Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

This thesis describes the synthesis and characterization ofbranched semi-crystalline polymers. Included in this work isthe SEC characterization of a series of dendrimers. Thebranched semi-crystalline polymers were synthesized in order toinvestigate the concept of their use as powder coatings resins.This concept being that the use of branched semi-crystallinepolymers in a UV-cured powder coating system may offer a lowertemperature alternative thus allowing the use of heat sensitivesubstrates and the added benefit of a reduced viscositycompared to linear polymers. A series of branched poly(ε-caprolactone)’s (PCL)(degree of polymerization: 5-200) initiated from hydroxylfunctional initiators were synthesized. The final architectureswere controlled by the choice of initiator structure;specifically the dendritic initiators yielded starbranchedPCL’s while the linear initiator yielded comb-branchedPCL’s. The dendritic initiators utilized were: (1) a3rd-generation Boltorn H-30, commercially availablehyperbranched polyester with approximately 32 hydroxyl groups,(2) a 3rd-generation dendrimer with 24 hydroxyl groups, and (3)a 3rd-generation dendron with 8 hydroxyl groups. Linear PCL wassynthesized for comparison. All dendritic initiators are basedon 2,2- bis(methylol) propionic acid. The comb-branchedpolymers were initiated from a modified peroxide functionalpolyacrylate. The resins were end-capped withmethylmethacrylate in order to produce a cross-linkable system.The polymers and films were characterized using 1H NMR, 13CNMR, SEC, DMTA, DSC, FT-IR, FT-Raman, rheometry and a rheometercoupled to a UV-lamp to measure cure behavior. The star-branched PCL’s exhibited considerably lowerviscosities than their linear counterparts with the samemolecular weight for the molecular region investigated (2-550kg mol-1). It was also found that the zero shear viscosityincreased roughly exponentially with M. The PCL star-branched resins are semi-crystalline and theirmelting points (Tm) range from 34-50°C; films can beformed and cured below 80°C. The viscoelastic behaviourduring the cure showed that the time to reach the gel point, afew seconds, increased linearly with molecular weight. Thecrossover of G’and G’’was used as the gelpoint. Measurement of mechanical properties of films showedthat the low molecular weight polymers were amorphous whilethose with high molecular weight were crystalline after cure.The polymerization of 5,5-dimethyl-1,3-dioxane-2-one (NPC) fromoligo- and multifunctional initiators was evaluated utilizingcoordination and cationic polymerization. Two tin basedcatalysts, stannous(II) 2-ethylhexanoate and stannous(II)trifluoromethane sulfonate, were compared with fumaric acid.Fumaric acid under bulk conditions resulted in lowerpolydispersity and less chance of gelling. The synthesis ofstar-branched polymers was confirmed by SEC data. The starpolymers exhibited a Tg at 20-30°C and a Tm at about100°C. All semi-crystalline resins exhibited a fast decrease inviscosity at Tm. Blends of combbranched semi-crystalline resinsand amorphous resins exhibited a transition behavior inbetweenthat of pure semi-crystalline resins and that of amorphousresins. The SEC characterization of a series of dendrimers withdifferent cores and terminal groups showed that the core had animpact on the viscosimetric radius of the core while theterminal groups appeared to have no effect. Keywords:star-branched, semi-crystalline,comb-branched, ring-opening polymerization,poly(ε-caprolactone), dendritic, thermoset, lowtemperature curing, powder coating, UVcuring,poly(5,5-dimethyl-1,3-dioxane-2-one), size exclusionchromatography, rheology, dendritic aliphatic polyester / <p>NR 20140805</p>

