可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合機(jī)理及其應(yīng)用前景

李新柱 李素華 朱孔杰 徐文華 王守銀(金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司，農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與新型肥料創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家緩控釋肥工程技術(shù)研究中心， 山東 臨沭 276700)

1 RAFT聚合的原理

在所有活性自由基聚合中，可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合(reversibleaddition-fragmentationchaintransfer，RAFT)[1]由于能適用于任何活性自由基聚合的單體，因此是適用單體最廣的一種活性自由基聚合。近幾年有關(guān)RAFT聚合機(jī)理的報(bào)道相當(dāng)多，目前普遍接受的理論如圖1-1所示。首先是第一步的引發(fā)階段，該階段引發(fā)劑生成自由基；第二步寡聚自由基與RAFT鏈轉(zhuǎn)移試劑1反應(yīng)，形成自由基中間體2，2既可以分裂成原來的寡聚自由基和鏈轉(zhuǎn)移試劑，又可以分裂成寡聚RAFT鏈轉(zhuǎn)移試劑3和再引發(fā)自由基R，其中R必須為良好的再引發(fā)基團(tuán)，該分裂速度應(yīng)快于穩(wěn)定的自由基中間體2分解為1和寡聚自由基的速度；第三步，R自由基再引發(fā)單體，聚合物鏈增長(zhǎng)；第四步，達(dá)到鏈平衡，第五步，形成的兩個(gè)寡聚自由基或相互結(jié)合或歧化形成死鏈聚合物。通過以上機(jī)理我們可以看出，聚合反應(yīng)的難易程度是由RAFT試劑的鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)Ctr決定的，當(dāng)Ctr越大，鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)越容易進(jìn)行，而Ctr大小又取決于RAFT試劑的結(jié)構(gòu)。

1.1 RAFT試劑的選擇

RAFT試劑是指可用于RAFT聚合反應(yīng)，鏈轉(zhuǎn)移系數(shù)較大的一類有機(jī)物，其結(jié)構(gòu)通式如下：

RAFT試劑的選擇關(guān)鍵在于R和Z的選擇。RAFT試劑中的R基在聚合物的預(yù)平衡階段很重要，R基應(yīng)比寡聚自由基更易離去，并且能有效地再引發(fā)單體。某些單體(如甲基丙烯酸甲酯)來說，對(duì)RAFT試劑活性要求較高，故而R基團(tuán)的選擇非常重要，但是其他單體對(duì)R的選擇空間則比較大。圖1-2為各種聚合反應(yīng)的R選擇標(biāo)準(zhǔn)。空間位阻、自由基穩(wěn)定性、極效應(yīng)也明顯的影響著R基的離去/再引發(fā)能力。自由基越穩(wěn)定R基越容易離去；但是如果自由基太穩(wěn)定了，R基就不能有效地加成到單體上或再引發(fā)聚合物。空間位阻能增加R基離去能力，但是也可能因空間阻礙對(duì)其再引發(fā)產(chǎn)生不利影響。帶R基團(tuán)的吸電子取代基能影響衍生自由基的親電性。

RAFT反應(yīng)的可行性則由Z基團(tuán)的選擇直接決定，Z基團(tuán)在調(diào)解聚合效能上極具影響力。RAFT試劑的Z基團(tuán)應(yīng)具備可以活化C=S鍵的能力，從而更容易與自由基產(chǎn)生反應(yīng)，Z基團(tuán)的吸電子效應(yīng)越明顯，C=S越容易被自由基加成，若Z基團(tuán)的穩(wěn)定性太高，那么裂解反應(yīng)極可能無法進(jìn)行或進(jìn)行緩慢，因此選擇一個(gè)對(duì)特定單體合適的Z基團(tuán)鏈轉(zhuǎn)移試劑是十分必要的。活性較高的單體要用對(duì)C=S鍵活化作用小的RAFT試劑控制，使之能夠?qū)映勺杂苫幸粋€(gè)不穩(wěn)定效應(yīng)更易裂解。單體活性越高形成的加合物自由基越穩(wěn)定越不易裂解，因此要想發(fā)生裂解反應(yīng)，必須擁有一個(gè)可以使加成自由基不穩(wěn)定的Z基團(tuán)。

2 RAFT制備聚合膠束

RAFT可控聚合可以合成特定結(jié)構(gòu)的可控性聚合物，且RAFT試劑往往存在于聚合物分子鏈的末端，因此可以制備出端基功能化的聚合物，并保持活性，可以嵌段上另一性質(zhì)的單體結(jié)構(gòu)。目前，人們已用它合成得到了多種含指定結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)的聚合物。

2.1 制備嵌段共聚物

嵌段共聚物是一類分子結(jié)構(gòu)規(guī)整的聚合物，也是目前世界上應(yīng)用最多、研究最廣的一類聚合物。因此活性自由基聚合作為唯一一種智能可控活性聚合法，在合成不含均聚物、分子量及組成均可控制的嵌段共聚物中得到了廣泛應(yīng)用[2]。設(shè)計(jì)思路為先將某一單體與RAFT試劑反應(yīng)，生成大分子的鏈轉(zhuǎn)移試劑，然后將大分子鏈轉(zhuǎn)移試劑與另一單體進(jìn)行活性聚合反應(yīng)，合成兩嵌段共聚物，由于其端基為RAFT試劑，因此還可以進(jìn)一步的合成出三嵌段共聚物甚至多嵌段共聚物。BradS.Lokitz等人在水相中進(jìn)行RAFT聚合利用N-丙烯酰纈氨酸(AVAL)、N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)、及N,N-二甲基丙烯酰胺(DMA)合成出一種分子量可控的兩親性雙敏感性聚合物，這種聚合物可以在溫度和pH的影響下自組裝形成膠束。

