Les liquides ioniques, unions de cations organiques et d’anions, sont des milieux structurés sur plusieurs nanomètres et présentent des propriétés très intéressantes et modulables. Grâce à ces propriétés, les liquides ioniques ont retrouvé une place dans d’abondantes applications, particulièrement en synthèse organique. Dans le cadre de cette thèse nous avons présenté trois utilisations différentes : i) La première utilisation est basée sur l’emploi des LIs comme catalyseur de polymérisation par ouverture de cycle (POC) contrôlée de l’-caprolactone dans des conditions douces. ii) La deuxième utilisation des liquides ioniques repose sur la synthèse d’un nouveau catalyseur/initiateur organostannique supporté sur un liquide ionique pour la préparation d’un polymère biodégradable. La présence du LI devrait permettre d’éliminer le catalyseur par simple filtration. iii) La troisième et la dernière application repose sur la réalisation d’un assemblage original composé de -cyclodextrines native et perméthylée, d’un liquide ionique et d’un polymère chargé. Cette assemblage est totalement nouveau et pourrait donner accès à des matériaux hydrosolubles avec de nouvelles applications séparatives. / Ionic liquids, combinations of organic cations and anions, are structured media of several nanometers and have very interesting and flexible properties. Thanks to these properties, ionic liquids have found a place in abundant applications, particularly in organic synthesis. In this thesis we have presented three different uses: i) The first use is based on the use of ILs as a controlled ring-opening polymerization (POC) catalyst for -caprolactone under mild condition. ii) The second use of ionic liquids is based on the synthesis of an innovative organotin catalyst / initiator supported on an ionic liquid for the preparation of a biodegradable polymer. The presence of the IL should make possible the elimination of the catalyst by simple filtration. The biological tests must agree our theory. iii) The third and last application is based on the creation of an original assembly composed of native and permethylated -cyclodextrins, an ionic liquid and a charged polymer. This new association could give access to water-soluble materials with new separation applications.

No description available.

No description available.

No description available.

This dissertation focuses on the synthesis and characterization of functional poly(2-ethyl-2-oxazoline) (PEtOx) containing homo- and block copolymers that are potential materials for membrane-based water purification and gas separation, drug delivery, magnetic resonance imaging and tissue engineering applications. The polymerization of 2-ethyl-2-oxazoline (EtOx) was investigated with regard to the effects of initiator structures and reaction parameters such as polymerization time and temperature on molecular weight control and molecular weight distribution, endgroup functionality, living characteristics, and mechanism and kinetics. The structure of initiators was shown to significantly affect the molecular weight control and molecular weight distribution of PEtOx oligomers. Methyl triflate initiated polymerizations were found to result in oligomers with low polydispersity (PDI) values around 1.10-1.15 and symmetrical chromatograms were obtained via size exclusion chromatography (SEC) studies with the use of refractive index, light scattering and viscosity detectors. However, EtOx polymerizations initiated by halide containing initiators such as benzyl chloride, dibromo- and diiodo-p-xylene, and vinylsilylpropyl iodides yielded PEtOx oligomers with higher PDI values ~ 1.30-1.40. Higher molecular weight distributions can be attributed to the presence of covalent species during polymerization and slower initiation rate as evidenced by kinetic studies when compared to PEtOx prepared from methyl triflate initiators. In all cases, termination reactions with aliphatic cyclic amines were quantitative. Mono- and diamine functional PEtOx oligomers with controlled molecular weight and excellent end-group functionality may be used as prepolymers for incorporation into multiblock and graft copolymer and crosslinked structures for a variety of applications such as membranes and hydrogels for tissue engineering matrices. Poly(2-ethyl-2-oxazoline) containing block copolymers were prepared using the macroinitiator method. First, amphiphilic triblock copolymers with hydrophobic poly(arylene ether sulfone) (PSF) central block and hydrophilic PEtOx side blocks were synthesized via polymerization of EtOx sequences from tosylate functional telechelic PSF macroinitiators. PSFs are well-known engineering thermoplastics with excellent resistance to hydrolysis and oxidation, as well as displaying good mechanical properties, thermal stability and toughness. Phenol functional PSFs were prepared via step-growth polymerization of dichlorodiphenylsulfone and bisphenol-A (slight excess) monomers. Phenolic chain ends were then converted to aliphatic hydroxyethyl endgroups by reaction with ethylene carbonate. Upon treatment with p-toluenesulfonyl chloride, tosylate functional PSF macroinitiators were prepared. PEtOx-b-PSF-b-PEtOx triblock copolymers (pendent acyl groups of PEtOx side blocks) were partially hydrolyzed in an acidic medium to introduce random charged poly(ethylene imine) units to prepare ionomer structures that may show good salt rejection, water flux and antibacterial properties for membrane-based water purification applications. Phosphonic acid modified poly(ethylene oxide)-b-poly(2-ethyl-2-oxazoline) (PEO-b-PEtOx) diblock copolymers were prepared via cationic ring opening polymerization of EtOx monomers from tosylate functional PEO macroinitiators and subsequent functionalization reactions on the polyoxazoline block. Post-modification reactions included controlled partial pendent acyl group hydrolysis under an acidic medium to form the random block copolymers of PEtOx and poly(ethyleneimine) (PEI), Michael addition of diethylvinyl phosphonate groups to PEI units and hydrolysis of the ethyl groups on the phosphonates to yield pendent phosphonic acid groups on the polyoxazoline block. After each step of functionalization reactions, structures and compositions were confirmed utilizing 1H NMR and the degree of phosphorylation was found to be > 95%. Both PEO and PEtOx are biocompatible polymers and the anionic quality of the phosphonic acid has the potential to be pH controllable and provide an environment where cationic drugs and contrast agents can be attached. Thus, these polymers have potential as drug carriers and contrast enhancement agents for magnetic resonance imaging applications. / Ph. D.

