張來(lái)英，康瑋，徐浩金，趙浩博，王薔薇，吳偉泰

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門 361005

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)類專業(yè)本科教學(xué)中不可或缺的部分，不僅有助于加深學(xué)生對(duì)化學(xué)理論知識(shí)的理解，還可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用和動(dòng)手實(shí)踐的能力。隨著新時(shí)代科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的深化推進(jìn)，學(xué)生在掌握基礎(chǔ)化學(xué)理論知識(shí)、具備基本動(dòng)手實(shí)踐能力的同時(shí)，更需要緊跟科研前沿和社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展需求，養(yǎng)成學(xué)科交叉融合思維和環(huán)保意識(shí)，鍛煉科技創(chuàng)新實(shí)踐能力。

高分子化學(xué)本科教學(xué)中已涉及原子轉(zhuǎn)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(guān)實(shí)驗(yàn)[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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及功能高分子材料的合成，例如刺激響應(yīng)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(zhì)，在食品、生物醫(yī)藥等方面得到廣泛應(yīng)用，賦予其智能響應(yīng)特性是前沿?zé)狳c(diǎn)之一，在生物傳感器、物質(zhì)運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。ATRP方法用于合成刺激響應(yīng)高分子微凝膠，可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)、粒徑等的可控，已成為相關(guān)領(lǐng)域研究常用方法。鑒于ATRP主要利用銅離子價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變來(lái)催化反應(yīng)的進(jìn)行，其中還原劑被氧化后會(huì)生成副產(chǎn)物，研究者發(fā)展了電化學(xué)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(Electrochemical Atom Transfer Polymerization，e-ATRP)，即用電子代替還原劑來(lái)控制聚合反應(yīng)[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(jí)別，在降低成本的同時(shí)更綠色環(huán)保，還可通過(guò)改變電流、電位等來(lái)控制反應(yīng)，大大提高了反應(yīng)的可控性。

基于此，筆者結(jié)合自身多年從事高分子化學(xué)教學(xué)和科研的經(jīng)歷[11]，以大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為背景，設(shè)計(jì)了e-ATRP水相制備刺激響應(yīng)高分子微凝膠的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)選取溫度響應(yīng)高分子作為實(shí)驗(yàn)體系，以研究起步較早、受廣泛關(guān)注且較深入已有較多驗(yàn)證的溫度響應(yīng)微凝膠作為具體實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在一定程度上反映可控/活性聚合、電合成、刺激響應(yīng)高分子等知識(shí)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合了前沿性、綜合性和環(huán)保性等特點(diǎn)，且便于操作，提供常用實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)訓(xùn)練，可為學(xué)生深入相關(guān)領(lǐng)域?qū)W習(xí)和研究奠定基礎(chǔ)。在教學(xué)過(guò)程中，還結(jié)合曾在廈門大學(xué)任教的錢人元先生擅長(zhǎng)開(kāi)拓邊緣學(xué)科新領(lǐng)域等事跡，以及廈門大學(xué)在電化學(xué)服務(wù)國(guó)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(xué)生，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)，實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)和知識(shí)傳授的同頻共振。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)學(xué)習(xí)和掌握高分子化學(xué)知識(shí)，理解可控/活性聚合的操作過(guò)程；

(2)掌握電合成方法；

(3)了解紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)和動(dòng)態(tài)激光光散射法在高分子研究中的運(yùn)用。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 ATRP原理

ATRP方法以有機(jī)鹵化物為引發(fā)劑、鹵化亞銅和有機(jī)配體形成的絡(luò)合物為催化劑，通過(guò)引發(fā)劑與CuI-L+反應(yīng)得到自由基R·，進(jìn)而引發(fā)聚合反應(yīng)得到鏈自由基R-M·，同時(shí)生成X-CuIIL+；鏈自由基R-M·也可以與X-CuIIL+發(fā)生鏈終止反應(yīng)得到R-M-X與CuI-L+。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，活性種R-M·與休眠種R-M-X之間的相互轉(zhuǎn)化始終存在，而CuI-L+和X-CuIIL+之間的可逆轉(zhuǎn)化有效降低了活性種R-M·的濃度，從而實(shí)現(xiàn)可控/活性聚合(如圖1所示)[1]。

