Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le contrôle de la polymérisation radicalaire de l'éthylène à basse pression (200 bar) et basse température (70 °C) et sur la synthèse de copolymères à blocs contenant au moins un segment de polyéthylène. Quatre techniques de polymérisation, couramment utilisées en ingénierie macromoléculaire, ont été étudiées : NMP, CMRP, RAFT/MADIX et ESCP. Nos études sur le nitroxyde SG1 (NMP) et le bis(acétylacétonate) de cobalt (CMRP) ont montré que ces composés sont inefficaces pour contrôler la polymérisation de l'éthylène. Un comportement inattendu du bis(acétylacétonate) de cobalt a cependant été mis en évidence. Il semblerait que ces complexes de cobalt favorisent les réactions de couplage entre les radicaux propagateurs. En revanche, la première polymérisation radicalaire contrôlée de l'éthylène a été atteinte grâce à l'utilisation de xanthates (RAFT/MADIX). Les polyéthylènes synthétisés possèdent des masses molaires qui augmentent linéairement avec la conversion et des dispersités faibles. Le caractère pseudo-vivant de la réaction a été démontré par la synthèse de copolymères à blocs poly(acétate de vinyle)-b-polyéthylène. L'utilisation de nitrones (ESCP) a également permis l'introduction d'une fonction réactive au centre des chaînes de polyéthylène et la synthèse de copolymères triblocs de type ABA, où les blocs latéraux A sont en polystyrène ou polyacrylate et le bloc central B est en Polyéthylène / The work presented in this thesis displays the controlled radical polymerization of ethylene at low temperature (70 °C) and low pressure (200 bar) and the synthesis of block copolymers featuring polyethylene segments. Four polymerization techniques, commonly used in macromolecular engineering, were studied: NMP, CMRP, RAFT/MADIX and ESCP. Our investigation of the use of SG1 nitroxide (NMP) and cobalt (II) acetylacetonate (CMRP) as controlling agents demonstrated their inability to control the polymerization of ethylene. Nonetheless, an unexpected reaction with cobalt (II) acetylacetonate was observed. The coupling reaction between propagating radicals appeared to be favored by the presence of this compound. On the other hand, the first controlled polymerization of ethylene was successfully achieved by using xanthate (RAFT/MADIX). A linear increase of molecular weight with conversion and low polydispersities were observed for the produced polyethylenes. The reaction was demonstrated to be a pseudo-living polymerization by the synthesis of block copolymers poly(vinyl acetate)-b-polyethylene. In addition, midchain-functionalized polyethylenes and ABA type block copolymers, with polystyrene or polyacrylate as the A block and polyethylene as the B block, were also prepared using nitrone based polymerization technique (ESCP)

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'objectif de ce travail étaient le développement de catalyseurs hétérogènes efficaces pour promouvoir des réactions asymétriques, en utilisant la polymérisation oxydante ou la formation de polymères de coordination. De nouveaux complexes de salen Co(III) chiraux modifiés par des groupements aromatiques sur les position 5, 5' ont été préparés et testés dans le dédoublement cinétique hydrolytique (HKR) des époxydes terminaux en conditions homogènes. Ces complexes ont été ensuite engagés dans les polymérisations oxydantes électrochimiques ou chimiques, et une stratégie de copolymérisation a fourni des polymères chiraux très efficaces et stables pour catalyser l'HKR dans des conditions hétérogènes. Nous avons alors cherché à préparer un catalyseur capable de catalyser deux réactions en cascade, en copolymérisant deux complexes de salen portant des métaux différents. Pendant ces études, les complexes de salen Mn ont révélé leur participation active à la réaction d'HKR des époxydes terminaux catalysée par les complexes de salen Co(III), en augmentant l'excès énantiomérique du produit de façon significative. Les études mécanistiques ont été ensuite réalisées pour tenter de comprendre le rôle des complexes de Mn dans cette réaction. De plus, des complexes de salen fonctionnalisés par le groupement pyridine ou le groupement de type acide isophtalique ont été synthétisés. Ces complexes ont été utilisés pour préparer de nouveaux réseaux de polymères de coordination poreux chiraux (collaboration avec l'équipe LCI de l'ICMMO et l'Institut Lavoisier à Versailles), qui sont ensuite testés comme catalyseurs hétérogènes dans la réaction de Henry asymétrique et la réaction d'HKR.

