费海德·阿尔苏巴伊（Fehaid Alsubaie）| 巴希尔·阿尔沙马里（Basheer Alshammari）| 苏玛雅·格里拉（Soumaya Grira）| A.S. 穆罕默德·赛耶姆·莫祖姆德（A.S. Mohammad Sayem Mozumder）| 阿卜杜勒-哈米德·伊斯梅尔·穆拉德（Abdel-Hamid Ismail Mourad）
沙特阿拉伯利雅得阿卜杜勒-阿齐兹国王科学技术城精炼与石化技术研究所
**摘要**
铜介导的可逆失活自由基聚合（Reversible-Deactivation Radical Polymerization, RDRP），特别是原子转移自由基聚合（Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP），是一种生产具有精确定义结构和官能团的嵌段共聚物的关键方法，即使在敏感的水性和生物环境中也是如此。尽管该领域已经成熟，但新一轮的方法论进展正在推动其向更注重应用的合成方向发展。本综述重点介绍了最新的突破（2020-2025年），并从核心机理理论转向了“下一代”策略，如光化学和电化学介导的ATRP，以及能够在氧气存在下仍能良好运行的系统。此外，本文还强调了现代研究如何成功将金属污染降至ppm/ppb水平，以及这对生物医学和电子集成为何至关重要。除了合成之外，我们还探讨了这些聚合物在纳米技术、能源设备等实际应用中的角色。最后，讨论了剩余的挑战（例如催化剂回收、可扩展性、对难处理单体的控制）并提出了未来的发展方向。
**1. 引言**
现代材料科学越来越多地利用嵌段共聚物作为结构导向剂，其中纳米级周期性和局部化学异质性是必需的。无论是用于半导体光刻的定向自组装，还是用于选择性离子传输的纳米结构膜，这些大分子的性能都是嵌段序列、体积分数（Φ）和界面化学梯度[1]、[2]、[3]的结果。这种操作效率要求合成精度达到标准自由基技术无法达到的水平，特别是在聚合度（Xn）、分散度（Ð）和嵌段连接精度[4]方面。
可逆失活自由基聚合（RDRP）或可控自由基聚合（Controlled Radical Polymerization, CRP）是实现这些要求的主要合成工具。由于能够容忍具有极性、离子性或生物活性的单体（这些单体通常会在离子或配位系统中引发副反应），RDRP允许根据特定的物理化学环境来设计共聚物[3]。
在RDRP的更广泛范围内，铜介导的过程，特别是原子转移自由基聚合（ATRP），在复杂嵌段共聚物的设计方面取得了显著进展。最近的创新，如光诱导[5]和电化学介导[6]、[7]、[8]的变体，似乎成功避免了传统的氧气敏感性和催化剂残留问题，尤其是在敏感环境中[9]、[10]、[11]、[12]。这些进展进一步使得多嵌段共聚物的合成和序列控制成为可能，同时保持了后续聚合后修饰所需的高端官能团精度。
铜介导的RDRP或ATRP因其氧化还原介导的催化机制而受到特别关注，该机制可以通过Cu(I)/Cu(II)平衡直接控制自由基浓度，并能够独立调节聚合动力学和分散度。其与外部调节（例如光化学和电化学控制）的兼容性、在超低催化剂负载下的操作能力以及对氧气的耐受性，使其特别适合在实际条件下进行可控聚合。这些特性支持了高端官能团的精度和可靠的顺序单体添加，使得ATRP特别适用于合成结构明确的嵌段共聚物。
与这些动力学进展并行的是，铜介导的RDRP正朝着可持续框架发展。当前的研究集中在通过无配体或生物衍生的催化支架将铜浓度降低到亚ppm水平。这种向绿色化学的转变涉及用水性或可再生替代品替代传统有机溶剂，通常还结合数据驱动的优化[13]、[14]、[15]。对于生物医学和电子应用而言，这种纯度是不可或缺的。在这些领域，微量杂质决定了生物相容性和设备性能。
尽管取得了显著进展，但仍有一些机制瓶颈限制了工业规模的实施。在超低催化剂条件下调节Cu(I)/Cu(II)平衡在技术上仍然具有挑战性，尤其是在追求高单体转化率时。不同单体类型之间的传播速率、氧气耐受性和催化剂隔离之间的权衡进一步复杂化了优化过程。解决这些动力学差异至关重要。只有通过解决这些核心界面问题，该领域才能从实验室规模的成功过渡到稳健的、可应用的聚合物系统。
虽然之前的综述主要集中在铜介导的RDRP（或ATRP）上，但现有文献通常要么关注基本机理，要么独立介绍新的先进技术（例如光ATRP或电ATRP），要么关注嵌段共聚物的潜在应用。此外，近年来该领域的许多进展在文献中仍然分散。本综述通过连接ATRP介导的嵌段共聚物合成基础、过去5年的最新进展、在各个行业中的相关应用以及对当前挑战和未来方向的批判性概述，填补了这些空白。总体而言，本综述有望为学术界和工业界的聚合物科学家和材料研究人员提供关于基于ATRP的嵌段共聚物合成、最新进展和应用导向视角的综合性见解。
**2. 嵌段共聚物的结构多样性和合成方法**
**2.1. 嵌段共聚物的结构多样性**
线性嵌段共聚物是最简单的嵌段共聚物结构：两个或多个嵌段端对端连接（AB、ABA、ABC等），并可扩展为多嵌段A-B-A-B序列[16]。它们通常通过活性阴离子聚合或可控自由基方法（如RAFT）制备，从而获得窄分子量分布和精确的嵌段长度[17]。常见的例子包括聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯（PS-b-PMMA）和PEO-b-PPO-b-PEO（Pluronic®），如图1(a)所示[18]。由于嵌段是共价连接的但彼此不互溶，它们可以在微相中分离成层状/圆柱形/球形结构，适用于光刻、纳滤和药物输送载体[17]、[19]、[20]。
**2.2. 嵌段共聚物的合成方法**
嵌段共聚物的合成通常通过两种聚合方法实现：链增长聚合（也称为加成聚合）和步增长聚合（也称为缩合聚合）。这些方法决定了反应的动力学和最终单体的结构排列。
**2.2.1. 链增长聚合（加成聚合）**
链增长聚合被认为是合成大多数现代共聚物的主要方法，其中通过将单个单体依次添加到单个活性链端来构建结构。对该过程的控制程度最终决定了最终大分子的结构。
**2.2.1.1. 阴离子聚合与阳离子聚合**
一种常见的链增长加成聚合技术是离子聚合。它可以是阴离子型的或阳离子型的，活性中心是稳定的离子（负碳离子P-或正碳离子P+）。由于这些离子不会自发反应终止，因此链可以无限期地“存活”，从而可以通过依次引入单体B在单体A完全消耗后合成结构明确的共聚物[19]。
在活性阴离子聚合中，使用亲核负碳离子复合物（如有机锂化合物）来引发带有亲电取代基的单体的聚合[38]。引发剂的关键要求是快速反应速率，以确保所有活性位点同时开始反应并实现窄分子量分布。引发剂的效力取决于其传播速率，这需要同时激活所有活性位点，从而实现窄分子量分布。然而，这种精度要求对单体添加顺序有精确的控制，并且仅限于少数兼容的单体。使用高反应性的有机锂引发剂也会引入重大的安全协议和处理复杂性[19]、[38]。
阳离子聚合，特别是活性形式，由于阳离子物种的高反应性和固有的不稳定性，历史上带来了更多挑战。这种热力学不稳定性使得该过程容易发生破坏性副反应，特别是通过β-质子消除和链终止[17]、[39]。通过这种途径构建结构明确的嵌段共聚物需要更多的控制，包括实现可逆终止和有效抑制链转移速率[17]。
**2.2.1.2. 环开聚合（ROP）**
另一种相关的链增长方法是环开聚合（Ring-Opening Polymerization, ROP）。该方法通过打破环状单体（如内酯或己内酯）中的环来驱动聚合[40]、[41]。该机制涉及一个引发剂（通常是醇端基）和一个催化剂，催化剂打开环并将单体添加到生长中的链上。对于嵌段共聚物的合成，ROP常用于从预先合成的PolyA链（已功能化为所需的羟基(-OH)端基）生长第二个嵌段，形成PolyA-PolyB嵌段[40]、[41]。虽然ROP本身是一种能够实现高分子量和窄分子量分布的宝贵方法，但相关的环开技术（如ROMP（Ring-Opening Metathesis Polymerization）却因催化剂效率低下而受到限制，通常使用寿命较短的金属催化剂，这些催化剂容易被路易斯碱性官能团失活，导致分子量分布较宽[17]。
