老树开新花！RAFT聚合，登上Nature Synthesis！

酸引发的乙烯基单体自由基聚合

可逆失活自由基聚合方法，如原子转移自由基聚合(ATRP)、氮氧化物介导聚合和可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)聚合，使合成具有可控分子量、分散性和结构的定制聚合物成为可能。其中，RAFT是最通用的一种，因为它能够聚合广泛的单体类别，因此它已被广泛用于生成各种各样的材料。值得注意的是，在RAFT聚合过程中，传播的自由基被终止，并且退化链转移过程不会产生新的自由基。因此，通常需要外部自由基源来启动聚合，并确保足够的自由基供应，以实现高转化和高聚合速率。然而，使用外源性热自由基引发剂也造成了一定的限制。首先，RAFT聚合的终止程度与自由基引发剂的用量成正比。与ATRP和氮氧化物介导的聚合通过可逆终止机制操作不同，RAFT过程不能阻止死链的形成。因此，自由基引发剂的使用导致端基非均质性。这种终止进一步体现在嵌段共聚物的合成中，随着下一个单体的加入，一种新的自由基引发剂被引入，从而导致端链逐渐积累，从而产生更高的分散性和不纯的嵌段共聚物。通常使用的热自由基引发剂，如过氧化物和偶氮化合物是高度爆炸性的化学品，因此运输及储存都相当具有挑战性。因此，消除热自由基引发剂的使用不仅有利于提高合成聚合物的质量，而且有利于克服运输和储存问题。为此，来自苏黎世联邦理工学院的Athina Anastasaki教授团队提出了一种由酸触发RAFT聚合的方法，该方法在黑暗中操作，并且不需要使用任何传统的自由基引发剂。该工作以题为“Acid-triggered radical polymerization of vinyl monomers”发表在《Nature Synthesis》上。

【酸触发的RAFT聚合】

该反应是作者在二甲基丙烯酰胺(DMA)的热RAFT聚合过程中偶然发现的关于乙烯基单体的酸触发聚合。模型反应以2-((丁基磺酰)碳硫基磺酰)丙酸(PABTC, CTA 1,1当量)为RAFT剂，DMA为单体(CTA为500当量)，水为反应介质，硫酸为触发酸(10当量)，溶液的pH值为1.7。在没有任何常规自由基引发剂的情况下，脱氧后将溶液在70°C下加热，反应发生。核磁共振氢谱证实10 h内单体转化率达90%，粒径排斥色谱(SEC)显示对称的摩尔质量分布Ð = 1.13。作为对照实验，在没有酸的情况下聚合DMA，即使在3天后， 1H NMR也没有检测到转化。结果表明，无论是RAFT试剂还是单体都不能单独在酸存在下引发聚合。值得注意的是，这种酸引发的聚合是在没有常规引发系统如热引发、光引发、氧化还原引发和电离辐射引发的情况下进行的。

为了更深入地了解这种极不寻常的反应，我们在70°C的1H NMR波谱下进行了一系列不同pH值下的动力学研究。在pH 6.5时，单体与CTA的水溶液未检测到转化。当添加0.1等量的CTA (pH 5.2)时，反应被成功触发，并发生了受控聚合，仅用20 ppm的硫酸就产生了聚(二甲基丙烯酰胺)(PDMA) (Ð = 1.12)。在如此低浓度的酸中进行RAFT聚合的可能性进一步强调了此方法的简单性。在逐渐增加酸的量至0.15当量(pH 4.7)和0.65当量(pH 3.0)时，监测到更快的聚合速率，而不影响对聚合的控制。然而，在较高的酸浓度(pH 1.7, 10等)下，没有观察到反应速率的进一步增加。这些动力学实验表明，自由基的形成速率与酸的加入量有关，直到达到一个阈值，之后聚合速率没有明显的变化。

由于硫酸是一种强酸，作者还考察了聚合过程中CTA降解的可能性。在pH = 3 (M n = 3000， Ð = 1.12)条件下合成了低分子量的PDMA，利用MALDI-ToF MS对其进行了分析。仅观察到一个单一的聚合物物种而没有检测到CTA降解的迹象。结果表明酸触发的RAFT聚合可以使聚合物具有非常高的端基保真度，副反应和终止反应被大大抑制。作者也对酸触发RAFT聚合和传统的热RAFT聚合进行了比较。合成相对高分子量的均聚物(聚合度1000)。以0.03当量的2,2′-偶氮唑(2-(2-咪唑林-2-基)丙烷)二盐酸(VA-044)为自由基引发剂，在70℃条件下进行热RAFT，得到的PDMA的分子量为Ð = 1.45。当采用酸触发RAFT聚合方法(10当量硫酸，pH 2)时，在类似的单体转化率(87%)下获得更窄的摩尔质量分布(Ð = 1.13)。为了探索该技术在保持高端基保真度的嵌段共聚物合成中的潜力，作者随后将目标瞄准了高分子量三嵌段共聚物的一锅合成。由于大量的终止反应在体系中逐渐积累，文献中很少尝试RAFT聚合来合成如此高分子量的嵌段共聚物。优化后的热RAFT聚合得到的三嵌段共聚物最终Ð为1.28，其中随着主要聚合物分布向高分子量转移，SEC可以观察到明显的低分子量尾迹。相比之下，当采用酸触发RAFT聚合时，三嵌段的最终Ð保持在1.16，观察到的尾渣大大减少。两种方法的端基保真度差异表明，酸可能具有潜在的双重作用，而不仅仅是负责自由基的产生。

