N-异丙基丙烯酰胺

定义

N-异丙基丙烯酰胺是一种含有碳碳双键的丙烯酰胺衍生物，可视作丙烯酰胺分子中氮原子上的一个氢被异丙基取代而得，IUPAC 名称为 N-(丙-2-基)丙-2-烯酰胺^[3]。其分子式为 C6H11NO，分子量 113.16，CAS 登记号 2210-25-5^[1]。英文常缩写为 NIPAM 或 NIPAAm，中文文献中有时写为 NIPAam^[4]。

该物质常温下为白色至类白色结晶或结晶粉末，熔点约 6063 ℃，在 2 mmHg 压力下沸点约 8992 ℃，可溶于水，市售品通常加入少量 MEHQ 作阻聚剂并需在 2~8 ℃ 避光密封保存^[5]。分子结构中的双键使其能够进行自由基聚合，而酰胺基和异丙基则分别提供亲水与疏水作用，这一组合是其后继聚合物具有温度响应性的结构基础^[4]。

原理

NIPAM 分子同时带有可形成氢键的酰胺基(—NHCO—)和体积较小但疏水的异丙基(—CH(CH3)2)。自由基聚合后，这些基团沿碳—碳主链排列，使聚 N-异丙基丙烯酰胺在常温下能被水充分溶剂化，而当温度升高到某一临界点时，酰胺基与水之间的氢键被削弱，异丙基之间的疏水缔合占据主导，分子链随之脱水收缩^[6]。

这种在升温时反而发生相分离的现象对应下临界溶解温度(LCST)。pNIPAM 水溶液的 LCST 约为 32 ℃，略低于人体体温，越过该温度后溶液由透明变为浑浊，聚合物线团塌缩为球状并析出，降温后转变可以逆转^[2]。其热力学图像可粗略表示为：温度升高使水分子有序化所贡献的焓项减弱，而释放结合水带来的熵增占优，体系自由能 $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$ 转负，从而驱动相分离^[7]。

在交联网络中，这一转变表现为宏观的体积相变：低于 LCST 时凝胶充分吸水溶胀，高于 LCST 时迅速脱水收缩。由于 LCST 主要由单体的氢键能力决定，通过与其他亲水或疏水单体共聚即可在较宽区间调节转变温度，亲水共聚单体使 LCST 升高，疏水共聚单体使之降低^[2]。

stateDiagram-v2

[*] --> 溶胀态

溶胀态 --> 塌缩态: 温度升至 LCST 以上 / 氢键减弱、疏水缔合

塌缩态 --> 溶胀态: 温度降至 LCST 以下 / 重新水合

发展历程

文献综述指出，N-异丙基丙烯酰胺的聚合物最早于 1956 年被合成，当时只是众多乙烯基单体聚合物中的一员^[8]。1968 年，赫斯金斯(M. Heskins)与吉耶(J. E. Guillet)发表了关于 pNIPAM 相图的首个系统研究，其水溶液约 32 ℃ 的相变行为由此得到明确描述，此后 pNIPAM 逐渐成为温敏高分子的代表^[9]。

20 世纪 90 年代以后，随着“智能高分子”概念兴起，以 NIPAM 为单体的凝胶微球、接枝共聚物和响应性膜成为研究热点，制备手段也从常规自由基聚合扩展到 RAFT 等活性自由基聚合和光引发聚合，从而可以控制分子量与端基结构^[10]。单体本身的工业合成路线亦逐步成熟，常见方法包括以异丙胺与丙烯酰氯为原料的酰化法，以及以丙烯腈和异丙醇为原料的酸催化法^[11]。

应用

NIPAM 最主要的用途是作为制备温敏水凝胶和共聚物的单体。以 N,N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，将 NIPAM 在水相中进行自由基聚合，可以得到粒径较均一的 pNIPAM 微球，通过改变温度即可控制其溶胀程度和内部装载物的释放^[12]。

在生物医学方向，pNIPAM 因相变温度接近体温且生物相容性较好而被研究用于药物控释、酶的固定化、细胞的热诱导脱附与基因治疗载体^[12]。商业试剂说明中列出的方向还包括组织工程、细胞培养、生物医学涂层与肌肉再生，以及柔性传感器、水系电池凝胶电解质和聚合物接枝半导体器件等^[13]。

在分离与检测方面，研究者把 pNIPAM 接枝到分离膜或吸附树脂表面，利用温度控制表面的亲水—疏水切换，实现类似梯度洗脱的分离效果，并用于手性药物和氨基酸的拆分^[6]。此外，含 NIPAM 链段的复合水凝胶还被用于制作随温度改变透光率的光学开关、限幅器和透镜等器件的候选材料^[14]。

局限

pNIPAM 的相变温度固定在 32 ℃ 附近，单一均聚物难以覆盖不同场景所需的温度窗口，必须依靠共聚改性加以调节，而共聚往往同时削弱相变的陡峭程度^[2]。交联凝胶的响应速度受水分子扩散限制，块体样品在温度变化后需要较长时间才能达到新的平衡体积，这限制了其在快速执行器中的应用^[15]。

力学性能偏弱也是制约因素之一。对交联 pNIPAM 大块水凝胶的压缩与拉伸测试显示，其压缩模量约为 12.2 kPa、拉伸断裂应变约 30%，高溶胀状态下的强度难以满足承力结构的需求^[15]。此外，单体 NIPAM 本身具有一定的急性经口毒性和眼刺激性，被供应商标注为吞咽有害并可能引起严重眼刺激，因此聚合残留单体的控制与操作防护是应用中需要考虑的问题^[16]。

在基础研究层面，尽管相关研究已持续半个世纪，pNIPAM 相图的定量描述仍存在分歧，不同文献报道的转变行为难以完全统一，相变机理的一些细节尚未取得共识^[8]。

参见

• 聚N-异丙基丙烯酰胺 —— 由 N-异丙基丙烯酰胺聚合得到的温敏高分子，是本词条单体的最主要产物。

• 丙烯酰胺 —— 同一母体结构的单体，N-异丙基丙烯酰胺可视作其氮上取代衍生物。

• 水凝胶 —— NIPAM 交联聚合后形成的三维亲水网络，是其主要应用形态。

• 下临界溶解温度 —— 描述 pNIPAM 水溶液升温相分离行为的临界温度概念。

• 自由基聚合 —— 由 NIPAM 双键出发制备均聚物与共聚物的常用反应类型。

• RAFT聚合 —— 用于制备分子量可控的 pNIPAM 及嵌段共聚物的活性自由基聚合方法。