Les catalyseurs Pt-Rh supportés ont montré des propriétés intéressantes en ouverture sélective des naphtènes. Les performances catalytiques de ces catalyseurs dépendent, entre autres, de l'interaction entre le rhodium et le platine. L'objectif de ces travaux portait sur l'étude de l'influence de la méthode de préparation sur les interactions Pt-Rh. Dans ce but, plusieurs voies reposant sur des stratégies de synthèse différentes ont été sélectionnées, des plus classiques, comme l'imprégnation, aux plus sophistiquées, comme la modification d'un catalyseur monométallique parent par ajout d'un second métal par réaction de surface, la formation des particules Pt-Rh au sein de microémulsion ou de microsuspension ou encore la réduction des précurseurs métalliques assistée par radiolyse. Les catalyseurs ont été caractérisés par diverses techniques telles que la chimisorption d'hydrogène, la microscopie électronique en transmission, la réduction en température programmée, l'adsorption de molécules sondes (CO ou NO puis CO) suivie par infrarouge ou encore par réactions modèles. Ces caractérisations ont permis de mettre en évidence que (i) les imprégnations classiques ou assistées par radiolyse mènent à un mélange de particules monométalliques et bimétalliques, (ii) les méthodes de modification de surface permettent le dépôt du second métal sur les sites spécifiques des particules métalliques préformées, (iii) la synthèse des particules métalliques en microsuspension ou microémulsion permet également l'obtention de particules bimétalliques, mais avec la présence d'alliages Pt-Rh de surface. / Pt-Rh supported catalysts have demonstrated interesting properties in selective ring opening of naphthenic molecules. Their catalytic performances depend on several properties like platinum-rhodium interaction. The aim of this work was to study the influence of the preparation method on Pt-Rh interactions. For this purpose, several preparation ways were selected, from the most classical ones, such as impregnation, to more sophisticated ways such as (1) surface modification of monometallic catalyst by addition of a second metal (surface reactions), (2) formation of Pt-Rh particles in microemulsion or in microsuspension, or (3) impregnation assisted by radiolysis. Catalysts were characterized by various techniques such as hydrogen chemisorption, transmission electron microscopy, temperature programmed reduction, adsorption of probe molecules (CO or NO then CO) followed by infrared spectroscopy, or model reactions.These characterizations allowed demonstrating that (i) the classical impregnation or the one assisted by radiolysis leads to monometallic and bimetallic particles, (ii) metal deposition on specific sites of preformed metallic particles can be obtained by surface modification of monometallic catalysts, (iii) the synthesis of metallic particles in microemulsion or microsuspension yields bimetallic entities with Pt-Rh alloy at the particle surface.

Dans le cadre de cette thèse, les dérivés d’huiles végétales sont utilisés pour la synthèse de bioplastifiants bio-résistants pour le PVC d’une part et la plastification et la réticulation d’un élastomère d’autre part (EPDM). Les huiles ont été choisies comme matières premières renouvelables car elles ont des fonctions esters qui permettent la solubilisation du PVC et des chaines grasses compatibles avec l’EPDM. Les réactions d’ouvertures d’époxydes d’esters gras en di-esters (symétriques et dissymétriques) ont été étudiées et principalement appliquées à la plastification du PVC. L’ouverture des époxydes d’esters gras en éther-esters a aussi été étudiée, principalement pour la plastification de l’EPDM. Les conditions réactionnelles ont été optimisées par l’étude de catalyseurs, homogène (TBACl) et hétérogène (TiO2) pour l’ouverture en hydroxy-ester, et par des résines sulfoniques pour l’ouverture en éther et pour l’estérification des hydroxyles résiduels. Une large variété de réactifs choisis suivant l’application désirée a été utilisée. Le dérivé cyclohexanoate/acétate d’esters méthyliques de colza présente les meilleures propriétés plastifiantes pour le PVC mais il n’est malheureusement pas biorésistant. Les dérivés éther-ester ne sont