Synthèses et études des propriétés rhéologiques de polymères associatifs dérivés du Tris

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PRÉSENTATION DU PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL ET DE LA MÉTHODE SUIVIE

Afin de préciser les valeurs de fkp2/kt des différents monomères, nous avons effectué des cinétiques de polymérisation et de télomérisation à 65°C dans le méthanol à reflux ou dans l’eau, à 67°C dans le THF à reflux et à 80°C dans l’acétonitrile à reflux.

La procédure expérimentale globale mise en jeu est celle décrite par Pucci et al.135 et illustrée dans la figure 1.4. Une description détaillée de la méthode est donnée dans la partie expérimentale.

Dans le cas des télomérisations nous avons utilisé un agent de transfert hydrophobe qui est le tétrahydro 1H,1H,2H,2H perfluorodécanethiol. Ce thiol est commercial et possède une masse molaire suffisamment élevée (M = 490 g/mol) pour limiter les erreurs de pesée.

Le rôle de l’agent de transfert est de limiter le DPn du macroradical en croissance et d’éviter sa précipitation dans le milieu réactionnel qui pourrait alors générer des erreurs de mesure. Comme nous l’avons vu, l’arrêt de la croissance des macroradicaux par transfert de chaînes n’affecte en rien les constantes cinétiques de polymérisation. L’utilisation d’un agent télogène est donc judicieuse.

De façon à ce que l’hypothèse de Flory soit toujours vérifiée , c’est à dire que les constantes kp puissent être considérées constantes, l’expérience acquise avec le THAM nous a conduit à fixer le rapport R0 = [T0] / [M0] à 0,1 (nous obtenons ainsi un DPn légèrement supérieur à 10).

La réaction de télomérisation du monomère est amorcée à une température donnée sous atmosphère inerte après injection d’une solution d’amorceur de concentration exacte et connue. Des prélèvements (dix à quinze suivant le cas) du milieu réactionnel sont effectués à intervalle de temps réguliers et la composition du milieu réactionnel est déterminée par analyse RMN du proton après arrêt de la propagation (piégeage des radicaux libres par un inhibiteur).

De cette analyse RMN est déduit le rapport [M0]/[M] où [M0]0 est la concentration initiale en monomère et [M] sa concentration à l’instant t. L’évolution de ce rapport en fonction du temps est donnée par la relation de Tobolsky : [ ]0 ∙[ 2]01⁄d∙ ( )= 2 p ∙ ( ) 2 ∙ [1 − exp(− )] (25)

Les différentes valeurs du rapport [M0]/[M] sont portées sous la forme ln[(M)0/(M)] en fonction de [1-exp(1-kd*t/2)] pour obtenir ainsi une droite de pente p telle que : = 2 p ∙ ( [ 2]0)1⁄2 (34)

La valeur de la pente p est déterminée graphiquement et le rapport fkp2/kt est donné par la relation suivante :t4[ ]0p=d(35)

La constante de décomposition kd de l’AIBN choisi comme amorceur dans le méthanol à 65°C ou dans le THF à 67°C n’a pas été mesurée mais cette constante est peu sensible à la nature du solvant. Par analogie avec les valeurs obtenues à 65 °C avec d’autres solvants142 cette constante est évaluée à 2,5.10-5 s-1.

Précisons enfin que pour s’assurer de la reproductibilité des résultats, nous avons réalisé pour un même monomère deux séries d’expériences avec des concentrations en amorceur différentes.

SYNTHÈSE ET ÉTUDES DES CINÉTIQUES DE TÉLOMERISATION DU THAM ET DE SES DÉRIVÉS

Compte tenu des buts que nous nous sommes fixés, c’est-à-dire l’étude de l’impact des liaisons hydrogène intra ou intermoléculaires des derivés du THAM sur leurs constantes cinétiques, deux aspects paraissent a priori intéressants :

– d’une part le rôle des fonctions hydroxyles dans les associations hypothétiques du THAM.

– d’autre part l’impact de la liaison amide et plus précisément du proton amide sur ces liaisons hydrogène.

Nous nous sommes intéressés en premier lieu à l’influence des fonctions hydroxyle du THAM sur la vitesse de polymérisation. L’étude de l’influence du proton amide n’est intervenue qu’ultérieurement.

