分享一篇近期發表在Journal of the American Chemical Society上的文章，題為：Red Light-Driven, Oxygen-Tolerant RAFT Polymerization Enabled by Methylene Blue。該文章的通訊作者為來自卡內基梅隆大學的Krzysztof Matyjaszewski教授。

    可控自由基聚合（RDRP）技術（如RAFT、ATRP）通過精準調控聚合物分子量與結構，已成為合成先進高分子材料的核心工具。光誘導RDRP（photoRDRP）進一步利用光的可控性，在溫和條件下實現復雜聚合物架構的構建。然而，氧氣會淬滅自由基中間體長期制約其實際應用，迫使反應體系需嚴格脫氧（如凍融循環或惰性氣體保護）。為突破此瓶頸，研究者開發了多種氧耐受策略：酶介導RAFT、光催化PET-RAFT和有機光催化劑，但都存在明顯局限。

圖1. 代表性氧耐受光引發RAFT(photoRAFT)策略概覽。(A) Boyer等開發的曙紅Y/抗壞血酸體系實現綠光驅動的開放水相聚合，具有廣譜單體適用性，但受限于短波長和超低反應體積(42,43)；(B) Matyjaszewski團隊報道的丙酮酸鈉介導光RAFT體系在紫外-綠光范圍內展現完全氧耐受性和生物偶聯兼容性，但單體范圍窄且分子量受限(44)；(C) 本工作：我們提出紅光驅動的亞甲基藍(MB+)/三乙醇胺(TEOA)RAFT聚合平臺，具有完全氧耐受性，可在環境條件甚至日光下操作，兼容多種單體，并能合成超高分子量聚合物(Mn > 1,000,000)。

    如圖1所示，Boyer等開發的曙紅Y/抗壞血酸體系（圖1A）雖實現開放水相聚合，但限于綠光及微升尺度；Matyjaszewski團隊的丙酮酸鈉策略（圖1B）雖提升生物相容性，卻犧牲了分子量上限與單體普適性。紅光（600–750 nm）因其深層組織穿透性與生物安全性，被視為理想激發光源，但無金屬紅光催化體系始終未能解決氧抑制難題。

    在此背景下，研究團隊提出亞甲基藍（MB?）/三乙醇胺（TEOA）雙組分光催化體系：利用低成本、生物相容性染料MB?的紅光吸收特性，結合TEOA的電子供給能力，首次實現全開放體系下的紅光/日光驅動RAFT聚合，并突破性合成超高分子量（UHMW > 10? g/mol）聚合物，為氧耐受RDRP提供新的解決方案。

    實驗中以N,N-二甲基丙烯酰胺（DMA）為模型單體。優化表明：MB?與TEOA濃度需協同控制（表1）。當[MB?]=150 μM、[TEOA]=20 mM時，開放體系轉化率達95%，分子量分布（D）僅1.13。

圖2. (A) 亞甲基藍(MB+)介導的DMA RAFT聚合反應機理示意圖。(B) MB+介導DMA聚合過程中SEC譜圖的演變，顯示洗脫時間向更短方向移動的單峰分布，表明分子量持續增長。(C) 準一級動力學曲線顯示開放體系與脫氧條件下均呈現線性動力學特征和穩定的自由基濃度。(D) 表觀分子量(Mn,app)與單體轉化率的關系圖，顯示分子量線性增長且分散度較低(? ≤ 1.20)，直至轉化率>90%。

    動力學研究揭示了氧耐受機制（圖2）。在開放體系中，SEC曲線呈單峰平移（圖2B），分子量隨轉化率線性增長（圖2D）。反常的是，開放體系的聚合速率（k????=1.54×10?? s?1）比脫氧體系快30%（圖2C），這源于氧氣促進MB?再生——激發態MB?*被TEOA還原為MB?后，氧氣可將其重新氧化為MB?，形成催化循環。

    該體系最突破性的成果是實現了開放體系下的UHMW聚合物合成。當目標聚合度（DP?）達20,000時，通過降低[MB?]至26 μM（避免過量自由基），成功獲得M?,abs=1,290,000 g/mol的PDMA（D=1.52），與理論值高度吻合（圖3A）。這是氧耐受RDRP領域首次突破百萬分子量。

圖3. (A)不同目標聚合度下PDMA的SEC譜圖變化。(B) PDMA-TTC大分子引發劑與NAM單體進行鏈延伸反應，生成PDMA-b-PNAM嵌段共聚物。(C) MB?介導DMA的RAFT聚合時空控制實驗。

