Memoire Online - Synthèse de nouveaux polyesters aliphatiques par polymérisation de lactones fonctionnalisées par catalyse organométallique

Synthèse de nouveaux polyesters aliphatiques par polymérisation de lactones
Fonctionnalisées par catalyse organométallique

Un polyester est un polymère dont le squelette macromoléculaire est constitué de motifs répétitifs contenant la fonction chimique ester.

De nos jours, une attention toute particulière est portée aux polymères aux propriétés biodégradables et biocompatibles [1,2]. Ceux-ci sont soit issus du milieu naturel, soit d'origine pétrochimique. Particulièrement, les polyesters aliphatiques tels que la poly-åcaprolactone (PCL) et les polylactides (PLA) occupent une place remarquable suite à leur possible dégradation totale en molécules de faible masse molaire sous l'action de stimuli biologique ou physico-chimique; en CH4, CO2, H2O et biomasse [2]. En effet, du fait qu'ils sont biodégradables, biorésorbables et perméables à beaucoup de médicaments, ils sont très utilisés en industries pharmaceutiques et en différentes formulations galéniques [3]. Cependant, le domaine d'application de ces thermoplastiques est limité par de basses températures de fusion (60 pour la PCL et 50 pour PLA).

Plusieurs stratégies sont mises en oeuvre pour palier à ces problèmes de température de fusion et pour étendre leur gamme de propriétés afin d'élargir leur champ d'application. On peut citer la modification chimique ainsi que l'architecture macromoléculaire mais la copolymérisation reste la plus générale. En effet, le changement de structure et de teneur ainsi que la distribution des comonomères conduisent à une variété de nouveaux matériaux [4].

Pour obtenir un polymère porteur d'une fonction chimique désirée, on peut soit fonctionnaliser des monomères et ensuite les (co)polymériser ou soit procéder d'abord à la polymérisation et fonctionnaliser le polymère lors d'une seconde étape. Pour aboutir au copolymère désiré, plusieurs méthodes sont proposées. On peut recourir soit à la cycloaddition 1,3-dipolaire de Huisgen sous la catalyse de cuivre (I) (« Chimie Click »), soit à l'addition radicalaire par transfert d'atome (ATRA). Cependant, deux problèmes majeurs sont liés à la réaction dite « Click ». Il s'agit de la formation des intermédiaires portant une fonction azoture qui est potentiellement explosif d'une part et de la présence des résidus catalytiques (Cu⁺) qui restreindraient leur utilisation d'autre part.

Quant à la réaction d'ATRA, elle est avantageuse car elle ne nécessite pas la préparation d'intermédiaires azotures. En effet, la réaction d'ATRA est une réaction de Kharasch catalysée par des complexes métalliques (schéma 1).

Récemment, quelques travaux en rapport avec l'ATRA ont été reportés. S. Lenoir et al. [2] ont reporté en 2004 les résultats de l'ATRA sur une poly(a-chloro-å-caprolactone-co-åcaprolactone) (poly(aClåCL-co-åCL)) par catalyse au cuivre à 60°C dans du DMF. Cependant, la quantité de catalyseur extrêmement élevée ainsi que la présence de DMF reste un handicape pour l'applicabilité de ces polymères. P. Jonlet, en 2009, dans la perspective de palier à ces problèmes, a étudié la fonctionnalisation de la poly(aClåCL-co-åCL) par ATRA sous la catalyse de complexes de ruthénium mais le taux de fonctionnalisation reste faible.

Ainsi, le but de notre travail était de préparer des polyesters fonctionnels par ATRA, grace à l'intermédiaire ct-bromo-å-caprolactone (ct-Br-å-CL), en présence de faible quantité de catalyseur à basse température et en des temps de réaction relativement courts. En effet, la liaison C-Br étant plus labile que la liaison C-Cl, l'a-Br-å-CL est plus active que a-Cl-å-CL, ce qui augmenterait le taux de fonctionnalisation par ATRA.

Au cours de notre stage, nous avons d'abord synthétisé des monomères et réalisé leur polymérisation avant de procéder à la fonctionnalisation proprement dite. Typiquement, la cyclohexanone a été bromée pour donner la 2-bromo-cyclohexanone qui ensuite a subi une oxydation de Baeyer-Villiger pour donner l'a-Br-å-CL. Ensuite, nous avons procédé à la copolymérisation de l'a-Br-å-CL avec l'åCL. Le test de la réaction d'ATRA a été fait sur la 2- bromocyclohexanone et sur le copolymère.

Pour le test sur la 2-bromocyclohexanone, 2 types de complexes au ruthénium (Cata A et cata B), ont été utilisés alors que sur le copolymère, seul le complexe bimétallique (cata B) a été utilisé.

