Disproportionation and ring-opening polymerization of silmethylene-siloxane derivatives

par Cédric Pasquet

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de François Ganachaud.

Le président du jury était Etienne Fleury.

Le jury était composé de François Ganachaud, Etienne Fleury, Monique Mauzac, Frédéric Peruch, Frédéric Gubbels, Claire Longuet.

Les rapporteurs étaient Monique Mauzac, Frédéric Peruch.

  • Titre traduit

    Redistribution et polymérisation par ouverture de cycle de dérivés silméthylène siloxanes


  • Résumé

    Les poly(silméthylènesiloxane)s, aussi dénommés silicones hybrides, sont constitués d’un squelette portant un groupement méthylène entre 2 unités SiOSi. La synthèse de ces polymères par polycondensation ne permet pas d’atteindre des masses molaires très élevées, contrairement aux produits issus de la polymérisation par ouverture de cycle. Ce manuscrit décrit la procédure choisie pour aboutir à une synthèse contrôlée de poly(silméthylènesiloxane)s, des précurseurs (monomères, amorceurs) aux polymères. Le monomère cyclique silméthylène a été préparé par cyclisation de le 1,3-dichlorotetraméthylsilméthylène. Ce dernier peut être généré par redistribution de sous-produits de l’industrie de type halogénures d’alkylsilanes. Deux voies de redistribution ont été étudiées, la méthylation par le méthyllithium, et la dismutation des chlorosilanes en présence d’AlCl3 et de tétraméthylsilane. Cette dernière méthode conduit à une nouvelle distribution de chlorosilanes et chlorosilméthylènes jamais obtenue auparavant. La polymérisation par ouverture de cycle en présence d’acide triflique du 1,1,3,3,5,5,7,7-octamethyl-2,6-dioxa-1,3,5,7-tetrasilacyclooctane conduit à des poly(silméthylènesiloxane)s terminés silanol. Suivant la pureté du monomère, différentes masses molaires peuvent être atteintes. La température réactionnelle joue un rôle crucial afin d’éviter toute cyclisation des chaînes. Par comparaison avec des monomères organiques conventionnels (ether, oxiranes, etc...), le mécanisme de polymérisation implique deux espèces en équilibre, un ion silyl-oxonium et un ester silyl-triflate. Une augmentation de la température de réaction déplace cet équilibre vers les espèces ioniques, responsables des réactions de rétroscission. Ainsi la température optimale de réaction a été localisée à 25°C. La polymérisation par ouverture de cycle a été également testée en présence de catalyseur (acide triflique) et d’un amorceur (molécule portant une (des) fonction(s) silanol). Dans les conditions de température données, des polymères de masses molaires et de fonctionnalités contrôlées sont obtenus. Ces expériences ouvrent la porte à de nouvelles voies de polymérisation des cyclosiloxanes, mettant en lumière la compétition entre deux mécanismes de polymérisation, la propagation par bouts de chaînes activés (ACE) et par monomères activés (AM).


  • Résumé

    Polysilmethylenesiloxanes are belonging to the “hybrid” silicone family. The presence of a methylene group into the polymer backbone enhances their thermal stability, which is particularly interesting in high-tech applications. The synthesis of such polymers by polycondensation did not so far lead to high molar mass polymers, contrary to those prepared by ring-opening polymerization. The synthesis of such polymers is described in this manuscript, from the monomer to the macromolecule. The silmethylene cyclic dimer, the monomer of interest, is synthesized by cyclization of 1,3-dichlorotetramethylsilmethylene. This latter can be generated from the disproportionation of the direct process residue, a by-product of the silicone industry. The disproportionation proceeds either by methylation with methyl lithium, or by Me/Cl interchange reaction catalyzed by AlCl3 in presence of tetramethylsilane. This latter led to a selective dechlorination of chlorosilanes and chlorosilmethylenes in mild conditions, which has not been yet observed with the DPR. Cationic ring-opening polymerization in presence of triflic acid of such silmethylene cyclic dimer led to bis-silanol polysilmethylenesiloxanes. Depending on the purity of monomer, high molar masses can be targeted. The reaction temperature also plays a critical role in order to avoid any cyclization of the growing chains. While triflic acid plays a role of catalyst, it does not allow controlling molar masses. Comparisons with conventional organic monomers were made to identify the polymerization mechanism which involves two propagating species in equilibrium, a silyl-oxonium ion and a silyltriflate ester. An increase of the reaction temperature shifts this equilibrium towards ionic species, responsible of back- and end-biting reactions. Thus the optimal reaction temperature of ROP of the silmethylene cyclic dimer has been set at 25°C previously and confirmed here. The ROP reaction of the silmethylene cyclic dimer in presence of triflic acid and silanol molecule allows designing the obtained molar masses, while keeping a certain control of end-groups. Variations of molar masses with the silanol content speaks for a polymerization occurring through an activated monomer mechanism. Experiments done to confirm this mechanism open routes to the polymerization of other cyclosiloxanes where the competition between the activated chain end (ACE) and the activated monomer (AM) mechanisms could be controlled.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible sur intranet à partir du 24-06-2023

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