Études de l’influence des fonctions hydroxyles sur les cinétiques de polymérisation du THAM

Compte tenu de l’importance probable de ces fonctions hydroxyles sur les pouvoir d’agrégation du THAM et donc indirectement sur sa cinétique de polymérisation, deux démarches simples paraissent à priori envisageables :

– ces fonctions hydroxyles peuvent être protégées sous forme éther, ester, tetrahydropyranyle ou autres.

– elles peuvent également être éliminées c’est à dire que les groupes hydroxyméthyle peuvent être substitués par des groupes méthyle.

Dans un premier temps, cette deuxième voie a été privilégiée et nous avons effectué une première série d’expérience avec des monomères homologues du THAM comportant deux ou une seule fonction alcool.

La structure de chaque monomère homologue du THAM a été confirmée par analyse RMN 1H et 13C.

Synthèse et études cinétiques du THAM et de ses analogues mono- ou dihydroxylés

Synthèse du THAM

Le THAM est obtenu avec un excellent rendement en faisant réagir à 0°C un excès de chlorure d’acryloyle sur le Tris dans le méthanol. Le pH de la solution est maintenu au cours de la réaction à une valeur comprise entre 7 et 9 par ajout d’une solution de potasse méthanolique. Après élimination des sels et recristallisation dans le méthanol, le THAM est obtenu pur sous forme cristalline avec un rendement supérieur à 93 % (cf. figure 1.5).

Cinétique de polymérisation du THAM

Nous voulions déterminer la valeur du rapport fkp2/kt pour le THAM dans le méthanol et dans l’eau qui est un solvant généralement utilisé pour la polymérisation de l’acrylamide. Nous pouvions ainsi établir la différence de réactivité des deux monomères dans l’eau.

Cinétique de télomérisation du THAM dans le méthanol

La valeur du rapport fkp2/kt a déjà été déterminée135. Ce rapport a été évalué à fkp2/kt = 11,0 0,1 L.mol-1.s-1 dans le méthanol à ébullition, valeur très nettement supérieure à celle attendue pour un groupe acrylamide. Il faut également noter qu’après substitution du groupe acrylamide par un groupement de type méthacrylamide la valeur de fkp2/kt (0.01 0.005 L.mol-1.s-1) était pratiquement divisée par un facteur 100.

La vitesse de polymérisation du THAM est donc assez élevée si on la compare à celle d’autres dérivés de type acrylamide tels que certains N-acryloylglycinates dont la valeur du rapport fkp2/kt a également été évaluée dans l’acétonitrile à 80 °C143 (cf. figure 1.6).

Nous pouvons également noter que la taille du groupement protecteur a eu peu d’influence sur la vitesse de polymérisation des N-acryloylglycinates. Les valeurs ainsi obtenues étaient nettement plus conformes à celles habituellement rencontrées avec des dérivés de type acrylamide.

Cinétique de polymérisation du THAM dans l’eau

Le THAM a été polymérisé dans l’eau bi-distillee a 65 °C. Des essais préliminaires effectués avec deux amorceurs qui sont l’AIBN et l’ACVA (cf. Figure 1.7) se sont soldés par des échecs.

En effet, l’amorceur a été prélevé et injecté en solution aqueuse, or la quantité d’amorceur pouvant être solubilisée dans l’eau pure était trop faible pour pallier les problèmes d’inhibition radicalaire couramment observés dans l’eau. Ce solvant dissout en effet très bien l’oxygène et malgré un fort dégazage du milieu réactionnel sous atmosphère d’azote, il a été encore possible d’observer une période d’inhibition.

De plus nous ne possédions pas toutes les données qui nous auraient permis de calculer une valeur suffisamment précise de la constante de décomposition de l’ACVA à 65°C dans l’eau.

Dans ces conditions, nous avons choisi d’utiliser un autre amorceur qui était le dichlorhydrate de 2,2′-azobis(N,N’-dimethyleneisobutyramide) (cf. figure 1.7). Cet amorceur est un dérivé diazo comportant deux noyaux 4,5-dihydroimidazole protonés. Ce composé était parfaitement hydrosoluble, sa solubilité dans l’eau étant de l’ordre de 35 g.L-1. Par ailleurs, sa constante de vitesse de décomposition dans l’eau à 67 °C pouvait être aisément calculée.

