分享一篇近期发表在Journal of the American Chemical Society上的文章，题为：Red Light-Driven, Oxygen-Tolerant RAFT Polymerization Enabled by Methylene Blue。该文章的通讯作者为来自卡内基梅隆大学的Krzysztof Matyjaszewski教授。

    可控自由基聚合（RDRP）技术（如RAFT、ATRP）通过精准调控聚合物分子量与结构，已成为合成先进高分子材料的核心工具。光诱导RDRP（photoRDRP）进一步利用光的可控性，在温和条件下实现复杂聚合物架构的构建。然而，氧气会淬灭自由基中间体长期制约其实际应用，迫使反应体系需严格脱氧（如冻融循环或惰性气体保护）。为突破此瓶颈，研究者开发了多种氧耐受策略：酶介导RAFT、光催化PET-RAFT和有机光催化剂，但都存在明显局限。

图1. 代表性氧耐受光引发RAFT(photoRAFT)策略概览。(A) Boyer等开发的曙红Y/抗坏血酸体系实现绿光驱动的开放水相聚合，具有广谱单体适用性，但受限于短波长和超低反应体积(42,43)；(B) Matyjaszewski团队报道的丙酮酸钠介导光RAFT体系在紫外-绿光范围内展现完全氧耐受性和生物偶联兼容性，但单体范围窄且分子量受限(44)；(C) 本工作：我们提出红光驱动的亚甲基蓝(MB+)/三乙醇胺(TEOA)RAFT聚合平台，具有完全氧耐受性，可在环境条件甚至日光下操作，兼容多种单体，并能合成超高分子量聚合物(Mn > 1,000,000)。

    如图1所示，Boyer等开发的曙红Y/抗坏血酸体系（图1A）虽实现开放水相聚合，但限于绿光及微升尺度；Matyjaszewski团队的丙酮酸钠策略（图1B）虽提升生物相容性，却牺牲了分子量上限与单体普适性。红光（600–750 nm）因其深层组织穿透性与生物安全性，被视为理想激发光源，但无金属红光催化体系始终未能解决氧抑制难题。

    在此背景下，研究团队提出亚甲基蓝（MB⁺）/三乙醇胺（TEOA）双组分光催化体系：利用低成本、生物相容性染料MB⁺的红光吸收特性，结合TEOA的电子供给能力，首次实现全开放体系下的红光/日光驱动RAFT聚合，并突破性合成超高分子量（UHMW > 10⁶ g/mol）聚合物，为氧耐受RDRP提供新的解决方案。

    实验中以N,N-二甲基丙烯酰胺（DMA）为模型单体。优化表明：MB⁺与TEOA浓度需协同控制（表1）。当[MB⁺]=150 μM、[TEOA]=20 mM时，开放体系转化率达95%，分子量分布（Ð）仅1.13。

图2. (A) 亚甲基蓝(MB+)介导的DMA RAFT聚合反应机理示意图。(B) MB+介导DMA聚合过程中SEC谱图的演变，显示洗脱时间向更短方向移动的单峰分布，表明分子量持续增长。(C) 准一级动力学曲线显示开放体系与脱氧条件下均呈现线性动力学特征和稳定的自由基浓度。(D) 表观分子量(Mn,app)与单体转化率的关系图，显示分子量线性增长且分散度较低(Đ ≤ 1.20)，直至转化率>90%。

    动力学研究揭示了氧耐受机制（图2）。在开放体系中，SEC曲线呈单峰平移（图2B），分子量随转化率线性增长（图2D）。反常的是，开放体系的聚合速率（kₚₐₚₚ=1.54×10⁻⁴ s⁻¹）比脱氧体系快30%（图2C），这源于氧气促进MB⁺再生——激发态MB⁺*被TEOA还原为MB•后，氧气可将其重新氧化为MB⁺，形成催化循环。

    该体系最突破性的成果是实现了开放体系下的UHMW聚合物合成。当目标聚合度（DPₜ）达20,000时，通过降低[MB⁺]至26 μM（避免过量自由基），成功获得Mₙ,abs=1,290,000 g/mol的PDMA（Ð=1.52），与理论值高度吻合（图3A）。这是氧耐受RDRP领域首次突破百万分子量。

图3. (A)不同目标聚合度下PDMA的SEC谱图变化。(B) PDMA-TTC大分子引发剂与NAM单体进行链延伸反应，生成PDMA-b-PNAM嵌段共聚物。(C) MB⁺介导DMA的RAFT聚合时空控制实验。