The ring opening polymerization of D,L-lactide (DLLA) using multifunctional hydroxyl-terminated initiators and catalyst/coinitiator systems based on Sn(Oct)2 afforded the preparation of star-shaped, poly(D,L-lactide)s (PDLLA)s of controlled molar mass, narrow molar mass distributions, and well-defined chain end functionality. Various modifications of star-shaped PDLLA resulted in macromolecules with tailored functionalities for biomedical applications. Star-shaped PDLLAs were modified to contain photoreactive methacrylate end groups and subsequent photo-crosslinking was performed. Photo-crosslinked networks based on methacrylated star-shaped PDLLAs exhibited thermal properties and mechanical performance that were superior to current approved clinical adhesives. In addition, the thermal and mechanical properties of the networks were strongly dependent on the composition and molar mass of the star-shaped PDLLA precursors. Tensile strengths in the range of 8-21 MPa were obtained while the Young's modulus increased from 12 to 354 MPa and were higher for networks based on urethane containing polymers. Star-shaped PDLLAs bearing complementary adenine and thymine terminal units were also prepared. The hydrogen bonding associations between complementary PDLLA macromolecules depended strongly on molar mass and hence, the concentration of multiple hydrogen bonding units. 1H NMR spectroscopy confirmed the formation of hydrogen-bonded complexes with a 1:1 optimal stoichiometry and an association constant of 84 M-1. The hydrogen-bonded complexes also exhibited significantly higher solution viscosities than non-blended polymer solutions of similar molar mass and concentration. Thermoreversible associations of PDLLA-based complementary polymers were observed in the melt phase and the melt viscosity of a blended complex was consistently an order of magnitude higher than non-functionalized star-shaped PDLLA of similar molar mass. Furthermore, melt electrospinning of the hydrogen-bonded complexes successfully resulted in fibers of significantly larger diameter (9.8 ± 2.0 µm) compared to the individual precursors (PDLLA-A = 4.0 ± 0.6 µm and PDLLA-T = 4.4 ± 1.0 µm). These results suggested that thermoreversibility, as well as the strength of the hydrogen bonding interactions between the end groups of the tailored star-shaped PDLLA-based supramolecular polymers controlled the fiber diameter in the melt electrospinning process. Highly ordered microporous honeycomb structures were developed on photo-functional star-shaped PDLLA surfaces. The pore dimensions were dependent on polymer solution concentration, polymer molar mass and relative humidity. The combination of self-organizing and cross-linking techniques resulted in free-standing, PDLLA membranes with high chemical stability as well as higher mechanical strength for further material patterning. Amikacin, an antibiotic commonly used for treating infections was successfully encapsulated in star-shaped PDLLA fibers that were electrospun from solution. Preliminary results suggested that molecular architecture influenced the encapsulation of the antibiotic and subsequent drug release profile. / Ph. D.

