众所周知，传统的有机荧光颜料表现出聚集淬灭(Aggregation-Caused Quenching，ACQ)的性质，即荧光强度随着浓度的增加而减弱^[1]。聚集淬灭的原因是荧光分子之间强相互作用产生级联能量传递，传递过程能量逐渐耗散，直到淬灭^[2]。这种性质大大限制了传统荧光材料的应用。与聚集荧光淬灭现象截然相反，某些非平面共轭的有机分子在良溶剂溶液中发光微弱或不发光，而在聚集状态或固态薄膜中的荧光发射急剧增强，表现出聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission，AIE)效应。自从2001年AIE现象由唐本忠院士课题组发现以来^{[3, 4]}，多种不同的AIE发光团与发光聚合物及功能发光体系被设计合成报道，并随之激发了国内外化学、材料、生物医药等多个领域的广泛而深入的研究^{[5, 6]}。对比于传统的ACQ荧光材料，AIE材料的特点主要体现在：低背景、信噪比高、灵敏度好、抗光漂白能力强等多个方面。AIE材料在细胞器染色、病原体识别、细胞长周期示踪、光动力学治疗等领域表现出显著的优势，已广泛应用于化学/生物传感、生物探针与成像、影像引导疗法和光电子器件^[7-10]。它为解决传统ACQ材料所存在的问题与局限性提供了一种崭新思路，也为生物成像领域的发展开启了新的方向。

四苯乙烯(Tetraphenylethylene，TPE)呈现优异的AIE特性，可以通过McMurray偶联反应方便地合成，是最受关注的AIE发光基团之一。我们在本创新实验项目中基于最近的前沿研究报道^{[11, 12]}，将合成AIE聚合物的实验条件进行了优化改进，使之成为适合实验教学的新创实验。通过可逆加成-断裂链转移(Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer，RAFT)聚合的方法，以单羟基四苯乙烯(TPE-OH)为原料，可控地合成侧链型四苯乙烯丙烯酸酯AIE聚合物。改进的方法反应时间大为缩短，即使在3–5小时的较短反应时间内，也具有令人满意的产率和可重复性；采用凝胶渗透色谱(GPC)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、核磁共振谱(NMR)、紫外-可见光谱(UV-Vis)等多种现代测试手段表征了产物，并对所合成的AIE聚合物进行了光物理性质的研究。

TPE等AIE化合物分子具有“螺旋桨”式非平面共轭结构的共同特点，拥有许多以单键连接可以自由旋转的芳香环。在稀溶液中，AIE分子内部存在着活跃的振动和转动，当这些分子吸收能量被激发后，通过“螺旋桨”的各种振动和转动将能量释放；当这些物质在聚集状态或者固体状态下时，分子之间比较紧密地相互堆积，使得芳环的旋转或振动受到了限制，抑制了通过非辐射途径散失激发态能量，而是以光子形式耗散，故观察到荧光发射。

在RAFT聚合反应中，通常加入双硫酯衍生物作为链转移剂，或称RAFT试剂^{[13, 14]}。本实验项目中我们采用了CTA1和CPDB两种链转移剂(图1)。

本实验通过酰氯和酚羟基之间的成酯反应首先制备TPE丙烯酸酯单体。基于侧链间隔基越短，荧光量子效率越高的规律^{[11, 12]}，我们采用了单羟基四苯乙烯(TPE-OH)与丙烯酰氯在缚酸剂三乙胺存在下的成酯反应，制备无间隔基的四苯乙烯丙烯酸酯单体M(0)，如图2所示。粗产物经柱层析纯化，然后将纯化的M(0)单体通过RAFT聚合，可控合成TPE侧基的AIE聚合物P0，经高速离心分离纯化，获得目标AIE聚合物纯品(图3)。

在全面表征基础上，考查了所合成TPE侧基AIE聚合物的光物理性质。相对荧光量子产率Φ_F的计算公式：

${\varPhi _{{\rm{F}}, {\rm{u}}}} = {\varPhi _{{\rm{F}}, {\rm{s}}}}\cdot\frac{{{F_{\rm{u}}}}}{{{F_{\rm{s}}}}}\cdot\frac{{{A_{\rm{s}}}}}{{{A_{\rm{u}}}}}$

其中Φ_{F, u}、Φ_{F, s}为待测物质和参比物质的荧光量子产率；F_u、F_s为待测物质和参比物质的积分荧光强度；A_u、A_s为待测物质和参比物质对激发波长的入射光的吸光度。参比物质硫酸奎宁的标准荧光量子产率为0.54。

