Les copolymères séquencés amphiphiles sont très prometteurs pour des applications de technologie de pointe en raison de leur capacité à s'auto-assembler dans des structures bien organisées à l'échelle du micro– et du nanométre, et de leur sensibilité à des stimulations de différentes natures. La formation des nanomotifs bien ordonnés dans les films et/ou en masse fournit un substitut à la nanolithographie et est utile pour le design et l'ingénierie de nanomembranes et de matériaux nanoporeux. L'auto–assemblage dans des solvants sélectifs, en incluant la sensibilité au pH et à la température, peut être ajusté pour correspondre aux besoins de différentes applications biomédicales, telles que l’encapsulation et/ou relargage de médicaments, l'ingénierie de tissus, etc. Dans ce contexte, des copolymères séquencés de type L–lactide (LLA) et méthacrylate 2–diméthylaminoéthyl (DMAEMA) sont d’un grand intérêt. Comme le contrôle sur l'auto–assemblage des copolymères séquencés est permis au niveau moléculaire, il est très important de préparer des copolymères bien définis avec des longueurs de bloc prévisibles et de faible polydispersité. Ainsi, une partie de cette étude a été consacrée au développement de procédures synthétiques optimales et à la caractérisation détaillée de copolymères di– et triblocs de LLA et de PDMAEMA. Un outil simple pour déterminer la présence d'homo–PLLA résiduel a été développée; cela a permis de déterminer et d'expliquer plusieurs voies de synthèse indésirables. La dernière inclut la participation possible de l'amorceur bifonctionnel utilisé, et nous avons alors proposé un système alternatif d'amorceur bifonctionnel/catalyseur. La racémisation du LLA par les unités amine de (P)DMAEMA a été observée pendant la polymérisation, limitant ainsi l'utilisation première du bloc PDMAEMA pour la préparation des copolymères PLLA–b–PDMAEMA. Les études thermiques et de cristallisation, en incluant les copolymères séquencés partiellement quaternisés, ont révélé un retard significatif de la vitesse de cristallisation, en présence du bloc de PDMAEMA. Nous avons constaté que les blocs sont miscibles pour de faibles masses molaires et que la miscibilité partielle est maintenue après quaternisation. Selon la longueur et le taux de quaternisation du bloc PDMAEMA, la cristallisation du PLLA a été étudiée dans un environnement restreint et confiné, faiblement ou fortement. La torsion des lamelles cristallines observée pour certains copolymères biséquencés a été accentuée dans les copolymères triséquencés, où la formation de sphérolites annelés a été observée dans toutes les conditions thermiques utilisées. / Multi–functional amphiphilic block copolymers have much promise for various high technology applications thanks to the controlled stimuli–responsive self–assembly into well–organized structures on the micro– and nanometer scales. The formation of well–ordered nanopatterns in films and/or in bulk provides a competitive substitute to nanolithography and is useful in the design and engineering of nanomembranes and nanoporous materials. Solution self–assembly in selective solvents, including pH and temperature sensitivity, can be tuned to match the needs of different biomedical applications, such as drug encapsulation/delivery, tissue engineering, etc. In this context, block copolymers of L–lactide (LLA) and 2–dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) are of great interest. Since the control over self–assembly of block copolymer systems is enabled on a molecular level, it is of great importance to prepare well–defined block copolymers with predictable block lengths and low polydispersity. Thus, a major part of the research in this study was devoted to developing optimal synthetic procedures with detailed characterization of linear di– and triblock copolymers