Ingénierie macromoléculaire à partir de thiolactones pour la conception de polymères auto-associatifs biosourcés

Macromolecular Engineering Using Thiolactones for the Design of Bio-based Self-Associating Polymers

• Auteur / Autrice : Louanne Moireau
• Direction : Nicolas Illy, Philippe Guegan
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut parisien de chimie moléculaire (IPCM)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CHIMIE DES POLYMERES (ECP)

Mots clés

Mots clés libres

Polymères biosourcés

Thiolactones

Tensioactifs

Dégradabilité

Amphiphile

Dikétopipérazine

Surfactants

Biobased polymers

Thiolactone

Amphiphilic copolymers

Degradability

Diketopiperazine

Résumé

Les molécules amphiphiles ont la capacité unique de pouvoir interagir à la fois avec des milieux hydrophiles et hydrophobes, permettant ainsi de réduire la tension superficielle entre une phase aqueuse et une phase grasse. Cette propriété explique que les copolymères amphiphiles soient devenus indispensables dans de nombreux domaines industriels allant des applications biomédicales aux cosmétiques en passant par les détergents.[1] Par exemple, les surfactants sont largement utilisés dans les produits de nettoyage, les shampoings et les dégraissants, où ils contribuent à éliminer les impuretés et les graisses. Dans le domaine médical, les micelles formées par auto-assemblage de molécules amphiphiles permettent l'encapsulation et la délivrance de principes actifs hydrophobes, améliorant ainsi leur biodisponibilité et leur efficacité.[2-4] Néanmoins, l'utilisation massive de tensioactifs peut contribuer à la pollution de l'environnement, en particulier lorsque ces substances sont rejetées dans l'eau ou dans le sol.[5] Ces molécules amphiphiles présente en particulier une toxicité pour les organismes aquatiques. Elle peuvent également entraîner la formation de mousses dans les cours d'eau, ce qui peut affecter le transport de l'oxygène dans l'eau et perturber les processus naturels. Le développement de tensioactifs plus respectueux de l'environnement est donc une priorité. Plusieurs axes de recherche apparaissent essentiels et complémentaires: * le remplacement des tensioactifs pétro-sourcés par des molécules biosourcées plus soutenables et moins émettrice de CO2. * La mise au point de tensioactifs biodégradables afin d'éviter la persistance dans l'environnement. Notre équipe est spécialisée en ingénierie macromoléculaire. Nous avons en particulier développé au cours des dernières années une nouvelle famille de polyesters fonctionnels dégradable obtenus par copolymérisation alternée de thiolactones avec des époxydes.[6, 7] Récemment, nous avons également mis au point nouvelle méthode d'amorçage en polymérisation anionique par ouverture de cycle de monomères hétérocycliques.[8] L'objectif de ce travail de thèse sera de synthétiser une nouvelle gamme de copolymères amphiphiles bio-sourcés et/ou biodégradables. Une des approches envisagée sera le greffage par une technique de grafting from de chaînes polymères (hydrophiles ou hydrophobes selon le cas) sur différentes molécules d'origine biologiques, telles que des peptides, des vitamines (Figure 1) ou des dérivés de la lignine. La structure et l'architecture des macromolécules obtenues seront caractérisées avec soin par spectrométrie de masse MALDI ToF, chromatographie d'exclusion stérique ainsi que par RMN 1H, 13C et 2D (COSY, HSQC et DOSY). Une attention particulière sera portée à la régiosélectivité du greffage, ainsi qu'au contrôle de la polymérisation (Mn, Ð et études cinétiques). Dans un second temps, l'accent sera mis sur l'incorporation de liaisons hydrolysables dans les chaînes polymères afin de faciliter leur (bio)dégradation. Enfin, les propriétés tensioactives, la toxicité et la biodégradabilité seront évaluées afin de déterminer les applications potentielles.

Amphiphilic molecules have the unique ability to interact with both hydrophilic and hydrophobic media, enabling them to reduce the surface tension between an aqueous and a fatty phase. This property explains why amphiphilic copolymers have become indispensable in many industrial fields, from biomedical applications to cosmetics and detergents.[1] For example, surfactants are widely used in cleaning products, shampoos and degreasers, where they help to remove impurities and grease. In the biomedical field, micelles formed by the self-assembly of amphiphilic molecules enable the encapsulation and delivery of hydrophobic active ingredients, improving their bioavailability and efficiency.[2-4] Nevertheless, the massive use of surfactants can contribute to environmental pollution, particularly when these substances are discharged into water or soil.[5] These amphiphilic molecules are particularly toxic to aquatic organisms. They can also lead to the formation of foam in watercourses, which can affect oxygen transport in the water and disrupt natural processes. The development of more environmentally-friendly surfactants is therefore a priority. Several lines of research appear to be essential and complementary: • The replacement of petro-based surfactants by more sustainable, less CO2-emitting bio-based molecules. • The development of biodegradable surfactants to avoid their persistence in the environment. Our team specializes in macromolecular engineering. In recent years, we have developed a new family of degradable functional polyesters obtained by alternating copolymerization of thiolactones with epoxides.[6, 7] Recently, we have also developed a new method for initiating anionic ring-opening polymerization of heterocyclic monomers.[8] The aim of this thesis will be to synthesize a new range of bio-sourced and/or biodegradable amphiphilic copolymers. One of the approaches envisaged will be the grafting of polymer chains (hydrophilic or hydrophobic as the case may be) onto various molecules of biological origin, such as peptides, vitamins (Figure 1) or lignin derivatives. The structure and architecture of the resulting macromolecules will be carefully characterized by MALDI ToF mass spectrometry, steric exclusion chromatography and 1H, 13C and 2D NMR (COSY, HSQC and DOSY). Particular attention will be paid to grafting regioselectivity and polymerization control (Mn, Ð and kinetic studies). In a second phase, the focus will be on incorporating hydrolyzable bonds into the main polymer chains to facilitate their (bio)degradation. Finally, surfactant properties, toxicity and biodegradability will be assessed to determine potential applications.