e-ATRP水相制備溫度響應高分子微凝膠
——有關高分子微凝膠的新實驗設計與實踐

張來英，康瑋，徐浩金，趙浩博，王薔薇，吳偉泰

廈門大學化學化工學院，福建 廈門 361005

實驗教學是化學類專業本科教學中不可或缺的部分，不僅有助于加深學生對化學理論知識的理解，還可以培養學生學以致用和動手實踐的能力。隨著新時代科技創新人才培養的深化推進，學生在掌握基礎化學理論知識、具備基本動手實踐能力的同時，更需要緊跟科研前沿和社會高質量發展需求，養成學科交叉融合思維和環保意識，鍛煉科技創新實踐能力。

高分子化學本科教學中已涉及原子轉移自由基聚合(Atom Transfer Radical Polymerization，ATRP)等可控/活性聚合概念，但是并未深入挖掘，較欠缺相關實驗[1-5]。ATRP是目前最重要的可控/活性聚合方法之一[6,7]，廣泛用于高分子結構設計以及功能高分子材料的合成，例如刺激響應高分子(也稱智能高分子)微凝膠的聚合制備[8]。高分子微凝膠兼具高分子、凝膠和膠體性質，在食品、生物醫藥等方面得到廣泛應用，賦予其智能響應特性是前沿熱點之一，在生物傳感器、物質運輸等領域具有很好的應用前景。ATRP方法用于合成刺激響應高分子微凝膠，可實現對結構、粒徑等的可控，已成為相關領域研究常用方法。鑒于ATRP主要利用銅離子價態轉變來催化反應的進行，其中還原劑被氧化后會生成副產物，研究者發展了電化學原子轉移自由基聚合(Electrochemical Atom Transfer Polymerization，e-ATRP)，即用電子代替還原劑來控制聚合反應[9,10]。相較于一般ATRP方法，e-ATRP所需金屬催化劑可低至10-6級別，在降低成本的同時更綠色環保，還可通過改變電流、電位等來控制反應，大大提高了反應的可控性。

基于此，筆者結合自身多年從事高分子化學教學和科研的經歷[11]，以大學生創新實驗為背景，設計了e-ATRP水相制備刺激響應高分子微凝膠的基礎實驗。本實驗選取溫度響應高分子作為實驗體系，以研究起步較早、受廣泛關注且較深入已有較多驗證的溫度響應微凝膠作為具體實驗對象，在一定程度上反映可控/活性聚合、電合成、刺激響應高分子等知識。本實驗結合了前沿性、綜合性和環保性等特點，且便于操作，提供常用實驗方法的基礎訓練，可為學生深入相關領域學習和研究奠定基礎。在教學過程中，還結合曾在廈門大學任教的錢人元先生擅長開拓邊緣學科新領域等事跡，以及廈門大學在電化學服務國家重要需求等方面的事例，深入挖掘身邊的思政元素，潛移默化地影響學生，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當，實現價值引領和知識傳授的同頻共振。

1 實驗目的

(1)學習和掌握高分子化學知識，理解可控/活性聚合的操作過程；

(2)掌握電合成方法；

(3)了解紫外-可見分光光度計和動態激光光散射法在高分子研究中的運用。

2 實驗原理

2.1 ATRP原理

ATRP方法以有機鹵化物為引發劑、鹵化亞銅和有機配體形成的絡合物為催化劑，通過引發劑與CuI-L+反應得到自由基R·，進而引發聚合反應得到鏈自由基R-M·，同時生成X-CuIIL+；鏈自由基R-M·也可以與X-CuIIL+發生鏈終止反應得到R-M-X與CuI-L+。整個反應過程中，活性種R-M·與休眠種R-M-X之間的相互轉化始終存在，而CuI-L+和X-CuIIL+之間的可逆轉化有效降低了活性種R-M·的濃度，從而實現可控/活性聚合(如圖1所示)[1]。