圖1 傳統(tǒng)ATRP聚合機(jī)理示意圖

但上述方法存在一系列的問(wèn)題：反應(yīng)中需保持CuI-L+一定濃度，需在無(wú)氧體系中進(jìn)行，需較大量的催化劑。為了解決這些問(wèn)題，Krzysztof Matyjaszewski課題組提出了一種改良方法AGET-ATRP。相較于傳統(tǒng)ATRP，其創(chuàng)新之處在于向體系中間歇性地加入了過(guò)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(yīng)可以在少量氧氣存在的體系之中進(jìn)行。然而，AGET-ATRP過(guò)程中，還原劑被氧化后會(huì)生成副產(chǎn)物，可能對(duì)聚合物性能有不良影響，也無(wú)法對(duì)聚合過(guò)程實(shí)時(shí)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(guò)電化學(xué)反應(yīng)將在空氣中較為穩(wěn)定的X-CuIIL+還原成CuIL+來(lái)進(jìn)行ATRP控制聚合反應(yīng)。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(wú)需還原劑、更加環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在此工作的基礎(chǔ)之上，Krzysztof Matyjaszewski課題組進(jìn)一步發(fā)展了可用于水相合成的e-ATRP方法[9]。

圖2 e-ATRP聚合機(jī)理示意圖

2.2 合成原理

本實(shí)驗(yàn)基于水相e-ATRP體系，以EO2為單體、PEGDMA為交聯(lián)劑，采用電化學(xué)方法，在水相體系中一鍋制備一種具有溫度響應(yīng)的高分子微凝膠，反應(yīng)機(jī)理如圖3所示。Cu(I)的配合物與EO2反應(yīng)生成自由基，自身被氧化為Cu(II)。之后自由基引發(fā)鏈增長(zhǎng)過(guò)程，同時(shí)與交聯(lián)劑PEGDMA發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成交聯(lián)的高分子微凝膠。同時(shí)，Cu(II)的配合物在陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，重新回到Cu(I)繼續(xù)產(chǎn)生自由基。以α-溴苯乙酸乙酯為引發(fā)劑，通過(guò)其與[CuI(Me6TREN)]+的反應(yīng)得到自由基引發(fā)聚合反應(yīng)，生成[CuII(Me6TREN)]+。在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，[CuI(Me6TREN)]+與[CuII(Me6TREN)]+之間的相互轉(zhuǎn)化始終存在，有效降低了活性中心-自由基的濃度，同時(shí)通過(guò)電化學(xué)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(shí)驗(yàn)反應(yīng)機(jī)理圖

3 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

3.1 實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)磨口四頸瓶(100 mL/19#mm × 4)、橡皮塞、封口膜、4個(gè)10 mL容量瓶、1個(gè)50 mL容量瓶、3個(gè)25 mL小燒杯、大燒杯、移液槍、滴管若干。

電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)，紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(Thermo Sxientific公司，Multiskan GO全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀)；動(dòng)態(tài)激光光散射儀器(BI-200SM, Brookhaven公司)。

3.2 實(shí)驗(yàn)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(yī)藥)，溴化鉀(ALFA)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF，國(guó)藥集團(tuán)藥業(yè)股份有限公司)，試劑純度均為分析純。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 電極反應(yīng)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(biāo)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?dāng)嚢枞芙?，再加?0 μL Me6TREN，攪拌，轉(zhuǎn)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(biāo)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(biāo)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?dāng)嚢枞芙?，轉(zhuǎn)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(biāo)簽注明④；

(5)反應(yīng)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(yīng)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(xué)反應(yīng)

(1)鉑電極的預(yù)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(duì)電極，濾紙吸干備用；

(3)按照反應(yīng)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(yīng)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(duì)電極(注意：反應(yīng)液要沒(méi)過(guò)電極，攪拌磁子不能和電極碰撞)，用封口膜纏緊三個(gè)電極對(duì)應(yīng)的瓶口；