两种链转移剂2-丙酸甲酯-O-乙基黄原酸酯链转移剂(CTA1)和二硫代苯甲酸异丁腈基酯(CPDB)由实验室提供。RAFT可控合成AIE聚合物P0所用四氢呋喃为超干溶剂(99.5%)，购自北京百灵威科技有限公司。硫酸奎宁为生物试剂级(荧光分析专用，99.0%)，购自阿拉丁生化科技股份有限公司。其余试剂或溶剂均为市售分析纯：单羟基四苯乙烯(TPE-OH， > 95%)；丙烯酰氯(> 95%)；偶氮二异丁腈(AIBN，99%)，偶氮二异庚腈(ABVN，99%)；无水硫酸钠(99%)；石英砂；柱层析用硅胶(200–300目)；二氯甲烷(99.5%)；甲醇(99.5%)；乙醇(99.7%)；石油醚(AR，60–90 ℃)；四氢呋喃(99%)。

控温磁力搅拌器，水泵，加压泵，超声波清洗机，暗箱式紫外分析仪，旋转蒸发仪，真空干燥箱，红外光谱仪(布鲁克FT-IR ALPHA)，核磁共振波谱仪(布鲁克AVANCE Ⅲ 400)；紫外光谱仪(岛津UV2550)；凝胶渗透色谱(马尔文TDA305)；荧光光谱仪(岛津RF-5301PC)。

液氮杜瓦瓶(200 mL)；烧杯(500 mL、250 mL)；100 μL、10 μL移液枪各一支；5 mL透明玻璃闪烁瓶10个；量筒(100 mL、10 mL)；锥形瓶(250 mL，10个)；三口烧瓶(100 mL)；Schlenk反应瓶(10 mL，带14#玻璃支管)；双排管；油封鼓泡器；恒压滴液漏斗(50 mL)；茄形瓶(250 mL、50 mL)；层析柱(50 mm直径× 300 mm长，磨口24#)，储液球(250 mL)；毛细管；薄层色谱TLC展开槽；硅胶板；GPC自动进样玻璃瓶(2 mL、螺口)；一次性注射器(1 mL)；反口橡皮塞(与Schlenk瓶配套使用，14#)。

称取4 mg聚合物样品，溶于2 mL色谱纯THF中，聚合物溶液经0.45 μm的过滤头过滤。在GPC分析仪器上进行聚合物的分子表征——分子量及其分布测定。

取20 mg聚合物溶于2.0 mL四氢呋喃中，超声使其充分溶解，制得10 mg∙mL⁻¹的聚合物THF母液，备用。在250 mL锥形瓶中，配制一系列THF/H₂O的混合溶剂各100 mL,混合溶剂中水的体积分数f_w (water fraction)分别为0 (纯THF)、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%，配好备用。

硫酸奎宁标准溶液(1 × 10⁻⁵ mol∙L⁻¹，以0.1 mol∙L⁻¹ H₂SO₄溶液配制)，取3 mL置于比色皿中，测定其UV-Vis吸收光谱,调节浓度直至测得其峰值吸光度为0.05。

用移液枪移取6 μL聚合物母液，加入3 mL f_w为95%的THF/H₂O的混合溶剂中，超声使其混合均匀，测试其UV-Vis吸收光谱，比较其与硫酸奎宁标准溶液的谱峰强度，强度高则逐步稀释，直至两者峰值几乎一致。所得溶液用于对比测试荧光发射光谱，计算聚合物的相对荧光量子产率。

在100 mL洗净烘干三颈瓶中，将单羟基四苯乙烯(TPE-OH, 1.0 g, 2.87 mmol)和三乙胺(4.0 mL, 28.7 mmol)溶解在40 mL二氯甲烷里，置于冷水浴中，在惰性气氛下缓慢地滴入丙烯酰氯(1.17 mL, 14.35 mmol)的二氯甲烷溶液(10 mL)。反应混合物在冷水浴下搅拌2 min，再在室温下搅拌反应15–20 min。然后转移至125 mL分液漏斗内，用2 × 15 mL水洗涤两次，再用20 mL饱和食盐水洗涤一次，有机相经旋蒸浓缩至2–3 mL。柱层析(硅胶200–300目)分离，用二氯甲烷和石油醚的混合溶剂(8/1，V/V)作为洗脱剂，旋转蒸发至干，然后置入35 ℃真空烘箱干燥至恒重，得到白色固体粉末单体M(0) 0.91 g，产率：79.1%。IR (cm⁻¹): 699.7, 727.0, 748.3, 900.8, 984.4, 1019.5, 1200.2, 1145.3, 1403.1, 1500.0, 1630.8, 1736.0。¹H NMR (400 MHz, CDCl₃, δ): 7.17–6.98 (m, 17 H), 6.93–6.83 (m, 2H), 6.56 (dd, J = 17.3, 1.2 Hz, 1H), 6.27 (dd, J = 17.3, 10.4 Hz, 1H), 5.98 (dd, J = 10.4, 1.2 Hz, 1H)。

