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Ce travail s’inscrit au sein du projet régional de recherche BEMA (Bois Eco Matériaux Aquitaine) qui allie partenaires universitaires et industriels afin de valoriser, à travers la filière panneaux de particules, des ressources abondantes en Aquitaine : le maïs et le Pin Maritime. L’objectif de cette thèse est de greffer de manière covalente des chaînes de polymère à la surface de fibres de bois afin de modifier leur état de surface et de favoriser leur comptabilisation avec un liant naturel et/ou synthétique. Pour atteindre cet objectif, nous avons choisi d’utiliser une technique de polymérisation particulière, la polymérisation radicalaire contrôlée. Le contexte scientifique international du début de la thèse montre la faisabilité du projet de par la réalisation de plusieurs études sur de la cellulose modèle de type papier filtre. Le défi de cette thèse consiste à transposer ce mécanisme sur des fibres de bois brutes afin de leur conférer de nouvelles propriétés (résistance à l’eau, caractère fongicide, meilleure comptabilisation…). Afin d’atteindre l’objectif énoncé ci-dessus, nous avons développé plusieurs aspects de la chimie des polymères en mettant en oeuvre différentes techniques de synthèse (RAFT, NMP) mais aussi de caractérisation adaptées à la présence de fibres de bois brutes (Mesure d’angle de contact, TGA, XPS). Enfin, nous avons valorisé la présence de polymères fonctionnels en insérant à la surface des fibres de bois des nanoparticules d’oxyde de silice ou de métaux de manière contrôlée. / This work is part of the regional research project BEMA (Bois Eco Matériaux Aquitaine) which combines academic and industrial partners to develop, through the wood pannel industry, abundant resources in Aquitaine: corn and Maritime Pine. The objective of this thesis is to covalently graft polymer chains on the surface of wood fibers in order to modify their surface properties and to facilitate their compatibilization with natural and/or synthetic binders. To achieve this goal, we chose to use a special polymerization technique, the controlled radical polymerization. The international scientific context of the beginning of the thesis shows the feasibility of the project through several studies carried out on model cellulose, such as filter paper. The challenge of this thesis is to implement this mechanism on raw wood fibers to give them new properties (water resistance, fungicidal character, best compatibilization ...). To achieve the objective stated above, we investigated several polymer synthetic pathways (RAFT, NMP) but also characterization techniques (Contact angle measurements, TGA, XPS) suitable with the presence of raw wood fibers. What’s more, we have valued the presence of functional polymers by inserting at the wood fibers surface oxide nanoparticles of silica or metal in a controlled manner.

Conjugated polymers are currently being used for a wide range of electronic applications. In this thesis, we studied two different synthetic approaches that lead to novel monomers and polymers that can be potentially used in electrochromic, or photovoltaic devices. The first approach described in this thesis is the utilization of olefin cross metathesis to create a family of dithienogermole (DTG) monomer derivatives in which synthetic control of the solubilizing side chains is achieved through an alkenyl building block. This alkenyl intermediate allows one to functionalize the DTG moiety though olefin cross metathesis to obtain a wide range of alkyl chain lengths and pendant functionalities on the polymer backbone. This work lead to the first example in the literature in which the synthesis of DTG moieties was not limited by the chain length of the solubilizing alkyl units. It provides a route that avoids the use of distillation for the purification the DTG monomer, allowing for the synthesis of a wide range of DTG derivatives that were previously unobtainable though the conventional synthetic methods. Finally, in this thesis we also describe the work of the use of direct (hetero)arylation polymerizations (DHAP) as a means of obtaining 3,4-propylenedioxythiophene-based conjugated polymers for use in electrochromic applications. This synthetic method offers a rapid route to achieving polymers in high yields with simplified purification procedures and low residual metal content, as determined by inductive coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS). The studied polymers possess comparable electrochromic properties to those previously reported by the Reynolds group, implying that their switching ability from a colored to a transmissive state is independent of the residual metallic impurities.

