Le sujet de thèse sur lequel je travaille depuis trois ans est l’étude et le développement des systèmes photoamorceurs pour des applications holographiques. Ce travail a lieu en collaboration avec l’équipe BMS (Bayer Material Science) de Bayer-Leverkusen (Allemagne). Mes études se sont limitées aux systèmes utilisables avec une source d’irradiation appartenant à la partie visible du spectre électromagnétique de la lumière (400 nm – 700 nm).Parmi les différents types des réactions de polymérisation, nous avons choisi la polymérisation radicalaire. L’étape cruciale dans cette réaction réside dans la génération des radicaux qui amorcent la réaction. Ces derniers sont formés par transformation, via absorption de lumière, d’un composé photosensible. La formation de ces espèces est en général en compétition avec plusieurs processus de désactivation. Les polymérisations radicalaires sont en particulier fortement inhibées par l’oxygène de l’air. Pour réduire l’effet de l’oxygène et pour avoir des conditions comparables à ceux appliqués dans l’industrie, nos échantillons ont été préparés en utilisant la technique laminée (l’échantillon est mis entre deux films de polypropylène). [...] / The subject of the thesis I have been working on for three years is the study and development of photoinitiating systems for holographic applications. This work takes place in collaboration with the BMS (Bayer Material Science) team from Bayer Leverkusen (Germany). My studies have been limited to systems used with a radiation source belonging to the visible part of the electromagnetic spectrum of light (400 nm - 700 nm). Among the different types of polymerization reactions, we chose the radical polymerization. The critical step in this reaction is the generation of radicals which initiate the reaction. These are formed by transformation via absorption of light of a photosensitive compound. The formation of these species is generally in competition with several deactivation process. [...]

L’avènement des lasers impulsionnels nanosecondes à femtosecondes a permis un développement rapide de techniques permettant de sonder et/ou de transformer les matériaux à l’échelle locale par des processus d’absorption non linéaire. Ce saut technologique a vu l’émergence de nombreuses applications associées au phénomène de confinement spatial. La stéréolithographie 3D par photopolymérisation biphotonique constitue un exemple typique d’application à forte valeur ajoutée qui offre de prometteuses perspectives en terme d’écriture à l’échelle nanométrique. Un enjeu fondamental constitue alors l’élaboration de nouveaux photoamorceurs très réactifs et activables à deux photons. Dans ce contexte, ce manuscrit présente une étude photophysique et photochimique de deux séries de photoamorceurs biphotoniques ‘Donneur/Accepteur’ intégrants des stilbènes comme relais électroniques avec pré-organisation dans des structures bichromophores. Les processus primaires photoinduits, les mécanismes de photoamorçage, la photoréactivité à l’echelle locale sont décrits et étudiés méthodiquement. Enfin, le potentiel appliqué de cette nouvelle génération de photoamorceurs est mis en évidence en microfabrication multiphotonique à travers l’élaboration de structure 3D à l’échelle µm. / The advent of pulsed laser technologies has promoted the rapid growth of new emerging research domains which aim at probing and/or transforming materials at local scale using non linear absorption processes. A large range of applications takes benefit of the inherent spatial containment observed in non linear absorption processes so as to control photoreactions at nm-scale. The field of multiphoton fabrication (or stereolithography) addresses this fundamental issue and has developed rapidly so that it is no longer a rapid prototyping technology but a real manufacturing technique that is commercially available. The development of multiphoton stereolitography also requires highly reactive two-photon activable (2PA) initiators whose design and elaboration are the subject of considerable molecular engineering research. In this context, the present manuscript describes the photophysical and photochemical properties of two series of 2PA initiators. Such novel D--A structures have be designed by associating distinctive Donor and Acceptor groups into stilbene arms used as ‘electron relay’ and organized into a (multi)branched architecture. The photoinduced primary processes, the global photoinitiating mechanisms as well as the photoreactivity are described methodically. We finally demonstrate the applied potential of this new type of two-photon initiators in multiphoton stereolitography.

