可逆加成断裂链转移聚合机理及其应用前景

李新柱 李素华 朱孔杰 徐文华 王守银(金正大生态工程集团股份有限公司，农业部植物营养与新型肥料创制重点实验室，国家缓控释肥工程技术研究中心， 山东 临沭 276700)

1 RAFT聚合的原理

在所有活性自由基聚合中，可逆加成-断裂链转移聚合(reversibleaddition-fragmentationchaintransfer，RAFT)[1]由于能适用于任何活性自由基聚合的单体，因此是适用单体最广的一种活性自由基聚合。近几年有关RAFT聚合机理的报道相当多，目前普遍接受的理论如图1-1所示。首先是第一步的引发阶段，该阶段引发剂生成自由基；第二步寡聚自由基与RAFT链转移试剂1反应，形成自由基中间体2，2既可以分裂成原来的寡聚自由基和链转移试剂，又可以分裂成寡聚RAFT链转移试剂3和再引发自由基R，其中R必须为良好的再引发基团，该分裂速度应快于稳定的自由基中间体2分解为1和寡聚自由基的速度；第三步，R自由基再引发单体，聚合物链增长；第四步，达到链平衡，第五步，形成的两个寡聚自由基或相互结合或歧化形成死链聚合物。通过以上机理我们可以看出，聚合反应的难易程度是由RAFT试剂的链转移常数Ctr决定的，当Ctr越大，链转移反应越容易进行，而Ctr大小又取决于RAFT试剂的结构。

1.1 RAFT试剂的选择

RAFT试剂是指可用于RAFT聚合反应，链转移系数较大的一类有机物，其结构通式如下：

RAFT试剂的选择关键在于R和Z的选择。RAFT试剂中的R基在聚合物的预平衡阶段很重要，R基应比寡聚自由基更易离去，并且能有效地再引发单体。某些单体(如甲基丙烯酸甲酯)来说，对RAFT试剂活性要求较高，故而R基团的选择非常重要，但是其他单体对R的选择空间则比较大。图1-2为各种聚合反应的R选择标准。空间位阻、自由基稳定性、极效应也明显的影响着R基的离去/再引发能力。自由基越稳定R基越容易离去；但是如果自由基太稳定了，R基就不能有效地加成到单体上或再引发聚合物。空间位阻能增加R基离去能力，但是也可能因空间阻碍对其再引发产生不利影响。带R基团的吸电子取代基能影响衍生自由基的亲电性。

RAFT反应的可行性则由Z基团的选择直接决定，Z基团在调解聚合效能上极具影响力。RAFT试剂的Z基团应具备可以活化C=S键的能力，从而更容易与自由基产生反应，Z基团的吸电子效应越明显，C=S越容易被自由基加成，若Z基团的稳定性太高，那么裂解反应极可能无法进行或进行缓慢，因此选择一个对特定单体合适的Z基团链转移试剂是十分必要的。活性较高的单体要用对C=S键活化作用小的RAFT试剂控制，使之能够对加成自由基有一个不稳定效应更易裂解。单体活性越高形成的加合物自由基越稳定越不易裂解，因此要想发生裂解反应，必须拥有一个可以使加成自由基不稳定的Z基团。

2 RAFT制备聚合胶束

RAFT可控聚合可以合成特定结构的可控性聚合物，且RAFT试剂往往存在于聚合物分子链的末端，因此可以制备出端基功能化的聚合物，并保持活性，可以嵌段上另一性质的单体结构。目前，人们已用它合成得到了多种含指定结构及官能团的聚合物。

2.1 制备嵌段共聚物

嵌段共聚物是一类分子结构规整的聚合物，也是目前世界上应用最多、研究最广的一类聚合物。因此活性自由基聚合作为唯一一种智能可控活性聚合法，在合成不含均聚物、分子量及组成均可控制的嵌段共聚物中得到了广泛应用[2]。设计思路为先将某一单体与RAFT试剂反应，生成大分子的链转移试剂，然后将大分子链转移试剂与另一单体进行活性聚合反应，合成两嵌段共聚物，由于其端基为RAFT试剂，因此还可以进一步的合成出三嵌段共聚物甚至多嵌段共聚物。BradS.Lokitz等人在水相中进行RAFT聚合利用N-丙烯酰缬氨酸(AVAL)、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、及N,N-二甲基丙烯酰胺(DMA)合成出一种分子量可控的两亲性双敏感性聚合物，这种聚合物可以在温度和pH的影响下自组装形成胶束。