En effet, comme toute constante de vitesse, kd pouvait être exprimée en fonction de l’énergie d’activation Ea et de la température absolue T suivant la relation : = ∙ (− ) (36)

A est une constante et correspond au facteur de fréquence. Les valeurs de kd à 40, 50 et 60 °C étaient connues et nous disposions aussi de la valeur de l’énergie d’activation Ea = 108,0 kJ.mol-1. Il était ainsi possible de déterminer la valeur de kd à n’importe quelle température en utilisant la relation suivante : =−( − )(37)

A 65 °C la constante de vitesse de décomposition est assez importante et devient kd = 23,2 x 105.s-1, soit plus de neuf fois supérieure à celle de l’AIBN à la même température.

Les temps d’inhibition dans l’eau ont pu être réduits de cinq à trois minutes en utilisant une quantité d’amorceur suffisante, cependant comme nous pourrons l’observer par la suite, la réaction de polymérisation du THAM dans l’eau est très rapide et, aux concentrations en amorceur employées, six à huit minutes de réaction ont été suffisantes pour parvenir à des taux de conversion de l’ordre de 90 %.

L’intervalle de temps séparant deux mesures ne devait donc pas dépasser 15 secondes de façon à suivre correctement l’avancement de la réaction. Il était bien évident que, dans de telles conditions, les résultats obtenus ne pouvaient représenter qu’une évaluation très approximative de la valeur réelle des constantes de vitesses.

En effet, nous n’avons pu établir une valeur précise du rapport fkp2/kt, les résultats ayant été peu reproductibles. Les valeurs obtenues regroupées dans le tableau 1.1, bien qu’approximatives, rendent cependant compte d’une réactivité « anormalement élevée » du THAM dans l’eau.