L'objectif de cette étude est de développer une méthodologie permettant de déterminer et de mettre en \oe{}uvre les conditions opératoires optimales du procédé fed-batch de copolymérisation en émulsion du styrène et de l'acrylate de butyle en présence d'un agent de transfert de chaîne (CTA). Elle vise particulièrement à optimiser la production et les caractéristiques physico-chimiques de particules de latex à propriétés d'usage ciblées. Après une étude expérimentale de l'impact des différents facteurs, le modèle mathématique du procédé a été développé traduisant l'effet particulier de l'agent de transfert de chaîne sur la cinétique de polymérisation et mettant l'accent sur une les bilans de population. Une approche basée sur l'analyse de l'estimabilité des paramètres a ensuite permis de sélectionner 21 paramètres parmi les 49 paramètres du modèle mathématique dont les valeurs ont été identifiées grâce à un algorithme génétique. Le modèle mathématique validé en modes batch et fed-batch a ensuite été exploité pour l'optimisation multicritère du procédé orientée vers la maximisation de la production de particules de latex possédant une morphologie de type coeur-écorce avec un profil de température de transition vitreuse prédéfini. L'ensemble des solutions du front de Pareto a été obtenu grâce à un algorithme évolutionnaire développé et testé à cet effet. La meilleure alternative obtenue grâce à un outil d'aide à la décision a été implémentée expérimentalement et comparée avec succès aux prédictions du modèle mathématique / The objective of this study is to develop a methodology in order to determine and implement the optimal operating conditions of the emulsion fed-batch copolymerization process of styrene and butyl acrylate in the presence of a chain transfer agent. It particularly aims to optimize the production and the physico-chemical characteristics of latex particles with targeted end-use properties. After an experimental study, the process model has been developed taking into account the particular effect of the chain transfer agent on the polymerization kinetic and highlights the population balance. Thanks to an estimability analysis approach, 21 parameters among the 49 parameters of the model have been selected whose values have been identified by using a genetic algorithm. The mathematical model validated in both batch and fed-batch modes was then exploited for the multicriteria optimization of the process oriented towards the maximization of the production of latex particles having a core-shell type morphology with a given glass transition temperature profile. The Pareto's front solutions were obtained thanks to an evolutionary algorithm developed and tested for this purpose. The best alternative obtained by a decision-making aid tool was finally experimentally implemented and successfully compared with the predictions of the mathematical model

L’objectif de ce travail étaient le développement de catalyseurs hétérogènes efficaces pour promouvoir des réactions asymétriques, en utilisant la polymérisation oxydante ou la formation de polymères de coordination. De nouveaux complexes de salen Co(III) chiraux modifiés par des groupements aromatiques sur les position 5, 5’ ont été préparés et testés dans le dédoublement cinétique hydrolytique (HKR) des époxydes terminaux en conditions homogènes. Ces complexes ont été ensuite engagés dans les polymérisations oxydantes électrochimiques ou chimiques, et une stratégie de copolymérisation a fourni des polymères chiraux très efficaces et stables pour catalyser l’HKR dans des conditions hétérogènes. Nous avons alors cherché à préparer un catalyseur capable de catalyser deux réactions en cascade, en copolymérisant deux complexes de salen portant des métaux différents. Pendant ces études, les complexes de salen Mn ont révélé leur participation active à la réaction d’HKR des époxydes terminaux catalysée par les complexes de salen Co(III), en augmentant l’excès énantiomérique du produit de façon significative. Les études mécanistiques ont été ensuite réalisées pour tenter de comprendre le rôle des complexes de Mn dans cette réaction. De plus, des complexes de salen fonctionnalisés par le groupement pyridine ou le groupement de type acide isophtalique ont été synthétisés. Ces complexes ont été utilisés pour préparer de nouveaux réseaux de polymères de coordination poreux chiraux (collaboration avec l’équipe LCI de l’ICMMO et l’Institut Lavoisier à Versailles), qui sont ensuite testés comme catalyseurs hétérogènes dans la réaction de Henry asymétrique et la réaction d’HKR. / The aim of this work was to prepare new chiral heterogeneous catalysts for asymmetric catalysis by oxidative polymerization of chiral organometallic complexes or by formation of chiral metal organic frameworks. New chiral salen Co(III) complexes modified by oxidizable aromatic groups at position 5,5’ have been prepared and tested as homogeneous catalysts in the Hydrolytic Kinetic Resolution (HKR) of terminal epoxides. These complexes have also been engaged into the oxidative electrochemical and chemical polymerization, and a copolymerization strategy has afforded very efficient and stable heterogeneous catalysts for the HKR. The idea of copolymerization has then been extended to the copolymerization of two salen complexes with different metals, which is expected to promote successively two different asymmetric transformations. During preliminary investigations, the salen Mn complexes have been found to be able to enhance the catalytic performance of salen Co(III) complexes in the HKR by increasing significantly the enantiomeric excess of the products. Mechanistic studies have thus been realized to understand the role of salen Mn complexes in this reaction. Besides, some chiral salen complexes functionalized by pyridine or isophtalic acid groups have been synthesized for the preparation of new chiral metal organic frameworks (collaboration with LCI of ICMMO and Institut Lavoisier of Versailles), which have also been tested in the asymmetric Henry reaction and the HKR as heterogeneous catalysts.