2.1 Synthèse de 2-Bromocyclohexanone

La 2-bromocyclohexanone a été synthétisée à partir de cyclohexanone comme décrit par G. Wang et al [5]. Dans un ballon à deux tubulures de 250ml, muni d'un thermomètre,

nous avons mélangé 15g de cyclohexanone avec 100ml d'eau distillée. Ensuite, 7,9 ml de

brome ont été ajoutés, goutte à goutte pendant 4h. Puisque la réaction est exothermique, un

bain de glace est utilisé pour rabaisser la température de la réaction entre 20°C et 30°C. Après

addition du brome, la solution est agitée jusqu'à décoloration complète (pendant 1h). La phase organique est ensuite séparée de la phase aqueuse et séchée sur sulfate de magnésium anhydre. Le solvant est évaporé sous pression réduite et le résidu est distillé sous vide (5 10^- ²mm de Hg/40°C). On récupère 18,57g (68,77%) d'une huile incolore, qui se solidifie lorsqu'on la place en chambre froide (-20°C), qui est alors analysée par RMN.

RMN ¹H (250MHz, CDCl3): ä (ppm) = 4,4 (m, 1H, H_e); 2,8 (m, 2H, H_a); 1,7-2,3 (m, 6H, Hb, H_c, Hd).

RMN ¹³C (63,5 MHz; CDCl3): ä(ppm) = 169,7 (CO); 53,6 (C_e); 37,9 (Cd); 36,8 (C_a); 226,7 (Cb); 22,1 (Cc).

2.2 6 QJKqseIdeI4'i-bromo-e-caprolactone

L'ct-Br-E-GL a été synthétisée par oxydation de Baeyer-Villiger de la 2- bromocyclohexanone par l'acide m-chloroperoxybenzoique (m-GPBA) [2]. Dans un ballon de 100 ml, sont introduits 25ml de GH2Gl2 et 3g de 2-bromocyclohexanone. Ensuite, 4,3g de mGPBA ont été ajoutés par petite portion sur bain de glace. La solution est agitée à 0°c pendant une nuit, mise en chambre froide (-20°G) pendant 1h30 et filtrée. 35ml de GH2Gl2 sont ensuite ajoutés au filtrat (25ml) et la solution est lavée par 3 fois 20ml de _Na2S2O3 diluée, 3 fois 20ml de NaHGO3 saturée, suivi de 20ml de NaGl saturée, et enfin par 2 fois 20ml d'eau distillée. Après lavage, la solution est séchée par du MgSO4 anhydre, filtrée et séchée sous la rampe à vide. Le produit brut est ensuite chromatographié par colonne de silice (Ether de pétrole-

Ethylacétate 10 :3). Le solvant est évaporé au rotavapor pour fournir 1,421g (43,3%) d'un solide blanc. La nature de produit obtenu est confirmée par RMN.

RMN ¹H (250MHz; GDGl3) (Figure 1) : ä(ppm) = 4,8 (m, 1H, H_a); 4,7 (m, 1H, H_e); 4,3 (m, 1H, H_e); 1,7-2,2 (m, 6H, Hb, H_c, Hd).

RMN ¹³G (63,5 MHz; GDGl3) : ä (ppm) = 169,6 (GO); 69,7 (G_e); 48,3 (G_e); 31,8 (Gb); 29,1 (Gd); 25,3 (G_c).

Le produit n'est pas stable en dehors du frigo (-20°c), ce qui se traduit par le rougissement de la solution dû à la libération de brome.

3.1 Synthèse du copolymère statistique, le poly a-Bromo-e-caprolactone-e-caprolactone

La copolymérisation de a-Br-å-CL avec å-CL a été amorcée par 2,2-dibutyl-2-Stanna1,3-Dioxépane (DSDOP) dans du toluène à 40°C (schéma 3).

Dans un tube en verre, on conditionne sous atmosphere inerte 1,421g d'ct-Br-E-CL. Le

solide est alors séché par distillation azéotropique (toluène). Ensuite, 5ml de toluène anhydre,

2.7ml d'ECL et 0,56ml de DSDOP 0,75M ont été respectivement ajoutés à travers le septum sous flux d'azote. Le tube est placé dans un bain d'huile de silicone à 40°C pendant 3h30. A la fin de la réaction, 7ml de toluène sont ajoutés. Le copolymère est alors précipité dans l'heptane et cette suspension est placée en chambre froide (à -20°C) pendant une nuit. Le copolymère est ensuite filtré, séché et pesé (3,28g ; 78%). Ce dernier est alors caractérisé par RMN (Figure 2) et GPC (UV à 260nm) (figure 3).