**2.2.1.3. 自由基聚合与可控/活性自由基聚合**
最基本的方法是非可控的自由基聚合。这种传统方法涉及引发剂生成高反应性的自由基（即未配对电子），该自由基攻击单体并延长链。这种方法的挑战在于终止步骤，因为自由基经常结合或发生歧化，导致聚合物链随机且过早地终止[42]。当混合不同单体（MA和MB）时，所得结构通常是随机的（例如A-B-A-A-B-B-A）或交替的（例如A-B-A-B-A-B）。最终的结构仅由单体的反应性比率（rA和rB）决定；如果rA ≈ rB ≈ 1，则生成的序列将是随机的，而如果这两个比率都接近零，则序列将是交替的[42]，[43]。由于无法控制终止反应，这种方法在合成精确的嵌段共聚物时具有挑战性。为了实现定义明确的（A-B）或（A-B-A）嵌段结构，研究人员正在开发可控自由基聚合（也称为可逆失活自由基聚合，RDRP）[44]，该方法可以有效消除终止反应，从而保持链端的活性[45]，[46]。RDRP方法如原子转移自由基聚合（ATRP）、可逆加成-断裂链转移（RAFT）和氮氧化物介导的聚合（NMP）可以通过在休眠（非活性）状态和活性（自由基）状态之间建立快速且可逆的平衡来实现这种控制，从而抑制终止反应并促进嵌段的受控和顺序生长[47]。这种可控方法有两个重要的优势，这是非可控方法常常难以实现的：能够通过顺序添加形成嵌段，以及所得产物具有狭窄的分子量分布，使得聚合物链的大小几乎均匀。然而，这种精度也带来了其他复杂性，例如对复杂特定试剂的严格要求（例如ATRP需要铜催化剂，RAFT需要二硫酯），以及必要的且通常繁琐的后续纯化步骤，以去除最终嵌段共聚物中的残留催化剂或介导剂[38]，[45]。
2.2.2. 逐步聚合（缩合）
逐步聚合与链增长聚合遵循不同的动力学路径。这种方法常用于大规模生产高分子量材料，如尼龙和聚酯。逐步聚合的机制涉及两个互补功能分子之间的反应，形成新的化学键并同时释放一个小分子（如水或甲醇）作为副产物。反应可以发生在混合物中任何两个可反应的基团之间，而不仅仅是链端。这使得整个过程中的分子量逐渐增加[16]，[48]。
要使用这种机制制备嵌段共聚物，首先需要合成两种不同的预聚物（聚合物A和聚合物B），这些预聚物通常具有特定的末端基团（即它们是端基可控的）。然后这些预聚物在最后的缩合步骤中混合并反应。例如，在聚氨酯合成中，一种“软”预聚物二醇与一种“硬”预聚物二异氰酸酯反应，生成具有交替软硬嵌段的结构[49]，[50]，[51]。
然而，使用这种方法进行嵌段共聚物合成仍然面临挑战。例如，要达到高分子量需要极高的转化率，并且对化学计量不平衡非常敏感[12]。此外，逐步聚合方法产生的嵌段共聚物的段长具有统计分布，导致分子量分布较宽[13]。此外，副反应如热降解或链混乱可能会破坏预期的嵌段结构，并可能导致终止反应[12]。
表1. 嵌段共聚物合成技术比较
| 技术 | 机制/活性物种 | 优势 | 挑战/要求 | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 阴离子聚合 | 由碳负离子复合物（例如有机锂化合物）引发的阴离子链增长。由于没有终止反应和链转移反应，活性中心（碳负离子）在单体消耗后仍然保持活性。 | 最强大的合成工具，用于制备具有狭窄分子量分布（MWD）的明确大分子。 | 可聚合的单体类型有限。必须仔细考虑添加单体的顺序。引发剂（有机锂）特别危险。 | [19]，[38] |
| 阳离子聚合 | 传播阳离子物种（碳正离子）。在理想的活性条件下，可以形成具有良好控制的MWD的明确聚合物和嵌段共聚物。 | 传播物种具有高化学活性和低稳定性，容易发生副反应。通过离子塌陷发生终止反应。通过β-质子消除发生链转移。 | [17]，[39] |
| 环开聚合（ROP） | 环状单体（例如环氧环丙烷、内酯、硅氧烷）的环开通常由类似化合物（例如具有醇端基的化合物）引发。 | 可用于合成含有杂原子的聚合物，并常用于使用预合成的聚合物作为大分子引发剂来形成A-B嵌段。 | 难以控制副反应（例如聚乳酸中的酯交换反应），这会导致更宽的MWD；相关的ROMP技术存在催化剂失活问题。 | [17]，[40]，[41] |
| 自由基（非可控） | 高反应性的自由基（未配对电子）攻击单体，从而传播链。 | 对杂质和官能团具有很高的耐受性；适用于多种单体。 | 高终止率和链转移率导致分子量随机和MWD宽泛。 | [42]，[43] |
| 可控自由基（CRP/RDRP） | 在休眠（非传播）状态和短暂活性（自由基）状态之间建立快速、可逆的平衡。 | 最小化终止反应，允许合成具有可控分子量和相对狭窄MWD的明确嵌段。 | 耐多种溶剂和官能团。 | 需要复杂、特定的试剂（例如ATRP需要金属复合物）。还需要繁琐的后续纯化步骤以去除残留催化剂。 | [38]，[45]，[47] |
| 逐步聚合（缩合） | 两个互补功能分子之间的反应形成键并释放小分子（例如水、甲醇）作为副产物。反应可以发生在混合物中任何两个可反应的基团之间。 | 用于大规模生产高分子量聚合物（例如尼龙和聚酯）。使用端基可控的预聚物合成嵌段共聚物。 | 高分子量的形成较慢，需要非常高的转化率，并且对化学计量不平衡非常敏感。 | [16]，[48]，[51] |
3. 铜介导的可逆失活自由基聚合
铜介导的可逆失活自由基聚合（RDRP）技术能够合成具有复杂结构和明确微观结构的聚合物，其精度以前只有通过更苛刻的离子活性聚合技术才能实现。RDRP技术的例子包括原子转移自由基聚合（ATRP）和可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合。这些方法结合了离子聚合的精度、自由基聚合的广泛单体范围和对杂质的耐受性[9]。这种控制和多功能性的结合带来了重大的商业潜力，潜在应用涉及涂料、化妆品、电子学、先进生物技术等领域[9]。然而，广泛的工业应用受到几个持续存在的障碍的阻碍。例如，传统的RDRP方法通常比传统的自由基过程聚合速率慢，从而影响反应器的生产效率。此外，早期变体需要与聚合物链成比例的介导剂，这引入了与这些试剂的毒性和昂贵的后续纯化步骤相关的挑战，以确保产品的安全性和质量[9]。在各种RDRP方法中，铜介导的聚合技术因其稳健性、单体多样性和相对成本效益而成为特别强大且被广泛研究的技术[3]。在本节中，将详细讨论几种常用的铜介导的RDRP技术。
3.1. 使用Cu(I)和Cu(II)的ATRP
ATRP的核心原理是抑制终止反应，这些不希望的副反应会阻止聚合物链的生长。它通过在任何给定时刻保持非常低浓度的活性传播自由基来实现这一点。这在动力学上很重要，因为双分子终止是一个二级过程（速率 ∝ [P•]²），对自由基浓度的降低比一级传播反应（速率 ∝ [P•]）更为敏感[9]，[14]。
ATRP系统的性能高度依赖于其核心组分的仔细选择，特别是引发剂和配体。引发剂通常是一种有机卤化物（R-X），其结构决定了新聚合物链的起始效率。已经研究了多种引发剂，常见的例子包括烷基卤化物和磺酰氯[3]。配体也很重要，因为它与铜中心配位形成催化复合物。基于氮的配体最为常见，对于确定铜催化剂在反应介质中的活性和溶解度至关重要[3]。总体而言，开发出更活跃和稳定的催化系统的新配体是该领域创新的主要驱动力。
3.1.1. 传统ATRP
从机制角度来看，图3所示的传统ATRP机制由一个休眠的烷基卤化物物种（R-X）和一个传播自由基（R•）之间的可逆平衡控制。这一过程由过渡金属复合物介导，通常是铜(I)/配体复合物（Cu(I)/L）作为活化剂，其相应的更高氧化态复合物（例如Cu(II)X/L）作为失活剂[3]，[52]。
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图3. (a) 通用ATRP机制 [9] 和 (b) 可能的副反应 [14]。
通过对持续自由基效应的控制，在初始阶段不可避免的自由基-自由基终止反应会消耗一部分传播物种，从而促进Cu(II)失活剂的积累。这种积累调节了活化-失活平衡，确保整个过程中活性自由基的浓度保持较低，从而实现受控的链增长[9]，[15]。由于这种转换非常快，所有聚合物链都有相同的传播概率，主要处于休眠状态，并定期被活化以结合单体单元，然后返回失活平衡状态。这种同步生长确保了所有最终聚合物链的长度相似且可预测。
从这些基本动力学框架到实际应用的转变揭示了阻碍早期工业应用的重大操作障碍。传统的ATRP需要高浓度的铜催化剂，其摩尔比几乎等于引发剂，这引入了严重的毒性和污染风险。具体来说，大约10^4 ppm的残留铜浓度经常会给最终产品带来不希望的颜色，并使材料不适合生物或医疗环境。此外，广泛的后续纯化以去除这些金属污染物增加了总体生产成本。材料纯度和成本效益的这些综合因素仍然是将ATRP转化为稳健、适用于实际应用的系统的主要瓶颈。
这些挑战直接导致了新技术的开发，旨在大幅减少所需的铜量，并为更可持续和商业上可行的过程铺平道路。这些技术在图4中列出，并在后续部分进行了讨论。
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图4. 传统ATRP和当前使用的先进技术的挑战。