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
Les polymères amphiphiles associatifs, de nouvelles structures aux potentialités
illimitées
I. LES TENSIOACTIFS OU SURFACTANTS : DESCRIPTION ET PROPRIÉTÉS CHIMIQUES
II. EXTRACTION ET PURIFICATION DES PROTÉINES MEMBRANAIRES
III. LA VECTORISATION DE PRINCIPES ACTIFS
IV. LES POLYMÈRES AMPHIPHILES ASSOCIATIFS
CHAPITRE I Cinétique de polymérisation et de télomérisation du Tris(hydroxyméthyl) acrylamidométhane
I. INTRODUCTION
II. RAPPEL SUR LES NOTIONS DE TÉLOMÉRISATION
1. Description des différentes étapes d’une réaction de télomérisation
2. Expression cinétique des différentes étapes
2.1. Étape d’initiation
2.2. Étape de propagation
2.3. Étape de terminaison
2.4. Étape de transfert
3. Évolution des concentrations en réactif
3.1. Évolution de la concentration en initiateur
3.2. Évolution de la concentration en monomère
3.3. Évolution de la concentration en télogène
3.4. Détermination de la constante fkp2/kt
4. Description des réactions de télomérisation des monomères dérivant du THAM
III. PRÉSENTATION DU PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL ET DE LA MÉTHODE SUIVIE
IV. SYNTHÈSE ET ÉTUDES DES CINÉTIQUES DE TÉLOMERISATION DU THAM ET DE SES DÉRIVÉS
A. Etude de l’influence des fonctions hydroxyles sur les cinétiques de polymérisation du THAM
1. Synthèse et étude cinétique du THAM et de ses analogues mono- ou dihydroxylés53
1.1. Synthèse du THAM
1.2. Cinétique de polymérisation du THAM
1.2.1. Cinétique de télomérisation du THAM dans le méthanol
1.2.2. Cinétique de polymérisation du THAM dans l’eau
1.3. Synthèse et étude cinétique du bis(hydroxyméthyl)méthylacrylamidométhane (BHAM) 1
1.3.1. Synthèse du BHAM
1.3.2. Etudes cinétiques du BHAM
1.4. Synthèse et études cinétiques du 2-méthyl-2-acrylamidopropanol (MAP) 2
1.4.1. Synthèse du MAP
1.4.2. Etudes cinétiques du MAP
2. Synthèse et études cinétiques de monomères dérivés du THAM
2.1. Synthèse des monomères
2.1.1. Synthèse des monomères protégés par cétalisation
2.1.1.1. Synthèse du THAM isopropylidène 3
2.1.1.2. Synthèse du THAM isopropylidène acétylé 4
2.1.2. Synthèse des composés protégés par acétylation
2.1.2.1. Synthèse du dérivé monoacétylé 5
2.1.2.2. Synthèse du dérivé diacétylé 6
2.1.2.3. Synthèse du dérivé triacétylé 7
2.1.3. Synthèse des dérivés protégés par acétalisation
2.1.3.1. Synthèse du dérivé monotétrahydropyranylé (THAM monoTHP) 11
2.1.3.2. Synthèse du dérivé ditétrahydropyranylé (THAM diTHP) 12
2.1.3.3. Synthèse du dérivé tritétrahydropyranylé (THAM triTHP) 13
2.2. Etudes des cinétiques de polymérisation des monomères dérivés du THAM
3. Synthèse et études cinétiques du THAM triméthoxylé 16
3.1. Synthèse du THAM triméthoxylé
3.2. Cinétique de polymérisation du THAM triméthoxylé
4. Conclusion
B. Synthèse et études cinétiques des dérivés du Tris(hydroxyméthyl)-Nméthylacrylamidométhane
1. Essai de synthèse du THAM N-méthyl par condensation du Tris N-méthyl sur le chlorure d’acryloyle
1.1. N-méthylation du Tris
1.1.1. Tentative de N-méthylation du Tris par action d’un agent alkylant
1.1.2. N-alkylation du Tris par amination réductive du formaldéhyde
1.2. Formation et essai de réduction du Tris(hydroxyméthyl)formamidométhane 17
1.2.1. Formation du Tris(hydroxyméthyl)formamidométhane
1.2.2. Réduction du Tris(hydroxyméthyl)formamidométhane
1.3. Formation et réduction des dérivés du Tris(hydroxyméthyl)formamidométhane
1.3.1. Formation des dérivés du composé 1
1.3.1.1. Synthèse du Tris(acétoxyméthyl)formamidométhane
1.3.1.2. Synthèse du 2,2-diméthyl-5-formylamido-5-hydroxyméthyl 1,3- dioxane
1.3.1.3. Synthèse du tris(tétrahydropyranyloxyméthyl)formylamidométhane
1.3.1.4. Formation d’un dérivé tritritylé
1.3.2. Réduction des dérivés du composé 17
1.3.2.1. Réduction du composé 18
1.3.2.2. Réduction du composé 19
1.3.2.3. Réduction des dérivés O-tétrahydropyranylés
1.3.2.4. Réduction des dérivés tritylés
2. Condensation d’un groupement acryloyle sur le N-méthyl TRIS et ses dérivés
2.1. Essais de synthèse du tris(hydroxyméthyl)-N-méthylacrylamidométhane
2.2. Synthèse du THAM isopropylidène N-méthylé 27
2.3. Synthèse du THAM tri-O-tétrahydropyranyle N-méthylé 29
3. N-Méthylation du THAM
3.1. Formation et méthylation des dérivés tri-O-R
3.2. Formation et méthylation des dérivés iso-O-R
4. Cinétique de polymérisation du THAM isopropylidène N-méthylé
4.1. Cinétique de télomérisation du THAM isopropylidène 3 et du THAM isopropylidène-N-méthylé 27 dans le THF