Suite à la première thèse sur le greffage et l’adsorption physique successives de sélecteurs chiraux dans des tubes ouverts en électrochromatographie capillaire (ECC ou CEC) chirale, menée par le Dr Guillaume Pédéhontaa-Hiaa au sein de l’équipe du laboratoire COBRA (IUT d’Evreux), nous avons développé des phases stationnaires chirales covalentes (CSPs) à base de cyclodextrines (CDs) en tubes ouverts et des CSPs sur supports monolithiques pour l’emploi en CEC. Nous avons ainsi évalué les paramètres électrochromatographiques et la stabilité de ces CSPs en séparant une variété de racémiques neutres et chargés. L’influence de la température d’analyse, le potentiel appliqué ainsi que la nature et le pH des électrolytes sur la qualité des électrochromatogrammes ont été étudié en CEC chirale. Cette étude se divise en deux grandes parties. La première concerne les CSPs élaborées sur colonnes à tubes ouverts pour l’OT-CEC. Il s’agit initialement de graver la surface interne d’un capillaire de silice de 50 μm de diamètre interne à l’aide d’une solution de bifluorure d’ammonium dans le but premier d’augmenter considérablement sa surface spécifique et d’immobiliser en surface une grande quantité de sélecteurs chiraux à base de β-CD. Nous avons alors décrit des greffages covalents de CDs anioniques (Scc-β-CD et CM-β-CD) et d’un polymère anionique de CDs (p-CM-β-CD-) en surface de capillaire de gel de silice gravée et modifiée chimiquement par l’aminopropyltriéthoxysilane (APTEOS). Les greffages des sélecteurs ont été reproduits dans les mêmes conditions que dans la thèse rapportée précédemment en électrophorèse. L’originalité de la construction de ces CSPs réside dans la rapidité et la simplicité du couplage dit péptidique à température ambiante, des sélecteurs carboxylés sur des colonnes préalablement gravées. Ce greffage nécessite des agents de couplage peptidique solubles dans l’eau tels que 1-Ethyl-3-(diméthylaminopropyl)carbodiimide (EDC) et le N-Hydroxysuccinimide (NHS). Il peut aussi être obtenu de manière moins efficace avec d’autres agents solubles en milieu organique tels que le O-(Benzotriazol-1-yl)-N,N,N’,N’-tétraméthyluronium tétrafluoroborate et la triéthylamine (TBTU/TEA). Chaque étape menant aux CSPs a été caractérisée par une étude de flux électroosmotique (FEO) en OT-CEC. Des analyses en AFM et en MEB nous renseignent d’avantage sur le succès du procédé « etching » de nos capillaires. La deuxième grande partie de cette étude traite de la synthèse in-situ de CSPs sur des colonnes de type polymères monolithes organiques et un monolithe hybride à base de sol gel. Des post modifications de surface de ces supports monolithiques nous ont permis d’immobiliser de façon covalente et non covalente des sélecteurs de β-CD en surface des volumes macroporeux. Deux collaborations ont vu le jour pour atteindre ces objectifs. La première eut lieu avec le Dr Thuy Tran et le Pr Myriam Taverna de la Faculté de Pharmacie de Chatenay Malabry (UMR 8612), durant laquelle nous avons reproduit une colonne monolithe organique de type méthacrylate, porteuse de groupements phosphate dans l’optique d’adsorber physiquement en surface le polymère cationique de CDs (p-CD+) que nous a transféré le Pr Benjamin Carbonnier et d’évaluer les capacités de discrimination chirale de cette nouvelle CSP en m-CEC. La seconde collaboration a eu lieu avec le Dr Mohamed Guerrouache et le Pr Benjamin Carbonnier au sein du laboratoire ICMPE de Thiais, où nous avons synthétisé des colonnes monolithiques organiques à base d’acrylates dans le but de greffer en surface de façon covalente et non covalente les CDs et polymères de CDs et d’évaluer ces nouvelles CSPs en m-CEC. La troisième phase