规整纳米结构的精确构筑：接枝共聚物的合成进展

(华东理工大学材料科学与工程学院，上海市先进聚合物材料重点实验室，上海 200237)

摘要：众多结构新颖的聚合物中，接枝共聚物具有独特的高密度刷状结构，能够很好地包容具有不同功能的侧链结构，在表面活性剂、抗污表面、生物医学、纳米技术和超分子科学等领域具有广泛的应用前景。接枝共聚物的结构相对复杂，合成较为困难，其中不对称双接枝共聚物的合成是最具挑战的课题之一。如何构建双接枝共聚物的通用合成平台，精确地向主链同一重复单元引入致密的双侧链Janus结构，是接枝共聚物制备的重要难题。本文综述了接枝共聚物，特别是中国科学院上海有机化学研究所黄晓宇课题组在不对称双接枝共聚物合成方面取得的最新进展。

合成组成规整、结构新颖的聚合物，并构筑精确的纳米结构长期以来一直受到高分子科学家的广泛关注。活性聚合技术的快速发展，为设计合成具有特定结构与功能的高分子提供了有效手段；而将有机合成方法学与活性聚合技术联用，使嵌段、接枝、星形、树枝状和超支化等结构新颖的聚合物不断涌现。这些结构新颖的聚合物为探究聚合物结构与性能之间的关系提供了便利，大大拓宽了聚合物的实际应用价值。接枝共聚物是将聚合物分子链的一端连接于另一条高分子侧链上，拓扑结构与普通聚合物有着很大的差异，这些差异导致接枝共聚物与普通线型聚合物的性质大不相同。因此，接枝共聚物在表面科学、生物医学、纳米技术、超分子科学和聚合物-无机纳米复合材料等领域都有着广泛的应用前景。然而，合成结构规整的接枝共聚物(结构组成明确，链段长度、分布可控)比普通线型共聚物更为困难，导致接枝共聚物的应用远远落后于后者。如何可控地合成结构规整的接枝共聚物，尤其是不对称双接枝共聚物的精确合成长期以来一直是学者们致力解决的难题。中国科学院上海有机化学研究所黄晓宇课题组近年来持续开展了结构规整的接枝共聚物的合成研究工作，取得了一系列突破性进展。本文将对接枝共聚物，特别是不对称双接枝共聚物的合成方法学进行总结，对黄晓宇课题组最近的工作进行重点评述，并展望其未来发展趋势。

黄晓宇课题组从2002年起，就致力于结构规整的两亲性接枝共聚物(分子刷)的研究，在聚合物的设计合成、可控自组装及其相关应用等方面做了系列研究工作。2006年，该课题组尝试对聚丙烯酸甲氧基甲酯(PMOMA)主链进行化学修饰以引入侧链引发基团[1]，从而构建结构新颖的星型接枝共聚物，但是所引入的侧链引发基团的含量最高只能达到25%，难以精确调控，因此最终得到的接枝共聚物的结构并不规整。与此同时，2006年，Zhao等[2]报道了同时含有聚丙交酯(PLLA)和聚苯乙烯(PS)侧链的两亲性接枝共聚物的合成，他们使用的是原子转移自由基聚合(ATRP)与开环聚合(ROP)相结合的策略：首先使用ATRP制备了聚甲基丙烯酸羟乙酯主链，然后通过对主链羟基的少量酯化反应，引入ATRP引发基团，通过ATRP聚合苯乙烯单体及羟基引发丙交酯单体的开环聚合反应，制备了结构规整的两亲性接枝共聚物PLLA-PS。2010年，他们又报道了采用可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)与点击化学(Click)反应相结合的策略，合成了含有聚乙二醇(PEG)和聚苯乙烯-聚异丙基丙烯酰胺(PS-b-PNIPAM)侧链的两亲性接枝共聚物[3]。首先利用ATRP合成了聚环氧丙基甲基丙烯酸酯(PGMA)主链，然后通过主链环氧基团的开环得到了羟基与叠氮官能团，通过末端炔基修饰的RAFT链转移试剂与主链叠氮的Click反应，引入RAFT链转移试剂，再通过酯化反应引入PEG侧链，以及连续的RAFT聚合引入PS-b-PNIPAM侧链，整个过程可以很好地实现活性/可控聚合。Xie等[4]采用ROP、开环易位聚合(ROMP)及ATRP相结合的策略，制备了高接枝密度的双接枝两亲性接枝共聚物。他们首先通过酯化反应制备了基于降冰片烯(NBE)结构的引发型单体NBE-OH/Br，这种引发型单体的骨架可用于后续ROMP，羟基可以引发ε-己内酯(CL)的开环聚合，而通过酯化反应引入的ATRP引发基团2-羰基溴可引发甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)的活性聚合。通过ROP、ROMP和ATRP的巧妙结合，得到了结构高度可控的双接枝两亲性接枝共聚物PNBE-g-PCL/PDMAEMA。Cheng等[5]采用RAFT、ROP和ROMP结合的策略，制备了同时含有聚苯乙烯和聚丙交酯侧链的双接枝两亲性接枝共聚物。同样，基于对降冰片烯单体结构的修饰，引入羟基和RAFT链转移剂；利用羟基引发丙交酯的开环聚合以及RAFT链转移剂调控苯乙烯的聚合，得到了接枝聚合物的侧链结构；再通过ROMP聚合降冰片烯单体，最终得到具有规整结构的双接枝两亲性接枝共聚物。

