主题：【第十七届原创】色谱分离模式研究进展

聚合物刷的合成方法

聚合物刷是由聚合物链组成的超薄聚合物涂层，其一端拴在材料基底上，具有较高的接枝密度和厚度，呈现刷型构象。聚合物刷修饰改性是当前最有效的材料改性技术之一。其优势在于既可以保留材料的原有理化性质，同时由于聚合物刷自身可控的化学结构、密度和厚度，又可以赋予材料其它优异的性能，比如摩擦力、粘附力、生物相容性、润湿性和亲疏水性等。根据聚合物刷链所连接的基底类型，聚合物刷可形成一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）聚合物刷。目前，聚合物刷型材料已大量应用于组织工程、生物医学、分离科学等领域。

聚合物刷的接枝方法

聚合物刷的接枝方法主要包括“Grafting to”、“Grafting through”和“Grafting from”法。采用“Grafting from”法接枝聚合物刷的方法中，可控/“活性”自由基聚合法的应用最多，因此也可称为表面引发自由基聚合法。1982年，Otsu等最先提出了“活性”自由基聚合的概念。然而，直到20世纪90年代中期，才引起聚合物科学界的重视，至今有三种可控/“活性”自由基聚合法已经广泛应用于材料表面聚合物刷的合成，分别是原子转移自由基聚合法（ATRP）、氮氧化物介导自由基聚合法（NMP）和可逆加成-断裂链转移聚合法（RAFT）。

ATRP法最早在1995年被报道，其特点是通过金属催化剂与活性高分子链的可逆结合来降低体系自由基浓度，从而抑制链终止反应，进而实现对聚合物分子量和聚合物多分散性（polydispersity index，PDI）的控制。ATRP的聚合机理可以分为两个阶段：链引发阶段和链增长阶段。在链引发阶段，烷基卤化物（R-X）作为引发剂，被低氧化态的金属络合物催化剂（LCu^IX）夺取卤原子X，生成初级自由基R·和高氧化态的金属络合物（X-LCu^IIX）。R·引发单体M生成单体自由基即活性态，活性种进一步引发单体M聚合形成增长链自由基Pn·。在链增长阶段，Pn·夺取高氧化态的金属络合物（X-LCu^IIX）的卤原子X成为Pn-X休眠态，同时将高氧化态的金属络合物还原为低氧化态。低氧化态的金属络合物再夺取休眠态Pn-X的卤原子X成为高氧化态的金属络合物，因此金属络合物作为催化剂使得活性态和休眠态达到一个动态平衡状态，在此平衡态中，休眠态的高分子更占优势，活性态的高分子浓度相对降低，使得副反应得到了有效的控制。除此之外，动态平衡过程降低了体系中自由基的总体浓度，抑制了链终止反应，因此分子量可以得到控制。1997年，Huang和Wirth等^[63]首次使用ATRP法在二氧化硅颗粒上接枝了聚丙烯酰胺（PAM）刷，所制备的色谱柱对蛋白质具有一定的分离能力。

NMP法在1985年被Solomon等发现。直到1993年，Georges等的开创性新工作被报道之后，NMP法才得到广泛关注。NMP法的主要特点在于可以合成较窄分子量分布的聚合物以及具有再活化的聚合物链端，可以重新引发聚合。其机理与ATRP法类似，简要来说，引发剂烷氧基胺首先发生均裂形成烷基自由基和较稳定的氮氧自由基，烷基自由基引发体系中单体的聚合形成新的增长链自由基，大部分的增长链自由基又与氮氧自由基重新结合，又形成大分子烷氧基胺休眠态，大分子烷氧基胺又可以再次均裂引发聚合反应，至此便建立了增长链与休眠态之间的平衡。达到该平衡的除了由烷氧基胺本身的均裂之外，还可以引入传统的热引发剂比如偶氮二异丁腈（AIBN）或过氧化二苯甲酰（BPO），由它们产生的自由基引发NMP聚合。1999年Husseman等首次报道了将NMP应用于聚合物刷的合成，成功地在三氯硅烷功能化的硅片上键合了2,2,6,6-四甲基哌啶氧基（TEMPO）作为引发剂，制备了厚度高达120 nm 的聚苯乙烯刷。