RMN ¹H (250MHz; CDCl3): ä (ppm) = 4,2 (t, 1H, Ha); 4,1 (m, 2H, He); 4(t, 2H, Hj); 3,6 (s, 2H, OH); 2,3 (t, 2H, Hb); 2,1 (t, 2H, Hf); 1,3-1,7 (m, 10H, H_c, Hd, H_g, Hh, Hj).

La fraction molaire des comonomères dans le copolymère est déterminée par RMN ¹H. Par comparaison avec le spectre RMN ¹H de PCL [5], on observe une apparition de deux nouveaux multiplets à ä=4,1 et 4,2ppm (H_a + H_e) et ä = 1,95-2,05ppm (Hb de l'unité monomérique a-Br-CL) dans le spectre RMN ¹H du copolymère. La fraction molaire de a-Brå-CL dans le copolymère est donnée par le rapport des intégrales Hb sur _Hb+Hf et il est de 0,20. Les quantités utilisées pour la copolymérisation étaient calculées pour obtenir un copolymère de masse moléculaire égale à 10000 g/mol et dont la fraction en a-Br-å-CL est de 25%. L'analyse du spectre RMN ¹H a permis de déterminer que la masse moléculaire du copolymère était de 9500 g/mol et que la fraction en a-Br-E-CL était de 20%. La fraction obtenue reste inférieure à la fraction théorique et cela serait dû du fait que l'a-Br-å-CL

contenait des traces de solvant. Par CES (figure 5), on observe une distribution monomodale

avec un indice de polydispersité de 1,4, ce qui est couramment rencontré pour ce type de polymérisation.

3.2 Synthèse de T'/TIfine1 1Te benzoate de 3-butényle

Dans un ballon à deux tubulures de 100ml, on introduit 40ml de CH2Cl2, 4,7ml de 3- butène-1-ol et 15,2ml de triméthylamine respectivement. A cette solution, placée dans un bain de glace, 9,54 ml de chlorure de benzoyle ont été ajoutés goutte à goutte pendant 10min. Le milieu réactionnel est maintenu sous agitation pendant 50min à 0^oC et pendant 3h à la température ambiante. On ajoute ensuite 50ml de HCl 1N et on extrait le produit par 30ml de diéthyl éther. La phase organique est lavée par 50ml d'une solution saturée en NaHCO3, puis séchée sur MgSO4. Le solvant est évaporé sous pression réduite et le produit brut est chromatographié sur colonne de silice (diéthylether-éther de pétrole 2:98). Après évaporation du solvant, le benzoate de 3-butényle est obtenu sous forme d'un liquide incolore (7,66g ; 78,4%) de pureté 98% (GC), le produit est analysé par RMN.

RMN ¹H (250MHz; CDCl3) : ä(ppm)=7,5-8 (m, 5H, Ph); 5,7 (m, 1H, Hb); 5,1 (m, 2H, H_a); 4,7 (m, 2H, Hd); 2 ,5 (m, 2H, H_c).

RMN ¹³C (63,5MHz; CDCl3): ä (ppm)=165 (C_e); 130 (Ph); 115 (C_a, Cb); 65 (Cd); 32 (C_c).

Les tests de fonctionnalisation ont été faits à la fois sur la 2-bromocyclohexanone et sur le copolymère statistique. Nous avons commencé la fonctionnalisation de la 2- bromocyclohexanone, pour tenter de contourner les risques de dégradations liées à l'ouverture de cycle lors de la fonctionnalisation de l'a-Br-å-CL. Pour fonctionnaliser le copolymère, nous avons utilisé le benzoate de 3-butényle car sa détection UV (GPC), lors de la caractérisation, est aisée.

4.1 Fonctionnalisation de l'i-bromocyclohexanone

Les tests d'ATRA sur cette molécule ont été faits en utilisant le styrène, qui est une oléfine activée. Pour ce faire, nous l'avons fait sous différentes conditions en variant le type de pré-catalyseur. Deux Types de catalyseurs ont été utilisés. Dans tous les cas, une masse de catalyseur (5% en moles de 2-bromocyclohexanone) considéré est introduit dans un tube en verre contenant un barreau magnétique et dégazé par 3 cycles de vide/argon. 0,167g de 2- bromocyclohexanone, 3,5ml de toluène et 0,4ml de styrène, dégazés, sont respectivement ajoutés par seringue sous atmosphère inerte. Le mélange est placé dans un bain d'huile de silicone à 85^oC sous agitation magnétique. Des prélèvements sont effectués après différents temps de réaction, pour évaluer l'avancement de la réaction, par chromatographie en phase gazeuse. Cependant, après 4 jours de réaction, seul des traces de produit sont formées.

