具有可控單體次序的高分子的製備與合成是當前聚合物領域最具挑戰性的任務之一。而大自然中的具有可控單體次序的生物大分子如DNA、RNA及蛋白質等的高級功能已經證明了這類高分子所具有的巨大開發和應用潜力。儘管現時已經有了例如固態肽合成以及類似的科技來構築次序可控的生物或人造大分子，但是這些科技仍然受到各種各樣的限制，例如耗時、高成本、低產率等，而不能大範圍、大規模的使用。現時人們試圖開發更具效率的可控聚合物合成策略，可控自由基聚合就是現時最有希望的策略之一。其中，原子轉移自由基聚合（ATRP）以及可逆加成-斷裂鏈轉移聚合（RAFT）等方法被證明可以用於合成特定的次序可控聚合物。值得一提的是，這些方法在具有較高效率的同時，不需要十分複雜的合成設備。儘管現時各類適用於構築具有指定單體次序的高分子被不斷的研究和開發，但是這些方法構築的次序可控聚合物都具有非常高的分散度。而我們都知道，高分散度的聚合物，其性質會受到一定程度的制約。囙此，開發一種方法，在控制單體次序的同時也可以實現對分散度的控制成為解决這類問題的關鍵。
為此，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Athina Anastasaki教授團隊報告了一種簡的、一鍋式和快速合成序列可控多嵌段聚合物的方法，可按需控制分散性，同時保持高活性，並且理論和實驗分子量和定量產率之間具有良好的一致性。該工作以題為“Concurrent control over sequence and dispersity in multiblock copolymers”發表在《Nature Chemistry》上。
【均聚物分散性控制】
作者認為，通過使用可開關活性的RAFT試劑可以控制在添加不同單體時控制每個單體聚合過程中的分散度。為了證明這一概念。研究人員使用二甲基丙烯醯胺（DMA）作為模型單體。2-[甲基（4-吡啶基）氨基甲硫醯硫基]丙酸甲酯（CTA）作為可切換的RAFT試劑。2,2'-偶氮雙（2-甲基丙腈）作為自由基引發劑（相對於RAFT試劑為0.1當量）以及二甲基甲醯胺（DMF）作為溶劑。在沒有加酸的情况下，RAFT試劑去質子化。當目標DP為200時，可以獲得較寬的單峰分子量分佈，此時聚合物的數均分子量為17500，分散度為1.67。與之前報導的實驗相比，這一方法顯示了其獨有的特點：在較高分散度的前提下，單體也具有較高的轉化率。進一步的實驗發現，在體系中加入硫酸，隨著硫酸含量的不斷增加，產生的聚二甲基丙烯醯胺（PDMA）的分散度逐漸降低，從1.5逐步降低為1.18。使用這一方法，可以實現在非常高單體轉化率的情况下獲得具有可調控分散度的具有較高分子量的聚合物（Mn = 17200-17500，分散度Ɖ=1.18-1.67）。值得注意的是，無論聚合物的分子量和分散度如何，這些聚合物鏈都具有相同的端基。隨後，從酸性環境下的低分散度聚合物體系開始，逐步增加氫氧化鈉的量，所獲得的聚合物從具有較低分散度又變為具有較高的分散度。這些結果證實，所使用的RAFT試劑的活性可以分別通過質子化和去質子化新增或减少吡啶基團的吸電子能力來調節。
圖1.分散度可控聚合物的合成
【五嵌段聚合物分散度的調節】
隨後研究人員又通過調節RAFT試劑的活性來定制多嵌段共聚物的分散性。通過將DP設定為200，可以最大程度的减少缺陷鏈的數量。目標分散度為1.1和1.7時，缺陷鏈的比例約為0和0.2%。為了研究端基保真度，合成了兩種低分子量PDMA聚合物——第一種在不添加酸的情况下（產生較高的Ɖ），第二個使用過量的酸（產生較低的Ɖ）。然後通過電噴霧電離-質譜法表徵這兩種聚合物（未經進一步純化）。令人高興的是，即使在不存在酸的情况下，主要的聚合物峰分佈也對應於預期的PDMA，帶有RAFT端基。