3.1.2. 激活剂再生策略
研究人员发现，聚合速率（Rp）的方程表明，速率取决于Cu(I)引发剂与Cu(II)失活剂的比率，而不是它们的绝对量。这意味着如果能够连续再生被氧化为Cu(II)的少量Cu(I)，则聚合过程只需微量铜催化剂即可进行。
这是激活剂再生技术背后的核心思想。向激活剂再生技术的转变可能是ATRP工业可行性的最重要突破。这些方法有效地将催化剂负载减少了两个到三个数量级，具体来说，将浓度从大约10,000 ppm降低到100 ppm以下。这种减少通过减轻对广泛纯化的需求，改变了整个技术平台的经济和毒理学特性[3]，[9]。
出现了两种主要的激活剂再生策略，每种策略都有其独特的特性和应用。第一种技术是通过电子转移再生激活剂（ARGET）ATRP。这是一种强大的技术，其中添加化学还原剂来连续从聚合过程中不可避免积累的Cu(II)失活剂中再生Cu(I)引发剂，如图5所示的机制。这种连续再生使得只需低浓度的铜复合物即可控制聚合[3]，[9]。常见的还原剂包括抗坏血酸和2-乙基己酸锡[9]。另一种密切相关的技术是通过电子转移生成激活剂（AGET）ATRP，它仅使用空气稳定的Cu(II)复合物和还原剂，在原位生成活性Cu(I)物种[3]。虽然这些方法非常有效，但一个关键挑战是它们通常依赖于高活性但昂贵的配体，如Me6TREN（Tris[2-(二甲氨基)乙基]胺）和TPMA（Tris(2-吡啶基甲基)胺），这在大规模生产中可能带来经济劣势[9]。
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图5. ARGET和ICAR ATRP的机制 [53]。
第二种策略是连续激活剂再生（ICAR）ATRP。它的工作原理与ARGET ATRP类似，但它使用少量常规的热自由基引发剂而不是化学还原剂来从Cu(II)中再生Cu(I)，如图5所示[3]，[9]。虽然ARGET和ICAR ATRP都能实现催化剂的还原，但它们都存在一个经典的工程权衡。一方面，ARGET需要引入化学还原剂，这伴随着成本和潜在的纯化问题；另一方面，ICAR在反应过程中会由于热引发剂的作用产生额外的非活性链，从而牺牲了端基的保真度（这是嵌段共聚物合成的关键参数）[3]、[9]、[14]。
3.2. 铜(0)介导的聚合
虽然之前讨论的方法能够有效再生Cu(I)活化剂，但最近出现了一种利用零价铜（Cu(0)作为主要介导剂的新方法。这种方法在常温条件下能够快速进行聚合，表明其合成协议更加可行。由于Cu(0)介导的系统具有出色的耐氧性和高端基保真度，因此特别适合用于复杂的大分子结构。然而，金属铜的引入引发了关于其基本活化机制的激烈讨论。
典型的Cu(0)介导的聚合使用金属铜（通常以线状或粉末形式），配合配位配体和卤化引发剂。这些反应通常在极性介质（如DMSO或水）中室温下进行。超快的动力学使得单体转化率非常高。几乎完美的末端卤素原子保留能力使得高分子量和多嵌段共聚物的合成成为可能[3]、[9]、[15]。金属Cu(0)还充当溶解的分子氧的清除剂。这种还原能力使得聚合可以在空气中进行，前提是Cu(0)的表面积足够维持活性催化物种。这种端基保真度的保持符合高级序列控制和后续嵌段扩展的要求。
Cu(0)的引入导致了两种竞争性的机制提案来解释其在聚合中的作用。这两种方法的机制分别如图10所示，差异在表2中进行了说明。
表2. SARA ATRP和SET-LRP之间的核心差异
| 机制模型 | 核心活化机制 | 对控制的影响 | 补充活化剂和还原剂（SARA ATRP） |
|---------|-----------|-------------|-------------------|
| Cu(0)作为还原剂 | Cu(0)通过共比例反应将可溶性Cu(I)活化剂从Cu(II)失活剂中再生 | 控制依赖于传统的持久自由基效应和可溶性Cu(I)/Cu(II)物种的平衡 |
| 单电子转移-活性自由基聚合（SET-LRP） | 活化直接通过“新生”Cu(0)粒子到烷基卤化物的外层电子转移（OSET）发生 | 控制被认为是通过自发的共比例反应实现的，理论上不需要持久自由基效应 |
关于这两种模型的争论非常激烈。Guliashvili及其同事的实验工作提供了关键证据，他们仔细监测了聚合过程中Cu(0)线的消耗情况。他们的结果表明，化学平衡强烈倾向于可溶性Cu(I)物种的存在，支持了Cu(I)作为主要活化剂的SARA ATRP模型[52]。此外，多个独立研究小组在多种系统中提供了广泛的动力学和实验数据，支持SARA ATRP机制优于基于OSET的SET-LRP机制[3]。
Cu(0)介导的聚合引入了操作上的困难，这些困难在实验室规模上通常是不存在的。较小的反应经常表现出不一致的诱导期，这归因于铜表面的氧化状态变化。此外，快速且高度放热的聚合动力学在标准批次反应器中可能导致热失控，因为大体积时热量散发效率降低[9]、[52]。连续流管式反应器为这些特定的可扩展性问题提供了工程解决方案。一旦过程达到稳态，不一致的诱导时间就会消失。这种稳定性确保了可重复的动力学性能。薄壁管材的高表面积与体积比有助于更好的热量去除，并允许精确的等温控制。在一个应用中，使用铜管构建了一个反应器，其中内壁作为甲基丙烯酸酯聚合的催化源[9]。这种设计将化学创新与机械工程相结合，以优化Cu(0)介导的系统。将这些铜介导的原理应用于水介质是解决生物医学集成复杂性的下一个关键步骤。
3.3. 光诱导和电化学介导的ATRP（photo-ATRP & eATRP）
铜介导的聚合的发展后来从化学控制（即试剂、催化剂）转向利用外部和物理能量源来调节反应。例如，外部刺激如光和电（图7）可以用来在低铜含量下调节ATRP平衡，从而实现更高级别的控制。
在光诱导的ATRP中，光（来自LED或阳光等光源）提供能量将Cu(II)失活复合物还原回Cu(I)活化剂。这一简单而强大的创新引入了前所未有的外部控制水平。主要优势在于时间控制：当光线开启时，生成Cu(I)活化剂并开始聚合；当光线关闭时，活化剂生成停止，聚合也随之停止。这种“开/关”切换功能使研究人员能够精确地启动和停止链增长，并实现高精度的复杂聚合物结构创建。此外，这种方法还可以将催化剂浓度降低到低ppm水平[3]、[12]、[14]。
在电化学介导的ATRP（eATRP）中，施加的电势用于精确控制Cu(I)活化剂的浓度。通过调整施加的电势，可以实时调节聚合速率，从而实现高水平的动态控制[3]、[14]。图7展示了photo-ATRP和eATRP的关键点对比。这两种先进技术都能减少对传统Cu(I)/Cu(II)催化剂系统的依赖，但主要区别在于photo-ATRP可以控制聚合的发生时间，而eATRP可以精细控制聚合速率。
3.4. 水相铜介导的RDRP：机制考虑
将ATRP转移到水相环境中是合成生物相容性材料并减少有机溶剂依赖性的主要目标。然而，水具有独特的化学性质，这对铜催化循环带来了显著的限制。烷基卤化物引发剂或休眠的聚合物链末端（表示为R-X）容易发生水解。这种反应会使链末端失活，导致功能丧失，最终失去聚合控制[14]。在高度极性的水介质中维持活性催化物种进一步复杂化，因为Cu(I)会迅速转化为金属Cu(0)和Cu(II)。这种不稳定性通过消耗活化剂而破坏了预期的ATRP平衡[14]、[15]。虽然这种共比例反应对经典ATRP是一个重大障碍，但在极性溶剂中的Cu(0)介导系统中，它也起到基本的自我调节作用[15]、[52]。卤化物阴离子X-也可能从失活的Cu(II)X2/L复合物中解离。生成的[Cu(II)X/L]+物种作为失活剂的效率明显降低。这种较差的失活动力学导致活性自由基浓度升高，从而失去结构控制[14]。这些升高的自由基浓度加速了不可逆的自由基-自由基终止反应。因此，聚合的活性特性受到了影响。为了解决水中的这些特定机制差异，需要使用高度稳定的配位配体并仔细管理界面离子解离。
已经开发了几种关键策略来克服这些挑战，并在水中实现可控聚合，如图8所示。对于许多水相ATRP系统（包括ARGET、ICAR和photo-ATRP），最关键且广泛采用的解决方案之一是添加卤化物盐（例如NaBr或Et4N⁺Br⁻）[14]。
水相Cu(0) RDRP在合成难以处理的单体聚合物方面也表现出卓越的效果。为了解决这个问题，Haddleton及其同事开发了一种称为“预共比例”方法的技术。该方法在添加单体之前有意地在水中共比例反应Cu(I)盐。这一步骤生成了高反应性的新生Cu(0)纳米颗粒和必要的Cu(II)失活剂。这种方法在低温（0°C）下成功控制了难以处理的丙烯酰胺单体（如N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）的聚合。在这个阈值下的热调节似乎有助于实现一锅法构建十嵌段共聚物所需的高端基保真度[14]。另一种方法是通过硼氢化钠（NaBH4）还原Cu(II)盐在原位生成Cu(0)纳米颗粒，提供了不同的催化途径。这种纳米颗粒介导的系统能够实现极快的NIPAAm聚合[14]。