4.2 Fonctionnalisation du copolymère par ATRA

La fonctionnalisation du copolymère a été testée expérimentalement sous différentes conditions. Les conditions qui ont été modifiées sont la quantité de catalyseur utilisé et l'usage un amorceur radicalaire le 2,2-azobis-2,4-diméthyle-4-méthoxyvaléronitrile (V-70) en vue de réduire le complexe in situ [8]. Dans tous les cas, le pré-catalyseur (Cata b) (5 ou 10% en moles par rapport au copolymère) est mesuré dans un tube en verre. Ensuite, 884,9mg du copolymère sont ajoutés (et le V-70 selon le tableau 1) et le mélange est dégazé par 3 cycles vide/argon. A 0,6455g (4 équivalents) de 3-butényl benzoate dégazé est ajouté 3,5ml de CH2Cl2 dégazé et le mélange est transféré au milieu réactionnel par canule sous atmosphère inerte. Le tube est mis au bain d'huile de silicone à 40^oC.

Des prélèvements sont effectués après différents temps de réaction pour évaluer l'avancement de la réaction. Chaque prélèvement est traité de la façon suivante :

Après évaporation du solvant sous vide et redissolution dans quelques gouttes de toluène, l'échantillon est précipité dans l'heptane et mis au frigo (-20°C) pendant au moins 4h. Après une seconde précipitation dans l'heptane et évaporation du solvant, l'échantillon est séché dans un dessiccateur sous vide et puis analysé par RMN ¹H (CDCl3) et au GPC (dans le THF) avec UV (260nm).

Le spectre RMN ¹H du copolymère fonctionnalisé (figure 4) montre l'apparition des pics, dans la zone des aromatiques, correspondant aux protons du cycle aromatique greffé [3,4].

Par cette technique de caractérisation, nous pouvons calculer le taux de fonctionnalisation par la formule :

La caractérisation GPC, permet d'évaluer qualitativement si le greffage a eu lieu ou s'il s'agit d'une oléfine résiduelle grâce du détecteur UV couplé au détecteur à indice de réfraction. Ainsi, comme il y a superposition des chromatogrammes (figure 5), on conclut que l'oléfine détectée est celle greffée sur le copolymére.

Figure 5 : Spectre GPC (THF) couplé au détecteur UV (260nm) du copolymère après ATRA

Durée (h)	Fonctionnalisation (%)		Polydispersité
	AhTo-a	AhTo-b	AhTo-a	AhTo-b
3	6	2	1,31	1,33
5,5	7	3	1,34	1,77
21,3	9	2	1,26	1,57
24	8	2	1,32	1,75

Tableau 1 : Résultats de l'ATRA sur le copolymére AhTo-a : 5% cata AhTo-b : 5% de Cata + 5% de V-70

L'usage du V-70 était de régénérer le catalyseur lors de la catalyse. Cependant, le tableau 3 montre qu'en sa présence, le taux de fonctionnalisation diminue. Ceci serait dû au fait que sa durée de demi-vie est de 1h30 à 40^oC, température à laquelle nous menons notre réaction. Ainsi, il est désactivé avant que la conversion ne commence.

4.3 Fonctionnalisation du copolymère par ATRA sous la catalyse de cuivre

La fonctionnalisation du copolymère poly(aBrECl-co-ECL) a été également testée en présence d'un complexe de cuivre CuBr [10]. Cette fois-ci, nous avons utilisé 600mg de copolymère puis on a ajouté successivement 0,15g de CuBr, 0,77g de benzoate de 3- butényle, 0,153 g de HMETA et 4ml de DMF. Ensuite le milieu est barboté par l'azote pendant 15min et chauffé à 60°c et la réaction est arrêtée après 8 heures. Des prélèvements, en fonction du temps de la réaction, sont effectués et traités par la technique décrite précédemment. Au début de la réaction le milieu est de couleur vert foncé, après quelques heures de réaction le milieu prend une couleur bleue ce qui peut expliquer qu'il y a réaction. Cependant, le taux de fonctionnalisation du copolymère est négligeable car il n'y a pas apparition de pics dans la zone d'aromatiques sur le spectre RMN ¹H et il n'y a pas de superposition de chromatogrammes en GPC (UV).

La première approche consistait à la fonctionnalisation de 2-bromocyclohexanone par ATRA. Cependant, la fonctionnalisation n'a pas vraiment abouti à grands choses car il n'y avait détection qu'en traces de produits de réaction.

Par contre, la seconde approche se faisant sur le copolymère conduit à la fonctionnalisation bien qu'elle reste faible (9%). Ce résultat est comparable, en de temps plus courts, au résultat de fonctionnalisation par ATRA sur le copolymère a-chloré [7].