除了降冰片烯体系外，绝大部分合成规整接枝聚合物的策略均需引入后修饰反应，有可能对接枝聚合物的结构造成不利影响。因此，发展其他无需大分子修饰的方法来制备结构规整的接枝共聚物就显得尤为必要。2010年，黄晓宇课题组制备了结构新颖的含有ATRP引发基团的三官能化丙烯酸酯单体(tBBPMA)[6]，利用RAFT聚合与ATRP引发基团的共存性，合成了含有不同含量ATRP引发基团的大分子引发剂，解决了以往在大分子上通过化学反应难以接入高密度ATRP引发基团以及密度不可控性的缺陷，并以此大分子引发剂引发第二单体丙烯酸甲酯(MA)聚合，合成了结构规整的PtBBPMA-co-PMA接枝共聚物。

最近，黄晓宇课题组在《Nature Communications》上报道了其在结构规整的接枝共聚物的合成上所取得的最新重大突破[7]，他们以丙烯酸叔丁酯为初始原料，制得具有2-羰基溴与炔基官能团的丙烯酸酯单体(Br-acrylate-alkyne)，该单体本身的丙烯酸酯结构可以进行RAFT聚合；炔基可以发生高效点击化学CuAAC反应，实现grafting-onto策略；2-羰基溴基团可以引发ATRP，实现grafting-from策略。他们首先通过Baylis-Hillman反应得到羟甲基化的丙烯酸叔丁酯，其在4-二甲氨基吡啶(DMAP)的催化下，与2-溴代丙酸发生酯化反应，得到单体tBBPMA。然后通过三氟乙酸水解脱除叔丁基形成羧基结构与3-溴丙炔发生反应，最终得到了Br-acrylate-alkyne单体。通过简单的RAFT聚合，就可以得到主链的每一个重复单元都含有炔基与2-羰基溴官能团的大分子试剂(poly(Br-acrylate-alkyne))。由于ATRP与CuAAC反应具有相似的催化体系，这两种反应可以在同一反应体系中正交互不干扰地进行。借助ATRP与CuAAC反应广泛的单体普适性，他们成功地利用这种双功能化大分子试剂构建了通用的双接枝共聚物合成平台，可简单高效地一锅合成不同结构的双接枝共聚物，并且能够对共聚物的结构做到精确控制。图1示出了同时进行的ATRP和CuAAC反应一锅法构建不对称双接枝共聚物PA-g-PEA/PEO, PA-g-PDMAEA/PEO, PA-g-PS/PEO和 PA-g-PPFMA/PEO，所拓展的ATRP单体包括丙烯酸乙酯(EA)、丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEA)、苯乙烯(St)和甲基丙烯酸五氟苯酯(PFMA)等。这些单体的ATRP都符合一级动力学方程，可对支链长度进行精确控制。60 ℃时，通过3 h的反应，CuAAC的接枝效率可以达到90%以上。此外，他们通过对侧链五氟苯酯基团的官能团转换，还构建了不同结构的含聚丙烯酰胺类侧链的双接枝共聚物，进一步拓宽了双接枝共聚物合成平台的单体适用范围。