对于酸性单体（如甲基丙烯酸（MAA）的聚合，需要仔细控制反应pH值，这是一个重要因素。保持pH值在6以上是必要的，以防止氮基配体的质子化，否则会导致催化剂失活[14]。因此，对水相配位化学的精确控制决定了铜介导系统在这些介质中的可行性。第4.2节讨论了这些机制考虑对多嵌段和序列控制共聚物合成的实际影响。
3.5. 有机催化的ATRP（O-ATRP）
有机催化的原子转移自由基聚合（O-ATRP）是一种无金属的ATRP变体，其中传统的铜催化剂被有机光氧化还原催化剂取代[55]。在可见光照射下，有机光敏剂（如苝、吖啶染料、多环芳烃）被激发到高度还原状态，激活烷基卤化物引发剂（R–X），生成传播的自由基和氧化的光催化剂。随后的可逆失活过程再生了休眠的R–X链末端，保持可控的自由基聚合行为[56]、[57]。
O-ATRP的一个关键优势是完全消除了金属残留物，简化了纯化过程，并使其适用于电子、生物医学和传感领域。使用光作为外部刺激提供了出色的空间和时间控制，因此可以通过照射来开启和关闭聚合。最近的发展集中在“超还原”有机光催化剂上，这些催化剂能够激活具有挑战性的引发剂和单体。值得注意的是，Zhao等人展示了一种基于苯并吩嗪的光催化剂，能够在室温和耐空气条件下控制苯乙烯、芳香族卤化物引发剂和功能单体的聚合，显著扩展了单体的应用范围[56]、[57]。
从机制上讲，O-ATRP遵循与Cu-ATRP相同的可逆失活自由基聚合原理，但所有氧化还原步骤都由有机光催化剂在某些系统中还由牺牲胺类物质介导。已经证明了高链端保真度，使得嵌段共聚物和接枝策略成为可能。然而，O-ATRP可能比基于金属的ATRP慢，通常需要更高的催化剂负载，并且对氧气淬灭和光催化剂稳定性敏感。因此，仔细选择催化剂和管理氧气对于实现良好控制至关重要[56]、[57]。
4. 通过Cu介导的RDRP合成嵌段共聚物的策略
4.1. Cu介导和光诱导的多嵌段共聚物RDRP
高端基功能是可控自由基聚合过程中的关键特征。Whittaker及其同事在2011年研究了这一点。他们指出，在二甲基亚砜（DMSO）溶剂中室温下可以轻松合成高阶多嵌段共聚物，每个嵌段由非常少的重复单元组成（理想情况下为2个单体单元）。该过程在连续的嵌段形成步骤之间不需要任何纯化步骤，因为每个步骤都实现了完全的单体转化。在优化条件下，端基保真度的损失最小，获得了定义明确的六嵌段共聚物（Ð~1.19）[58]。
同一团队随后利用Cu(0)介导的聚合方法合成了星形多嵌段共聚物，其中使用了多功能核心引发剂，并发生了星形-星形偶联等副反应。引入了适量的失活物种（CuBr2）以抑制不希望的副作用，从而获得了具有优异控制水平的五嵌段星形共聚物[59]。然而，将范围扩展到十嵌段共聚物时遇到了问题，分散度显著增加（Ð~1.7），并且报告了非定量转化，表明系统已经达到了其极限[60]。Haddleton团队在优化[CuBr2]/[Me6TREN]比例等条件后，报道了更大尺寸的多嵌段共聚物[61]。几种具有较高分子量的丙烯酸酯类单体通过嵌段均聚物和共聚物的方法合成，保持了直到第五个嵌段的狭窄分散度，单体转化率约为95%。2014年，引入了使用传统光引发剂或染料敏化剂的光诱导可控自由基聚合技术[62]、[63]。这种聚合在环境光下即可实现，在适当的配体存在下，通过紫外光照射（λ~360 nm）和低浓度（ppm）的CuBr2作用下，反应速率非常快（几乎在一小时内即可完全转化）。通过1H核磁共振（Proton Nuclear Magnetic Resonance）和基质辅助激光解吸/飞行时间质谱（Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry）证实了聚合的可控性，因为所得到的聚丙烯酸酯类化合物的分散度约为1.10，末端基团的保真度非常高。采用原位迭代链延伸方法，无需任何纯化步骤即可实现嵌段共聚物的合成。利用这种方法可以轻松合成多种单体，包括聚乙二醇甲基醚丙烯酸酯（PEG480）、叔丁基丙烯酸酯、缩水甘油基丙烯酸酯和索尔凯特尔丙烯酸酯（SA）[64]。通过将溶剂系统从二甲基亚砜（DMSO）调整到异丙醇（IPA）或甲苯/甲醇，可以聚合更多疏水性单体，如月桂基和十八烷基丙烯酸酯[64]。值得注意的是，报道了具有高度可控性的十二嵌段多嵌段共聚物[65]、[66]。此外，单体的序列起着关键作用；所有单体都被发现能够以相同的效率进行聚合，从而可以根据需要调节单体组成（图10）。
高分子量共聚物展现出多种有趣的物理和化学性质，例如自组装[67]、[68]、[69]。因此，光介导的自由基聚合作为一种共聚技术被用来制备高分子量结构，如六嵌段和五嵌段多嵌段共聚物，通过优化反应条件实现高度可控性。定向嵌段共聚物也受到聚合物研究界的极大关注，因为它们可以提供多种结构，包括三嵌段共聚物、更高阶的自组装结构[70]、[71]等。重要的是，α和ω末端基团的反应性可以用于聚合后的修饰，有助于功能性材料的制备[72]。此外，双功能引发剂的使用减少了合成工作量，因为每次添加单体时可以引入两个嵌段（除了第一个嵌段，该嵌段形成均聚物，前提是双功能引发剂是小分子而非定向大分子引发剂）。需要指出的是，光诱导聚合仅对丙烯酸类单体有效，因为甲基丙烯酸酯和苯乙烯的聚合速率明显较慢，分散度值也较大[63]。
4.2. 水介质下的Cu介导的可控自由基聚合用于多嵌段和序列可控共聚物
水作为溶剂具有低成本、低毒性和与生物系统的良好相容性等优点，然而，水介质下的铜催化聚合一直具有挑战性[73]。对于丙烯酰胺单体的聚合，通常选择可逆加成-断裂聚合（RAFT）方法在水中合成由丙烯酰胺单体组成的多嵌段共聚物[74]、[75]、[76]、[77]。然而，当在水中使用ATRP进行丙烯酰胺聚合时，除非加入高比例的Cu(II)盐来有效失活，否则通常难以控制聚合过程。或者，经常使用多种有机共溶剂（例如二甲亚砜（DMF）、醇类）来改善分子量分布的控制[78]、[79]、[80]、[81]、[82]，尽管这会导致较长的反应时间和中等转化率。因此，尚未成功在纯水中通过ATRP实现丙烯酰胺的聚合。Broekhuis及其团队使用水介质下的ATRP技术，在25°C下制备了丙烯酰胺均聚物及其后续的嵌段共聚物（含有N-异丙基丙烯酰胺）。这一尝试表明，获得狭窄的分子量分布很困难，且未能实现完全的单体转化[83]。Kakuchi团队在类似条件下使用混合有机-水溶剂合成了不同的丙烯酰胺单体，但控制效果较差（分散度约为2.0），转化率也不定量[84]。Zhang等人引入了一种新方法，在加入单体和引发剂之前，铜(I)溴化物在适当的氮基配体存在下完全分解为Cu(0)粉末和CuBr2复合物。通过这种方法，在纯水中实现了快速且可控的丙烯酰胺和丙烯酸酯的聚合，无需任何额外的共溶剂或盐[85]。水介质下的铜催化聚合也被用于聚合多种不同的丙烯酰胺[86]、[87]、[88]和丙烯酸酯[85]单体，包括聚(N-异丙基丙烯酰胺)、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-丙烯酰基吗啉、聚乙二醇丙烯酸酯、2-羟基乙基丙烯酸酯，甚至丙烯酰胺二醇单体。使用冰浴进行聚合可以在几分钟内实现定量转化，更重要的是，所有聚合物都表现出可控的链长，NMR和GPC分析显示非常低的分散度值（Ð ~1.10）。随后，同一团队利用冰浴抑制了水解，从而提高了末端基团的官能性，用于在水介质中制备各种丙烯酰胺的多嵌段共聚物[89]、[90]。在室温或更低温度下进行聚合不仅有助于抑制终止反应，还能提高与生物系统的相容性。按照上述方法对NIPAM（N-异丙基丙烯酰胺）进行均聚后，1小时内实现了完全转化（图15）。然而，通过链延伸过程推进反应仅限于三嵌段共聚物（约6小时），因为不可避免地会发生水解。对NIPAM多嵌段均聚物的迭代链延伸进行了动力学研究，得到了定义明确的非嵌段聚(NIPAM)，最终分散度为1.10，反应时间仅为3.5小时。利用相同的方法，我们使用三种市售的丙烯酰胺单体合成了定义明确的多嵌段六嵌段共聚物P(NIPAM)10-b-P(DMA)10-b-P(HEAA)10-b-P(NIPAM)10-b-P(HEAA)10-b-P(DMA)10，最终分散度为1.11，总反应时间仅为3.5小时（图11）。值得注意的是，水被用作不同丙烯酰胺单元和不同单体序列的多嵌段共聚物的合成溶剂，即使在室温或更低温度下也是如此，表明其与生物系统的相容性。此外，还研究了单体结构对链延伸的影响。水介质下的可控自由基聚合受到单体结构的显著影响，可能是由于不同单体导致的水解速度不同，或是由于单体与催化剂之间的复杂相互作用[73]。研究表明，与仲级丙烯酰胺相比，叔级丙烯酰胺的链端损失速率更高。
