Synthèse de catalyseurs respectueux de l'environnement et de monomères issus de la biomasse pour le développement de nouveaux polymères biodégradables et biocompatibles

par Hugo Fouilloux

Projet de thèse en Chimie Moléculaire

Sous la direction de Christophe Thomas.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Chimie moléculaire de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec Institut de Recherche de Chimie Paris (laboratoire) , Chimie Organométallique et Catalyse de Polymérisation (COCP) (equipe de recherche) et de École nationale supérieure de chimie (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2018 .


  • Résumé

    Parmi les polymères biodégradables les plus intéressants, les polyesters aliphatiques présentent un intérêt majeur. Au cours des dernières décennies, de nombreux homo- et copolymères ont notamment été créés et utilisés pour des applications biomédicales aussi diverses que la libération contrôlée de principes actifs, la thérapie génique, la médecine régénérative ou les implants. Les polyesters sont cependant encore loin d’être optimisés et des structures adaptées sont certainement nécessaires. Actuellement, les polyesters aliphatiques sont synthétisés par polycondensation de diols et de diacides, par polymérisation par ouverture de cycle (ROP) d’esters cycliques et par copolymérisation directe d’époxydes et de monoxyde de carbone (CO). La ROP nécessite l’utilisation de composés carbonylés chers et peu disponibles : les architectures de polymères sont donc limitées à celle des esters cycliques à disposition. Par contre le choix quasi illimité de diols et diacides donne accès à un plus grand nombre de propriétés pour les polymères, même si leur utilisation directe en réactions de polycondensation requiert beaucoup d’énergie, des conditions drastiques pour obtenir de hautes conversions et des stœchiométries de comonomères très précises pour synthétiser des produits de hautes masses moléculaires. En revanche, la copolymérisation directe CO/époxydes est économique en atomes mais elle ne permet pas d’obtenir des polymères de hautes masses moléculaires en raison de conversions faibles. De plus l’activité et la productivité des amorceurs organométalliques restent plutôt faibles par rapport à celles obtenues en ROP de lactones. En dépit des avancées significatives pour synthétiser des polyesters aliphatiques, il reste donc des inconvénients majeurs à régler concernant tous ces procédés. Il est également primordial d'accéder à de nouvelles architectures macromoléculaires contrôlées pour moduler à volonté les caractéristiques physiques (thermiques, mécaniques, rhéologiques), chimiques et biologiques. Pour régler ces principaux défis, nous souhaitons nous inspirer de stratégies utilisées par la Nature. Par exemple, en tant que chimiste, nous utilisons habituellement des protocoles de synthèse ‘stop-and-go’ par lesquels des transformations individuelles sont réalisées pas à pas, ponctuées par la purification des intermédiaires à chaque étape de la séquence. Par contre, dans la Nature, la conversion rapide de produits de départ simples en structures moléculaires complexes est accomplie grâce à des transformations enzymatiques spécifiques, responsables d’une série continue de cascades catalytiques parfaitement maitrisée. Ainsi la catalyse tandem est l'une des stratégies utilisées par la Nature pour construire des macromolécules. Les organismes vivants synthétisent généralement des macromolécules in vivo par des réactions de polymérisation en chaine catalysées par des enzymes qui utilisent des monomères activés formés dans les cellules au cours de processus métaboliques complexes. Cependant ces processus biologiques dépendent de biocatalyseurs très complexes ce qui limite leurs applications industrielles. Dans le même esprit biomimétique, nous souhaitons étudier la synthèse de polymères biodégradables via des transformations catalytiques tandem, où les monomères “activés” sont synthétisés à partir de matières premières renouvelables (en une ou plusieurs étapes) avant d’être (co)polymérisés. Cette approche permettrait la réduction des déchets générés et de l’énergie consommée. De plus, la synthèse de produits complexes et difficiles à obtenir (pour des raisons thermodynamiques par exemple) serait ainsi rendue possible. En d’autres termes, la combinaison de différents types de réactions pourrait permettre la synthèse de macromolécules complexes. Le prix des matières premières représentant 50% du coût total de production des polymères biodégradables, nous nous intéresserons particulièrement à la synthèse de nouveaux monomères renouvelables puis nous les utiliserons en catalyse de polymérisation pour former les polymères correspondants.

  • Titre traduit

    Synthesis of eco-friendly catalysts and bio-based monomers for the development of new biodegradable and biocompatible polymers


  • Résumé

    Aliphatic polyesters are of major interest among biodegradable polymers. Over the last decades, numerous homo- and copolymers synthesized and used for biomedical applications such as the controled release of drugs, genic therapy, regenerative medicine or implants. However, polyesters are far from being optimized and adapted structures are necessary. Nowadays, aliphatic polyesters are synthesized by diol and diacid polycondensation, by ring-opening polymerization (ROP) of cyclic esters and by direct copolymerization of epoxydes and carbon monoxyde (CO). ROP requires the use of expensive and rare carbonylated compounds : polymers' architectures are thus limited to those of available cyclic esters. On the other hand, the almost unlimited number of different diols and diacids gives a greater access to different polymer properties, although their direct utilization in polycondensation reactions requires a lot of energy, drastic conditions to obtain high conversions and very precise comonomer stoechiometry to synthesize high molecular mass products. The last synthesis strategy, namely the direct copolymerization of CO with epoxydes, is atom economic but does not allow high molecular mass polymers because of low conversions. Moreover, the activity and productivity of organometallic initiators are still quite low when compared to those obtained by ROP of lactones. Despite significant advances in the synthesis of aliphatic polyesters, there are still major issues to be tackled in all of these processes. It is also of major importance to access new macromolecular architectures in a controled manner in order to modulate at will their physical (thermal, mechanical, rheological), chemical and biological properties. To tackle these main issues, we plan to draw our inspiration from the strategies used by Nature. For instance, as chemists, we usually go through 'stop-and-go' synthesis, where individual transformations are performed step by step and punctuated by the purification of intermediates at each step of the sequence. In Nature, however, rapid conversion of simple starting material into complex molecular structures is achieved thanks to specific enzymatic reactions, responsible for a series of well-controled catalytic cascades. Thus, tandem catalysis is one of the strategies used by Nature to build macromolecules. Living organisms usually synthesize macromolecules in vivo by enzyme-catalyzed chained-polymerization reactions using activated monomers formed inside the cells during complex metabolic processes. These biological processes depend however on very complex biocatalysts which limits their industrial applications. In the same biomimetic way, we plan to study the synthesis of biodegradable polymers via tandem catalytic reactions, synthesizing 'activated' monomers from renewable starting materials (in one or several steps) before (co)polymerizing it. This approach would permit the reduction of waste produced and energy consumed. Besides, the synthesis of complex products that are usually difficult to obtain (for instance because of thermodynamics) would be made possible. In other words, the combination of different types of reactions could afford the synthesis of complex macromolecules. The price of starting material being accountable for 50% of the total cost of production of biodegradable polymers, we will especially focus on the synthesis of new renewable monomers and will then use them in catalysis of polymerization to form the corresponding polymers.