Zugl.: Bielefeld, Univ., Diss., 2008

Le projet de recherche de cette thèse a pour ambition la conception de nouveaux récepteurs moléculaires artificiels exploitant les propriétés complexantes des calixarènes, des éther-couronnes et des complexes insaturés de lanthanides liées aux propriétés photophysiques et photochimiques de photochromes spiropyraniques. L’alliance supramoléculaire ainsi formée doit permettre d’exploiter les processus de photoéjection et ensuite de détection par un site distant, c’est-à-dire d’établir une communication à l’échelle moléculaire grâce à la lumière. Un récepteur moléculaire employant le calix[4]arène substitué sur un bord par une aza-éther-couronne et sur l’autre bord par des groupements pyrène a été synthétisé et ses capacités à complexer différents cations ont été étudiées ; la migration des ions à travers la cavité du calix[4]arène provoquée par protonation a également été examinée. De même, des aza-éther-couronnes substituées par des spiropyranes ont été synthétisées et ont été étudiées dans le but d’établir une communication avec un récepteur fluorescent. Enfin, un exemple de complexe d’europium(III) dont la luminescence est photocontrôlée est montré. La stratégie de photoncontrôle est démontrée et optimisée dans les milieux organisés que sont les micelles. / The research project of this thesis focuses on the development of new artificial molecular receptors based on the complexation properties of calix[4]arenes, crown ethers and coordinatively unsaturated lanthanide complexes as well as photochromic spiropyrane derivatives : while the fluorescent receptors detect the presence of ions, the photochromes can reversibly release protons and metal ions. The supramolecular alliance of these moieties should allow processes such as photoejection and then detection, thus setting up molecular communication induced by light. A molecular receptor based on a calix[4]arene which one of the rims is substituted by an azacrown ether and the other one by pyrenes was synthetised and its ability to complexe several cations was studied ; the cation migration through the calix[4]arene cavity provoked by protonation was also investigated. Equally, two azacrown ethers substituted by spiropyrans were synthetised and studied in order to establish communication between them and fluorescent receptors. In a different approach, a proof-of-principle example of an Europium(III) complex whose luminescence is photocontrolled via the intermediacy of a molecular messenger is given, proving optimal in micellar domains.

De nos jours, des fibres et films photochromiques sont tournés vers le développement des matériaux intelligent qui sont appliqués pour évaluer, signaliser et réagir à un changement de couleur et de spectre d’absorbance. Dans ce travail, l’activité photochromique de six différents types commerciaux de polyuréthane contenant de petites quantités de spiropyrane [1-hexyle-3,3-diméthyle-6'-nitrospiro (indoline-2',2'-benzopyrane)] a été étudiée. Les effets d'épaisseur du film, du temps d'irradiation, et de la concentration en SP sur la réponse photochromique des films de PU/SP ont été étudiés et également leurs interactions. En outre, le comportement photochromique de ces films sous étirement et leurs cinétiques de décoloration ont été abordés. La cinétique et la caractérisation des systèmes photochromiques de spiropyrane incorporé dans le polyuréthane et irradié avec la lumière monochromatique ont été modélisées. Les modèles obtenus peuvent être correctement appliqués dans tous les cas (avec et sans irradiation, avec et sans étirement), en particulier pour tous les rapports massique de SP et pour toute l’épaisseur de film. Le comportement mécanique des polyuréthanes et sa relation avec leurs propriétés photochromiques ont été étudiés et modélisées. Ce modèle est capable de déterminer le taux d’étirement qui peut être traduit en compression locale à partir de quatre mesures photochromiques, et ceci ouvre la porte à des applications potentielles. Un intérêt particulier dans ce contexte, peut être porté aux textiles utilisés pour des applications biomédicales, y compris les bas de contention destinés à empêcher ou traiter la thrombose profonde des veines. Une autre application possible est le développement récent de l'habillement sportif pour améliorer la récupération après des efforts violents / Nowadays, photochromic fibers and films are turned towards the development of intelligent “smart” materials which are applied to evaluate, signalize and react to a change in color and absorbance spectra. In this work, the photochromic activity of six commercial grades of polyurethane that contains small quantities of spiropyran [1-hexyle-3,3-diméthyle-6'-nitrospiro (indoline-2',2'-benzopyran)] has been studied. The effects of film thickness, irradiation time, and SP concentration on the photochromic response of PU/SP films have been studied and also their couplings. Furthermore, the photochromic behaviors of these films under stretching and their decoloration kinetics have been investigated. The kinetics and characterization of the photochromic system of spiropyran incorporated into polyurethane and irradiated with monochromatic light was modeled. The obtained models can be correctly applied in all cases (with and without irradiation, with and without stretching), in particular for all SP mass ratios and for all film thickness. The mechanical behavior of polyurethanes and its relation with the photochromic properties is studied and modeled. This model has the capability to determine the stretching ratio which can be translate to the local compression by employing only four photochromic measurements and this open the way for a wide range of potential applications. Of particular interest in this context are the textiles used for biomedical applications, including graduated compression stockings for preventing or treating deep vein thrombosis. Another related application is the recent development of special sport clothing for improving recovery after strong efforts