RAFT法在1998年首次被Rizzardo等报道，RAFT反应需要引发剂（如偶氮二异丁腈AIBN）提供连续的自由基源，此后链转移试剂（CTA）促进链转移并使增长链自由基在活化态和休眠态之间进行切换。RAFT机理所示：在I阶段，引发剂断裂产生的自由基I·。在Ⅱ阶段，自由基I·可引发单体的聚合，产生增长链自由基Pn·。在III中，Pn·与链转移试剂（CTA）发生加成反应，产生不稳定的自由基中间体Pn·CTA，自由基中间体既可以可逆分解也可以生成休眠态的大分子Pn-CTA和具有引发活性的新自由基R·^[70]。在Ⅳ阶段，R·引发单体反应生成Pm·。在V阶段中，Pm·与Pn-CTA发生加成反应并断裂，产生新的休眠态Pm-CTA与活化态的Pn·。由于这些反应过程都是可逆的，体系中的增长自由基Pn·浓度因CTA的转移能力，始终被控制在较低的水平，大大降低了体系双基的链终止概率，从而实现可控/“活性”自由基聚合。

RAFT聚合反应可以通过表面固定常规自由基引发剂或表面固定RAFT链转移剂两种方式进行。2002年Baum等较早地报道了采用表面引发RAFT法制备聚合物刷，在游离的链转移剂（CTA）二硫代苯甲酸-2-苯丙酯和引发剂AIBN的存在下，在表面固定偶氮引发剂的硅晶片上制备了聚二甲基丙烯酰胺（PDMAM）刷。Khani等采用表面引发RAFT聚合技术合成了聚异戊二烯接枝的二氧化硅纳米粒子。将高温稳定的链转移剂2-[(十二基硫硫代碳酰)硫]丙酸（DoPAT）固定到具有可控接枝密度的二氧化硅颗粒表面，合成了具有低分散性和可预测分子量的聚合物。作者发现表面固定的DoPAT对异戊二烯的表面接枝聚合显示出优异的可控性。与游离DoPAT介导的聚合相比，异戊二烯的表面RAFT聚合以更高的速率进行，并且随着DoPAT表面密度的增加，也以更高的速率进行。

ATRP、NMP和RAFT聚合法制备聚合物刷作为最常用的三种方法，有着各自的优势与缺点。ATRP法的优势在于反应条件温和，单体与溶剂的适用范围较广，而且引发剂烷基卤化物可以直接商业购买，但是环境中的氧可以猝灭自由基反应，同时也可以氧化金属络合物催化剂，因此在反应之前需要进行氧的去除。除此之外，在反应结束之后，体系中的具有毒性的金属络合物催化剂也不易去除，因此在医学生物材料聚合刷的合成中受到了限制。对于NMP法，它的优势在于不需要额外的催化剂，便于反应后的纯化步骤，也减少了引入杂质的可能性。但是其缺陷在于引发反应需要较高的温度以及可应用的单体范围有限，尤其是不适用于温敏性单体的聚合。此外特定单体的聚合可能还需要合成针对性的氮氧化物作为引发剂，因此这进一步限制了NMP法的应用。RAFT法合成聚合物刷相比前两种方法具有更好的通用性，一方面常规的自由基聚合可以通过加入链转移试剂转化为RAFT聚合，另一方面其适用于大部分的单体与溶剂条件，甚至可以在水溶液中进行聚合，其缺点在于商业化的链转移试剂价格昂贵，往往需要自行合成，而链转移试剂本身具有各自的颜色，会影响最终聚合物刷材料的颜色，这是其最大的局限性，此外体系中的氧气也同样会干扰RAFT聚合。