在考慮這些數據後，研究人員通過順序添加三種不同的丙烯醯胺單體，合成使Ɖ值逐漸下降的序列控制的五嵌段共聚物。首先，以接近定量的轉化率（98%）獲得聚（4-丙烯醯嗎啉）嵌段。該嵌段具有寬分子量分佈，Mn = 11900，Ɖ=1.66。實驗和理論預測之間具有良好的一致性。在添加第二單體（DMA）和少量H2SO4（0.65μl，18 M，0.41當量）時，二嵌段聚合物的分散度明顯降低（Mn = 22200，Ɖ=1.50），這伴隨著向更高分子量的明顯轉變。Ɖ的降低歸因於酸的添加和RAFT試劑的部分質子化，因為在沒有酸的情况下，二嵌段甚至五嵌段可以保持同樣高的Ɖ。當第二組分單體幾乎完全轉化時，將另一份酸（1.5µl，0.95當量）與第三種單體二乙基丙烯醯胺一起加入，以產生分散度進一步降低的三嵌段聚合物（Mn = 32600，Ɖ=1.41）。隨著酸添加量的逐漸升高以及連續的單體添加量，這個過程再重複兩次，得到四嵌段（2.0µl H2SO4，1.26當量，Mn = 44300）和五嵌段（3.8µl H2SO4，3.75當量，Mn = 65300，Ɖ=1.34和Ɖ=1.22）的共聚物。前期報導的具有分散度控制的工作均為通過聚合物鏈轉移的積累實現的，在這一工作中卻很少觀察到鏈終止，並且聚合物始終保持單峰。
相反的過程也能進行。首先使用過量硫酸製備具有窄分子量分佈的PDMA（Mn = 11500，Ɖ=1.16），為了逐漸新增Ɖ，進行了四次後續單體添加，其中添加的堿（NaOH）的量緩慢新增。這幾個過程都具有非常高的單體轉化率，聚合物的分散度也從均聚物的1.16轉變為五嵌段共聚物的1.60。
為了實現對多嵌段共聚物中每一嵌段分散度的完全控制，作者進行了如下實驗：1）（1）均聚物和二嵌段的Ɖ高，（2）均聚物的Ɖ高，二嵌段的Ɖ低，以及（3）低Ɖ均聚物和高Ɖ二嵌段。其中第三種聚合物最具挑戰性。對於所有二嵌段實驗，研究人員使用DMA和4-丙烯醯嗎啉（NAM）用作單體。使用上述方法首先合成具有較高分散度（Ɖ=1.60）的均聚物，由於該方法對聚合物端基的高保真度，活性RAFT端基的存在允許可控制分散度的第二嵌段的繼續生長（二嵌段聚合物Mn = 12000，Ɖ=1.66）。另外，在高分散度的均聚物形成後將第二嵌段單體與過量硫酸一起加入，則可以獲得低分散性的二嵌段共聚物（Ɖ=1.19）。同時，使用過量硫酸合成具有較低分散度的PDMA後，將過量硫酸與第二單體同時加入，可以獲得具有較高分散度（Ɖ=1.58）的第二嵌段共聚物。使用類似的交替加入對應單體及酸或堿的步驟，也可以實現每一嵌段均可定制分散度的多嵌段共聚物的合成。
圖2.分散度可定制雙嵌段聚合物的合成
【單體的擴展】
除了上述使用的幾種單體，該工作中還嘗試了其他幾種不同的單體。其中包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、苯乙烯等共軛單體以及一些非共軛單體如醋酸乙烯酯、N-乙烯基哢唑以及N-乙烯基吡咯烷酮等。資料表明，該方法對多種單體均可實現分酸度的定制。
總結，該工作通過使用通過酸堿可調節活性的RAFT試劑實現了對均聚物、二前端共聚物以及多嵌段共聚物的分酸度的調節。得益於活性RAFT在合成過程中的高保真度，使得聚合物鏈的端基始終是該RAFT片段，囙此可以實現對嵌段共聚物每一嵌段分散度的單獨定制。該方法將為未來合成具有更多功能性的先進的序列控制資料打開大門，這些新型聚合物將會被應用於各種領域，包括相分離、溶液自組裝、流變學、大分子折疊和藥物輸送等。