Polielettroliti

I polielettroliti sono polimeri che presentano unità ripetitive ionizzabili con polianioni o policationi che possono dissociarsi in solventi polari come l’acqua. I polielettroliti infatti possono essere definiti come macromolecole che hanno un numero relativamente elevato di gruppi funzionali carichi nelle loro unità monomeriche ripetitive o che si caricano in condizioni adeguate.

In generale se sono dotati di soli polianioni o di soli policationi sono detti omogenei mentre se sono presenti entrambi i gruppi sono detti polianfoliti. I polielettroliti possono essere distinti in polielettroliti forti e deboli. I primi sono polimeri con gruppi debolmente acidi o basici, che vengono protonati o deprotonati a seconda del pH del mezzo circostante, con una densità di carica dipendente dal pH mentre la densità di carica nei polielettroliti forti non è influenzata dal pH.

A causa delle loro proprietà sono utilizzati in molti settori come saponi, lozioni per il corpo, dispositivi elettrocromici, sistemi di elettrodi di riferimento a stato solido, membrane di scambio per celle a combustibile, trattamento dell’acqua, trattamento dei rifiuti, produzione di carta, protezione dalla corrosione, celle a combustibile, elettrodialisi, lenti a contatto, somministrazione di farmaci e in campo genetico.

Polielettroliti naturali

I polimeri presenti in natura possono essere ottenuti da fonti naturali rinnovabili come animali, piante o funghi. I polielettroliti  presenti in natura sono biopolimeri lineari o ramificati in cui una parte sostanziale delle unità costituenti sono gruppi ionizzabili o ionici. Tra i polisaccaridi naturali di rilevanza industriale, il chitosano è l’unico biopolielettrolita cationico ad alto peso molecolare.

struttura chitosano
struttura chitosano

Il chitosano è un polisaccaride lineare composto da D -glucosammina e N -acetil- D -glucosammina legate in modo casuale tramite legami  β-(1→4) glicosidici. Il chitosano è il prodotto alcalino deacetilato della chitina, derivato dall’esoscheletro di crostacei, insetti e pareti cellulari fungine.

È un biopolimero funzionalmente versatile per la presenza di gruppi amminici responsabili delle varie proprietà del polimero. Sebbene sia stato utilizzato per varie applicazioni industriali, quello più recente è come materiale di imballaggio alimentare antimicrobico biodegradabile che compete con i tradizionali materiali a base di plastica non biodegradabile.

Tra i polielettroliti naturali di tipo anionico vi è l’alginato, biopolimero polisaccaridico non ramificato composto da acido β-D-mannuronico e acido α-L-guluronico  legati (1 → 4), che hanno un pKa di 3.65 e 3.35, rispettivamente ed è quindi caricato negativamente in un ampio intervallo di pH.

Polielettroliti sintetici

La possibilità di controllare la natura della carica, la densità della carica stessa e il peso molecolare consente di progettare polimeri per fornire un’ampia varietà di funzioni, essenziali in molti processi industriali sebbene abbiano un profilo di biocompatibilità e di un’attività biologica inferiori rispetto a quelli naturali.

carbossimetilcellulosa
carbossimetilcellulosa

Esempi di tipici polielettroliti sintetici sono acido poliacrilico, polistirene solfonato, poliallilammina, carbossimetilcellulosa e sali correlati. Tra i polielettroliti cationici vi è il poli[(4-vinilbenzil) trimetilammonio cloruro] che contiene un sale di ammonio come gruppo funzionale ed è ottenuto dal cloruro di 4-(vinilbenzil)trimetilammonio quale monomero e il  persolfato di ammonio quale iniziatore della polimerizzazione radicalica

acido poliacrilico
acido poliacrilico

Tra i polielettroliti di origine sintetica vi è l’acido poliacrilico derivato dalla polimerizzazione dell’acido acrilico che in soluzione acquosa a pH neutro si presenta come un polimero anionico. I poliacrilati parzialmente o totalmente deprotonati sono polielettroliti, con la capacità di assorbire e trattenere l’acqua espandendosi fino a raggiungere molte volte il loro volume originale.

Per la sua assenza di tossicità, biocompatibilità e biodegradabilità è utilizzato come agente di rivestimento. Varie superfici contenenti ossidi metallici, nanoparticelle d’oro, struttura metallo-organica, silice e materiali a base di carbonio come nanotubi di carbonio e grafene sono state rivestite utilizzando questo polimero.

Usi

I polielettroliti hanno molte applicazioni nei campi più svariati, come, ad esempio, nel trattamento delle acque come agenti flocculanti, nei fanghi ceramici come agenti disperdenti e nelle miscele di calcestruzzo come superfluidificanti.

Alcuni polielettroliti vengono aggiunti anche ai prodotti alimentari, ad esempio come rivestimenti alimentari e agenti distaccanti. In tempi recenti, l’utilizzo di multistrati prodotti dall’assemblamento di polielettroliti con carica opposta è stato sviluppato come un metodo sorprendente e adattabile per progettare strati superficiali per la biofunzionalizzazione e il trasporto di farmaci.

I gel polielettrolitici sono un’importante classe di gel polimerici che presentano reti polimeriche cariche con gruppi ionizzabili stabilizzati da diverse interazioni, tra cui l’interazione elettrostatica, le forze di van der Waals, le interazioni ioniche, il legame a idrogeno e la reticolazione chimica.

Recentemente hanno attirato l’attenzione come classe di materiali intelligenti e hanno dimostrato il potenziale per una varietà di applicazioni come l’immagazzinamento e rilascio di biomolecole, nell’ingegneria dei tessuti e applicazioni ortopediche

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