La photopolymérisation radicalaire contrôlée (P2RC) est un domaine en plein essor en science des matériaux. En effet, ce procédé permet d’envisager la synthèse de polymères à architecture complexe dans des conditions douces et constitue une approche de choix pour élaborer des couches de polymères microstructurées. Dans ce contexte, l’extension des techniques RAFT, ATRP et NMP à un mode photochimique est principalement étudiée. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés en particulier à la technique de NMP2 (Nitroxide Mediated Phototopolymerization). Typiquement nous avons préparé des alcoxyamines photosensibles pour un contrôle de la polymérisation sous irradiation. Une attention spéciale a été portée sur la compréhension du mécanisme régissant le procédé et sur des relations structure/réactivité. De plus les meilleurs candidats ont été testés en NMP2 et plus particulièrement pour la conception de motifs structurés de polymères sur surface. Enfin, de nouvelles approches ont été explorées pour effectuer une NMP2 avec notamment l’ESCP (Enhanced Spin Capturing Polymerization). / Controlled radical photopolymerization represents a rapidly emerging field in material science. This process is characterized by important advantages and provides the possibility to prepare complex polymer architectures in mild conditions such as patterns. In recent years, the development of controlled radical photopolymerizations, such as RAFT, ATRP and NMP, is recognized as particularly interesting and powerful. In this context, we focused our research to the development of the NMP2 polymerization. In line with this research context, the topic of this thesis was to prepare alkoxyamines for a photochemical control. Particular attention has been focused on understanding the mechanism governing the process and structure/reactivity relationships. In addition, the best candidates were tested in NMP2 process and more particularly to the preparation of polymer patterns on surface. Finally, new approaches have been explored to perform NMP2 such as ESCP (Enhanced Spin Capturing Polymerization).

Ce travail de thèse aborde l’étude mécanistique de systèmes photoamorceurs complexes et la modélisation cinétique du processus de photopolymérisation. Dans un premier temps, le mécanisme photochimique d’un système combinant le [Ru(bpy)3]2+ et des agents RAFT pour l’amorçage et le contrôle d’un processus radicalaire a été étudié. Un transfert d’énergie a été clairement démontré, contredisant le mécanisme de transfert d’électron généralement proposé. Un système photoamorceur à 3 composants bicyclique dual ITX/IOD+/RSH a ensuite été considéré pour la synthèse de matériaux hybrides organiques-inorganiques. Sous excitation lumineuse, ce système produit simultanément des radicaux et des protons, permettant d’amorcer, respectivement, des processus de polymérisation radicalaire et sol-gel. Dans un second temps, l’interdépendance entre les cinétiques de photopolymérisation et l’évolution des propriétés du milieu réactionnel a été étudiée par le biais du développement d’un modèle cinétique permettant la simulation de l’intégralité du processus de photopolymérisation. Des systèmes photoamorceurs de complexité croissante ont été inclus afin d’étudier les spécificités de leurs cinétiques. Un système de type I a permis de mettre en évidence les modes de terminaison majoritaires et leur évolution au cours de la synthèse des polymères, tandis que le rôle non négligeable du transfert d’électron inverse a été mis en exergue pour des systèmes photoamorceurs de type II. La fonction d’agent de terminaison d’un photoproduit issu d’un colorant cationique, ainsi que certaines spécificités des systèmes photocycliques à 3 composants, ont été finalement étudiés grâce à la modélisation. / This thesis deals with the mechanistic study of complex photoinitiating systems and the kinetic modeling of the photopolymerization process. In a first time, the photochemical mechanism of a system combining [Ru(bpy)3]2+ and RAFT agents for the initiation and control of a radical process has been studied. An energy transfer has been clearly demonstrated, contradicting the electron transfer mechanism generally proposed. A dual bicyclic three-component photoinitiating system ITX/IOD+/RSH has been considered for the synthesis of organic-inorganic hybrid materials. Under light exposure, this system produces simultaneously radicals and protons, enabling the initiation of a radical polymerization and a sol-gel process, respectively. In a second time, interdependence between photopolymerization kinetics and evolution of the medium’s properties has been studied, through developing a kinetic model for the simulation of the whole photopolymerization process. Photoinitiating systems of growing complexity have been included in order to study specificities of their kinetics. A type-I system has shown major termination modes and their evolution during the polymer synthesis, while the non-negligible role of back electron transfer has been highlighted for type-II photoinitiating systems. Role of terminating agent of a photoproduct based on a cationic dye, as well as some specificities of photocyclic three-component systems, have been finally studied with the model.

