Poly(ester de vinyle) à base 1,2,3-triazolium

Outre le fait d’être capable de produire des TPILs analogues aux différentes classes de PILs déjà existantes pour d’autres types de cations (e.g. (méth)acrylates, styrèniques, vinyliques, etc…), l’étendue du potentiel de la chimie des TPILs (i.e. association de différentes techniques de polymérisation, de la CuAAC, de la N-alkylation du 1,2,3-triazole et de la métathèse ionique) réside dans sa capacité à produire des classes de polymères conducteurs ioniques jusqu’alors jamais décrites dans le domaines des PILs. C’est dans cette dynamique que la synthèse du TPIL 27 qui représente le premier exemple de PIL à base poly(ester de vinyle) a été développée (Schéma II.7).⁴⁸

Schéma II.7: Synthèse d’un TPIL à base poly(ester de vinyle) 27.⁴⁸

Le monomère ester de vinyle fonctionnalisé 1,2,3-triazole 24 a ainsi été obtenu par CuAAC entre l’acide 4-azidovalérique 22 et le 1-pentyne, suivi d’un échange vinylique catalysé par le palladium entre l’acide carboxylique fonctionnalisé 1,2,3-triazole résultant 23 et l’acétate de vinyle.⁴⁹ Cette méthode simple et efficace pour la synthèse de monomères de type ester de vinyle revêt une importance cruciale car elle a le potentiel d’élargir de manière significative la diversité structurale et fonctionnelle des poly(ester de vinyle).⁵⁰ En effet, en

O O <4 CN O _O O Co O O _O O 25 24 1) R-Co(acac)₂ 2) TEMPO R-Co(acac)₂= 27 N S S O O CF₃ O O CF₃ TEMPO = O N 23 O O KOH, Pd(OAc)₂ 22 CuP(OEt)₃I 26 ^O O n N S S O O CF₃ O O CF₃ R TEMPO N N N O O n R TEMPO N N N O O N N N HO O N N N HO O N₃

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raison des limitations antérieures dans la synthèse de ce type de monomère, les variations structurales des poly(ester de vinyle)s ont été grandement moins explorées que les autres classes de matériaux polymères d’intérêt industriel. La polymérisation par CMRP, une méthode efficace de polymérisation radicalaire contrôlée (CRP) de monomères vinyliques non activés tels que les esters vinyliques,⁵¹a été appliquée avec succès à la polymérisation du monomère 24 en utilisant un oligomère d’alkyle de cobalt(III) (R-Co(acac)2) servant à la fois d’amorceur et d’agent de contrôle. Après polymérisation, le complexe de cobalt situé en bout de chaîne en position Z est remplacé par une alkoxyamine à base 2,2,6,6-tétraméthyl-1-piperidinyloxy (TEMPO) de manière à améliorer la stabilité chimique du groupement terminal du polymère à température ambiante et lors des techniques d’analyses. Les groupements 1,2,3-triazole du poly(ester de vinyle) 25 (Mn^SEC = 7,2 kDa et Ð = 1,22 ; THF, étalons de PS) ont ensuite été N-alkylés de manière quantitative par du CH3TFSI 26 afin d’obtenir le TPIL à base poly(ester de vinyle) correspondant 27 qui possède un contre-anion TFSI. Le dérivé commercial CH3TFSI 26 est un agent méthylant efficace qui a préalablement permis d’obtenir des ILs de type pyridinium ou imidazolium dépourvus de traces d’ions iodure et portant un contre-anion TFSI sans avoir recours à une réaction d’échange ionique.⁵² Ceci facilite grandement l’étape de purification (i.e. élimination des sels de LiTFSI résiduels et de LiI résultant de l’échange ionique) et diminue aussi d’une étape la synthèse de ces TPILs à contre-anion TFSI. L’anion TFSI permet en général d’atteindre des ıDCsupérieures à celles observées chez les PILs comportant d’autres types de contre-anions et demeure dans l’état de l’art actuel un très bon candidat pour les applications en électrochimie.⁵³ La conductivité ionique du TPIL 27 (ıDC= 9,2 × 10^–7S.cm^–1à 30 °C et en conditions anhydres) est plus faible que celles des TPILs à base polyacrylate 8 et 16 du fait d’une Tg plus élevée (Tg27 = –16 °C alors que Tg8 = –40 °C et Tg16= –36 °C) et d’un espaceur plus court entre la chaîne principale et le groupement 1,2,3-triazolium (C4 au lieu de C11 ou TEG) ce qui diminue la mobilité des chaînes. Ces valeurs devraient cependant pouvoir être améliorées par des variations ultérieures des paramètres structuraux du substituant en C-4 et de l’espaceur en N-1 (substituant ou espaceur plus longs éventuellement à base TEG).