Les matériaux utilisés pour les applications biomédicales doivent être biocompatibles, et idéalement biodégradables. Les acides biliaires proviennent de sources naturelles et sont présents dans le corps humain. De plus, les polyetsers composés en partie de ces molécules possèdent des liens hydrolysables, une mémoire de forme thermique, et leur flexibilité peut être variée. Jusqu’à présent, la synthèse de ces matériaux exigeait l’utilisation de catalyseurs contenant des métaux de transition lourds pour l’étape de macrocyclisation. Puisque la polymérisation par ouverture de cycle nécessite des précurseurs cycliques, l’étape de lactonisation fut réalisée par voie enzymatique, au lieu d’utiliser des catalyseurs à plus grande toxicité. De plus, une seule étape enzymatique a pu remplacer deux étapes de synthèse organique, avec un rendement de 58 % et l’obtention d’un matériel transparent. Ces macrocycles nouvellement obtenus ont par la suite été polymérisés par ouverture de cycle, de façon similaire à la technique élaborée par notre groupe en 2013, tout en optimisant la durée de réaction. En 15 heures, une masse molaire relativement grande de 40 000 g/mol fut obtenue, tout en maintenant la dispersité sous 1.4 et la température de transition vitreuse à 12 °C. Pour valider le principe de cyclisation et de polymérisation enzymatique, les conditions optimales pour combiner l’acide thapsique et le 1,10-decanediol furent préalablement déterminées. Entre autres, la durée de réaction et la quantité d’enzyme nécessaire furent analysées. Les polymères semi-crystallins obtenus possèdent aussi de grandes masses molaires et de basses dispersités. Or, il est possible d’utiliser un enzyme à la fois pour la fermeture et pour l’ouverture de cycle de molécules rigides à cœur stéroïdal, telles que les acides biliaires. Cette synthèse permet la production de matériaux plus biocompatibles, tout en favorisant plusieurs principes de chimie verte. / Materials used in biomedical applications need to be biocompatible and ideally biodegradable. Bile acids are natural occurring compounds found in humans, and their polyesters possess hydrolyzable bonds, thermal shape memory and tunable flexibility. Until now, the synthetic pathway to obtain such materials required transition metal catalysts for the macrocyclization step, which is necessary to perform ring-opening polymerization (ROP). To circumvent the need for such catalysts, enzymatic ring closing was performed using lipases. Conveniently, two synthetic steps were replaced with a single step, using a renewable and reusable catalyst, with 58 % yield and a colorless product. The bile acid-containing macrocycles were then enzymatically polymerized as described in our previous work, while optimizing the reaction time. In 15 hours, relatively high Mw of 40 000 g/mol were obtained, while maintaining the dispersity ≤ 1.4 and a glass transition temperature of about 12 °C. As a proof-of-concept, conditions for the enzymatic ring closure of thapsic acid with 1,10-decanediol were determined beforehand. While optimizing for enzyme amount and reaction time, enzymatic ROP conditions to obtain di- and tetralactones from these monomers were established. The resulting semi-crystalline polymers also possess relatively high molecular weight and low dispersity. Hence, the use of lipases for both ring-closing and ring-opening reactions now shows potential for large, rigid moieties in addition to more mobile structures, using the same enzyme. This is a step towards the production of more biocompatible polymers, with a synthetic pathway that follows many green chemistry principles.

