L'objectif principal de ma thèse portait sur la synthèse contrôlée et la caractérisation d’architectures macromoléculaires complexes originales à base de POE: POE hétérofonctionnels dotés quantitativement en extrémité de chaînes de groupements undécènyle, méthacrylate ou acétylène, copolymères à blocs PI-b-POE, POE à structures en peignes fonctionnels et matériaux hybrides à structure en étoile à base de POE.
Pour la synthèse de POE -undécènyle--hydroxy, j’ai fait appel à la PAOC de l’oxyde
d’éthylène en utilisant l’undécènolate de potassium comme amorceur. J’ai ainsi pu accéder à
des POEs -undécènyle--hydroxy bien définis couvrant un large domaine de masse
molaire. Les caractéristiques structurales des polymères ainsi obtenus sont en tous points conformes à celles attendues. L’aspect le plus original de cette partie de ma thèse porte sur la mise au point d’un amorceur sous forme de poudre qui présente plusieurs avantages par rapport à l’undécènolate de potassium préparé in-situ. Ainsi la « poudre active » peut être facilement pesée dans des conditions inertes, après dispersion dans le solvant, et introduite directement dans le réacteur. La synthèse automatisée par PAOC de l'oxyde d'éthylène de
POE -undécènyle--hydroxy est donc parfaitement envisageable, et constitue une
perspective intéressante de cette thèse. Le comportement en solution de ces macromonomères de POE a été étudié dans le méthanol et dans l'eau par diffusion de la lumière statique. L'influence du groupe undécènyle sur leur comportement en solution a également été étudiée par viscosimétrie. Ces structures à base de macromonomères de POE amphiphiles pourraient être utiles pour de nombreuses applications, par exemple, pour la modification de surfaces fonctionnelles destinées à des applications biomédicales. Comme décrit dans la thèse, le groupement hydroxyle peut être facilement modifié. Des
macromonomères de POE hétérobifonctionnels -undécènyle--méthacrylate décorés aux
extrémités de chaîne par des doubles liaisons de réactivités différentes ont ainsi pu être obtenus. Cette différence de réactivité entre le groupement undécènyle et le groupement méthacrylate m’a permis de préparer, par ATRP dans l'eau, des POEs hydrosolubles à structure en peigne. Ces polymères ramifiés portent aux extrémités de branches des fonctions réactives, susceptibles d’être engagées dans des réactions chimiques ultérieures.
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J’ai également tiré parti des fonctions terminales méthacryliques de ces mêmes POEs pour essayer de synthétiser, par l'intermédiaire de réaction "click", des POEs à structure en étoile tétrafonctionnelles décorées avec des groupements undécènyle en extrémité de branche en faisant appel au tétrakis (3-mercaptopropionate) comme précurseur du cœur de l’étoile. La réaction avec des groupements méthacrylates conduit effectivement à la formation d'étoiles à quatre branches de POE. Il a également été montré que les doubles liaisons undécènyle ne sont pas affectées lors de la réaction. Ces doubles liaisons sont donc disponibles pour d'autres réactions.
Les groupements hydroxyles des POEs -undécènyle--hydroxy ont aussi été utilisés
pour préparer des macromonomères de POE -undécènyle--acétylène
hétérobifonctionnels décorés à une extrémité par un groupement undécènyle et à l’autre par un groupement acétylène. En faisant réagir ces macromonomères, par réaction « click »
avec le polyisoprène -azoture, on devrait pouvoir obtenir des copolymères à blocs
PI-b-POE. De tels copolymères suscitent un intérêt croissant non seulement en raison de leur aptitude à s’auto-organiser mais aussi de par leurs applications très diverses. J’ai effectivement réussi à accéder à de tels copolymères comme le confirment les résultats des caractérisations moléculaires et structurales réalisées par SEC, RMN et IR sur ces échantillons. Les étapes de purification de ces copolymères sont toutefois longues et délicates. Il s’agit probablement du premier exemple de copolymères à blocs PI-b-POE obtenus par chimie « click ». L’approche que j’ai sélectionnée présente l’avantage, par rapport à la méthode classique, d’être applicable dans un large domaine de masse molaire. Son principal intérêt réside cependant dans la présence des doubles liaisons undécènyles en extrémité de la séquence POE utilisables pour des réactions ultérieures, comme par exemple, pour la fixation de colorants ou d’unités de sucre permettant des applications intéressantes en sciences de la vie.
