Les pillar[n]arènes constituent une famille de macrocycles aromatiques dont l’une des caractéristiques est de présenter une cavité hydrophobe riche en électrons leur permettant ainsi de former des complexes d’inclusion avec des molécules présentant un déficit en électron. L’auto-assemblage de macromolécules à partir de briques élémentaires possédant des propriétés de reconnaissance moléculaire est une voie de choix pour former des matériaux modulables sur commande via l’application de stimuli (température, le pH,… ). Comparé aux dérivés de cyclodextrines ou calixarènes, peu d’articles traitent de l’utilisation de pillar[n]arènes pour concevoir des systèmes macromoléculaires stimulables. C’est pourquoi, nous avons développé une stratégie générale permettant, à partir d’un dérivé de pillar[5]arène porteur d’une fonction trithiocarbonate, de synthétiser de manière contrôlée diverses briques macromoléculaires douées de propriétés de reconnaissance moléculaire et donc capable de former des architectures supramoléculaires diverses avec des (macro)molécules complémentaires. / The pillar[n]arene are an aromatic macrocycles whose one of characteristics is to present a hydrophobic cavity rich in electrons allowing them to form inclusion complexes with molecules deficient in electrons. Self-assembly of macromolecules from building blocks having molecular recognition properties is a way of choosing to form modular materials to order via the application of stimuli (temperature, pH, ...). Compared with cyclodextrin derivatives or calixarenes, few articles discuss the use of pillar[n]arene to design stimulable macromolecular systems. Therefore, we developed a general strategy which, from a derivative pillar[5]arene carrier of trithiocarbonate function to synthesize a controlled manner various macromolecular bricks endowed with molecular recognition properties and therefore able to form various supramolecular architectures with (macro)molecules complementary.

L’objectif de cette thèse est d’étudier la synthèse et les propriétés d’auto-assemblage en milieu aqueux de copolymères « intelligents » capables de former des agrégats supramoléculaires en réponse à deux stimuli : la température du milieu et la présence de dioxyde de carbone (CO[indice inférieur 2]). Pour cela, une gamme de copolymères diblocs amphiphiles composés d’un bloc hydrophile d’acrylate de polyethylèneglycol méthyléther) (PEGA) et d’un bloc stimulable contenant une distribution statistique d’unités PEGA et acrylate de diéthlèneglycol éthyléther (DEGA) (thermosensibles) et acrylate de diéthylaminoéthyle DEAEA (CO[indice inférieur 2]-sensible), a été préparée par polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes (NMP). Dans un second temps, il a été mis en évidence que la température ainsi que la présence de CO[indice inférieur 2] dans la solution influencent le comportement auto-associatif des copolymères dans l’eau. Par la suite, le bloc hydrophile a été remplacé par une séquence de dextrane, ce qui a permis de préparer de nouveaux copolymères diblocs fonctionnels, stimulables par la température et le CO[indice inférieur 2]. Dans ce cas, deux techniques de polymérisation radicalaire contrôlée (NMP et ATRP) ont été testées afin d’obtenir les copolymères possédant l’architecture la mieux définie possible.

Les nanogels sont des macromolécules ramifiées solubles possédant une structure en réseau et de dimensions inférieures à 100 nm. La méthodologie récente de la copolymérisation radicalaire réticulante contrôlée permet d'accéder à de telles architectures polymères tout en contrôlant finement leur structure interne. Nous présentons dans ce travail: (i) l'étude préalable de systèmes modèles, permettant de dégager les conditions nécessaires à la synthèse de nanogels; (ii) l'application à la synthèse de nanogels hydrophiles valorisables de poly(alcool vinylique) et de poly(N-vinylpyrrolidone); (iii) une modélisation cinétique permettant de rendre compte des tendances observées expérimentalement et de prévoir les grandeurs caractéristiques de produits synthétisés par cette méthodologie. / Abstract