L’utilisation de carbènes N-hétérocycliques (NHCs), en tant qu’activateurs organiques « multitâches », a permis la polymérisation de deux classes de monomères : les monomères vinyliques de type (méth)acrylique et les monomères cycliques de type époxyde. En particulier, la polymérisation par transfert de groupe (GTP) catalysée par les NHCs a été utilisée pour polymériser les monomères acryliques et méthacryliques, dans des solvants polaires comme apolaires, en présence d’un amorceur de type acétal de cétène silylé. Sur cette base des copolymères à blocs « tout-acrylique » ont été synthétisés. Dans une autre étude, la polymérisation par ouverture de cycle (ROP) des oxydes d’éthylène et de propylène a été induite par les NHCs. Dans un premier cas, les NHCs ont été utilisés comme amorceurs de la réaction. Puis, en employant un amorceur tiers, ils ont servi de catalyseurs de la ROP. Des poly(oxyde d’éthylène) et poly(oxyde de propylène) hétérodifonctionnels ont été synthétisés. Enfin, une dernière approche a permis de concilier les deux méthodes de polymérisation. A l’aide d’un système unique d’amorçage, la copolymérisation séquentielle d’un monomère vinylique polaire et d’un monomère cyclique a pu être réalisée. / The use of N-heterocyclic carbenes (NHCs) as multitask organic activators has enabled the polymerization of two classes of monomers: polar vinylic monomers like (meth)acrylics, and cyclic epoxides. In particular, the NHC-catalyzed group transfer polymerization (GTP) has been used to polymerize both acrylic and methacrylic monomers, either in polar or apolar solvents, in the presence of a silyl ketene acetal as initiator. On this basis, “all-acrylic” block copolymers have been synthesized. In another study, the ring-opening polymerization (ROP) of ethylene and propylene oxides was induced by NHCs. In one case, NHCs have been used as initiators of the reaction. On the other hand, using a third compound, they have served as catalysts for the ROP. Heterobifonctional poly(ethylene oxide)s and poly(propylene oxide)s have been synthesized. A final approach has brought together the two polymerization methods. Using a single initiating system, the sequential copolymerization of a polar vinylic monomer and a cyclic monomer has been achieved.

La nanomédecine, appliquée en particulier au traitement du cancer, suscite depuis une quinzaine d’années un intérêt grandissant, développant des stratégies innovantes pour le ciblage spécifique de tissues malades. De nouveaux progrès en la matière sont encore à venir, mais nécessitent de nouveaux matériaux offrant une grande flexibilité en termes de synthèse, ainsi que la possibilité de fonctionnalités et de propriétés physicochimiques variées ; avantages tous présentés par l’utilisation des techniques de polymérisation radicalaire contrôlée (CRP). Ces techniques de polymérisation ont déjà démontré leur fort potentiel à travers différents systèmes nanoparticulaires à base de prodrogues de polymère, mais aucun d’entre eux ne s’avère dégradable ce qui pourrait empêcher à l’avenir leur utilisation et leur développement.Anticipant les besoins, ce projet a eu pour but la synthèse de polymères PEGylés dégradables par la technique de polymérisation contrôlée par les nitroxydes (NMP), travail très en amont de l’habituel procédé d’élaboration d’un nouveau nanomédicament. Pour ce faire, la NMP du méthacrylate de méthyl éther oligo(éthylène glycol) (MeOEGMA) a été combinée à la polymérisation radicalaire par ouverte de cycle (rROP) des acétals de cétène cyclique (CKAs), connus comme précurseurs de fonctions esters.Parmi trois CKAs étudiés, le 2-méthylène-4-phényl-1,3-dioxolane (MPDL) a montré une capacité unique à copolymériser avec les dérivés de méthacrylates, grâce à sa structure ouverte de type « styrènique » permettant son utilisation en NMP. A travers une étude approfondie des propriétés de contrôle et de caractère vivant de ces copolymères, le MPDL s’est également révélé être le premier comonomère de contrôle des méthacrylates à être dégradable. Un lien direct entre dégradabilité et quantité de MPDL insérée a été démontré, permettant jusqu’à l’hydrolyse complète des matériaux. Ces copolymères n’ont montré aucune cytotoxicité, et ce sur trois types de cellules différents (fibroblastes, cellules endothéliales et macrophages), et une étude similaire sur la toxicité de leurs produits de dégradation a permis d’aboutir à la même conclusion, soulignant la possible biocompatibilité de ces nouveaux matériaux qui, si confirmée, permettrait leur utilisation pour des applications biomédicales.Parallèlement, un second projet portant sur la mise au point d’une nouvelle alcoxyamine à base du nitroxide SG1 et présentant une fonction azlactone, baptisée AzSG1, a été développé pour la synthèse de polymères fonctionnalisables par NMP. Utilisant l’alcoxyamine AzSG1 comme amorceur, les NMPs du styrène, de l’acrylate de n-butyle et du méthacrylate de méthyle ont été réalisées avec succès, ainsi que le couplage quantitatif de la benzylamine comme preuve de concept de la possible fonctionnalisation. Dans un avenir proche, utiliser cet amorceur fonctionnalisable pour la synthèse de copolymères à base de MeOEGMA et de MPDL pourrait ainsi permettre l’élaboration de copolymères PEGylés, dégradables et fonctionnalisables par NMP, pour des applications dans le domaine de la bioconjugaison et du drug delivery. / Nanomedicine, especially for cancer treatment, has attracted much interest over the last fifteen years, developing innovative strategies for targeting diseased tissues. Further improvements of these approaches will require advanced new materials affording versatility, functionalities and specific physico-chemical properties, all advantages offered by the controlled radical polymerization (CRP) techniques. These radical polymerizations already showed their great potential through various efficient anticancer polymer nanocarriers but all lacking of degradability, which may hinder any actual developments.Anticipating the needs, this project focused on the synthesis of degradable PEG-based polymers by nitroxide-mediated polymerization (NMP), as an early stage in the usual process of nanocarrier design. To do so, NMP of oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (MeOEGMA) has been for the first time combined to the radical ring-opening polymerization (rROP) of various cyclic ketene acetals (CKAs), known as ester precursors.Among three CKAs tested, 2-methylene-4-phenyl-1,3-dioxolane (MPDL) has shown a unique ability to copolymerize with methacrylate derivatives, likely due to a styrene-like open structure allowing for its use in NMP. Through a careful study of the control and livingness properties of these copolymers, MPDL was also demonstrated to be the first degradable controlling comonomer for polymethacrylate synthesis. The degradability of the resulting PEG-based copolymers was proven to be proportional to the adjustable amount of MPDL inserted, up to complete degradation. These copolymers showed no cytotoxic effect on various cell types (fibroblasts, endothelial cells and macrophages), and an additional study of the innocuousness of their degradation products led to similar results, underlining their potential biocompatibility which, if confirmed, would allow these materials to be used for biomedical applications.A second project about a new azlactone-functionalized SG1-based alkoxyamine (AzSG1) was also set up, as initiator for the synthesis of functionalizable polymers by NMP. Using the AzSG1 alkoxyamine, the NMP of styrene, n-butyl acrylate and methyl methacrylate were successfully performed, as well as a quantitative coupling of benzylamine as proof of concept. In the near future, making use of this functionalizable initiator for copolymerizing MeOEGMA with MPDL may allow the easy synthesis of functionalized degradable copolymers by NMP, for bioconjugation and drug delivery applications.