Une autre approche a également été utilisée avec succès pour la préparation de
macromonomères de POE. Elle fait appel à la réaction des extrémités de chaîne de POE
-méthoxy--hydroxy avec du bromure d'allyle ou du 1-bromo-11-undécène soit après
métallation par le DMPK, soit en présence d’un large excès de NaH. Après purification et caractérisation, ces POEs ont servi à la synthèse d’architectures macromoléculaires à structure en étoile par réaction d’hydrosilylation entre la double liaison terminale du POE et
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les fonctions Si-H de la cage, Q8M8H. Le POE -méthoxy--undécènyle, contrairement au
POE -méthoxy--allyle, porte un espaceur flexible hydrophobe entre la séquence POE et la
double liaison. La présence de cet espaceur facilite l’accès à la double liaison et augmente
probablement sa réactivité par rapport à celle du POE -allyle. L'influence des divers
paramètres expérimentaux tels que la température, le temps de réaction et la concentration en catalyseur sur le rendement de la réaction de greffage a été étudiée par SEC et RMN du proton. Ces études ont permis d’établir les conditions de réaction optimales de réaction. Une fois isolée du produit brut de réaction par précipitation fractionnée, les étoiles de POE ont été caractérisées par diffusion de la lumière afin de déterminer leur masse molaire absolue et leur fonctionnalité. L'absence de fonctions Si-H résiduels a été confirmée par IR et par RMN du proton. La RMN du silicium a permis de confirmer le greffage. Les mesures par MALDI-ToF MS ont fourni des informations sur la masse molaire et la fonctionnalité de l’étoile. Des mesures de calorimétrie à balayage différentiel (DSC) et de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) ont été effectuées sur les mêmes échantillons. La cristallisation des étoiles de POE a été étudiée par microscopie optique. Ces étoiles de POE dotées de cœur silesquioxanes constituent de nouveaux matériaux aux caractéristiques thermiques et thermomécaniques améliorées.
General introduction Page xlvii
General introduction
Poly(ethylene oxide) (PEO) is used in various applications and as building block for the design of complex macromolecular architectures. The attractive properties of PEO can be ascribed to the distance between the alternating oxygen atoms in the chains that is in agreement with the hydrogen distances in liquid water allowing the formation of intensive hydrogen bonding networks with water. PEO is often used in health care applications since it is known to exhibit stealth properties, i.e. it is not recognized by the immune system.
The synthesis of well-defined PEO can be performed via an anionic ring-opening polymerization (AROP). This mechanism is preferred (compared to a cationic ring-opening polymerization) since it proceeds without side-reactions if stringent purification methods are applied for the used reagents. The living AROP of ethylene oxide is based on an alcohol in combination with a strong base to create the anionic initiator species. Several heterofunctional initiators were developed to synthesize PEO macromonomers decorated at one or both chain-ends with a polymerizable group.
Another approach has been developed to prepare PEO macromonomers by chain-end modification of already existing (commercial) PEOs. End-group functionalization of PEOs has gained more and more importance to access a large number of water soluble heterofunctional PEOs. PEO macromonomers are accessible by reaction of an alkoxide function, located at one chain-end, with an appropriate unsaturated electrophile.
The living polymerization technique enables the preparation of well-defined macromolecular architectures. The synthesis of such complex architectures containing PEO chains is developed to access amphiphilic graft, comb and star-shaped polymers or copolymers.
These architectures can be prepared using multifunctional initiators for the AROP of ethylene oxide or by reaction of the chain-ends of PEO macromonomers. Several PEO macromonomers have been extensively used to design graft or comb-shaped polymers by free or controlled radical polymerization procedures. PEOs are more and more used in post-polymerization reactions, e.g., the thiol-ene click reaction to introduce bioactive compounds
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(sugar units, cell-penetrating peptides), for a specific tuning of the polymer or the surface properties of hydrogels and other systems.
Polyisopene-b-poly(ethylene oxide) block copolymers (PI-b-PEO) are of broad interest for their micellization behavior and their ability to self-organize in selective solvents into a wide variety of micellar aggregates. They are composed of two polymers with different behavior in solution, a hydrophilic PEO sequence and a hydrophobic polyisoprene (PI) sequence. These copolymers have the ability to self-organize and are used in several applications, such as organic supports for ethylene polymerization or in the synthesis of dendritic polymers. The synthesis of PI-b-PEO can be carried out using two approaches. Firstly, PIs were prepared by anionic polymerization with an initiator. Living chain-ends were deactivated by addition of EO / acetic acid to introduce hydroxyl functions at the PI chain-ends. Hydroxyl PI chain-ends were also activated by a base and EO was added for the AROP. The reaction was deactivated with acetic acid. The second method is based on the addition
of tert-butyl phosphazene base (t-BuP4) onto living polyisoprenyllithium chains.
