Tesis sobre el tema "RAFT/MADIX controlled radical polymerization"

La connaissance des propriétés physico-chimiques des solutions de polymères utilisées en récupération assistée des hydrocarbures (RAH) est essentielle pour une bonne efficience du procédé. Ces travaux avaient pour but de conforter et enrichir un modèle de viscosité universelle dépendant du paramètre de recouvrement C[η] qui permet de prendre en compte l'occupation du milieu par les chaînes macromoléculaires (concentration d'enchevêtrement critique, C*, régimes dilué et semi-dilué). Les effets des microstructures, de la taille et de la composition des polymères ont été étudiés via la synthèse d'une librairie d'échantillons par polymérisation radicalaire contrôlée (RADT/MADIX) : polyacrylamides, copolymères statistiques et asymétriques acrylamide-acrylate de sodium, polyacrylamides post-hydrolysés. Chaque polymère a été caractérisé par chromatographie d'exclusion stérique et par rhéologie capillaire dont les protocoles et techniques ont été optimisées. Les effets de la microstructure sur les propriétés physico-chimiques dimensionnelles, rhéologiques et complexantes ont été déterminés. Mes travaux de thèse doivent répondre aux deux questions principales suivantes : Quel est l'effet de la microstructure et de la dispersité du polymère sur le modèle ? Quelle(s) est (sont) la(les) limite(s) du modèle en termes d'application ? Mes travaux incluent donc l'élaboration de polymères modèles couvrant une large gamme de masses molaires (de quelques dizaines de milliers à plusieurs millions de g/mol). Les polymères modèles sont de structures variées allant d'homopolymères aux copolymères statistiques et à blocs. Après leur caractérisation complète (composition chimique et structure), les propriétés rhéologiques des solutions sont étudiées. Pour cela, mes travaux comprennent le développement, au sein du laboratoire et spécifiquement pour cette étude, d'un rhéomètre capillaire. Les résultats expérimentaux sont alors comparés au modèle établi pour les polymères industriels pour accroître le potentiel du modèle
The knowledge of the physico-chemical properties of polymer solutions for enhanced oil recovery (EOR) is crucial to optimize the process. The purpose of this work was to consolidate and complete an universal viscosity model depending on C[η] parameter. The later allows taking into account the degree of interpenetration of polymer chains (critical concentration, C*, diluted and semi-diluted solutions). Various polymer parameters have been studied as the effects of microstructures, polymer size (molar mass and dispersity) as well as chemical composition. A library of polymer models was elaborated by controlled radical polymerization (RADT/MADIX). Series of polyacrylamides, statistical and asymmetric copolymers of acrylamide-sodium acrylate and post-hydrolyzed polyacrylamides were synthesized and characterized by steric exclusion chromatography and capillary rheology and the analytical protocols and techniques were optimized. The effects of the microstructure onto dimensional, rheological and complexation physico-chemical properties were determined

Stimuli responsive polymers (SRP) have attracted a lot of attention, due to their potential and promising applications in many fields, as protein-ligand recognition, on-off switches for modulated drug delivery or artificial organs. Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) is one of the most widely studied polymers due to its lower critical solution temperature (LCST) at ~ 32° C in aqueous solution. Additionally, glycopolymers, where free sugar units are present, have potentially interesting applications especially in bio-recognition where sugars play an important role. In this work, our interest was focused on the synthesis of glycomonomers and its block- and random- copolymers with NIPAM. NIPAM homopolymers with an active chain transfer unit at the chain end could be prepared by RAFT. They were used as macro-chain transfer agents to prepare a variety of sugar containing responsive block copolymers from new glycomonomers by the monomer addition concept. The LCSTs of the aqueous solutions of the copolymers are affected strongly by the comonomer content, spacer chain length of the glycomonomer and the chain architecture of the copolymers. These polymers were coated on a solid substrate by spin coating and crosslinked by plasma immobilization. Characterization of the polymers was performed by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), ultraviolet (UV), dynamic light scattering (DLS, detection of aggregation behaviour) and gel permeation chromatography (GPC). Polymer films were investigated by ellipsometry, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy (AFM) regarding their surface properties. Afterwards sulfation of sugar – OH groups was performed in order to obtain heparin like structure, as heparin exhibits numerous important biological activities, like good interaction with diverse proteins. Finally, affinity of the polymers (sulfated and non sulfated form) on a solid support to the endothelial cells was investigated.

Multifunctional monomers on the basis of acryl- and methacryl derivatives were synthesized and different protective groups were used. After polymerization the protective groups were removed by different methods. Various initiators for the NMP of the monomers were synthesized and the reaction conditions were optimized. The results showed that NMP was not a suitable method for multifunctional acryl- and methacryl derivatives to achieve well-defined homopolymers, although it was successful for control of polymerization of styrene and block copolymerization of multifunctional acryl- and methacryl derivatives with alkoxyamine terminated polystyrene. The ATRP of multifunctional acrylates and methacrylates has been successfully performed, as well as the block copolymerization of multifunctional acrylates and methacrylates. Relatively low polydispersities of the corresponding polymers (PD=1.18-1.36) and reasonably high rates of polymerization could be achieved when Me6TREN and PMDETA were used as ligands. However, the ATRP of multifunctional acrylamides and methacrylamides failed. The RAFT-polymerization of styrene, acrylamide and acrylate using BDTB as a CTA and AIBN as an initiator afforded polymers with narrow molecular weight distribution (PD=1.13-1.26). A kinetic investigation and the further synthesis of block copolymers using dithioester-terminated homopolymers as macroCTAs showed that the RAFT polymerization of acrylamide M9b proceeded in a living manner. However, BDTB does not control the reaction of methacrylic monomers, such as methacrylates and methacrylamides. The bulk phase behavior of the block copolymers were examined by means of DSC and the surface behaviors of block copolymers as thin layers were examined with AFM. Two-phase transitions in the block copolymers were observed clearly by DSC, indicative of the appearance of phase separations, which were seen in an AFM image. In conclusion, multifunctional acryl- and methacryl derivatives failed to achieve well-defined homopolymers by NMP. However, this method was successful for block copolymerization of multifunctional acryl- and methacryl derivatives with alkoxyamine terminated polystyrene. Multifunctional acrylates and methacrylates were successfully homopolymerized and block copolymerized by ATRP. Multifunctional acrylates and acrylamides were suitable for homopolymerization and block copolymerization by the RAFT process. Thus far, it is difficult to homopolymerize multifunctional methacrylamides in controlled way.

Thesis (Ph. D.)--Chemical and Biomolecular Engineering, Georgia Institute of Technology, 2006.
Jones, Christopher, Committee Chair ; Schork, F. Joseph, Committee Co-Chair ; Weck, Marcus, Committee Member ; Meredith, Carson, Committee Member ; Agrawal, Pradeep, Committee Member.