    活性特征通過三重實驗證實：首先，鏈延伸實驗顯示PDMA大分子引發劑可高效合成PDMA-b-PNAM嵌段共聚物，SEC曲線無肩峰（圖3B）；其次，光開關實驗證明聚合可被五次暫停/重啟（圖3C），黑暗期零轉化；最后，13C-NMR證實了ω-三硫代碳酸酯端基的完整性。這些結果共同驗證了優異的鏈端保真度。

圖4. 亞甲基藍(MB?)/三乙醇胺(TEOA)介導的DMA日光驅動光RAFT聚合(A) 日光照射前的反應混合物，呈現由藍色MB?與黃色TTC鏈轉移劑復合吸收形成的綠色。(B) 反應機理示意圖及日光照射1分鐘后的實物照片：綠色迅速褪去（生成無色亞甲基藍還原態LMB），證實高效光活化。(C) 日光驅動聚合過程中SEC譜圖的時程演變。(D) 準一級動力學曲線(E) 表觀分子量(Mn,app)與轉化率關系圖。

    MB?的寬光譜吸收特性使體系可適配多種光源。除370 nm紫外光導致端基分解外，藍/綠/紅/近紅外光均實現>90%轉化率（D<1.14）。更引人矚目的是日光驅動效果（圖4）：開放瓶中13 mL反應體系經1小時日光照射轉化率達94%，速率較紅光提升5倍（k????=7.78×10?? s?1），且成功實現原位嵌段共聚（圖4C），證實日光下仍保持鏈端穩定性。

圖5. (A) MB?/TEOA光敏體系介導的紅光驅動RAFT聚合反應通式（涵蓋各類（甲基）丙烯酸酯與（甲基）丙烯酰胺單體）(B) MB?體系單體適用性展示：兼容含極性/帶電/兩性離子官能團的（甲基）丙烯酸酯與（甲基）丙烯酰胺(C) 鏈轉移劑（CTA）適用范圍研究

    單體普適性研究（圖5）覆蓋了親水性丙烯酸酯/酰胺及功能性單體。除常規單體（如DMA、NAM），體系還兼容帶電荷的磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯（SBMA）、羧基甜菜堿甲基丙烯酸酯（CBMA），以及難聚合的甲基丙烯酰胺類（NMMA、HPMA）。特別在乙二醇溶劑中，NMMA聚合D低至1.15，突破了甲基丙烯酰胺RDRP的瓶頸。

圖6. (A) MB?/TEOA介導光RAFT聚合的擬議機理。可見光激發下，MB?躍遷至三重激發態（3MB?*），經叔胺（如TEOA）還原淬滅生成半還原態MB自由基（MB?）和胺陽離子自由基（R?N??）。后續α-C-H去質子化形成高活性α-氨基烷基自由基，可引發聚合。MB?的競爭路徑包括：被O?再氧化為MB?，或經氫原子轉移（HAT）生成光惰性亞甲基藍還原態（LMB）。(B) RAFT聚合過程：α-氨基烷基自由基加成缺電子乙烯基單體，形成增長鏈自由基（P??）。該自由基與鏈轉移劑（CTA）加成生成硫代羰基硫（TCT）中間體自由基，經斷裂釋放R基團（R?）作為第二引發種，形成新增長鏈自由基（P??）。P??與P??通過RAFT平衡特有的可逆退化鏈轉移過程，實現活性種與休眠種的動態交換，達成可控聚合。

    與PET-RAFT不同，本體系通過α-氨基烷基自由基間接引發聚合（圖6）。激發態3MB?（E=+1.60 V vs SCE）被TEOA還原（E=+0.76 V）生成胺陽離子自由基，經去質子化形成高活性α-氨基烷基自由基。該自由基兼具雙重功能：快速消耗溶解氧實現自除氧，同時引發單體聚合。而MB?可被O?再氧化維持循環，或生成超氧自由基（O???）加速除氧。

    綜上所述，MB?/TEOA體系通過獨特的α-氨基烷基自由基介導機制，首次實現了開放環境下的紅光/日光驅動RAFT聚合，解決了氧抑制這一難題。其兼具金屬自由、超高分子量合成、廣譜單體兼容的核心優勢，未來可拓展至3D生物打印、原位組織修復涂層等場景，為生物材料領域帶來突破。

作者：ZY 

DOI: 10.1021/jacs.5c10541

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