Synthèse de polymères soufrés : applications aux biohybrides

Synthesis of sulfur-containing (co)polymers : applications to biohybrids

• Auteur / Autrice : Simon Le Luyer
• Direction : Philippe Guégan, Nicolas Illy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 21/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut parisien de chimie moléculaire (2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Guillaume
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Antoine Buchard, Daniel Taton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thiols

Polymérisation par ouverture de cycle

Monomères

Soufre

Polymères

Mots clés libres

Polymere

Synthèse

Soufre

AROP

Polymérisation

Thiolactone

Polymer

Synthesis

Sulfur

AROP

Polymerization

Thiolactone

Résumé

La présence d’atomes de soufre dans une chaine macromoléculaire permet d’apporter de nombreuses propriétés au matériau polymère. Par exemple, certains polymères soufrés présentent un indice de réfraction particulièrement élevé ou une bonne résistance à la chaleur. Ils sont également des chélateurs de métaux lourds et présentent des propriétés diélectriques améliorées. Par conséquent, ils trouvent des applications dans un large éventail de domaines industriels allant des adhésifs et agents d'étanchéité d'usage courant, aux produits de haute technologie, tels que des dispositifs optiques (polymères à indice de réfraction élevé), ou pour des matériaux auto-cicatrisants. En outre, les polysulfures sont couramment proposés comme matériaux oxydo-sensibles ou antioxydants pour des applications biomédicales en raison de leur comportement bien contrôlé de réponse à l'oxydation. La polymérisation par ouverture de cycle (ROP) de monomères cycliques comportant un atome de soufre est une méthode efficace qui permet de synthétiser ces polymères avec un contrôle sur la taille et la structure macromoléculaire. Les thiolactones sont des thioesters cycliques qui peuvent être utilisés en tant que monomère pour cette méthode. Cependant ces monomères sont encore peu étudiés parmi la communauté scientifique et plus particulièrement la γ-thiobutyrolactone (cycle à 5 membre), qui est peu polymérisable. Cette thèse s’intéresse au développement de nouvelles méthodes de synthèses de polymères soufrés en utilisant la γ-thiolactones. Nous proposons ici d’utiliser la γ-thiolactone pour fonctionnaliser des fonctions alcools ou amines par des chaines de poly(sulfure de propylène). En effet, l’AROP des épisulfures est une technique de synthèse bien connue et étudiée depuis les années 1960 mais l’amorçage de la polymérisation par des fonctions protiques (autres que les thiols et dérivé de thiols), induit des réactions de transfert et rend impossible le contrôle de la taille et des fins de chaines du polymère. La première partie est donc dédiée à l’utilisation de la thiolactone en tant que co-amorceur de la polymérisation contrôlée du sulfure de propylène. Cette méthode est alors appliquée à divers amorceur protiques comme les alcools et les amines, qu’ils soient aliphatiques ou aromatiques, ainsi qu’aux acides carboxyliques. De plus, les propriétés de ces polythioéthers sont évaluées, notamment leurs réponses à différents stimuli comme le pH et l’oxydation. Les applications potentielles sont également envisagées en utilisant cette méthode d’amorçage pour fonctionnaliser des molécules biologiquement actives avec des chaines de polymères soufrés et ainsi ouvrir la voie du développement de système bio-hybride ou pro-drogue. Avant le début de ce doctorat, une méthode de synthèse de polymère soufré a été développé au laboratoire en copolymérisant de façon alternée la γ-thiobutyrolactone et les époxydes par AROP. Les γ-thiolactones sont difficilement polymérisable du fait de leur faible tension de cycle mais cette méthode permet de synthétiser des poly(ester-alt-thioether)s fonctionnels dont les propriétés peuvent être modulées par la grande diversités des monomères époxydes et thiolactones théoriquement copolymériables. La deuxième partie de cette thèse est donc consacrée à l’élargissement de la gamme de monomères époxydes et thiolactones copolymérisables avec une réflexion sur le sourçage des monomères ainsi que sur le cycle de vie des matériaux. De plus, les nombreuses propriétés de cette nouvelle structure poly(ester)s soufré sont explorées. Notamment en exploitant la sensibilité au pH de la liaison ester, qui permet de dégrader et de repolymériser le poly(ester-alt-thioether). Diverses stratégies de synthèses sont étudiées afin d’obtenir un poly(thiolactone-alt-époxyde) hydrophile notamment en oxydant le groupe thioéther de l’unité de répétition ou en copolymérisant un époxyde porteur d’une fonction alcool protégée.

The presence of sulphur atoms in a macromolecular chain gives the polymer material a number of properties. For example, some sulphur-containing polymers have a particularly high refractive index or good heat resistance. They can also chelate heavy metals and have improved dielectric properties. As a result, they find applications in a wide range of industrial fields, from adhesives and sealants to high-tech products such as optical devices (high refractive index polymers) and self-healing materials. In the field of energy storage, polythioethers, in particular poly(ethylene sulphide), have great potential as solid electrolytes to replace poly(ethylene oxide) in lithium-ion batteries. In addition, polysulphides are commonly proposed as oxidation-sensitive or antioxidant materials for biomedical applications due to their unique and well-controlled oxidation response behaviour. Ring-opening polymerisation (ROP) of cyclic monomers containing a sulphur atom is an efficient method for synthesising these sulphur-containing polymers with a control over size and macromolecular structure. Thiolactones are cyclic thioesters that can be used as monomers for this method. However, these monomers are still scarcely studied among the scientific community and more particularly γ-thiobutyrolactone (5-membered ring), which is poorly polymerisable. This thesis focuses on the development of new methods for the synthesis of Sulphur containing polymers using γ-thiolactones. The first method of synthesis is the anionic ring-opening polymerisation (AROP) of episulphides. Here we propose to use γ-thiolactone to functionalise alcohol or amine functions with poly(propylene sulphide) chains. AROP of episulphides is a well-known synthesis technique that has been studied since the 1960s, but polymerisation initiated by protic functions (other than thiols and thiol derivatives) induces transfer reactions and makes it impossible to control the size and structure of polymer chains. The first part is therefore devoted to the use of thiolactone as a co-initiator in the controlled polymerisation of propylene sulphide. This method is then applied to various protic initiators such as alcohols and amines, both aliphatic and aromatic, as well as carboxylic acids. In addition, the properties of these polythioethers are evaluated, in particular their responses to various stimuli such as pH and oxidation. Potential applications are also considered by using this initiation method to functionalise biologically active molecules with sulphur containing polymer chains and thus pave the way for the development of bio-hybrid or pro-drug systems. Before the beginning of this PhD, a synthesis method of sulphur containing polymers was developed in the laboratory by the alternating copolymerization of γ-thiobutyrolactone with epoxides through AROP. The γ-thiolactones are difficult to polymerise due to their low ring tension, but this method allows the synthesis of functional poly(ester-alt-thioether)s whose properties can be modulated by the wide diversity of epoxy and thiolactone monomers that are theoretically copolymerisable. The second part of this thesis is therefore devoted to extend the range of copolymerisable epoxides and thiolactones monomers, with a focus on monomer sourcing and the life cycle of materials. In addition, the many properties of this new sulphur containing poly(ester)s structure are being explored. In particular, by exploiting the pH sensitivity of the ester bond, which enables the poly(ester-alt-thioether) to be degraded and repolymerised. Various synthetic strategies are being studied to obtain a hydrophilic poly(thiolactone-alt-epoxide), in particular by oxidizing the thioether group of the repeating unit or by copolymerising an epoxide bearing a protected alcohol function.