientano nella direzione del campo imposto.

In generale ogni nucleo è dotato di uno specifico numero di spin (I), ad esempio I=0,1/2,1,3/2…, che dipende dal numero di massa e dal numero atomico. I nuclei che possiedono spin non intero, ruotando, danno origine ad un campo magnetico elementare μ, che li rende simili a piccoli magneti. I nuclei degli isotopi più comuni di ossigeno e carbonio (16Oe 12C) non sono magnetici (I=0) e non danno luogo a fenomeni di risonanza magnetica nucleare; gli atomi più utilizzati per questo tipo di analisi, e che sono comunemente presenti nei polimeri, sono 13C e 1H, i quali sono dotati di numero di spin pari a 1/2.

Se si introduce un nucleo magnetico in un campo magnetico uniforme imposto dall’esterno, il nucleo si orienterà in una delle due sole possibili direzioni, corrispondenti ad un livello energetico di ±μH0 (dove H0 è l’intensità del campo magnetico esterno).

L’orientazione a bassa energia corrisponde alla situazione in cui il momento magnetico del nucleo è allineato in modo parallelo al campo magnetico esterno, l’orientazione ad alta energia si verifica invece quando il momento magnetico del nucleo risulta antiparallelo al campo esterno. Il passaggio di un nucleo da una possibile orientazione all’altra è il risultato dell’assorbimento o dell’emissione di una certa quantità di energia, pari a E=hν=2μH0 dove h è la costante di Planck e ν è la frequenza

della radiazione elettromagnetica che viene assorbita o emessa.

Se la frequenza di risonanza fosse la stessa per tutti i nuclei dello stesso tipo di una molecola, si osserverebbe nello spettro di risonanza un singolo picco per ogni specie atomica presente. In realtà non è così: è possibile osservare lievi differenze nella frequenza di risonanza NMR di uno stesso atomo al variare dei gruppi presenti nella molecola. Gli elettroni circostanti, infatti, schermano il nucleo in modo differente, a seconda della struttura chimica, quindi il campo magnetico effettivamente avvertito da un nucleo non è identico a quello imposto dall’esterno.

Per distinguere queste sottili differenze si usa uno spettrometro NMR che è costituito da un elettromagnete molto potente che stabilisce un campo magnetico stabile ed omogeneo, un

57 emettitore di onde radio, un ricevitore ed un’apparecchiatura in grado di variare la frequenza della radiazione in un intervallo ristretto.

Lo scostamento della frequenza di risonanza dei nuclei rispetto ad un certa molecola assunta come standard prende il nome di chemical shift. Questa grandezza viene espressa in forma adimensionale come:

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dove νr è la frequenza di risonanza di un particolare nucleo di riferimento, e ν è la frequenza di

risonanza del campione considerato.

Tipicamente per il nucleo dell’atomo di 1H e per gran parte delle molecole organiche, δ risulta compresa nell’intervallo 0-10ppm.

L’analisi NMR sul nucleo 13C è possibile ma abbastanza difficile, questo perché la maggior parte del carbonio presente in natura (99,89 %) è 12C (non dà fenomeni di risonanza magnetica nucleare), quindi solo pochi atomi di carbonio si orienteranno, di conseguenza si ridurrà il rapporto tra il segnale ed il rumore di fondo.

In uno spettro 1H-NMR si può notare che ad atomi di idrogeno con “intorni chimici” diversi corrispondono picchi diversi; inoltre, dall’area sottesa da ogni picco, la quale non ha valore in senso assoluto, poiché varia a seconda della concentrazione della soluzione, possiamo determinare il rapporto tra i vari tipi di atomi di idrogeno presenti. L’area di un picco infatti, è indipendente dalla struttura a cui è legato l’idrogeno corrispondente, dipende solo dalla frequenza con cui tale atomo è ripetuto all’interno della molecola. Dividendo poi l’area di ogni picco per il numero di idrogeni a cui corrisponde, si ottengono valori perfettamente confrontabili con quelli dati dalla formula chimica che corrisponde al polimero analizzato.

L’indagine spettroscopica rappresenta un metodo di studio universalmente impiegato per il riconoscimento analitico e strutturale dei polimeri. In particolare, nell’ambito delle ricerche svolte durante la presente tesi, è stata impiegata la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare al protone (¹H-NMR) e al carbonio (13C-NMR) per verificare la struttura, determinare la composizione dei copolimeri e analizzare la distribuzione delle sequenze lungo la catena polimerica.

La spettroscopica 1H-NMR è stata impiegata anche per la determinazione del peso molecolare medio (vedi paragrafo…), e la spettroscopica 13C-NMR per la determinazione del grado di ramificazione di polimeri iperramificati (vedi paragrafo…).

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58 Gli spettri sono stati ottenuti usando uno spettrometro NMR Varian XL-400. Le soluzioni sono state preparate sciogliendo circa 10 mg di polimero in cloroformio deuterato (o talvolta in una miscela di CDCl3 ed acido trifluoroacetico deuterato), e come standard interno è stato utilizzato il

tetrametilsilano.

1.2 Cromatografia di permeazione su gel (GPC)

La cromatografia a permeazione su gel (GPC) è una tecnica che consente di determinare la distribuzione di peso molecolare del polimero. Lo strumento è costituito da una pompa volumetrica, una colonna riempita di particelle porose (costituite da polistirene reticolato con divinilbenzene) ed un rivelatore.

Figura 1: Schema di un’apparecchiatura per analisi GPC

La separazione dei diversi pesi molecolari è dovuta al fatto che le molecole più grandi non penetrano nei pori e di conseguenza usciranno dalla colonna in tempi più brevi di quelle a basso peso molecolare. I campioni sono sciolti nello stesso solvente, filtrati e quindi iniettati.

59 All’uscita della colonna, la soluzione viene analizzata dal rilevatore, che fornisce un segnale la cui intensità è proporzionale alla concentrazione del polimero. Il risultato dell’analisi è un grafico dell’intensità del segnale in funzione del tempo.

Per convertire i tempi di eluizione in pesi molecolari ci si riferisce a curve di taratura, ottenute facendo passare in colonna 6 standard di PS monodisperso e a peso molecolare noto.

Le misure di GPC sono state ottenute a 30°C con un cromatografo HP Series 1100 HPLC per mezzo di una colonna PL gel 5μ Mini MIX-C (rapporto lunghezza/diametro in mm interno 250/4.6). Come rivelatore sono stati impiegati un indice di rifrazione per i polimeri alifatici ed uno spettrofotometro UV 254 nm per quelli aromatici. I cromatogrammi sono stati registrati con HP Chemstation versione A.05.04 ed elaborati con GPC Calculator 7.6 software sviluppato dalla General Electric Company. Sono stati impiegati due diversi tipi di eluenti a seconda dei polimeri da analizzare: nel caso di poliesteri alifatici è stato usato cloroformio, mentre per quelli aromatici una miscela composta da diclorometano/cloroformio/1,1,1,3,3,3-esafluoro-2-propanolo (75/20/5 v/v/v) (flusso in colonna 0.3 mL/min). Le soluzioni utilizzate erano tutte caratterizzate da una concentrazione di polimero pari a 2 mg/mL. Per costruire la curva di taratura sono stati impiegati vari standard di polistirene con peso molecolare variabile tra 2000 e 100000, usando una curva del terzo ordine.

1.3. Titolazioni acido-base per la determinazione dei gruppi terminali ossidrilici e carbossilici