pas stables thermiquement et ne permettent pas la plastification de l’EPDM. Un dérivé di-insaturé et peu polaire (oléate d’oléyle) a été synthétisé en vue de la plastification et la réticulation de l’EPDM. Plusieurs réactions ont été examinées pour lier l’huile et le polymère (hydrosilylation, ène-réaction et métathèse) mais la réactivité est trop faible pour permettre la réticulation / During this thesis, derivatives of vegetable oils are used to synthesize bio-resistant bio plasticizers for PVC and plasticizer / cross linker for an elastomer (EPDM). The oils possess ester functional groups which allow the solubilization of PVC and fatty chains compatible with EPDM. The reactions of epoxide ring-opening of fatty esters to di esters (symmetrical and asymmetrical) have been studied and applied mainly to the plasticization of PVC. The ring-opening of epoxides of fatty esters to ether-esters has also been studied, primarily for plasticization of EPDM. Optimization of the reaction conditions was carried: homogeneous (TBACl) and heterogeneous (TiO2) catalysts were efficient for the preparation of hydroxy-ester, and sulfonic resins in ether and the esterification of residual hydroxyls. A wide variety of reagents selected according to desired application were used. The derivative cyclohexanoate / acetate rapeseed methyl esters present the best plasticizing properties for PVC but it is unfortunately not bio-resistant. Ether-ester derivatives are not stable thermally and do not allow the plasticization of EPDM. A relatively non-polar di-unsaturated derivative (oleyl oleate) was synthesized for the plasticization and cross linking of EPDM. Several reactions are considered to link the oil and the polymer (hydrosilylation, ene- reaction and metathesis), but the reactivity is too low to allow the cross linking

Ces travaux de thèse traitent de la polymérisation anionique combinée à deux méthodologies différentes d’activation du monomère visant à contrôler les réactivités des monomères et/ou des espèces actives lors de la propagation pour la synthèse de polyéthers et de polyamide-3. L’étude de nouveaux systèmes efficaces d’amorçage/propagation à base de magnésium et d’aluminium pour la polymérisation anionique par ouverture de cycles des époxydes substitués est présentée. Deux types de polyéthers réticulables ont également été synthétisés par l’utilisation de bromure de tétraoctylammonium et de triisobutyl-aluminium. Dans le premier cas, l’objectif est d’incorporer des fonctions furane pendantes le long des chaînes polyéthers. Dans le second cas il s’agit d’introduire des doubles liaisons au sein même du squelette polyéther. Les réticulations ont ensuite été effectuées thermiquement par le biais d’une chimie réversible de type Diels-Alder entre groupement furane et maléimide pour le premier cas et par vulcanisation pour le deuxième. Enfin, une étude menant à une compréhension mécanistique a été conduite sur la synthèse de polyamide-3 en masse par polymérisation par transfert d’hydrogène à partir de l’acrylamide. / The studies presented in this thesis report on the use of the anionic polymerization with two different methodologies of monomer activation aiming to control the reactivity of monomers and/or growing species for the synthesis of polyethers and polyamide-3. New magnesium/aluminium active systems efficient for the anionic ringopening polymerization of substituted epoxides are proposed and developed. Cross-linkable polyethers were also synthesized by using the combination of tetraoctylammonium bromide with triisobutylaluminum. Furan groups or double bonds were introduced as pendant or inchain functions respectively in polyether-based materials. The so-formed polymers were cross-linked using reversible Diels-Alder reaction between furan and maleimide, and vulcanization for the double bonds. Finally, we investigated the mechanism of the hydrogentransfer polymerization of acrylamide in bulk conditions as a sustainable route to get polyamide-3.