stationnaire monolithique employée est celle décrite par le Dr Huihui Yang qui décrit un monolithe hybride porteur de groupements sulfonates nous permettant par la suite d’immobiliser électrostatiquement le p-CD+ sur le réseau poreux et d’évaluer cette nouvelle CSP en m-CEC. / New chiral stationary phases have been prepared for Open Tubular and monolithic columns used in electrochromatography capillary. In order to separate racemic mixtures such as flavonoïd, Hidantoïn derivatives, Binaphtalene-2, 2-hydrogenophosphate and others chiral solutes, we use the β-cyclodextrin forms as chiral selector. Besides, β-cyclodextrin seems to be the most efficient chiral selector in chromatography since it is able to complex and dissolve optical organic isomers in an aqueous media, this chiral selector is able to dissolve even lipophilic molecule with high weight. The complexation is based on interactions with β-cyclodextrin. This study aims to elaborate new chiral stationary phase for CEC using β-cyclodextrin polymers and β-cyclodextrin derivatives. Two approaches were used: Firstly, covalent stationary phases coating with carboxymethyl-β-cyclodextrin polymers and oligomers containing carboxyl’s group had been experimented for open tubular and monolithic column in CEC. Then a non-covalent coating cationic polymer of β-cyclodextrin’s derivatives was immobilized (polytrimethyl ammonium β-CD) on continuous organic monoliths bearing anionic’s group. Prior to the covalent coating of the CD’s chiral selector for OT-CEC and m-CEC, we needed to modify the silicate surface and the monolithic surface with a primary amine silicate1,2 (aminopropyltriethoxysilane) and EDA, an amino-organic moiety (Ethylene diamine). The stability of the bonded organic moiety (APTEOS, EDA) were studied by CEC at different pH with constant ionic strength’s buffer. In this way, graft of carboxymethyl-β-cyclodextrin polymer on silica inner surface modified by APTEOS and on NAS-co-EDMA surface modified by EDA succeeded in activating and covalently coupling reagent as EDC and NHS (1-ethyl-3(-3-dimethtylaminopropyl) carbodiimide and N-hydroxysuccinimide, respectively3) with carboxymethyl’s group of carboxymethyl-β-cyclodextrin . The resultant stationary phase lead to stable chiral stationary phases, easier to prepare starting by coupling the selector to the amine’s group using EDC and NHS. In order to optimize enantio-separations by increasing the specific surface of open tubular columns, we reproduce the etching process to bared capillaries with ammonium bifluoride solution, referred to Pesek’s process4. By this mean, we increase dramatically the specific surface of bared capillaries before anchoring CDs polymers to silicate surfaces modified by APTEOS. Finally due to etching process, we obtain a covalent bonded Chiral Stationary Phase (CSP) which led to more efficient and resolvent enantio-separations by CEC. To describe, in another way, the non-covalent coating of CSP, we immobilised a cationic polymer (polytrimethyl ammonium β-CD+) on two kind of continuous organic and silica hybrid monoliths bearing sulfonate5 and phosphate’s groups. Based on precedent results for OT-CEC enantio-separation with LbL stationary phase7, using successive layers charged polymers to separate racemic mixture in CEC, we decided to adsorb a polycationic polymer hydrosoluble onto the silica hybrid monolith column to form chiral stationary phase (CSP) polytrimethyl ammonium β-cyclodextrin. This way of modification for monolithic surface by chiral selectors is nowadays highly efficient and attractive for CEC. The effect of the matrix and the coating’s nature are discussed by comparing the chromatographic parameters.