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图10. 通过使用双功能引发剂的光诱导活性自由基聚合获得的七嵌段共聚物的示意图和SEC图。详细的合成步骤与参考文献[65]相同。
高分子量共聚物表现出广泛的有趣物理和化学性质，如自组装[67]、[68]、[69]。因此，光介导的自由基聚合作为一种共聚技术被用来制备高分子量结构，如六嵌段和五嵌段多嵌段共聚物，通过优化反应条件实现高度可控性。定向嵌段共聚物也受到聚合物研究界的极大关注，因为它们可以提供多种结构，包括三嵌段共聚物、更高阶的自组装结构[70]、[71]等。关键的是，α和ω末端基团的反应性可以用于聚合后的修饰，有助于功能性材料的制备[72]。此外，双功能引发剂的使用减少了合成工作量，因为每次添加单体时可以引入两个嵌段（除了第一个嵌段形成均聚物，假设双功能引发剂是小分子而非定向大分子引发剂）。需要指出的是，光诱导聚合仅对丙烯酸类单体有效，因为甲基丙烯酸酯和苯乙烯的聚合速率明显较慢，分散度值也较大[63]。
4.2. 水介质下的Cu介导的可控自由基聚合用于多嵌段和序列可控共聚物
水作为溶剂具有低成本、低毒性和与生物系统的良好相容性等优点，然而，水介质下的铜催化聚合一直具有挑战性[73]。对于丙烯酰胺单体的聚合，通常选择可逆加成-断裂聚合（RAFT）方法在水中合成由丙烯酰胺单体组成的多嵌段共聚物[74]、[75]、[76]、[77]。然而，当在水中使用ATRP进行丙烯酰胺聚合时，除非加入高比例的Cu(II)盐来有效失活，否则通常难以控制聚合过程。或者，经常使用多种有机共溶剂（例如二甲亚砜（DMF）、醇类）来改善分子量分布的控制[78]、[79]、[80]、[81]、[82]，尽管这会导致较长的反应时间和中等转化率。因此，尚未成功在纯水中通过ATRP实现丙烯酰胺的聚合。Broekhuis及其团队使用水介质下的ATRP技术，在25°C下制备了丙烯酰胺均聚物及其后续的嵌段共聚物（含有N-异丙基丙烯酰胺）。这一尝试表明，获得狭窄的分子量分布很困难，且未能实现完全的单体转化[83]。Kakuchi团队的另一项研究在类似条件下使用混合有机-水溶剂合成了不同的丙烯酰胺单体，但控制效果较差（分散度约为2.0），转化率也不定量[84]。Zhang等人引入了一种新方法，在加入单体和引发剂之前，铜(I)溴化物在适当的氮基配体存在下完全分解为Cu(0)粉末和CuBr2复合物。通过这种方法，在纯水中实现了快速且可控的丙烯酰胺和丙烯酸酯的聚合，无需任何额外的共溶剂或盐[85]。水介质下的铜催化聚合也被用于聚合多种不同的丙烯酰胺[86]、[87]、[88]和丙烯酸酯[85]单体，包括聚(N-异丙基丙烯酰胺)、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-丙烯酰基吗啉、聚乙二醇丙烯酸酯、2-羟基乙基丙烯酸酯，甚至丙烯酰胺二醇单体。使用冰浴进行聚合，在几分钟内实现了定量转化，更重要的是，所有聚合物都表现出可控的链长，NMR和GPC分析显示非常低的分散度值（Ð ~1.10）。随后，同一团队利用冰浴抑制了水解，从而提高了末端基团的官能性，用于在水介质中制备各种丙烯酰胺的多嵌段共聚物[89]、[90]。在室温或更低温度下进行聚合不仅有助于抑制终止反应，还能提高与生物系统的相容性。按照上述方法对NIPAM（N-异丙基丙烯酰胺）进行均聚后，1小时内实现了完全转化（图15）。然而，通过链延伸过程推进反应仅限于三嵌段共聚物（约6小时），因为不可避免地会发生水解。对NIPAM多嵌段均聚物的迭代链延伸进行了动力学研究，得到了定义明确的非嵌段聚(NIPAM)，最终分散度为1.10，反应时间仅为3.5小时。利用相同的方法，我们使用三种市售的丙烯酰胺单体合成了定义明确的多嵌段六嵌段共聚物P(NIPAM)10-b-P(DMA)10-b-P(HEAA)10-b-P(NIPAM)10-b-P(HEAA)10-b-P(DMA)10，最终分散度为1.11，总反应时间仅为3.5小时（图11）。值得注意的是，水被用作不同丙烯酰胺单元和不同单体序列的多嵌段共聚物的合成溶剂，即使在室温或更低温度下也是如此，表明其与生物系统的相容性。此外，还研究了单体结构对链延伸的影响。水介质下的可控自由基聚合受到单体结构的显著影响，可能是由于不同单体导致的水解速度不同，或是由于单体与催化剂之间的复杂相互作用[73]。研究表明，与仲级丙烯酰胺相比，叔级丙烯酰胺的链端损失速率更高。
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图11. 通过Cu(0)介导的活性自由基聚合在室温以下制备的由NIPAM、DMA和HEAA组成的多嵌段共聚物的示意图和SEC图。经参考文献[90]许可复制。版权所有2014 RSC。
对于需要四种具有不同官能团的单体单元的应用，最近在水介质下通过铜介导的自由基聚合实现了多嵌段共聚物ABCD（NIPAM、DMA、HEAA和DEA）。每个段包含10个具有特定性质的单体，形成了四嵌段共聚物，模仿了DNA和生物大分子在链长和组成上的精确性。重要的是，嵌段共聚物的A部分和D部分具有LCST（临界溶解温度）行为；因此，四嵌段共聚物在链的开始和结束部分表现出热敏行为。这一特性可以用于聚合物材料应用中，根据需要修改聚合物溶液的流变性和粘度。在另一项研究中，使用水/乙醇溶剂混合物合成了聚(3-丙烯酰胺丙基)三甲基铵氯化物，随后在同一溶剂系统中进行链延伸，获得了高末端基团保真度、良好的单体转化率，并得到了分散度小于1.40的嵌段共聚物[91]。在基于水的系统中也可以进行疏水性单体的聚合[92]、[93]、[94]。在悬浮液、乳液和微乳液介质中进行聚合具有多种优势，如改善热传递、降低粘度以及减少失控反应的风险[94]。最后，报道了一种具有高分子量的定义明确的三嵌段共聚物，在整个迭代链延伸过程中保持了狭窄的分散度，并实现了定量转化（最终90%）[87]。值得注意的是，这些共聚过程在迭代添加之间无需任何纯化步骤，因此非常适合工业应用。表3总结了通过ATRP合成的多嵌段共聚物的代表性例子，突出了关键的结构参数和合成条件。
表3. 通过ATRP合成的多嵌段共聚物的代表性例子。
聚合物系统 | 方法 | 溶剂 | 关键特征 | 参考文献
|------|------|--------|---------|
| 六嵌段共聚物 | Cu(0)-ATRP, 顺序 | DMSO | ~1.19 | 无需纯化；高末端基团保真度 | [58] |
| 星形多嵌段共聚物 | Cu(0)-ATRP | 有机溶剂 | ~1.02-1.07 | 多功能引发剂；CuBr2抑制耦合 | [59] |
| 十二嵌段共聚物 | Cu(0)-ATRP | 有机溶剂 | ~1.1-1.81 | 在高嵌段数时失去控制 | [60] |
| 多嵌段丙烯酸酯 | ATRP（优化条件） | 有机溶剂 | ~1.04-1.40 | ~95-100%转化率；最多控制到5个嵌段 | [61] |
| 丙烯酸多嵌段共聚物（序列可控，最多到十二嵌段） | PhotoATRP | DMSO | ~1.06-1.59 | 一步合成，时空“开/关”控制；成本低；无需外部光氧化还原催化剂 | [65] |
| 十二嵌段丙烯酸酯共聚物 | PhotoATRP | DMSO | 1.10–1.17 | 一步合成；高转化率；狭窄分散度；光控 | [66] |
| 定向七嵌段共聚物（NIPAAm, DEA, DMA, PEGA） | Cu(0)-ATRP（水） | 水（≤室温，冰浴） | ~1.1 | 快速；可控链延伸 | [89] |
| 丙烯酰胺多嵌段（NIPAM, HEAA, DMA, DEA） | Cu(0)-ATRP（水） | 水 | ~1.1 | 完全水基；高序列控制 | [90] |
5. Cu介导的可控自由基聚合的最新进展
5.1. 超低催化剂负载
最近在Cu介导的自由基聚合研究中的进展最终从化学计量金属负载转向了超低催化剂浓度，例如图12所示的例子，通常定义为百万分之一（ppm）到十亿分之一（ppb）[95]、[96]。对近期文献的比较显示，虽然许多研究的目标是使用10–50 ppm的Cu以减少纯化需求和着色，但具体浓度高度依赖于单体的聚合速率和溶剂环境。例如，高效的双催化系统如4DCDP-IPN使用了10 ppm的Cu和仅50 ppb的光催化剂，实现了高保真度的PMMA[95]、[96]、[97]。同样，新的吡唑并菲啶衍生物使用了20 ppm的Cu，在250 mL规模上实现了耐氧聚合[97]、[98]。这些超低负载有助于获得“无色”聚合物产品，显著降低了金属去除的工业障碍。