Medicínské aplikace tvoří z biodegradabilních alifatických polyesterů na bázi polylaktonů, polylaktidů a jejich kopolymerů velmi atraktivní skupinu materiálů. Metody přípravy těchto polymerů jsou založeny na polymeraci za otevření kruhu laktonů a laktidů. Mnoho organokovových sloučenin se vyznačují jako účinné a vysoce selektivní katalyzátory těchto polymerací, avšak je známo, že deriváty těžkých kovů jsou škodlivé pro lidský organismus. Z tohoto důvodu je v dnešní době rostoucí zájem o vývoj účinných „green“ polymeračních systémů pro syntézu biodegradabilních alifatických polyesterů. Předložená disertační práce se věnuje přípravě alifatických polyesterů založených na polykaprolaktonu, polylaktidu, polyglykolidu a zejména jejich kopolymeru pomocí organického katalyzátoru náležícího do skupiny N-heterocyklických karbenů (NHC) bez přítomnosti centrálního atomu těžkého kovu. Literární rešerše je zaměřená na pokroky v polymeraci za otevření kruhu (ROP) cyklických esterů (laktonů a laktidů) pomocí organických "metal-free" katalyzátorů. Nicméně, nebyly nalezeny žádné studie, kde se pro přípravu polyglykolidu nebo jeho kopolymerů využívá polymerace za otevření kruhu pomocí karbenových katalyzátorů. Experimentální část práce popisuje přípravu a vlastnosti 1,3-di-tert-butylimidazol-2-ylidenu (NHC-tBu) karbenu připraveného z jeho stabilní chloridové soli. Další část je zaměřena na přípravu polyesterů z cyklických monomerů, jmenovitě L-laktidu, D, L-laktidu, glykolidu a -kaprolaktonu pomocí NHC-tBu jako katalyzátoru. Byla zkoumána nová metoda přípravy termosenzitivního amfifilního triblokového kopolymeru na bázi biodegradabilního hydrofobního polylaktidu, polyglykolidu a biokompatibilního hydrofilního polyethylenglykolu (PLGA–PEG–PLGA) pomocí připraveného NHC-tBu. Dále byly studovány podmínky polymerace (například: přečištění monomeru, teploty polymerace, různé typy rozpouštědel, poměry rozpouštědla ku monomeru a nebo různé poměry iniciátoru ku katalyzátoru). Na závěr byl připravený PLGA–PEG–PLGA kopolymer srovnán s kopolymerem připraveným pomocí Sn(II)2-ethylhexanoátu. NHC-tBu se v přítomnosti PEG projevil jako účinný katalyzátor polymerace za otevření kruhu laktonu a laktidů. Připravené kopolymery dosahovaly vysoké konverze monomeru (70 – 85%) s polydisperzitou (Mw/Mn okolo 1,2). Byl připraven PLGA–PEG–PLGA kopolymer se dvěma fázovými přechody (sol-gel a gel suspenze) a gelační teplotou v rozmezí 35 – 43 °C. Změny polymeračních podmínek neměly ve většině případů zásadní vliv na chemické vlastnosti kopolymeru, jako jsou molekulová hmotnost nebo polydisperzita, ale měly významný vliv na visko-elastické vlastnosti.

La copolymérisation radicalaire par ouverture de cycle contrôlée par les nitroxydes entre les esters méthacryliques et les acétals de cétène cycliques a permis de synthétiser des copolymères vinyliques bien contrôlés et dégradables contenant des fonctions esters le long de la chaine polymère. Plus précisément, des copolymérisations entre le 2-méthylène-4-phenyl-1,3-dioxolane (MPDL) et l’oligo(éthylène glycol) méthyl éther méthacrylate (OEGMA) ou le méthacrylate de méthyle (MMA) ont été amorcées par une alkoxyamine basée sur le nitroxyde SG1. Des copolymères de type P(OEGMA-co-MPDL) et P(MMA-co-MPDL) ont été obtenus et dégradés hydrolytiquement en conditions accélérées ou physiologiques. Leurs cinétiques de dégradation furent également comparées à celles de polyesters traditionnels (e.g., PLGA, PLA and PCL) où il a été montré que la dégradation des copolymères de P(OEGMA-co-MPDL) pouvait être ajustée par la stœchiométrie initiale en monomères et qu’elle se situait entre celles du PLA et du PCL. En revanche, les copolymères de P(MMA-co-MPDL), plus hydrophobes, ont présenté une hydrolyse très lente, bien inférieure à celle du PCL. Dans un deuxième temps, une nouvelle famille de prodrogues polymères dégradable a été synthétisé par copolymérisation radicalaire par ouverture de cycle contrôlée par les nitroxydes entre le MPDL et l’OEGMA ou le MMA, à partir d’un amorceur couplé à un principe actif (méthode du principe actif amorceur). Pour ce faire, la Gemcitabine, un principe actif anticancéreux, a été couplé à une alcoxyamine à base SG1 qui fut ensuite utilisée pour amorcer la réaction de copolymérisation. Les copolymères ainsi obtenus ont montré des propriétés de libération de la Gem et des activités cytotoxiques sur différentes lignées cellulaires en relation