什么是嵌段共聚物？

作者：魏昕宇，材料工程博士，科研工作者

要了解什么是嵌段共聚物，首先要了解什么是聚合物。我們在日常生活的方方面面都能接觸到聚合物，例如吃飯時用到的塑料飯盒和塑料水杯、汽車上的輪胎、各種化纖衣物，都屬于聚合物。

聚合物(polymer)或者說高分子(macromolecule)通常是許多相同的小分子互相反應得到的分子量非常大的物質。例如聚苯乙烯就是一種很常見的聚合物，許多塑料器具都是由它組成。從它的名字大家應該可以猜到，聚苯乙烯與苯乙烯有著千絲萬縷的聯系。苯乙烯并不是一個安分守己的家伙，因為它的分子中含有一個碳碳雙鍵。如果我們把另一個“不安定分子”——叔丁基鋰和苯乙烯放到一起，這兩個家伙非常的情投意合，很快就發生化學反應形成了一個新的分子（圖1）。

圖1由苯乙烯合成聚苯乙烯

但是這個新的分子同樣不安分，它把目光投向了身邊的苯乙烯分子，于是兩個苯乙烯分子就這樣連到了一起。可是這樣形成的分子依然不安分，它又把第三個苯乙烯分子拉了進來，接下來是第四個、第五個、第六個苯乙烯分子。很快，少則幾十、多則數百、幾千甚至上萬個苯乙烯分子就通過化學反應互相連接起來，得到了聚苯乙烯。和聚苯乙烯類似，其他許多聚合物也是由數目眾多的相同的小分子互相之間發生化學反應而得到，這樣的小分子被稱之為單體(monomer).在單體形成聚合物的過程中，隨著數目增加而來的是質的變化：苯乙烯不過是一種非常容易流動的液體，看上去和水、汽油等其它液體沒有什么區別。兩三個苯乙烯分子互相反應連在一起之后，得到的也依然是液體。但是當成百上千個苯乙烯分子發生反應形成聚苯乙烯之后，我們得到的卻是白色的固體。我們可以把這些白色的固體加工成各種器具，而這些器具又能承受相當大的機械強度而不會斷裂，這清晰地體現了聚合物與小分子之間的一大顯著區別。

也許各位讀者對復雜的化學結構和化學反應還是不好理解。沒有關系，讓我們來做一個游戲：現在有100個中間帶孔的紅色塑料小球和一根繩子，請大家用繩子把小球串起來，有幾種串法呢？大家肯定會說，還有幾種串法，就是用繩子把小球一個一個連起來就好了。如果把小球看作單體，那么用繩子連起來的這一串小球對應的就是由這種單體反應得到的聚合物。這里100個小球都是同一顏色，對應的聚合物也是只由一種單體構成的，我們把這樣的聚合物稱為均聚物(homopolymer).我們剛才提到的聚苯乙烯就是一種典型的均聚物。

現在讓我們把游戲變得復雜一些：如果100個小球中的50個由紅色球變成藍色球，如何用繩子把它們一一串起來呢？有的朋友可能會說，我不管什么紅球藍球，反正都是塑料球嘛，把它們混在一起，一個一個用繩子穿起來就好。這樣當100個小球全部被串到繩子上之后，我們如果從頭開始統計球的顏色，我們可能會看到先是三個紅色球，然后是兩個藍色球，然后是四個紅色球，然后又是五個藍色球。總之兩種顏色球的分布沒有沒有任何規律，但我們如果從頭數到尾的話，會發現紅色球和藍色球都是50個（圖2）。這樣形成的聚合物，我們稱之為無規共聚物（randomcopolymer）。“共聚物”表明構成聚合物的單體不再只有一種，而“無規”表明這幾種單體的分布沒有任何規律。