of LLA and PDMAEMA. A simple tool to determine homo–PLLA impurity was developed, which helped to determine and explain several undesired routes. The latter includes possible involvement of the bifunctional initiator used, and an alternative bifunctional initiator/catalyst system was proposed. Racemization of LLA by (P)DMAEMA moieties was observed during LLA polymerization thus limiting the utilization of PDMAEMA–first approach for the preparation of PLLA–b–PDMAEMA. Thermal and crystallization studies, including on quaternized block copolymers, revealed a significant retardation effect of the PDMAEMA block on the crystallization kinetics. The blocks were found to be miscible in the melt at low molecular weights, and maintained partial miscibility after quaternization. Depending on the length and the quaternization degree of PDMAEMA, PLLA crystallization was studied in a templated, soft or hard confinement environment. Crystalline lamellae twisting observed in certain diblock copolymers was facilitated in triblock copolymers, where the formation of banded spherulites was observed in all thermal conditions used. / Part of the research described in this thesis is conducted in collaboration with Centre d' étude et de Recherche sur les Macromolécules (CERM), Université de Liège, Sart-Tilman, Belgium

Les polyesters aliphatiques dégradables tels que la poly(e-caprolactone) (PCL), le poly(glycolide) (PGA) ou le poly(lactide) (PLA) présentent de nombreuses applications dans le domaine biomédical. Lors de leur utilisation comme implant, le contrôle des propriétés de surface des polyesters est d'un intérêt considérable. En effet, les interactions avec le milieu vivant ont lieu aux interfaces. Ce travail de thèse vise donc le développement d'une méthode simple et généralisable de couplage de petites molécules, macromolécules et biomolécules sur des surfaces de PLA, en évitant sa dégradation. Cette méthode est basée sur une stratégie en deux étapes, initialement développée en solution sur la PCL et comprenant une activation anionique dans des conditions spécifiques, suivie de la fonctionnalisation par un groupe propargyle afin d'obtenir une surface de PLA « clickable ». Cette méthodologie a ensuite été utilisée pour synthétiser des surfaces de PLA (bio)actives anti-bactériennes et visibles en IRM. Les stratégies ont été initialement développées et optimisées en milieu homogène avec la PCL. Ensuite, les surfaces de PLA ont été modifiées, en milieu hétérogène, par CUAAC de poly(ammonium quaternaire)s fonctionnalisés azoture et d'un complexe de gadolinium fonctionnalisé azoture. / Biodegradable aliphatic polyesters such as poly(e-caprolactone) (PCL), poly(glycolide) (PGA) or poly(lactide) (PLA) are widely used in biomedical applications. When employed as an implantable material, the control of the surface properties of polyesters is of great interest because biochemical reactions occur on the surface or at interfaces. This work proposes a simple and versatile method to immobilize simple molecules, macromolecules, and biomolecules on PLA surfaces while preventing polymer degradation. The method is based on a one-pot, two-step procedure, first developed in solution with PCL and comprises an anionic activation under selected conditions followed by propargylation to form a ¡°clickable¡± PLA surface. This methodology is then employed to generate bioactive surfaces, namely antibacterial PLA surfaces and MRI-visible PLA surfaces. In a first place, chemical strategies are developed and optimized in homogeneous systems using PCL. Subsequently, PLA surfaces are modified, under heterogeneous conditions, by grafting of well-defined ¦Á-azido-functionalized poly(quaternary ammonium)s and an ¦Á-azido-functionalized complex of gadolinium to the propargylated PLA surface using "click" chemistry.