The thesis is aimed to the study of spiropyrane behavior in polymeric matrix of poly(N-vinylkarbazole) (PVK) and poly[2-methoxy-5-(3´,7´-dimethyloctyloxy)-1,4-fenylenvinylene)] (MDMO-PPV). The photochromic transformation of spiropyrane to its isomeric merocyanine form (SPMC) was studied by absorption and emission spectroscopy. It was found, that photochromic reaction is markedly dependent on the environment. In the PVK polymer, which don’t absorb in the visible region, a high yield of photochromic reaction was achieved. Both, absorption and emission spectrums were observed for this system. From the measurement of time dependencies of the fotochromic reaction, the activation energy of the reverse reaction was determined. A different behavior, particularly in emissive spectrums, was found for the MDMO-PPV polymer doped with spiropyrane. Instead of formation of new band of merocyanine, decrease of the polymer fluorescence was observed. Subsequently, we studied the interaction between the polymeric matrix and the photochromic spiropyrane using fluorescence quenching method. On the basis of energy transfer theory, a critical radius of the fluorescence quenching sphere in solution and in solid was determined.

Le travail de cette thèse s’intéresse à la stabilisation de plusieurs pigments hybrides.Une première partie traite de pigment obtenu à l’aide de l’acide carminique et de la montmorillonite, une argile commune. Un procédé d’inversion de la charge de surface de l’argile avec un polymère cationique, ou l’utilisation d’argiles modifiées par des polycations de Titane et d’Aluminium, permettent l’élaboration du pigment. La résistance des pigments à la photodégradation est alors testée. Les techniques couplées de RMN, DRX, FTIR et d’EPR permettent d’éclairer l’agencement des molécules organiques sur la surface minérale, et également de suivre le processus de dégradation du colorant.La description de pigments hybrides obtenus à l’aide d’un spiropyrane vient compléter l’étude. Le composé, qui joue le rôle de colorant organique, est ajouté à différentes matrices minérales : l’argile, modifiée ou non, ainsi que la co-précipitation avec des organo-silanes. Ces synthèses permettent d’observer la variété de couleur obtenus en mélangeant un même colorant avec plusieurs matrices de nature différente. / The work of this thesis focuses on the stabilization of several hybrid pigments.The first part deals with pigment obtained with carminic acid and montmorillonite, a common clay. A method of reversing the surface charge of the clay with a cationic polymer, or the use of clays modified with titanium and aluminum polycations, allows the elaboration of the pigment. The resistance of the pigments to photodegradation is then tested. Coupled NMR, DRX, FTIR and EPR techniques help to illuminate the arrangement of organic molecules on the mineral surface, and also to follow the dye degradation process.The description of hybrid pigments obtained using a spiropyran completes the study. The compound, which plays the role of organic dye, is added to different mineral matrices: clay, modified or not, and co-precipitation with organosilanes. These syntheses make it possible to observe the variety of color obtained by mixing the same dye with several matrices of different nature.

Mechanochromic polymers respond to external force by changing their color. This can be achieved by the incorporation of a molecular switch such as spiropyran (SP) into polymers. SPs can be isomerized by mechanical force from their colorless form into colored merocyanines. Main chain copolymerization of spiropyrans allows investigation of their mechanochromic behavior and potential use as force sensors. So far, several covalent polymer matrices have been used to investigate the mechanochromic response of SPs, among them poly(ε caprolactone) (PCL). Less investigated is how the mechanochromic response can be fine-tuned by substituent effects. First, PCL with differently substituted spiropyrans at the chain’s midpoint were used in order to investigate the effect of different substituents and their regiochemistry on the isomerization behavior of SPs under mechanical stress. A low activation barrier was observed for NO2 substitution of “ortho”-spiropyrans compared to no substitution (R = H). In order to investigate phenyl-substituted “para,para” spiropyrans, a newly developed kinked polyarylene was employed as covalent matrix material. This new polyarylene (PmmpP) has a meta,meta,para connection in its backbone and exhibits excellent mechanical properties. Its high strength allows the isomerization of this molecular switch with a large activation barrier. The phenyl-substituted “para,para” spiropyran showed transient mechanochromism and was switched 25 times in force-and-release cycles. The synthesis of PmmpP was carried out by a Suzuki polycondensation in three steps from commercial starting materials. To further capitalize on the simplicity and properties of PmmpP, a two step synthesis of a semifluorinated kinked polyarylene was demonstrated by direct arylation polycondensation with tetrafluorobenzene (F4). This partially fluorinated PmmpF4 was synthesized with a variety of side-chains. Resulting polymers exhibited a large range of glass transition temperatures, allowing for the production of tailor-made smart materials.