圖2均聚物、無規共聚物、交替共聚物和嵌段共聚物的對比

也有的朋友說了，既然紅色球和藍色球的數量相同，那么我可以先串一個紅色球，再串一個藍色球，接下來再串一個紅色球，然后再串一個藍色球。這樣下來，繩子上的球永遠是一紅一藍交替出現。這樣形成的聚合物，我們稱之為交替共聚物（alternatingcopolymer），這里的“交替”二字表明兩種單體不再是隨機出現，而是嚴格的一一交替。

那么如果先把全部50個紅色小球串到繩子上去，再串剩下的50個藍色小球呢？這樣得到的聚合物，就是我們要介紹的嵌段共聚物（blockcopolymer）。之所以叫“嵌段”，是因為這樣的一串小球，實際上可以看成一串紅色小球和一串藍色小球連在一起，也就是說，每一個嵌段共聚物的分子可以看成兩個或者更多的均聚物的分子通過化學反應連接在一起，構成嵌段共聚物的每一段均聚物，都可以稱之為一個“嵌段”(block)。

通過上面的介紹，大家應該已經初步了解了什么是嵌段共聚物，不過我們的游戲還沒有結束。前面我們舉的例子是嵌段共聚物中最簡單的形式——二嵌段共聚物（diblockcopolymer），因為它只由兩個不同的嵌段連接而成。如果現在繩子的長度還允許繼續串上50個小球，但是這些球的顏色必須相同，我們有幾種不同的選擇呢？

首先，我們可以選擇繼續串上50個藍色小球，這樣得到的依然是一個二嵌段共聚物，只不過這時候紅、藍兩色球的數量比從1：1變成了1：2.如果繼續串上的50個球都是紅色，就得到了另外一種形式的嵌段共聚物：ABA三嵌段共聚物（ABAtriblockcopolymer），因為這個時候繩子上有三段顏色不同的球，但是首尾兩段的顏色是相同的。我們也可以讓這第三組50個小球的顏色與前面兩組都不相同，比如選擇黃色球，這樣得到的是另一種三嵌段共聚物：ABC三嵌段共聚物(ABCtriblockcopolymer)。另外，到目前為止我們用的繩子都是線型（linear）的，也就是說繩子上沒有分叉。如果允許繩子上有分支，或者可以把幾根串有小球的繩子連在一起，我們還能得到結構更加復雜的非線型嵌段共聚物（圖3）。

圖3不同類型的嵌段共聚物

有的朋友可能會問，我們現在只是紙上談兵而已，這些嵌段共聚物真的能夠被合成出來嗎？答案是肯定的，感謝化學家們，我們已經有了許多成熟的方法來合成不同化學結構的嵌段共聚物，不過有些時候這樣的合成仍然頗具挑戰性，特別是一些比較復雜的嵌段共聚物。讓我們來看一個簡單的例子（圖4）：

圖4聚甲基丙烯酸甲酯－聚苯乙烯二嵌段共聚物的合成（部分反應條件和試劑未列出）

篇幅所限，我就不詳細介紹具體的化學反應了。簡單來說，我們首先讓甲基丙烯酸甲酯單體反應形成聚甲基丙烯酸甲酯的均聚物，這個均聚物又繼續和苯乙烯單體發生反應，最終得到了聚甲基丙烯酸甲酯－聚苯乙烯二嵌段共聚物。可是如果我們把兩種單體的反應順序調換一下，就很難得到對應的嵌段共聚物，因為先生成的聚苯乙烯均聚物反應活性不夠，不能繼續和甲基丙烯酸單體反應。 [2] 由此可見，能否順利得到想要的嵌段共聚物，很多時候非常考驗化學家的能力和技巧。

文章寫到這里，相信大家對什么是嵌段共聚物應該有了一個大致的認識。那么，我們為什么要研究嵌段共聚物，嵌段共聚物又有什么用途呢？在接下來的幾個部分里，我將為大家簡要介紹嵌段共聚物獨特的性質以及這些獨特性質所帶來的應用。

參考文獻

[1] GeorgeOdian,PrincipleofPolymerization,Wiley-Interscience,4thEdition,2004

[2] KrzysztofMatyjaszewskiandJianhuiXia,ChemicalReviews,2001,101,2921