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图12. 使用超低铜催化剂浓度的最新研究。所有数据均结合参考文献进行讨论。
Cu浓度的作用也从单纯的引发源转变为在更复杂系统中的动力学调节器。例如，在一项使用氧增强ATRP的研究中，使用极低浓度的4.5 ppm Cu触发了活性超氧阴离子复合物的形成，从而帮助实现了高聚合度（DP 6400）和接近定量的转化[96]、[99]。另一方面，在具有挑战性的水介质中，策略转向添加额外的失活剂来维持控制。在丙烯酰胺的聚合中，研究人员发现添加0.4当量的Cu(II)（大约是引发剂的40%）对于在水中对抗高聚合速率提供足够的失活控制是必要的，以实现低分散度（Ð<1.15）[100]。在表面引发方法中使用低Cu浓度也有助于弥合实验室合成和工业规模之间的差距。在一项使用水介质表面引发的CuCRP（SI-CuCRP）的研究中，将Cu降低到26 ppm或67 ppm有助于通过添加卤化钠盐来抑制失活剂的分解，从而维持聚(丙烯酸酯)刷状结构的控制[101]、[102]、[103]。对于强阴离子嵌段共聚物，添加0.01 mol % CuBr2（相对于引发剂约为100 ppm）有助于维持大分子的活性，而无需复杂的纯化[104]。此外，在开放空气下的绿光驱动ATRP中，100 ppm Cu和25 ppm Eosin Y的组合有助于系统有效清除氧气，同时在相同的有氧条件下在分子量控制方面优于PET-RAFT（光诱导电子/能量转移可逆加成-断裂链转移聚合）[105]。随着这些发展，最近的文献（2020–2026）进一步证实了向超低铜负载的转变，表明Cu介导的可控自由基聚合在≤100 ppm Cu的浓度下已成为合成定义明确的多嵌段共聚物的可靠平台，同时简化了纯化过程并实现了更温和、更环保的反应条件。在这个框架内，出现了几种互补策略。化学再生方法如ARGET和ICAR ATRP通常在10–100 ppm Cu的浓度下运行，始终能够实现狭窄的分散度和在有机和水介质中的高效嵌段延伸，包括生物共轭和表面引发系统[106]、[107]。同时，Cu⁰介导的和SARA ATRP系统在有效的Cu浓度约为0–50 ppm时维持活化剂-失活剂平衡，这使得它们能够耐受氧气、在缺乏配体的条件下进行反应，并合成复杂的结构，如两亲性嵌段、超高分子量的星形聚合物以及分散度通常≤1.10 [104]、[108]、[109]、[110]的混合聚合物。光辅助和电辅助ATRP通过将Cu浓度与自由基流量解耦，进一步扩展了这一设计空间，允许在可见光或近红外光下、在流动系统中以及在水或生物分子兼容的环境中进行聚合，而不会影响嵌段的保真度 [107]、[111]。最近，双光氧化还原/Cu系统和酶促脱氧策略将催化剂负载量降低到1–5 ppm Cu，同时仍保持高转化率和窄分散度 [107]。总体而言，这些进展加强了上述研究得出的更广泛结论：在适当的条件下，ppm级别的铜足以维持可控/活性聚合，前提是保持高效的再生途径、高活性的配体以及稳健的失活控制。所有这些使用低Cu浓度的最新尝试都表明，它有望解决几十年来一直存在的高Cu毒性问题。
5.2 双光氧化还原/铜催化
双光氧化还原/铜催化（PC/Cu-ATRP）是一种强大的再生技术，它利用两种不同催化循环的协同作用，实现了单独任何一种成分都无法达到的效率和控制水平。最近，光催化剂的设计发生了重大转变，从传统上关注光催化剂激发态还原能力的系统转向现代系统，后者最大化基态氧化电位（E0ox），从而在低负载（如50 ppb）下维持催化循环，正如Jeon等人[95]和Hu等人[97]所展示的那样。采用双光氧化还原/铜催化策略被发现可以促进高转化率和链端保真度，同时适用于大规模的露天反应。例如，Szczepaniak等人[105]和Hu等人[112]的结果表明，在相同的有氧条件下，双Eosin Y/Cu和Methylene Blue/Cu循环的性能显著优于PET-RAFT。在他们的研究中，铜循环通过反应中间体有效清除氧气，防止了RAFT中常见的宽分散度。在Dadashi-Silab等人[113]的另一项研究中，他们引入了异质共轭微孔聚合物，为水基蛋白质-聚合物合成提供了可持续的替代方案[114]。然而，这种方法可能由于扩散限制而表现出较慢的动力学。Hall等人[115]提出了一个更全面的解决方案，他们设计了一种集成的引发剂-光催化剂，简化了反应过程，与Sun等人[98]和Sobieski等人[96]在早期综述中建立的多添加剂框架形成了鲜明对比。
5.3 耐氧性和露天ATRP
虽然降低催化剂负载量解决了产品纯度的问题，但氧气敏感性这一持续存在的问题仍然是实际应用的主要障碍。氧气传统上是所有形式自由基聚合的强抑制剂，因为它可以终止生长中的链并使催化剂失活。这历史上需要严格且耗能的脱氧程序，如冷冻-抽吸-解冻循环或惰性气体吹扫。因此，开发耐氧系统是一个关键进展，它提高了ATRP的实际性、成本效益和环境友好性。最近的研究展示了在开放容器中管理氧气的多种策略。Parkatzidis等人[99]利用氧气来驱动反应动力学（图13），而Szczepaniak等人[105]和Hu等人[112]则证明，在露天96孔板中使用的双光氧化还原/铜催化在效果上明显优于PET-RAFT，因为铜循环能够清除氧气，从而保持窄分散度（Đ<1.30），这是RAFT在相同有氧条件下无法实现的。相比之下，Kapil等人[114]解决了在水溶液中聚合“难处理”的丙烯酸酯而不需要脱气的挑战，而Chen等人[116]和Yan等人[102]通过使用固体CuBr薄膜或铜板作为物理氧气屏障，简化了工艺。Hu等人[97]和Jeon等人[95]在机制驱动设计方面也取得了进一步进展，他们优先考虑了TADF（热激活延迟荧光）光催化剂的基态氧化电位，以在低ppb负载下维持耐氧聚合。最终，这些不同的方法表明，无论是通过超氧物种的化学转化还是物理屏障，主要目标已经从排除氧气转变为工程化耐受。
5.4 可见光、红光和近红外（NIR）光驱动的ATRP
另一种最近在光介导的ATRP中受到广泛关注的方法是，从高能紫外线（UV）光转向低能量光源，如可见光、红光甚至近红外（NIR）光，如图14所示。这种转变由于多种原因而在技术上有所改进。其中一个重要原因是，使用较长波长可以提高能量效率，并促进光线更深入地穿透散射或不透明的反应介质。此外，这些低能量光子还能减少对敏感底物的光损伤，这对于处理脆弱生物分子的系统非常重要。
5.5 生物相关性和细胞相容性
Cu介导的RDRP最近作为一种有前景的工具出现，用于创建定义明确的聚合物生物共轭物，特别是使用可逆失活方法。这是通过结合蛋白质和DNA的特定生物功能与合成聚合物的可调物理性质来实现的，从而促进了药物递送、诊断和组织工程方面的创新[96]、[112]、[114]。此外，转向使用双光氧化还原/铜催化还允许使用绿色、红色或近红外光等温和刺激来驱动反应，而不会损害生物系统。这些刺激还使得在耐氧和水溶液中进行反应成为可能[96]、[112]、[114]。最近的进展还表明，近红外（NIR）响应系统，如磷/氮共掺杂的碳点，能够在完全水基介质中在808 nm照射下高效进行ATRP，实现深光穿透生物屏障，并在复杂组织环境中进行聚合[125]。为了进一步确保系统的生物相容性，降低铜浓度非常重要。先进的技术，如使用基于TADF的催化剂或Methylene Blue，允许使用ppm或ppb级别的超低催化剂剂量。这显著减少了金属污染和对敏感生物结构的损伤，同时确保了高细胞相容性。在一些研究中，活性聚合期间的细胞存活率达到了约80% [95]、[112]。使用异质催化剂（如Cu(I)-掺杂的共价有机框架（COFs）的补充策略提供了集成的“二合一”催化平台，增强了催化剂稳定性，并实现了接近定量的回收，从而减少了生物环境中的残留铜暴露[126]、[127]。此外，特定的成就包括使用胰蛋白酶和牛血清白蛋白成功实现了“从...接枝”的蛋白质-聚合物杂化物的合成，以及在无需严格脱气的情况下在露天环境中高通量制造DNA-聚合物生物共轭物[112]、[114]。这些系统中的生物协同作用依赖于将光催化剂性质与生物介质相匹配，以保持必要的自然功能。合成聚合物直接编织在活体模板上，同时保持其完整性[114]、[128]、[129]。在这种背景下，新兴的溶剂系统（如深共晶溶剂（DES）进一步改善了反应动力学和耐氧性，使得在开放空气中进行高效的光ATRP成为可能，同时调节了向生物兼容的自由基生成的起始途径[130]。