2.2 制备星形聚合物

星形聚合物是非线形结构的聚合物一种，指的是以一个中心为核，将多个线形支链以化学键的形式连接在核上，呈星形状态结构，由于此类聚合物的结构的特殊性，因此表现为许多独特的性能。相比于普通线性聚合物，星形聚合物具有粘度低、溶解度高、流体力学体积小等特点。RAFT合成星形聚合物主要有两种途径：一种是先核后臂法，这种方法的关键是合成多官能度化合物作为RAFT试剂，并以RAFT试剂作为“核”，通过核上的活性点进行链增长，从而合成星形的聚合物；另一种是先臂后核法，这种方法首先合成出具有末端活性的线性链段聚合物前体，然后再接到相应的官能团核上，形成星形聚合物。YuZheng等人报道了分别采用两种方法合成出可生物降解的核壳交联共聚物材料，并比较两种方法合成的聚合物性质。

2.3 制备梳状及接枝聚合物

接枝共聚物的合成方法有很多种，合成侧链均一梳形聚合物只能用大分子单体技术制备。合成途径有两种：一是先合成侧链带有二硫代酯结构的聚合物链，再将此链作为RAFT试剂来与其他单体进行活性聚合；另一种方法则是将引发剂接到聚合物侧链上，再引发烯类单体活性聚合从而制得梳状聚合。

3 聚合胶束应用

3.1 药物可控释放

合成聚合物的单体为两亲性嵌段共聚物，组成的两亲性共聚胶束，通过连接具有特殊官能团的基团和单体，可以对其表面进行修饰，而某些难溶性的药物又可以储存再其疏水性内核中，当载药胶束进入人体体内时，亲水性外壳可以减少胶束与吞噬细胞的相互作用，直至胶束到达病灶，药物解离，起到智能缓释的作用。McCormick等人以双嘧啶氨醇(DIP)作为药物，利用含有温敏性嵌段NIPAM和pH敏感性嵌段制成了双重敏感性嵌段聚合物，通过氮-丙烯酰缬氨酸嵌段与阳离子聚电解质间的络合作用形成壳交联结构，当温度在45℃时(高于NIPAM的低临界溶解温度32℃)，将DIP与聚合物胶束混合在一起，DIP进入胶束核里，当温度降低至25℃，胶束溶解，DIP达到靶向释放的目的。

3.2 生物成像

当合成胶束为两亲性嵌段聚合物时，聚合物胶束可以作为造影剂的载体用于生物成像技术之中，造影剂螯合物中的疏水部分可以分布在疏水性的胶束内核中，而亲水部分则可以分布于胶束表面中，这样就可以使造影剂在相应病变部位产生足够强的信号从而与健康组织区分开。Kim课题组制成一种表面带有基因抗体的生物相容性、亲水性、可降解的接枝聚合物，将超顺磁性四氧化三铁纳米粒子制成核磁成像纳米探针包覆该聚合物中，实验表明，该物质不但对癌细胞具有良好的识别功能，还具有显著成像的功能，对当今生物成像技术提供了良好的条件。

3.3 催化剂负载

聚合物胶束可作为金属纳米粒子的载体，起到固定分散金属纳米粒子催化剂的作用，提高了催化剂的稳定性和活性，解决了金属纳米粒子易团聚等不良影响。Li等利用RAFT聚合和NaBH4还原制备了带有巯基的PNIPAM，然后通过配体交换获得PNIPAM稳定的GNPs。PNIPAM接枝到GNPs表面上后，分子链段的运动受到限制，其低临界溶解温度(LCST)降低到28.4℃。升高温度，PNIPAM的相转变引起GNPs的聚集，SPR发生红移，溶液颜色由红色向紫色转变且溶液稍有沉淀产生。

4 结语

目前RAFT试剂的合成是一个难题，由于合成方法还有限，合成条件苛刻制约着RAFT法的发展，另外RAFT反应过程也常伴随着大量的副反应。因此今后研究发展的主要方向将是发现并合成更高效的RAFT试剂、进一步优化RAFT聚合的反应条件。另外，提高聚合物胶束在实际应用中的智能化能力、系统地研究聚合物胶束组成、结构等对药物体系及人体生理环境的影响也是未来研究中必须要解决的问题。

[1]王国建.高分子合成新技术[M].100-108.

[2]单莹莹,秦梦华,傅英娟.RAFT聚合在聚合物分子设计领域中的应用[J].造纸化学品,2011,24(3):1-8.