图1. 酸引发的RAFT聚合

图2. 反应实例及表征

图3. 三嵌段共聚物的合成

【机理及应用】

为了更清楚地了解其机理，作者在不同温度下进行了一系列酸触发的聚合反应，并计算了活化能，发现其活化能为39.1 kJ/mol。获得的数据还排除了酸与RAFT试剂任何潜在相互作用的可能性，并指出酸触发的自引发机制涉及单体与酸的直接相互作用。在70°C无酸条件下没有观察到DMA的自聚合，可以排除常规的自聚合。因为水被用作反应介质，因此聚合在本质上几乎肯定是自由基的，阳离子途径可以被排除。已知丙烯酸单体在高温下(>200°C)通过Florytype自引发机制发生自引发，其中两个单体通过开壳单线态途径反应形成双自由基。然而，在较低温度下的自引发尚未报道，在70°C无酸条件下，没有观察到DMA的自引发。此外，聚合速率与加入体系的酸的量呈正相关，从而与自由基的产生呈正相关。因此，作者推测酸可能使单体质子化，从而静电催化这种自引发过程。为了验证这一猜测，作者使用密度泛函理论(DFT)计算来比较70°C存在和不存在酸的水中DMA的自引发可能性，发现自启动通过开壳单线态过渡态进行，与Flory机制一致。各种质子化状态都被认为是具有催化活性的，其中最有效的是氮的质子化，导致速率增加3.5个数量级。基于计算的势垒，预测催化反应的半衰期约为82分钟，符合该温度下的有效聚合。根据计算结果，丙烯酸的聚合应该在没有任何外部添加酸和没有自由基引发剂的情况下有效地进行。事实上，丙烯酸可以在70℃下有效聚合，单体转化率为79%，而添加酸的转化率也相当。根据理论和实验，酸可能不仅负责产生自由基，而且可能发挥潜在的额外作用。与使用热自由基引发剂的传统方法相反，RAFT和自由基酸引发的聚合都表现出抑制终止，这一事实进一步支持了酸的双重作用。此外，DFT计算阐明了催化效应的静电起源。当单体质子化后，DMA在70°C水中的生长速率系数增加了大约一个数量级。这些数据证实了酸的双重作用，不仅可以有效地触发起始反应，还可以提高聚合速率，因此需要更低的总自由基浓度才能达到相当的转化，从而导致更少的终止和更窄的摩尔质量分布。

图4. 可能得反应机理

【酸引发RAFT聚合的适用范围】

作者随后研究了该方法与各种单体、RAFT试剂、溶剂和酸的相容性。首先利用市售RAFT试剂CTA 2将DMA转换为NAM。在Ð = 1.13的水介质中获得了PNAM。在一系列极性溶剂例如二恶烷、乙醇、二甲基亚砜(DMSO)和乙腈中，也观察到一种酸触发的RAFT聚合，从而产生具有窄摩尔质量分布的聚合物(Ð < 1.2)。根据初步DFT计算，单体质子化引起的自引发并不仅限于丙烯酰胺，原则上也可以发生在更广泛的单体中，如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酰胺。以聚乙二醇甲基醚丙烯酸酯(PEGA480)为研究对象，以CTA 4为RAFT试剂(Ð = 1.18)进行聚合。以类似的方式，用CTA 5与SEC聚合N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺(HPMA)，在非常高的单体转化率下显示单模摩尔质量分布Ð = 1.19。这些单体在传统的RAFT聚合中通常表现出较慢的聚合速率。此外，使用二硫代苯甲酸2-氰基-2-丙基苯并二硫代酸(CTA 6)作为RAFT剂(Ð = 1.18)， 即使是相对疏水的甲基丙烯酸甲酯也可以在DMSO中聚合。在不影响对摩尔质量分布的控制的情况下，可以用较弱且更具生物相容性的酸(如乙酸和柠檬酸)代替硫酸。总之，这些实验突出了该酸触发RAFT聚合的稳定性和多功能性，可以在一系列不同的单体类别、RAFT试剂、溶剂和酸下成功运行。

总结，该工作中，作者提出了一种全新的酸触发的RAFT聚合，该聚合反应可以在没有光和外源热自由基引发剂(如过氧化物和偶氮化合物)的情况下进行。该方法操作简单，实用性广泛，将成为传统热RAFT和FRP的强大替代品。

来源：高分子科学前沿

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