précurseurs de copolymères supramoléculaires par liaisons hydrogène et interactions hôte/invité

En raison du caractère réversible de l’association des blocs macromoléculaires, de tels polymères présentent un grand intérêt pour le développement de matériaux nanostructurés dotés de propriétés d’auto-guérison ou d’une transformabilité améliorée. En raison du caractère réversible de l'association de blocs macromoléculaires, de tels polymères présentent un grand intérêt pour le développement de matériaux nanostructurés dotés de propriétés d'auto-cicatrisation ou d'une transformabilité améliorée.

Étude bibliographique

Les polymères supramoléculaires

• La chimie supramoléculaire
• Les interactions non-covalentes

Tous les phénomènes qui régissent la formation ou la destruction de ces liaisons covalentes constituent le domaine de la chimie moléculaire. La chimie supramoléculaire est un domaine de recherche en plein développement, trouvant des applications dans de nombreux secteurs d’activité.

1.1.1.1. Les interactions de Van der Waals

1.1.1.2. Les interactions coulombiennes (ioniques)

1.1.1.3. Les empilements de cycles (liaisons π-π)

1.1.1.4. Les liaisons de coordination

1.1.1.5. Les liaisons hydrogène

• Les polymères supramoléculaires
• Assemblages de molécules de faibles masses molaires (monomères)
• Assemblages de polymères fonctionnalisés (macromonomères)
• Élaboration de copolymères supramoléculaires basés sur des liaisons H par modification
• Introduction
• Unités auto-complémentaires
• Les unités associatives hétérocomplémentaires
• Polymérisation par addition-fragmentation réversible (RAFT)
• Polymérisation par métathèse d’ouverture de cycle (ROMP)
• Polymérisation par ouverture de cycle (ROP)

La polymérisation RAFT permet la génération de polymères bien définis à l'aide d'un agent de transfert de type thiocarbonylthio. Génération de PCL UPy fonctionnalisée α par polymérisation ROP de ε-caprolactone en présence d'un initiateur fonctionnalisé UPy [130].

Synthèse d’agents de transfert porteurs de groupements thymine

Rappels généraux sur la polymérisation RAFT

• Les polymérisations radicalaires contrôlées
• Le rôle de l’amorceur en polymérisation RAFT

Les polymérisations ioniques (cationiques et anioniques) dites « vivantes » donnent lieu à un excellent contrôle des dimensions et de la topologie des macromolécules. Même si les réactions de terminaison et de transfert inhérentes au processus radicalaire ne peuvent en aucun cas être éliminées, elles peuvent néanmoins être considérablement limitées en réduisant la concentration en radicaux lors de la polymérisation avec Les radicaux ainsi formés initient la polymérisation du monomère, et les radicaux oligo obtenus réagissent avec l'agent de transfert thiocarbonylthio (RSC(Z)=S) au niveau de la liaison C=S pour former un radical intermédiaire.

Contrairement aux autres techniques CRP telles que l'ATRP et la NMP, le procédé RAFT nécessite l'utilisation d'une source externe de radicaux ce qui conduit naturellement à la formation d'un certain nombre de chaînes polymères contenant à leurs extrémités des groupements chimiques issus de la dégradation de l'initiateur et non l'initiation ou la fragmentation du groupe R de l'agent de transfert. Représentation schématique des macromolécules obtenues lors de la polymérisation RAFT et nature des bouts de chaînes : cas général.

Stratégie de synthèse

• Le couple associatif hétérocomplémentaire thymine/diaminopyridine
• Fonctionnalisation d’un agent RAFT symétrique par des groupes thymine
• Fonctionnalisation de l’amorceur thermique
• Synthèse d’agents RAFT complémentaires

Représentation schématique des macromolécules obtenues lors de la polymérisation RAFT et de la nature des extrémités de chaînes : cas particulier d'un agent RAFT trithiocarbonate symétrique (Z = R). Il a été dit dans la partie II.1.2 que l'utilisation d'une source de radicaux externes, nécessaire à la polymérisation RAFT, introduisait dans une certaine mesure des défauts de fonctionnalisation aux extrémités des chaînes. Si le procédé de polymérisation radicalaire ne permet pas d'éliminer complètement ces défauts de fin de chaîne, l'utilisation d'un initiateur lui-même fonctionnalisé permet néanmoins d'en réduire l'importance.

