新型 ATRP 方法或将改变特种塑料制造业

卡内基梅隆大学化学系(在新窗口中打开)的研究人员改进了一种流行技术，该技术用于生成一系列工业塑料，应用于从涂料和涂层到粘合剂和密封剂等多个领域。通过使用环保的反应条件，包括在水、光和水溶性染料的作用下进行反应，该新方法为在乳液聚合过程中以更环保、更实用的方式创造聚合物提供了一种有前景的方法。

在商业环境中，乳液聚合是制造一系列有用聚合物的最廉价方法之一。然而，该过程存在局限性，因为科学家无法精确控制所得聚合物的分子量和分散性。而控制聚合物结构是制造具有非常特定特性的特种聚合物的关键。

在最近发表在《美国化学学会杂志(在新窗口中打开)》上的研究中，化学博士生胡晓磊开发了一种新方法——光驱动微乳液原子转移自由基聚合（ATRP）——该方法可精确控制所得聚合物的结构。这种新方法扩大了可通过乳液聚合创建的聚合物的范围。

“这是首个在长波长光（特别是红光和近红外光）下进行的强健且高效的微乳液光ATRP示例，”自然科学J.C.华纳大学教授克日什托夫·马蒂亚斯泽夫斯基(在新窗口中打开)说。“在工业环境中进一步探索和应用这项技术可能会导致明确定义/特种聚合物的可持续和经济生产。”

ATRP 是最强大的受控聚合方法，它允许科学家以逐段的方式将单体连接在一起。通过对聚合物生长和形状的精确控制，科学家可以创造出具有特定特性的高度定制聚合物。然而，在乳液中进行成功的ATRP反应存在多种挑战，其中许多已通过马蒂亚斯泽夫斯基团队的工作得以克服。胡是马蒂亚斯泽夫斯基指导的三年级博士生，他利用在较长波长光下的光诱导ATRP，以便在乳液中更有效地使用它。

胡解释说，传统上，乳液聚合是通过添加化学试剂触发的，但他的目标不同。他旨在开发一种可在环境友好型反应条件下运行的更环保的ATRP反应，例如在水中、在开放空气中，并且可由光源引发。

“如今，光化学——基本上是利用低能光来引发和介导聚合——因其易于设置和环保特性而备受关注，”胡说。

虽然其他研究人员已经使用光来引发乳液聚合，但他们使用的是紫外线或短波长可见光，这些光在照入乳液时会发生散射，乳液本质上是彼此不溶的液体混合物，如油在水中。由于光发生散射，它无法在整个乳液中均匀分布以引发聚合，导致反应缓慢且对最终聚合物性质的控制有限。这在大规模反应中尤为明显。

为了绕过这个问题，胡转向了光谱中红光和近红外光区域的长波长光。他使用了一种常见的染料——亚甲蓝作为光催化剂。光催化剂是在暴露于光时会激活的材料，从而驱动化学反应。亚甲蓝是一种商用、水溶性染料，用于许多应用，包括作为药物。

在之前发表在《美国化学学会杂志》上的一篇论文中，胡发现这种染料具有非常有趣的光化学性质，可应用于ATRP。他证明，在开放空气中，亚甲蓝在均相溶液中的表现异常出色，导致快速且控制良好的聚合。

“我们真的被这个结果所激励，所以我们努力开发了一个在红光/近红外光下使用亚甲蓝作为光催化剂的乳液光ATRP系统，”胡说。

在目前的工作中，胡发现红光/近红外光导致微乳液中的聚合反应增强，而紫外线几乎不导致聚合反应。科学家还表明，当亚甲蓝暴露于红光/近红外光时，会迅速引发ATRP过程并控制聚合反应。

胡教授认为，最重要的是发现新方法中使用的较长波长的光即使在较大的反应器中也能保持高效的聚合作用。“这一发现对于光诱导乳液聚合在商业环境中的实际应用至关重要，”胡教授说道。

与胡教授和马蒂亚斯韦斯基一同，还有研究生尹荣冠和化学系校友 Jeapil Jeong 是该JACS论文的作者。研究资金包括来自美国国家科学基金会（CHE 2000391）和能源部（DE-SC0018784）的资助。