L'auto-assemblage en solution aqueuse des copolymères di-blocs amphiphiles à base de polystyrène (hydrophobe) et de poly(acide acrylique) (hydrophile et polyélectrolyte) est connue et décrit dans la littérature. Ils mènent à la formation d'agrégats dynamiquement « gelés » (indissociables et insensibles à divers stimuli tels que le pH). L'objectif de cette thèse était d'obtenir une agrégation pH-sensible réversible de copolymère à base de PS et de PAA.<br />La polymérisation par l'intermédiaire de nitroxyle , nous a permis de synthétiser des copolymères di-blocs classiques PS-b-PAA mais aussi un type de copolymère original constitué d'un bloc pur de PAA et d'un second bloc à gradient de composition PS-grad-PAA. Le passage d'agrégats gelés, pour les copolymères PS-b-PAA, à des micelles dynamiques et une micellisation réversible pH-sensible pour les copolymères à gradient de composition a été mis en évidence. <br />Nous avons aussi greffés chimiquement ces copolymères à gradient de composition sur des surfaces de silicium. Un comportement similaire à celui révélé en solution a alors été observé. Il est ainsi possible de moduler, de manière réversible, la structure de la surface selon le pH. A bas pH, on forme une surface rugueuse du fait de la présence d'agrégats et à pH basique on obtient une surface hydrophile homogène.<br />L'ensemble des résultats, que ce soit en solution ou sur des surfaces greffées, montrent la grande complexité de comportement de ce nouveau type de copolymère amphiphile et ouvre la voie à de nombreuses applications comme l'encapsulation ou le re-largage de principes actifs et formations de bio-récepteurs ou bio-capteurs.

Un système de polymérisation radicalaire contrôlée par RAFT en dispersion huileuse sans stabilisant a été développé : l'acrylate de méthyle a ainsi été polymérisé dans l'isododécane (solvant du monomère, mais non solvant du polymère correspondant) en présence d'un macro(agent RAFT) soluble (le poly(acrylate de 2-éthylhexyle)) porteur soit d'une fonction dithiobenzoate, soit d'une fonction trithiocarbonate. Les conditions pour mener à une croissance contrôlée des chaînes ainsi qu'à la formation de particules bien définies et auto-stabilisées ont été étudiées. Par ce procédé, la formation in situ de copolymères à blocs à caractère solvophile/solvophobe mène par auto-assemblage à la formation de micelles. Ce procédé se révèle simple, met en jeu un nombre limité de réactifs et permet d'atteindre des taux de solide compris entre 20 et 40%. La comparaison des deux systèmes étudiés, ainsi que des caractérisations détaillées par chromatographie 2D des copolymères ont permis de proposer un mécanisme. Celui-ci permet d'expliquer les comportements très différents des deux systèmes (bon contrôle dans le cas du trithiocarbonate, pas de contrôle et effet retard dans le cas du dithiobenzoate), et se révèle cohérent avec des résultats issus de la littérature concernant également l'utilisation de macro(agent RAFT) lors d'une polymérisation en dispersion. Il apparaît finalement que la qualité du contrôle dépend de la réactivité de la nature du macro(agent RAFT) d'une part, et de son caractère solvophile/solvophobe d'autre part.

Le transfert de gènes consiste en l’introduction d’acides nucléiques au sein de cellules afin de modifier leur activité dans un but essentiellement thérapeutique. Pour préserver le matériel génétique de toute dégradation, il faut recourir à des vecteurs. Parmi ceux-ci, les polymères cationiques sont très prometteurs, en particulier, la polyéthylènimine, considérée comme le vecteur non-viral de référence. Néanmoins, il présente une cytotoxicité élevée. Ainsi, de nombreuses recherches ont pour but d’identifier et de développer de nouveaux polymères combinant efficacité de transfection et haute viabilité cellulaire. Cette thèse vise le développement de méthodes d’ingénierie macromoléculaire donnant accès à une large gamme de dérivés à base de polyvinylamine et l’évaluation de leurs performances en tant que vecteurs de transfection. Différentes techniques de polymérisation radicalaire conventionnelle et contrôlée ont été mises au point afin de synthétiser des (co)polymères à base de polyvinylamine constitués d’amines primaires et secondaires. L’efficacité du transfert d’ADN plasmidique et la viabilité cellulaire ont été évaluées sur des cellules HeLa. L’influence de différents paramètres macromoléculaires sur les performances de transfection a été investiguée. Cette étude a permis de démontrer que certains dérivés de polyvinylamine possédaient une efficacité de transfection aussi élevée que la PEI tout en étant moins toxique. De manière générale, ce travail rend compte du haut potentiel des (co)polyvinylamines en tant que vecteurs pour le transfert de gènes. / Gene transfection consists in the introduction of genetic materials (DNA or RNA) in cells in order to modulate the cell activity, with therapeutic purposes in most cases. To deliver the genetic materials into cells without degradation, vectors are necessary. Among them, cationic polymers are promising candidates. For instance, polyethylenimine has emerged as a gold standard due to its high transfection ability. Nevertheless, this polymer exhibits high cytotoxicity, and current research aims at identifying and developing new polymers with improved cell viability and high gene transfer efficiency. In this context, the aim of this thesis was to develop efficient macromolecular engineering tools to prepare a library of polyvinylamine-containing (co)polymers and to evaluate their performances as DNA carriers. Consequently, free radical polymerization (FRP) and controlled radical polymerization (CRP) have been explored and a series of (co)polyvinylamines, containing primary and secondary amines, as well as vinylimidazole and guanidine moieties, have been synthesized. The transfection efficiency of plasmid DNA (pDNA) and cell viability were evaluated on HeLa cells. The influence of different macromolecular parameters such as molar mass, molar mass distribution and composition, was also studied. The most promising polymers for pDNA transfection were also tested for siRNA delivery and on other cell lines. Overall, several polymers were competitive with PEI regarding the transfection efficiency but were much less toxic. (Co)polyvinylamines, which have often been disregarded for transfection purposes, should definitely be considered as valuable gene carriers.