5.6 表面引发的Cu(0)-介导的CRP（SI-CuCRP）
表面引发的聚合是一种强大的技术，用于创建由紧密排列的聚合物组成的“聚合物刷”。该技术允许精确修改表面性质，适用于电子、生物相容涂层和传感器[129]、[131]。已经开发出一种创新且非常简单的实验装置，用于表面引发的铜介导的可控自由基聚合（SI-CuCRP），其中用表面结合的引发剂（例如APTES-BiBB）功能化的基底被物理夹在固体铜板之间，铜板是铜催化剂的唯一来源，如图15所示。单体和配体（例如PMDETA）溶液填充了间隙，无需额外的铜盐[102]、[131]。该技术在室温下实现了惊人的高刷生长速率，仅用一小时就制备出了80 nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）刷。它还非常通用，能够成功聚合多种单体，包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、苯乙烯和N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）[102]、[131]。这种晶圆级技术还使得创建先进的结构成为可能：可以使用图案化的引发剂自组装单层（SAMs）制造图案化的聚合物刷，并通过稍微倾斜铜板相对于基底来生产梯度聚合物刷[96]、[101]、[131]。这种基于Cu(0)的系统在表面上的成功激发了在水溶液中进行具有挑战性的聚合的类似方法[100]、[132]。
5.7 水基Cu(0)-RDRP（一步法）
通过铜催化的RDRP在水介质中控制丙烯酰胺的聚合一直是一个长期存在的挑战，通常受到低单体转化率、控制不良和宽分子量分布的影响[100]。这些问题源于单体的高传播速率（kp）以及在水中的复杂催化剂相互作用，例如伯酰胺基团倾向于与Cu(II)物种形成复合物并延缓失活。一种新颖的一锅法、一步策略（图16）通过简单地向水基Cu(0)介导的RDRP系统中添加额外的Cu(II)Br2失活剂来克服这些困难[100]。这种调整是建立动力学控制的关键，通过维持高浓度的失活剂来与快速的链增长竞争。对于像丙烯酰胺这样传播速度快的单体，失活速率必须足够高，以与链增长竞争并防止不受控制的增长和终止。通过添加外部的Cu(II)Br2，失活剂浓度增加，从而提高失活速率，使ATRP平衡能够在不可逆终止发生之前有效控制聚合。这种方法的结果很有前景，因为它们可以实现丙烯酰胺的良好控制聚合，转化率超过90%，分散度窄（Đ∼1.12–1.15），并且分子量随转化率线性变化。此外，成功的链延伸和嵌段共聚（例如PAM-b-PHEAA）证实了该过程的高活性。这一策略补充了开发适用于各种聚合环境的可重复使用异相催化剂的更广泛研究工作[100]。
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图16. 通过一锅法和一步法水基Cu(0)介导的可逆失活自由基聚合（RDRP）控制丙烯酰胺的聚合[100]。
5.8. 异相和可回收光催化剂
可持续聚合物化学的一个主要焦点是开发易于去除和回收的异相光催化剂（PCs），从而简化产品纯化过程，降低成本，并提高ATRP的整体环保性[98]。已经开发了多种用于双PC/Cu-ATRP的异相PCs[96]。这些包括由二氧化硅等刚性基质支撑的碳点。这些纳米颗粒已被用于在蓝光照射下创建耐氧系统。它们还包括交联的共聚物，其中如交联的吩噻嗪等材料形成了坚固且不溶的网络，适用于绿色和红色光下的ATRP，并且可以通过过滤轻松去除以供重复使用。另一个强有力的例子是共价和金属有机框架（COFs和MOFs）。这些定义明确且周期性的晶体结构已被用作稳定且可回收的光催化剂。尽管有所有这些优势，固定化PCs的主要挑战是在可回收性和动力学性能之间可能存在的权衡。虽然易于分离是一个主要优势，但这些系统可能会受到扩散限制，从而导致动力学较慢[96]。这与它们高度移动且高效的均相对应物形成鲜明对比，后者在低至50 ppb的浓度下就能表现出高转化率和良好的控制。尽管如此，设计均相和异相系统的最终目标是生产结构完全可控的聚合物。
5.9. 高端基团保真度（促进多嵌段共聚物的合成）
高端基团保真度或“活性”是指聚合过程受到良好控制，使得聚合物链在反应完成后仍保留其活性末端基团。这一特性是合成先进大分子结构的基础，因为它允许链重新引发形成嵌段共聚物、星形聚合物和其他复杂结构。最近的ATRP方法在链末端控制方面展示了卓越的能力。来自不同先进系统的证据证实了这一点：
- 氧增强ATRP方法提供了“异常高的高端基团保真度”，这一点通过质谱得到了证实。这使得能够在一次反应中合成伪五嵌段共聚物，即使每个迭代块添加的目标转化率非常高，也几乎没有耦合[99]。
- 用于丙烯酰胺聚合的水基Cu(0)-RDRP系统通过成功延长聚丙烯酰胺大分子的链长并随后与2-羟乙基丙烯酰胺进行嵌段共聚，证明了其高活性[100]。
- 双PC/Cu-ATRP系统始终报告高链端保真度，因为温和的光驱动再生过程最小化了副反应，从而提供了广泛的先进聚合物结构的选择[96]。
6. 通过Cu介导的RDRP合成的嵌段共聚物的应用
由于之前提到的BCPs能够自组装成定义明确的纳米结构，它们在药物递送、涂层和膜技术等领域找到了广泛的应用。本节讨论了ATRP衍生BCPs的最新应用进展，并强调了它们在这些不同领域的重要性。由于组成块的互不相容性，它们表现出微相分离，形成了层状、圆柱形、球形和螺旋形等周期性纳米结构。通过调整分子量、组成和加工条件，它们在许多应用中都非常多功能，如图17所示，并在以下部分进行了讨论[133]、[134]、[135]、[136]、[137]。
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图17. 通过CRP合成的嵌段共聚物的应用。
6.1. 生物医学和生物集成应用
6.1.1. 生物医学应用和生物功能材料
Cu介导的RDRP的最新发展显著扩展了BCPs的生物医学应用范围。ATRP和其他RDRP技术允许精确合成具有适合靶向药物递送、诊断成像和治疗诊断功能的聚合物，如图18所示[138]。例如，将靶向配体、pH敏感连接剂和亲水链（如PEG）直接引入聚合物链中，通过保留和增强渗透效应，提高了向肿瘤组织的靶向转移。此外，两亲性ATRP衍生聚合物（如聚（乙二醇）-嵌段-聚（乳酸）（PEG-b-PLA）在药物递送中得到广泛应用。这些聚合物在水溶液中形成胶束，将疏水性药物封装在其核心，而亲水的PEG外壳增强了生物相容性和循环时间[139]。此外，还开发了响应pH值、温度或氧化还原条件的刺激响应型ATRP衍生BCPs，可以释放药物[135]、[136]、[139]、[140]。ATRP衍生BCPs还被用于基因递送系统，其中阳离子嵌段共聚物（如基于聚(2-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯)（PDMAEMA）的系统）与DNA或siRNA结合，确保其保护和受控的细胞内释放[134]、[142]。
此外，BCPs还促进了抗菌和防污涂层的开发，通过表面引发的ATRP（SI-ATRP）接枝的聚合物刷可以抵抗蛋白质和微生物的附着。通过ATRP方法形成的两性离子和PEG化刷被用于修改导管和植入物的表面，从而提高其兼容性并减少免疫反应[141]。
在组织工程支架中，由于BCPs的生物相容性和机械性能，它们也被使用。例如，聚（己内酯）-嵌段-聚（乙二醇）（PCL-b-PEG）被用于再生医学、生物成像和治疗诊断，其中它们封装了造影剂和治疗药物[134]、[142]。
6.1.2. BCPs在生物界面和生物传感器中的应用
使用ATRP衍生聚合物还可以显著提高生物传感器的灵敏度和特异性。通过控制聚合物结构和末端基团的功能性，ATRP能够固定生物分子（如酶、抗体）并保持其活性。此外，通过表面引发的CRP形成的聚合物刷可以改善电化学和光学生物传感器的信号转导并减少背景噪声。新兴的工作还展示了ATRP在创建防污诊断界面中的作用，特别是对于可穿戴健康传感器或植入式设备。这些界面通过最小化蛋白质吸附和生物膜的形成，确保了延长的操作寿命[3]、[138]、[141]。
6.2. 表面、涂层和智能材料技术
6.2.1. 表面和界面工程
表面引发的CRP是一种复杂的分子级界面修饰方法，因此在界面工程领域找到了应用。SI-CRP方法（如SI-ATRP和SI-RAFT聚合）可用于创建具有可控厚度和组成的聚合物刷。这些刷还可以用于调整表面润湿性、粘附性、润滑性和响应性[3]。ARGET ATRP也被用于从纳米颗粒上接枝嵌段聚合物[143]。