Le dibenzoylméthane (DBM) a été étudié comme catalyseur pour la copolymérisation par ouverture de cycle du L-lactide (LA) et du ε-caprolactone (CL) amorcée par des alcools en masse à haute température. Des copolymères présentant des structures gradient à statistique ont été formés. L’étude cinétique a mis en évidence que le DBM est un faible activateur de bout de chaîne et de monomère, l’apparente accélération de la copolymérisation étant due à la formation in situ d’acides carboxyliques catalysant la réaction à leur tour. L’acide benzoïque (BA), un acide carboxylique faible, a ensuite été étudié pour les homopolymérisations par ouverture de cycle du LA et du CL amorcées par des alcools en masse à haute température. L’étude cinétique a mis en évidence un mécanisme bifonctionnel et une différence de réactivité des deux monomères en présence de BA validés par des calculs théoriques. Une gamme de copolymères statistiques présentant différentes compositions ont été synthétisés par copolymérisation par ouverture de cycle du LA et CL catalysé par BA et amorcé par différents alcools en masse à haute température. Finalement, plusieurs catalyseurs organiques ont été testés pour la copolymérisation du LA et CL. / Dibenzoylmethane has been investigated as organocatalyst for the bulk ring-opening copolymerization (ROcP) of L-Lactide (LA) and ε-caprolactone (CL) initiated by alcohols at high temperature. Copolymer presenting a gradient to statistical structure has been generated. Kinetic study has pointed out that DBM is a poor chain end and monomer activator, the apparent acceleration of the ROcP process may be due to the in situ generation of carboxylic acids which can catalyze the reaction as well. Benzoic acid, a weak carboxylic acid, has then been investigated for the efficient bulk ring-opening polymerization (ROP) of LA and CL initiated by various alcohols at high temperature. The kinetic study has pointed out that LA and CL have different reactivity in presence of benzoic acid which acts as a bifunctional activator. The experimental results were supported by computational calculations. An array of statistical copolymer of varying LA/CL compositions have been synthesized by ROcP of LA and CL catalyzed by BA in presence of various alcohol as initiators in bulk at high temperature. Finally, miscellaneous organocatalysts have been tested for the ROcP of LA and CL.