Advances in medical treatment are leading away from generalized care towards intelligent systems or devices which can sense and respond to their environment. With these devices, the burden of monitoring and dosing for treatment can be removed from the doctor (or the patient) and be placed on the device itself. Implicit closed-loop control systems will allow the device to respond to its environment and release therapeutic agent in response to a specific stimulus. Environmentally responsive hydrogels show great promise in being incorporated in such an intelligent device, such as pH-responsive hydrogels which can swell and deswell in response to changes in the pH of the media. Thus, pH changes can be exploited for controlled and intelligent drug delivery when used in combination with these pH-responsive hydrogels. In this work, heterogeneous, thermal-redox initiated free-radical polymerizations were developed to synthesize novel pH-responsive hydrogels, microparticles, and nanogels. The specific disease of interest was type I diabetes, which requires daily doses of insulin both at a basal amount and either a postprandial or preprandial bolus in order to maintain blood glucose levels within safe limits. To allow pH-responsive hydrogels to be sensitive to glucose, glucose oxidase was incorporated which oxidizes glucose to gluconic acid. A novel inverse-emulsion polymerization method was developed for the synthesis of poly[2-(diethylaminoethyl methacrylate)-grafted-polyethylene glycol monoethyl ether monomethacrylate] (P(DEAEM-g-PEGMMA)) nanogels (100-400 nm) for intelligent insulin delivery. The new polymerization method allowed the incorporation of hydrophilic components, such as glucose oxidase and catalase, as well as PEG surface tethers of lengths 400 Da up to 2000 Da. Surface tethers successfully decreased the surface charge of the nanogels. Insulin loading and release was determined for microparticles which were able to imbibe substantial amounts of insulin from solution when swollen, entrap the insulin when collapsed, and then release the insulin in response to either a pH or glucose stimulus. / text

Radicals are core reactive species that occur in almost every subfield of chemistry. In particular, solution phase radicals find their way into biochemistry (e.g. vitamin B12), and in polymer chemistry (e.g. radical polymerizations) just to name a few. Yet, given the proliferation of radical chemistry, there are still fundamental aspects of it that are poorly understood. This dissertation probed factors that influence the solvent cage effect. The solvent cage effect is where two radicals are held in close proximity to one another and prevented from easily escaping (to form free radicals) by a cage of solvent molecules. A convenient metric of the solvent cage effect is the radical recombination efficiency (FcP). Typically, FcP correlates with the bulk viscosity of the solution, however, this parameter only produces qualitative assessments. This dissertation outlines a method to quantitatively predict FcP using the microviscosity. This microviscosity dependence holds for non polar, aromatic, polar, and hydrogen-bonding solvents, along with solutions that contain polymers. Microviscosity is a great metric because it addresses an underlying reason for the solvent cage effect, the strength of the cage. Not only does the strength of the solvent cage around the radical pair affect FcP, but so does the identity of the radicals themselves. That is, the strength of the solvent cage is one piece to forming a total predictive model. FcP for the Cp'2Mo2(CO)6 dimer also varies with the wavelength of irradiation. Identifying the mechanism by which this wavelength dependence occurs may also provide another factor to include in an overall model of the solvent cage effect. Also, an attempt at synthesizing an asymmetric molybdenum dimer was performed. This asymmetric dimer would allow the study of solvent caged radical pairs that are different from each other. Predicting the photochemical cage pair recombination efficiency (FcP) is the major topic of this dissertation. However, there is also the collisional cage recombination efficiency (Fcʹ). This is where free radicals come together in what is called a collisional solvent cage pair. A method and values of Fcʹ are detailed later in this dissertation. This dissertation contains previously published and unpublished co-authored material.

