Diffusion of molecular probes and the effects of their interactions with polymer matrices as studied by pulsed-field gradient NMR spectroscopy

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Abstract

Pulsed-field gradient NMR spectroscopy was used to study the interactions between small molecular probes and polymers bearing interacting groups. The self-diffusion coefficients of ethylene glycol and its oligomers and their methyl ester derivatives in poly(vinyl alcohol) gels were measured to study the effect of hydrogen bonding. The self-diffusion coefficients of small molecular probes containing hydroxyl, amine, and carboxylic acid groups were determined in several polymer matrices including poly(vinyl alcohol), poly(allylamine), and poly(acrylic acid) bearing lateral hydroxyl, amine, and carboxylic acid groups, respectively. The ionic interactions between the functional groups of the diffusants and of the polymers exhibited a marked effect on the diffusion of the molecular probes. For example, the reduced self-diffusion coefficients measured for a diffusant with a carboxylic acid group in a poly(allylamine) matrix were shown to be lower even though the molecular masses of the diffusants are similar.

La spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé a été utilisée afin d'étudier les interactions entre des petites molécules et des polymères portant divers groupements fonctionnels. Les coefficients d'auto-diffusion de l'éthylène glycol, de ses oligomères et de leurs esters de méthyle respectifs dans des gels de poly(alcool vinylique) ont été mesurés pour étudier l'effet des interactions de type pont hydrogène. Les coefficients d'auto-diffusion de petites molécules ayant des groupements fonctionnels de type alcool, amine et acide carboxylique ont été mesurés dans le poly(alcool vinylique), le poly(allyl amine) et le poly(acide acrylique), des polymères ayant respectivement des groupements latéraux de type alcool, amine et acide carboxylique. Les interactions ioniques entre les groupements fonctionnels du diffusant et ceux du polymère ont un effet marqué sur la diffusion des sondes moléculaires. Par exemple, le coefficient d'auto-diffusion réduit mesuré pour l'acide acétique dans le poly(allyl amine) est inférieur à celui de l'éthylène glycol bien que la masse molaire et le rayon hydrodynamique des deux sondes soient similaires. Mots-clés: spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé, auto-diffusion, interactions intermoléculaires.

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