2.2 制備星形聚合物

星形聚合物是非線形結(jié)構(gòu)的聚合物一種，指的是以一個(gè)中心為核，將多個(gè)線形支鏈以化學(xué)鍵的形式連接在核上，呈星形狀態(tài)結(jié)構(gòu)，由于此類聚合物的結(jié)構(gòu)的特殊性，因此表現(xiàn)為許多獨(dú)特的性能。相比于普通線性聚合物，星形聚合物具有粘度低、溶解度高、流體力學(xué)體積小等特點(diǎn)。RAFT合成星形聚合物主要有兩種途徑：一種是先核后臂法，這種方法的關(guān)鍵是合成多官能度化合物作為RAFT試劑，并以RAFT試劑作為“核”，通過核上的活性點(diǎn)進(jìn)行鏈增長(zhǎng)，從而合成星形的聚合物；另一種是先臂后核法，這種方法首先合成出具有末端活性的線性鏈段聚合物前體，然后再接到相應(yīng)的官能團(tuán)核上，形成星形聚合物。YuZheng等人報(bào)道了分別采用兩種方法合成出可生物降解的核殼交聯(lián)共聚物材料，并比較兩種方法合成的聚合物性質(zhì)。

2.3 制備梳狀及接枝聚合物

接枝共聚物的合成方法有很多種，合成側(cè)鏈均一梳形聚合物只能用大分子單體技術(shù)制備。合成途徑有兩種：一是先合成側(cè)鏈帶有二硫代酯結(jié)構(gòu)的聚合物鏈，再將此鏈作為RAFT試劑來與其他單體進(jìn)行活性聚合；另一種方法則是將引發(fā)劑接到聚合物側(cè)鏈上，再引發(fā)烯類單體活性聚合從而制得梳狀聚合。

3 聚合膠束應(yīng)用

3.1 藥物可控釋放

合成聚合物的單體為兩親性嵌段共聚物，組成的兩親性共聚膠束，通過連接具有特殊官能團(tuán)的基團(tuán)和單體，可以對(duì)其表面進(jìn)行修飾，而某些難溶性的藥物又可以儲(chǔ)存再其疏水性內(nèi)核中，當(dāng)載藥膠束進(jìn)入人體體內(nèi)時(shí)，親水性外殼可以減少膠束與吞噬細(xì)胞的相互作用，直至膠束到達(dá)病灶，藥物解離，起到智能緩釋的作用。McCormick等人以雙嘧啶氨醇(DIP)作為藥物，利用含有溫敏性嵌段NIPAM和pH敏感性嵌段制成了雙重敏感性嵌段聚合物，通過氮-丙烯酰纈氨酸嵌段與陽(yáng)離子聚電解質(zhì)間的絡(luò)合作用形成殼交聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度在45℃時(shí)(高于NIPAM的低臨界溶解溫度32℃)，將DIP與聚合物膠束混合在一起，DIP進(jìn)入膠束核里，當(dāng)溫度降低至25℃，膠束溶解，DIP達(dá)到靶向釋放的目的。

3.2 生物成像

當(dāng)合成膠束為兩親性嵌段聚合物時(shí)，聚合物膠束可以作為造影劑的載體用于生物成像技術(shù)之中，造影劑螯合物中的疏水部分可以分布在疏水性的膠束內(nèi)核中，而親水部分則可以分布于膠束表面中，這樣就可以使造影劑在相應(yīng)病變部位產(chǎn)生足夠強(qiáng)的信號(hào)從而與健康組織區(qū)分開。Kim課題組制成一種表面帶有基因抗體的生物相容性、親水性、可降解的接枝聚合物，將超順磁性四氧化三鐵納米粒子制成核磁成像納米探針包覆該聚合物中，實(shí)驗(yàn)表明，該物質(zhì)不但對(duì)癌細(xì)胞具有良好的識(shí)別功能，還具有顯著成像的功能，對(duì)當(dāng)今生物成像技術(shù)提供了良好的條件。

3.3 催化劑負(fù)載

聚合物膠束可作為金屬納米粒子的載體，起到固定分散金屬納米粒子催化劑的作用，提高了催化劑的穩(wěn)定性和活性，解決了金屬納米粒子易團(tuán)聚等不良影響。Li等利用RAFT聚合和NaBH4還原制備了帶有巰基的PNIPAM，然后通過配體交換獲得PNIPAM穩(wěn)定的GNPs。PNIPAM接枝到GNPs表面上后，分子鏈段的運(yùn)動(dòng)受到限制，其低臨界溶解溫度(LCST)降低到28.4℃。升高溫度，PNIPAM的相轉(zhuǎn)變引起GNPs的聚集，SPR發(fā)生紅移，溶液顏色由紅色向紫色轉(zhuǎn)變且溶液稍有沉淀產(chǎn)生。

4 結(jié)語

目前RAFT試劑的合成是一個(gè)難題，由于合成方法還有限，合成條件苛刻制約著RAFT法的發(fā)展，另外RAFT反應(yīng)過程也常伴隨著大量的副反應(yīng)。因此今后研究發(fā)展的主要方向?qū)⑹前l(fā)現(xiàn)并合成更高效的RAFT試劑、進(jìn)一步優(yōu)化RAFT聚合的反應(yīng)條件。另外，提高聚合物膠束在實(shí)際應(yīng)用中的智能化能力、系統(tǒng)地研究聚合物膠束組成、結(jié)構(gòu)等對(duì)藥物體系及人體生理環(huán)境的影響也是未來研究中必須要解決的問題。

[1]王國(guó)建.高分子合成新技術(shù)[M].100-108.

[2]單瑩瑩,秦夢(mèng)華,傅英娟.RAFT聚合在聚合物分子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].造紙化學(xué)品,2011,24(3):1-8.