Mise au point d'un procédé de polymérisation en milieu aqueux dispersé de monomères de types acétal cétène cyclique

Aqueous emulsion polymerization for the synthesis of degradable vinylic polymer particles

• Auteur / Autrice : Paul Galanopoulo
• Direction : Franck D'Agosto, Muriel Lansalot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 12/07/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Catalyse, Polymérisation, Procédés et Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Thomas Trimaille
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck D'Agosto, Muriel Lansalot, Renaud Nicolaÿ, Maud Save, Yohann Guillaneuf
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Renaud Nicolaÿ, Maud Save

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymérisation en émulsion

Copolymérisation radicalaire

Synthèse (chimie)

Polymères vinyliques

Chimie verte

Mots clés libres

Polymères vinyliques dégradables

Polymérisation en émulsion

Polymérisation radicalaire par ouverture de cycle (rROP)

Thionolactone

Acétals de cétène cycliques (CKA)

Auto-assemblage induit par la polymérisation (PISA)

Polymérisation radicalaire par transfert de chaine réversible par addition-fragmentation (RAFT)

Degradable vinylic polymers

Aqueous emulsion polymerization

Radical ring-opening polymerization (rROP)

Polymerization-induced self-assembly (PISA)

Reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT)

Thionolactone

Cyclic ketene acetal (CKA)

Résumé

Le développement de nouvelles voies de synthèse pour la production de polymères dégradables vinyliques a attiré une forte attention du fait de leur capacité à répondre à des enjeux environnementaux ou de leur utilisation dans le domaine biomédical. Les thionoesters et les acétals de cétène cycliques (CKA) sont deux classes de monomères qui permettent l’introduction de fonctions clivables le long de chaines carbonées par polymérisation radicalaire. Leur utilisation a ainsi permis d’apporter des propriétés de dégradabilité aux polymères vinyliques. Si la copolymérisation des CKAs et thionolactones avec des monomères vinyliques classiques a déjà été étudiée dans le cas de polymérisations conduites en milieux homogènes, les références à leur comportement lors de polymérisations conduites en milieux aqueux dispersés restent très rares. Ainsi, leur copolymérisation en émulsion dans l’eau représente un enjeu majeur car ce procédé est largement employé industriellement. Appliqué à ce type de comonomères, il permettrait la synthèse directe en milieux aqueux de particules de polymères vinyliques dégradables. Cette thèse a pour but la synthèse de particules de polymères vinyliques dégradables par la copolymérisation en émulsion des CKAs et thionolactones avec des monomères vinyliques. Nous nous sommes tout d'abord intéressés à des procédés de polymérisation en émulsion conventionnels. Si les conditions étudiées n’ont pas permis de copolymériser l’acétate de vinyle (VAc) avec le 2-méthylène-1,3-dioxepane (MDO), ce dernier s’hydrolysant extrêmement rapidement en milieu aqueux, la copolymérisation du 5,6-benzo-2-méthylène-1,3-dioxepane (BMDO) avec le méthacrylate de méthyle (MMA) a conduit à la formation de latex stables composés de copolymères vinyliques dégradables. Puis le dibenzo[c,e]oxepane-5-thione (DOT) a été testé dans des procédés de copolymérisation en émulsion avec l’acrylate de n-butyle (BA), le styrène (S) ou un mélange de ces deux monomères. Des latex stables ont été obtenus dans tous les cas. Ces synthèses ont de plus permis une insertion quantitative d’unités thioesters au sein des chaines ainsi dégradables par hydrolyse en milieu basique. Enfin, la terpolymérisation du DOT avec S et BA a conduit à la formation de polymères dégradables dont les propriétés thermiques peuvent être ajustées en fonction du ratio S/BA. Des procédés de polymérisation en émulsion sans tensioactif ont ensuite été envisagés en mettant à profit le concept d’auto-assemblage induit par la polymérisation (PISA) en émulsion. La copolymérisation contrôlée du DOT avec BA ou S dans l’eau par polymérisation radicalaire par transfert de chaine réversible par addition-fragmentation (RAFT) à partir d’un agent de transfert macromoléculaire (macroCTA) de poly(N-acryloylmorpholine) (PNAM) a conduit à des nanoparticules auto-stabilisées composées d’un cœur de polymères dégradables. La même étude a été conduite avec un macroCTA à base de poly(éthylène glycol) (PEG) linéaire. Si la polymérisation du S et du MMA s'est avérée délicate, la copolymérisation du DOT et du BA a permis de former des nanoparticules stabilisées par du PEG et possédant un cœur dégradable. Enfin, la PISA du VAc a été étudiée afin d’obtenir des semences pour la copolymérisation en émulsion du VAc avec le MDO. Cette dernière a échoué en raison de l'hydrolyse du MDO, mais la PISA du VAc a été un succès. Des nano-objets de différentes morphologies ont pu être obtenus en faisant varier la masse molaire du bloc PVAc. Des sphères, des vésicules et des vésicules multi-compartimentées, jamais observées dans le cas de procédé PISA en émulsion, ont été mises en évidence. Le mécanisme de nucléation et de formation de ces morphologies a été approfondi en suivant notamment la polymérisation in situ par des mesures de diffusion des rayons X.