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Poly(1,2,3-triazoliums), une nouvelle classe de polymères conducteurs ioniques

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5. Poly(4-vinyl-1,2,3-triazoliums)

Hawker, Frechet et al. ont introduit les 1,4-C-, 1,5-C- et 1,4-N-vinyl-1,2,3-triazoles en tant que nouvelle classe prometteuse de monomères fonctionnels (Schéma II.8).^54,55

Schéma II.8: Structures chimiques des trois régioisomères possibles pour des monomères à

base vinyl-1,2,3-triazole.⁵⁵

En effet, ces monomères regroupent les caractéristiques complémentaires de plusieurs monomères traditionnels, i.e. un noyau aromatique comme les monomères styrèniques, la possibilité de création de liaisons hydrogène comme les vinylpyridines et la possibilité de varier de manière illimitée le groupement pendant comme les (méth)acrylates ou les (méth)acrylamides. Ces monomères présentent aussi une stabilité relative en conditions acides et basiques, un moment dipolaire élevé et une diversité structurale aisée grâce à la substitution du groupement pendant (en position N-1 ou C-4). Leurs analogues polymères constituent donc un large éventail de précurseur neutres de TPILs permettant de fournir des structures analogues aux N-vinyl et C-vinyl poly(vinyl imidazoliums) mais avec une plus grande diversité structurale et des fonctionnalités ajustables en raison de la tolérance de la CuAAC et de la présence d’un substituant supplémentaire par rapport aux dérivés imidazoliums.⁵⁶ Dans la lignée de cette approche, Nulwala et al. ont synthétisé une série de ILMs 36-43 à base 4-vinyl-1,2,3-triazolium dotés d’un contre-anion TFSI (Schéma II.9).⁵⁷

Schéma II.9: Synthèse des TPILs à base 4-vinyl-1,2,3-triazolium 36-43.⁵⁷

N N N R N N N R 36-43 n * * AIBN, DMF TFSI TFSI 28-35 R = N n OH NHBoc O ₂^O 28,36 29,37 30,38 31,39: n = 2 33,41 34,42 35,43 32,40: n = 4

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Cette série de huit ILMs a été obtenue par une réaction de CuAAC entre le vinyle acétylène et différents azotures organiques fonctionnels (i.e. aliphatiques, (hétéro)aromatiques, hydroxyéthyle, aminoéthyle protégé Boc ou encore monométhoxy-TEG). Ces monomères neutres 4-vinyl-1,2,3-triazole ont subi une réaction de N-alkylation des groupements 1,2,3-triazole par le CH3I suivie d’une métathèse ionique avec le LiTFSI pour conduire aux ILMs 28-35. Ces ILMs ont alors été polymérisés par FRP en utilisant l’AIBN comme amorceur. Cependant, malgré des conditions de polymérisation identiques, les paramètres macromoléculaires des TPILs 36-43 montrent une grande disparité en fonction de la structure du monomère (Mn^SEC = 73-434 kDa et Ð = 1,80-7,10 ; THF, 10 mM LiTFSI, 10mM 1-butylimidazole, étalons de poly(1-(4-vinylbenzyl)-3-butyl imidazolium TFSI)). Comme précédemment discuté, on notera que le fait que ces TPILs soient obtenus par polymérisation des ILMs correspondants complique l’établissement de relations structures-propriétés fiables. En effet, il existe des différences de polymérisabilité des monomères (i.e. cinétiques de polymérisation) issus d’une même série avec pourtant un seul paramètre structural variable (i.e. substituant en position N-1). Un copolymère statistique ayant un ratio molaire 3:2 de styrène et du ILM 30 a aussi été synthétisé par FRP en utilisant l’AIBN comme amorceur. Cette classe particulière de TPILs présente des valeurs de Tgrelativement élevées (variant de –4 °C à 154 °C), une solubilité plus limitée et une plus faible polymérisabilité des ILMs en comparaison avec d’autres classes de TPILs à base 1,2,3-triazolium e.g. esters de vinyle, (méth)acrylates ou styrèniques. Comme précédemment observé pour des structures analogues à base de poly(N-vinyl imidazolium), ces limitations sont liées à l’absence d’espaceur entre la chaîne principale du polymère et le groupe cationique qui rigidifie la chaîne et augmente la Tg. Par conséquent, bien que non mesurées, des valeurs faibles de ıDC peuvent être anticipées. Enfin, d’autres synthèses de régioisomères vinyl-1,2,3-triazolium pourraient être envisagées (vinyl en positions N-3, C-4 ou C-5). Cependant, compte-tenu des propriétés limitées des poly(4-vinyl-1,2,3-triazoliums), l’extension de la synthèse à de tels analogues serait relativement incertaine quant à l’amélioration de propriétés. De plus, ces monomères font partie des monomères non activés compte-tenu de la présence du doublet non-liant de l’azote qui enrichit la double liaison vinyl réduisant ainsi leur polymérisabilité par rapport aux monomères traditionnels précédemment cités. Cette polymérisabilité médiocre est d’autant plus problématique quant à l’éventualité de la synthèse d’autres régioisomères de cette famille particulière de TPILs.

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