Reversible addition-fragmentation transfer (RAFT) was used as a controlling technique for studying the aqueous heterophase polymerization. The polymerization rates obtained by calorimetric investigation of ab initio emulsion polymerization of styrene revealed the strong influence of the type and combination of the RAFT agent and initiator on the polymerization rate and its profile. The studies in all-glass reactors on the evolution of the characteristic data such as average molecular weight, molecular weight distribution, and average particle size during the polymerization revealed the importance of the peculiarities of the heterophase system such as compartmentalization, swelling, and phase transfer. These results illustrated the important role of the water solubility of the initiator in determining the main loci of polymerization and the crucial role of the hydrophobicity of the RAFT agent for efficient transportation to the polymer particles. For an optimum control during ab-initio batch heterophase polymerization of styrene with RAFT, the RAFT agent must have certain hydrophilicity and the initiator must be water soluble in order to minimize reactions in the monomer phase. An analytical method was developed for the quantitative measurements of the sorption of the RAFT agents to the polymer particles based on the absorption of the visible light by the RAFT agent. Polymer nanoparticles, temperature, and stirring were employed to simulate the conditions of a typical aqueous heterophase polymerization system. The results confirmed the role of the hydrophilicity of the RAFT agent on the effectiveness of the control due to its fast transportation to the polymer particles during the initial period of polymerization after particle nucleation. As the presence of the polymer particles were essential for the transportation of the RAFT agents into the polymer dispersion, it was concluded that in an ab initio emulsion polymerization the transport of the hydrophobic RAFT agent only takes place after the nucleation and formation of the polymer particles. While the polymerization proceeds and the particles grow the rate of the transportation of the RAFT agent increases with conversion until the free monomer phase disappears.

The degradation of the RAFT agent by addition of KPS initiator revealed unambigueous evidence on the mechanism of entry in heterophase polymerization. These results showed that even extremely hydrophilic primary radicals, such as sulfate ion radical stemming from the KPS initiator, can enter the polymer particles without necessarily having propagated and reached a certain chain length. Moreover, these results recommend the employment of azo-initiators instead of persulfates for the application in seeded heterophase polymerization with RAFT agents.

The significant slower rate of transportation of the RAFT agent to the polymer particles when its solvent (styrene) was replaced with a more hydrophilic monomer (methyl methacrylate) lead to the conclusion that a complicated cooperative and competitive interplay of solubility parameters and interaction parameter with the particles exist, determining an effective transportation of the organic molecules to the polymer particles through the aqueous phase. The choice of proper solutions of even the most hydrophobic organic molecules can provide the opportunity of their sorption into the polymer particles. Examples to support this idea were given by loading the extremely stiff fluorescent molecule, pentacene, and very hydrophobic dye, Sudan IV, into the polymer particles.

Finally, the first application of RAFT at room temperature heterophase polymerization is reported. The results show that the RAFT process is effective at ambient temperature; however, the rate of fragmentation is significantly slower. The elevation of the reaction temperature in the presence of the RAFT agent resulted in faster polymerization and higher molar mass, suggesting that the fragmentation rate coefficient and its dependence on the temperature is responsible for the observed retardation.
Um neue Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften zu erstellen, muss man in der Lage sein, die Struktur der Moleküle zu kontrollieren, aus denen die Materialien bestehen. Für das Maßschneidern solcher neuer Eigenschaften besitzen Polymere ein großes Potenzial: Dies sind sehr lange Moleküle, die aus einer großen Zahl von kleineren Einheiten aufgebaut sind. Proteine und DNS sind Beispiele für natürliche Polymere; Plastik und Gummi sind Beispiele für künstliche Polymere. Letztere werden üblicherweise durch das Zusammenfügen einer Reihe von kleineren Molekülen, den Monomeren, hergestellt. Schon lange versuchen Wissenschaftler, die Anordnung, Anzahl und Art dieser Monomere zu kontrollieren, die sich in der Struktur der Polymermoleküle widerspiegeln. Die gebräuchlichste Methode zur kommerziellen Produktion von Polymeren ist die so genannte freie radikalische Polymerisation. Die Strukturkontrolle durch diese Methode ist jedoch relativ schwierig und wurde maßgeblich erst im letzten Jahrzehnt entwickelt. Trotz der Existenz einiger effektiver Kontrollmethoden ist ihre industrielle Anwendung bislang sehr beschränkt, weil sie nicht für die Emulsionspolymerisation verwendbar sind. Die Emulsionspolymerisation ist die gängigste Technik in der industriellen Produktion von Polymeren. Es handelt sich dabei um ein vergleichsweise umweltfreundliches Verfahren, denn es werden keine organischen Lösungsmittel verwendet. Stattdessen dient Wasser als Lösungsmittel, in dem die Polymere in Form von kleinen, fein verteilten Partikeln vorliegen. In der Natur kommt dieses Prinzip beispielsweise in Pflanzen bei der Bildung von Kautschuk - allgemein als Latex bezeichnet - vor. Schließlich ist die Emulsionspolymerisation einfach durchzuführen: Das Produkt ist in vielen Fällen gebrauchsfertig, und es gibt viele technische Vorteile im Vergleich zu anderen Herstellungsprozessen.

Doch bevor die Probleme beim Einsatz von Kontrollmethoden in der Emulsionspolymerisation gelöst werden können, müssen erst ihre Ursachen geklärt werden. Dies ist eine unverzichtbare Vorraussetzung zum Übertragen von Forschungsergebnissen auf das tägliche Leben.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Probleme, die für die kontrollierte radikalische Polymerisation in Emulsion von Bedeutung sind. Die wichtigste Fragestellung in der Emulsionspolymerisation zielt auf die Löslichkeit der Reaktionskomponenten in den verschiedenen Phasen, wie z.B. in Wasser oder in den Polymerpartikeln. Die Kontrollmethode der Wahl für diese Arbeit ist "Reversibler Additions-Fragmentierungs Transfer" (RAFT). Die RAFT-Methode ist die modernste Kontrollmethode, und sie ist für viele Reaktionsbedingungen und viele Arten von Monomeren anwendbar.

Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2001.
ENGLISH ABSTRACT: A novel approach to conducting controlled free radical polymerization in aqueous systems using Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer (RAFT) has been studied. When conducting RAFT in aqueous systems, reaction conditions must be chosen such that monomer transport across the aqueous-phase is either eliminated or facilitated. This is to prevent the formation of the red layer associated with RAFT in emulsions. The formation of the red layer is ascribed to the inability of waterinsoluble, dithiobenzoate-endcapped oligomers to be sufficiently transported across the aqueous phase. The novel approach in this study focussed on eliminating monomer transport and comprises two fundamental steps: the synthesis of dithiobenzoate-encapped oligomers in bulk followed by miniemulsification of these oligomers to yield a polymerizable miniemulsion. Dithioesters that act as chain transfer agents in the RAFT -process were synthesized in situ, thereby eliminating laborious and time-consuming organic purification procedures of dithioesters. In situ formation of the RAFT-agents involved conducting the reaction between di(thiobenzoyl) disulfide and conventional azo-initiators of differing structures in the presence of monomer. The structure of the chosen azo-initiator played a role in the efficiency of the RAFT process when the reaction was conducted in the presence of monomer to control the free radical polymerization process. Synthesis of the oligomers was performed by heating di(thiobenzoyl) disulfide and a selected azo-initiator, in the presence of monomer for a specific reaction duration in bulk. After the reaction was stopped, these oligomers were then miniemulsified by adding water, surfactant and cosurfactant, followed by the application of shear to form the resulting mini emulsion. The free radical polymerization of the dithiobenzoate-endcapped oligomers in the miniemulsion proceeded in a controlled manner with molecular weight increasing in a linear fashion with increasing conversion, while polydispersities remained low. The familiar red layer formation associated with RAFT polymerization in conventional emulsions was not observed under these conditions. The effects of changing the cosurfactant (hydrophobe) as well as changing the degree of polymerization of the emulsified oligomers were also investigated and described.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie is geloods om 'n nuwe benadering tot die beheerde vry-radikaal polimerisasie in water gebaseerde sisteme te ondersoek. Daar is spesifiek gekyk na die uitvoer van die RAFT (Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer) proses in emulsies. Wanneer RAFT in emulsies toegepas word, moet die toestande waaronder die reaksie uitgevoer word, versigtig opgestel word. Die toestande moet so gekies word dat die vervoer van monomere deur die waterfase óf geëlimineer word óf gefasiliteer word. Dit word gedoen om die faseskeiding in die vorm van 'n rooi laag, wat so kenmerkend van RAFT -polimerisasie in emulsies is, te voorkom. Hierdie faseskeiding vind plaas omdat die vervoer van ditiobensoaat endgroep-bevattende oligomere deur die waterfase tydens interval II, moeilik is a.g.v. hulle oplosbaarheid in water. Die nuwe benadering wat hier bestudeer is, het twee basiese stappe. Eerstens word die ditiobensoaat endgroep-bevattende oligomere in bulk gesintetiseer. Dit word gevolg deur die emulsifisering van die oligomere. Hierna vind verdere polimerisasie van die oligomere plaas deur die dormante oligomere te heraktiveer. Die ditio-esters wat as kettingoordrag agente optree in die RAFT proses, word in situ gesintetiseer. Hierdie modifikasie sny tydrowende organiese suiweringsmetodes uit. Die in situ RAFT agente word gesintetiseer deur di(tiobensoïel) disulfied met verskillende konvensionele azo-inisieerders te laat reageer. Die struktuur van die spesifieke azoinisieerder het wel 'n rol gespeel in die effektiwiteit van die RAFT proses om molekulêre massa te beheer as bg. reaksie in die teenwoordigheid van monomere uitgevoer is. Die sintese van die oligomere is gedoen deur di(tiobensoïel) en 'n azo-inisieerder te verhit in die teenwoordigheid van monomere. Die reaksie is gedoen in bulk en die graad van polimerisasie van die oligomere is beheer deur die reaksie te stop by verskillende tydstippe. Nadat die bulk reaksie gestop is, is hierdie oligomere ge-emulsifiseer deur die oligomere te meng met 'n seep, hidrofoob en water. Hierdie mengsel word dan onderwerp aan 'n vermengingskrag om 'n polimeriseerbare mini-emulsie te vorm. Die voortsetting van die polimerisasie van die oligomere in die mini-emulsie het op 'n beheerde wyse verloop, m.a.w. molekulêre massa wat linieêr toeneem met stygende omsetting. Polidispersiteit indekse van die polimere het deurentyd laag gebly in die stabielste sisteme. Onder hierdie toestande was daar geen kenmerkende rooi laagvorming te bespeur nie. Die effekte wat die verandering van die hidrofoob, asook die verandering van die graad van polimerisasie van die oligomere op die sisteem gehad het, is onder andere ook ondersoek en beskryf.

L'objectif de ce travail de thèse est de préparer des latex nanocomposites à base d’argile, la Laponite RD, en émulsion aqueuse, à l'aide de la polymérisation radicalaire contrôlée par transfert de chaîne réversible par addition-fragmentation (RAFT). Les plaquettes de Laponite ont été choisies comme charge inorganique surtout pour leur anisotropie de forme, ce qui pourrait permettre l’elaboration de films nanostructurés, mais aussi pour leurs propriétés thermiques et mécaniques, leur pureté chimique élevée et la distribution uniforme en taille des plaquettes. Des polymères hydrophiles (macroRAFT) à base de polyéthylène glycol (PEG), d’acide acrylique (AA) ou de méthacrylate de N,N- diméthylaminoéthyle (DMAEMA) et comportant des unités hydrophobes d’acrylate de n-butyle (ABu) (dans certains cas) et un groupe trithiocarbonate terminal, ont été tout d'abord synthétisés. Ensuite, l'interaction entre les macroRAFTs et l’argile a été étudiée à travers le tracé des isothermes d'adsorption. En agissant comme des agents de couplage et des stabilisants, ces macroRAFTs ont eté utilisés dans la copolymérisation en émulsion du (méth)acrylate de méthyle et de l’ABu en mode semi-continu en presence d’argile. Des particules de latex hybrides de différentes morphologies ont été obtenues et les morphologies ont été reliées à la nature et à la concentration de l’agent macroRAFT, au pH de la dispersion macroRAFT/Laponite, à la température de transition vitreuse du copolymère final (fonction de la composition du mélange de monomères hydrophobes) et aux conditions de polymérisation. Les analyses par cryo-MET indiquent des plaquettes de Laponite décorées par des particules de polymère (plusieurs particules de latex en surface des plaquettes d'argile), des particules ‘haltère’, janus, ‘carapace’ (particules de latex décorées en surface par les plaquettes de Laponite) ou encore des particules multi-encapsulées (plusieurs plaquettes encapsulées dans chaque particule de latex). Les propriétés mécaniques des films de polymère/Laponite ont été étudiées par spectrométrie mécanique dynamique et corrélées à la morphologie des particules et à la microstructure des films
The aim of this work is to prepare Laponite RD-based nanocomposite latexes by aqueous emulsion polymerization, using the reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. Laponite platelets were selected as the inorganic filler due, especially, to their anisotropic shape, which allows the production of nanostructured films, but also for their thermal and mechanical properties, their high chemical purity and the uniform dispersity of the platelets. Hydrophilic polymers (macroRAFT) composed of poly(ethylene glycol) (PEG), acrylic acid (AA) or N,N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) and comprising hydrophobic n-butyl acrylate (BA) units (in some cases) and trithiocarbonate terminal group were initially synthesized. Then, the interaction between the macroRAFTs and the clay was studied through the plot of adsorption isotherms. By acting as coupling agents and stabilizers, the macroRAFT agents were used in the emulsion copolymerization of methyl (meth)acrylate and BA by semi-continuous process in the presence of the clay. Hybrid latex particles with different morphologies were obtained and the results were associated to the nature and concentration of the RAFT (co)polymers, to the pH of the macroRAFT/Laponite dispersion, the glass transition temperature of the final copolymer (function of the composition of the hydrophobic monomers mixture) and to the polymerization conditions. The cryo-TEM images indicate the formation of polymerdecorated Laponite platelets (several latex particles located at the surface of the platelets), dumbbell-like, janus, Laponite-decorated (armored) latex particles, and multiple encapsulated particles (several platelets inside each latex particle). The mechanical properties of polymer/Laponite films were studied by dynamic mechanical analysis and correlated with the particles morphology and the films microstructure
Este trabalho de tese tem como objetivo a preparação de látices nanocompósitos à base da argila Laponita RD em emulsão aquosa, via polimerização radicalar controlada por transferência de cadeia via adição-fragmentação reversível (RAFT). A Laponita foi escolhida como carga inorgânica devido principalmente à forma anisotrópica de suas lamelas, o que permite a elaboração de filmes nanoestruturados, mas também por suas propriedades térmicas e mecânicas, por sua alta pureza química e pela distribuição uniforme, em termos de tamanho, de suas partículas. Inicialmente, polímeros hidrofílicos (macroRAFT) à base de poli(etileno glicol) (PEG), de ácido acrílico (AA) ou de metacrilato de N,N-dimetilaminoetila (DMAEMA) que contêm unidades hidrofóbicas de acrilato de nbutila (ABu) (em alguns casos) e um grupo tritiocarbonílico terminal foram sintetizados. Em seguida, a interação entre os macroagentes de controle (macroRAFTs) e a argila foi estudada através de isotermas de adsorção. Atuando como agentes de acoplamento e estabilizantes, esses macroRAFTs foram então utilizados na copolimerização em emulsão do (met)acrilato de metila e do ABu em processo semicontínuo na presença da argila Laponita. Partículas de látex híbrido de diferentes morfologias foram obtidas e os resultados foram correlacionados à natureza e à concentração dos macroRAFTs, ao pH da dispersão macroRAFT/Laponita, à temperatura de transição vítrea do copolímero final (função da composição da mistura de monômeros hidrofóbicos) e às condições de polimerização. As análises de cryo-TEM indicam a formação de lamelas de Laponita decoradas com partículas de polímero (várias partículas de látex localizadas na superfície das lamelas), de partículas do tipo dumbbell, janus, blindadas (partículas de látex decoradas com lamelas de argila em sua superfície) ou ainda de partículas multiencapsuladas (diversas lamelas encapsuladas dentro de uma única partícula de látex). As propriedades mecânicas dos filmes de polímero/Laponita foram estudadas por análise dinâmico-mecânica e correlacionadas à morfologia das partículas e à microestrutura dos filmes