Des ligands diiminopyrrolides portant deux substituants N-méthylbenzyle chiraux ont été préparés par condensation du 1H-pyrrole-2,5-dicarbaldéhyde et de la S-méthylbenzylamine. La réaction de ce ligand avec du Cu(OMe)2 en présence de 2 équivalents de pyridylméthanol ou de diméthylaminoéthanol a donné les catalyseurs dimèriques de Cu(II) L2Cu2(μ-OR)2. L'application de ces complexes dans la polymérisation du rac-lactide a permis d’obtenir respectivement des PLA isotactiques (Pm = 0,73) et atactiques (Pm = 0,50). Les études cinétiques menées sur ces deux complexes ont indiqué la présence de deux espèces actives différentes. Les résultats de GPC obtenus pour le catalyseur cuivrique contenant deux pyridylméthoxyde pontant indiquent la croissance d'une seule chaîne par dimère (un des alcoolates reste en tant que ligand spectateur), alors que dans le cas du complexe portant deux diméthylaminoéthoxydes, les deux alcoolate attaquent le lactide. Un mécanisme de "ligand mediated chain-end control", se faisant par l'épimérisation du site catalytique par rapport à la chiralité de la dernière molecule de lactide insérée, est proposé. La présence d'un "bras" iminé coordonné et non coordonné facilite l'épimérisation car celle-ci ne nécessite qu'une dissociation / ré-coordination. Les effets du ligand (encombrement stérique) sur l'activité et le stéréocontrôle du catalyseur ont été étudiés par utilisations de divers substituants sur l’imine : benzyle, bromobenzyle, xylyle, diphénylméthyle et cyclohexyle. Les subtituants imino-benzyle, -bromobenzyle et -cyclohexyle one été les seuls fournissant les catalyseurs de cuivre dimèrique désiré avec le pyridylméthoxyde. Les complexes portant les groupes benzyle et cyclohexyle ont produit du PLA isotactique. La chiralité portée par le liguand n'était donc pas requise pour le stéréocontrôle. Le complexe bromobenzyl-substitué a été le seul à fournir un site catalytique achirale avec les deux imines coordinées et produit un PLA atactique. Des complexes monoiminopyrrolidiques de cuivre(II) avec des ligands pyridylméthoxydes ont été préparés avec des substituants imino N-naphtyle, -diphénylméthyle, -xylyle et -2,6-diisopropylphényle. Ils ont démontré un stéréocontrôle réduit, qui est présument due à une épimérisation plus lente (une rotation autour de la liaison Cu-pyrrole est désormais nécessaire). Tous les complexes ont fourni des PLA isotactiques, mais le stéréocontrôle obtenu n'a pas dépassé celui des complexes diiminopyrrolidiques. La substitution de la position 5 du pyrrole par un Chlore conduit à une perte d'activité tandis qu'un substituant méthyle fournit un PLA atactique. Les ligands phénoxy-imine ont été préparés par condensation de dérivée de salicylaldéhydes et d’une amine (benzyle, cyclohexyle, xylyle et diphénylméthyle). Leurs complexes de Cuivre(II) portant soit un ligand diméthylaminoéthoxyde ou pyridylméthoxyde étaient structurellement similaires aux complexes iminopyrrolidiques. Tous les complexes étaient actifs dans la polymérisation du rac-lactide, mais bien que les résultats GPC indiquaient la croissance d'une seule chaîne par dimère pour les complexes de pyridylméthoxyde et ainsi une espèce active similaire, seul du PLA atactique était produit. Un analogue de zinc du complexe de cuivre isotactique avec le ligand N,N'-bis (méthylbenzyl-diiminopyrrolide) a été préparé et structurellement caractérisé, mais a produit du PLA hétérotactique (Pr = 0,75). Les complexes de zinc de 2,4-di-tert-butyl-6-aminométhylphénol, où les substituants amino sont le N,N,N',N'-tétraméthyldiéthylènetriamine ou le di-(2-picolyl)amine ont été préparés et structurellement caractérisés. Ils ont montré un centre zincique tétrahédrique chiral avec un "bras" coordiné et un non coordinné pour l'éthylènediamine et un centre zincique pentacoordiné avec les deux groupes picolylamine. Les analyses par RMN ont indiqué une épimérisation rapide du centre métallique, sur l'échelle de temps de la RMN. Les deux complexes de zinc sont hautement actifs dans la polymérisation du lactide et atteignent une conversion complète en seulement quelques minutes, les plaçant parmi les catalyseurs de zinc les plus actifs connus à ce jour. Un PLA légèrement isotactique (Pm jusqu'à 0,6) a été obtenu pour les deux complexes, démontrant en principe l'avantage de l'introduction d'un site catalytique capable de s’épimériser. Le complexe substitué par le ligand picolylaminique présentait une suppression du stéréocontrôle à des concentrations élevées de catalyseur, qui n'est pas entièrement compris. La polymérisation en masse du lactide a été réalisée avec des complexes