电化学方式可改进聚合反应过程

据美国物理学家组织网报道，美国科学家在近日出版的《科学》杂志上撰文指出，通过在原子转移自由基聚合（ATRP）过程中向其施加电力，可以更精准地控制整个过程，这种更环保的电化学方法有望生产出具有专门用途的更复杂材料。

ATRP技术由卡内基—梅隆大学化学家克里斯托弗·马提亚斯兹维斯基于1995年发明，是一种普遍采用的加工方法。该技术能将单体（monomer）快速地聚合成所需的聚合物，被广泛运用于制造塑料、皮革、化妆品等特种聚合物以及可随温度、压力、光线等环境变化的“智能”材料。

马提亚斯兹维斯基团队在实验中使用计算机控制的电池对ATRP反应施加电力，使其升级为一个电化学介导的ATRP（eATRP）反应。马提亚斯兹维斯基指出，这是首次让ATRP过程和电化学反应成功“联姻”，通过调整电流和电压，能按需让eATRP过程开始或结束，加速或减速，这种对反应更加精准的控制能力有助于生产出更好更专业的材料。

传统ATRP反应过程依靠两种铜催化剂（活化剂CuI和减活化剂CuII）之间的氧化还原反应来进行，这两种催化剂之间会相互交换电子。但其中的一种交换偶尔会自动停止，这种被称为自由基终止的情况会导致CuII积聚在一起。为了让该聚合反应能继续进行，科学家必须抵消过量的CuII，让整个系统重新达到平衡。

以前，科学家通过朝该系统添加更多CuI来抵消过量的CuII，但这样会使聚合物中铜的浓度过高，现有的工业设备很难将这种高浓度铜移除。马提亚斯兹维斯基和同事后来使用活化剂和还原剂来重新激活CuII，并发现糖或维生素C等还原剂在减少ATRP反应中出现的过量铜方面表现良好。

马提亚斯兹维斯基团队这次的新方法则使用电化学来维持ATRP反应中铜的平衡。他们发现，施加电力能让转移电子的数量水平适中，ATRP反应中不再出现自由基终止，CuII的积聚量减少了100倍。整个过程非常环保，效率与在反应中使用维生素C和糖作还原剂一样高，而且该反应不需要额外的有机或无机还原剂。

研究人员使用eATRP过程制造出了ATRP过程已经制造出的标准聚合物，精确控制eATRP过程有望研制出更复杂的聚合物结构。