Bottlebrush polymers are interesting topologies that have become increasingly relevant in various applications including rheology modifiers, super-soft elastomers, photonic crystals, anti-fouling coatings, the in vivo delivery of therapeutic agents, and as promising substrates in lithographic printing. These macromolecules are comprised of numerous polymeric side-chains densely grafted to a polymer backbone. The densely grafted nature of bottlebrush polymers results in steric repulsion between neighboring polymer chains, forcing these macromolecules to adopt a chain-extended conformation. Although these remarkable macromolecules have a many different applications, the transformative potential of the bottlebrush polymer topology has not been realized because the synthesis of high molecular weight bottlebrush polymers is challenging. This dissertation focusses on improving the synthesis of these large macromolecules using the grafting-through strategy in the first section and the transfer-to strategy in the second section. For the first time the effect of anchor group chemistry—the configuration of atoms linking the polymer to a polymerizable norbornene—was studied on the kinetics of ring-opening metathesis polymerization (ROMP) of macromonomers (MMs) initiated by Grubbs 3rd generation catalyst. A variance in the rate of propagation of >4-fold between similar MMs with different anchor groups was observed. This phenomenon was conserved across all MMs tested, regardless of solvent, molecular weight (MW), or repeat unit identity. Experimental and computational studies indicated that the rate differences likely resulted from a combination of varying steric demands and electronic structure among the different anchor groups. This new insight will allow others to achieve high MM conversion and prepare pure, high MW bottlebrush polymers by ROMP grafting-through. The second section of this dissertation deals with a little studied bottlebrush synthesis technique called the transfer-to method. This method is a hybrid of the grafting-from and grafting-to approaches in which the growing polymer side chains detach from the backbone, propagate freely in solution, and then reattach to the backbone in a chain transfer step. Several parameters were investigated to determine optimal conditions for this process. This study provides for the first time a guide to use the transfer-to method to produce high purity bottlebrush polymers with controllable backbone and side chain length.
Ph. D.