圖1 傳統ATRP聚合機理示意圖

但上述方法存在一系列的問題：反應中需保持CuI-L+一定濃度，需在無氧體系中進行，需較大量的催化劑。為了解決這些問題，Krzysztof Matyjaszewski課題組提出了一種改良方法AGET-ATRP。相較于傳統ATRP，其創新之處在于向體系中間歇性地加入了過量還原劑不斷還原X-CuIIL+生成CuI-L+，有效降低了催化劑的使用量，使得反應可以在少量氧氣存在的體系之中進行。然而，AGET-ATRP過程中，還原劑被氧化后會生成副產物，可能對聚合物性能有不良影響，也無法對聚合過程實時控制。

2011年，Krzysztof Matyjaszewski課題組基于AGET-ATRP，提出了一種全新的ATRP方法，即e-ATRP (圖2)[8]。e-ATRP方法使用電子尤其是電流代替還原劑，通過電化學反應將在空氣中較為穩定的X-CuIIL+還原成CuIL+來進行ATRP控制聚合反應。相較于一般ATRP方法，e-ATRP具有聚合速率可控性更好、催化劑用量更低、無需還原劑、更加環保等優點。在此工作的基礎之上，Krzysztof Matyjaszewski課題組進一步發展了可用于水相合成的e-ATRP方法[9]。

圖2 e-ATRP聚合機理示意圖

2.2 合成原理

本實驗基于水相e-ATRP體系，以EO2為單體、PEGDMA為交聯劑，采用電化學方法，在水相體系中一鍋制備一種具有溫度響應的高分子微凝膠，反應機理如圖3所示。Cu(I)的配合物與EO2反應生成自由基，自身被氧化為Cu(II)。之后自由基引發鏈增長過程，同時與交聯劑PEGDMA發生交聯反應，形成交聯的高分子微凝膠。同時，Cu(II)的配合物在陰極上發生還原反應，重新回到Cu(I)繼續產生自由基。以α-溴苯乙酸乙酯為引發劑，通過其與[CuI(Me6TREN)]+的反應得到自由基引發聚合反應，生成[CuII(Me6TREN)]+。在整個反應過程中，[CuI(Me6TREN)]+與[CuII(Me6TREN)]+之間的相互轉化始終存在，有效降低了活性中心-自由基的濃度，同時通過電化學還原[CuII(Me6TREN)]+的方法保證[CuI(Me6TREN)]+始終保持在一定濃度，減少了催化劑的使用。

圖3 本實驗反應機理圖

3 實驗儀器和試劑

3.1 實驗儀器

鉑片電極、銀/氯化銀電極、鉑絲電極；分析天平、磁力攪拌器、磁子；標準磨口四頸瓶(100 mL/19#mm × 4)、橡皮塞、封口膜、4個10 mL容量瓶、1個50 mL容量瓶、3個25 mL小燒杯、大燒杯、移液槍、滴管若干。

電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)，紫外-可見分光光度計(Thermo Sxientific公司，Multiskan GO全波長酶標儀)；動態激光光散射儀器(BI-200SM, Brookhaven公司)。

3.2 實驗試劑

2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(EO2，Aldrich)，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA，Aladdin)，溴化銅(ALFA)，三(2-二甲氨基乙基)胺(Me6TREN，邁瑞爾)，α-溴苯乙酸乙酯(畢得醫藥)，溴化鉀(ALFA)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF，國藥集團藥業股份有限公司)，試劑純度均為分析純。

4 實驗步驟

4.1 電極反應液的配制

(1)聚乙二醇二甲基丙烯酸酯溶液：用移液槍移取90 μL PEGDMA于10 mL容量瓶中，加入純水定容至刻度線，貼上標簽注明①；

(2) Cu2+/Me6TREN溶液：稱取22.3 mg溴化銅于25 mL小燒杯中，加入少量純水攪拌溶解，再加入30 μL Me6TREN，攪拌，轉移到10 mL容量瓶中，洗滌2-3次，將洗滌液并入容量瓶中，加入純水定容至刻度線，貼上標簽注明②；

(3) α-溴苯乙酸乙酯DMF溶液：用移液槍移取36 μL α-溴苯乙酸乙酯于10 mL容量瓶中，加入DMF定容至刻度線，貼上標簽注明③；

(4)溴化鉀溶液：稱取595 mg溴化鉀于25 mL小燒杯中，加入少量純水攪拌溶解，轉移到10 mL容量瓶中，洗滌2-3次，將洗滌液并入容量瓶中，加入純水定容至刻度線，貼上標簽注明④；