avec la nature de l’ester méthacrylique utilisé, la nature de la liaison entre la Gem et le copolymère ainsi que le taux de MPDL dans le copolymère. Cette étude nous a permis d’extraire des relations de type structure-activité importantes pour des développements futurs. / Nitroxide-mediated radical ring-opening copolymerization of methacrylic esters and cyclic ketene acetals was investigated and enabled the synthesis of well-defined degradable vinyl copolymers containing ester groups along the main chain, whose amount was readily adjusted by changing the initial comonomer feed. More specifically, the copolymerizations of 2-methylene-4-phenyl-1,3-dioxolane (MPDL) and either oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (OEGMA) or methyl methacrylate (MMA) were initiated by an alkoxyamine initiator based on the SG1 nitroxide. It led to a library of P(OEGMA-co-MPDL) and P(MMA-co-MPDL) materials that were hydrolytically degraded under both accelerated and physiological conditions. Their hydrolytic degradation kinetics were also benchmarked against traditional polyesters (e.g., PLGA, PLA and PCL) where P(OEGMA-co-MPDL) copolymers showed tunable degradation rates as function of the MPDL content, being in between those of PLA and PCL. Conversely, the more hydrophobic P(MMA-co-MPDL) copolymers exhibited much slower hydrolysis than that of PCL. In a second step, a new class of degradable polymer prodrugs was developed by nitroxide-mediated radical ring-opening copolymerization of MPDL with OEGMA or MMA, from a drug-bearing initiator (‘drug-initiated’ method). To do so, Gemcitabine, an anticancer drug, was derivatized with a SG1-based alkoxyamine to initiate the copolymerization reaction. The resulting degradable polymer prodrugs exhibited interesting characteristics in terms of drug release and in vitro cytotoxicity, depending on the nature of the methacrylic ester used, the nature of the linker between the drug and the polymer and the MPDL content. This study enabled us to extract important structure-activity relationships of great importance for further development.

Les poly(silméthylènesiloxane)s, aussi dénommés silicones hybrides, sont constitués d’un squelette portant un groupement méthylène entre 2 unités SiOSi. La synthèse de ces polymères par polycondensation ne permet pas d’atteindre des masses molaires très élevées, contrairement aux produits issus de la polymérisation par ouverture de cycle. Ce manuscrit décrit la procédure choisie pour aboutir à une synthèse contrôlée de poly(silméthylènesiloxane)s, des précurseurs (monomères, amorceurs) aux polymères. Le monomère cyclique silméthylène a été préparé par cyclisation de le 1,3-dichlorotetraméthylsilméthylène. Ce dernier peut être généré par redistribution de sous-produits de l’industrie de type halogénures d’alkylsilanes. Deux voies de redistribution ont été étudiées, la méthylation par le méthyllithium, et la dismutation des chlorosilanes en présence d’AlCl3 et de tétraméthylsilane. Cette dernière méthode conduit à une nouvelle distribution de chlorosilanes et chlorosilméthylènes jamais obtenue auparavant. La polymérisation par ouverture de cycle en présence d’acide triflique du 1,1,3,3,5,5,7,7-octamethyl-2,6-dioxa-1,3,5,7-tetrasilacyclooctane conduit à des poly(silméthylènesiloxane)s terminés silanol. Suivant la pureté du monomère, différentes masses molaires peuvent être atteintes. La température réactionnelle joue un rôle crucial afin d’éviter toute cyclisation des chaînes. Par comparaison avec des monomères organiques conventionnels (ether, oxiranes, etc...), le mécanisme de polymérisation implique deux espèces en équilibre, un ion silyl-oxonium et un ester silyl-triflate. Une augmentation de la température de réaction déplace cet équilibre vers les espèces ioniques, responsables des réactions de rétroscission. Ainsi la température optimale de réaction a été localisée à 25°C. La polymérisation par ouverture de cycle a été également testée en présence de catalyseur (acide triflique) et d’un amorceur (molécule portant une (des) fonction(s) silanol). Dans les conditions de température données, des polymères de masses molaires et de fonctionnalités contrôlées sont obtenus. Ces expériences ouvrent la porte à de nouvelles voies de polymérisation des cyclosiloxanes, mettant en lumière la compétition entre deux mécanismes de polymérisation, la propagation par bouts de chaînes activés (ACE) et par monomères