Thesis (PhD (Chemistry and Polymer Science))--University of Stellenbosch, 2010.
ENGLISH ABSTRACT: Living chains prepared by RAFT polymerization and NMP reactions using Z-carboxylate and Z-phosphate RAFT agents, and X-phosphate NMP initiators, were efficiently attached to the surface of magnetic nanoparticles (MNPs) and used for the separation of dead chains formed in these polymerization reactions prior to the attachment of the RAFT agents and NMP initiators to the surface of MNPs. All the living chains that attach selectively to the surface of MNPs contained RAFT or NMP functionalities, had a low polydispersity index (PDI), and could be reactivated to form new polymer extensions or block copolymers with no detectable deviation from 100% efficiency. RAFT chains prepared by RAFT polymerization using the Z-carboxylate RAFT agent and an excess of free radical initiator were also attached to the surface of MNPs and separated in the presence of an external magnetic field. Separated RAFT-functional chains contained no dead chains formed by combination or disproportionation reactions, but a substantial amount of cross-terminated by-product with a low UV absorbance at 320 nm. The cross-termination of the intermediate radical formed in the RAFT polymerization reactions was also investigated in the monomer-excluded free radical reaction model of polystyryl benzyl-(4-carboxyl dithiobenzoate) and polystyryl ethyl-2-bromoisobutyrate. The Z-carboxylate 3- and 4-arm star polymers (formed by cross-termination reactions) were then efficiently attached to the surface of MNPs and separated from the remainder of the polymer solution. They were separated from MNPs and characterized by 1H and 13C-NMR spectroscopy, and MALDI-ToF-MS. Living chains prepared by a RAFT miniemulsion polymerization reaction using Z-carboxylate RAFT agent were attached to the surface of MNPs and used for the separation of all dead chains and uncontrolled high molecular weight polymer of secondary particle formations occur during a miniemulsion polymerization reaction prior to the attachment. Separated dead chains had high PDI values and contained a significant fraction of uncontrolled high molecular weight polymer that lacked RAFT functionality. Initiator-derived chains formed in RAFT polymerization reactions of styrene (St) and methyl methacrylate (MMA) using phosphate free radical (PFR) initiator were selectively attached to the surface of MNPs and separated from R-group-derived polymer chains in the presence of an external magnetic field. All separated initiator-derived chains contained large fractions of dead chains with weak UV absorbance, and which lacked RAFT functionality, and small fractions of RAFT polymer chains. The separated initiator-derived chains had higher PDI values than the as-prepared polymer in the polymerization of St, but lower PDI values than the as-prepared polymer in the polymerization of MMA. RAFT agents attached to the surface of MNPs by the Z group were used as mediating agents for the synthesis of polymers grafted to the surface of MNPs. The polymers grafted to the surface of MNPs were separated from the solution of the free polymer by applying an external magnetic field. The amounts of the polymers grafted to the surface of MNPs greatly increased as the number of RAFT agents attached to the surface of MNPs decreased. When ethyl acetate was used as solvent, it reached 65% by weight and 50% by number of chains. Separated polymers grafted to the surface of MNPs had high PDI values and contained RAFT functionality. Investigations into the kinetics of the RAFT-mediated polymerization reaction on the surface of MNPs revealed that the polymerization reaction mediated using a RAFT agent attached by its Z group to the surface of MNPs had a faster polymerization rate than that mediated using a free Z group RAFT agent. The molecular weight of the grafted polymer increased linearly with conversion, and the reaction rate was pseudo-first-order.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Lewende polimeerkettings, berei deur middel van RAFT-beheerde polimerisasie en NMP reaksies waarin Z-karboksilaat en Z-fosfaat RAFT-verbindings en 'n X-fosfaat NMP afsetter gebruik is, is geheg aan die oppervlaktes van magnetisenanopartikels (MNPs), en gebruik vir die skeiding van dooie kettings wat tydens die RAFT en NMP reaksies gevorm is. Alle lewende kettings wat aan die oppervlakte van die MNPs geheg is, is geskei van die oorblywende polimeeroplossing deur die aanwending van ‗n eksterne magnetise veld. Alle kettings wat selektief aan die oppervlaktes van die MNPs gekoppel is met RAFT of NMP funksionaliteit, het ‗n laë poliverspreidingswaarde (PDI) gehad en kon heraktiveer word om ‗n nuwe polimeerverlengings of blokkopolimere te vorm met geen merkbare afwyking van 100% doeltreffendheid nie. RAFT-kettings wat gedurende RAFT-polimerisasie met 'n Z-karboksilaat RAFT-agent en oormaat vrye-radikaalafsetter berei is, is ook geheg aan die oppervlaktes van MNPs en geskei in die teenwoordigheid van 'n eksterne magnetiese veld. Die geskeide RAFT-funksionele kettings het geen dooie kettings bevat nie (gevorm deur kombinasie reaksies), maar 'n aansienlike hoeveelheid ongekontroleerde hoë molekulêremassa polimeer (met lae UV absorpsie by 320 nm). Die kruis-beëindiging van die intermediêre radikaal wat gevorm is tydens die RAFT-proses is ondersoek in die monomeer-uitsluitende vrye-radikaalreaksiemodel van polistirielbensiel-4-karboksielditiobensoaat en polistirieletiel-2-bromoisobutiraat. Die Z-karboksilaat 3- en 4-arm sterpolimere (gevorm a.g.v. kruis-terminasiereaksies) is effektief geheg aan die oppervlaktes van MNPs en geskei van die res van die polimeeroplossing, en daarna gekarakteriseer met behulp van 1H en 13C KMR, en MALDI-ToF-MS. Lewende kettings, berei m.b.v. RAFT miniemulsiepolimerisasies met 'n Z-karboksilaat RAFT-agent, is geheg aan die oppervlaktes van MNPs en gebruik vir die skeiding van alle dooie kettings en sekondêre partikels wat tydens die reaksie voor die aanhegting gevorm het. Die geskeide dooie kettings wat agtergebly het, het 'n wye PDI getoon en het 'n aansienlike hoeveelheid ongekontroleerde hoë molekulêremassa polimeer, met geen RAFT-funksionaliteit nie, bevat. Afsetterafkomstigekettings wat gevorm is tydens die RAFT polimerisasiereaksies van stireen (St) en metielmetakrilaat (MMA) met 'n fosfaat-vrye vrye-radikaalafsetter is selektief geheg aan die oppervlaktes van MNPs en geskei van R-groep-afkomstige polimeerkettings in die teenwoordigheid van 'n eksterne magnetise veld. Alle geskeide afsetter-afkomstige kettings het 'n groot hoeveelheid dooie kettings gehad (met swak UV absorpsie) en met geen RAFT-funksionalilteit nie, en klein fraksies van RAFT-polimeerkettings. Die geskeide afsetter-afkomstige kettings het hoër PDI waardes gehad as die ('as-prepared') polimeer in die polimerisasie van St, maar laer PDI waardes as die ('as-prepared') polimeer in die polimerisasie van MMA. RAFT-verbindings wat aan die oppervlaktes van die MNPs geheg is deur middel van die Z-groep is as bemiddellingsagente (Eng: mediating agents) gebruik vir die sintese van polimere wat geënt is aan die oppervlakte aan MNPs. Die polimere wat aan die oppervlakte van die MNPs geënt is is geskei van die res van die polimeeroplossing deur die aanwending van ‗n eksterne magnetise veld. Die hoeveelhede van die polimere wat aan die oppervlaktes van die MNPs geënt is het sterk toegeneem namate die aantal RAFT-agente wat aan die oppervlaktes van MNPs geheg is afgeneem het. Wanneer etielasetaat as oplosmiddel gebruik is, was die waardes 55% m.b.t. gewig en 45% m.b.t. die aantal kettings. Die geskeide polimere wat aan die oppervlaktes van MNPs geënt is het hoë PDI getoon en het RAFT-funksionaliteit bevat. Die kinetika van die RAFT-beheerde polimerisasiereaksies van St, wat gebruik maak van ‗n RAFT-agent wat aan die oppervlakte van die MNPs geheg is deur middel van die Z-groep, is ook ondersoek. Die tempo van polimerisasie was vinniger in die geval waarin die RAFT-agent geheg is deur sy Z-groep aan die oppervlakte van die MNPs as die reaksie met 'n RAFT agent met 'n vrye Z-groep. Die molekulêremassas van die entpolimere het liniêr toegeneem met omsetting, en die reaksie was pseudo-eerste-orde.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le contrôle de la polymérisation radicalaire de l'éthylène à basse pression (200 bar) et basse température (70 °C) et sur la synthèse de copolymères à blocs contenant au moins un segment de polyéthylène. Quatre techniques de polymérisation, couramment utilisées en ingénierie macromoléculaire, ont été étudiées : NMP, CMRP, RAFT/MADIX et ESCP. Nos études sur le nitroxyde SG1 (NMP) et le bis(acétylacétonate) de cobalt (CMRP) ont montré que ces composés sont inefficaces pour contrôler la polymérisation de l'éthylène. Un comportement inattendu du bis(acétylacétonate) de cobalt a cependant été mis en évidence. Il semblerait que ces complexes de cobalt favorisent les réactions de couplage entre les radicaux propagateurs. En revanche, la première polymérisation radicalaire contrôlée de l'éthylène a été atteinte grâce à l'utilisation de xanthates (RAFT/MADIX). Les polyéthylènes synthétisés possèdent des masses molaires qui augmentent linéairement avec la conversion et des dispersités faibles. Le caractère pseudo-vivant de la réaction a été démontré par la synthèse de copolymères à blocs poly(acétate de vinyle)-b-polyéthylène. L'utilisation de nitrones (ESCP) a également permis l'introduction d'une fonction réactive au centre des chaînes de polyéthylène et la synthèse de copolymères triblocs de type ABA, où les blocs latéraux A sont en polystyrène ou polyacrylate et le bloc central B est en Polyéthylène
The work presented in this thesis displays the controlled radical polymerization of ethylene at low temperature (70 °C) and low pressure (200 bar) and the synthesis of block copolymers featuring polyethylene segments. Four polymerization techniques, commonly used in macromolecular engineering, were studied: NMP, CMRP, RAFT/MADIX and ESCP. Our investigation of the use of SG1 nitroxide (NMP) and cobalt (II) acetylacetonate (CMRP) as controlling agents demonstrated their inability to control the polymerization of ethylene. Nonetheless, an unexpected reaction with cobalt (II) acetylacetonate was observed. The coupling reaction between propagating radicals appeared to be favored by the presence of this compound. On the other hand, the first controlled polymerization of ethylene was successfully achieved by using xanthate (RAFT/MADIX). A linear increase of molecular weight with conversion and low polydispersities were observed for the produced polyethylenes. The reaction was demonstrated to be a pseudo-living polymerization by the synthesis of block copolymers poly(vinyl acetate)-b-polyethylene. In addition, midchain-functionalized polyethylenes and ABA type block copolymers, with polystyrene or polyacrylate as the A block and polyethylene as the B block, were also prepared using nitrone based polymerization technique (ESCP)