Ainsi, pour optimiser la fonctionnalisation des chaînes par des groupements thymine, nous avons synthétisé un initiateur thermique fonctionnalisé permettant de libérer exclusivement des radicaux porteurs de groupements thymine. Les seuls défauts de bout de chaîne que l'on peut alors rencontrer sont ceux des chaînes polymères terminées par dismutation.

Synthèse de l’agent RAFT α-ω-fonctionnalisé thymine (TTC-Thy)

• Protocole expérimental
• Caractérisation

Après purification par chromatographie sur colonne de silice, l'agent RAFT TTC-Thy pur a été obtenu avec un rendement global faible (29%) en raison de la séparation particulièrement difficile de l'agent RAFT TTC-Thy bifonctionnalisé du dérivé monofonctionnalisé. La pureté de l'agent RAFT TTC-Thy a été confirmée par des analyses quantitatives RMN 1H et 13C ainsi que par spectrométrie de masse. La RMN 1H permet de mettre en évidence la fonctionnalisation de l'agent de transfert par les groupements thymine par la présence d'un triplet autour de 4,1 ppm lié aux deux fonctions.

Il est cependant difficile de conclure à un remplacement complet, car l'intégration des pics compris entre 1 ppm et 1,8 ppm ne conduit pas strictement aux valeurs attendues pour l'agent TTC-Thy. En revanche, on note la présence d'un petit pic à 365,2 m/z, qui peut être attribué à un fragment de l'agent RAFT résultant du clivage de la liaison C-S relativement fragile lors de l'analyse.

Synthèse de l’amorceur α-ω-fonctionnalisé thymine (ACPA-Thy)

• Protocole expérimental
• Caractérisation

A noter la présence dans le spectre d'un pic correspondant aux radicaux issus de la dissolution de l'initiateur lors du processus d'ionisation (427,1 m/z) et d'un autre pic correspondant à la recombinaison des 2 radicaux (831,3 m/z).

Synthèse des agents RAFT α-fonctionnalisés diaminopyridine

• Synthèse de l’agent RAFT dithiobenzoate fonctionnalisé DAP (DTB-DAP)
• Protocole expérimental
• Caractérisation
• Synthèse de l’agent RAFT xanthate fonctionnalisé DAP (X-DAP)
• Protocole expérimental
• Caractérisation

Le protocole de synthèse de cet agent de transfert de type xanthate (X-DAP) est assez proche du protocole utilisé pour synthétiser l'agent de transfert DTB-DAP (Figure II-22) : il consiste à faire réagir le même dérivé bromé du DAP avec du xanthogénate de potassium. , un complexe commercial. On note notamment sur le spectre RMN 1H la présence d'un quadruplet d'environ 4,4 ppm, correspondant au proton –S-CH(CH3)-C au niveau de la liaison créée par la réaction entre DAP-Br et le xanthogénate. comme un pic vers 8,6 ppm correspondant à l'un des protons NH, tandis que l'autre vers 7,7 ppm est masqué par les protons aromatiques. Le spectre RMN 13C confirme la formation du RAFT

Cependant, certains pics ne sont pas attribués (notamment à 215 ppm, 170 ppm, 70 ppm), traduisant la présence d'une faible quantité d'un contaminant qui pourrait être un dérivé xanthogénate.

Étude de l’association des agents RAFT

• Détermination de la constante d’association
• Thermoréversibilité de l’association par liaisons H

Pour (b) et (c), l'un des protons NH du DAP est masqué par les protons aromatiques. Le principe est de mesurer le déplacement chimique du proton NH de la thymine pour différentes concentrations de groupes DAP complémentaires, en gardant constante la concentration des groupements thymine (Figure II-26). À mesure que la concentration en groupes DAP augmente, le déplacement chimique du proton NH de la thymine est de plus en plus important jusqu'à tendre vers une certaine valeur, correspondant au déplacement chimique lorsque tous les groupements thymine sont attachés aux groupes DAP.