Ces travaux de thèse portent sur la polymérisation radicalaire contrôlée (PRC) des esters et amides de vinyle. L’une des possibilités de contrôle est le piégeage dynamique réversible des chaînes radicalaires croissantes (P•) par un agent de contrôle (T) formant une espèce dormante (P─T’). La concentration en radicaux dans le milieu peut alors diminuer dramatiquement de sorte que les réactions indésirables de terminaisons soient négligeables et que le contrôle de la masse molaire des polymères soit atteint avec un faible indice de dispersité. L’utilisation de complexes métalliques, pouvant s’oxider et former une liaison métal-carbone, comme agent de piégeage des radicaux est une manière de réaliser ce contrôle. La PRC est alors appelée Polymérisation Radicalaire Contrôlée par voie Organométallique (OMRP). A ce jour, plusieurs métaux de transitions ont été utilisés avec plus ou moins de succès en OMRP. Lors de cette étude, nous avons synthétisé des complexes de cuivre(I) et testé leurs performances pour l’OMRP de l’acétate de vinyle et de l’éthylène. Nous avons également utilisé des outils de chimie théorique pour mieux comprendre pourquoi le cobalt(II) acétylacétonate est, jusqu’à aujourd’hui, le meilleur agent de contrôle pour la polymérisation de l’acétate de vinyle et des amides de vinyle. Grâce à la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT), nous avons mis en lumière le rôle crucial de la coordination sur le cobalt des groupements carbonyles des monomères étudiés. / This thesis focus on Controlled Radical Polymerization (CRP) of vinyl esters and vinyl amides. One of the possibilities to achieve this control is a dynamic reversible trapping of the growing radical chains (P•) by a controlling agent (T) to form a dormant species (P─T’). The radical concentration in the medium can be dramatically reduced so that the unwanted terminations are disfavored and polymers with controlled molecular weights and low dispersity can be obtained. A way to achieve this control is the use of metallic complexes, which can oxidize and form a metal-carbon bond, as trapping agent in the so-called Organometallic Mediated Radical Polymerization (OMRP). So far, different transition metals have been used with gretaer or smaller success. In this study, the synthesis of copper(I) complexes and their investigation for the vinyl acetate and ethylene polymerization under OMRP conditions were performed. We also used computational chemistry as a tool to better understand why the cobalt(II) acetylacetonate (Co(acac)2) has, so far, given the best results for either vinyl acetate or vinyl amides polymerization. Thanks to Density Functional Theory (DFT), the crucial role of the monomer carbonyl group coordination to cobalt was pointed out.