Les copolymères de PVDC possèdent des propriétés barrières à l'oxygène et à la vapeur d'eau qui en font un matériau de choix pour l'industrie de l'emballage alimentaire ou pharmaceutique. Les latex à base de PVDC (noté latex de PVDC) sont actuellement stabilisés par des tensioactifs de faibles masses molaires susceptibles de migrer dans le film après enduction et de dégrader ses propriétés. Le but de ce projet est donc la synthèse de latex de PVDC sans tensioactif en présence d'agents RAFT macromoléculaires (macroRAFT) hydrophiles qui jouent le rôle de stabilisants des particules tout en étant liés de manière covalente à celles-ci. La copolymérisation par RAFT du VDC a tout d'abord été étudié en milieu homogène. Des copolymères statistiques et des copolymères à blocs amphiphiles à base de VDC bien définis ont été synthétisés. Ensuite, des macroRAFT hydrophiles non ioniques et sensibles au pH, préformés en milieu organique, ont montré la possibilité d'obtenir des latex de PVDC où le bloc hydrophile stabilisant était lié de manière covalente aux particules. Enfin, un procédé intégralement dans l'eau a été mis au point avec des macroRAFT sensibles au pH ou chargés de manière permanente, synthétisés en milieu aqueux et utilisés directement dans la polymérisation en émulsion. Des latex stables de PVDC ont été obtenus à des taux de solide de 40 % à partir de faibles quantités de macroRAFT répondant ainsi aux exigences industrielles du projet. Les films formés à partir de ces latex auto-stabilisés sont transparents, ne blanchissent que très peu lors du contact avec l'eau, contrairement au film commercial de référence et ont montré des propriétés barrières supérieures
Since poly(vinylidene chloride) (PVDC)-based copolymers present unique oxygen and water vapor barrier properties, they are a material of choice for pharmaceutical blisters and food packaging. PVDC-based latexes used in coating applications are generally stabilized by low molecular weight surfactants, which are prone to migration in the film after coating and cause material degradation. The main goal of our project is the synthesis of surfactant-free PVDC-based latexes by using hydrophilic macromolecular RAFT agents (macroRAFT). The latter plays the role of precursor of stabilizer and limits migration phenomena by being covalently bound to particles. In a first part, RAFT polymerization of VDC was studied in homogenous solution. Well-defined statistical and amphiphilic blocks copolymers based on PVDC were synthesized. Then, PVDC-based latexes were obtained by emulsion polymerization mediated by hydrophilic non-ionic and pH sensitive macroRAFT pre-formed in organic solvent. Those hydrophilic segments were chemically anchored to the particles. A fully water-based process was developed by synthesizing in water pH sensitive and permanently charged hydrophilic macroRAFT which were further used directly in emulsion polymerization without additional purification. Stable PVDC-based latexes exhibiting solids content of 40 % were obtained using a very small quantity of macroRAFT, fulfilling the industrial requirements. Drying of self-stabilized latexes led to transparent films which display only a slight whitening after water exposition contrary to the commercial film reference and better barrier properties

Les polymères fluorés constituent une classe de polymères à part, aux propriétés remarquables (résistance chimique et thermique, ferroélectricité et piézoélectricité lorsqu‟ils sont semicristallins pour en citer quelques-unes). Les polymères fluorés ont trouvé de nombreuses applications industrielles. Toutefois, ils n‟ont pas encore attiré tout l‟intérêt qui leur est dû de la part de la communauté scientifique. Il reste en effet difficile de préparer des architectures polymères fluorées bien définies. Les techniques de synthèse développées et utilisées jusqu‟à présent permettent la synthèse d‟architectures polymères intéressantes, mais elles souffrent de deux inconvénients majeurs : 1) Elles ne permettent pas d‟accéder à de hautes masses molaires, et 2) les architectures obtenues ne sont pas bien définies. En conséquence, les études physiques de ségrégation de phases en films ou en masse, et ou bien celles qui portent sur la cristallisation des polymères fluorés ont été limitées aux homopolymères et aux mélanges. De même, il existe très peu de travaux sur l‟auto-assemblage d‟architectures polymères fluorées en solution. A travers une étude cinétique approfondie, des caractérisations détaillées en spectroscopie (NMR) ainsi que des calculs DFT, cette étude a révélé la remarquable éfficacité de la RAFT pour synthétiser des architectures de PVDF bien définies. L‟auto-assemblage de blocs PVDF-b-PVA ainsi que l‟autoassemblage induit par la polymérisation de copolymères PVAc-b-PVDF ont dévoilé les premières nanostructures de type coeur/coquille et rose des sables à base de PVDF
Fluoropolymers constitute a specific class of polymers, with remarkable properties (high resistance to chemicals and heat, ferroelectricity and piezoelectricity for semi-crystalline polymers, to name a few). Fluoropolymers have found many industrial applications. However, fluoropolymers have not yet attracted all the interest they deserve from the scientific community. It is indeed difficult to prepare well-defined fluorinated polymeric architectures. The synthesis techniques developed and used so far allow the preparation of interesting architectures, but they suffer from two major drawbacks: 1) They do not allow access to high molar mass, and 2) The resulting architectures are ill-defined. As a result, physical chemistry studies of the phase segregation phenomena in films or in the bulk, or of the crystallization of fluorinated polymers were for the most part limited to homopolymers and blends. Similarly, very few studies of the self-assembly in solution of fluorinated polymeric architectures have been reported. Throughout deeper kinetic study, NMR characterizations and DFT calculation, this study reveals the remarkable efficiency of the RAFT polymerization to synthesize well-defined PVDF–based architectures. Self-assembly of PVDF-b-PVA block copolymers as well as polymerization-induced self-assembly of PVAc-b-PVDF block copolymers led to the first crystalline core/shell and desert-rose PVDF-based nanostructures

Ce travail concerne la modification de surface de nanoparticules magnétiques (MNP) par des copolymères réactifs renfermant des cycles azlactone, aux fins de l’élaboration de nano-supports destinés à l’immobilisation de biomolécules. Trois stratégies basées sur des techniques de polymérisation radicalaire contrôlée ont été mises en œuvre.Dans la première, un copolymère poly(méthacrylate de poly(éthylène glycol)-stat-2-vinyl-4,4-diméthylazlactone) (poly(PEGMA-stat-VDM)) a été préparé par polymérisation radicalaire par transfert d’atome (ATRP) selon la technique « grafting from » à partir des MNP et utilisé pour la bioconjugaison de thymine peptide nucleic acid (PNA). La présence de l’écorce polymère et l’immobilisation du PNA ont été confirmées par différentes techniques complémentaires (FTIR, VSM).La deuxième stratégie est basée sur l’élaboration de MNP greffées pour la bioconjugaison de l’acide folique, via l’ARTP du PEGMA et de la VDM. L’analyse par microscopie électronique à transmission (TEM) a montré qu’après bioconjugaison les MNP possèdent une très bonne aptitude à la dispersion en milieu aqueux.La troisième stratégie met en œuvre la technique «grafting onto » de copolymères poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(2-vinyl-4,4-dimethylazlactone) (PEO-b-PVDM) pour la préparation de nanosupports magnétiques recyclables. Des copolymères à blocs PEO-b-PVDM ont été préparés par la technique de polymérisation RAFT puis greffés sur des MNP fonctionnalisées amino-silane. Les analyses en TEM et par spectroscopie de corrélation de photons ont révélé l’aptitude à la dispersion aqueuse et à la formation de nanoclusters. Les clusters ainsi obtenus ont été utilisés en tant que nanosupports magnétiques recyclables pour l’adsorption d’anticorps
We herein report the surface modification of magnetite nanoparticle (MNP) with copolymers containing active azlactone rings via a grafting ‘from’ and grafting ‘onto’ controlled radical polymerization (CRP) for use as a nano-solid support for immobilization with biomolecules. Three different approaches were presented as following. First, synthesis of poly(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate-stat-2-vinyl-4,4-dimethylazlactone) (PEGMA-stat-VDM)-grafted MNP via a grafting ‘from’ atom transfer radical polymerization (ATRP) and its application as a platform for conjugating thymine peptide nucleic acid (PNA) monomer were presented. The presence of polymeric shell and the immobilization of thymine PNA on MNP core were confirmed by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and vibrating sample magnetometry (VSM) techniques. The second strategy is based on the synthesis of MNP grafted with PEGMA and VDM via ATRP for conjugation with folic acid (FA). The existence of PEGMA and VDM in the structure was characterized by FTIR, TGA and VSM. After the FA conjugation, Transmission Electron Microscopy (TEM) results indicated that the FA-conjugated MNP having high VDM content exhibited good dispersibility in water.Third, the synthesis of MNP grafted with poly(ethylene oxide)-block-poly(2-vinyl-4,4-dimethylazlactone) (PEO-b-PVDM) block copolymer via a grafting ‘onto’ strategy and its application as recyclable magnetic nano-support for adsorption with antibody were studied. PEO-b-PVDM diblock copolymers were first synthesized using reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization and then grafted onto amino-functionalized MNP. TEM images and photo correlation spectroscopy (PCS) indicated an improvement in the particle dispersibility in water after coating with the copolymers. The nanoclusters with PEO-b-PVDM copolymer coating were used as recyclable magnetic nano-supports for adsorption with antibody