Evolution du désécrantage du proton NH de la thymine en fonction du rapport molaire DAP/Thy. L'augmentation de la température du milieu de 25°C à 50°C conduit à un blindage des protons NH liés aux groupes Thy et DAP, du fait de la dissociation des complexes Thy-DAP.

Synthèse de polymères fonctionnalisés thymine ou

Synthèse de polymères téléchéliques fonctionnalisés thymine

• Étude cinétique de la polymérisation de l’acrylate de n-butyle, du styrène et de
• Protocole expérimental
• Caractérisation des polymères
• Contrôle de la polymérisation
• Mise en évidence de l’incorporation des groupements Thy en bout de chaines
• Analyse RMN
• Spectrométrie de masse

Etude cinétique de la polymérisation de l'acrylate de n-butyle, du styrène et de l'isoprène à l'aide de l'agent RAFT TTC-Thy. Spectre RMN 1H d'un poly(acrylate de n-butyle) synthétisé à partir de l'agent RAFT TTC-Thy (polymère : Thy-PnBuA-Thy1). Spectre RMN 1H d'un poly(styrène) synthétisé à partir de l'agent RAFT TTC-Thy (polymère : Thy-PS-Thy2).

Spectre RMN 1H (CDCl3) du polymère Thy-PI-Thy2 synthétisé à partir de l'agent RAFT TTC-Thy. Les principales caractéristiques des polymères générés par l'agent RAFT fonctionnalisé par l'α,ω-thymine TTC-Thy sont présentées dans le tableau III-1.

1.2.2.1. Technique MALDI-TOF

Spectre de masse MALDI-TOF (ions positifs) de Thy-PnBuA-Thy3 (matrice dithranol, sel de cationisation NaI, mode linéaire). La population fonctionnalisée thiol correspondant à la population E sur le grossissement du spectre de masse du polymère Thy-PnBuA-Thy3 est associée à 5 autres populations (Figure III-12). Agrandissement du spectre de masse MALDI de Thy-PnBuA-Thy3 obtenu en mode réflectron, et aspect théorique de la distribution isotopique de la population A.

Spectre de masse MALDI-TOF (ions positifs) de Thy-PS-Thy1 (matrice dithranol, sel de cationisation AgTFA, mode linéaire). Un agrandissement du spectre de masse obtenu en mode linéaire permet d'observer 3 populations (Figure III-15).

1.2.2.2. Technique ESI

• Synthèse d’un copolymère tribloc via l’utilisation d’un macroagent RAFT
• Synthèse de polymères α-fonctionnalisés DAP
• Polymérisations contrôlées des monomères nBuA, styrène et VAc en utilisant les agents
• Mise en évidence de l’incorporation d’un motif DAP en bout de chaines
• Étude RMN
• Détermination des constantes d’association
• Étude de la thermoréversibilité de l’association
• Étude rhéologique
• Comportement en solution de PS fonctionnalisés Thy et DAP
• Comportement à l’état fondu de PnBuA fonctionnalisés Thy et DAP
• Microscopie
• Microscopie électronique en transmission (MET)
• Microscopie à force atomique (AFM)

Des expériences de titrage RMN 1H ont été réalisées sur des mélanges de polymères fonctionnalisés, dans le but de suivre le déplacement chimique du proton NH de la thymine pour des concentrations croissantes du groupe DAP. L'utilisation de polymères de masses molaires relativement modérées peut expliquer cette légère diminution de la valeur de Ka. Dans le cas de la liaison Thy-PS-Thy4/PVAc-DAP2, le pic lié aux protons NH de la thymine est souvent difficile à observer car trop large, ce qui peut expliquer pourquoi une certaine divergence entre les pics est observée expérimentalement. et le modèle mathématique.