de manganèse diamino-diphénolate suivant un mécanisme de coordination-insertion. Leur activité était faible et seul un PLA hétérotactique a été obtenu. Des complexes tri / tétradentate de phénoxy-imine-cuivrique ont également été utilisés dans la polymérisation en masse, en suivant un mécanisme de monomère activé et utilisant de l'alcool benzylique en tant que co-initiateur. Les polymérisations étaient stables dans l'air et en présence d'eau ou d'acide acétique, mais le contrôle du poids moléculaire du polymère était faible du à des réactions de transestérification intramoléculaire aisées. Des PLA hétérotactiques étonnamment élevées ont été obtenues dans le monomère fondu (Pr jusqu'à 0,85), mais il n'y avait aucune preuve que le site basique additionnel des ligands participe au stéréocontrôle. / Diiminopyrrolide ligands bearing two chiral N-methylbenzyl substituents were prepared by a condensation reaction of the 1H-pyrrole-2,5-dicarbaldehyde and S-methylbenzylamine. Reaction of the ligand with Cu(OMe)2 in the presence of 2 equiv of pyridylmethanol or dimethylaminoethanol yielded the dimeric Cu(II) catalysts L2Cu2(μ-OR)2. Application of these complexes in rac-lactide polymerization gave isotactic (Pm = 0.73) and atactic (Pm = 0.50) PLA, respectively. Kinetic studies conducted on these two complexes indicated the presence of two different active species. GPC results obtained for the copper catalyst containing two pyridylmethoxide bridges indicate the growth of only one chain per dimer (thus one alkoxide remains as a spectator ligand), while in the complex bearing two dimethylaminoethoxides both alkoxides inserted lactide. A ligand mediated chain-end control mechanism, which is accomplished by the epimerization of the catalytic site based on the chirality of the last inserted unit, is proposed. The presence of a coordinated and an uncoordinated imine “arms” facilitates epimerization since it requires only dissociation/re-coordination. The effects of the ligand framework (steric bulk) on activity and stereocontrol of the catalyst were investigated by variation of the imine substituents to benzyl, bromobenzyl, xylyl, diphenylmethyl and cyclohexyl. Benzyl, bromobenzyl and cyclohexyl were the only imine substituents providing the desired dimeric copper catalyst with pyridylmethoxide. Benzyl and cyclohexyl substituted complexes produced isotactic PLA. Substituent chirality was thus not required for stereocontrol. The bromobenzyl-substituted complex was the only one providing an atactic catalytic site with both imines coordinated and produced atactic PLA. Monoiminopyrrolide copper(II) complexes with pyridylmethoxide ligands were prepared with naphtyl, diphenylmethyl, xylyl and 2,6-diisopropylphenyl N-substituents. They showed reduced stereocontrol which is assumed to be due to slower epimerization (rotation around the Cu-pyrrole bond is now required). All complexes provided isotactic PLA, but the stereocontrol did not surpass that of the diiminopyrrolide complexes. Substitution of the 5-position of the pyrrole by chloride led to loss of activity while a methyl substituent provided atactic PLA. Phenoxy-imine ligands were prepared by a condensation reaction of the salicylaldehyde derivative and the desired amine (benzyl, cyclohexyl, xylyl and diphenylmethyl). Their complexes bearing either dimethylaminoethoxide or pyridylmethoxide ligands were structurally similar to the iminopyrrolide complexes. All complexes were active in rac-lactide polymerization, but although GPC results indicated the growth of only one chain per dimer for the pyridylmethoxide complexes and thus indicated a similar active species, only atactic PLA was produced. A zinc analog of the isotactic copper complex with the N,N’-bis(methylbenzyldiiminopyrrolide ligand was prepared and structurally characterized, but produced heterotactic PLA (Pr = 0.75). Zinc complexes with 2,4-di-tert-butyl-6-aminomethyl-phenol ligands with amino = N,N,N’,N’-tetramethyldiethylenetriamine or di-(2-picolyl)amine substituents were prepared and structurally characterized. They showed a chiral tetrahedral zinc center with one coordinated and one uncoordinated for the ethylenediamine substituents and a five-coordinated zinc center with both amino groups coordinated for picolylamine. NMR investigations indicated fast epimerization of the metal center on the NMR time scale. Both zinc complexes are highly active in lactide polymerization and reach full conversion in only a few minutes, placing them among the most active zinc catalysts known. Slightly isotactic PLA (Pm up to 0.6) was obtained for both complexes, showing