L’objectif principal de ce travail de thèse est de synthétiser par polymérisation RAFT en milieux homogène et hétérogène des copolymères à blocs amphiphiles de structure bien contrôlée. Un procédé simplifié, « ont pot » a donc été développé pour synthétiser ces copolymères et les auto-assembler en particules dans l’eau. Cette méthode dite de « l’auto-assemblage induit par la polymérisation » (PISA) permet de synthétiser en quantité des copolymères à blocs amphiphiles en milieux aqueux sans aucune étape de purification intermédiaire. Dans ce procédé, deux étapes successives sont effectuées dans le même réacteur. La 1ère étape a pour but de synthétiser des agents RAFT macromoléculaires hydrophiles (macroRAFTs) par polymérisation en solution dans l’eau. Ces macroRAFTs fonctionnalisés par un groupement trithiocarbonate sont ensuite utilisés dans le même réacteur comme agents de contrôle etprécurseurs de stabilisants pour la polymérisation en émulsion du monomère hydrophobe directement dans l’eau. Lors de cette 2nde étape, des copolymères à blocs amphiphiles sont formés et s’auto-assemblent sous forme de particules aux morphologies variées (sphères, filaments et vésicules). Nous avons alors étudiés les différents paramètres (pH, température de polymérisation en émulsion, nature des monomères hydrophobe et hydrophile, taux de solide, masses molaires des blocs hydrophobe et hydrophile, etc)gouvernant la formation de morphologies spécifiques. Un objectif supplémentaire a été l’étude du comportement viscoélastique linéaire des suspensions de ces nano-fibres polymère à une température inférieure (25°C) ou supérieure (130°C) à la température de transition vitreuse (Tg) du coeur polystyrène des nano-fibres. A T < Tg, les nano-fibres sont parfaitement rigides et obéissent à une dynamique brownienne de bâtonnets. En effet, les lois d’échelles déduites du comportement viscoélastique de ces suspensions obéissent aux lois prédites par Doi-Edwards. En revanche, ces nano-fibres sont flexibles pour T > Tg et ont une dynamique Brownienne de chaînes polymères en solution
The aim of this work was synthesis of well-defined amphiphilic block copolymers in homogenous and heterogenous media using RAFT polymerization (Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer) and to study their self-assemblies in water. A one-pot process in water was developed for the synthesis of amphiphilic block copolymers that simultaneously to their growth self-assembled into nano-particles. This method called “polymerization-induced self-assembly” (PISA) allows the synthesis of large quantities of amphiphilic block copolymers in aqueous media without any intermediate purification step. During this process, two successive polymerization steps are performed in the same reactor. The first step consists in the synthesis of the hydrophilic macromolecular RAFT agents (macroRAFT agents) possessing a trithiocarbonate reactive group via RAFT in water. Without purification, these macroRAFT agents are reactivated for the polymerization of a hydrophobic monomer in the same reactor via RAFT emulsion polymerization. The resulting amphiphilic block copolymers self-assembled into nano-objects with various morphologies (spherical micelles, nanofibers and vesicles). Different parameters (pH, temperature, natureof hydrophilic and hydrophobic monomers, solids contents, molar masse of hydrophilic and hydrophobic blocks, etc) control these morphologies. Besides, the viscoelastic properties of polymeric nanofibers suspensions were studied as a function of the temperature. Below the Tg of polystyrene core at 25°C, the scaling law from viscoelastic behavior of these nanofiber suspensions the Doi−Edwards theory on the Brownian dynamics of rigid rods. Above Tg at 130°C, the nanofibers are flexible and it observed that their dynamics obey the power laws for polymer chains in solution

Les travaux réalisés portent sur la synthèse de nanoparticules de PVDF à l’aide de la polymérisation radicalaire contrôlée (PRC) par transfert de chaîne réversible par addition-fragmentation (RAFT) en émulsion. Dans un premier temps, un méthoxy poly(éthylène glycol) commercial porteur d’une fonction hydroxyle (PEG-OH) a été employé pour la stabilisation des particules de PVDF. Cette stabilisation est assurée par des réactions de transfert irréversible opérant le long des chaînes de PEG conduisant à la formation in situ d’un stabilisant de type copolymère greffé. Par la suite, un PEG modifié chimiquement à partir du PEG-OH, portant à son extrémité de chaîne une fonction xanthate (macroRAFT, PEG-X), réactive et réactivable, a été utilisé. Les expériences réalisées en présence de ce macroRAFT ont démontré une forte implication de l’extrémité xanthate dans le procédé de polymérisation en émulsion du VDF. En effet, des particules stables de l’ordre de 70 nm de diamètre sont obtenues, alors que l’utilisation de PEG-OH conduit à des tailles beaucoup plus importantes (200 nm). Cette tendance est confirmée lors de l’étude de l’impact de divers paramètres comme la masse molaire de la chaîne PEG ou encore la quantité d’amorceur. Des analyses complémentaires (tension de surface et calorimétrie différentielle à balayage) ont permis de comparer le taux d’ancrage de PEG-X et de PEG-OH. Les quantités en macroRAFT ont ensuite été augmentées dans le but d’obtenir des particules composées de copolymères à blocs. Des analyses RMN approfondies ont été menées pour identifier les espèces créées lors de la polymérisation en émulsion du VDF lorsque PEG-OH et PEG-X sont utilisés en tant que stabilisant. Par comparaison, des PEG portant des fonctions réactives de types (méth)acrylate et thiol ont également été employés comme stabilisant et leurs efficacités comparées à celles de PEG-OH et de PEG-X. Par ailleurs, d’autres architectures à base de PEG ont été évaluées en utilisant un macroRAFT difonctionnel (X-PEG-X) et un polymère greffé (PPEGA-X). Enfin, des latex de PVDF ont été synthétisés en présence de macroRAFT de type poly(acide (méth)acrylique) obtenus par polymérisation RAFT de l’acide acrylique ou méthacrylique en présence d’un trithiocarbonate ou d’un xanthate. Comme précédemment, plusieurs paramètres ont été variés comme la masse molaire des chaînes macromoléculaires, la quantité d’amorceur et la quantité de macroRAFT. Ces études ont encore une fois démontré la forte implication des extrémités RAFT dans la stabilisation des particules de PVDF
This work describes the synthesis of self-stabilized PVDF particles by combining the advantages of emulsion polymerization with those of controlled radical polymerization (CRP) using the RAFT process. First, a commercial methoxy poly(ethylene glycol) carrying a hydroxyl function (PEG-OH) was used for the stabilization of PVDF particles. The stabilization is provided by irreversible transfer reactions occurring along the PEG-OH chains leading to the formation of a grafted copolymer stabilizer in situ. This PEG-OH was then chain-end functionalized to introduce a xanthate group (macroRAFT, PEG-X). The experiments carried out in the presence of this macroRAFT demonstrated a strong implication of the xanthate chain-end in the VDF emulsion polymerization process. Indeed, particle sizes of 200 nm and 70 nm were obtained in the presence of PEG-OH and PEG-X, respectively. This trend was confirmed during the study of the impact of various parameters such as the molar mass of the PEG chain or the initiator amount. Additional analyses (surface tension measurement and differential scanning calorimetry) allowed to compare the anchoring efficiency of PEG-X and PEG-OH. The macroRAFT amount was then increased to form particles composed of block copolymer. In-depth NMR analyses were then conducted to identify the species created during the VDF emulsion polymerization process in the presence of PEG-OH and PEG-X. In comparison, PEGs carrying reactive functions such as (meth)acrylate and thiol were used as stabilizers and their efficiencies compared to those of PEG-OH and PEG-X. The macroRAFT architecture was also varied using a difunctional macroRAFT (X-PEG-X) and a grafted polymer (PPEGA-X). Finally, PVDF latexes were synthesized with poly((meth)acrylic acid) (P(M)AA) functionalized by either a trithiocarbonate or a xanthate. Like previously, several parameters were varied such as the macromolecular chain length, the initiator amount and the macroRAFT amount. Again, these studies demonstrated the strong impact of the RAFT chain-end in the stabilization of PVDF particles