图1 通过同时进行的ATRP和CuAAC反应一锅法构建不对称双接枝共聚物PA-g-PEA/PEO, PA-g-PDMAEA/PEO, PA-g-PS/PEO和 PA-g-PPFMA/PEO
Fig.1 Construction of asymmetric molecular double-brushes: PA-g-PEA/PEO, PA-g-PDMAEA/PEO, PA-g-PS/PEO and PA-g-PPFMA/PEO in one pot system via the combination of ATRP and CuAAC click reaction

在目前已经报道的接枝共聚物合成策略中，黄晓宇课题组的合成方法体现了很好的普适性，能够制备其他体系难以获得的多种规整拓扑结构。但在向聚合物主链接入一些不能进行ATRP反应的单体时，这一策略还只能通过聚甲基丙烯酸五氟苯酯的转化来实现。如果能突破这一界限，该课题组所发展的接枝共聚物合成平台则为规整纳米结构的构建提供了一种重要的方法，对双接枝乃至多重接枝的共聚物合成方法学的研究发展起到很好的推进作用。

参考文献：

[1] PENG D, ZHANG X H, HUANG X Y. Novel starlike amphiphilic graft copolymers with hydrophilic poly(acrylic acid) backbone and hydrophobic poly(methyl methacrylate) side chains[J]. Macromolecules, 2006, 39(15): 4945-4947.

[2] WU D X, YANG Y F, CHENG X H,et al. Mixed molecular brushes with PLLA and PS side chains prepared by AGET ATRP and ring-opening polymerization[J]. Macromolecules, 2006, 39(22): 7513-7519.

[3] LIAN X M, WU D X, SONG X H,et al. Synthesis and self-assembly of amphiphilic asymmetric macromolecular brushes[J]. Macromolecules, 2010, 43(18): 7434-7445.

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[7] XU B B, FENG C, HUANG X Y. A versatile platform for precise synthesis of asymmetric molecular brush in one shot [J]. Nature Communcations, 2017, 8: 333.

Construction of Well-Defined Nanostructure: Advances in Preparation of Graft Copolymer

(Shanghai Key Laboratory of Advance Polymeric Materials, School of Materials Science and Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Abstract:Among macromolecules with complex architectures, graft copolymers represent a special type in which multiple chains are densely attached to a linear backbone. Because of their compact branched structure and persistent cylindrical shape, such polymers have emerged as a unique class of nanostructured polymers in surfactant, stain-resistance, biomedical, nano and supramolecular science. However, there is still few robust methods for efficient synthesis of such polymers due to their inherently challenging synthesis, especially for asymmetric molecular double-brushes bearing different dense side chains attached to the polymeric backbone with Janus-type conformation. Most of the developed synthetic routes for graft copolymer are limited to the need of polymeric functionality transformation, polynorbornene backbones or special cyclic monomers. How to construct a versatile platform for preparing graft copolymers still keeps a challenge for chemists. The aim of this article is to review and highlight the progress of preparation of graft copolymers, especially for asymmetric molecular double-brushes. Recently, Prof. Xiaoyu Huang and co-workers in Shanghai Institute of Organic Chemistry (SIOC), Chinese Academy of Sciences, have given their unique answer and talented way. Atom transfer radical polymerization (ATRP) is a particularly attractive controlled radical polymerization (CRP) process covering broad monomers, meanwhile, Cu-catalyzed azide/alkyne cycloaddition (CuAAC) “click” reaction with their high specificity and nearly quantitative yields have gained a great deal of attention. Huanget al. found that the combination of ATRP and “click” reaction can be used to directly synthesize the asymmetric molecular double-brushes in one pot system, because either ATRP or “click” reaction employ the copper/ligand catalytic system. This work is a breakthrough for preparation of asymmetric molecular double-brushes.

Key words:one pot; bifunctional initiator; asymmetric double graft copolymer

作者简介：姚远(1976-)，男，黑龙江哈尔滨人，博士生，主要从事聚合物的合成及自组装研究。 E-mail: yaoyuan@ecust.edu.cn