in proof-of-principle the advantage of introducing catalytic site epimerization. The picolylamine-substituted complex showed a suppression of stereocontrol at high catalyst concentrations, which is not fully understood. Bulk polymerization of lactide was conducted with manganese diamino-diphenolate complexes following a coordination-insertion mechanism. Their activity was low and only heterotactic PLA was obtained. Tri/tetradentate phenoxy-imine copper complexes were likewise used in bulk polymerization, following an activated monomer mechanism with benzyl alcohol as co-initiator. Polymerizations were stable in air and in the presence of water or acetic acid, but polymer molecular weight control was low with evidence for facile intramolecular transesterification reactions. Surprisingly high heterotacticities were obtained in molten monomer (Pr up to 0.85), but there was no evidence that the additional basic site on the ligand participates in stereocontrol.

Le but de cette thèse est l’investigation des particularités des problèmes d’optimisation et modélisation des réacteurs tubulaires de polymérisation. La partie originale du travail est divisé en deux sections : la première traitant de l'étude théorique de la modélisation et de l’optimisation des réacteurs tubulaires de polymérisation du méthacrylate de méthyle en solution, et la deuxième, une étude expérimentale et théorique de l'extrusion réactive de L-lactide. Dans la première partie, afin de sélectionner un modèle cinétique représentatif, parmi les modèles publiés pour le processus de polymérisation de MMA, des simulations ont été effectuées en conditions identiques de fonctionnement. Deux algorithmes numériques, l’un basé sur le Principe du Minimum de Pontriaguine et l’autre de type Génétique, ont été comparés pour un problème d'optimisation de complexité moyenne. Les résultats ont montré une robustesse supérieure de l’Algorithme Génétique pour cette catégorie de problèmes. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la modélisation et à l’optimisation de l'extrusion réactive du Llactide. Nous avons proposé un modèle cinétique et ses paramètres ont été estimés en utilisant des procédures numériques basées sur les données cinétiques expérimentales. Les expériences d'extrusion réactives ont été exécutées dans les conditions de fonctionnement représentatives. L'écoulement de L-lactide/polylactide dans l'extrudeuse a été caractérisé par la simulation en utilisant un logiciel commercial, LUDOVIC®. Les caractéristiques de la distribution des temps de séjour simulées sont utilisées pour modéliser le processus d'extrusion réactive en utilisant deux approches, un modèle à dispersion axiale et un modèle à base de compartiments, dont les caractéristiques sont déduites des simulations effectuées avec LUDOVIC®. Les résultats de la modélisation du processus sont en bon accord avec des données mesurées en mêmes conditions opératoires. / The aim of this thesis is the investigation of modeling and optimization particularities of tubular polymerization reactors. The original work is divided in two sections, the first treating a modeling and optimization study of tubular reactors for methyl methacrylate polymerization in solution, and the second, an experimental and theoretical study of L-lactide reactive extrusion. In the first section, reactor simulations in similar operating conditions were performed in order to select a representative kinetic model among the published kinetic models for MMA solution polymerization. Two widely used numerical algorithms, one based on Pontryagin’s Minimum Principle and the other a Genetic Algorithm, were compared for an average-complexity optimization problem. The results showed a superior robustness of the Genetic Algorithm for this category of problems. The second part of the thesis deals with the modeling and optimization of L-lactide reactive extrusion. A kinetic model is proposed and its parameters estimated using nonlinear estimation numerical procedures based on experimentally measured data. Reactive extrusion experiments were performed in representative operating conditions. The Llactide/ polylactide flow in the extruder was characterized by simulation using the commercial software LUDOVIC®. The simulated residence time distributions characteristics are used to model the reactive extrusion process of two approaches, an axial dispersion model and a compartment model, based on compartments whose characteristics are deduced from the simulations using LUDOVIC®. The modeling results are in good agreement with the measured data in the same operating conditions.