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Die Arbeit befasst sich grundlegend mit der radiaklischen Polymerisation von ionischen Monomeren in wässriger Lösung. Kinetische Koeffizienten dieser Polymerisationsreaktionen wurden durch Pulslaser-induzierte Polymerisationen in Verbindung mit Größenausschlusschromatographie (PLP–SEC), mit hoch zeitaufgelöster Nahinfrarot-Detektion nach Einzelpuls-(SP)-Anregung (SP–PLP–NIR) und mit hoch zeitaufgelöster Elektronenspinresonanzspektroskopie (SP–PLP–ESR) untersucht. Die Messungen wurden durch Simulationen mit dem Programmpaket Predici® unterstützt. Die Terminierungskinetik der radikalischen Polymerisation des wasserlöslichen nicht-ionischen Monomers N-Vinylformamid wurde in Substanz und in wässriger Lösung bei 40 bis 70 °C und bei 500 bis 2500 bar als Funktion des Umsatzes mit der SP–PLP–NIR-Technik bestimmt. Die Einflüsse von Terminierung, Transferreaktionen und Verbreiterungs-mechanismen auf die Bildung von PLP-Strukturen beliebiger Monomere im PLP–SEC-Experiment wurden grundlegend durch Predici®-Modellierung untersucht. Die Resultate geben Auskunft, unter welchen PLP-Bedingungen verlässliche auswertbare PLP-Strukturen erhalten wurden. So ist es erforderlich, dass 19 bis 92% der erzeugten Radikale zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen terminieren. Da aufgrund der langsamen Terminierung (<19%) und intermolekularer oder intramolekularer Transferreaktionen die PLP–SEC-Methode für ionische Monomere oft nicht anwendbar ist, wurde der Geschwindigkeitskoeffizient der Propagation, kp, etwa von Trimethylaminoethylmethacrylat (TMAEMA) in D2O im Temperatur-intervall 30 bis 60 °C durch Anpassung von Umsatz-Zeit-Verläufen mit einem Predici®-Modell bestimmt. Eine Modell-unabhängige Bestimmung der Propagations- und Terminierungskinetik von TMAEMA unter identischen Bedingungen erfolgte durch Kombination der gekoppelten Parameter <kt>/kp und kp/<kt>0,5 aus SPPLPNIR-Messungen bzw. chemisch initiierten Experimenten. Trimethylaminoethylacrylat-(TMAEA)-Polymerisationen wurden bei 20 bis 84 °C mit Predici® modelliert. Dabei wurde die enorme Bedeutung der mid-chain Radikal (MCR)-Kinetik für die Polymerisationsrate ionischer Acrylate deutlich. Die Predici®-Modellierung von ionisierter Methacrylsäure (MAA) zeigte, dass die durch PLPSEC bestimmten literaturbekannten kp-Werte systematisch um einen Faktor zwei zu groß sind. Der Einfluss der Gegenionenkonzentration auf kp wurde für ionisierte MAA bei 30 bis 80 °C durch Anpassung von Umsatz-Zeit-Verläufen bestimmt. Der präexponentielle Faktor von kp nimmt mit steigender Gegenionen-konzentration zu, also bei Erhöhung der Monomerkonzentration und bei Salzzugabe. Die Terminierungskinetik von ionisierter MAA wurde mittels SP–PLP–NIR als Funktion des Umsatzes bei 1 bis 500 bar zwischen 20 und 80 °C untersucht. Untersuchungen der Polymerisationskinetik von ionisierter Acrylsäure (AA) durch NIR, SP–PLP–NIR, SP–PLP–ESR und 13C-NMR ergaben, dass alle Geschwindigkeitskoeffizienten von der Art und Konzentration der Gegenionen beeinflusst werden, wobei sie mit steigender Gegenionen-konzentration zunehmen, was auf die Bildung von Kontaktionenpaaren zurückgeführt werden kann. Die beteiligten Geschwindigkeitskoeffizienten bewirken einen hohen MCR-Anteil von etwa 98% bei 50 °C. Da trotz der hohen MCR-Konzentration die SPR-Konzentration für das Wachstum entscheidend ist (kps ≈ 103·kpt), führen geringe Verschiebungen des SPR-MCR-Gleichgewichts bei Variation der Reaktionsbedingungen zu großen Effekten in der Polymerisationsrate. Die in der vorgelegten Arbeit ermittelten kinetischen Koeffizienten erlauben die umfassende Simulation von Monomerumsatz-Zeit-Verläufen sowie von Molmassenverteilungen der polymeren Produkte für ionische Polymerisationen in wässriger Lösung bei weiter Variation der Monomerkonzentration, des Monomerumsatzes, der Art und Konzentration von Gegenionen sowie von Temperatur und Druck.