The development of new synthetic routes to produce degradable and/or recyclable/reusable polymer materials has lately seen a surge of interest for their potential application as biomaterials or to address environmental concerns. Thionoesters and cyclic ketene acetals (CKAs) have already proved to be valuable monomers capable of introducing cleavable functions into the backbones of vinylic polymers. The copolymerizations of those monomers with common vinylic ones have been investigated under homogeneous conditions but studies in aqueous dispersed media remain very scarce. In this thesis work, we investigated aqueous emulsion copolymerizations of either thionolactones or CKAs with common vinylic monomers for the synthesis of waterborne particles made of degradable vinylic polymers. In a first part, copolymerizations under conventional emulsion conditions were probed. CKAs usually show low reactivity ratios toward common vinylic monomers thus reducing the number of candidates capable of copolymerizing with them. As such, emulsion protocols for the copolymerization of 2-methylene-1,3-dioxepane (MDO) with vinyl acetate (VAc) was not successful as MDO proved to hydrolyze rapidly under the various conditions tested. On the contrary, 5,6-benzo-2-methylene-1,3-dioxepane (BMDO) copolymerized surprisingly well with methyl methacrylate (MMA) under very conventional, thermally initiated, emulsion conditions despite the reported BMDO sensitivity to hydrolysis. Stable latexes made of degradable MMA-based copolymers were obtained. Eventually, we investigated the copolymerization of dibenzo[c,e]oxepane-5-thione (DOT) with either n-butyl acrylate (BA), styrene (S) or both. In all cases, stable latexes were obtained in less than two hours. Syntheses all led to the quantitative incorporation of thioester units into the backbone of the vinylic copolymers, which could be easily degraded under basic conditions. The terpolymerization of DOT with S and BA afforded degradable copolymers with tunable glass transition temperatures. Conventional emulsion copolymerizations of either DOT or BMDO thus establish for the first time straightforward one-step processes for the formation of (meth)acrylic waterborne particles made of degradable vinylic polymers. Following these very promising results, surfactant-free emulsion protocols were implemented notably via polymerization-induced self-assembly (PISA) under emulsion conditions. The use of poly(N-acryloylmorpholine) (PNAM) as macromolecular chain transfer agent (macroCTA) in the reversible addition–fragmentation chain transfer (RAFT) mediated emulsion copolymerization of DOT with either S or BA led to self-stabilized nanoparticles with a degradable core. The use of poly(ethylene glycol)-based macroCTA led to more intricate systems that did not lead to successful RAFT-mediated emulsion polymerization of S or MMA. Nonetheless, these conditions allowed copolymerizing DOT with BA leading to PEG-stabilized particles with a degradable core. These processes may open substantial opportunities in the synthesis of nanoparticles for biomedical applications. Besides, we started a research topic dedicated to the synthesis of PVAc particles by PISA with the view of using these particles as seeds to further copolymerize VAc and MDO and thus prevent hydrolysis of the latter. VAc polymerizations were carried out varying the molar mass of the PVAc block leading to the formation of different morphologies including spheres, vesicles, and large compound vesicles. Emulsion PISA of VAc was successful but MDO hydrolysis unavoidable. Our original goal was thus not targeted. Nevertheless, these experiments brought important results for fundamental considerations on the mechanism leading to non-spherical morphologies in emulsion PISA. Accordingly, small angle X-ray scattering (SAXS) measurements were conducted to get further insight on this mechanism by in situ monitoring of the morphological transitions.