Ce travail a eu pour objectif la création de matériaux composites à base de nanocharges de carbonate de calcium. L'étude des phénomènes interfaciaux qui régissent ces systèmes, ainsi que leurs impacts sur les propriétés fonctionnelles du matériau et plus particulièrement des propriétés de transport, ont été réalisées. Pour ce faire, nous avons considéré deux matrices polymères de nature chimique différente : le polylactide et le polyfluore de vinylidène. Les nanocomposites ont été élaborés par deux voies de mise en œuvre : la voie fondu et la voix solvant. Une analyse fine des relations structure/morphologie/propriétés des composites a été réalisée. Nous avons mis en évidence, quelle que soit la matrice polymère choisie, l'importance du traitement de surface des charges afin d'améliorer leurs états de dispersion dans le matériau et d'augmenter la qualité de l'interface charge/polymère. Ces paramètres ont été corrélés aux propriétés de transport de ces matériaux composites.

Copolímeros de e-caprolactona e l,l-dilactídeo têm sido investigados com a finalidade de desenvolver materiais biodegradáveis para aplicações médicas. As sínteses dos homopolímeros e copolímeros de epsilon-caprolactona e l,l-dilactídeo por abertura de anel e polimerização em massa transcorreram a 120oC sob atmosfera de nitrogênio, usando o octanoato de estanho como iniciador. A composição dos copolímeros variou de 5,90% a 97,30% em massa de l,l-dilactídeo. As massas molares dos polímeros sintetizados foram determinadas por viscosimetria capilar e cromatografia de permeação em gel (GPC). A composição dos copolímeros foi determinada por RMN de 13C. As propriedades térmicas e mecânicas foram avaliadas por DSC e DMTA. O grau de cristalinidade e as fases cristalinas dos copolímeros foram determinados por difração de raios X (WAXS). Foram observadas altas taxas de conversão de monômeros para os homopolímeros e para os copolímeros Co60 ao Co90 (taxas de 70-80%). Os homopolímeros e copolímeros sintetizados apresentaram altas massas molares (M w até 106.500 g/mol para os copolímeros) e moderada polidispersidade (1,50). As análises de RMN de 13C demonstraram a predominância da formação de copolímeros estatísticos e a ausência da transesterificação durante a polimerização em massa. As propriedades dinâmico-mecânicas foram fortemente dependentes da estrutura cristalina e do grau de cristalinidade dos copolímeros. Os copolímeros sintetizados apresentaram propriedades mecânicas variando do flexível ao rígido termoplástico. Os copolímeros com composição próxima a equimolar (Co30 ao Co40) apresentaram os mais baixos graus de cristalinidade (13 a 15%) e, por conseqüência, apresentaram maior taxa de degradação (20% em 408 horas para o Co40), em comparação com os demais copolímeros. / Copolymers of epsilon-caprolactone with l,l-lactide have been investigated in order to develop biodegradable materials for medical applications. The synthesis of homopolymers and copolymers of e-caprolactone with l,l-lactide by ring-opening bulk polymerization was performed using stannous octoate as initiator at 120 ºC under nitrogen atmosphere. The copolymers composition was varied from 5.90 to 97.30 % in mass of l,l-lactide. The molecular weight of synthesized polymers were determined by viscometry and GPC. The copolymers composition was determined by 13C NMR. Thermal and mechanical properties have been evaluated by DSC and DMTA. The degree of crystallinity and the crystalline phase of copolymers were determined by WAXS. High conversion was observed for homopolymers and copolymers Co60 to Co90 of l,l-lactide (70-80%). The homopolymers and copolymers presented hight molecular weight (M w up to 106,500 g/mol for copolymers) and low polydispersivity (1,50). The analyses by 13C- NMR spectroscopy have shown the predominance of statistical copolymers formation and the transesterification reaction did not occur during the bulk polymerization. Thermal and mechanical properties were dependent on the crystalline phase and of the degree of crystallinity. The synthesized copolymers presented mechanical properties from rubbery to stiff thermoplastics. The copolymers with equimolar composition presented low degree of crystallinity (13 ? 15%) and higher degradation (20% during 408 hours for Co40).