圖5 反應(yīng)裝置圖

(4)在四口瓶的剩余一口上裝上橡皮塞，取一長(zhǎng)針頭插入反應(yīng)液，針頭另一端連接氣路，先打開(kāi)氮?dú)怃撈块y門，再緩慢打開(kāi)氣路閥門，控制氣流大小為正常鼓泡，通氮?dú)?0 min；

(5)打開(kāi)電化學(xué)工作站，檢測(cè)設(shè)備是否正常，接好電極與相應(yīng)導(dǎo)線，進(jìn)行循環(huán)伏安法測(cè)試(CV)，確定合適的反應(yīng)電壓；

(6)設(shè)定反應(yīng)電壓為-0.5 V，開(kāi)始反應(yīng)，持續(xù)電解1 h。反應(yīng)結(jié)束，抽出通氣針頭，關(guān)閉氣閥和氣瓶，拆除導(dǎo)線和電極，倒出反應(yīng)液備用。

4.3 表征和測(cè)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(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)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(guò)濾器，過(guò)濾、除塵。用動(dòng)態(tài)激光光散射儀測(cè)量不同溫度下微凝膠的尺寸和粒徑分布。

5 結(jié)果與討論

5.1 吸光度測(cè)試

用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試微凝膠稀溶液對(duì)400 nm波長(zhǎng)處光的吸收值，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下微凝膠稀溶液對(duì)400 nm波長(zhǎng)處光的吸收值

從不同溫度下微凝膠稀溶液對(duì)400 nm波長(zhǎng)處光的吸光度的結(jié)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(wěn)。這代表溶質(zhì)微凝膠的密度隨溫度上升逐漸增大隨后基本保持不變。對(duì)400 nm吸光度-溫度曲線進(jìn)行求導(dǎo)并再次擬合，得到相轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)為37.02 °C。

圖6 微凝膠溶液對(duì)400 nm波長(zhǎng)光吸光度-溫度圖(左)及其一階導(dǎo)數(shù)圖(右)

5.2 動(dòng)態(tài)激光光散射儀測(cè)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(wěn)，與吸光度測(cè)定結(jié)果一致。

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

上述分析結(jié)果在圖8之中得到了印證，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)粒徑＜Dh>求導(dǎo)后進(jìn)行擬合，得到相轉(zhuǎn)變溫度為36.86 °C。這一結(jié)果與前述吸光度測(cè)試結(jié)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(dǎo)數(shù)圖(右)

綜合上述分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：在較低溫度下，隨著溫度的升高，一開(kāi)始粒徑基本沒(méi)有變化，聚合物鏈與水之間存在較強(qiáng)的氫鍵，微凝膠處于較好的溶脹狀態(tài)；當(dāng)溫度進(jìn)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(dǎo)，使微凝膠發(fā)生收縮，微凝膠的粒徑變小，即微凝膠發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變，直至達(dá)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(xué)合成實(shí)驗(yàn)之前，為什么要確定合適的反應(yīng)電壓？簡(jiǎn)述電壓的選取原則。

(3)簡(jiǎn)述e-ATRP如何使用電化學(xué)技術(shù)控制聚合反應(yīng)。還有哪些電化學(xué)技術(shù)可以用于控制反應(yīng)?

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

(5)結(jié)合之前學(xué)習(xí)的化學(xué)知識(shí)，本實(shí)驗(yàn)可以拓展到其他哪些高分子的合成?