准确称取0.3 g单体M(0)、0.9 mg引发剂偶氮二异庚腈(ABVN)置于10 mL Schlenk反应管中，准确称取3 mg链转移剂CTA1溶于3 mL无水THF，注入Schlenk反应管。通过“液氮冷冻-抽真空-充氩气-解冻”循环三次，然后在氩气氛下70 ℃搅拌反应3 h。停止反应，降至室温，反应液逐滴加入60 mL冷甲醇中并不断搅拌，得乳白色沉淀，4000 r∙min⁻¹离心分离10 min。再经THF溶解、冷甲醇沉淀、离心分离纯化一次。产物在真空烘箱中45 ℃干燥至恒重，得到白色固体聚合物P0质量为144.2 g，产率：48.1%。IR (cm⁻¹): 698.2, 748.0, 1017.4, 1138.5, 1165.2, 1199.1, 1501.6, 1755.9。¹H NMR (400MHz, CDCl₃, δ): 7.21–6.92 (m, 18H), 6.76 (s, 2H), 2.70 (d, 1H), 2.15–1.73 (m, 2H)。

本创新实验项目脱胎于最新的前沿科研成果^{[11, 12]}，在实验条件允许的范围内进行了多项优化。为了探究最合适的实验条件，我们进行了多次的实验条件筛选(反应气氛、反应时间、反应温度、链转移剂、链引发剂)以及对比实验。在确定最优条件后又进行了多次独立重复实验，以确保实验结果在不很严苛条件下的可重现性。总结及分析讨论如下。

验证和实验条件优化过程中，操作条件和反应时长对单体产率以及聚合物收率的影响总结列于补充材料的表S1和表S2，不同引发剂-链转移剂组合对AIE聚合物产率的影响见表1。

从实验结果看，优化后单体收率在80%附近波动，聚合物产率介于40%–55%，且表现出良好的重现性。科研文献中给出的单体和聚合物的产率分别为80.0%和80.5% ^[11]。相比之下，优化条件后的单体产率不逊色于文献报道，并且大大缩短了反应所需的时间，由2 h锐减至20 min均可得到相当不错的收率，为实验教学节约了宝贵时间，提供了极大的可操作空间。而聚合物的合成则在保证后续步骤能正常进行的基础之上，采用了半衰期较短、活性更高的引发剂ABVN替代文献使用的AIBN ^[11]，仅用了教学实验时间段内可从容实现的3 h反应时间，尽管牺牲了一定的产率(以及后续测出的较低分子量)，但规避了文献报道中长时间的过夜反应操作要求，同时提高了反应的稳定性，且完全能体现出较强的荧光发射等光物理性质表现，与AIBN引发剂体系比较，收率有明显提高。尽管链转移剂CPDB在不少RAFT聚合报道中表现出很好的可控性和收率，但在我们的TPE侧基AIE聚合物的RAFT聚合中其表现只是大致与CTA1相当或者甚至变差。

由图4四苯乙烯基丙烯酸酯单体M(0)的¹H核磁谱图，可知化学位移在7.16–6.84的H质子信号为四个苯基上的氢(a, b)，共19个，因为化学环境各不相同而产生了峰分裂和峰位移差异。6.56、6.27和5.97处的三个H对应丙烯酸酯烯基双键上的氢，其中6.27为靠近酯基的H，呈现四重裂分峰，其化学位移介于其余两个烯基端H中间。核磁结果与文献^[11]给出的无间隔基单体的核磁数据几乎相同，证实了所合成单体产品的组成和纯度。

对TPE侧链聚丙烯酸酯AIE聚合物而言，从图4可看出，其¹H核磁谱图明显宽化，符合聚合物核磁特征。在放大的插入图中，处于3.4–3.8之间甚至可看到甲酯基的单峰和黄原酸乙酯基中CH₂的四重裂分峰。与文献^[11]中的核磁数据对比，可以确定产物为分子量较低的AIE聚合物。

TPE侧基AIE聚合物P0与TPE丙烯酸酯单体M(0)的FTIR谱图对照见图5，约760 cm⁻¹处为单取代苯环C―H键向面外弯曲的吸收峰，约1600、1580、1500 cm⁻¹处的吸收峰是苯环骨架伸缩振动的特征峰。尤其对应单体丙烯酸酯双键在1631 cm⁻¹的吸收，在聚合物谱图中基本消失。且在TPE丙烯酸酯单体中，与双键共轭羰基C＝O的吸收峰在1737 cm⁻¹；而聚合物中酯羰基的吸收峰显著蓝移至1755 cm⁻¹。这些红外特征吸收的变化，表明从TPE丙烯酸酯单体聚合生成了饱和碳氢链的TPE侧基聚合物。