Aliphatic polyesters such as polycaprolactone and polylactide have received more attention in recent years for their use in biomedical applications because of their biodegradable nature. These polymers are often synthesized using homogeneous metal complexes. Unfortunately, using homogeneous metals as catalysts leads to metal contamination in the product polymer, a result which is highly undesirable in a polymer intended for biomedical use. More recent work has shown that these polymers can be synthesized using homogeneous metal-free complexes. These catatlysts are generally less active than metal catalysts, and although they do not contaminate the polymer with metal residue, they are still difficult to recover and hence recycle for further use. In this work, we attempted to create a metal-free, silica-supported catalyst for use in the synthesis of polycaprolactone or polylactide. Ultimately, n-propylsulfonic acid-functionalized porous and nonporous silica materials are evaluated in the ring-opening polymerization of epsilon-caprolactone. All catalysts allow for the controlled polymerization of the monomer, producing polymers with controlled molecular weights and narrow polydispersities. Polymerization rates are low, with site-time-yields generally one to three orders of magnitude lower than metal-based systems. The catalysts are easily recovered from the polymerization solution after use and are shown to contain significant residual adsorbed polymer. Solvent extraction techniques are useful for removing most of the polymer, although the extracted solids are not effective catalysts in recycle experiments. These new materials represent a green alternative to traditional metal-based catalysts, as they are recoverable and leave no metal residues in the polymer.

Studies concerning the formation of industrially useful polycarbonates are the focus of this dissertation. Of particular importance is the biodegradable polymer, poly(trimethylene carbonate) which has a wide range of medical applications. The production of polycarbonates can be achieved by the ring-opening polymerization of cyclic carbonate, or the copolymerization of carbon dioxide and oxiranes or oxetanes. For the production of polycarbonates from these monomers, Schiff base metal complexes have been designed, synthesized, and optimized as catalysts. Detailed kinetic and mechanistic studies have been performed for the ring-opening polymerization of cyclic carbonates, as well as the copolymerization of carbon dioxide and oxiranes or oxetane. In addition, the copolymerization of cyclic carbonates and cyclic esters to modify the mechanical and biodegradable properties of materials used for medical devices has been studied using biocompatible metal complexes. In the process for ring-opening polymerizations of trimethylene carbonate or lactides, Schiff base metal complexes (metal = Ca(II), Mg(II) and Zn(II)) have been shown to be very effective catalysts to produce high molecular weight polymers with narrow polydispersities. Kinetic studies demonstrated the polymerization reactions to proceed via a mechanism first order in [monomer], [catalyst], and [cocatalyst] if an external cocatalyst is applied, and to involve ring-opening by way of acyl-oxygen bond cleavage. The activation parameters (ΔH≠, ΔS≠ and ΔG≠) were determined for ringopening polymerization of trimethylene carbonate, ring-opening polymerization of lactides, and copolymerization of trimethylene carbonate and lactide. In the process for copolymerization of carbon dioxide and oxetane, metal salen derivatives of Cr(III) and Al(III) along with cocatalyst such as n-Bu4NX or PPNX (PPN = bis(triphenylphosphine)iminium, and X = Br, Cl and N3) have been shown to be effective catalysts to provide poly(trimethylene carbonate) with only trace amount of ether linkages. The formation of copolymer is proposed not to proceed via the intermediacy of trimethylene carbonate, which was observed as a minor product of the coupling reaction. To support this conclusion, ring-opening polymerization of trimethylene carbonate has been performed and kinetic parameters have been compared with those from the copolymerization of carbon dioxide and oxetane.