Ce projet de thèse consistait à synthétiser de nouveaux bio-conjugués Lipide-Polymère fluorescents émettant dans le rouge lointain, composés d'une chaîne polymère portant à la fois de nombreux chromophores en position latérale et un lipide en extrémité de chaîne. La structure de ces bio-conjugués est basée sur des copolymères poly(N-acryloylmorpholine-co-N-acryloxysuccinimide), hydrophiles, réactifs, modulables et d'architecture contrôlée obtenus par le procédé RAFT. Les copolymères réactifs ont ensuite été utilisés pour le couplage, en position latérale, de chromophores émettant dans le rouge lointain. La stratégie utilisée pour la synthèse des bio-conjugués se divise en trois étapes : la synthèse d'Agents de Transfert de Chaîne (ATC) fonctionnalisés avec un lipide suivant un protocole déjà décrit suite à des travaux de notre équipe, et dont les étapes de purification ont été améliorées afin d'obtenir des ATC les plus purs possible (90% de pureté molaire) ; l'utilisation de ces ATC fonctionnels pour la synthèse de polymères α fonctionnels, et enfin, le couplage covalent, rapide et efficace, de chromophores en position latérale. Il a été mis en évidence que les ATC lipidiques permettent un très bon contrôle de la copolymérisation des monomères NAM et NAS. L'utilisation de la composition azéotropique pour ce couple de monomère permet également d'obtenir des chaînes polymère de microstructure très contrôlée et présentant des valeurs de Mn comprises entre 5 900 et 33 200 g.mol-1. Les propriétés optiques des bio-conjugués ont été déterminées, ce qui a permis de mettre en évidence que ces propriétés, et notamment le rendement quantique de fluorescence, sont très sensibles à la structure des bio-conjugués synthétisés. Tous les bio-conjugués présentent des brillances améliorées (jusqu'à 13 000 M-1.cm-1 dans l'eau et 50 0000 M-1.cm-1 dans CHCl3) par rapport à celle du chromophore. La capacité des bio-conjugués à interagir avec les bicouches lipidiques a été mise en évidence à travers l'utilisation de systèmes modèles (SUVs, LUVs et GUVs). Enfin, les évaluations biologiques réalisées ont montré à la fois une absence de cytotoxicité des bio-conjugués et une capacité de ces derniers à être internalisés rapidement (< 10 min) au sein de différentes lignées de cellules vivantes.

Ce travail est axé sur l’amélioration des propriétés de biospécificité de sondes polymères fluorescentes, d’architectures contrôlées synthétisées par polymérisation RAFT, pour deux applications principales : le ciblage de tumeurs cancéreuses in vivo et le marquage de protéines pour des études in cellulo. Pour une imagerie ciblée de l’angiogénèse tumorale in vivo, des systèmes de ciblage multivalents à deux niveaux ont été élaborés en combinant à la fois i) des polymères bien contrôlés synthétisés par polymérisation RAFT et par le procédé PISA, ii) des clusters peptidiques tétravalents présentant une forte affinité pour les intégrines αvβ3 et iii) des fluorophores émettant dans le rouge lointain/proche-infrarouge pour un suivi in vitro et in vivo par microscopie optique. Deux types de sondes ont été synthétisés, des conjugués linéaires et des nanoparticules chevelues. La présentation multivalente du cluster peptidique permet d’augmenter considérablement l’affinité pour les intégrines αvβ3. Les premières évaluations biologiques indiquent une internalisation cellulaire des sondes polymères médiée par les clusters peptidiques ainsi qu’un marquage sélectif des cellules sur-exprimant les intégrines αVβ3. Pour le marquage de protéines, deux stratégies ont été explorées : le marquage de protéines natives par couplage covalent de sondes ω-fonctionnelles et le marquage de protéines recombinantes par des sondes porteuses d’un ligand spécifique. Pour la première stratégie, une fonction ester activé a été introduite en extrémité ω de sondes polymères par chimie thiol-ène pour marquer les résidus lysines des protéines natives. Cette approche a abouti à un poly-marquage difficile à contrôler mais offrant une brillance élevée. Pour la seconde stratégie, un groupement acide nitrilotriacétique (NTA) a été introduit en extrémité α des sondes polymères afin de marquer spécifiquement les protéines taguées Histidines. Cette approche a permis un marquage efficace de différentes protéines et permet de contrôler précisément le nombre de sondes par protéine ainsi que leur site de fixation sur la protéine. Finalement, suite à ces travaux, une nouvelle stratégie de synthèse de polymères séquencés par addition successive de monomères hétéro-bifonctionnels en utilisant des réactions chimiques très efficaces, sélectives et orthogonales a été proposée et validée
This work is focused on improving the biospecificity properties of fluorescent polymer probes, with controlled architectures, for two main applications: the in vivo targeting of cancer tumors and the labeling of proteins for in cellulo studies. For a targeted imaging of tumor angiogenesis in vivo, targeting systems presenting two levels of multivalency were developed by combining both i) well-controlled polymers synthesized by RAFT polymerization and the PISA process, ii) peptide tetravalent clusters exhibiting a high affinity for the αvβ3 integrins and iii) fluorophores emitting in the far red / near-infrared for a monitoring in vitro and in vivo by optical microscopy. Two types of probes were synthesized, linear conjugates and hairy nanoparticles. Multivalent presentation of the peptide cluster induced a significant increase of the affinity for αvβ3 integrins. The first biological evaluations also indicated an efficient cellular internalization of polymer probes mediated by the peptide clusters and a selective labeling of cells over-expressing αvβ3 integrins. For protein labeling, two strategies were explored: the labeling of native proteins by covalent coupling of ω-functional polymer probes and the labeling of recombinant proteins by probes bearing a specific ligand at one chain-end. For the first strategy, an activated ester function was introduced at the ω-end of polymer probes by thiol-ene chemistry to label the lysine residues of native proteins. This approach resulted in a poly-labeling, difficult to control but providing highly bright bioconjugates. For the second strategy, a nitrilotriacetic acid group (NTA) was introduced at the α-end of polymers probes to specifically label Histidine tagged proteins. This approach enabled an efficient labeling of different proteins with a more precise control of the number of probes per protein and of the binding site. Finally, following this work, a new synthetic strategy of sequenced polymers by successive addition of hetero-bifunctional monomers using highly efficient, selective and orthogonal chemical reactions was proposed and validated