activés (AM). / Polysilmethylenesiloxanes are belonging to the “hybrid” silicone family. The presence of a methylene group into the polymer backbone enhances their thermal stability, which is particularly interesting in high-tech applications. The synthesis of such polymers by polycondensation did not so far lead to high molar mass polymers, contrary to those prepared by ring-opening polymerization. The synthesis of such polymers is described in this manuscript, from the monomer to the macromolecule. The silmethylene cyclic dimer, the monomer of interest, is synthesized by cyclization of 1,3-dichlorotetramethylsilmethylene. This latter can be generated from the disproportionation of the direct process residue, a by-product of the silicone industry. The disproportionation proceeds either by methylation with methyl lithium, or by Me/Cl interchange reaction catalyzed by AlCl3 in presence of tetramethylsilane. This latter led to a selective dechlorination of chlorosilanes and chlorosilmethylenes in mild conditions, which has not been yet observed with the DPR. Cationic ring-opening polymerization in presence of triflic acid of such silmethylene cyclic dimer led to bis-silanol polysilmethylenesiloxanes. Depending on the purity of monomer, high molar masses can be targeted. The reaction temperature also plays a critical role in order to avoid any cyclization of the growing chains. While triflic acid plays a role of catalyst, it does not allow controlling molar masses. Comparisons with conventional organic monomers were made to identify the polymerization mechanism which involves two propagating species in equilibrium, a silyl-oxonium ion and a silyltriflate ester. An increase of the reaction temperature shifts this equilibrium towards ionic species, responsible of back- and end-biting reactions. Thus the optimal reaction temperature of ROP of the silmethylene cyclic dimer has been set at 25°C previously and confirmed here. The ROP reaction of the silmethylene cyclic dimer in presence of triflic acid and silanol molecule allows designing the obtained molar masses, while keeping a certain control of end-groups. Variations of molar masses with the silanol content speaks for a polymerization occurring through an activated monomer mechanism. Experiments done to confirm this mechanism open routes to the polymerization of other cyclosiloxanes where the competition between the activated chain end (ACE) and the activated monomer (AM) mechanisms could be controlled.

No description available.

The large amount of non-degradable plastic waste has become a significant environmental concern, leading to an increased need for degradable plastics. Here in, to create degradable polymers, polyesters were produced through radical ring opening polymerization using cyclic ketene acetals. The cyclic ketene acetal monomer 5,6-benzo-2-methylene-1,3-dioxepane has been prepared for the synthesis of homo- and copolymers with methyl methacrylate, α-methylene-γ-valerolactone, α-methylene-γ-butyrolactone, cholesterol methacrylate and limonene acrylate. The polymerization was conducted using radical ring opening polymerization both in bulk and solution polymerization. The structural characteristics of the polymer were determined by different characterization methodologies, including TGA, DSC, SEC, FTIR and 1D 1H-NMR. The results obtained from 1H-NMR analysis showed the composition of the copolymers. TGA analysis revealed the thermal stability of the polymers and their degradation patterns. DSC analysis provided information about the glass transition temperatures (Tg’s) of the polymers. Moreover, the Tg indicated the presence and amounts of comonomers in the copolymers. Overall, the results showed the influence of different comonomers on the properties of the polymers by successfully incorporating the comonomers in the polymer. The thermal properties for polymers containing methyl methacrylate became more thermally stable. The Tg, analyzed with DSC, shifted from the Tg of homopolymers indicating the incorporation of both monomers. The polymers were successfully degraded via hydrolysis in alkaline conditions breaking them down into smaller pieces making them easier to recycle. To conclude, the results all indicate that the incorporation of BMDO and thereby possibly other CKA-monomers into the polymer chains of commonly used plastics could provide valuable tools in the recycling of said plastics.