(5)反應液：用移液槍移取185 μL EO2于50 mL 容量瓶中，再加入1.0 mL ①溶液，1.0 mL ②溶液，0.5 mL ③溶液和20 μL ④溶液，加入純水定容至刻度線，搖勻備用。

上述(1)-(4)待用反應液如圖4所示。

圖4 待用溶液圖

4.2 電極處理、裝置搭建和電化學反應

(1)鉑電極的預處理：將鉑電極置于熱的(1 + 1) HNO3中浸泡，再用純水沖洗干凈，濾紙吸干備用；

(2)用純水沖洗參比電極和對電極，濾紙吸干備用；

(3)按照反應裝置圖(圖5)接好儀器：在洗凈干燥的四口瓶中，加入配制好的反應液約25-30 mL，放入攪拌磁子，分別插入洗凈的鉑片電極(工作電極)、銀/氯化銀電極(參比電極)和對電極(注意：反應液要沒過電極，攪拌磁子不能和電極碰撞)，用封口膜纏緊三個電極對應的瓶口；

圖5 反應裝置圖

(4)在四口瓶的剩余一口上裝上橡皮塞，取一長針頭插入反應液，針頭另一端連接氣路，先打開氮氣鋼瓶閥門，再緩慢打開氣路閥門，控制氣流大小為正常鼓泡，通氮氣30 min；

(5)打開電化學工作站，檢測設備是否正常，接好電極與相應導線，進行循環伏安法測試(CV)，確定合適的反應電壓；

(6)設定反應電壓為-0.5 V，開始反應，持續電解1 h。反應結束，抽出通氣針頭，關閉氣閥和氣瓶，拆除導線和電極，倒出反應液備用。

4.3 表征和測試

(1)干凈的樣品瓶中，加入微凝膠分散液0.5 mL和純水20.0 mL，使用渦旋振蕩器分散5 min，然后靜置0.5 h。

(2)用紫外-可見分光光度計測量不同溫度下微凝膠稀溶液的吸光度。

(3)用干凈的玻璃針筒注射器和針頭式過濾器，過濾、除塵。用動態激光光散射儀測量不同溫度下微凝膠的尺寸和粒徑分布。

5 結果與討論

5.1 吸光度測試

用紫外-可見分光光度計測試微凝膠稀溶液對400 nm波長處光的吸收值，數據詳見表1。

表1 不同溫度下微凝膠稀溶液對400 nm波長處光的吸收值

從不同溫度下微凝膠稀溶液對400 nm波長處光的吸光度的結果(圖6)可以看出：隨著溫度的升高，吸光度先上升后趨于平穩。這代表溶質微凝膠的密度隨溫度上升逐漸增大隨后基本保持不變。對400 nm吸光度-溫度曲線進行求導并再次擬合，得到相轉變溫度應為37.02 °C。

圖6 微凝膠溶液對400 nm波長光吸光度-溫度圖(左)及其一階導數圖(右)

5.2 動態激光光散射儀測試

如圖7所示，隨著溫度上升，S型曲線整體向下偏移，代表微凝膠的水合粒徑隨著溫度上升而逐漸下降，隨后基本保持平穩，與吸光度測定結果一致。

圖7 不同溫度下微凝膠的自相關函數(歸一化)變化圖(左)及其局部放大圖(右)

上述分析結果在圖8之中得到了印證，實驗進一步對粒徑＜Dh>求導后進行擬合，得到相轉變溫度為36.86 °C。這一結果與前述吸光度測試結果相一致。

圖8 不同溫度下微凝膠的水合粒徑圖(左)及其一階導數圖(右)

綜合上述分析結果，可以得出以下結論：在較低溫度下，隨著溫度的升高，一開始粒徑基本沒有變化，聚合物鏈與水之間存在較強的氫鍵，微凝膠處于較好的溶脹狀態；當溫度進一步提高以后，聚合物鏈與水之間的氫鍵逐漸被破壞，聚合物鏈與聚合物鏈之間的疏水相互作用逐漸成為主導，使微凝膠發生收縮，微凝膠的粒徑變小，即微凝膠發生體積相轉變，直至達到新的平衡。

6 思考題

(1)在ATRP可控/活性聚合方法中，還原劑的選擇原則是什么？

(2)化學合成實驗之前，為什么要確定合適的反應電壓？簡述電壓的選取原則。

(3)簡述e-ATRP如何使用電化學技術控制聚合反應。還有哪些電化學技術可以用于控制反應?