Die fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der kontrollierten Polymerisationstechniken ermöglicht heutzutage die Synthese definierter Makromoleküle. Durch das Design der Primärstruktur dieser Makromoleküle kann ein starker Einfluss auf die sich bildende Sekundärstruktur ausgeübt werden. Um den Grad der Kontrolle über den Polymerisationsprozess zu erhöhen sollten in dieser Arbeit photoschaltbare Azobenzolfunktionalitäten in Guanidin- und Thioharnstoffmotive integriert werden, so dass durch die reversibel photoschaltbare Ausbildung von Wasserstoffbrücken die vorliegenden Polymerisationsprozesse beeinflusst werden können. In einem Ansatz wurden dazu neuartige azobenzolverknüpfte Guanidin- und Thioharnstoffkatalysatoren für die Ringöffnungspolymerisation (ROP) von Lactid (LA) synthetisiert. Im Fall der photoschaltbaren Guanidinkatalysatoren wurde eine Synthesemethode entwickelt, welche die zu Beginn langwierige Aufreinigung der Katalysatoren bedeutend vereinfacht und somit die Darstellung mehrerer Katalysatorgenerationen ermöglichte. Die erste Guanidinkatalysatorgeneration zeigte keine katalytische Aktivität. Durch die Synthese von verschiedenen Referenzguanidinen und deren Einsatz in der ROP von LA konnten die aromatischen Substituenten der Guanidinfunktionalität als Ursache der katalytischen Inaktivität identifiziert werden. Daraufhin wurde eine mit zwei Alkylsubstituenten versehene zweite Generation synthetisiert und erfolgreich in der ROP von Lactid eingesetzt. In einem anderen Ansatz wurde versucht ein azobenzolverknüpftes Guanidinium-Carboxylat-Zwitterion so zu gestalten, dass es als photoschaltbares Monomer zur Bildung supramolekularer Polymere verwendet werden kann. Hierzu wurden zwei Generationen photoschaltbarer Zwitterionen synthetisiert. Die Eigenschaften der zweiten Generation wurden mit verschiedenen spektroskopischen Methoden untersucht. Dabei wurden Hinweise auf die Bildung eines supramolekualren Polymers gefunden. / Following the progressive development in the field of controlled polymerizations, it is now possible to synthesize well defined macromolecular structures. Controlling the primary structure in these macromolecules significantly influences the secondary structure, allowing the preparation of smart materials. In order to improve the achievable degree of control, this work aims to incorporate azobenzene functionalities into guanidine and thiourea moieties and, through the photo triggered reversible formation of hydrogen bridges, influence polymerization processes. Novel azobenzene substituted guanidine and thiourea catalysts for the ring opening polymerization (ROP) of lactide were synthesized. In the case of the photoswitchable guanidine catalysts, a new synthetic protocol was developed to overcome the difficult purification of the catalysts, allowing the facile preparation of multiple catalyst generations. The first generation of photoswitchable guanidines showed catalytic activity. Synthesis of reference guanidine catalysts demonstrated a negative effect between aromatic guanidine substituents and the catalytic performance. Following this observation, a second generation of alkyl substituted guanidine catalysts was synthesized and applied successfully in the ROP of lactide. In a concurrent approach, a guanidinium carboxylate zwitterion was rendered photoswitchable by the incorporation of an azobenzene functionality and used as a monomer in supramolecular polymerization processes. The first generation of photoswitchable zwitterions showed promising photochemical properties, but its poor solubility in apolar, aprotic solvents prevented a final proof of the concept. To achieve this, a second generation of photoswitchable zwitterions was synthesized, incorporating solubilizing functionalities into the molecular design. The properties of the second generation zwitterion were examined by various spectroscopical methods, indicating the formation of supramolecular polymers.