สเปกโทรสโกปีของพอลิเมอร์

วิธีการทางสเปกโทรสโกปี โดยหลักคือเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์และสเปกโทรสโกปีอินฟราเรด เผยให้เห็นเคมีของหน่วยซ้ำของพอลิเมอร์ หมู่ปลาย องค์ประกอบของโคพอลิเมอร์ และสเตอริโอเคมีจากการปฏิสัมพันธ์กับรังสี

Definition

สเปกโทรสโกปีของพอลิเมอร์คือการใช้การดูดกลืนหรือการปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งรวมถึงเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์และสเปกโทรสโกปีการสั่นสะเทือนด้วยอินฟราเรดและรามัน เพื่อกำหนดโครงสร้างทางเคมี องค์ประกอบ และสเตอริโอเคมีของพอลิเมอร์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการจำแนกลักษณะโครงสร้างทางเคมีของพอลิเมอร์ด้วยสเปกโทรสโกปี: เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์สำหรับการระบุหน่วยซ้ำ หมู่ปลาย แทคติซิตี้ และลำดับโคพอลิเมอร์; สเปกโทรสโกปีการสั่นสะเทือนด้วยอินฟราเรดและรามันสำหรับหมู่ฟังก์ชันและคอนฟอร์เมชัน; และการใช้การวิเคราะห์หมู่ปลายสำหรับมวลโมลาร์เฉลี่ยเชิงตัวเลข โดยจะกล่าวถึงข้อมูลโครงสร้างที่แต่ละวิธีให้ได้ รวมถึงความไวและข้อจำกัดสำหรับโมเลกุลขนาดใหญ่

Core questions

• เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์เผยให้เห็นโครงสร้างหน่วยซ้ำ แทคติซิตี้ และองค์ประกอบโคพอลิเมอร์ได้อย่างไร?
• สเปกโทรสโกปีการสั่นสะเทือนให้ข้อมูลเกี่ยวกับหมู่ฟังก์ชันและคอนฟอร์เมชันอย่างไร?
• สเปกโทรสโกปีหมู่ปลายสามารถให้มวลโมลาร์เฉลี่ยเชิงตัวเลขได้อย่างไร?
• ข้อจำกัดของความไวทางสเปกโทรสโกปีสำหรับสายโซ่ที่มีมวลโมลาร์สูงคืออะไร?

Key theories

การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคด้วย NMR

การเลื่อนทางเคมีและรูปแบบการแยกในโปรตอนและคาร์บอนเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ช่วยแยกแยะหน่วยซ้ำ หมู่ปลาย และลำดับสเตอริโอ ทำให้สามารถกำหนดแทคติซิตี้และองค์ประกอบโคพอลิเมอร์เชิงปริมาณได้จากอินทิกรัลของพีค

ความถี่ของหมู่ฟังก์ชันในการสั่นสะเทือน

แถบอินฟราเรดและรามันที่เป็นลักษณะเฉพาะช่วยระบุหมู่ฟังก์ชัน และสามารถรายงานเกี่ยวกับคอนฟอร์เมชันและสภาพความเป็นผลึก ทำให้สามารถระบุลักษณะเฉพาะได้อย่างรวดเร็วและหาองค์ประกอบเชิงปริมาณผ่านความเข้มของแถบที่ปรับเทียบแล้ว

Mechanisms

ในการวิเคราะห์ด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ นิวเคลียสในสภาพแวดล้อมทางเคมีที่แตกต่างกันจะเกิดเรโซแนนซ์ที่ความถี่เฉพาะ การรวมพีคที่ได้จะช่วยหาปริมาณของหน่วยซ้ำ หมู่ปลาย อัตราส่วนโคโมโนเมอร์ และลำดับสเตอริโอ เช่น ไอโซแทกติกและซินดิโอแทกติกไตรแอด ในสเปกโทรสโกปีอินฟราเรด การสั่นสะเทือนของโมเลกุลจะดูดกลืนที่ความถี่จำเพาะซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของหมู่ฟังก์ชัน และสามารถแยกความแตกต่างระหว่างคอนฟอร์เมชันแบบผลึกและอสัณฐานได้ การตรวจจับและหาปริมาณหมู่ปลายสายโซ่ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจะให้ค่ามวลโมลาร์เฉลี่ยเชิงตัวเลข แม้ว่าความไวจะลดลงเมื่อมวลโมลาร์เพิ่มขึ้นและหมู่ปลายเจือจางลง

Clinical relevance

สเปกโทรสโกปีช่วยยืนยันว่าการสังเคราะห์ได้โครงสร้างตามที่ตั้งใจไว้ วัดองค์ประกอบของโคพอลิเมอร์และแทคติซิตี้ที่ควบคุมคุณสมบัติ ระบุสารเติมแต่งและผลิตภัณฑ์จากการเสื่อมสภาพ และสนับสนุนการวิเคราะห์ความล้มเหลวและการแยกส่วนประกอบผลิตภัณฑ์ของคู่แข่ง เป็นพื้นฐานสำคัญทั้งในการจำแนกลักษณะงานวิจัยและการควบคุมคุณภาพทางอุตสาหกรรม

History

เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ความละเอียดสูงถูกนำมาใช้กับโครงสร้างจุลภาคและแทคติซิตี้ของพอลิเมอร์ตั้งแต่ทศวรรษ 1960 โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดย Bovey และวิธีการสถานะของแข็ง เช่น cross-polarization magic-angle spinning ที่พัฒนาโดย Schaefer ได้ขยายเทคนิคนี้ไปยังพอลิเมอร์จำนวนมาก ในขณะที่สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดแบบฟูเรียร์ทรานสฟอร์มทำให้การวิเคราะห์การสั่นสะเทือนรวดเร็วและเชิงปริมาณ

Key figures

• Frank Bovey
• Jacob Schaefer

Seminal works

• young2011
• hiemenz2007

Frequently asked questions

NMR สามารถบอกอะไรเกี่ยวกับพอลิเมอร์ที่วิธีอื่นทำไม่ได้?

สามารถหาปริมาณรายละเอียดปลีกย่อยของโครงสร้างจุลภาคได้: สัดส่วนของลำดับไอโซแทกติก ซินดิโอแทกติก และอะแทกติก องค์ประกอบโคโมโนเมอร์ที่แน่นอน และการระบุหมู่ปลาย ทั้งหมดนี้ได้จากตำแหน่งพีคและอินทิกรัล

เหตุใดการวิเคราะห์หมู่ปลายจึงใช้ไม่ได้ผลกับมวลโมลาร์ที่สูงมาก?

หมู่ปลายมีอยู่เพียงสองหมู่ต่อหนึ่งสายโซ่ ดังนั้นความเข้มข้นของพวกมันจะลดลงเมื่อสายโซ่ยาวขึ้น ที่มวลโมลาร์สูง สัญญาณของหมู่ปลายจะอ่อนเกินไปที่จะวัดได้อย่างน่าเชื่อถือ ซึ่งจำกัดเส้นทางนี้ในการหามวลโมลาร์เฉลี่ยเชิงตัวเลข