Une macroalcoxyamine hydrosoluble (poly(acide acrylique) fonctionnalisé par le nitroxyde SG1) a été utilisée avec succès en polymérisation radicalaire contrôlée en milieux aqueux dispersés. En émulsion, des latex de poly(acrylate de n-butyle), de polystyrène et de copolymères correspondants ont pu être obtenus pour la première fois selon un procédé émulsion batch ab initio, procédé le plus viable industriellement. Le mode opératoire ne requiert pas l'utilisation de tensioactifs classiques. Des particules de copolymères dibloc à cœur hydrophobe et écorce polyélectrolyte avec un diamètre moyen compris entre 30 et 100 nm sont synthétisées au sein de suspensions pouvant atteindre des taux de solide de 40 wt.%. Les masses molaires et les indices de polymolécularité révèlent le caractère contrôlé de la polymérisation en dépit d'une efficacité d'amorçage déficiente. Différents paramètres permettant de modifier les masses molaires des polymères et la taille des particules ont été mis en évidence. Le mécanisme de formation des particules est discuté ainsi que la cinétique de polymérisation dans les particules. En dispersion, des particules de poly(N,N-diéthylacrylamide) dissociables thermiquement et réversiblement ont été synthétisées avec des caractéristiques macromoléculaires et colloïdales proches de celles obtenues en émulsion et ce, jusqu'à 40 wt.% de taux de solide. Par l'introduction d'un monomère réticulant selon un procédé batch ou semi-batch, des nanogels thermosensibles sont produits. Ce résultat constitue une avancée majeure dans ce domaine puisque, pour la première fois, une suspension concentrée de nanogels de faibles diamètres a pu être obtenue sans tensioactif.

L'objectif de cette thèse est d'élaborer et de développer un type de membranes polymères qui peuvent se réparer de manière autonome en cas de fissures. Si elles ne sont pas détectées, ces fissures peuvent poser des problèmes notamment pour des applications médicales. Dans une première partie, une membrane polymère dynamique à base de micelles de copolymère tribloc ABA a été préparée. Le bloc "A" est représenté par le poly (styrene-co-acrylonitrile), copolymère bloc mécaniquement robuste, et un bloc "B" relativement mou et souple, le poly (ethylene oxide). Lorsqu'une pression est appliquée à la membrane, sa morphologie peut être ajustée grâce à la nature compressible des micelles, ainsi que les ponts dynamiques intermicellaires. Une gamme de porosités accessible peut être régulée par la pression et de manière à contrôler la performance de filtration. La même nature dynamique a également été utilisée pour montrer une réparation autonome entrainée par la pression. L'efficacité du processus de réparation dépend de la taille des fissures, de la valeur de pression et de la durée d'application de la pression. En utilisant la propriété d'auto-réparation de la membrane ci-dessus, le processus « Direct Mode Translocation » de nanoparticules a également été étudié. Quatre classes différentes de nanoparticules ont été utilisées avec diverses propriétés intrinsèques et extrinsèques. Les conclusions de ces travaux prouvent que les caractéristiques de taille, de forme et de surface des nanoparticules ainsi que la force exercée régissent le processus de translocation. Dans une seconde partie, un revêtement 2D et 3D réversible basé sur l'auto-assemblage de micelles de copolymère dibloc constitué d'un poly (methyl methacrylate) (PMMA) et du poly (n-octadecyl methacrylate) (PODMA) blocs a été développé. L'assemblage de micelles est réalisé par l'effet "Zipper", grâce aux longues chaînes pendantes du bloc PODMA. Le même effet "Zipper" permet d'enlever facilement le revêtement par lavage dans un solvant sélectif, donnant ainsi la possibilité de modifier la surface d'un substrat plusieurs fois de manière réversible. La cristallisation à température ambiante du bloc PODMA offre la possibilité d'avoir un revêtement auto-réparable thermiquement sans affecter la morphologie globale des micelles. Enfin, une dernière partie a été conceptualisée, dans laquelle l'auto-réparation se fait par « nano-gel » encapsulés et dispersés dans une membrane. Le « nano-gel » est à base d'un copolymère hydrophile en forme d'une étoile partiellement réticulée et qui doit être synthétisée par la technique de "Reversible Addition-Fragmentation Transfer" (RAFT) polymérisation. La synthèse d'un agent RAFT avec 4 bras pour la polymérisation a été accomplie, cependant, des travaux sont encore nécessaires pour valider la voie de synthèse vers la synthèse de « nano-gel » ainsi que son application pour le processus d'auto-réparation. / The objective of this thesis is to develop such kind of polymeric membranes which can repair themselves autonomously in an event of damage. Such damage in a membrane, if left undetected can pose serious health issues in some of the intended applications. In the first approach, a dynamic polymeric membrane based on ABA type triblock copolymer micelles has been prepared. The block “A” is represented by mechanically robust poly(styrene-co-acrylonitrile) copolymer while block “B” by relatively soft and flexible poly(ethylene oxide). When pressure is applied to the membrane, its morphology can be fine-tuned thanks to the compressible nature of micelles as well as intermicellar dynamic bridges. A range of porosities are accessible which can be regulated by pressure and thereby controlling the filtration performance. The same dynamic nature has also been utilized to display an effective pressure driven autonomous healing. The efficiency of healing process has been found to be dependent on the extent of damage, pressure value and time duration of application of pressure. Using the self-healing property of above membrane, “Direct Mode Translocation” of nanoparticles has also been studied. Four different classes of nanoparticles were used with varied intrinsic and extrinsic properties. The findings of the work prove that the size, shape and surface characteristics of the nanoparticles as well as the applied force govern the translocation process. In a second approach, a 2D and 3D reversible coating based on the self-assembly of micelles of diblock copolymer consisting of poly(methyl methacrylate) (PMMA) and poly(n-octadecyl methacrylate) (PODMA) blocks have been developed. The assembly of micelles is accomplished via so called “Zipper” effect, thanks to the long pendant chains of PODMA block. The same “zipper” effect plays the role of removing the coating easily by washing in a selective solvent, thus giving the ability to alter the surface of substrate for many times in reversible manner. The room temperature crystallization of PODMA block provides huge implications for a thermally assisted self-healing coating without affecting the global micelle morphology. Finally, another approach has been conceptualized in which self-healing occurs via encapsulated nano-gel dispersed within a membrane. The nano-gel is based on a partially crosslinked hydrophilic star shaped block copolymer which has to be synthesized by “Reversible Addition-Fragmentation Transfer” (RAFT) polymerization technique. The synthesis of a 4- arm RAFT agent for polymerization has been accomplished however ; a substantial amount of work is still needed to validate the synthetic route towards the nano-gel synthesis as well as its further application for the self-healing process.