PEO star-shaped polymers are regarded as a particularly promising class of materials since they represent interesting models for physicochemical studies, variable building blocks for hydrogels, or for amphiphilic networks that are of great interest for a wide range of biomedical and pharmaceutical applications. They can also serve as surface-modifying agents to improve the biocompatibility of surfaces designed for biomedical applications. Several approaches based on the living anionic polymerization of EO have been developed to provide access to PEO stars. Hybrid inorganic-organic materials have attracted increasing interest in recent years. Polyhedral oligomeric silesquioxanes (POSS) can be used to create a large variety of hybrid macromolecular architectures. Star-shaped PEOs with POSS cores were established as an emerging class of new materials characterized by enhanced thermal and thermomechanical stability, mechanical toughness, or optical transparency.
The main aim of the thesis will be to take advantage of the anionic polymerization method for accessing linear heterofunctional PEO macromonomers. More complex macromolecular objects will be prepared from these heterofunctional PEOs: Block copolymers, comb and star-shaped polymers.
General introduction Page xlix
The first chapter of the thesis is devoted to a general discussion of PEO. A substantial part of this section will focus on the AROP of ethylene oxide and various initiators. The different approaches for accessing heterofunctional PEOs and, more particularly, to PEO macromonomers with polymerizable end-groups at one or both PEO chain-ends will be discussed in a second part. These macromonomers are valuable intermediates for the synthesis of branched polymers or graft copolymers. A variety of branched polymers based on PEO have been synthesized and studied over the years: Comb, star, hyperbranched and dendritic structures. The synthesis of these branched PEOs is dictated not only by the interest in the development of well-defined macromolecular architectures or the desire to have models for physico-chemical studies, but also by their use particularly in the field of biomedical applications. The last part of this chapter will develop general remarks on organic-inorganic hybrid material, POSS. These materials are attracting growing interest. The incorporation of POSS into polymers improves their thermal stability and their mechanical behavior.
The second chapter of the manuscript will focus on the synthesis and characterization
of a series of -methoxy--allyl PEOs obtained by deactivation via diphenylmethyl
potassium (DPMK) following by addition of allyl bromide on commercial -methoxy-
-hydroxy PEOs. The same approach has been tested to provide the undecenyl chain-ends on PEO with 11-bromo-1-undecene. The interest for the undecene end-group arises from the presence of a flexible hydrophobic spacer between the double bond and the PEO which may enhance the reactivity and could affect the solubility in water. The second part concerns the
coupling, via hydrosilylation, of -allyl PEO macromonomers with silsesquioxanes cores
(Q8M8H) decorated with eight antagonist Si-H functions to yield star-shaped structures in the
presence of a “Speier” catalyst.
Less attention was given to the synthesis of PEO macromonomers via AROP based on undecenol as initiator although amphiphilic PEO macromonomer-based structures could be useful for several applications, e.g., as building block in precise macromolecular engineering
or for the design of biomaterials. The third chapter will focus on synthesis of -undecenyl-
-hydroxy PEO macromonomers by AROP of EO in the presence of the appropriate undecenolate potassium initiator, prepared in-situ and extended to an alcoholate in the
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and correspond to heterofunctional PEO macromonomers decorated with an undecenyl group at one chain-end and a hydroxyl function at the other chain-end covering a wide range of molar masses.
An important part of the thesis will be devoted to the synthesis of complex architectures containing PEO, such as comb and star-shaped polymers. The presence of the hydroxyl group at the chain-end of PEOs represents an advantage to graft methacrylic double bonds. An approach was developed for accessing the original macromonomer carriers to one chain-end of an undecenyl group and at the other chain-end a methacrylic group with a different reactivity between both chain-ends. This difference permits to develop branched macromolecular architectures based on PEOs containing free double bonds. Two approaches are used, a controlled radical polymerization, atom transfer radical polymerization (ATRP), of the methacrylic double bond to design comb-shaped PEOs and the thiol-ene reaction between PEO macromonomers and tetrafunctional mercaptopropionates
to access star-shaped PEO with four arms. -undecenyl--propargyl PEOs can be used for
the synthesis of PI-b-PEO block copolymers These PEOs were obtained by addition of
propargyl bromide after modification of the chain-end of -undecenyl--hydroxy PEOs with
DPMK. The synthesis of PI-b-PEO block copolymers was prepared by reaction of
-undecenyl--propargyl PEOs and -azido PIs via click chemistry. In the next chapter, this
approach will be discussed more in details. -Hydroxy PIs were obtained by anionic
polymerization of isoprene and the hydroxy chain-ends were modified to azide groups. The
classical click chemistry was performed between -undecenyl--propargyl PEOs and -azido
PIs.
The last chapter of the thesis will focus on the design of complex hybrid architectures
based on PEO. An approach will deal with the design of α-methoxy--undecenyl PEO
macromonomers via deactivation in the presence of sodium hydride and
11-bromo-1-undecene. The second part concerns with the coupling, via hydrosilylation, of -undecenyl
PEO macromonomers with silsesquioxanes cores (Q8M8H) decorated with eight antagonist
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