(4)在ATRP可控/活性聚合方法中，所使用的金屬催化劑是否會污染最終樣品？如果你認為會，如何從根本上解決金屬催化劑帶來的不利影響。

(5)結合之前學習的化學知識，本實驗可以拓展到其他哪些高分子的合成?

7 實驗組織運行建議

本實驗一共5學時左右，其中制備2學時、表征3學時，學生單人單套操作，可以作為基礎實驗引入。本實驗涵蓋高分子化學、電合成與儀器分析等領域，較適合高年級本科生在修讀完高分子化學、物理化學、分析化學等課程后開展，并可從以下多方面對學生知識、素質和能力展開訓練：

(1)在實驗之前，指導學生通過查閱相關文獻了解實驗和儀器相關原理和步驟等，做好預習工作，培養學生的自主學習意識及文獻檢索閱讀能力。

(2)在實驗開展之初，將可控/活性聚合、電合成、刺激響應高分子等領域的最新科研成果及發展方向引入課程背景介紹，拓展學生視野，激發學生的科研興趣。

(3)合成過程不僅可以幫助學生鞏固可控/活性聚合、電合成、刺激響應高分子等化學理論知識，使學生理解各學科之間的內在聯系，構建連貫的知識體系，培養學科交叉融合思維，同時提供常用實驗方法的基礎訓練，掌握電合成裝置等常規科研設備的使用，提升學生的科研素養。

(4)溫度響應特性的表征過程可以幫助學生熟悉紫外-可見分光光度計和動態光散射儀等科研儀器的原理及數據分析過程，培養學生理論聯系實驗、學以致用的創新思維。

(5)在數據整理及實驗報告撰寫過程中，要求學生運用所學的相關基礎知識解釋實驗現象，了解科研基本思路和方法，為學生深入相關領域學習和研究奠定基礎。

本實驗是廈門大學化學化工學院綜合化學實驗“溫度響應高分子微凝膠的水相制備與表征”[11]的并行實驗之一。以后者為主的實驗，自2012年以來已經運行10輪，實驗開設初衷是為“拔尖計劃”大三學生提供必修實驗訓練，授課形式為實驗研討課：實驗前講授實驗方法、原理和實驗技術等相關知識和要求，實驗過程中即時研討實驗現象。此外，該實驗[11]合成側重傳統自由基聚合；與此不同，本實驗合成聚焦可控/活性聚合、電合成。

8 結語

可控/活性聚合是高分子合成最重要的方法之一，已成為相關領域研究常用方法。高分子化學本科教學中已涉及ATRP等可控/活性聚合概念，但是并未深入挖掘，也較欠缺相關實驗。基于此，我們設計了e-ATRP水相制備刺激響應高分子微凝膠的基礎實驗，選取溫度響應高分子作為實驗體系，以研究起步較早、受廣泛關注且較深入而已有較多驗證的溫度響應微凝膠作為具體實驗對象，并在一定程度上反映可控/活性聚合、電合成、刺激響應高分子等知識。本實驗涉及高分子化學、電合成與儀器分析等領域，涵蓋面較廣，有助于學生在深化理解相關理論知識和增強動手實踐能力的同時，初步感受科研魅力，開闊視野與科研前沿接軌，強化綜合運用知識能力，培養學科交叉融合思維和環保意識，鍛煉創新實踐能力，為將來學習深造、解決實際問題奠定基礎。

本實驗采用電合成裝置在水相中進行微量合成，簡便易行，綠色環保、安全可靠并且成本較低。本實驗具有較好普適性和較強的可設計性，允許拓展其他高分子的合成，也可在現有基礎上進一步嘗試各種電化學技術，因而適合于不同院校根據實際情況開展相關教學工作。