Les procédés de photopolymérisation connaissent un développement important avec des applications considérables dans le milieu industriel en raison de ses avantages économiques et écologiques. Les réactions de photopolymérisation sont très représentées, elles reposent sur l’utilisation d’un composé ou d'un système photosensible sous irradiation, générant des espèces réactives capables d’amorcer la polymérisation et de réagir avec le monomère. Le principal objectif de ce travail de thèse consiste à développer des molécules efficaces comme photoamorceurs (PA) pour la photopolymérisation radicalaire (FRP) d’une part et la photopolymérisation cationique (CP) ou la photopolymérisation cationique sensibilisée par les radicaux (FRPCP) d’autre part. Nous nous sommes intéressés à des systèmes amorceurs hautes performances absorbant fortement dans le domaine du visible et permettant l’utilisation de lampes non nocives et à faible consommation d'énergie : les diodes électroluminescentes (LED). Ainsi, un procédé original portant sur la combinaison de la photopolymérisation radicalaire et la photopolymérisation cationique en une seule étape a été examiné. Cette approche a fait appel à la synthèse de réseaux interpénétrés de polymères (RIP) comportant les propriétés spécifiques de chaque polymère. Les efforts ont été consacrés au développement de nouveaux composés avec de nouvelles structures chimiques et d’excellentes propriétés d’absorption de lumière avec de coefficients d’extinctions molaires très élevés.Des systèmes construits sur l’utilisation de différentes structures comme photoamorceurs ont pu être mis au point dans le cadre de cette thèse. La possibilité d’utiliser des colorants présentant un caractère push-pull, ou des colorants étant caractérisés par une structure polyène ou une structure polyaromatique a pu être considérée. Egalement, des structures à base de xanthène sensibles dans le domaine proche visible ont pu être proposées. De plus, ce travail a permis d’étudier de nouveaux systèmes photoamorceurs à base de structures minérales telles que les polyoxométallates ou les pérovskites. Ainsi, la possibilité de proposer de nouveaux sels d’iodonium à base de coumarine a pu être démontrée. Des meilleures performances ont été atteintes en utilisant des systèmes photoamorceurs à deux composants (PA/Ph2I+) ou à trois composants (PA/Ph2I+/additif) dans des conditions d’irradiation douce. Afin d’étudier et caractériser ces photoamorceurs, la cinétique de la réaction de photopolymérisation a été suivie par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (RT-FTIR). Les radicaux générés ont été détectés par résonance paramagnétique électronique (RPE). La photolyse laser éclair (LFP) a été utilisée comme technique complémentaire pour étudier l’efficacité et la réactivité de radicaux générés. / The photopolymerization reaction is used in an increasing number of industrial applications because of the remarkable performance of the process. The photopolymerization reactions require the presence of photosensitive compounds. These latter can absorb light and participate in the photoinitiation through the generation of reactive species. The main objective of this PHD was to develop efficient molecules as photoinitiators (PI) for the free radical photopolymerization (FRP), the cationic photopolymerization (CP) and the free radical promoted cationic photopolymerization (FRPCP). We were interested in new high performance photoinitiating systems (PISs) exhibiting excellent light absorption properties (especially in the visible wavelength range). The photopolymerization must be carried out under soft irradiation conditions (non harmful lamps, low energy consumption and low intensity sources: light-emitting diodes LED). Thus, a novel method involving concomitant radical/cationic photopolymerization in one step was examined. This approach involves the synthesis of interpenetrating polymer networks (IPNs) comprising the specific properties of each polymer. The efforts have been devoted to the development of new compounds with new chemical structures and excellent light absorption properties with high molar extinctions coefficients.Many PISs based on different photoinitiators structures have been developed in this work. The possibility to use dyes having a push-pull character, or dyes being characterized by a polyene or polyaromatic structures were considered. Also, originals xanthenes derivatives sensitive in the visible region have been proposed. In particular, this work has enabled the study of new PISs based on inorganic structures such as polyoxometalates and perovskites. Thus, the possibility to propose new iodonium salts based coumarin could be demonstrated. The best performance was achieved using two-components (PI/Ph2I+) or three-components (PI /Ph2I+/additive) photoinitiating systems under soft irradiation conditions. The kinetics of photopolymerization were evaluated using real time FTIR spectroscopy. The generated radicals were observed using the electron spin resonance (ESR) technique. The laser flash photolysis (LFP) was used as a complementary technique to study the efficiency and the reactivity of radicals generated.