Ces unités liées H permettent donc une augmentation de la masse molaire moyenne des chaînes polymères. Enfin, l'influence de la génération in situ de copolymères supramoléculaires dans des mélanges de polymères a été mise en évidence par l'AFM, où un effet de compatibilité de phase (raffinement de la microstructure) a été observé dans le cas d'un mélange de polymères fonctionnalisés Thy et DAP, par rapport à un mélange de polymères fonctionnalisés Thy et DAP. mélange analogue non associatif.

Assemblage supramoléculaire de copolymères greffés en milieu

Les cyclodextrines dans la chimie des polymères supramoléculaires

• Les cyclodextrines : généralités
• Les cyclodextrines dans les polymères supramoléculaires

La formation d'un réseau en solution aqueuse a été démontrée par RMN NOESY 2D (Figure V-3). Représentation schématique de la formation de copolymères diblocs supramoléculaires basés sur la complexation adamantane/β-CD et leur auto-organisation en micelles en réponse à des stimuli.[20] La formation d'un complexe d'inclusion entre le bloc Ada fonctionnalisé et le β-CD natif a également été clairement démontrée par RMN ROESY 2D (Figure V-9).

La formation d'un polymère supramoléculaire de type hyperbranché a été particulièrement mise en évidence par la très forte augmentation de viscosité d'une solution aqueuse de ce polymère observée pour des concentrations croissantes dans le système AB2. Adamantane fonctionnalisé α et PNIPAM fonctionnalisé ω (β-CD)2 (symboles pleins ●) et une solution contenant un PNIPAM fonctionnalisé α et du β-CD natif (symbole vide ○).[24].

Stratégie de synthèse

Synthèse de polymères fonctionnalisés adamantane

• Agent de transfert fonctionnalisé adamantane (TTC-Ada)
• Poly(acide acrylique) α-fonctionnalisé adamantane (Ada-PAA)
• Synthèse d’un poly(acrylate de tert-butyle) (Ada-PtBuA)
• Synthèse d’un poly(acide-acrylique) α-fonctionnalisé adamantane (Ada-PAA)

Ce polymère a été obtenu en deux étapes : la première a consisté en une polymérisation en masse de l'acrylate de tert-butyle par RAFT en utilisant l'agent de transfert TTC-Ada. L'analyse par RMN 1H a confirmé la présence du groupement adamantane en bout de chaîne par des pics à 3,62 ppm (-COO-CH2-) et 1,95 ppm (proton Hβ de l'adamantane). En revanche, il n'est pas possible de distinguer les protons Hα et Hγ de l'adamantane, qui sont masqués par les différentes masses correspondant aux protons –CH2 et –CH3 du motif répété et de l'agent RAFT non.

Il est intéressant de noter que le signal à 3,62 ppm de la fonction ester n'est pas sous forme de singulet comme observé dans le cas de l'agent RAFT, mais sous forme de quadruple, assez mal défini. Le spectre RMN 1H confirme la présence du groupement adamantane en position α des chaînes après l'hydrolyse des fonctions tBu, à travers les pics à 3,62 ppm (-COO-CH2-) et 1,95 ppm (proton Hβ de l'adamantane).

Synthèse de polymères modifiés par des β-cyclodextrines

• Voie 1 : polymérisation d’un monomère fonctionnalisé β-cyclodextrine
• Synthèse d’un monomère fonctionnalisé β-cyclodextrine

4.1.1.1. Méthacrylate à fonction alcyne

4.1.1.2. β-cyclodextrine à fonction azoture

• Synthèse du monomère fonctionnalisé β-cyclodextrine (β-CD-MA)
• Essais de polymérisation du monomère β-CD-MA par RAFT
• Polymère à fonctions alcynes

Nous sommes ensuite passés à un protocole différent, impliquant un rapport stœchiométrique pTsCl/β-CD.[28] Des tests répétés ont montré l'efficacité de cette seconde méthode pour obtenir le dérivé monofonctionnel de manière reproductible au prix d'un rendement plus faible (environ 12 %). Le produit a été isolé par précipitation du mélange réactionnel dans l'acétone, sous forme d'une poudre vert clair (coloration due à la forme oxydée du catalyseur, Cu(II)). L'analyse RMN 1H du produit dans le DMSO deutéré révèle le succès de la réaction click, avec l'apparition d'un pic à 8,1 ppm caractéristique du cycle triazole, ainsi que les différents pics constituant le groupement méthacrylate et le β-CD (Figure V )-28).