Des photoamorceurs construits sur une chimie radicalaire originale sont développés. Les photopolymères présentent des avantages écologiques (pas de COV) et économiques. Ils sont utilisés dans les adhésifs, les encres, les revêtements, l’optique… Une première étude est réalisée sur la photopolymérisation radicalaire (FRP) en présence d’organoboranes. Sous l’action de la lumière, des radicaux boryles sont formés. Ces composés convertissent des radicaux peroxyle (stables) en radicaux boryles très réactifs sous air. Ils permettent ainsi une polymérisation radicalaire en milieu aéré. Avec l’ajout de colorant, la photopolymérisation a lieu sous lumière visible.Une seconde étude est menée sur la photopolymérisation cationique (FRPCP). Des sources d’irradiation douces (lampe halogène, LED,…), peu énergivores et peu coûteuses sont employées. Des composés photosensibles ayant de fortes propriétés d’absorption dans le visible sensibilisent les sels d’iodonium. Cette décomposition permet d’amorcer la polymérisation cationique sous faible intensité lumineuse.Enfin, la polymérisation radicalaire contrôlée/vivante induite par de la lumière UV et visible est présentée. Deux modes de polymérisation contrôlée sont discutés : la NMP2 (Nitroxide Mediated PhotoPolymerization) et l’ATRP2 (Atom Transfer Radical PhotoPolymerization). En NMP2, les alcoxyamines ont la particularité de se réactiver sous irradiation lumineuse. En ATRP2, de nouveaux complexes d’iridium et de fer ayant de bonnes propriétés d’absorption dans le visible sont employés comme photocatalyseurs. Les résultats montrent un caractère contrôlé/vivant lors de la photopolymérisation du MMA. / Photoinitiators constructed on an original radical chemistry are developed. Photopolymers have ecological advantages (no VOCs) and economic. They are used in adhesives, inks, coatings, optical...A first study is carried out on the radical curing (FRP) in the presence of boron molecules. Under light irradiation, boryls radicals are formed. These compounds convert peroxyl radicals (stable) in boryls radicals highly reactive under air. They allow a radical polymerization in aerated medium. With the addition of dye, the photopolymerization is carried out under visible light.A second study was conducted on the cationic curing (FRPCP). Soft radiation sources (halogen lamp, LED, ...), energy efficient and inexpensive are used. Photosensitive compounds having high absorption properties in the visible sensitize iodonium salts. This decomposition allows initiating the cationic polymerization under low light intensity.Finally, controlled/living radical polymerization induced by UV and visible light is presented. Two controlled polymerization methods are discussed: NMP2 (Nitroxide Mediated Photopolymerization) and ATRP2 (Atom Transfer Radical Photopolymerization). In NMP2, alkoxyamines have the particularity to be reactivated under light irradiation. In ATRP2, new iridium complexes and iron having good absorption properties in the visible range are used as photocatalysts. The results show a controlled/living character during the photopolymerization of MMA.