4.2. Cinétique de polymérisation du THAMisopropylidène 3 et du THAM isopropylidène-N-méthylé 27 dans l’acétonitrile
V) CONCLUSION
CHAPITRE II Synthèse et études des propriétés biologiques d’amphipols dérivés du THAM.
I. INTRODUCTION
II. SYNTHÈSE D’AMPHIPOLS NEUTRES DÉRIVÉS DU THAM
1. Stratégie de synthèse envisagée
2. Synthèse d’amphipol par cotélomérisation de monomères dérivés du THAM
2.1. Synthèse des monomères
2.1.1. Synthèse des monomères porteurs de chaîne grasse
2.1.2. Synthèse de monomères destinés à constituer les parties hydrophiles de l’amphipol
2.1.3. Synthèse des formes protégées des monomères amphiphiles
2.1.3.1. Synthèse des dérivés amphiphiles monogalactosylés
2.1.3.2. Synthèse des dérivés amphiphiles digalactosylés
2.2. Synthèse des cotélomères
2.2.1. Procédé de synthèse
2.2.1.1. Synthèse d’amphipols neutres par cotélomérisation de dérivés acétylés du THAM
2.2.1.2. Synthèse d’amphipols neutres par cotélomérisation de dérivés du THAM protégés par cétalisation
2.2.2. Résultats obtenus et interprétation
2.2.2.1. Cotélomérisation de monomères non galactosylés
2.2.2.2. Cotélomérisation de monomères galactosylés
2.3. Conclusion
3. Synthèse d’amphipols par modification chimique d’un homotélomère d’un dérivé du THAM
3.1. Synthèse de l’homotélomère du THAM isopropylidène
3.2. Modification hydrophobe de l’homotélomère
3.3. Conclusion
III. RÉSULTATS BIOLOGIQUES : Association de protéines membranaires avec des cotélomères amphiphiles.
1. Solubilité des télomères en solution aqueuse
2. Essais préliminaires d’association d’une protéine hydrophobe, la bactériorhodopsine, avec des amphipols non ioniques
3. Études complémentaires de l’association de protéines hydrophobes avec les cotélomères amphiphiles dérivés du Tris
3.1. Existence et solubilité des complexes
3.2. Déterminantion de la polydispersion des associations amphipols-protéines formées
et de leur stabilité après élimination de l’excès de polymère
3.3. Mesures de l’activité enzymatique du cytochrome b6 f
4. Conclusion
IV. ANALYSE DE LA COMPOSITION DES SOLUTIONS AQUEUSES D’AMPHIPOLS ET DES COMPLEXES AMPHIPOLS/PROTÉINE PAR DIFFUSION QUASI ÉLASTIQUE DE LA LUMIÉRE (Q.E.L.S.)
1. Principe et théorie de la diffusion quasi-élastique de la lumière
2. Calcul des différentes valeurs accessibles par analyse de l’intensité diffusée
3. Analyse de l’intensité diffusée par les solutions d’amphipols neutres dérivés du Tris
4. Analyse des associations amphipols/protéines par Q.E.L.S
V. CONCLUSION
CHAPITRE III Synthèses et études des propriétés rhéologiques de polymères associatifs dérivés du Tris.
I. INTRODUCTION
1. Vecteurs macromoléculaires
2. Vecteurs vésiculaires
3. Les vecteurs de type virosomes
4. Les vecteurs micellaires
5. Les vecteurs de type hydrogels
6. Les vecteurs micellaires polyméres pluricompartimentaux
II. SYNTHÈSE DE POLYMÈRES AMPHIPHILES ASSOCIATIFS DÉRIVÉS DU TRIS
1. Méthode de synthèse envisagée
2. Synthèse des homopolymères par polymérisation radicalaire
2.1. Mise au point de la réaction de polymérisation des dérivés protégés du THAM
2.2. Synthèse et modification hydrophobe des homopolymères du THAM isopropylidène
2.3. Déprotection des polymères modifiés et obtention des poly(Tris) amphiphiles
3. Conclusion
III. ÉTUDES DES PROPRIÉTÉS RHÉOLOGIQUES DES POLYMÈRES AMPHIPHILES DÉRIVÉS DU TRIS
A. Quelques notions de base en rhéologie
1. Généralités-définitions
2. Mesure des viscosités
2.1. Viscosité apparente
2.2. Viscosités réduites et intrinsèques
B. Études rhéologiques
1. Mesures des viscosités apparentes
1.1. Évolution de la viscosité en fonction du gradient de vitesse de cisaillement
1.2. Évolution de la viscosité apparente en fonction de la concentration en polymère
2. Mesure de la viscosité réduite
2.1. Mesure de la viscosité réduite du polymère 114 »/12/C11
2.2. Mesure de la viscosité réduite de l’homopoly(Tris) 117
3. Étude des propriétés rhéologiques des poly(Tris) obtenus après précipitation des phases aqueuses
4. Conclusion
IV) CONCLUSION
CONCLUSION GÉNÉRALE
PARTIE EXPÉRIMENTALE
I. MÉTHODES GÉNÉRALES
II. SYNTHÈSE DES MONOMÈRES
III. EXPÉRIENCE DE CINETIQUE DE POLYMÉRISATION
IV. SYNTHÈSE DES AMPHIPOLS NEUTRES
V. ÉTUDES DES PROPRIÉTÉS BIOCHIMIQUES DES AMPHIPOLS NEUTRES
VI. ANALYSES Q.E.L.S. DES SOLUTIONS AQUEUSES DES AMPHIPOLS NEUTRES ET DES AMPHIPOLS CHARGÉS ET DES COMPLEXES FORMÉS AVEC LES PROTÉINES
VII. SYNTHÈSE DES POLYMÈRES AMPHIPHILES DÉRIVÉS DU TRIS
VIII. ANALYSE DES MASSES MOLAIRES DES HOMOPOLYMÈRES PROTÉGÉS
BIBLIOGRAPHIE