    活性特征通过三重实验证实：首先，链延伸实验显示PDMA大分子引发剂可高效合成PDMA-b-PNAM嵌段共聚物，SEC曲线无肩峰（图3B）；其次，光开关实验证明聚合可被五次暂停/重启（图3C），黑暗期零转化；最后，13C-NMR证实了ω-三硫代碳酸酯端基的完整性。这些结果共同验证了优异的链端保真度。

图4. 亚甲基蓝(MB⁺)/三乙醇胺(TEOA)介导的DMA日光驱动光RAFT聚合(A) 日光照射前的反应混合物，呈现由蓝色MB⁺与黄色TTC链转移剂复合吸收形成的绿色。(B) 反应机理示意图及日光照射1分钟后的实物照片：绿色迅速褪去（生成无色亚甲基蓝还原态LMB），证实高效光活化。(C) 日光驱动聚合过程中SEC谱图的时程演变。(D) 准一级动力学曲线(E) 表观分子量(Mn,app)与转化率关系图。

    MB⁺的宽光谱吸收特性使体系可适配多种光源。除370 nm紫外光导致端基分解外，蓝/绿/红/近红外光均实现>90%转化率（Ð<1.14）。更引人瞩目的是日光驱动效果（图4）：开放瓶中13 mL反应体系经1小时日光照射转化率达94%，速率较红光提升5倍（kₚₐₚₚ=7.78×10⁻⁴ s⁻¹），且成功实现原位嵌段共聚（图4C），证实日光下仍保持链端稳定性。

图5. (A) MB⁺/TEOA光敏体系介导的红光驱动RAFT聚合反应通式（涵盖各类（甲基）丙烯酸酯与（甲基）丙烯酰胺单体）(B) MB⁺体系单体适用性展示：兼容含极性/带电/两性离子官能团的（甲基）丙烯酸酯与（甲基）丙烯酰胺(C) 链转移剂（CTA）适用范围研究

    单体普适性研究（图5）覆盖了亲水性丙烯酸酯/酰胺及功能性单体。除常规单体（如DMA、NAM），体系还兼容带电荷的磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）、羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯（CBMA），以及难聚合的甲基丙烯酰胺类（NMMA、HPMA）。特别在乙二醇溶剂中，NMMA聚合Ð低至1.15，突破了甲基丙烯酰胺RDRP的瓶颈。

图6. (A) MB⁺/TEOA介导光RAFT聚合的拟议机理。可见光激发下，MB⁺跃迁至三重激发态（³MB⁺*），经叔胺（如TEOA）还原淬灭生成半还原态MB自由基（MB•）和胺阳离子自由基（R₃N⁺•）。后续α-C-H去质子化形成高活性α-氨基烷基自由基，可引发聚合。MB•的竞争路径包括：被O₂再氧化为MB⁺，或经氢原子转移（HAT）生成光惰性亚甲基蓝还原态（LMB）。(B) RAFT聚合过程：α-氨基烷基自由基加成缺电子乙烯基单体，形成增长链自由基（Pₙ•）。该自由基与链转移剂（CTA）加成生成硫代羰基硫（TCT）中间体自由基，经断裂释放R基团（R•）作为第二引发种，形成新增长链自由基（Pₘ•）。Pₙ•与Pₘ•通过RAFT平衡特有的可逆退化链转移过程，实现活性种与休眠种的动态交换，达成可控聚合。

    与PET-RAFT不同，本体系通过α-氨基烷基自由基间接引发聚合（图6）。激发态³MB⁺（E=+1.60 V vs SCE）被TEOA还原（E=+0.76 V）生成胺阳离子自由基，经去质子化形成高活性α-氨基烷基自由基。该自由基兼具双重功能：快速消耗溶解氧实现自除氧，同时引发单体聚合。而MB•可被O₂再氧化维持循环，或生成超氧自由基（O₂•⁻）加速除氧。

    综上所述，MB⁺/TEOA体系通过独特的α-氨基烷基自由基介导机制，首次实现了开放环境下的红光/日光驱动RAFT聚合，解决了氧抑制这一难题。其兼具金属自由、超高分子量合成、广谱单体兼容的核心优势，未来可拓展至3D生物打印、原位组织修复涂层等场景，为生物材料领域带来突破。

作者：ZY 

DOI: 10.1021/jacs.5c10541

Link: https://doi.org/10.1021/jacs.5c10541