Chemotherapy is one of the most important treatments for cancer. However, systemic toxicity, drug resistance and unstable kinetics of the drug in the blood are serious problems of chemotherapy. The use of biodegradable polymers for controlled release of anticancer drugs has gained popularity in recent years. Controlled release of drugs from polymeric carriers has some advantages such as improvement in the efficiency of treatment, reduction in systemic toxicity and prevention of the drug resistance that is developed by the cancer cells. In this study, poly(D,L-lactide-co-glycolide) microparticles were used as carriers for the controlled release of all-trans-Retinoic acid, tamoxifen, tamoxifen citrate and idarubicin. It was aimed to prepare a drug carrier system for controlled release of hydrophobic anticancer drugs. The empty and drug loaded poly (D,L-lactide-co-glycolide) microparticles were prepared by solvent extraction/evaporation technique with single emulsion (oil/water). Optimized microparticles were characterized by using inverted light microscopy and scanning electron microscopy to examine their morphology and sizes. Drug content of microparticles and the amount of released drug were determined spectrophotometrically. In vitro toxicity of the microparticles on MCF-7 human breast cancer cells was investigated. It was revealed that the microparticles were smooth and spherical in shape. Their sizes differed in the range of 2-20 &micro / m. atRA-loaded microparticles showed approximately 90% encapsulation efficiency and it was confirmed that changing in drug/polymer ratio affected the extend of drug content. Increase in drug content caused a slower release pattern. Moreover, although the empty microparticles caused some toxicity, atRA-loaded PLGA microparticles showed slight cell growth inhibition.

Breast cancer is the most frequent type of cancer seen in woman. Chemotherapy is one of the most important treatments for breast cancer. However, systemic toxicity, drug resistance and unstable kinetics of the drug in the blood are serious problems of chemotherapy. The use of biodegradable polymers for controlled release of anticancer drugs has gained popularity in recent years. Controlled release of anticancer drugs from polymeric carriers has some advantages such as improvement in the efficiency of treatment, reduction in systemic toxicity and prevention of the drug resistance that is developed by the cancer cells. In this study, it was aimed to prepare such a controlled release system for anticancer drugs which are used in breast cancer treatment by using biodegradable copolymer poly(D,L-lactide-co-glycolide) and to characterize in terms of morphology, size, drug content and drug release rate. In the first part of this study / empty and drug loaded poly (D,L-lactide-co-glycolide) microspheres were prepared. Two sets of empty poly(D,L-lactide-co-glycolide) microspheres were prepared by solvent evaporation technique with single emulsion (oil/water) to determine the effect of stirring rate on size of microspheres. Increase in stirring rate caused decrease in size of microspheres. Drug loaded poly(D,L-lactide-co-glycolide) microspheres were prepared for controlled release of anticancer drugs which are used in breast cancer treatment namely / 5-fluorouracil, methotrexate and tamoxifen by using solvent evaporation technique either with double emulsion (water/oil/water) or single emulsion (oil/water). In the second part of this study / empty and drug loaded microspheres were characterized. Inverted light microscopy and scanning electron microscopy were used to examine morphology and size of microspheres. Drug content of microspheres and amount of released drug were determined and drug release profile was obtained for each anticancer drug separetely.