Cette dernière analyse a confirmé la présence du monomère β-CD-MA, sous la forme d'un pic à 1306,3 m/z correspondant au monomère catalysé par un cation Na+. Le monomère étant obtenu sous forme de poudre vert pâle indiquant la présence de traces de cuivre, nous avons ensuite traité le β-CD-MA avec de l'EDTA, un agent complexant connu des ions Cu2+.

4.2.1.1. Synthèse d’un monomère à fonction alcyne protégée

4.2.1.2. Synthèse d’un polymère à fonctions alcyne

• Greffage des polymères par des β-CD via une réaction « Click »
• Caractérisation
• Élaboration de copolymères greffés supramoléculaires
• Mise en évidence de l’assemblage supramoléculaire par RMN 2D NOESY
• Diffusion dynamique de la lumière

Le groupe adamantane porté par l'agent de transfert est donc bien inclus dans la cavité du β-CD. La capacité du β-CD à complexer le groupe adamantane terminal d'un acide polyacrylique (Ada-PAA) en milieu aqueux a ensuite été étudiée par RMN 2D NOESY (Figure V-41). Le spectre NOESY (Figure V-41) met clairement en évidence les pics de corrélation entre les protons H-3,5,6 de la cavité β-CD et les protons Hβ et Hα de l'adamantane.

Cependant, il est difficile d’identifier avec certitude les pics de corrélation entre les protons de la cavité β-CD et les protons Hγ. Pour évaluer le caractère réversible de l'association entre les blocs macromoléculaires complémentaires, du β-CD moléculaire a été ajouté à la solution.

Partie expérimentale

Synthèses

• Réactifs synthétisés d’après la littérature
• Synthèse de la thymine undécanol (Thy-OH)
• Synthèse de l’agent RAFT TTC-Thy
• Synthèse de l’amorceur ACPA-Thy
• Synthèse du composé DAP-NH 2
• Synthèse du composé DAP-Br
• Synthèse de l’agent RAFT DTB-DAP
• Synthèse de l’agent RAFT X-DAP
• Synthèse de l’agent RAFT non fonctionnel TTC-nf
• Synthèse de l’agent RAFT TTC-Ada
• Synthèse du monomère méthacrylate de propargyle (PMA)
• Synthèse du monomère méthacrylate de 3-(triméthylsilyl)propargyle (TMSPMA)
• Polymérisation du styrène
• Polymérisation de l’isoprène
• Polymérisation de l’acétate de vinyle (VAc)
• Polymérisation de l’acrylate de tert-butyle (tBuA)
• Polymérisation du méthacrylate de 3-(triméthylsilyl)propargyle (TMSPMA)

Modifications de polymères

• Synthèse des poly(acide acrylique) (PAA)
• Aminolyse d’un poly(acide acrylique)
• Déprotection des fonctions alcynes du PTMSPMA
• Synthèse du polymère greffé β-CD (Pβ-CD) par CuAAC

Technique de caractérisation

• Résonance magnétique nucléaire (RMN)
• Spectrométrie de masse (ESI)
• Spectrométrie de masse (MALDI)
• Chromatographie d’Exclusion Stérique (CES)
• Rhéologie
• Microscopie à force atomique
• Diffusion dynamique de la lumière (DLS)
• Diffusion statique de la lumière (SLS)
• Interféromètre

Spectres RMN 1 H des composés DAP-NH 2 et DAP-Br

Spectre RMN 1 H d’un mélange de Thy-PI-Thy1 et PS-DAP1

Spectres RMN 1 H des monomères à fonctions alcyne

Diagrammes de Zimm des polymères P(β-CD)1 et P(β-CD)2

Spectre RMN 1 H du polymère Ada-PAA2 clivé