7 實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行建議

本實(shí)驗(yàn)一共5學(xué)時(shí)左右，其中制備2學(xué)時(shí)、表征3學(xué)時(shí)，學(xué)生單人單套操作，可以作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)引入。本實(shí)驗(yàn)涵蓋高分子化學(xué)、電合成與儀器分析等領(lǐng)域，較適合高年級(jí)本科生在修讀完高分子化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)等課程后開(kāi)展，并可從以下多方面對(duì)學(xué)生知識(shí)、素質(zhì)和能力展開(kāi)訓(xùn)練：

(1)在實(shí)驗(yàn)之前，指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)了解實(shí)驗(yàn)和儀器相關(guān)原理和步驟等，做好預(yù)習(xí)工作，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)及文獻(xiàn)檢索閱讀能力。

(2)在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展之初，將可控/活性聚合、電合成、刺激響應(yīng)高分子等領(lǐng)域的最新科研成果及發(fā)展方向引入課程背景介紹，拓展學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。

(3)合成過(guò)程不僅可以幫助學(xué)生鞏固可控/活性聚合、電合成、刺激響應(yīng)高分子等化學(xué)理論知識(shí)，使學(xué)生理解各學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建連貫的知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)科交叉融合思維，同時(shí)提供常用實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)訓(xùn)練，掌握電合成裝置等常規(guī)科研設(shè)備的使用，提升學(xué)生的科研素養(yǎng)。

(4)溫度響應(yīng)特性的表征過(guò)程可以幫助學(xué)生熟悉紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)和動(dòng)態(tài)光散射儀等科研儀器的原理及數(shù)據(jù)分析過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)驗(yàn)、學(xué)以致用的創(chuàng)新思維。

(5)在數(shù)據(jù)整理及實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)過(guò)程中，要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，了解科研基本思路和方法，為學(xué)生深入相關(guān)領(lǐng)域?qū)W習(xí)和研究奠定基礎(chǔ)。

本實(shí)驗(yàn)是廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)“溫度響應(yīng)高分子微凝膠的水相制備與表征”[11]的并行實(shí)驗(yàn)之一。以后者為主的實(shí)驗(yàn)，自2012年以來(lái)已經(jīng)運(yùn)行10輪，實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)初衷是為“拔尖計(jì)劃”大三學(xué)生提供必修實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，授課形式為實(shí)驗(yàn)研討課：實(shí)驗(yàn)前講授實(shí)驗(yàn)方法、原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)等相關(guān)知識(shí)和要求，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中即時(shí)研討實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此外，該實(shí)驗(yàn)[11]合成側(cè)重傳統(tǒng)自由基聚合；與此不同，本實(shí)驗(yàn)合成聚焦可控/活性聚合、電合成。

8 結(jié)語(yǔ)

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(guān)領(lǐng)域研究常用方法。高分子化學(xué)本科教學(xué)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(guān)實(shí)驗(yàn)?；诖耍覀?cè)O(shè)計(jì)了e-ATRP水相制備刺激響應(yīng)高分子微凝膠的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，選取溫度響應(yīng)高分子作為實(shí)驗(yàn)體系，以研究起步較早、受廣泛關(guān)注且較深入而已有較多驗(yàn)證的溫度響應(yīng)微凝膠作為具體實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并在一定程度上反映可控/活性聚合、電合成、刺激響應(yīng)高分子等知識(shí)。本實(shí)驗(yàn)涉及高分子化學(xué)、電合成與儀器分析等領(lǐng)域，涵蓋面較廣，有助于學(xué)生在深化理解相關(guān)理論知識(shí)和增強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力的同時(shí)，初步感受科研魅力，開(kāi)闊視野與科研前沿接軌，強(qiáng)化綜合運(yùn)用知識(shí)能力，培養(yǎng)學(xué)科交叉融合思維和環(huán)保意識(shí)，鍛煉創(chuàng)新實(shí)踐能力，為將來(lái)學(xué)習(xí)深造、解決實(shí)際問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

本實(shí)驗(yàn)采用電合成裝置在水相中進(jìn)行微量合成，簡(jiǎn)便易行，綠色環(huán)保、安全可靠并且成本較低。本實(shí)驗(yàn)具有較好普適性和較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，允許拓展其他高分子的合成，也可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步嘗試各種電化學(xué)技術(shù)，因而適合于不同院校根據(jù)實(shí)際情況開(kāi)展相關(guān)教學(xué)工作。