图6为所合成不同批次AIE聚合物的GPC图，对称性相当好的主峰为聚合物峰，后面的一大两小倒峰为该型号仪器在所设定条件下THF体系固有溶剂峰。从列于表2的结果看，基于ABVN引发剂与CTA1链转移剂经初步优化条件，聚合反应3 h的AIE聚合物产物，其重均分子量Mw在2.5–3.6 kDa之间，数均分子量Mn在2.1–2.9 kDa之间，具有较窄的分子量分布，分子量分布多分散性指数处于1.14–1.24，表现出良好的可控性。按TPE丙烯酸酯单体的分子量402.4 g·mol⁻¹估算，其聚合度在5–7个重复单元，属于齐聚物范畴。若希望获得更高的产率和更高聚合度的较高分子量聚合物，可以适当延长反应时间，文献中过夜反应AIE聚合物产物的Mn可达11–17 kDa ^[11]。

从图7的UV-Vis谱图可看出硫酸奎宁在346.0 nm处有最大吸收峰；AIE聚合物则因为具有大的非共面芳核结构体系，从红光到紫外区范围内都有吸收，在322.0 nm处有一个肩峰极大值，视为特征吸收峰。将硫酸奎宁和AIE聚合物的吸收峰峰值调至约0.05，用荧光光谱仪测定此时溶液的荧光发射光谱，如图8所示，求算得到AIE聚合物的相对荧光量子产率Φ_F为0.17。AIE聚合物与硫酸奎宁参照样的光物理性质对比总结列于表3中。

另一方面，如图9所示，随着溶剂中水含量即水的体积分数f_w (%)的增加，AIE聚合物的荧光逐渐增强，其中含水95%的聚合物溶液试样荧光强度(I)比纯THF中的试样荧光强度(I₀)高出数千倍，此比值(I/I₀)比文献报道值偏高，可能是由于在聚合物的纯THF溶液中荧光强度的绝对值非常小，选取的最高点值存在误差造成的；但对比结果表明我们所合成的TPE侧基聚合物具有优异的AIE荧光发光性质^{[11, 12]}。

聚合物的荧光强度随着含水量的增加而增强，这是因为水作为不良溶剂的加入，导致聚合物的溶解性变差，使得原本游离的分子相互交错，限制了侧链的运动；含水量越高，则受阻程度越大，能量以光能形式散发得越多。在365 nm紫外光照射下观察，聚合物具有明显荧光，荧光量子产率与文献报道值0.177 ^[11]接近，表明实验方案改进后，在不同引发体系短时间聚合制备的聚合物保持了原有的光物理性质，同时也表明该类可控合成制备的聚合物体系，很高的分子量并不是其表现较高荧光量子产率的必须条件，这与文献中采用传统自由基聚合的侧链AIE聚合物制备发光纳米粒子强调了其超高分子量(400–650 kDa)属性形成了对比^[15]，可能源于RAFT可控聚合对分子量的可设计性、窄分子量分布特征以及某种程度的结构可控性。

综上所述，经过对反应条件的优化探索，简化了反应操作，缩短了反应时间。在牺牲部分反应转化率但又能保证后续步骤的顺利进行，以及不影响聚合物产品各项主要性能的基础上，将原来超过12 h的过夜反应改造成为教学实验可接受的3–5 h反应时间。关键在于采用了半衰期较短的ABVN取代AIBN作为引发剂，使RAFT聚合反应产量高、反应快；而尝试采用的另一种链转移剂CPDB对TPE丙烯酸酯单体体系的表现与CTA1大体相当或者甚至稍差一些。对所合成的AIE聚合物进行了一系列表征，并考查了其光物理性质、测定了相对荧光量子产率，所合成无间隔基TPE侧基AIE聚合物在高水含量THF/H₂O混合溶剂溶液中的荧光量子产率可达17%。

整个实验可分成每段时间都在8 h以内(不考虑中间体及最终产品在真空烘箱的干燥时间)的三个连续的单元实验：(1) TPE功能基烯类单体的合成与柱分离纯化；(2) TPE烯类单体的RAFT可控聚合制备无间隔基TPE侧基聚丙烯酸酯AIE聚合物；(3)所合成AIE聚合物的多角度表征、光物理性质研究及相对荧光量子产率测定。

该新创实验融合了大学化学、有机化学、高分子化学、分析化学等多学科实验操作以及现代仪器表征分析，实验现象明显、趣味性强，可激发浓厚的实验兴趣和对科研的亲近感，在实验过程中了解科研、训练科研全过程，实现了教学和科研的完美对接。

该实验的创新性主要体现在：(1)融合了现代高分子合成技术及有机发光材料领域的最新前沿研究成果；(2)汇集先进实验操作技术，综合运用现代表征手段和方法；(3)有机融合科研理念，从方案设计到论文写作，与科研全过程各环节无缝接轨。