上述特性使这种方法在生物传感应用中具有吸引力。更具体地说，用生物识别单元（如抗体）功能化表面接枝的框架可以提高生物传感的检测灵敏度和选择性。此外，在微流控设备中集成CRP功能化的通道可以抑制非特异性吸附。减少生物污染对于保持高信噪比和提高整体诊断性能是必要的[3]。
6.2.2. 先进涂层和粘合剂
CRP方法还用于制造具有自修复、抗腐蚀、防雾等优良特性的功能性涂层（图19）。例如，在自修复材料中，ATRP衍生涂层能够在机械失效时破裂并释放适合原位聚合和结构恢复的修复剂[143]。
由于ATRP方法能够精确控制亲水性和疏水性块的比例，它们还可以微调特定海洋或光学环境下的表面润湿性。这种合成精度进一步扩展到了基于三嵌段共聚物（如SIS和SEBS）的压力敏感粘合剂（PSAs）。研究人员可以通过调节分子量和块组成来优化许多性能参数，包括粘性、剥离强度和耐热性，从而使这些粘合剂系统适用于从生物相容性医疗胶带到高性能结构粘合剂的多种需求[141]。
6.2.3. 智能和响应性材料
ATRP方法能够结合响应刺激的单体，使其非常适合设计具有各种响应行为的智能材料，例如对温度或pH值的响应。热响应聚合物（如PNIPAM）在体温下表现出可逆的溶解度变化，用于可注射水凝胶或响应性药物载体。含有二硫化物或铁氰化物单元的氧化还原响应聚合物可以在还原条件下降解，并在细胞内释放药物。其他值得注意的发展包括在紫外光或可见光下发生构象或结构变化的光响应聚合物。这些材料可用于创建光控药物释放系统或光学开关[138]。
ATRP衍生材料还用于具有自修复和响应性特性的智能涂层。例如，聚（丙烯酸）-嵌段-聚（苯乙烯）（PAA-b-PS）涂层可以对pH变化做出响应[144]、[145]。其他各种响应性表面也已合成，其中刷子在温度（例如聚(N-异丙基丙烯酰胺)）、pH（例如PAA）或氧化还原信号下表现出可切换的特性。这些响应性表面应用于药物递送平台、芯片实验室设备和细胞培养基底[138]。
6.3. 能源、环境和循环材料
6.3.1. 能源和环境应用
通过ATRP介导的合成来定制材料性能对于电池、燃料电池和超级电容器架构至关重要。通过ATRP合成的嵌段共聚物被用作离子导电膜，其中相分离的纳米结构实现了快速的质子或离子传输，同时保持了机械强度。ATRP合成的功能性聚合物也被用于光伏领域，特别是在有机太阳能电池的供体-受体系统设计中[3]、[138]、[141]。
在环境修复中，基于ATRP的材料用于创建选择性吸附剂，用于重金属和有机污染物的去除。例如，含有胺或硫醇官能团的接枝聚合物网络可以选择性地结合汞或镉等污染物。基于ATRP的膜还表现出可调的孔径大小和高选择性。这种类型的材料适用于水净化和其他环境应用。例如，聚（苯乙烯-嵌段-异戊二烯-嵌段-苯乙烯）（SIS）膜已被用于水处理中的超滤膜[146]。
6.3.2. ATRP衍生的BCPs在回收和循环聚合物中的应用
一个日益增长的研究领域专注于设计具有可回收性或化学循环性的ATRP衍生聚合物。将动态共价键（如二硫化物、亚胺、硼酸酯）引入ATRP框架可以在温和条件下实现解聚或再加工。这些玻璃态聚合物和动态网络结合了热塑性和热固性材料的优点，使其成为高性能、可再加工材料的理想选择。此外，人们还在努力设计具有“触发降解”特性的聚合物。例如，现在正在探索在酸性、氧化或酶环境中降解的聚合物，用于生物医学植入物和包装材料。这样的设计策略有助于实现减少塑料废物和促进循环聚合物经济的更广泛可持续性目标[3]、[138]、[141]。图20展示了一些通过CRP合成的嵌段共聚物在能源和环境应用中的示例[146]。
6.4. 制造、纳米技术和工业规模放大
6.4.1. 纳米技术和光刻
通过ATRP生产的嵌段共聚物由于其自组装能力，在纳米级图案化中至关重要。PS-b-PMMA是最常研究的系统之一，已被优化用于DSA（半导体器件制造中的关键工艺），其中以经济且可重复的方式实现了小于10纳米的特征尺寸。此外，这些自组装的BCPs可以用作纳米结构陶瓷、金属和氧化物的软模板。在选择性地去除一个块后，所得到的空隙可以填充无机前体，从而产生用于催化和能量存储的多孔纳米材料。此外，它们还作为合成介孔材料和纳米颗粒的模板，适用于广泛的有前景的应用领域[133]、[138]、[147]。6.4.2 农业和食品包装ATRP衍生的BCPs在农业领域也有应用，其中需要控制肥料、杀虫剂和除草剂的释放。嵌段共聚物胶束和纳米凝胶能够作为载体，提高农用化学品的稳定性和生物利用率，同时将环境影响降到最低。在食品包装中，通过SI-CRP方法合成的抗菌涂层可以通过增强氧气和水分阻隔性能来延长保质期并抑制变质，这些性能可以通过两亲嵌段结构进行调整[3]、[138]。6.4.3 工业应用和可扩展性许多RDRP方法（例如ATRP和Cu(0)介导的聚合）已经发展到可以大规模工业应用的阶段。开发了简化且耐氧的技术，如ARGET ATRP和SET-LRP，使得RDRP可以在更宽松的条件下进行，适合扩大生产规模。现在，工业界使用RDRP合成具有窄分子量分布的特殊聚合物，用于润滑油、个人护理产品、涂料和先进纺织品，这些产品需要提高热稳定性、可调的流变行为以及与多种配方基质的兼容性[138]。RDRP还促进了具有特定功能的聚合物和嵌段共聚物的合成，这些聚合物可用作颜料的分散剂或乳液中的稳定剂，在这些应用中性能的一致性非常重要。例如，来自RDRP的颜料分散剂在喷墨印刷和汽车涂料中表现出更好的稳定性能，优于传统的聚合物添加剂[3]、[141]。图21展示了嵌段共聚物在制造和纳米技术中的一些应用实例。下载：下载高分辨率图像（283KB）下载：下载全尺寸图像图21. BCPs在制造、纳米技术和工业领域的应用。7. 当前挑战和未来展望尽管本文讨论了许多进展，但该领域仍面临一些挑战，如图22所示。通过铜介导的可逆失活自由基聚合（Cu-RDRP）生产嵌段共聚物（BCPs）的主要挑战是保持高链端保真度。高链端保真度对于在顺序添加单体块时实现定量转化非常重要。在水环境中，这通常会受到卤素配体溶剂取代和C-X链端水解不稳定性的影响，导致“死链”和转化率受限。此外，强阴离子BCPs的生产受到带电段和中性段之间极端溶解度不兼容性的阻碍，这通常需要复杂的溶剂混合物和高催化剂浓度。残留的铜毒性和变色也是一个挑战，因为去除这些污染物既昂贵又技术要求高。它们对生物系统也有毒性。此外，虽然像Cu(0)-RDRP这样的技术已经能够生产出高阶多嵌段共聚物（包括十嵌段共聚物），但随着嵌段数量的增加，精确控制分子量分布仍然很困难，因为终止反应是累积的。下载：下载高分辨率图像（386KB）下载：下载全尺寸图像图22. 通过Cu介导的CRP合成BCPs所面临的挑战和前景。为了克服这些限制，该领域目前正在朝着使用低催化剂浓度的更环保和超高效催化框架发展。最近的研究集中在亚ppm甚至ppb浓度下运行的系统上，以避免聚合后的纯化步骤。该领域还转向了异相光催化剂和双光氧化还原/铜催化系统。这种转变提高了催化剂的回收和再利用效率，简化了工艺流程，并降低了制造成本。除了催化剂设计外，为了扩大单体范围和提高可持续性，研究人员还专注于生物杂化聚合物系统，并利用红光或近红外（NIR）光在开放环境中将聚合物接枝到蛋白质和DNA等敏感生物分子上。展望未来，实时过程控制通过结合高通量筛选、人工智能驱动的自动化和流动反应器技术得到了发展。这些策略允许快速优化越来越复杂的大分子结构的反应参数。所有这些发展都与向循环聚合物材料发展的更广泛趋势相一致。8. 结论总之，Cu介导的RDRP被证明是一种构建具有精确结构和功能控制的先进嵌段共聚物的强大技术。过去五年的进展通过开发超低催化剂系统、光化学和电化学介导的过程以及耐氧条件，扩展了该技术的应用范围。本综述将机制理解与最近的方法学发展联系起来，表明Cu介导的RDRP正在被整合到生物医学、能源、表面科学和纳米技术驱动的材料中。预计未来的进展将集中在解决与可扩展性、催化剂管理和可持续性相关的实际问题上，并使聚合设计更紧密地符合特定应用的需求。CRediT作者贡献声明Soumaya Grira：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、研究。A.S. Mohammad Sayem Mozumder：撰写——审阅与编辑。Basheer Alshammari：撰写——初稿、研究。Fehaid Alsubaie：撰写——初稿、研究。Mourad Abdel-Hamid I.：撰写——审阅与编辑、验证、监督。
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